Suelos expansivos

Introducción

En este tema hablaremos acerca de los suelos expansivos, los cuales son suelos arcillosos

inestables en presencia de humedad, ya que su característica principal es experimentar

cambios de volumen cuando varía su contenido en líquido, esto significa que cuando un

suelo está compuesto de materiales muy susceptibles a desmoronarse con la presencia de

algún liquido (generalmente agua) y en caso de que hubiera una edificación sobre esta zona

con este tipo de suelos produciría que esta tendiera a fracturarse produciendo grietas en las

paredes o bien que la cimentación cediera y que toda la edificación colapsara.

Este problema surge desde que el hombre comenzó a construir edificaciones en sus

diferentes entornos, algunos de ellos no tuvieron este problema ya que .la zona donde ellos

habitaban no estaba compuesta por este tipo de suelos, pero otros si lidiaron con este

problema, desde hace mucho tiempo se han investigado estos suelos, pero fue hace casi 94

años que se esmero mas en el estudio de estos.

Como principales investigadores tenemos a:

-       Lambe Whitman (1959)

-       Fu H. Chen (1975)

-       Brackley (1975)

La necesidad por la que se empezó a investigar acerca de este tema es que se estaba

construyendo sin ninguna precaución sobre suelos expansivos, provocando que muchas

edificaciones cayeran, generando gastos millonarios a los dueños de las edificaciones. Otra

razón por la que se empezó a investigar acerca de estos suelos es que los espacios en las

ciudades se están haciendo mucho más pequeños ya que la población crece cada vez mas y

mas al pasar de los años, creando la necesidad de que los planificadores de las ciudades

busquen alternativas para maximizar el área de la ciudad.

Se pueden tomar como antecedente histórico algunas construcciones que se han colapsado

por fuertes lluvias en diferentes ciudades del mundo a través de los años.

Se conocen como suelos expansivos  aquellos que presentan expansiones o contracciones,

ósea cambios de volumen cuando varía su humedad o contenido de agua. Los materiales de

arcilla, tienen la capacidad de absorber una gran cantidad de agua y retenerla debido a su

estructura, el agua produce el incremento del volumen en el material mencionado

anteriormente y también una drástica reducción del volumen cuando el agua que retenía se

seca.

Los suelos expansivos resultan ser un gran problema para la construcción, porque los

incrementos del volumen no se presentan de una manera uniforme, sino todo lo contrario al

producirse incrementos en distintas zonas y al momento de contraerse generan

asentamientos, que pueden dañar severamente las estructuras.

El contenido de humedad es la cantidad de agua o humedad que se presenta en un suelo,

varía en un límite muy amplio, dependiendo de cada zona geográfica. Se expresa como un

porcentaje. El contenido de humedad es un factor muy importante cuando se habla de la

expansión de suelos ya que nos puede indicar donde se podrían presentar expansión si

tienen materiales arcillosos.

Además la humedad es el elemento que hace posible el fenómeno de la expansión, ya que si

no hay variación en el contenido de humedad del suelo, por más montmorillonita que

contenga una arcilla, no se presentará un cambio en los valores volumétricos.

No es necesario que el suelo se sature de agua completamente para que se presente

expansión del mismo.

Una de las causas por las que se presentan los suelos expansivos son las condiciones

climáticas, que influyen de manera directa al comportamiento de estos suelos. Una

expansión se genera debido al agua, por lo que es más propenso a encontrar suelos

expansivos en áreas donde las lluvias sean moderadas y frecuentes. Otro factor importante

es la presencia de aguas subterráneas que se filtran de la superficie.

Formas de identificar suelos expansivos.

Los suelos expansivos se pueden identificar visualmente por varias características, tienen

alta plasticidad, si observamos el terreno encontraremos grietas o rajaduras, esto se debe a

la expansión y contracción constante que sufre la superficie de estos suelos cuando hay

variación de la humedad.

