Suelo Especiales
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Captulo 4.Suelos especiales
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Captulo cuatro
Suelos especiales
Contenido
4 Suelos especiales .....................................................................................................................................................................................2954.1 Introduccin .......................................................................................................................................................................................2974.2 Suelos dispersivos ...........................................................................................................................................................................297
4.2.1 Definicin ................................................................................................................................................................................2974.2.2 Identificacin de arcillas dispersivas .........................................................................................................................298
4.2.2.1 Identificacin de campo ....................................................................................................................................2984.2.2.2 Identificacin de laboratorio ..........................................................................................................................299
4.2.2.2.1 Ensayo de erosin interna (Pinhole test) ..............................................................................300Ejemplo 4.1 .............................................................................................................................................................3044.2.2.2.2 Anlisis qumico del extracto de agua de poros ................................................. ................3054.2.2.2.3 Ensayo de doble hidrometra ......................................................................................................3064.2.2.2.4 Ensayo qumico de fracciones del suelo (Crumb test) ................................... ..................308Ejemplo 4.2 .............................................................................................................................................................309
4.2.3 Medidas de prevencin y/o solucin cuando se trabaja con arcillas dispersivas .................................3114.3 Suelos colapsables ...........................................................................................................................................................................311
4.3.1 Definicin ................................................................................................................................................................................3114.3.2 Identificacin de suelos colapsables ...........................................................................................................................312
4.3.2.1 Identificacin de campo ....................................................................................................................................3124.3.2.2 Identificacin de laboratorio ..........................................................................................................................312
4.3.2.2.1 Ensayo de colapso en suelos ........................................................................................................312Ejemplo 4.3 .............................................................................................................................................................3144.3.2.2.2 Ensayo del doble odmetro .........................................................................................................316
4.3.2.3 Relaciones empricas ..........................................................................................................................................3184.3.3 Medidas de prevencin y/o solucin cuando se trabaja con suelos colapsables ...................................320
4.3.3.1 Estabilizacin fsica .............................................................................................................................................3204.3.3.2 Estabilizacin qumica .......................................................................................................................................321
4.4 Suelos expansivos ............................................................................................................................................................................3214.4.1 Definicin ................................................................................................................................................................................3214.4.2 Identificacin de suelos expansivos ............................................................................................................................322
4.4.2.1 Identificacin de campo ....................................................................................................................................3224.4.2.2 Identificacin de laboratorio ..........................................................................................................................323
4.4.2.2.1 Ensayo de expansin libre segn ASTM D-4829 ......................................... .......................3234.4.2.2.2 Ensayo para la obtencin del ndice de expansin libre modificado ........................3244.4.2.3.3 Ensayo de expansin controlada segn ASTM D-4546 ...................................................325Ejemplo 4.4 .............................................................................................................................................................327
4.4.2.3 Relaciones empricas ..........................................................................................................................................329
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4.4.2.3.1 A partir de correlaciones grficas .............................................................................................3294.4.2.3.2 A partir de tablas ...............................................................................................................................330
4.4.3 Medidas de prevencin y/o solucin cuando se trabaja con suelos expansivos ....................................333
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4.1 Introduccin
La mayora de los estudios realizados en mecnica de suelos tienen como una de sus principales hiptesis el
considerar al suelo en un estado saturado. Pero, en muchos lugares de nuestro planeta, sobre todo en
aquellos extremadamente ridos, ridos y semiridos el nivel fretico se encuentra varios metros por debajo
de la superficie, encontrndose uno con suelos que no se hallan totalmente saturados, es decir, con suelos nosaturados.
Estos suelos no saturados se constituyen en suelos especiales que en ocasiones presentan
comportamientos problemticos al aumentar su contenido de humedad natural. Los suelos problemticos
especiales se clasifican bsicamente en tres tipos:
Suelos dispersivos Suelos colapsables Suelos expansivosEstos tres tipos de suelos hacen la construccin de fundaciones extremadamente difcil, debido a que por
sus caractersticas especiales pueden llegar a causar en las estructuras grandes movimientos diferenciales
como consecuencia de excesivos asentamientos o levantamientos.
Por ejemplo, en la ciudad de Cochabamba, en el valle de Sacaba especficamente, en las ltimas dcadas se
ha observado la degradacin natural de los suelos debida a la alcalinizacin de los mismos. Esta degradacin
observada ha dado lugar a la presencia de un tipo especial de arcilla denominado arcilla dispersiva, la que fue
detectada en la orilla norte del cauce del ro Rocha en la zona de Arocagua. Al igual que en esta ciudad, las
arcillas dispersivas han sido identificadas en muchos otros pases del mundo, sobre todo en aquellos que
presentan climas ridos a semiridos, como el resultado de una acumulacin de sedimento aluvial y lacustre.
Por otro lado, en los predios del aeropuerto Jorge Wilstermann de la misma ciudad, se ha detectado la
presencia de suelos colapsables. Este tipo de suelo al igual que el anterior se presenta con mayor frecuencia
en lugares de caractersticas ridas, originndose por lo general de depsitos elicos (arenas y/o limos
depositados por el viento, tales como el loess, polvo volcnico, etc.) y depsitos de polvo volcnico.
El objetivo principal de este captulo es la identificacin real de los suelos especiales en un proyecto dado,
teniendo especial cuidado y atencin durante el diseo y construccin en las reas crticas en el que estos
materiales van a ser usados.
4.2 Suelos dispersivos
4.2.1 Definicin
Se denomina dispersin al proceso por el cual las partculas de arcilla de muy pequeas dimensiones, vendisminuidas sus fuerzas de atraccin molecular por efecto de la presencia de iones de sodio, lo que las vuelve
susceptibles al arrastre o dilucin.
Sherard et al (1976) indica que algunas arcillas naturales se dispersan ante la presencia de agua
relativamente pura, como la originada por precipitaciones. El fenmeno se genera debido a que el agua
presente en los poros del suelo tienen una mayor concentracin de cationes que el agua pura de lluvia
cuando esta ultima ingresa al suelo se produce lo siguiente: por un lado tiende a tomar cationes del agua de
poro para reducir la diferencia de concentracin, lo que genera un desequilibrio entre el complejo de
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absorcin de la partcula de arcilla y el agua de poro. El resultado es una descompensacin elctrica de la
estructura qumica de la arcilla, aumentando la repulsin electrosttica entre partculas, tendindola al
estado coloidal.
Segn Holmgren et al (1976) la tendencia a una erosin por dispersin depende fundamentalmente del
tipo de catin predominante en la estructura de arcilla, siendo los suelos sdicos mas dispersivos que los que
contienen calcio, potasio y magnesio. Por tanto, las arcillas dispersivas se caracterizan por presentar unelevado contenido de cationes sodio en el agua presente en sus poros. Estos cationes rodean totalmente a las
partculas de arcilla haciendo que las fuerzas elctricas repulsivas entre partculas excedan a las fuerzas
atractivas, de tal forma que, cuando la arcilla entra en contacto con el agua, sus partculas son
progresivamente desprendidas quedando as en suspensin. Las partculas suspendidas son finalmente
acarreadas hacia los estratos inferiores del suelo, a travs de los orificios dejados por races, la actividad de
roedores o por la desecacin del suelo.
Este tipo de arcilla es sobre todo problemtico cuando es utilizado en la construccin de canales y otras
obras hidrulicas, pero principalmente en la construccin de presas heterogneas donde es utilizado como
material de construccin impermeabilizante, y si no se detecta a tiempo una arcilla dispersiva se dar la
presencia de quebradas profundas y fallas por tubificacin, Fig. 4.1.
Figura 4.1. Falla por tubificacin en una presa debido a la presencia de suelos dispersivos.
Entre sus propiedades fsicas, se tiene:
Al menos 12% de sus partculas (tomadas a partir del peso seco) son ms finas que 0,005 mm. Tienen un ndice de plasticidad mayor que 4 (IP > 4).
4.2.2 Identificacin de arcillas dispersivas
4.2.2.1 Identificacin de campo
La identificacin de los suelos dispersivos debera comenzar con el reconocimiento en campo, determinar si
existe algn indicio en la superficie como un inusual estampado erosional de tneles y hondonadas
profundas llamados cntaros junto con la turbidez excesiva en cualquier depsito de agua, Fig. 4.2.
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Las reas de produccin con poca cosecha y el crecimiento mal desarrollado y el afloramiento superficial
de sales, Fig 4.3, tambin pueden indicar suelos altamente salinos, muchos de los cuales son dispersivos.
Figura 4.2. Orificios superficiales producto de la tubificacin de la arcilla dispersiva.
Figura 4.3. Afloramiento superficial de sales.
