Trabajo Cimentacion

8/16/2019 Trabajo Cimentacion

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CIMENTACION EN

SUELOS ARCILLOSOS

INTRODUCCIÓN

Los suelos arcillosos son suelos que tienen potencial para la expansión y la contracción en

condiciones de humedad. El cambio de volumen resultante de la expansión y contracción

provoca daños a las estructuras asentadas sobre ellos. El área de suelo expansivo incluye casi

todos los esquemas agrícolas y la mayoría de los proyectos de desarrollo en el país (Figura !"

y abarca aproximadamente el #!.$% & de la super'icie total de er) (*+E,+ !-/"

Los daños causados a las estructuras por suelos arcillosos se han registrado en di'erentes

ubicaciones con presencia de arcilla (0nvestigación ropia". Los daños incluyen edi'icios1

carreteras1 'ábricas1 estructuras hidráulicas1 etc.1 y se atribuyeron a la 'alta de identi'icación y

clasi'icación de suelos arcillosos y el diseño inadecuado de los cimientos de las estructuras

dañadas.

2arios intentos se han hecho por estudiantes universitarios y empresas privadas1 desde losaños setenta del siglo pasado para identi'icar y clasi'icar suelos arcillosos y estudiar los

diversos 'actores que a'ectan a sus características de expansión y contracción (3arrillo 4il1

!-%-5 6lva 7urtado1 !-/5 6tala 3esar !-%1 *8ada 9ía:1 !-;". Estos intentos resultaron en

una me8or comprensión de los 'actores que a'ectan a la expansión y contracción de los suelos

arcillosos de er) y1 por tanto1 a la elaboración de guías para su identi'icación y clasi'icación.

Este documento anali:a las di'erentes opciones de cimentación para estructuras sobre suelos

arcillosos1 directrices para su selección1 el diseño y la construcción1 con especial re'erencia a la

experiencia en er).

el va

b a 8 a

Figura 01: >uper'icie con presencia de suelos arcillosos en er) (*+E,+ !-/"

CIMENTACION EN SUELOS ARCILLOSOS

Los suelos se componen de una variedad de materiales1 la mayoría de las cuales no seexpanden en presencia de humedad. >in embargo1 una serie de minerales de arcilla son

>u e l os 6rci llo so s>u p eri ciales

>u e l os 6rci llo so sro 'u n d os

>u e l os 6rci llo so s


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expansiva. Estos incluyen? Esmectita1 @entonita1 u traba8o se basa principalmente en los datos recogidos de los


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in'ormes de los servicios llevados a cabo por universidades y otras empresas de ingeniería. 6continuación resumiendo la investigación de uno de estos investigadores.

(6. 3arillo 4il" Las arcillas expansivas del norte del er)1 donde aparentemente son losmovimientos irreversibles los que predominan en las arcillas y clima del lugar1 levantamientosque son similares a los ocurridos en otras partes del mundo1 siendo menos predominantes losdebidos a cambios de clima seco a lluvioso y a)n menos importantes los movimientos anualesperiódicos1 hecho a'ortunado de nuestra parte ya que estudios e'ectuados en di'erentes paísesque su'ren este mismo 'enómeno indican que los movimientos debidos a la variación estacionalson mucho más peligrosos que los movimientos irreversibles. >e ha establecido que el gradode expansión de los suelos arcillosos expansivos del er) 'luct)a de mediano a muy alto parahinchamiento libre medido en más de A1 especímenes de suelos típicos que varían de unmínimo de /& a un máximo de -A& (caso excepcional de algunas arcillas de Calara"1 acusandola mayoría de ellos pesos unitarios promedio de !.- grcm# en estado seco y de !. a A.grcm# en estado natural. Encontrando que para el caso de las arcillas peruanas el límite decontracción evaluado tiene una variación de !#& a AA& para suelos expansivos que hancausado graves problemas en las edi'icaciones1 datos que no correlacionan con experienciasde otros lugares en los que se predicen grandes cambios de volumen para límites decontracción menores de !. Esta misma situación ha sido tambiBn reportada por otrosinvestigadores en D>6 y posteriormente en 0srael coincidiendo en que los suelos altamenteexpansivos pueden su'rir tambiBn grandes contracciones.

En base a la in'ormación presentada1 se concluye que los suelos arcillosos son potencialmentemuy expansivas y que el índice de plasticidad media y la presión de hinchamiento son $/& yA.; gcmA1 respectivamente. El límite líquido promedio1 capacidad de intercambio catiónico(303" y el hinchamiento libre 'ueron ;&1 A/ meq.gramo y !A$&1 respectivamente.

La pro'undidad de la manta de arcilla varía de !1/ m a más de !1 m. Dn resumen de laspropiedades 'ísicas básicas medias a #1 metros se da en la Cabla !. La Cabla muestrapredominio de arcillas que tienen alto a muy alto potencial de hinchamiento.

Tabla 01? romedio propiedades 'ísicas de suelos arcillosos a #1 m

Mue#tra#$ndi%e dePla#ti%idad

Contenido de&ino# '

Contenido deAr%illa '


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3on un reconocimiento visual y manual o bien mediante clasi'icaciones sencillas se puede

determinar las propiedades esperadas de un suelo en el campo. 6lgunos indicadores de la

presencia de los suelos expansivos son?

a" grietas por secado.b" lasticidadc" Espe8os de 'ricción.d" Cexturae" 9años estructurales.

Grietas por secado. Las grietas en los suelos expansivos aparecen en la super'icie del terrenodurante periodos de sequía1 con un arreglo geomBtrico del tipo poligonal1 'recuentemente degran dimensión. La resistencia del suelo seco es alta.

Plasticidad. En lo suelos expansivos1 es relativamente 'ácil hacer un rollito de suelo sindesmoronarlo.

Espejos de fricción. La super'icie de suelos recientemente expuestos al aire muestraabundantes 'isuras y espe8os de 'ricción.

