UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS

FACULTAD DE ING CIVILDEPARTAMENTO ACADEMICO MECANICA DE SUELOS APLICADA A

CIMENTACIONES

DOCENTE: ING. OSCAR MORON

CONTENIDO– INTRODUCCION – SUELOS ARCILLOSOS SUCEPTIBLES DE

PROBLEMAS. – ARCILLAS HUMEDAS, SECAS.– LUTITAS.– PROBLEMAS DE EXPANSIÓN Y

CONTRACCION.– ENSAYOS DE LABORATORIO.– SOLUCIONES PARA CIMENTACIONES. – COMCLUSIONES .

LUTITASCONTENIDO:• Introducción• Texturas y estructuras• Descriptiva y color• Mineralogía• Clasificación• Origen y distribución de minerales arcillosos• Diagénesis

DEFINICION– La lutita es una rocas sedimentarias

detríticas , es decir, formada por detritos, que está integrada por partículas del tamaño de la arcilla y de limos.

– Lutita se constituye de granos de tamaños menores de 0,002mm

DENOMINACIÓN SEDIMENTOS Y ROCAS TIPO (tamaño, grado de consolidación):

ROCAS MEZCLA (tamaño de grano)

COMPOSICION

COMPONENTES PETROGRÁFICOS Y MINERALOGÍA:

PRINCIPALES MINERALES DE LAS ARCILLAS

ORIGEN DE LAS ARCILLAS

TEXTURA

PROPIEDADES

CLASIFICACIÓN

MEDIOS SEDIMENTARIOS

DIAGÉNESIS

PROCESOS

APLICACIONES

APLICACIONES

SUELOS EXPANSIVOS

y DE CONTRACCION

INTRODUCCION

• SUELOS EXPANSIVOS • DIFINICIONES • FACTORES QUE DETERMINAN EL

COMPORTAMIENTO DE SUELOS EXPANSIVOS

• CRETERIOS DE IDENTIFICACION Y CLASIFICACION DE SUELOS EXPANSIVOS

INDICADORES DE SUELOS EXPASIVOS

• INTRODUCCION• Para el estudio de cimentaciones y otras

obras de ingeniería en suelos expansivos o contracción, se presenta el problema de su identificación de manera cualitativa, a través de indicadores que posteriormente se cuantifican a través de ensayos de laboratorio, para evaluar la magnitud de la expansión.

SUELOS EXPANSIVOS• Los suelos expansivos son un tipo de arcilla que

tienen la propiedad de incorporar moléculas de agua y generan cambios volumétricos de su estado natural del suelo de cimentación.

• Siendo la motmorillonita el material con mayor ptencial expansivo

• El fenómeno de expansión de suelos es conocido como el “desastre silencioso ” pues presenta igual o mayor poder destructivo que los terremotos huracanes u otros fenómenos catastróficos

Dichos suelos pueden dividirse en dos categorías

a) Depósitos arcillosos no saturados de origen eólico cuyos grumos alcanzan el tamaño de los limos. Son susceptibles de expansión bajo humedecimiento y de asentamientos bajo carga y saturación

b) Depósitos arcillosos de origen residual, altamente reactivos a los cambios de humedad; presentan expansión bajo saturación, y contracción en ambiente seco.

COMPORTAMIENTO DE SUELOS EXPANSIVOS

Los suelos expansivo se caracterizan por tener el siguiente comportamiento mecánico.

• contracción de las arcillas debido al secado • expansión de las arcillas al humedecerse.• Desarrollo de presiones de expansión

cuando esta confinada y no puede expandirse.

• Disminucion de su resistencia al corte y de sus capacidad de soporte al expandirse.

MOVIMIENTOS DE UN SUELO EXPANSIVO

MOVIMIENTOS IRREVERSIBLES.- Aquellos que provocan levantamientos progresivos de diferentes partes de la edificación. Logran un equilibrio final de expansión.

MOVIMIENTOS ESTACIONALES.- Tienen su origen en los cambios del clima lluvioso o variación estacional. Son procesos cíclicos.

COMPONENTES DE LOS MOVIMIENTOS DE UNA CONSTRUCCION CIMENTADA

Los movimientos de una construcción cimentada en un suelo expansivo tienen tres componentes:

 • a) Un movimiento ascendente, que principia después de

terminada la obra y se debe a que la construcción impide la evaporación del área bajo ella, favoreciendo la saturación del suelo. Según la experiencia general, este movimiento acaba en cuatro años.

• b) Un movimiento cíclico de expansión y contracción que ocurre en el Perímetro de la construcción. Se encuentra relacionado con la cantidad y frecuencia, de la lluvia, así como la evaporación de la zona.

• c) Movimiento locales rápidos que se generan en las roturas de tuberías o instalaciones que conducen agua.

las técnicas de identificación de los suelos expansivos mas comúnmente usados son.