4.2.2.2 Identificacin de laboratorio
Para la identificacin de arcillas dispersivas en laboratorio, el Servicio de Conservacin de Suelo de EEUU
(SCS) recomienda la realizacin de al menos tres de los cuatro siguientes ensayos de laboratorio:
Ensayo de erosin interna (Pinhole test propuesto por Sherard et al) segn ASTM D4647-93. Anlisis qumico del extracto de agua de poros (propuesto por Sherard et al) Mtodo estndar para las caractersticas de suelos arcillosos por doble hidrometra segn ASTM
D4221-90.
Ensayo qumico de fracciones de suelo (Crumb test propuesto por Emerson) segn ASTM 6572.A continuacin se desarrolla el procedimiento para la realizacin de cada uno de estos ensayos.
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4.2.2.2.1 Ensayo de erosin interna (Pinhole test)
El ensayo de Pinhole es el ms usado actualmente por la confiabilidad de sus resultados, este ensayo
presenta una medida directa y cualitativa de la dispersividad y consecuente erosin de suelos arcillosos que
es causada por flujo de agua a travs de un pequeo orificio pequeo perforado en la muestra.
Segn norma ASTM D4647-93, existen tres mtodos para realizar este ensayo: A, B y C. La diferenciabsica entre los tres mtodos es el criterio utilizado para la clasificacin de las caractersticas dispersivas de
la muestra.
El ensayo no se aplica a suelos con menos con menos del 12 % de partculas de 0,005 mm y con un ndice
de plasticidad menor o igual que 4.
A continuacin en la tabla 4.1 se presenta la notacin utilizada para la clasificacin de las arcillas
dispersivas, usadas en los mtodosA, B y Crespectivamente.
Tabla 4.1. Notacin utilizada para clasificacin de las caractersticas dispersivas de la muestra segn el mtodo A, B y C
respectivamente (American Society for Testing and Materials, ASTM D4647 1999).
Mtodo A
Clasificacin ObservacionesD1 D2
ND4 ND3
ND2 ND1
Arcillas dispersivas que fallan rpidamente bajo cargas de 50 mm de columna de agua.
Arcillas ligera a moderadamente dispersivas que erosionan lentamente bajo cargas de 50
mm o 180 mm de columna de agua.
Arcilla no dispersiva con evidencia de muy ligera a no erosin coloidal bajo cargas de 380
mm o 1020 mm de columna de agua.
Mtodo B
Clasificacin ObservacionesD
SD
ND
Arcillas dispersivas que erosionan rpidamente bajo cargas de 50 mm de columna de agua.
Arcillas ligeramente dispersivas que erosionan lentamente bajo cargas de 180 mm de
columna de agua.
Arcillas no dispersivas en las que se observa muy ligera a no erosin coloidal bajo cargas de380 mm de columna de agua.
Mtodo C
Clasificacin Observaciones
D1 D2
ND4 ND3
ND2 ND1
Arcillas dispersivas que fallan rpidamente bajo cargas de 50 mm de columna de agua.
Arcillas dispersivas que erosionan lentamente bajo cargas de 50 mm, 180 mm o 380 mm de
columna de agua.
Arcilla no dispersiva con evidencia de muy ligera a no erosin coloidal bajo cargas de 380
mm de columna de agua.
La tabla 4.2 presenta los criterios que se deben tomar en cuenta para la clasificacin de arcillas
dispersivas por medio de los mtodosA, B y C.
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Tabla 4.2. Criterios para evaluar los resultados del ensayo de erosin interna y determinar la clasificacin de las
caractersticas dispersivas de la muestra segn el mtodo A, B y C respectivamente (American Society for
Testing and Materials, ASTM D4647, 1999).
Mtodo A
Clasificacin Carga
(mm)
Tiempo
deensayo
(min)
Cantidad final de
flujo a travs de
la muestra(ml/s)
Color de flujo al final del ensayo Dimetro del
orificio despus
del ensayo(mm)
Del costado (a) Del tope (b)
D1
D2
ND4
ND3
ND2
ND1
50
50
50
180
380
1120
1120
5
10
10
5
5
5
5
1,0 1,4
1,0 1,4
0,8 1,0
1,4 2,7
1,8 3,2
>3,0
3,0
Oscuro
Moderadamente
oscuro
Levemente oscuro
Apenas visible
Claro
Perfectamente
claro
Muy oscuro
Oscuro
Moderadamente
oscuro
Levemente
oscuro
Apenas visible
Perfectamente
claro
2,0
>1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
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Una vez en el laboratorio, se deben quitar de la muestra todas las partculas de grava y arena cuyo
tamao sea mayor a 2 mm.
1. Cortar o tallar una muestra de 38 mm de longitud de tal manera que entre exactamente en el cilindrode ensayo, Fig. 4.4.
Figura 4.4. Piezas del molde donde es colocado el espcimen.
2. Dentro el cilindro del aparato principal, acomodar una capa de arena gruesa de aproximadamente 53mm de espesor.
3. Cubrir la capa de arena gruesa con dos mallas de alambre circulares.4. Introducir la muestra de suelo previamente cortada teniendo el cuidado de sellar con arcilla la
interseccin entre el tubo y la muestra para evitar que el flujo de agua ocurra a travs de las paredes
de la muestra
5. Insertar el cono truncado o niple en la parte central de la muestra.6. Insertar la aguja de 1,0 mm de dimetro a travs del cono trunco hasta traspasar totalmente la
muestra y penetrar ligeramente en la capa de arena, Fig. 4.5.
Figura 4.5. Perforacin del orificio interno.
7. Acomodar una malla de alambre circular para proteger la muestra8. Luego llenar el espacio sobrante con arena gruesa.
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9. Conectar el aparato de erosin interna al sistema de generacin y medicin de carga de agua.10. Un esquema del resultado final del procedimiento de armado del equipo se presenta en la figura 4.6.
Figura 4.6. Dibujo esquemtico del equipo del ensayo de pinhole.
Procedimiento del ensayo
La duracin del ensayo y el criterio de finalizacin del mismo dependen del comportamiento de la muestra
durante la ejecucin del ensayo, debiendo registrarse los datos de caudal y color del agua luego de fluir a
travs de la muestra.
Las denominaciones para la clasificacin del agua en funcin a su color, luego de su paso por el orificio
perforado, son: muy oscuro, oscuro, moderadamente oscuro, levemente oscuro, apenas visible y
completamente claro.
1. Se procede a hacer circular agua destilada a travs del orificio perforado bajo una carga hidrulicainicial de 50 mm. de columna de agua, Fig. 4.7.
2. Medir el tiempo en el que fluyen a travs de la muestra 25, 50 o 100 ml y con el dato registradocalcular el caudal. De cada volumen de agua colectado definir el nivel de turbiedad y registrarlo.
Repetir el procedimiento de manera continua durante 5 minutos.
3. Si pasados los 5 minutos inciales el agua efluente es muy oscura y el caudal se encuentra entre 1,0 a1,4 ml/s se debe dar por concluido el ensayo. Sacar la muestra del aparato, hacer un corte y
determinar el dimetro final del orificio.
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Figura 4.7. Ejecucin del ensayo. Aplicacin de la primera carga.
4. Si el dimetro final del orificio es mayor a dos veces el dimetro de la aguja clasificar el suelo comoaltamente dispersivo, D1. De lo contrario la tasa de flujo y el orificio son inconsistentes y el ensayo
debe repetirse.
5. Si pasados los 5 minutos el efluente es oscuro pero el caudal no excede en 1,0 ml/s, continuar elensayo por 5 minutos mas.
6. Al final de los 10 minutos totales, si el efluente sigue oscuro, parar el ensayo y determinar ladimensin final del orificio.
7.Clasificar la muestra como dispersiva D2 si el caudal se encuentra entre 1,0 y 1,3 ml/s y el tamaodel orificio excede en 1,5 veces el dimetro inicial. Pero si la tasa de flujo se encuentra entre 0,8 y 1,0
ml/s y el dimetro final del orificio no excede en 1,5 veces el dimetro original del orificio, el suelo
debe ser clasificado como moderadamente dispersivo, ND4.
8. Si pasados los 10 minutos el efluente no es oscuro entonces proceder a aumentar la carga hidrulicaa 180, 380 y 1020 mm de columna de agua.
9. El proceso explicado anteriormente es repetido para cada incremento de carga hidrulica.
Ejemplo 4.1
ENSAYO DE EROSIN INTERNA
(ASTM-D4647)
Ensayo de erosin interna N: Dimetro final, (mm): 2,50
Muestra N: Fecha:
Contenido de humedad, (%): 12% Pgina:
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Tabla 4.3. Datos del ensayo de erosin interna.
Tiempo
Altura
de
carga
H
.