Textura. Los suelos expansivos son resbalosos y tienden a pegarse a :apatos o llantas devehículos cuando están h)medos.

Daos estructurales. La presencia de grietas y distorsiones en las estructuras vecinas indicanel potencial de expansión.

.M/todo# Mineral+0i%o# De Identi*i%a%i+n

La composición mineralógica tiene una in'luencia 'undamental sobre el potencial expansivo de

los suelos. Las cargas elBctricas negativas que existen en la super'icie de los mineralesarcillosos1 las 'uer:as que mantienen unidas a las unidades básicas y la capacidad deintercambio catiónico son 'actores que contribuyen al potencial expansivo de las arcillas. or loanterior1 es posible identi'icar la expansividad de las arcillas al conocer su constituciónmineralógica. En la actualidad se dispone de varias tBcnicas para identi'icar mineralesarcillosos tales como? a" di'racción de rayos G5 b" análisis tBrmico di'erencial5 c" análisisquímico y d" microscopio electrónico.

Difracción de ra!os ". Es el procedimiento más utili:ado1 consiste en determinar lasproporciones de di'erentes minerales arcillosos comparando las intensidades de líneas dedi'racción con aquellas de'inidas en substancias estándares.

#n$lisis t%r&ico diferencial. Dsado 8unto con el procedimiento de di'racción de rayos G y el

análisis químico1 es capa: de identi'icar otros minerales arcillosos di'íciles de determinar.

#n$lisis 'u(&ico. Es un valioso suplemento de otros mBtodos1 para grupos de minerales demontronorilonita1 este mBtodo permite determinar las características de la substitución isomor'ay muestra el origen y locali:ación de las cargas que tienen las super'icies arcillosas.

)icroscopio electrónico. 3on este mBtodo se tiene una manera directa para observar elsuelo1 es )til para de'inir la composición mineralógica1 la textura y la estructura interna. 9osmateriales con el mismo patrón de di'racción de rayos G y curvas tBrmicas1 di'erencialespueden mostrar di'erentes características mor'ológicas desde el punto de vista del microscopioelectrónico.

Es importante mencionar que para una identi'icación con'iable1 se deben usar varios mBtodos

al mismo tiempo. En la identi'icación mineralógica1 particularmente la interpretación deresultados para uso ingenieril1 requieren de conocimientos y experiencias que no tienegeneralmente un geotBcnico1 por lo que se debe acudir a expertos en el tema.


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&ACTORES 2UE A&ECTAN A LA SELECCIÓN DE LOS CIMIENTOSSO3RE LOS SUELOS E)PANSIVOS

Los tipos de cimentación com)nmente utili:adas en todo el mundo para soportar cargasestructurales en el entorno de un suelo arcilloso son? :apatas individuales o continuas de pocapro'undidad1 losa rígida o rigidi:ada y pilotes de hormigón per'orados.

Las cimentaciones super'iciales como :apatas individuales o corridas son pre'erentementeutili:adas en suelos con estratos de arcilla relativamente delgadas de tal manera que permitacolocar la cimentación en un estrato in'erior de menor cambio expansivo. Las cimentaciones delosa constan de una losa delgada de hormigón arriostrada con vigas transversales paraproporcionarle mayor rigide:. >on aplicables con un buen rendimiento en :onas donde lossuelos poseen grandes cambios volumBtricos de expansión y contracción. >in embargo1 lospilotes de concreto armado tienen un rendimiento satis'actorio en suelos arcillosos con alto amuy alto potencial de cambio volumBtrico. >on 'avorecidos en suelos expansivos1principalmente debido a su capacidad para resistir las 'uer:as de levantamiento cuando se

instalan correctamente.

El rendimiento y la selección de un tipo de cimentación tBcnicamente viable para una ciertaestructura 'undada sobre suelo arcilloso dependerá de?

• Las características de hinchamiento de los suelos encontrados1 es decir1 el potencial decambio volumBtrico de la capa o capas de arcilla expansiva1 la pro'undidad y lasecuencia de capas de los depósitos que se encuentran dentro del rango de in'luenciadel sistema de cimentación.

• Las condiciones ambientales5 Bstos incluyen el contenido de humedad de las capas desuelo arcilloso1 la pro'undidad del nivel 'reático1 la intensidad de las precipitaciones1 la

temperatura y la cubierta vegetal. Estos 'actores a'ectan y controlan la pro'undidad dela :ona de arcilla activa. La utili:ación de agua en ciertos edi'icios (por e8emplo1'ábricas" es per8udicial y a'ecta el rendimiento 'uturo de las 'undaciones.

• El tipo de la estructura1 su 'orma1 la rigide: 'lexibilidad y la tolerancia a losmovimientos.

• 3onsideraciones constructivas tales como la disponibilidad de ciertas herramientas deconstrucción (por e8emplo1 equipos de per'oración de pilotes" y la experiencia de loscontratistas locales y propietarios de viviendas.

4 DA5OS PRODUCIDOS EN LA CIMENTACIÓN

3uando los suelos arcillosos están presentes por lo general no causan un problema si sucontenido de agua se mantiene constante. La situación en la que se produce mayor daño escuando hay cambios signi'icativos o repetidos de contenido de humedad.

La 'orma más obvia en la que los suelos arcillosos pueden dañar la cimentación es mediante laelevación1 se hinchan con aumentos de humedad. Los suelos hinchados se levantan y seagrietan cargando ligeramente1 :apatas1 y con 'recuencia causan grietas en las losas de piso.