• Identificación visual.• Identificación mineralógica.• Métodos indirectos (propiedades

índices cambio potencial de volumen, actividad )

• Métodos directos ensayos de laboratorio.

METODOS DE IDENTIFICACION DEL SUELO EXPANSIVO

• Los suelos que tienen arcillas expansivas tienen consistencia pegajosa al ser mojados y se caracterizan por que cuando son secados muestran grietas superficiales y una textura .

IDENTIFICACION VISUAL

Las técnicas mas utilizadas con frecuencia son.

a)Método de difracción de rayos x.b)Análisis térmico diferencial.c)Absorción del calor.d)Análisis químico.

IDENTIFICACION MINEROLOGICA

• Ensayos edometricos.• Ensayos edometricos con succión

controlada.• Expansión libre.• Expansión con carga controlada

ENSAYOS DE LABORATORIO

METODOS PARA CARACTERIZAR EL POTENCIAL DE EXPANSION

METODOS INDIRECTOS

•ENSAYO DE LIMITE DE ATTENBERG

•ENSAYO DE CONTRACCION LINEAL.

•ENSAYO DE CONTENIDO COLOIDAL

METODOS DIRECTOS

• ENSAYO DE EXPANSIÓN LIBRE.

• ENSAYO DE EXPANSIÓN CONTROLADA .

ENSAYOS DE

LABORATORIO

•MÉTODO DIRECTOS

• naturalmente estos métodos son quienes te dan mayor veracidad en cuanto al grado de expansión de un suelo y de acuerdo a esto lo clasificamos.

• METODO DE CAMPO•La prueba de carga de expansión en el campo es la prueba mas significativa donde se trata de encontrar la presión de expansión parar un cierto cambio de volumen.• METODO DE LABORATORIO

ENSAYO DE EXPANSION O ASENTAMIENTO UNIDIMENSIONAL DE SUELOS COHESIVOS

•Basados en la norma técnica ASTM-D4546•ENSAYO DE EXPANSION O METODO DE INDICE DE EXPANSION

•Basados en la norma técnica ASTM-D4829

•METODO DIRECTO SI ES PRESISO

•TIEMPO REQUERIDO PROMEDIO PARA DETERMINAR EL GRADO DE EXPANSION LIBRE Y CONTROLADA 2 a 3 meses

ENSAYO DE EXPANSIÓN LIBRE SEGÚN ASTM D-4829.

Este ensayo determina el índice de expansión del suelo compactado, cuando este ha sido inundado. El índice de expansión es una referencia para determinar el potencial de expansión del suelo. Este ensayo es realizado a partir de una muestra inalterada de suelo.

PREPARACIÓN DE LA MUESTRA. Una vez que la muestra ha llegado al laboratorio, ésta debe ser secada ya sea al aire o mediante un horno. Luego, tamizar la muestra seca en el tamiz No 4.A partir de la fracción de suelo que pasa el tamiz No 4, tomar aproximadamente 1 kg de muestra. Ajustar el contenido de humedad al contenido de humedad óptimo. El valor de este último es obtenido a partir de las especificaciones técnicas de compactación. Luego, proceder a moldear la muestra.La muestra es adecuadamente compactada en un molde de dimensiones normalizadas. Posteriormente, ajustar el grado de saturación de ésta a un valor que se encuentre dentro el rango del 49 al 51%.

 

PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO. 

Para la realización de este ensayo se realizan los siguientes pasos:

1- Colocar la muestra de suelo compactada en el anillo de consolidación del odómetro.2- Aplicar a la muestra una presión de 1 [lb/pulg2]. Esta presión incluye el peso de las piedras porosas.3- Después que la carga ha sido aplicada, dejar a la muestra consolidar por un intervalo de 10 min, al cabo de los cuales se realiza la lectura inicial.4.Inundar la muestra en agua destilada y realizar lecturas durante las siguientes 24 horas o hasta que la muestra se estabilice.5.Extraer la muestra del aparato y determinar el cambio en la altura , como el resultado de la diferencia de las alturas inicial y final.Calcular el índice de expansión libre, a través de la siguiente ecuación

Donde: Cambio en la altura inicial cm. Lectura inicial Lectura final

H 100*%

1H

HEI

1H1D2D

El potencial de expansión puede ser estimado a partir del índice de expansión, Tabla 4.10

Tabla 4.10. Potencial de expansión estimado a partir del índice de expansión libre (American Society for Testing and Materials, ASTM D4829, 1999).