Flujo
Ve
loc
idad
ml/seg
.
Turbiedad del costado (a)
Comp
leta
m.
claro
de
l
Partculas
que caen con
el flujo
Observaciones
Vo
lu
en
l.
Tie
pos
eg
.
uyoscu
ro
Oscuro
Mo
d.
oscu
ro
Lev
.oscuro
Apenasv
isible
Co
plet.
claro
Ninguna
Algunas
uc
has
9:30 50 10 25 0,4 / /
10 8 1,25 / /
25 18 1,39 / /
25 17 1,47 / / Sumamente coloidal
25 16 1,56 / / Sumamente coloidal
25 15 1,67 / / Sumamente coloidal
25 14 1,78 / / Sumamente coloidal
9:35 25 14 1,78 / / Parar el ensayo
Clasificacin: ND3
(a) = lectura realizada del lado lateral del recipiente.
4.2.2.2.2 Anlisis qumico del extracto de agua de poros
Este es un ensayo usado principalmente por el USDA (U. S. Department of Agriculture). El objetivo principal
de este ensayo es la determinacin de las cantidades de los cuatro cationes metlicos principales presentes
en el agua los cuales son: sodio, magnesio, calcio, y potasio.
Procedimiento del ensayo
Para la realizacin de este ensayo se deben seguir los siguientes pasos:
1. Mezclar el suelo con agua destilada hasta alcanzar una consistencia cercana a la del lmite lquido.2. Una vez alcanzada la saturacin en el suelo; el agua presente en los poros del suelo es extrada al
vaco por medio de un filtro.
3. El agua extrada es ensayada para determinar la cantidad existente de los cuatro cationes metlicosprincipales presentes en el agua: Calcio, Sodio, Potasio y Magnesio, en meq/L.
4. La suma de las cantidades de estos cuatro cationes es conocida como el total de sales disueltas (TDS:Total Disolved Salts), siendo el porcentaje de Sodio; que es el que interesa cuando se trabaja con
arcillas dispersivas; igual a la cantidad de Sodio dividida entre el TDS.
5. Con los valores determinados de TDS y porcentaje de Sodio, con ayuda de la figura 4.8 se puededeterminar el grado de dispersividad de las arcillas.
A travs de varios estudios realizados a lo largo del tiempo se ha establecido mediante los resultados
obtenidos, que el ensayo de erosin interna y el anlisis qumico del extracto de agua de poros mantienen
una relacin muy estrecha, habiendo podido comprobarse que los suelos clasificados como dispersivos
mediante el ensayo de erosin interna caen tambin en la zona A de la figura 4.8.
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Figura 4.8. Relacin entre porcentaje de Sodio Na (%) y el total de sales disueltas (TDS) (Journal of geotechnical
engineering division, 1976).
4.2.2.2.3 Ensayo de doble hidrometra
El ensayo de doble hidrometra se halla estandarizado segn Norma ASTM D4221-90 y consiste bsicamente
de la realizacin de dos ensayos del hidrmetro en suelos tamizados a travs de la malla de 2,36 mm, Fig. 4.9.
Los ensayos del hidrmetro son conducidos, el primero con dispersante y el segundo sin el agente
dispersante. Luego se comparan los resultados obtenidos de ambos ensayos realizados y partir de esta
comparacin se obtiene el grado de dispersin de las arcillas.
El porcentaje de dispersin es calculado a partir de la siguiente ecuacin:
(Ec. 4.1)
Figura 4.9. Materiales para el ensayo del doble hidrmetro.
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Finalmente, se considera que una arcilla es dispersiva cuando el porcentaje de dispersin excede el 35%
y en aquellos con un porcentaje de dispersin menor que el 15% no son susceptibles a la dispersin.
4.2.2.2.4 Ensayo qumico de fracciones del suelo (Crumb test)
Este ensayo es un mtodo bastante simple de identificacin de arcillas dispersivas tanto en campo como enlaboratorio. La dispersividad del suelo es determinada a partir de su clasificacin en cuatro grados o
categoras que se diferencian de acuerdo a la reaccin suelo-agua que se presenta en el ensayo.
Grado 1
No dispersivo: No se produce reaccin, el suelo puede deshacerse, pero no se crean nubosidades en el agua
(no existen partculas en suspensin coloidal). Todas las partculas se asientan durante la primera hora.
Grado 2
Intermedio:Existe una ligera reaccin. Este grado constituye el grado de transicin. Se observa turbidez en
el agua en regiones cercanas al terrn o alrededor de todo ste. La suspensin coloidal que ocurre es apenas
visible. En caso de que las nubosidades sean claramente notorias se debe asignar el grado 3.
Grado 3
Dispersivo: Existe una reaccin moderada. Alrededor de toda la muestra se observa una nube, claramente
visible, de partculas de arcilla en suspensin coloidal. La nube puede extenderse hasta 10 mm ms all de la
masa de suelo a lo largo del fondo de la probeta.
Grado 4
Altamente dispersivo: Se observa una reaccin muy fuerte, caracterizada por una nube densa formada de
partculas de arcilla en suspensin coloidal, las que se extienden a lo largo de todo el fondo de la probeta.
Ocasionalmente, la dispersin del terrn de suelo es tan extensiva que resulta muy difcil el determinar la
interface entre el terrn de suelo original y la suspensin coloidal.
Preparacin de la muestra
Segn norma ASTM 6572 existen dos mtodos para la realizacin de este ensayo. La diferencia principal
entre ambos es que uno trabaja con una muestra de suelo natural (mtodo A) y el otro trabaja con una
muestra remoldeada de suelo (mtodo B).
El terrn de suelo debe ser preparado a partir de la fraccin de suelo que pasa el tamiz N 10,
conservando el contenido de humedad natural de ste. Para el mtodo A, a partir de una muestra
representativa de suelo, se toma un terrn de forma irregular que tenga un volumen equivalente al de un
cubo de 15 mm de lado.
Para el mtodo B la muestra consiste de un cubo de 15 mm de lado, remoldeado a partir de una muestra
de suelo representativa.
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Procedimiento del ensayo
1. Luego de seleccionado el mtodo a seguir, se prepara el terrn de acuerdo al procedimiento yaexplicado.
2. Llenar una probeta con 250 ml de agua destilada, y dejar que la temperatura se estabilice duranteaproximadamente 6 horas.
3. Colocar cuidadosamente la muestra en la probeta, teniendo cuidado de depositarla justo en el fondode la misma.
4. No se debe vibrar ni mover el conjunto agua-suelo debido a que esto distorsiona los resultadosobtenidos.
5. A medida que el terrn empieza a absorber agua, se puede observar la tendencia de las partculas detamao coloidal a ir en suspensin.
6. El grado de dispersin es determinado al cabo de los 2 min, 1h y 6 h, debiendo registrarse tambin enestos intervalos, la temperatura a la que se encuentra el agua.
A manera de ilustracin en la figura 4.11 se presenta las fotografas tomadas de dos tipos de muestras, en
la parte superior de la fotografa se presenta una muestra de suelo altamente dispersivo, por otro lado, en laparte inferior tenemos la presencia de una muestra de suelo no dispersivo.
Figura 4.11. Resultados en el ensayo qumico de fracciones del suelo.
Ejemplo 4.2
Determinar las caractersticas dispersivas de siete muestras de suelo con los siguientes tres ensayos:
1. Ensayo de Crumb.2. Ensayo del Doble Hidrmetro.3. Ensayo del Pinhole.A continuacin se indican las muestras ensayadas:
Muestras de la Laguna de Oxidacin de San Jos (Muestras N 1 y 2). Muestra de la Cantera de UNICON (Muestra N 3). Muestra del Proyecto Rehabilitacin de la Carretera Ilo-Desaguadero (Muestras N 4 y 5). Muestra de la Presa Tinajones (Muestra N 6). Muestra de la Presa Cuchoquesera (Muestra N 7).
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Resultados de ensayos
En la tabla 4.4 se muestran los resultados previos a los ensayos de dispersin para cada una de las
muestras investigadas. Con las muestras 4 y 5 no se realiz el ensayo de compactacin.
Tabla 4.4. Caractersticas de los suelos analizados.