9ebido a las di'erentes cargas del edi'icio en di'erentes partes de la cimentación de unaestructura1 la elevación resultante variará en di'erentes áreas. 3omo se muestran en las Figura$ y Figura /1 las esquinas exteriores de una losa de cimentación rectangular cargadouni'ormemente sólo e8ercerá alrededor de un cuarto de la presión normal en un suelo hinchadode la e8ercida en la parte central de la losa. 3omo resultado1 las esquinas tienden a ser levantado respecto a la parte central. Este 'enómeno puede ser exacerbado por los


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di'erenciales de humedad dentro de los suelos en el borde de la losa. Cal movimientodi'erencial de la cimentación tambiBn puede causar problemas a la elaboración de unaestructura.

!rie ta #Ve rti% a le #

!rie ta #6ori7onta le#

!rie ta #Dia 0ona le #

orCor ta n te

E8 a n#i+nCe ntr a l

6und i,ie ntoPe r i*/ r i% o

Figura 0*: 6grietamiento de estructura por movimiento cBntrico (Fredlund H ,ahard8o1 !--#".

Figura 0+ : 6grietamiento de estructura por movimiento perimetral (FredlundH,ahard8o1 !--#"


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3argaDni' ormesobreLosa,ectangular

re sió n d e 7in ch a mi e n to Dn i'o rme9i r e cció n y


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3ontenido decoloide

( J .! mm" en &

Indicelástico

>hrinage

Limit& Expansión ba8ocarga de !. psi

4rado deExpansión

K A K#/ J!! K#


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Estos mBtodos consisten en predecir el potencial expansivo del suelo de una 'ormacualitativa1 en base a medidas directas de la expansión del suelo sobre muestrasremoldeadas compactadas en condiciones pre'i8adas de humedad y densidad.

Los mBtodos más utili:ados son el de N Ladd y LambeO auspiciado por la Federal7ousing 6dministration y el mBtodo de N 23 N o mBtodo de la medida del cambiovolumBtrico.

Medida# Dire%ta# De La E8an#i+n Del Suelo

Estos mBtodos consisten en medir la expansión del suelo al saturarlo ba8o di'erentescondiciones de carga1 gra'icándose las variaciones de hinchamiento para di'erentespresiones aplicadas.

Es universalmente aceptado que los dos parámetros que de'inen el otencial de7inchamiento son?

P Pre#i+n de in%a,iento PS"? de'inida como la presión aplicada enlaboratorio sobre una muestra de suelo expansivo para que1 una ve: encontacto con agua1 la probeta mantenga constante su volumen inicial1 esdecir que la variación de volumen sea nula.

P 6in%a,iento li;re 6%F: de'inido como el & de la elevación máximapara presión nula en relación a la longitud inicial de la probeta.

Las medidas de estos parámetros se reali:an 'undamentalmente mediante pruebasedomBtricas o en tBcnicas basadas en la succión1 tendiendo a simular los 'actoresrelevantes que sigue el 'enómeno cuando se desarrolla in situ. ara lograr esteob8etivo se han propuestos innumerables metodologías experimentales que siguenoperativas distintas1 cuando no opuestas. Las principales divergencias radican en?

P 'orma de simular las condiciones de campo en el edómetro

P tamaño y 'orma de la muestra

P valor de la humedad inicial del ensayo

P magnitud de la precarga y secuencias de cargas

P momento de saturación

P mecanismos para medir el hinchamiento

P n)mero de muestras que intervienen en el ensayo.

Es por esto que la abundante bibliogra'ía internacional disponible evidenciamarcadas discrepancias en los valores 'inales obtenidos y que la predicción delcomportamiento resulte 'uertemente in'luenciada por aquellas variables1 másprecisamente1 por el camino de tensiones seguido y por el criterio de saturaciónutili:ado.

or lo expuesto la de'inición de hinchamiento no es tan simple como la de'inida conanterioridad1 ya que está supeditada al procedimiento experimental utili:ado para sucuanti'icación.


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>i bien estos mBtodos constituyen el procedimiento más adecuado para predecir laexpansión del suelo1 además de las di'icultades señaladas1 tienen el inconvenientede requerir un equipamiento bastante completo (celdas de cargas1 pesas1 etc."1 nodisponibles en los laboratorios de uso com)n en ingeniería.

1G H2UE &ACTORES INTERVIENEN EN EL &ENÓMENO DE LAE)PANSIÓN

El potencial expansivo de un suelo (presión de hinchamiento y elevación" dependen1como mínimo1 de las siguientes variables?

aF Naturale7a tio de ar%illa:

La composición mineralógica de la arcilla (porcenta8es de illita1 caolinita ymontmorillonita" que está compuesto la arcilla resultan 'undamentales en cuanto alpotencial expansivo del suelo.

Los suelos expansivos por excelencia son aquellos que tienen altos porcenta8es demontmorillonita.

;F 6u,edad ini%ial:

El elemento Ncatali:adorO del 'enómeno de la expansión1 es precisamente1 lavariación en el contenido de humedad del suelo. or más montmorillonita que estBcompuesta una arcilla1 si no hay variación en el contenido de humedad del suelo1 nohabrá cambios volumBtricos.

+o es necesario que el suelo se sature completamente para que produ:ca expansióndel mismo.

or el contrario1 en determinados casos1 es su'iciente variaciones en el contenido dehumedad del suelo de sólo ! o A puntos porcentuales1 para causar hinchamientos yproducir daños estructurales.

El contenido de humedad inicial del suelo controla la magnitud del asentamiento.

6rcilla NsecasO1 con contenido de humedad por deba8o del !/ & indican un riesgo deexpansión alto1 pues 'ácilmente pueden llegar absorber contenidos de humedad de#/ & con las consecuentes daños estructurales.

or el contrario1 arcillas cuyo contenido de humedad está por encima del # & indica

que la mayoría de la expansión ya ha tenido lugar y sólo es esperable alg)n levehinchamiento remanente.