ENSAYO PARA LA OBTENCIÓN DEL ÍNDICE DE EXPANSIÓN LIBRE MODIFICADO PARA ARCILLAS, SEGÚN SIVAPULLAIAH (1987)

Este es un nuevo procedimiento que al parecer da mejores aproximaciones del potencial de expansión de suelos arcillosos.Para este ensayo, se toma una muestra secada al horno de 10 g de masa. Esta muestra es bien pulverizada y luego se vierte en una jarra que contenga 100 ml de agua destilada. Luego de 24 horas, se mide el volumen de sedimento expandido. El índice de expansión libre modificado, es entonces calculado como:

s

s

V

VV modificadolibreexpansióndeÍndice

Donde: Volumen de suelo después de la expansión. Volumen de los sólidos del suelo . Peso del suelo secado al horno. Gravedad específica de los sólidos del suelo. Peso específico del agua.

 •A partir del índice de expansión libre modificado, el potencial de expansión del suelo, es determinado a partir de la Tabla 4.11.

•Tabla 4.11. Potencial de expansión a partir del Índice de expansión modificado (Das, 1999)

VsVsW sGw

ENSAYO DE EXPANSIÓN CONTROLADA SEGÚN ASTM D-4546-96.

Este ensayo es realizado sobre muestras de suelo inalteradas y a su vez presenta tres alternativas para la determinación de la magnitud de expansión del suelo. Dichas alternativas se detallan a continuación:

Método A: Este método determina:•la expansión libre•porcentaje de levantamiento debido a la aplicación de una carga vertical.•Presión de expansiónMétodo B: Este método determina:

el porcentaje de levantamiento debido a la aplicación de una carga vertical, que usualmente es equivalente a la presión inicial de sobrecarga in situ o a cualquier otra carga vertical.Presión de expansión.

Método C: Este método determina:Presión de expansión.Presión de preconsolidación.Porcentaje de levantamiento.

A partir de la curva la Fig. 4.17, que no es más que la curva obtenida a partir de la realización del ensayo de consolidación invertida, pueden realizarse las siguientes definiciones:

EXPANSIÓN PRIMARIA.- Expansión arbitraria realizada a corto plazo. La intersección de las tangentes sacadas a la curva de la Figura 4.17, se considera el fin de la expansión primaria.EXPANSIÓN SECUNDARIA.- Expansión a largo plazo. El inicio de la expansión secundaria es el fin de la expansión primaria.

 4010

4020

4030

4040

4050

4060

40700.1 1 10 100 1.000 10.000

Expansión secundariaFin de la expansión primaria.

Tiempo [min]

Lec

tura

de

defo

rmac

ión

10-4

Figura 4.17. Curva de expansión (American Society for Testing and Materials, ASTM D4546, 1999).

PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS.

Para la realización de este ensayo se utilizan muestras de suelos inalteradas que deben ser compactadas y moldeadas de la misma manera que para un ensayo de consolidación normal.

  PROCEDIMIENTO DEL ENSAYOEl procedimiento a seguir es el siguiente:

1-. Colocar la muestra en el anillo de consolidación, tratando de que no exista evaporación del contenido de humedad de la muestra. 2-.Aplicar la presión de sobrecarga inicial in situ, y una vez transcurridos 5 min después de la aplicación, ajustar el medidor a cero. 3-.A continuación, se sigue el mismo procedimiento realizado para un ensayo

de consolidación normal, con las siguientes excepciones:Para el método A. Después de haber registrado la deformación inicial, inundar la muestra y registrar las deformaciones a diversos intervalos de tiempo. Las lecturas se dejan de tomar una vez que se ha completado la expansión primaria.

Después del fin de la expansión primaria, aplicar incrementos sucesivos de carga de 5, 10, 20, 40, 80 kPa, etc. La duración de cada incremento de carga es aquella que asegure el 100% de consolidación primaria.

PARA EL MÉTODO B. El ensayo comienza aplicando una presión mayor a la presión de sobrecarga inicial. Al cabo de 5 min leer la deformación debida a la presión.Luego inundar la muestra y realizar las lecturas respectivas hasta la finalización de la expansión primaria. Proceder a la aplicación de incrementos de carga tal como en el método A.

PARA EL MÉTODO C. El ensayo comienza aplicando una presión equivalente a la presión estimada in situ. Al cabo de 5 min leer la deformación inicial e inundar inmediatamente la muestra.A la muestra inundada, aplicar incrementos de carga. Estos incrementos de carga tendrán la magnitud necesaria para evitar la expansión de la muestra

4-. La determinación del porcentaje de levantamiento es realizada de la siguiente manera:

Donde: Índice de vacíos inicial. Índice de vacíos a una cierta presión Cambio en la altura de la muestra Altura inicial de la muestra Porcentaje de levantamiento

1001

100

o

o

o e

ee

h

h

oeehoh

100oh

h

• ENSAYO DE EXPANSIÓN LIBRE.ASTM-D4546

• ENSAYO DE EXPANSIÓN CONTROLADA .

ASTM-D4546 METODO “A”

• ENSAYO DE EXPANSIÓN CONTROLADA .