Muestra
N
(%)
Clasificacin
USCS
Peso
especfico
Limites de Atterberg (%) Proctor estndar
Lmite
lquido
Lmite
plstico
ndice de
plasticidad
COH
1
2
3
4
5
6
7
7,93
4,93
15,81
21,12
16,44
3,44
27,81
SC
SC
CL
CL
CL
CL
CL
2,695
2,710
2,700
2,623
2,710
2,707
2,762
35,25
37,00
27,90
32,32
39,69
28,32
45,40
23,56
17,91
18,04
20,30
18,69
14,14
26,06
11,69
19,09
09,86
12,02
21,00
14,18
19,34
1,869
1,803
1,875
-
-
1,883
1,527
12,8
16,0
14,0
-
-
12,9
26,2
En la tabla 4.5 se puede apreciar los resultados de dispersin de las muestras indicadas. Cabe mencionar
que el Ensayo de Pinhole se realiz con varios tiempos de curado, remoldeado al contenido de humedad
natural para las muestras 4 y 5, en las que no se contaba con los datos del grado ptimo; para el resto seevalu al contenido del ptimo sin curar y con tiempos de curado de 24 horas, 48 horas y 7 das.
La nomenclatura empleada para clasificar un suelo dispersivo del Ensayo de Pinhole segn el Mtodo A y
C es la siguiente:
Dispersivo (D1,D2) Dispersivo leve a moderado (ND4,ND3) No dispersivo (ND2,ND1)
Tabla 4.5. Resultados de los ensayos de dispersin.
Muestra N Ensayo de Crumb Ensayo del doble hidrometro Ensayo de Pinhole
1
2
3
4
5
6
7
Grado 2
Grado 1
Grado 3
Grado 3
Grado 1
Grado 1
Grado 1
Dispersivo
No dispersivo
No dispersivo
No dispersivo
Dispersin intermedia
Dispersin intermedia
No dispersivo
Referencias de la tabla 4.5:
(2) Espcimen remoldeado en su contenido de humedad natural
(3) Espcimen remoldeado en su COH y sin ningn curado
(4) Espcimen remoldeado en su COH y 24 horas de curado
(5) Espcimen remoldeado en su COH y 48 horas de curado
(6) Espcimen remoldeado en su COH y 7 das de curado
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Captulo 4.Suelos especiales
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Luego de estos resultados, podemos concluir:
Las muestras 2 y 7 no son dispersivas La dispersin del resto de las muestras vara de ligera a alta El tiempo de curado en el estado compactado de los especmenes influye en los resultados del ensayo
de Pinhole. A un mayor tiempo de curado, el suelo tiende a ser menos dispersivo.
4.2.3 Medidas de prevencin y/o solucin cuando se trabaja conarcillas dispersivas
Desde principios de los 60, el Servicio de Conservacin del Suelo de EEUU, ha usado varios aditivos qumicos
con el propsito de mejorar el comportamiento de arcillas dispersivas.
Los principales aditivos qumicos usados para este fin son: hidrxido de calcio, sulfato de calcio, sulfato
de aluminio y mezclas de carbonato de calcio y/o carbonato de magnesio.
La cantidad de aditivo qumico utilizada es determinada realizando algunas modificaciones al ensayo de
erosin interna. El aditivo con que se obtuvo mejores resultados es el hidrxido de calcio. Este ha sido
mezclado con arcillas dispersivas con el objeto de reparar principalmente superficies expuestas que se
hallaban muy erosionadas. El proceso de reparacin y/o prevencin consiste bsicamente de excavar el
suelo daado; realizando a continuacin el mezclado y curado respectivo del suelo. Finalmente se procede a
la reposicin del suelo excavado.
4.3 Suelos colapsables
4.3.1 Definicin
Son aquellos suelos no saturados que sufren una brusca disminucin de volumen cuando se saturan parcial ototalmente, sin la necesidad de un aumento en la presin aplicada. En su gran mayora, estos suelos son de
origen elico y se conocen con el nombre de Loess.
Rogers (1995) cita como caractersticas tpicas, de la mayora de suelos colapsables, las siguientes:
Estructura abierta y macroporosa ndice de vacios relativamente alto a muy alto Baja densidad seca Provienen de depsitos relativamente jvenes o recientemente alterados. Alta sensibilidad y baja fuerza de enlace entre las partculas.Un suelo colapsable se encuentra en estado metaestable debido a que la empaquetadura de sus partes
constituyentes es abierta, las partculas estn unidas entre s por fuerzas o materiales cementantes que son
susceptibles a ser anulados o reducidos cuando aumenta el contenido de humedad del suelo, siendo esta la
principal razn por la que, cuando ocurre el colapso se forma una empaquetadura cerrada de volumen
considerablemente menor, como se observa en la figura 4.12.
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(a) (b)
Figura 4.12. Mecanismo de colapso de una arena colapsable (a) Estructura de suelo cargada antes de la inundacin (b)
Estructura de suelo cargada despus de la inundacin (Rogers, 1995).
4.3.2 Identificacin de suelos colapsables
4.3.2.1 Identificacin de campoLa granulometra de este tipo de suelos es predominantemente fina, con predominio de fracciones de limos y
de arcilla, el tamao de los granos es generalmente poco distribuido y con los granos mas grandes
escasamente meteorizados.
Segn informacin geolgica y geomorfolgica este tipo de suelos suele presentarse en regiones ridas y
semiridas, donde se tiene la presencia de depsitos elicos, residuales, aluviales y coluviales.
Un ingeniero geotcnico debe saber identificar los suelos que pudieran colapsar y determinar la cantidad
de colapso que puede ocurrir, los depsitos de suelos ms probables a colapsar son:
Terraplenes o rellenos sueltos. Arenas alteradas transportadas por el viento. Lavado de colinas de consistencia suelta. Granito descompuesto u otra roca gnea cida.
4.3.2.2 Identificacin de laboratorio
4.3.2.2.1 Ensayo de colapso en suelos
El ensayo para la medida del potencial de colapso de los suelos segn ASTM D5333-92 sigue el
procedimiento propuesto por Jennings & Knight (1975).
Este ensayo tiene por objeto determinar la magnitud del colapso unidimensional que se produce cuandose inunda un suelo semisaturado. Dicho procedimiento se puede utilizar para determinar, la magnitud del
ndice de colapso , que se produce para una carga vertical (axial) determinada y la magnitud del potencial
de colapso .
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Captulo 4.Suelos especiales
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Preparacin de la muestra
La muestra debe ser relativamente inalterada preparadas mediante tallado a partir de la muestra original
inalterada. Para determinar el potencial de colapso (, las muestras deben ser preparadas utilizando
mtodos secos como son: el barreno de doble y bloques extrados manualmente. Cortar el suelo de acuerdo
con las dimensiones del anillo del ensayo de consolidacin unidimensional.
Procedimiento del ensayo
Este ensayo se realiza de manera semejante al ensayo de consolidacin ASTM D-2435, desarrollado en el
Captulo 2, excepto por los siguientes aspectos:
1. Se realiza la aplicacin de varias etapas de carga hasta llegar a = 200 kPa de presin sobre unamuestra de suelo, no disturbada con contenido de humedad natural, colocada en la celda de
consolidacin. La duracin entre cada incremento de carga, antes de la inundacin, debe limitarse a 1
hora, con el propsito de prevenir la evaporacin de la humedad de la muestra
2. Despues de aplicar la carga vertical apropiada (200 kPa), por el tiempo de 1 hora, inundar la muestracon agua desairada y destilada por 24 horas, registrar las deformaciones vs tiempo segn el ensayo
ASTM D2435.
3. El ndice de colapso , es la magnitud de colapso relativa del suelo determinado bajo una presin de2 (200 kPa) y se calcula mediante la siguiente ecuacin:
(Ec. 4.2)
Donde:
Deformacin antes de la saturacin.
Deformacin despus de la saturacin.
Altura inicial de la muestra.
4. El potencial de colapso , es la magnitud de colapso relativa del suelo determinado para cualquierpresin vertical. Es determinado a partir de los valores del ndice de vacos, antes y despus de la
inundacin, y respectivamente, Fig. 4.13. Luego, el potencial de colapso, es igual a:
(Ec. 4.3)
Donde:
ndice de vacos natural del suelo.
De la figura 4.13, se puede observar que a pesar que la carga permanece constante, al producirse lainundacin de la muestra se genera un decremento significativo del ndice de vacos. Este decremento resulta
ser una seal de la presencia de un suelo colapsable.
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Figura 4.13. Variacin natural del ndice de vacos con la presin para un suelo colapsable (Das, 1999).
La evaluacin de un suelo colapsable ser de acuerdo a las tablas 4.6 y 4.7.
Tabla 4.6.Clasificacin del ndice de colapso, Ie(ASTM D5333-92).
ndice de colapso, (%) Grado de colapso
0
0,1 0,2
2,1 6,0
6,1 10,0
>10,0
Cero
Bajo
Moderado
Moderadamente severo
Severo
Tabla 4.7. Relacin del potencial de colapso con la severidad en problemas de fundaciones (Clemente & Finbarr, 1981).