%F Pe#o e#e%J*i%o #e%o del #uelo:


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dF Cara%terJ#ti%a# lK#ti%a# del #uelo:

3omo ya 'ue explicado anteriormente las propiedades plásticas del suelo 8uegan unimportante papel en el 'enómeno expansivo

eF Poten%ia del e#trato a%tivo:

6 travBs de ensayos de laboratorio sobre muestras de un mismo suelo1 compactadasal mismo grado densidad y humedad inicial1 se ha estudiado el e'ecto del espesor del estrato en la magnitud total del hinchamiento.

Los resultados mostraron que la magnitud del cambio volumBtrico experimentado esproporcional al espesor del estrato1 mientras que la presión de expansión semantiene constante.

Esto nos estaría indicando que si una estructura es capa: de trasmitir una presiónuni'orme y constante a pro'undidades importantes deba8o de la 'undación se podríacontrarrestar el 'enómeno de cambio volumBtrico. ero como sabemos esto no esposible1 ya que1 a medida que aumentamos la pro'undidad1 la presión trasmitida por la :apata de 'undación disminuye y por lo tanto no constituye un mBtodo e'ectivopara el control de la expansión.

*F &ati0a de la e8an#i+n:

En muestras sometidas en laboratorio a ciclos de saturación y disecado mostraronseñales de 'atiga despuBs de varios ciclos.

Este 'enómeno no ha sido todavía su'icientemente investigado.

>e ha notado en pavimentos sometidos a variaciones estacionales en el contenido dehumedad del mismo que tienden a un cierto punto de estabili:ación luego de uncierto n)mero de años.

En el grá'ico ad8unto se puede ver una curva de 'atiga típica de las obtenidas enensayos de laboratorio.

11 HCOMO ACTUAR &RENTE A UN SUELO E)PANSIVO

6nte la presencia de un suelo potencialmente expansivo1 las dos grandes líneasde acción serían?

A%tuar en el #entido de redu%ir o eli,inar la e8an#i+n del #ueloLas di'erentes 'ormas de acción sobre el suelo se pueden agrupar en?

*0nundar el suelo en el sitio de manera que se produ:ca una expansión antes de laconstrucción

*,educir la densidad del suelo mediante un adecuado control de la compactación. R

,empla:ar el suelo expansivo por uno que no lo sea.

*


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A%tuar #o;re la e#tru%tura a trav/# de la #ele%%i+n de undi#eo de %i,enta%i+n aroiado

En líneas generales se act)a en el sentido de rigidi:ar o 'lexibili:ar de tal 'orma laestructura que sea capa: de absorber o adaptarse a las de'ormacionesresultantes. En el diseño del cimiento se tiende a una concentración de cargas demanera que la presión trasmitida al suelo sea capa: de controlar la de'ormación.Este punto es ampliado más adelante.

1( ACTUACIÓN SO3RE EL SUELO

=Pre6u,e%ta%i+n> del Suelo:

la teoría de Nprehumectar N el suelo antes de la construcción está basada en elhecho de que si al suelo se le permite que se expanda antes de la construcción ysi luego la humedad del suelo es mantenida1 no es de esperar cambiosvolumBtricos y por lo tanto no es esperable daños sobre la estructura.

La experiencia indica que en las áreas cubiertas por una losa1 contrapiso1pavimento1 etc.1 el contenido de humedad del suelo rara ve: decrece. >i unoNinunda el sueloO1 una ve: que el suelo se hinche hasta su máximo potencial1 lamigración del contenido de humedad hacia la parte de suelo subyacente que seencuentra menos h)meda induce nuevas expansiones del suelo di'eridas en eltiempo. Este proceso puede continuar durante cerca de ! años.

El tiempo requerido para lograr una adecuada humectación del suelo1 aunque nosea necesario llegar a la saturación1 es de al menos uno o dos meses1 lo quepuede ser considerado como demasiado largo.

6demás es muy cuestionable el hecho de que se obtenga una variación uni'ormeen el contenido de humedad del suelo en las áreas NprehumectadasO.

Los suelos arcillosos1 que son los potencialmente expansivos1 son muy di'íciles deNprehumectarO siendo lo más 'actible que el agua penetre a travBs de 'isuras1 etc.1no lográndose una humectación pare8a del suelo.

Este mBtodo de Ninundación previaO puede resultar )til para la cimentación

mediante losas1 construcción de pavimentos1 canales1 etc.1 pero no es adecuadopara cimentaciones aisladas (tipo patín"

La ra:ón es que el prehumectar el suelo conlleva a reducir en una 'orma muysigni'icativa los parámetros resistentes del suelo1 lo que lo hace inadecuado parael apoyo de cimientos aislados.

Redu%%i+n de la Den#idad del Suelo:

este mBtodo es naturalmente válido cuando la cimentación se debe hacer sobreun material a terraplenar1 o en aquellos casos en que se procede a la sustitucióndel suelo.


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La magnitud del asentamiento en un relleno depende de la densidad alcan:ada enla compactación1 el contenido de humedad de la compactación1 el mBtodo decompactación y la carga que se aplique sobre el relleno

Estos dos )ltimos están impuestos por el equipo usualmente disponible en la obradurante la compactación y la sobrecarga impuesta por la obra1 de manera quesobre lo que podemos actuar es 'undamentalmente sobre los dos primeros.

En el grá'ico siguiente 7olt: and 4ibbs muestran la in'luencia de la densidad y lahumedad en la compactación de una arcilla expansiva.

>e puede apreciar el hecho de que las arcillas expansivas expanden poco cuandoson compactadas a densidades ba8as y alto contenido de humedad1 peroexpanden mucho cuando son compactadas a densidades altas y ba8os contenidos

de humedad.

La principal ra:ón de que el contenido de humedad es importante durante lacompactación es que el contenido de humedad es un controlador del grado dedensidad alcan:ado1 y no tanto por el hecho de que un alto contenido dehumedad haga reducir sensiblemente la expansión. El elemento 'undamental paracontrolar la expansión es el grado de densidad alcan:ado.

