Cimentación en Suelos Arcillosos

7/25/2019 Cimentación en Suelos Arcillosos

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INTRODUCCIÓN

Los suelos arcillosos son suelos que tienen potencial para la expansión y lacontracción en condiciones de humedad. El cambio de volumen resultantede la expansión y contracción provoca daños a las estructuras asentadassobre ellos. El área de suelo expansivo incluye casi todos los esquemas

agrícolas y la mayoría de los proyectos de desarrollo en el país (Figura !" yabarca aproximadamente el #!.$% & de la super'cie total de er) (*+E,+!-/"

Los daños causados a las estructuras por suelos arcillosos se han registradoen di0erentes ubicaciones con presencia de arcilla (1nvestigación ropia". Losdaños incluyen edi'cios2 carreteras2 0ábricas2 estructuras hidráulicas2 etc.2 yse atribuyeron a la 0alta de identi'cación y clasi'cación de suelos arcillososy el diseño inadecuado de los cimientos de las estructuras dañadas.

3arios intentos se han hecho por estudiantes universitarios y empresas

privadas2 desde los años setenta del siglo pasado para identi'car y clasi'carsuelos arcillosos y estudiar los diversos 0actores que a0ectan a suscaracterísticas de expansión y contracción (4arrillo 5il2 !-%-6 7lva 8urtado2!-/6 7tala 4esar !-%2 *9ada :ía;2 !-<". Estos intentos resultaron en uname9or comprensión de los 0actores que a0ectan a la expansión y contracciónde los suelos arcillosos de er) y2 por tanto2 a la elaboración de guías parasu identi'cación y clasi'cación.

Este documento anali;a las di0erentes opciones de cimentación paraestructuras sobre suelos arcillosos2 directrices para su selección2 el diseño yla construcción2 con especial re0erencia a la experiencia en er) .

Mar

DesiertoCostero

Ver tien-tesOcciden-tales

Puna PunaValleInter-andino

Ceja demontaña

S elvaalta Selva

baja

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

Suelos Arc i llososSupe ric iales

Suelos Arc i llososProfundos

Suelos Arc i llososMuyPro fundos



SUELOS ARCILLOSOS

Los suelos se componen de una variedad de materiales2 la mayoría de lascuales no se expanden en presencia de humedad. =in embargo2 una seriede minerales de arcilla son expansiva. Estos incluyen> Esmectita2 ?entonita2@ontmorillonita2 ?eidellita2 3ermiculita2 7tapulgita2 +ontronita2 1lita y 4loritacapaces de absorber agua. 4uando estos suelos absorben agua aumentande volumen. Este cambio de volumen puede e9ercer su'ciente 0uer;a sobreun edi'cio u otra estructura como para causar daños.

7lgunos de estos daños pueden ser cimentaciones agrietadas (Figura A"2pisos y paredes del sótano son típicos en su0rir daño causado por los sueloshinchados. El daño a los pisos superiores del edi'cio puede ocurrir cuando elmovimiento de la estructura es signi'cativa.

Los suelos expansivos tambiBn reducen su volumen cuando se secan. Esta

contracción puede eliminar el soporte de edi'cios u otras estructuras y darcomo resultado el hundimiento per9udicial. CambiBn se desarrollan 'suras enel suelo (Figura #". Estas 'suras pueden 0acilitar la penetración pro0undade agua cuando se producen condiciones de humedad o escorrentía. Estoproduce un ciclo de contracción y la hincha;ón que provoca estrBs repetitivoen las estructuras.

Grietas ensobr ec imientos

adr i l losDespla!adosCimentac i"nAsentada

Figura 02: :año del edi'cio> +ote ladrillos despla;adas y desviación haciadentro de la cimentación. (Foto> 4uerpo de 1ngenieros del E9BrcitoEE.DD."



Figura 03: 5rietas de desecación en el suelo causadas por secado.(Foto> 4uerpo de 1ngenieros del E9Brcito EE.DD."

GEOTECNIA Y PROPIEDADES DE LOS SUELOS ARCILLOSOS

3arios investigadores investigaron y recopilaron datos sobre las propiedadesgeotBcnicas de los suelos expansivos en er). =u traba9o se basaprincipalmente en los datos recogidos de los in0ormes de los serviciosllevados a cabo por universidades y otras empresas de ingeniería. 7continuación resumiendo la investigación de uno de estos investigadores.