Potencial de colapso,
(%) Severidad del problema
0 1
1 5
5 10
10 20
20
Ningn problema
Problema moderado
Problema
Problema severo
Problema muy severo
Ejemplo 4.3
ENSAYO DE COLAPSO
(ASTM-D5333)
Solicitante: Estado: Inalterado
Proyecto: Muestra:
Ubicacin: Clasificacin: ML
Fecha: Profundidad (m): 1,20 1,80
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Captulo 4.Suelos especiales
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Tabla 4.8. Datos del ensayo de colapso.
DATOS DEL ESPECIMEN
Contenido de humedad inicial, (%)
Contenido de humedad final, (%)
Grado de saturacin inicial, (%)
Grado de saturacin final, (%)
8,3
24,9
23,9
71,7
Altura, h (cm)
Dimetro, (cm)
Gravedad especifica, Gs
1,9
6,0
2,8
ETAPA SIN AGUA
Carga
aplicada
Lectura
final
(mm)
Asentamiento
(mm)
Altura
promedio
(mm)
Altura
drenada
(mm)
Densidad
seca
Relacin
de vacios
(e)
Deformacin
vertical
(%)
0,00 11,950 0,00 19,00 9,50 1,419 0,974 0.0
0,10 11,865 0,08 18,92 9,46 1,425 0,965 0,4
0,20 11,790 0,16 18,84 9,42 1,431 0,957 0,8
0,40 11,710 0,24 18,76 9,38 1,437 0,949 1,3
0,80 11,595 0,35 18,65 9,32 1,446 0,937 1,9
1,60 11,398 0,35 18,45 9,22 1,461 0,916 2,9
ETAPA CON AGUACarga
aplicada
Lectura
final
(mm)
Asentamiento
(mm)
Altura
promedio
(mm)
Altura
drenada
(mm)
Densidad
seca
Relacin
de vacios
(e)
Deformacin
vertical
(%)
1,60 5,490 6,46 12,54 6,27 2,149 0,303 34,0
3,20 5,000 6,95 12,05 6,03 2,237 0,252 36,6
Figura 4.14. Curva del ensayo de colapso.
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4.3.2.2.2 Ensayo del doble odmetro
Jennings & Knight (1956, 1975) desarrollaron el mtodo del doble odmetro. Este mtodo consiste de la
realizacin de dos ensayos de consolidacin: uno realizado sobre una muestra con contenido de humedad
natural y el otro sobre una muestra que se encuentra saturada. Por medio de este ensayo es posible
determinar el valor del potencial de hidrocolapso, w, como funcin del esfuerzo normal. De este modo, esposible obtener a partir de este ensayo un nuevo parmetro para medir el potencial de colapso.
Preparacin de la muestra
La preparacin de las muestras para este ensayo es realizada del mismo modo que para el ensayo de
consolidacin unidimensional (ver Captulo 2).
Procedimiento del ensayo
Este ensayo se realiza de manera semejante al ensayo de consolidacin especificado segn norma bajo ladesignacin ASTM D-2435. El ensayo de consolidacin en su totalidad ya fue desarrollado en el Captulo 2.
Los pasos a seguir son los siguientes:
1. Ensambladas las dos muestras en el odmetro, someter a las dos muestras a una presin de 1[kN/m2] durante 24 horas.
2. Pasadas las 24 horas, saturar una de las muestras inundndola durante 24 horas. La muestra restantedebe mantener su contenido de humedad natural.
3. Concluida la inundacin, continuar con la aplicacin de carga hasta alcanzar el nivel deseado (nivel aser alcanzado en campo). La aplicacin de los incrementos de carga es realizada del mismo modo que
en el ensayo de consolidacin, ASTM D-2435.
4. Trazar las curvas de consolidacin de laboratorio, para ambos ensayos.5. Trazar una lnea vertical a travs de o.6. Determinar la presin de preconsolidacin, c, para la muestra de suelo inundada. Si
el suelo es normalmente consolidado, mientras que si
el suelo es sobreconsolidado.
7. Calcular , que es el ndice de vacos correspondiente al esfuerzo de para la curva deconsolidacin de laboratorio de la muestra saturada.
8. Por el punto , dibujar una curva paralela a la curva de consolidacin de laboratorio de lamuestra con contenido de humedad natural.
9. Determinar el incremento de esfuerzo vertical, . Dibujar una lnea vertical correspondiente alesfuerzo,
y trazar por este una vertical.
10. A partir de la vertical trazada, determinar y , Fig.4.15. Luego, el asentamiento o deformacinproducida en el suelo sin cambio en el contenido de humedad natural es:
(Ec. 4.4)
Y la deformacin o asentamiento cuasado por el colapso de la estructura del suelo es:
(Ec. 4.5)
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Donde:H= Espesor del suelo susceptible a colapsarse
Luego el ndice de hidrocolapso, w, es determinado como:
(Ec. 4.6)
(a)
(b)
Figura 4.15. Resultados obtenidos a partir del ensayo del doble odmetro (a) Suelo normalmente consolidado (b) Suelo
sobreconsolidado.
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4.3.2.3 Relaciones empricas
Houston et al (2001) propone el siguiente mtodo de identificacin de suelos colapsables a partir de la
clasificacin de suelos:
Suelos no plsticos: El suelo puede ser colapsable si: (Ec. 4.7)
Donde:
= Dimetro mayor de partcula correspondiente al 60% ms fino del suelo.
Suelos plsticos: El suelo puede ser colapsable, si: (Ec. 4.8)
(Ec. 4.9)
Donde:
IP= Valor de normalizacin de suelos plsticos.=Porcentaje que pasa el tamiz No 200.
La tabla 4.9 presenta varios criterios para la identificacin de los parmetros fsicos de suelos colapsables.
Tabla 4.9. Criterios para la identificacin de suelos colapsables (Das, 1999).
Investigador Ao Criterio
Denisov
Clevenger
Priklonski
Sovietic Building Code
Feda
Benites
Handy
1951
1958
1952
1962
1964
1968
1973
Coeficiente de subsidencia
:Altamente colapsable
: Francamente no colapsable
: Suelos no colapsables
Si el peso unitario seco es menor que 12 KN/, el asentamiento ser
grande; Si el peso unitario seco es mayor que 14,1 KN/, el
asentamiento ser pequeo. : Suelos altamente colapsables
: Suelos no colapsables
: Suelos expansivos
Donde:
= ndice de vacios natural
= ndice de vacios en el lmite lquido
Para un grado de saturacin natural menor que 60%, si L < 0,1, entonces
es un suelo colapsable.
Si
para < 100%, es un suelo subsidente.
Un ensayo de dispersin en el cual 2 g de suelo se dejan caer en 12 ml deagua destilada, y se toma el tiempo cronometra hasta la dispersin. Un
tiempo de 20 a 30 segundos corresponde a suelos colapsables.
Loess de Iowa con contenido de arcilla (
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Referencias de la tabla 4.9:
(1)
(2)
(3)
Donde:
= contenido de humedad natural
= Grado natural de saturacin
LP= Lmite plstico
IP= ndice de plasticidad
Por su parte, Holtz & Hilf(1961)sugirieron que cuando un suelo loesial tiene un ndice de vacos despus
de la saturacin, lo suficientemente grande como para exceder su lmite lquido, entonces el suelo es
susceptible al colapso. Luego, para el colapso:
(Ec. 4.10)
Sin embargo, para suelos saturados:
(Ec. 4.11
Reemplazando (4.10) en (4.11), para suelos colapsables, se obtiene:
(Ec. 4.12)
Luego, el peso unitario seco del suelo colapsable es:
(Ec. 4.13)
Para un valor promedio de de 2,65 pueden ser calculados varios valores lmites de para distintos
valores del . La tabla 4.10 presenta dichos valores.
Tabla 4.10. Valores lmites de
para distintos valores del (Das, 1999).
Lmite Lquido
(%)
Valores lmites de
(KN/)
10
15
20
25
30
35
40
45
20,56
18,60
16,99
15,64
14,48
13,49
12,62
11,86
Das (1999) recomienda que la obtencin de muestras inalteradas de suelo para la determinacin del
potencial de colapso y los pesos unitarios secos, debe ser realizada preferiblemente a partir de bloques de
muestra cortados a mano; debido a que cuando la muestra es obtenida a partir de tubos de pared delgada,esta puede haber sufrido esfuerzos de compresin durante el muestreo. Sin embargo, si este ltimo
procedimiento es usado, los sondeos deberan ser hechos sin la presencia de agua.
Finalmente, la figura 4.16 es la representacin grfica de la tabla 4.10. Luego, para cualquier suelo, si la
combinacin de y cae debajo de la lnea lmite, el suelo est prximo a colapsar.
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Figura 4.16. Suelo tipo loess con posibilidad de colapso.