La identificación mineralógica es uno de las principales formas usadas para ubicar suelos

expansivos, los métodos más recomendados para la identificación mineralógica son:

difracción de rayos x, análisis térmico diferencial, análisis químico, absorción de tinte y la

microscopía electrónica. Consisten en detectar la presencia de minerales arcillosos, que

pueden resultar ser expansivos. Sin embargo esta forma de identificación no es muy útil

para la práctica de ingeniería ya que pueden llegar a ser muy costosos y requiere un amplio

conocimiento.

Formas de identificar suelos expansivos.

Otra forma es la determinación de propiedades básicas del suelo. Las propiedades que se

busca obtener son: límite líquido y plástico, límite de contracción, contenido de coloides,

expansión libre del suelo.

Los suelos, según la naturaleza, cantidad de agua, presentan propiedades para ser incluidos

en el estado sólido, semisólido, plástico o semilíquido. La cantidad de agua de un suelo así

como el  límite al que se produce el cambio de estado varía de un suelo a otro. Los

contenidos de agua o humedad con los cuales se producen los cambios de estados, son

llamados límites de Atterberg.

Límite líquido: “es el límite entre los estados semi líquido y plástico”, según Atterberg.

Límite plástico: “es el límite entre los estados plástico y semisólido”, según Atterberg.

Límite de contracción: “humedad máxima de un suelo para la cual una reducción de la

humedad no causa una variación del volumen del suelo”, según Atterberg.  

Identificación por métodos indirectos que consisten en identificar el potencial expansivo

del suelo de forma cualitativa, la desventaja de este usar este tipo de métodos es que

obtenemos datos muy variables, que dependen del tipo de suelo que es analizado.

Métodos directos para la identificación de suelos expansivos, consisten en saturar el suelo

en diferentes condiciones de carga para poder medir la expansión que presente y graficar

las variaciones de hinchazón.

Se reconocen dos parámetros que definen el Potencial de Hinchamiento, los cuales son:

Presión de hinchamiento (PS). Es la presión aplicada en laboratorio sobre una muestra de

suelo expansivo, se añaden cargas para no permitir el hinchamiento, la presión máxima que

hay que añadir para que no haya hinchamiento, es decir se mantenga su volumen inicial es

conocida como presión de hinchamiento.

Hinchamiento libre (Hc). Se expresa como el porcentaje de la elevación máxima, cuando

hay presión nula en relación a la longitud inicial.

Para lograr medir estos parámetros se realizan  pruebas de odómetro o basadas en técnicas

de succión, tratando de simular los factores que pudieran  ser relevantes al momento de

presentarse este fenómeno de manera natural. Para lograr dicho objetivo se han propuesto

diversos métodos experimentales. Resultando las diferentes predicciones precisas al utilizar

estos métodos, también existen algunas variables tales como: tamaño y forma de la

muestra, forma de simular las condiciones reales en el edómetro, entre otras, las cuales

hacen que se obtengan diferencias en los resultados obtenidos y se creen discrepancias al

momento de tratar de predecir el comportamiento de los suelos.

Ante la presencia de suelos expansivos, las acciones más adecuadas son:

Reducir o eliminar la expansión del suelo y actuar sobre la estructura y mediante la

selección de un diseño adecuado de cimentación.

Existen diferentes formas para reducir o eliminar la expansión del suelo, una de ellas es

inundar el suelo antes de realizar una construcción, dicha práctica es llamada

“prehumectación del suelo”, en teoría al inundar el suelo y saturarlo permitiéndole que se

expanda hasta su máximo potencial, manteniendo la humedad posteriormente, se deben

evitar los cambios volumétricos, por lo que no se tendrían daños en la estructura después de

construir. Se ha logrado determinar que la humedad de las áreas cubiertas por losa,

pavimento, etc., rara vez decrece.