Sa en el año !-/- 9aTson aconse8aba que en suelos expansivos se debíacontrolar no sólo el alcan:ar un grado de compactación mínimo1 sino tambiBn unvalor máximo.

3omo se muestran en la tabla siguiente1 un decremento de la densidad seca de

una arcilla expansiva desde !- a ! pc'1 la presión de hinchamiento decrece de


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!# a / ps' y el potencial de hinchamiento desde %.; a $.A &. Esto sin variar elcontenido de humedad del suelo.

E*e%to de la varia%i+n de la den#idad en el %a,;io volu,/tri%o en la

re#i+n de in%a,iento ara ,ue#tra# de %ontenido de u,edad

%on#tante:

9ensidad0nicial

(pc'"

3ontenido0nicial de

7umedad(&"

3ontenido Finalde

7umedad(&"

orcenta8e desaturación inicial

0ncrement ode

2olumen en(&"

resión de7inchamient

o(ps'"

-$.# !A.-# A!.A; $/. A.; A1%

--.$ !A.A A$.-A $.! #. $1%

!.A !A.-# !-.-# /A.! $.A /1

!#.# !A.-# A./! /%.# /.! ;1

!-.! !A.-# A./% %/.$ %.; !#1

!!. !A.A !-.# %$.; ;.# !$1

!!$./ !A.A !-.!; ;!.% .A A!1!!.- !A.A !;. !.A .% #/1

romedio !A.// A!.

La principal venta8a de controlar la densidad de compactación es que se puedereducir el potencial expansivo del suelo1 sin necesidad de agregar agua por encima de la óptima1 con las desventa8as económicas que esto trae apare8ado ylos problemas anali:ados en el mBtodo anterior.

Su#titu%i+n del Suelo E8an#ivo: una alternativa simple de cimentar una losa o un patín en un material expansivo es rempla:ar el material expansivopor otro que no lo sea.

La experiencia indica que si el suelo natural sobre el que estamos apoyandonuestro cimiento consiste en más de / pies (aprox. !./ mts" de suelo granular deltipo ( >3>"1 que a su ve: se apoya en un suelo altamente expansivo no existeriesgo de movimiento en la 'undación cuando apoyamos la misma sobre estematerial granular.

1. H2u/ reueri,iento# le arJa,o# a e#e relleno 0ranular

+os podemos hacer aquí tres preguntas?


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!U. VWue tipo de material debemos colocarX

AU. VWue espesor tendría ese relleno (o sea que pro'undidad de sustitución"X

#U. VEn que área deba8o de la 'undación extenderíamos la sustituciónXEl primer requerimiento es1 obviamente1 que el material no sea expansivo1 eso locumplen los suelos cuya clasi'icación varía desde los materiales del tipo 4Y a losdel tipo >3.

Los materiales granulares que podemos considerarlos NlimpiosO1 es decir conescasa cantidad de 'inos1 aquellos cuya clasi'icación de acuerdo al >.D.3.>. varíadel tipo 4Y a >1 tiene una permeabilidad tal que el agua podría llegar hasta losmateriales subyacentes arcillosos y expansibles.

9esde el punto de vista antes señalado sería pre'erible que los materiales delrelleno sean menos permeables1 con cierto contenido de 'inos (del tipo >< o >3"1

aunque estos tiene la contra de que los 'inos de estos materiales pueden a su ve:presentar cierto grado de expansión.

Uno de lo# %riterio# u#uale# e# el lanteo de la #i0uiente%ondi%i+n:

Limite líquido & de


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3on la tecnología disponible en la actualidad para la acción sobre los suelosexpansivos1 la sustitución de suelos puede ser considerada como una de lasme8ores opciones para la estabili:ación de estos suelos.

9entro de las venta8as de este mBtodo está el hecho de que se pueda compactar el material sustituido a elevados porcenta8es de manera de poder soportar cargas

importantes. 3on el mBtodo de NprehumectadoO o de Ncontrol del grado de lacompactaciónO1 la capacidad resistente del suelo se ve disminuida.

El costo de esta alternativa no es caro si la comparamos con la de cualquier otra'orma de tratamiento químico1 etc.

3on la excepción de la cimentación del tipo Nlosas 'lotantesO el mBtodo dereempla:o del material expansivo constituye el mBtodo más seguro para una'undación directa sobre este tipo de materiales.

3uando se procede a la sustitución de suelo1 es conveniente tener la precaución

adicional de reali:ar los drena8es super'iciales en 'orma adecuada alrededor

de la construcción de manera de evitar la in'iltración de agua por deba8o de losniveles del relleno.


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6lgunas de las recomendaciones para la construcción de caminos propuesta por laFederal 7igTay 6dministration son las siguientes?

. ro'undidad mínima de reempla:o de material de A pies (% cm".

. 7C* C--.

Re%o,ienda ro*undidade# ,Jni,a# de ree,la7o #e0n #etrate de ruta# rin%iale# o #e%undaria#:

Indice de lasticidadro'undidad del Cratamiento en ies

,utas rincipales ,utas >ecundarias

! A A AA # # #

# $ $ $

$ = / /

P Modi*i%a%i+n de roiedade# e8an#iva# del #uelo or diver#o# ro%edi,iento#?

dentro de estas tBcnicas podemos citar a la estabili:ación del suelo mediante elagregado de cal1 cemento1 inyecciones.

El agregado de cal1 y de cemento al suelo como elementos controladores de laexpansión se utili:an desde hace muchos años1 pre'erentemente dentro delcampo de la ingeniería vial1 como estabili:ación de subrasantes de carreteras 1etc.1 teniendo un uso casi nulo en la construcción de edi'icios.

La acción1 tanto de la cal1 como la del cemento consisten en modi'icar lascaracterísticas plásticas del suelo1 reduciendo el límite líquido1 el Indice delasticidad e incrementado el límite de contracción.