4.3.3 Medidas de prevencin y/o solucin cuando se trabaja con
suelos colapsables
Estabilizacin de suelos es un trmino colectivo para cualquier mtodo fsico, qumico o una combinacin decualquiera de ellos, empleados para mejorar ciertas propiedades del suelo natural y as adecuarlos a los
propsitos de ingeniera, (Winterkorn & Pamukeu ,1991).
Cuando se establece la presencia de un suelo colapsable, el proceso de estabilizacin debe ser realizado
antes de iniciar la construccin de la estructura, es decir, antes de iniciar la construccin de las fundaciones.
Este proceso es llevado a cabo para cualquier clase de fundacin a utilizar.
La estabilizacin de suelos colapsables puede ser realizada mediante dos mtodos que son:
Estabilizacin fsica Estabilizacin qumica
4.3.3.1 Estabilizacin fsicaEs realizada mediante el uso de compactacin dinmica adecuado para compactar mantos de suelos
colapsables con espesores menores a 3,5 metros. El mtodo consiste en dejar caer en cada libre desde una
altura de 4 a 8 metros, pilones de 3 a 8 toneladas sobre la superficie del terreno, a razn de 10 a 16 impactos
en cada lugar. El impacto genera una rotura de la estructura del suelo, un aumento en la presin de poros y
una compresin de aire presente en los poros, produciendo un reacomodo de las partculas, dando como
resultado una estructura ms compacta.
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Segn Malyshev et al (1993) el contenido de humedad del suelo juega un papel importante, logrndose la
mxima eficiencia con un contenido de humedad cercano al lmite plstico.
4.3.3.2 Estabilizacin qumica
Se logra a travs de la mezcla y posterior compactacin del suelo con agentes qumicos o cementantes, talescomo cemento, cal o materiales bituminosos. Sin embargo, se debe tener en cuenta, que en suelos con
presencia de materia orgnica en un porcentaje mayor al 2%; la accin estabilizadora del cemento es
neutralizada.
4.4 Suelos expansivos
4.4.1 Definicin
Se denominan suelos expansivos a aquellos suelos, sobre todo arcillas, que aumentan de volumen
considerablemente cuando se saturan y luego se contraen al secarse. Los suelos expansivos estn
compuestos por partculas minerales que tienen una gran afinidad por el agua, la absorben del medio
ambiente y la incorporan a su estructura molecular. La inestabilidad mostrada por estos suelos se debe a su
estructura molecular, la que ocasiona una dbil unin entre sus partculas minerales, dada la deficiencia
elctrica del suelo, la expansin ocurre cuando el agua se infiltra en o entre las partculas de arcilla, causando
la separacin de stas.
La afinidad que dichas arcillas tienen por el agua es la causa principal del hinchamiento o expansin que
experimentan, con fuertes presiones de empuje o levantamiento cuando se saturan. Inversamente se
presentan altas contracciones y agrietamientos cuando se secan.
En la naturaleza existen varios minerales de arcilla diferentes, radicando la diferencia en su configuracin
qumica y estructural. Tres son los minerales de arcilla ms comunes: caolinita, ilita y montmorilonita. La
composicin qumica as como la estructura cristalina de estos minerales es diferente y por tanto la
susceptibilidad a la expansin de estas arcillas es tambin diferente, siendo las arcillas montmorilonticas las
de un potencial de expansin muy grande, tabla 4.11.
Tabla 4.11. Potencial de expansin de minerales de arcilla pura (Budge et al, 1964).
Presin de sobrecarga, (kPa) Potencial de expansin, (%)
Caolinita Ilita Montmorilonita
9,6
19,1
Despreciable
Despreciable
350
150
1500
350
La caolinita es esencialmente no expansiva debido a la presencia de fuertes uniones de hidrgeno que
mantienen a las partculas individuales de arcilla juntas. Por otro lado, la ilita contiene uniones de potasio
dbiles que permiten una expansin limitada, al igual que la montmorilonita cuyas uniones son aun ms
dbiles. De esta manera, el agua penetra fcilmente en la motmorilonita y separa sus partculas.
Coduto (1994) afirma que segn observaciones de campo, los mayores problemas ocurren en suelos con
un alto contenido de motmorilonita.
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Existe otro tipo de fuerzas que influyen en el fenmeno de expansin, estas son:
Tensin superficial en el menisco de agua ubicado entre las partculas.- Esta fuerza tiende a empujarlas partculas juntas comprimiendo el suelo.
Presin osmtica.- Fuerza que tiende a atraer el agua y presionar las partculas expandiendo as elsuelo.
Presin atrapada en los bulbos de aire.- Fuerza que tiende a expandir el suelo. Esfuerzos efectivos debidos a cargas externas.- Tienden a comprimir el suelo. Fuerzas intermoleculares de London-Van Der Waals.- Tienden a comprimir el suelo.Por tanto, cualquier cambio en las fuerzas citadas anteriormente, produce que las arcillas expansivas, se
expandan o contraigan en respuesta a tales cambios.
Por ejemplo, si se considera una arcilla montmorilonita que se halla inicialmente saturada, Fig. 4.17 (a), y
si se supone que se producen cambios en la tensin superficial y en la presin osmtica; el cambio en la
estructura de esta arcilla es observado en las figuras 4.17 (b) y (c).
En la figura 4.17 (b), si se asume que el suelo se seca, el contenido de humedad remanente se reunir
cerca de la interfase entre partculas, formando un menisco en el que las fuerzas de tensin superficialresultantes producen que las partculas de suelos se contraigan. En esta etapa el suelo puede ser comparado
con un resorte comprimido.
Por tanto, el suelo en la figura 4.17 (b), tiene una gran afinidad con el agua y atraer el agua disponible
por medio de la osmosis. En esta etapa se produce en el suelo un valor de succin muy alto. Luego, si existe
agua disponible en los alrededores, el fenmeno de succin atraer sta al interior de los espacios entre las
partculas del suelo y el suelo se expandir. Fig. 4.17 (c). En esta etapa el resorte ha sido liberado, y quizs
ser ahora forzado hacia fuera.
(a) (b) (c)
Figura 4.17. Expansin y contraccin de una arcilla expansiva (Coduto, 2001).
4.4.2 Identificacin de suelos expansivos
4.4.2.1 Identificacin de campo
Generalmente, los suelos expansivos caen dentro del grupo de las arcillas finas de alta plasticidad (CH) y en
menor proporcin con las de baja plasticidad (CL), estos suelos tienen consistencia pegajosa al ser mojados y
cuando son secados muestran grietas de retraccin superficiales, Fig. 4.18.
Partculas de arcilla
Agua
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Figura 4.18. Grietas de retraccin
4.4.2.2 Identificacin de laboratorio
4.4.2.2.1 Ensayo de expansin libre segn ASTM D-4829
Este ensayo determina el ndice de expansin del suelo compactado, cuando este ha sido inundado. El ndice
de expansin es una referencia para determinar el potencial de expansin del suelo. Este ensayo es realizado
a partir de una muestra inalterada de suelo.
Preparacin de la muestra
Una vez que la muestra ha llegado al laboratorio, sta 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 fraccin de suelo que pasa el tamiz No 4, tomar aproximadamente 1 kg de muestra. Ajustarel contenido de humedad al contenido de humedad ptimo. El valor de este ltimo es obtenido a partir de las
especificaciones tcnicas de compactacin. Luego, proceder a moldear la muestra.
La muestra es adecuadamente compactada en un molde de dimensiones normalizadas. Posteriormente,
ajustar el grado de saturacin de sta a un valor que se encuentre dentro el rango del 49 al 51%.
Procedimiento del ensayo.
Para la realizacin de este ensayo se realizan los siguientes pasos:
1. Colocar la muestra de suelo compactada en el anillo de consolidacin del odmetro.2. Aplicar a la muestra una presin de 1 (lb/pulg2). Esta presin incluye el peso de las piedras porosas.3. Despus 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 quela muestra se estabilice.
5. Extraer la muestra del aparato y determinar el cambio en la altura , como el resultado de ladiferencia de las alturas inicial y final.
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6. Calcular el ndice de expansin libre, a travs de la siguiente ecuacin:
(Ec. 4.14)
(Ec. 4.15)
Donde:
Cambio en la altura
Altura inicial, cm
Lectura inicial
Lectura final
El potencial de expansin puede ser estimado a partir del ndice de expansin, vase tabla 4.12
Tabla 4.12. Potencial de expansin estimado a partir del ndice de expansin libre (American Society for Testing and
Materials, ASTM D4829, 1999).
ndice de expansin
EI(%)
Potencial de expansin
0 20
21 50
51 90
91 - 130
Muy Bajo
Bajo
Medio
Alto
4.4.2.2.2 Ensayo para la obtencin del ndice de expansin libremodificado
El ensayo para la obtencin del ndice de expansin libre modificado para arcillas segn Sivapullaiah (1987),
es un nuevo procedimiento que al parecer da mejores aproximaciones del potencial de expansin 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 ndice de expansin libre modificado, es entonces calculado como:
(Ec. 4.16)
(Ec. 4.17)
Donde: Volumen de suelo despus de la expansin
Volumen de los slidos del suelo
Peso del suelo secado al horno
Gravedad especfica de los slidos del suelo
Peso especfico del agua
A partir del ndice de expansin libre modificado, el potencial de expansin del suelo, es determinado a
partir de la tabla 4.13.