Sin embargo existen muchas desventajas para este método, es muy difícil que se obtenga

una variación uniforme en la humedad del suelo. Además los suelos arcillosos que resultan

ser los potencialmente expansivos son muy difíciles de pre humectar, ya que el agua puede

penetrar por diferentes lados y obtener una humectación dispareja.

Otra forma más efectiva es sustituir el material expansivo, esta alternativa consiste en

reemplazar el material expansivo por otro que no lo sea. Los materiales que se pueden usar

de relleno principalmente, no deben ser expansivos, deben tener una cierta permeabilidad

para evitar que el agua llegue a los materiales arcillosos y expansivos subyacentes.

Con la tecnología actual, la sustitución de suelos puede ser considerada como una de las

mejores opciones para eliminar el problema de suelos expansivos.

Las desventajas de esta alternativa son que para llevarlo a cabo se necesita maquinaria

pesada para poder remover el material expansivo y del mismo modo para rellenar de

material que no lo sea, lo cual podría resultar muy costoso.

Otra forma de reducir o eliminar totalmente distinta los suelos expansivos es actuando

sobre la estructura y el sistema de cimentación.

Estos son algunos de los métodos principales para lograr que la cimentación se adapte a las

deformaciones que puedan resultar debido a los suelos expansivos, esto se hace dando la

rigidez o flexibilidad adecuada a la estructura.

Fundaciones superficiales en suelos expansivos: este tipo de cimentación también llamadas

zapatas, pueden ser usadas en subsuelos conformados por materiales expansivos.

Zapatas corridas

Zapatas aisladas.

Conclusión

Como conclusión acerca de este tema se puede decir que los suelos expansivos son un tipo

de suelos que está compuesto por materiales arcillosos que al mezclarse con agua u algún

otro líquido se expanden, generando un fenómeno de hinchamiento en el suelo, esto hace

que las partículas de arcilla y los diferentes materiales por los que está compuesto el suelo

se encuentren a mayor distancia unas de otras así que si hay algo sobre este se hundirá

fácilmente, por ejemplo, si una casa es construida sobre un suelo de este tipo será hundirá

sobre el en algunas partes, provocando que esta colapse, o se agriete por la diferencia de

resistencia del suelo.

Hay diferentes formas de identificar estos suelos, por medio de rayos x, haciendo un

estudio de suelo, etc. Esto se hace para saber donde es bueno o no construir una edificación,

o bien si no es posible buscar algún otro lugar donde construir por lo menos saber las

medidas que se requieren para poder construir y que esa edificación sea lo suficientemente

resistente para no colapsar. Por ejemplo: Se puede reforzar la cimentación de una casa

colocando polines de concreto que vayan aún más profundo que la superficie, ya que el

suelo está compuesto por capas, las primeras son las más débiles, por lo tanto es necesario

ir más profundo para llegar a las capas sólidas y asi poder tener una cimentación firme que

resistirá los fenómenos ocasionados por los suelos expansivos.

Sabemos que este problema existe desde que el ser humano empezó a construir, pero es

hasta a principios del siglo XX que se le dio una gran importancia al estudio a su estudio,

ya que fue cuando se empezó a revolucionar la construcción, construyendo edificios de

grandes alturas como los rascacielos de New York, o un ejemplo más reciente, el hotel de 7

estrellas en Dubái Burj al-Arab, la investigación de los suelos expansivos fue determinante

para la construcción de estos majestuosos edificios.

El impacto que este tema genera en la sociedad es de tamaño mundial ya que en todo el

mundo se tiene que construir debido al gran crecimiento demográfico que estamos viviendo

en la actualidad, cada año aumenta mas y mas el número de personas en el mundo por lo

tanto se tienen que hacer más casas para que la gente pueda vivir en ellas, más hospitales

para que tengan buena salud, escuelas para la educación, etc.