ASTM-D4546 METODO “B”

• ENSAYO DE EXPANSIÓN CONTROLADA .

ASTM-D4546 METODO “C”

PROBLEMAS DE EXPANSION

y DE CONTRACCION

• El problema más grave en este tipo de suelos ocurre en las construcciones ligeras, pavimentos, taludes, etc. que no se estudian a fondo.

• Es importante que el Ing. Civil disponga de criterios inmediatos sencillos y económicos para detectar la presencia de este tipo de suelos.

SUELOS DE EXPANSION

CAUSAS DE LA EXPANSION

• Anegación localizada.• Ascensión capilar del agua proveniente de un nivel

freático.• Periodos concentrados de alta precipitación

combinados con drenajes deficientes.• Presencia de vegetación próxima alas edificaciones.• Variación del contenido de humedad de las arcillas

por construcción de una estructura sobre ella.

PROBLEMAS EN SUELOS EXPANSIVOS• Anegación localizada.• Ascensión capilar del agua proveniente de un nivel

freático.• Periodos concentrados de alta precipitación

combinados con drenajes deficientes.• Presencia de vegetación próxima alas edificaciones.• Variación del contenido de humedad de las arcillas

por construcción de una estructura sobre ella.

SOLUCIONES PARA CIMENTACIONES EN SUELOS

PARA LA ESTRUCTURA• •PALAFITO

• •ESTRUCTURA RIGIDA O SEMI RIGIDA

• •ESTRUCTURA FLEXIBLE

PARA EL SUELO

• • AISLAMIENTO

• • SUSTITUCION

• • ESTABILIZACION

EXPANSIVOS

1- Alterar el suelo. por ejemplo agregando limos,cales,u otras mezclas que reducirían o eliminarían la contracción o expansión.

2- Control de expansión. permitido que el suelo se expanda dentro de las cavidades de la cimentación, los movimientos de una cimentación pueden ser reducidos a un nivel tolerable. un tipo de cimentación comúnmente utilizado es el llamado. “losa de cimentación con contratrabe” donde las contratrabes soportan la construcción y las cavidades permiten la expansión del suelo cono se muestra.

3- Control de la humedad . el suelo debe ser excavado ala misma profundidad que el peso del suelo contrarreste el levantamiento del mismo , se pondrá un material plástico sobre toda la superficie de la excavación. la humedad alojada a una profundidad igual al cambio de volumen es controlada por el peso del material sobrepuesto y el peso de la edificación. la humedad superficial podrá controlarse. por medio de una capa de arena graduada de 0.3 y 1m o tal ves un poco mas gruesa que permitirá el flujo del agua en forma capilar. y mantendrá una uniformidad del contenido del agua en la arcilla.

4-Ignorar el levantamiento, acomodando zapatas a una suficiente profundidad y/o levantamiento del material en la zona de expansión entre la superficie del terreno y la base de la construcción, puede ocurrir hinchamiento sin causar movimientos perjudiciales. Un procedimiento común es el uso de pilotes con punta de campana. Con la punta de campana a una suficiente profundidad en el suelo esa acción de flecha contraria hace que los cambios de volumen del suelo no empujen los pilotes y hasi no levanta por completo al sistema de cimentación.

Podrían usarcé también con punta en forma de plato pilotes cortos con punta en forma de plato para sostener y aislar pequeñas estructuras de suelos expansivos. Los pilotes podrían ser tan pequeños como sea posible evitar altos esfuerzos debido ala presión de expansión y la adhesión, tal que la primera intención del pilote es transmitir la carga de construcción debajo de la zona de expansión.

Para evitar la adhesión de las arcillas en la cimentación es usual aislar los pilotes con arenas después de su hinchamiento como se muestra.

Comentarios

• Observando cada criterio de clasificación, así como el conjunto de ellos, se infiere que no son independientes entre si. Algunos incluyen las propiedades de otros. La experiencia de vario ingenieros ha sido contradictoria : algunas incluyen las propiedades de otros. Las experiencia de varios ingenieros ha sido contradictoria; algunos prefieren el criterio de Holtz para la identificación de suelos expansivos, mientras que otros se inclinan por el del Bureau of Reclamation. Sin embargo, la mayoría coincide enq eu para la identificación de suelos colapsables se debe emplear este último.

Conclusiones

LOS SUELOS EXPANSIVOS SON ALTAMENTE DESTRUCTIVOS PARA LAS EDIFICACIONES CEMENTADAS SOBRE ELLOS. SIN UN ADECUADO DISEÑO.

LAS ECUACIONES EMPIRICAS DESARROLLADAS PARA ESTIMAR EL POTENCIAL DE EXPANSION NO PREDICEN ADECUADAMENTE EL COMPORTAMIENTO DE ESTOS SUELOS.

GRACIAS