(7. 4arillo 5il" Las arcillas expansivas del norte del er)2 dondeaparentemente son los movimientos irreversibles los que predominan en lasarcillas y clima del lugar2 levantamientos que son similares a los ocurridosen otras partes del mundo2 siendo menos predominantes los debidos acambios de clima seco a lluvioso y a)n menos importantes los movimientosanuales periódicos2 hecho a0ortunado de nuestra parte ya que estudiose0ectuados en di0erentes países que su0ren este mismo 0enómeno indican

que los movimientos debidos a la variación estacional son mucho máspeligrosos que los movimientos irreversibles. =e ha establecido que el gradode expansión de los suelos arcillosos expansivos del er) uct)a demediano a muy alto para hinchamiento libre medido en más de A2especímenes de suelos típicos que varían de un mínimo de /& a un máximode -A& (caso excepcional de algunas arcillas de Calara"2 acusando lamayoría de ellos pesos unitarios promedio de !.- grcm# en estado seco yde !. a A. grcm# en estado natural. Encontrando que para el caso delas arcillas peruanas el límite de contracción evaluado tiene una variaciónde !#& a AA& para suelos expansivos que han causado graves problemasen las edi'caciones2 datos que no correlacionan con experiencias de otroslugares en los que se predicen grandes cambios de volumen para límites de

contracción menores de !. Esta misma situación ha sido tambiBn reportadapor otros investigadores en D=7 y posteriormente en 1srael coincidiendo enque los suelos altamente expansivos pueden su0rir tambiBn grandescontracciones.

En base a la in0ormación presentada2 se concluye que los suelos arcillososson potencialmente muy expansivas y que el índice de plasticidad media yla presión de hinchamiento son $/& y A.< GgcmA2 respectivamente. Ellímite líquido promedio2 capacidad de intercambio catiónico (414" y elhinchamiento libre 0ueron <&2 A/ meq.gramo y !A$&2 respectivamente.

La pro0undidad de la manta de arcilla varía de !2/ m a más de !2 m. Dnresumen de las propiedades 0ísicas básicas medias a #2 metros se da en la Cabla !. La Cabla muestra predominio de arcillas que tienen alto a muy altopotencial de hinchamiento.

Tabla 01> romedio propiedades 0ísicas de suelos

MuestrasÍndice de

PlasticidadCntenidde !ins "

Cntenidde Arcilla "

@uestra ! #/ -# ##

@uestra A #A A A-

@uestra # ## < AA

@uestra $ #- </ $#

@uestra / #$ HHH HHH



@uestra % ! %! AA

@uestra < #! %$ ##

@uestra A$ </ A!

@uestra - 48 79 ---

@uestra ! 43 81 52

@uestra !! 32 79 27

@uestra !A 31 55 35

@uestra !# 33 86 23

IDENTI!ICACIÓN DE LAS ARCILLAS E#PANSI$AS

Identi%caci&n En Ca'(4on un reconocimiento visual y manual o bien mediante clasi'cacionessencillas se puede determinar las propiedades esperadas de un suelo en elcampo. 7lgunos indicadores de la presencia de los suelos expansivos son>

a" grietas por secado.b" lasticidadc" Espe9os de 0ricción.d" Cexturae" :años estructurales.

Grietas por secado. Las grietas en los suelos expansivos aparecen en lasuper'cie del terreno durante periodos de sequía2 con un arreglogeomBtrico del tipo poligonal2 0recuentemente de gran dimensión. Laresistencia del suelo seco es alta.

Plasticidad. En lo suelos expansivos2 es relativamente 0ácil hacer un rollito

de suelo sin desmoronarlo.

Espejos de fricción. La super'cie de suelos recientemente expuestos alaire muestra abundantes 'suras y espe9os de 0ricción.

Textura. Los suelos expansivos son resbalosos y tienden a pegarse a;apatos o llantas de vehículos cuando están h)medos.

Daos estructurales. La presencia de grietas y distorsiones en lasestructuras vecinas indican el potencial de expansión.