Nuestra opinión acerca de este tema es que es de una gran importancia para la sociedad

actual y lo será para la sociedad futura de nuestro planeta, ya que mientras siga creciendo el

número de personas en el mundo crecerán también las necesidades, por lo que se tendrá que

seguir construyendo para satisfacer estas, se tienen que buscar nuevas alternativas para la

construcción, buscar nuevas formas para construir sobre estos suelos de una manera

económica y eficaz, de tal ,manera que se aproveche al máximo el área de las ciudades y

que no se tenga que expandir demasiado, creando un mundo mucho más sustentable. 

CC por Eric Jones

CC por Hugh Venables

CC por Miguel Vera

2.3.3 Cajones de cimentaciónLas losas de flotación y los sótanos (o cimentaciones de cajón) se diseñan con los mismos principios que una losa de cimentación, pero tienen una función adicional e importante en la que se utiliza el principio de flotación para reducir la carga neta en el suelo. El asentamiento total de la cimentación se reduce y esto hace que el asentamiento diferencial también disminuya (Tomlinson, 1996).

La función principal de un sótano es la de suministrar un espacio adicional en el edificio para el propietario, y el hecho de que reduce la presión de carga neta por el peso del suelo desplazado, puede ser completamente incidental (Tomlinson, 1996).

Los sótanos se deben diseñar para permitir que la subestructura se use con varios propósitos como bodegas de almacenaje o estacionamientos subterráneos. Hay cuatro métodos principales de construcción de sótanos:

a)    En excavaciones con lados inclinados;

b)    En excavaciones soportadas por madera (como tablacitacas) o placas apiladoras;

c)    En excavaciones soportadas por un muro de diafragma de concreto reforzado construido previo a la excavación principal;

d)    En excavaciones soportadas por un muro de pilote barrenado construido previo a la excavación principal (Tomlinson, 1996).

Ejemplos del diseño de losa para sótanos (figura 5.27 y figura 5.29):

Fuente: Referencia 1

Figura 5.27 Diseño de losas del piso del sótano donde éstos actúan como losas flotantes. a) Losa diseñada para resistir la presión total de sobrecarga (overburden) + capacidad de carga neta. b) Método equivocado en el

diseño de losas no capaces de resistir el esfuerzo total de sobrecarga (overburden).

Fuente: Referencia 1

Figura 5.29 Diseño de pisos para sótanos apilados. a) La carga se transfiere hasta la superficie inferior del piso. b) Ninguna carga se transfiere hasta la superficie inferior del piso.

a)    Construcción en excavaciones con lados inclinados. Es la forma más económica de construcción para lugares donde hay suficiente espacio alrededor de la subestructura para cortar hacia atrás los lados de la excavación hasta un declive estable, y donde no hay problemas de comportamiento con grandes cantidades de agua subterránea que podría llevar a la erosión y al hundimiento de los declives (Tomlinson, 1996).

b)    Construcción en excavaciones soportadas por madera o tablestacado. Es un método apropiado de construcción para los lugares donde no hay suficiente espacio disponible alrededor de la excavación para inclinar hacia atrás los lados (Tomlinson, 1996).

c)    Construcción en excavaciones soportadas por un muro de diafragma. Esta forma de construcción es apropiada para lugares donde las obstrucciones en el suelo impiden que el tablestacado sea manejado y donde la ocurrencia del agua subterránea es desfavorable para otros métodos de soporte (Tomlinson, 1996).

d)    Construcción en excavaciones soportadas por un muro de pilotes barrenados contiguos. Los pilotes barrenados se instalan en una hilera sola o doble y posicionados para que se toquen o estén muy cercas uno del otro. Los pilotes alternados primero se barrenan con un taladro de poder y se cuelan. Luego se instalan los pilotes intermedios (Tomlinson, 1996).

Conclusión

Para la economía en la profundidad de la construcción de la cimentación es práctica común permitir alguna carga neta adicional que llegue al suelo después de que toda la carga muerta de la estructura y toda la carga viva se hayan obtenido. La intensidad de presión permisible de esta carga adicional se determina por loa sentamientos máximos totales y diferenciales que puede tolerar la estructura y es un punto determinante para seleccionar la cimentación.