Las cantidades a agregar de cal y de cemento varían de A a % & en peso de lame:cla1 dependiendo de los ob8etivos de la estabili:ación1 la cual tiene la venta8aadicional (sobretodo en el caso de uso de cemento" de que me8oran el poder

soporte del suelo (3@,".

Dna 'orma de modi'icación de las propiedades expansivas del suelo utili:adas en'undaciones de estructuras la constituye la reali:ación de inyecciones químicas enel suelo1 de manera de modi'icar las características plásticas del suelo1 a la ve:que disminuyen la permeabilidad del mismo. Estas tBcnicas resultan en general dealto costo1 tanto por el costo del elemento químico a utili:ar1 así como de la tBcnicaempleada para su aplicación.

Ai#la%i+n del #uelo de varia%ione# i,ortante# en el %ontenidode u,edad:


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SUELOS ARCILLOSOS

si se pudiera lograr que el suelo no su'riera variaciones importantes en sucontenido de humedad1 entonces1 por mayor que sea el potencial expansivo de laarcilla no habrá cambios volumBtricos.

La variación de contenido de humedad puede provenir de dos 'uentesbásicamente?

a" la in'iltración al terreno de aguas super'iciales ó1

b" la variación de niveles de agua subterránea.

>i bien es relativamente sencillo sacar el agua libre que se ha introducido en laobra para la construcción de una 'undación1 reali:ando los drena8es adecuados yasean super'iciales o subterráneos ha tales e'ectos1 pero sin embargo no es tansencillo el impedir la migración de la humedad desde el exterior de un local haciael interior de un área cubierta.

ara impedir la in'iltración de aguas super'iciales se puede disponer de?

P @arreras hori:ontales contra la humectación del suelo alrededor de laconstrucción a travBs de? membranas1 construcción de veredasperimetrales1 pavimentos as'álticos1 drena8e adecuado.

P @arreras verticales alrededor de la construcción para impedir lasvariaciones estacionales en el contenido de humedad del suelo tambiBnmediante el uso de membranas1 hormigón1 etc.

Las Nbarreras verticalesO usualmente están unidas a una hori:ontal para prevenir lahumectación del suelo entre la barrera vertical y la construcción1 ya que lasbarreras verticales deben construirse al menos ; a ! cm ale8adas del perímetrode la construcción.

>i bien las barreras verticales son más e'ectivas que las hori:ontales1 las mismasresultan mucho más costosas.

ara evitar la variación del contenido de humedad por variación del nivel de aguasubterránea la alternativa más adecuada la constituye la construcción de drena8essubterráneos.

El proyecto de drenes deberá tener presente el tipo de acuí'ero de que se trate1 sies con'inado o no1 el caudal de agua que escurre por el mismo1 pro'undidad a laque se instala el dren1 capacidad del sistema de drena8e 1 etc

ACTUACIÓN SO3RE LA ESTRUCTURA " EL SISTEMA DE CIMENTACIÓN

1 &unda%ione# Suer*i%iale# En Suelo# E8an#ivo#

Esta clase de 'undaciones1 más com)nmente denominadas como :apatas opatines1 pueden ser implementadas con Bxito sobre subsuelos con'ormados por materiales expansivos1 siempre que se cumpla al menos uno de los siguientesrequisitos?

- La presión aplicada1 debido a las cargas permanentes1 resulte su'iciente como

para contrarrestar la presión de expansión.


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- La superestructura tenga el grado de rigide: necesario como para que unaexpansión di'erencial no cause 'isuras o grietas en los elementos resistentes.

- El e'ecto expansivo pueda ser eliminado o al menos reducido de manera deevitar o mitigar los desórdenes (ya sean Bstos de carácter resistente1 'uncionalo ambos".

( El Ca#o De La# aata# Corrida#

3omo se sabe1 es la tipología más com)n de 'undación super'icial paraestructuras livianas. Es claro1 en consecuencia1 que para prevenir el e'ecto de laexpansión se vuelve necesario concentrar la presión aplicada1 lo que deriva enminimi:ar el ancho de la :apata.

or lo tanto el uso de :apatas corridas debería limitarse a suelos de ba8o grado deexpansión1 por e8emplo en general in'erior al !&1 medido en el ensayo deexpansión libre.

>in embargo1 el uso de 'undaciones alternativas1 al caso pilotes1 puede ser antieconómico y por ello en muchas situaciones se aceptan daños menores (como'isuras en paredes y techos"1 cuyos costos de reparación resultan in'eriores a losde un sistema de 'undación di'erente.

Dna variante1 cuando no es 'actible cambiar el sistema de 'undación1 es implantar las :apatas a pro'undidades mayores1 esto es a salvo de la capa de suelo dondelas variaciones en el contenido de humedad son mayores (al menos !1/ a A1 mpor deba8o del nivel del terreno natural". Esta ubicación reduce y limita además losdespla:amientos di'erenciales.

En general1 se sugiere a las :apatas corridas como una alternativa en principioválida cuando?

P El subsuelo no es altamente expansivo (básicamente illita en ve: demontmorillonita"

P Es poco probable que se veri'ique un ascenso del nivel 'reático.

P +o hay disponibilidad de 'undar con pilotes.

P La superestructura está con'ormada por madera.

Dna variante a veces empleada es la 'undación en Nca8ónO1 esto es una estructura

de hormigón 'uertemente armada1 cuya altura media es del orden de A1 m. Esnotorio que este tipo de 'undación protege a la estructura de eventuales'isuraciones derivadas de expansiones di'erenciales. En estos casos1 no debenexistir discontinuidades a nivel de la superestructura1 que introdu:can puntosdBbiles. En especial1 en estructuras comple8as1 se sugiere agregar 8untas parasepararlas en dos o más módulos. 3ada módulo actuará entonces en 'ormaindependiente y los despla:amientos di'erenciales podrán absorberse en las 8untas.