M)tds Mineral&*ics De Identi%caci&nLa composición mineralógica tiene una inuencia 0undamental sobre elpotencial expansivo de los suelos. Las cargas elBctricas negativas queexisten en la super'cie de los minerales arcillosos2 las 0uer;as quemantienen unidas a las unidades básicas y la capacidad de intercambiocatiónico son 0actores que contribuyen al potencial expansivo de las arcillas.or lo anterior2 es posible identi'car la expansividad de las arcillas alconocer su constitución mineralógica. En la actualidad se dispone de variastBcnicas para identi'car minerales arcillosos tales como> a" di0racción derayos I6 b" análisis tBrmico di0erencial6 c" análisis químico y d" microscopioelectrónico.

Difracción de ra!os ". Es el procedimiento más utili;ado2 consiste endeterminar las proporciones de di0erentes minerales arcillosos comparando



las intensidades de líneas de di0racción con aquellas de'nidas ensubstancias estándares.

#n$lisis t%r&ico diferencial. Dsado 9unto con el procedimiento dedi0racción de rayos I y el análisis químico2 es capa; de identi'car otrosminerales arcillosos di0íciles de determinar.

#n$lisis 'u(&ico. Es un valioso suplemento de otros mBtodos2 para gruposde minerales de montronorilonita2 este mBtodo permite determinar lascaracterísticas de la substitución isomor0a y muestra el origen y locali;aciónde las cargas que tienen las super'cies arcillosas.

)icroscopio electrónico. 4on este mBtodo se tiene una manera directapara observar el suelo2 es )til para de'nir la composición mineralógica2 latextura y la estructura interna. :os materiales con el mismo patrón dedi0racción de rayos I y curvas tBrmicas2 di0erenciales pueden mostrardi0erentes características mor0ológicas desde el punto de vista del

microscopio electrónico.

Es importante mencionar que para una identi'cación con'able2 se debenusar varios mBtodos al mismo tiempo. En la identi'cación mineralógica2particularmente la interpretación de resultados para uso ingenieril2requieren de conocimientos y experiencias que no tiene generalmente ungeotBcnico2 por lo que se debe acudir a expertos en el tema.

!ACTORES +UE A!ECTAN A LA SELECCIÓN DE LOS CIMIENTOS SO,RELOS SUELOS E#PANSI$OS

Los tipos de cimentación com)nmente utili;adas en todo el mundo para

soportar cargas estructurales en el entorno de un suelo arcilloso son>;apatas individuales o continuas de poca pro0undidad2 losa rígida origidi;ada y pilotes de hormigón per0orados.

Las cimentaciones super'ciales como ;apatas individuales o corridas sonpre0erentemente utili;adas en suelos con estratos de arcilla relativamentedelgadas de tal manera que permita colocar la cimentación en un estratoin0erior de menor cambio expansivo. Las cimentaciones de losa constan deuna losa delgada de hormigón arriostrada con vigas transversales paraproporcionarle mayor rigide;. =on aplicables con un buen rendimiento en;onas donde los suelos poseen grandes cambios volumBtricos de expansión

y contracción. =in embargo2 los pilotes de concreto armado tienen unrendimiento satis0actorio en suelos arcillosos con alto a muy alto potencialde cambio volumBtrico. =on 0avorecidos en suelos expansivos2principalmente debido a su capacidad para resistir las 0uer;as delevantamiento cuando se instalan correctamente.

El rendimiento y la selección de un tipo de cimentación tBcnicamente viablepara una cierta estructura 0undada sobre suelo arcilloso dependerá de>

• Las características de hinchamiento de los suelos encontrados2 esdecir2 el potencial de cambio volumBtrico de la capa o capas de arcillaexpansiva2 la pro0undidad y la secuencia de capas de los depósitos

que se encuentran dentro del rango de inuencia del sistema decimentación.



Gr ietasVerticales

GrietasHorizontales

GrietasDiagonales

porCortante

ExpansiónCentral

HundimientoPerifrico

Figura 0*: 7grietamiento de estructura por movimiento cBntrico (FredlundJ ,ahard9o2 !--#".

Figura 0+: 7grietamiento de estructura por movimiento perimetral(FredlundJ,ahard9o2 !--#"



Car #a$nif ormesobreosa%ec tan#ular

Pres i"nde&inc'amiento $niformeDirecci "n yMovimi ento no $nif orme

evant amientode las (s)uinas

(s)uinas deosa

Caradeosa

Centr odeosa

C!"G!VE"#IC!$

%&VI%IE'#&P&"HI'CH!%IE'#&

(

Figura 0,: Dna losa rectangular2 uni0ormemente cargada2 tenderá a

levantarse en las esquinas porque hay menos con'namiento.

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