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Tabla 4.13. Potencial de expansin a partir del ndice de expansin libre modificado (Das, 1999).
ndice de expansin libre modificado Potencial de expansin
< 2,5
2,5 10
10 20
> 20
Despreciable
Moderado
Alto
Muy alto
4.4.2.3.3 Ensayo de expansin controlada segn ASTM D-4546
Este ensayo es realizado sobre muestras de suelo inalteradas, sirve para determinar la magnitud de
expansin o asentamiento bajo una presin vertical conocida, o determinar la magnitud de presin vertical
necesario para mantener el volumen de altura constante, a su vez presenta tres alternativas para la
determinacin de la magnitud de expansin del suelo. Dichas alternativas se detallan a continuacin:
Mtodo A
Este mtodo determina:
La expansin libre El porcentaje de levantamiento debido a la aplicacin de una carga vertical. Presin de expansin
Mtodo B
Este mtodo determina:
El porcentaje de levantamiento debido a la aplicacin de una carga vertical, que usualmente esequivalente a la presin inicial de sobrecarga in situ o a cualquier otra carga vertical.
Presin de expansin.
Mtodo C
Este mtodo determina:
Presin de expansin. Presin de preconsolidacin. Porcentaje de levantamiento.
Preparacin de las muestras
Para la realizacin de este ensayo se utilizan muestras de suelos inalteradas que deben ser compactadas y
moldeadas de la misma manera que para un ensayo de consolidacin normal.
A partir de la curva de expansin Fig. 4.19, que no es ms que la curva obtenida a partir de la realizacin
del ensayo de consolidacin invertida, pueden realizarse las siguientes definiciones:
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Expansin primaria.- Expansin arbitraria realizada a corto plazo. La interseccin de las tangentessacadas a la curva de la figura 4.19, se considera el fin de la expansin primaria.
Expansin secundaria.- Expansin a largo plazo. El inicio de la expansin secundaria es el fin de laexpansin primaria.
Figura 4.19. Curva de expansin (American Society for Testing and Materials, ASTM D4546, 1999).
Procedimiento del ensayo
El procedimiento a seguir es el siguiente:
1. Colocar la muestra en el anillo de consolidacin, tratando de que no exista evaporacin del contenidode humedad de la muestra y aplicar una carga de asiento 1 kPa.
2. Aplicar la presin de sobrecarga inicial in situ, y una vez transcurridos 5 min despus de la aplicacin,ajustar el medidor a cero.
3. A continuacin, se sigue el mismo procedimiento realizado para un ensayo de consolidacin normal,con las siguientes excepciones:
Para el mtodo A. Despus de haber registrado la deformacin 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 expansin primaria.
Despus del fin de la expansin primaria, aplicar incrementos sucesivos de carga de 5, 10, 20, 40, 80kPa, etc. La duracin de cada incremento de carga es aquella que asegure el 100% de consolidacin
primaria.Para el mtodo B. El ensayo comienza aplicando una presin mayor a la presin de sobrecarga inicial.
Al cabo de 5 min leer la deformacin debida a la presin.
Luego inundar la muestra y realizar las lecturas respectivas hasta la finalizacin de la expansin
primaria. Proceder a la aplicacin de incrementos de carga tal como en el mtodo A.
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Para el mtodo C. El ensayo comienza aplicando una presin equivalente a la presin estimada in situ.
Al cabo de 5 min leer la deformacin inicial e inundar inmediatamente la muestra.
A la muestra inundada, aplicar incrementos de carga, estos incrementos de carga tendrn la magnitud
necesaria para evitar la expansin de la muestra
4. La determinacin del porcentaje de levantamiento es realizada de la siguiente manera:
(Ec. 4.18)
Donde:
ndice de vacos inicial.
ndice de vacos a una cierta presin .
Cambio en la altura de la muestra.
Altura inicial de la muestra.
Porcentaje de levantamiento.
Ejemplo 4.4
ENSAYO DE EXPANSIN CONTROLADA
(ASTM D-4546, METODO A)
Solicitante: Estado: Inalterado
Proyecto: Muestra:
Ubicacin: Clasificacin: SC-ML
Fecha: Profundidad (m): 1,20 1,80Carga de asiento ( : 0,01
DATOS DEL ESPECIMEN
Contenido de humedad inicial, (%)
Contenido de humedad final, (%)
Grado de saturacin inicial, (%)
Grado de saturacin final, (%)
5,24
13,22
40,85
98,76
Altura, h (cm)
Dimetro, (cm)
Gravedad especifica, Gs
1,90
6,00
2,73
Tabla 4.14. Datos del ensayo de expansin controlada.
ETAPA DE EXPANSION
Tiempo
(min)
Lect. Dial
(mm)
Expansin
(mm)
Altura
(mm)
Densidad seca
(
Relac. de vacios
(e)
Expansin
(%)
0,00 5,720 0,000 19,00 2,02 0,350 0,000
0,20 5,740 0,020 19,02 2,02 0,351 0,105
0,50 5,760 0,040 19,04 2,02 0,353 0,211
0,80 5,770 0,050 19,05 2,02 0,354 0,263
1,00 5,780 0,060 19,06 2,02 0,354 0,316
2,00 5,800 0,080 19,08 2,01 0,356 0,421
4,00 5,820 0,100 19,10 2,01 0,357 0,526
8,00 5,840 0,120 19,12 2,01 0,359 0,632
15,00 5,859 0,139 19,14 2,01 0,360 0,732
30,00 5,880 0,160 19,16 2,01 0,361 0,842
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Tabla 4.14 (continuacin). Datos del ensayo de expansin controlada.
ETAPA DE EXPANSION
Tiempo
(min)
Lect. Dial
(mm)
Expansin
(mm)
Altura
(mm)
Densidad seca
(
Relac. de vacios
(e)
Expansin
(%)
65,00 5,900 0,180 19,18 2,00 0,363 0,947
140,00 5,913 0,193 19,19 2,00 0,364 1,016
170,00 5,915 0,195 19,20 2,00 0,364 1,026305,00 5,920 0,200 19,20 2,00 0,364 1,053
550,00 5,922 0,202 19,20 2,00 0,364 1,063
4160,00 5,931 0,211 19,21 2,00 0,365 1,111
4565,00 5,932 0,212 19,21 2,00 0,365 1,116
5595,00 5,933 0,213 19,21 2,00 0,365 1,121
6080,00 5,934 0,214 19,21 2,00 0,365 1,126
7055,00 5,935 0,215 19,22 2,00 0,365 1,132
8495,00 5,936 0,216 19,22 2,00 0,365 1,137
9935,00 5,936 0,216 19,22 2,00 0,365 1,137
11375,00 5,936 0,216 19,22 2,00 0,365 1,137
12815,00 5,936 0,216 19,22 2,00 0,365 1,137
14255,00 5,936 0,216 19,22 2,00 0,365 1,137
ETAPA DE CONSOLIDACION
Carga
( )
Lect. Final
(mm)
Asentamiento
(mm)
Alt. Prom.
(mm)
Densidad seca
(
Relac. de vacios
(e)
Def. vertical
(%)
0,05 5,936 0,000 19,216 2,00 0,365 0,000
0,10 5,934 0,002 19,214 2,00 0,365 0,010
0,20 5,900 0,036 19,180 2,00 0,363 0,187
0,40 5,838 0,098 19,118 2,01 0,358 0,510
0,80 5,772 0,164 19,052 2,02 0,354 0,853
1,60 5,704 0,232 18,984 2,02 0,349 1,207
3,20 5,704 0,232 18,984 2,02 0,349 1,207
6,40 5,704 0,232 18,984 2,02 0,349 1,207
ETAPA DE CARGA
0,10 0,20 0,40 0,80 1.60
Tiempo
(min)
Def.
(mm)
Tiempo
(min)
Def.
(mm)
Tiempo
(min)
Def.
(mm)
Tiempo
(min)
Def.
(mm)
Tiempo
(min)
Def.