. El Ca#o De La# aata# Ai#lada#

3omo es sabido1 este sistema consiste en una serie de :apatas apoyadas sobre

las capas superiores del subsuelo1 conectadas entre sí por vigas de 'undación.3omo en el caso de las 'undaciones indirectas o pro'undas1 la carga de laestructura es trasmitida al suelo en 'orma concentrada en di'erentes puntos5 la


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di'erencia es que naturalmente en este caso la descarga se reali:a en las capassuperiores del terreno y no se involucra la resistencia lateral por 'ricción.

El uso de este sistema puede ser venta8oso cuando?

- El techo de roca o el estrato resistente es pro'undo y no puede ser económicamente alcan:ado por pilotes.

- Las capas superiores del suelo poseen un potencial expansivo moderado.

- La capacidad portante de las capas superiores es relativamente alta.

- Existe napa 'reática o capas blandas que impiden el uso de pilotes traba8andopor 'ricción.

En el caso de un suelo expansivo1 si la presión aplicada es mayor que la presiónde expansión (para cambio de volumen nulo" no deberían observarse

despla:amientos debidos a esta causa.

En general puede decirse que la magnitud de la presión aplicada está limitada por la capacidad portante del suelo de 'undación y es 'unción del coe'iciente deseguridad adoptado (usualmente entre A y #". or lo tanto1 considerando losvalores habituales de tensiones admisibles para suelos arcillosos de FormaciónLibertad (!1 a A. gcmA"1 este sistema de 'undación sólo podrá aplicarse ensuelos con potenciales expansivos medios (! a /& de expansión libre y presión deexpansión en el rango de ! a A gcmA".

ara permitir en estos casos la concentración de tensiones aplicadas en las:apatas individuales se requiere descal:ar las vigas de 'undación1 esto es de8ar unespacio vacío ba8o Bstas.

9e todas 'ormas1 algunos investigadores como ec entre otros1 han señaladoademás que la expansión del suelo sólo se puede impedir en una :ona locali:adaba8o la :apata donde se concentran las tensiones inducidas por la 'undación.

El Ca#o De La# Lo#a# De &unda%i+n

El comportamiento de las losas de 'undación (o plateas" construidas sobre suelosexpansivos1 puede considerarse un problema de di'ícil control y a)n no resueltopara todos los casos.

En esta categoría están comprendidas las losas de piso interiores1 las exteriores1los pavimentos1 etc.

En general estas losas no soportan una carga aplicada importante y los pesospropios son tambiBn ba8os. En consecuencia1 es esperable que se produ:canmovimientos cuando aumenta el contenido de humedad en el subsuelo ba8o lalosa y por lo tanto1 esta consideración debiera ser un requisito de diseño.

6demás los movimientos de estas losas no sólo pueden traducirse en 'isuras sinoque en muchos casos pueden a'ectar la estabilidad general de la estructura.

En general1 las losas van directamente apoyadas sobre el subsuelo y se

construyen incorporando alg)n tipo de armadura1 dependiendo de las cargasaplicadas.


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e considera que cuando la arcilla se hincha1 se expande en los espacios

huecos y así se reduce la presión de expansión.


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*tra 'orma de mitigar la expansión a nivel de pisos1 es a travBs de las losasestructurales. Zstas se construyen apoyadas en cada uno de sus lados por vigas y

se de8a un espacio vacío ba8o la losa para evitar el contacto con el suelo. Elespacio1 puede aprovecharse para alo8ar tuberías y conductos. La soluciónpresenta inconvenientes constructivos y un costo elevado.

6simismo es recomendable la introducción de 8untas de expansión1 de manera deseparar las losas de las vigas de apoyo1 como 'orma de permitir el libremovimiento de estas losas. En caso contrario1 la presión de expansión puedeprovocar elevaciones en la :ona central de las losas1 mientras que la :onaperimetral queda esencialmente en su posición original1 lo que provoca laaparición de 'isuras en las losas1 paralelas a las vigas.

-n Eje&plo de Distribuidos Funcionales.

7aremos re'erencia aquí a las consecuencias de la expansión del sueloobservadas sobre una edi'icación de planta industrial1 situada en


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>obre esta capa apoya la 'undación y se tenía la experiencia previa que otrasobras próximas habían registrado levantamientos en el pasado. Las inyeccionespracticadas procuraron entonces limitar el 'enómeno a la ve: que impermeabili:ar el subsuelo1 debido a la presencia permanente de nivel 'reático y por endesubpresión en la 'undación.

>in embargo los controles geodBsicos e'ectuados desde el inicio de la entrada enservicio del equipamiento mostraron que los ascensos de la base de apoyo1 le8osde mitigarse1 se producían a un ritmo sensiblemente uni'orme1 esto es a unavelocidad media de aproximadamente 1% mm por año1 sin exhibir signos deamortiguamiento.

En tales condiciones1 para evaluar la hipótesis de expansión1 se extra8eronmuestras inalteradas de las capas de arena y arcilla1 con el ob8eto de e8ecutar ensayos de expansión y estudios de composición mineralógica.

9e estas )ltimos resultó que el componente principal es montmorillonita1 mineral

arcilloso no cristalino1 susceptible de hincharse. CambiBn es probable la existenciade minerales arcillosos de capas alternadas con alto potencial expansivo. 6simismo se comprobó la presencia de illita y 'eldespato.

Los ensayos geotBcnicos comprobaron que se estaba 'rente a una arcilla noorgánica de elevada plasticidad (tipo 37"1 asociada a características de FormaciónFray @entos1 con índices de plasticidad variables seg)n la pro'undidadconsiderada en el rango de A/ a $&1 valores indicativos de un potencialexpansivo entre moderado y alto.

El ensayo de expansión libre mostró un aumento de volumen del A!& tras /horas1 para muestras de arcilla saturada. Las expansiones ulteriores tienen lugar luego a una velocidad reducida.