(mm)
0,00 0,000 0,00 0,000 0,00 0,000 0,00 0,000 0,00 0,000
0,13 0,002 0,13 0,019 0,13 0,050 0,13 0,035 0,13 0,040
0,25 0,002 0,25 0,020 0,25 0,050 0,25 0,038 0,25 0,042
0,50 0,002 0,50 0,021 0,50 0,050 0,50 0,038 0,50 0,043
1 0,002 1 0,023 1 0,050 1 0,039 1 0,044
2 0,002 2 0,024 2 0,050 2 0,042 2 0,047
4 0,002 4 0,024 4 0,051 4 0,045 4 0,050
8 0,002 8 0,025 8 0,052 8 0,048 8 0,05215 0,002 15 0,027 15 0,055 15 0,048 15 0,043
30 0,002 30 0,029 30 0,058 40 0,049 30 0,054
70 0,002 60 0,030 70 0,060 90 0,055 60 0,056
155 0,033 995 0,062 140 0,057 160 0,059
215 0,034 320 0,059 230 0,061
1415 0,066 640 0,065
1420 0,068
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Figura 4.20. Curva del ensayo de colapso.
4.4.2.3 Relaciones empricas
4.4.2.3.1 A partir de correlaciones grficas
Existen varios sistemas de clasificacin para suelos expansivos, basados todos ellos en los problemas queeste tipo de suelos ocasiona en la construccin de fundaciones.
La posibilidad de expansin de los suelos puede ser establecida a partir de la figura 4.21, segn
Abduljauwad y Al- Sulaimani (1993).
Vijayvergiya y Ghazzaly (1973) analizaron varios resultados obtenidos de ensayos de expansin libre, y a
partir de estos elaboraron una correlacin grfica entre la expansin libre, el lmite lquido y el contenido de
humedad natural, Fig. 4.22.
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Figura 4.21. Criterios comnmente usados para determinar el potencial de expansin, segn Abduljauwad y Al-
Sulaimani, 1993 (Das, 1999).
4.4.2.3.2 A partir de tablas
La tabla 4.15 presenta un resumen de distintos criterios utilizados para la clasificacin de suelos expansivos.
La tabla 4.16 presenta el sistema de clasificacin desarrollado por la U.S. Army Waterways Experiment
Station (Snethen et al, 1977) que es el ms usado en los Estados Unidos.
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Figura 4.22 Relacin entre el porcentaje de expansin libre, lmite lquido y contenido de humedad natural (despus deVijayvergiya y Ghazzaly, 1973)
Tabla 4.15. Resumen de criterios para identificar el potencial de expansin (segn Abduljauwad y Al-Sulaimani, 1993).
Referencia Criterios Observaciones
Holtz (1959)
Seed y otros (1962)
Altemeyer (1955)
Dakshanamanthyy Raman (1973)
Vase la figura 15 (a)
Vase la figura 15 (b)
Basado en CC,IP y LC
Con Base en la prueba del odmetro
usando una muestra compactada,
porcentaje de arcilla < 2m y actividad.
Con base en CL, LC y EP.
Muestra remoldeada,
empapada bajo
sobrecarga de 6.9 kPa.
Basado en la carta de plasticidad.
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Tabla 4.15 (continuacin). Resumen de criterios para identificar el potencial de expansin (segn Abduljauwad y Al-
Sulaimani, 1993).
Referencia Criterios Observaciones
Raman (1967)
Sowers y Sowers(1970)
Van Der Merwe(1964)
Uniform BuildingCode, 1968
Snethen (1984)
Chen (1988)
McKeen (1992)
Vijayvergiya yGhazzaly (1973)Kayak yChristensen(1974)Weston (1980)
Vase la figura 15 (c)
Vase la figura 15 (d)
PE= (0,00229IP)(1,45C)/
Basado en IPe IC.
Poca expansin ocurrir cuando conduce a un IL de 0,25
Con base en IP, porcentaje dearcilla< 2m y actividad.
Con base en la prueba del odmetroen una muestra compactada congrado de saturacin del 50% ysobrecarga de 6,9 KPa.
EP es representativa para condicinde campo, se usa , pero sereducir la exactitud.
Basado en IP.
Con base en mediciones de pequeocontenido de agua, succin y cambiode volumen al secarse.
Ecuaciones empricas
Ecuaciones empricas
Ecuaciones empricas
Notacin:
% de arcilla.
% de contenido coloidal.
ndice de expansin = 100 x % de expansin x
fraccin que pasa la malla No 4.
ndice de liquidez (%).
Lmite Lquido (%).
Lmite Lquido pesado, (%). Contraccin lineal, (%).
ndice de plasticidad, (%).
Expansin probable, (%).
Sobrecarga
ndice de contraccin, (%) LCLL Potencial de expansin, (%).
Contenido de humedad natural del suelo (%).
Succin natural del suelo en tsf.
Densidad seca mxima. Contenido de humedad ptimo (%).
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Tabla 4.16.Sistema de clasificacin de suelos expansivos (ONeill y Poormoayed, 1980).
Lmite Lquido ndice de plasticidad Expansin potencial (%) Clasificacin de la expansin
potencial
< 50
50 60
> 60
< 25
25 35
> 35
< 0,5
0,5 1,5
> 1,5
Baja
Marginal
Alta
Expansin potencial = expansin vertical bajo una presin igual a la presin de sobrecarga.
4.4.3 Medidas de prevencin y/o solucin cuando se trabaja consuelos expansivos
Los daos en las estructuras de fundacin que ocurren como resultado de la presencia de un suelo con
elevado potencial de expansin, pueden ser evitados a travs de la aplicacin de las posibles alternativas:
Reemplazar el suelo expansivo bajo la fundacin. Esta alternativa es viable en caso de que se trate desuelos poco profundos.
Estabilizacin del suelo expansivo, ya sea mediante compactacin controlada, prehumedecimientodel suelo y/o estabilizacin qumica.
La compactacin cuando se trabaja con suelos expansivos puede ser una medida til para disminuir el
potencial de expansin. Por lo general, no se recomienda el uso de losas de fundacin, sobre todo en casos
donde se espera un levantamiento mayor a 38 mm.
Por otro lado, el principal objetivo del prehumedecimiento es que la mayor parte del levantamiento se de
antes de la construccin. Esto se consigue incrementando el contenido de humedad del suelo a travs de un
embalse. Posteriormente, se agrega 4-5% de cal hidratada a la capa superior de suelo, obtenindose de esta
manera una capa de suelo menos plstica y ms trabajable. La desventaja principal de este procedimiento
radica en que la infiltracin en suelos arcillosos es muy lenta.
Finalmente, la estabilizacin qumica del suelo es realizada con ayuda de cal y cemento. La cal o cemento
y agua son mezclados con la capa superior de suelo, para luego ser compactadas. Este procedimiento puede
ser realizado hasta 1,5 m de profundidad, siendo el principal objetivo el de disminuir el lmite lquido, el
ndice de plasticidad y las caractersticas de expansin del suelo.
Referencias
Coduto, Donald P. Geotechnical Engineering Principles and Practices. Prentice Hall.
Coduto, Donald P. Geotechnical Engineering Principles and Practices, Second Editin. Prentice Hall.
Holmgren, G.G.S and Flanagan, C.P. (1976). Factors Affecting Spontaneous Dispersion of Soil Materials as
Evidenced by Crumb Test. Proceedings. American Society for Testing and Materials. Publication N 623.
Holtz, W. G. and Gibbs,H. J. (1956). Engineering properties of expansive clays, Trans. Am. Soc. CivilEngneering, 121: 63-64.
Jennings, J.E. and Knight, K. (1975) A guide to construction on or with materials exhibiting additional
settlement due to collapse of grain structure. Proceed ings 6th African Conference on Soil Mechanics
and Foundation Engineering.
Salinas L.M., Rojas J.C., Salinas R.A. (2003). Suelos colapsables: Identificacin y estabilizacin qumica.
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Sherard, J.L., Dunnigan L.P. Decker, R.S. y Steel E.F. (1976). Pinhole Test for Identifying Dispersive Soils.
Journal of Geotechnical Engineering, ASCE.
Sherard, J.L., y Decker, R.S., (1977), eds., Dispersive Clays, Related Piping, and Erosion in Geotechnical
Projects. STP 623, ASTM, Philadelphia, Pensylvania.
Sherard, J.L. y Decker, R.S. (1977). Some Engineering Problems with Dispersive Clays. Proc. Symposium on
Dispersive Clays, Related Piping, Erosion in Geotechnical Projects, ASTM SPT G23, pp. 3-12.Vijayvergiya V. N., Ghazzaly O. I. 1973. Prediction of swelling potential for natural clays. Proc. of the 3rd Int.
Conf.on Expansive Clay Soils. 1. Jerusalem: Jerusalem Academic Press.