En cuanto al ensayo de presión de expansión se determinó que es necesarioaplicar a la muestra una presión de !! a (aprox. !! gcmA" para contrarrestar completamente el hinchamiento1 con'irmando así las características altamenteexpansivas de la arcilla que adelantaban los ensayos de identi'icación y lamineralogía.

La presión vertical en las super'icie superior de la capa de arcilla1 debido a lascargas aplicadas es de A a y la misma presión pero evaluada en el contactoarcilla=granito es de % a!. En consecuencia1 incluso la presión vertical en ellímite in'erior de la capa arcillosa es insu'iciente para suprimir completamente loshinchamientos.

Estas ra:ones condu8eron a establecer que la capa completa de arcilla limosa deFormación Fray @entos es de un hinchamiento potencial activo.

La tipología de la 'undación no pudo ser identi'icada como causa de problemas5tampoco la operación de los equipos y asimismo hubo que descartar la in'luenciade las variaciones de nivel 'reático (básicamente por medidas pie:omBtricas".

En resumen la )nica causa probable de las elevaciones de la 'undación es elpotencial de hinchamiento del subsuelo arcilloso.

La expansión se produce cuando el agua entra en contacto con la arcilla. Estapenetración ocurre en la super'icie de la capa arcillosa1 di'undiBndose dentro de

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ella muy lentamente debido a la ba8a permeabilidad de la arcilla. 6l entrar encontacto con el agua1 se produce un aumento de volumen máximo de un A!&1valor que representa un límite superior para la magnitud absoluta de la expansión1el cual se alcan:a )nicamente ba8o condiciones totalmente 'avorables para sudesarrollo y a intervalos de tiempo geológico.

En este caso particular1 dos hechos pusieron de mani'iesto el hinchamiento ypermitieron que se desarrollara en 'orma di'erida.

or un lado1 durante la excavación de la 'osa de la obra1 se lesionó la super'iciesuper'icie superior de la capa de arcilla1 permitiendo así la penetración del agua.9e este modo se activó el potencial de expansión de la capa superior.

or otro1 durante los traba8os preparatorios1 previos a la edi'icación1 se inyectócemento en el subsuelo1 en el supuesto de evitar la expansión. >in embargo1 lasinyecciones de cemento no pueden atravesar los espacios huecos microscópicosque se encuentran entre los minerales arcillosos. ara este tipo de suelos1 una

intervención de esta naturale:a resulta inapropiada ya que la penetración apresión causa 'isuras en el esqueleto mineral1 'acilitando así a)n más lapenetración del agua en la super'icie de la capa arcillosa y por otro la in'iltraciónde agua en las :onas más pro'undas a travBs de 'isuras secundarias producidaspor la inyección de cemento.

9ebido a que se trata de un proceso mineralógico=geológico1 las intervenciones deremediación son e'ectivas sólo en 'orma restringida y requieren gastosimportantes.

ara minimi:ar la expansión es posible e8ercer una contrapresión o bien actuar sobre el origen del problema a 'in de detenerlo1 evitando el ingreso de agua haciael retículo cristalino. 6mbas medidas no resultaban aplicables en este caso. En

e'ecto1 un aumento de la carga directa es prácticamente imposible en virtud de losvalores tensionales resistentes en 8uego. 6simismo1 evitar el acceso de agua a lacapa arcillosa (por e8emplo mediante una suave inyección de cemento ensuper'icie" tambiBn es problemático ya que sólo se podría tratar una pro'undidadlimitada ba8o la 'undación y a)n cuando resultase exitosa1 habría igualmentesu'iciente agua en la masa de suelo con lo cual la expansión se detendría reciBndespuBs de años o incluso decenas de años.

*tra alternativa anali:ada 'ue el ancla8e de la 'undación en el granito pro'undo1utili:ando pilotes verticales que permitirían aumentar la resistencia a la tracción de'orma tal que 'uese posible compensar la presión resultante del hinchamiento.

>uponiendo entonces que 'uera posible generar una presión adicional de !!=A M - a1 serían necesarios A pilotes de ancla8e atravesando la base de'undación1 con una longitud entre #/ y $ m en la arcilla limosa y al menos %1 mde empotramiento en el granito. 6demás de inconvenientes tBcnicos durante laetapa constructiva que podrían comprometer la e'icacia de la solución1 de por sícomple8a1 el costo de la misma ascendería a unos D[> A?..

Luego1 al no ser posible suprimir o compensar completamente la expansión1 debiópensarse en eliminar sus e'ectos negativos1 lo que se tradu8o en la adopción desoluciones de tipo mecánico1 sobre el equipamiento1 capaces de regular despla:amientos del orden de centBsimas y dBcimas de milímetro.

>i bien no es ob8eto de este traba8o ingresar en el detalle de la solución adoptada1

puede decirse que la misma no implicó modi'icaciones constructivas y se basó enrea8ustes de los apoyos de máquinas1 con Bstas 'uera de servicio.


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6simismo para el caso de nuevos proyectos en la :ona1 se deberá evitar desde elprincipio la movili:ación de la expansión mediante adecuadas medidasconstructivas. >e debe evitar excavar y des'ondar grandes super'icies de la capaarcillosa1 ya que de ese modo se da acceso al agua. >i a pesar de todo 'ueranecesario llevar adelante una medida de ese tipo1 se debe cubrir de inmediato lasuper'icie arcillosa con una capa de cemento.

ero en todo caso1 será me8or incorporar las 'undaciones de nuevas plantas oedi'icios en la capa de arcilla1 en base a mBtodos de construcción y per'oración enseco. odrían utili:arse grande pilotes per'orados de 'abricación en seco queatravesarían completamente la capa arcillosa1 quedando anclados en el granito.La parte superior de estos pilotes debe ser e8ecutada mediante doble tubería conel 'in de evitar la penetración de aguas subterráneas hacia la per'oración.

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