Los cajones de cimentación se clasifican en:

  Cimentaciones Especiales:

Estas se llevan a cabo cuando el terreno es mui disgregado, sometido a vibraciones, presiones mayores de las normales o cimentaciones submarinas.

  Cimentaciones profundas:

Son aquellas que transmiten la carga al suelo por presión bajo su base, pero pueden contar, además, con rozamiento en el fuste.

Cabe aclarar que estas cimentaciones constan de elementos como pilotes, cilindros o cajones de grandes dimensiones (todos con funcionamiento estructural), y se emplean para transmitir eficientemente las cargas de la superestructura a los estratos profundos del terreno de apoyo.

Cajones de cimentación

Armado de un cajón de cimentación

Los sótanos se deben diseñar para permitir que la subestructura se use con varios propósitos como bodegas de almacenaje o estacionamiento subterráneos.

Hay 4 métodos principales de construcción de sótanos. Éstos son como siguen:

A) En excavaciones con lados inclinados

B) En excavaciones soportadas por madera (como placas apiladoras)

C) En excavaciones soportadas por un muro de diafragma de concreto reforzado construido previo a la excavación principal.

D) En excavaciones soportadas por un muro de pilote barrenado construido previo a la excavación principal.

Cajones de caja

Son estructuras con un fondo cerrado diseñados para ser hundidos con cimentaciones preparadas bajo el nivel del agua.

Son adecuados para cimentaciones en ríos y corrientes de agua donde el suelo predominante consiste en arcillas blandas, arenas o gravas, ya que éstos materiales pueden ser bien excavados a partir de los pozos abiertos y no ofrecen alta resistencia a la fricción superficial al hundimiento de cajones. (Tomlinson, 1996)

Los cajones de cimentación son pilotes huecos (pueden rellenarse de concreto pero con más pesados) con diámetros de 0.9 a 3.6 m (o más), capaces de soportar cargas muy fuertes (350 toneladas cada uno) siempre y cuando se tenga una capa de apoyo con alto grado de resistencia.

Debido a su gran capacidad portante, su empleo no es común en cimentaciones para edificios siendo más usados en silos y construcciones muy pesadas. La elaboración de cajones consiste en una excavación abierta que puede hacerse a mano o con perforadoras; muchas veces se hinca con un tubo de entibación con bordes cortantes para usarse en terrenos sueltos blandos.

El pilote puede tener mayor capacidad de carga si se le introduce un armado y después se vacía el concreto. En estos casos se sustituye el pisón por un vibrador para no lastimar el refuerzo de acero.

La excavación a mano (pozo indio) puede resultar peligrosa a ciertas profundidades debido al agua y al gas que hay en el fondo de la perforación; en estos casos debe contarse con instalaciones adecuadas para la protección y seguridad de los operarios. Por lo general se trabaja a profundidades que van de los 15 a los 30 metros con cargas de 350 a 400 toneladas.

En ocasiones se acampana el fondo para proporcionar mayor capacidad de carga al pilote. (Pérez, 1998)

Cajón de cimentación

Los bloques huecos con capacidad de carga conocidos como cajones se construyen en el suelo, casi siempre con el propósito de proteger la excavación para una cimentación, facilitar la construcción de la subestructura y servir como parte de la estructura permanente. Algunas veces se utiliza un cajón para formar un espacio cerrado bajo la superficie que se usará en propósitos tales como un pozo de bombeo, cuarto de máquinas o como acceso a un tiro o túnel más profundo. Se pueden alinear varios cajones para formar las pilas d un puente, escolleras, rompeolas, muro de cimentación de una edificación o el núcleo impermeable de una presa de tierra.Para las cimentaciones se usan cajones para facilitar la construcción de pilar que van desde cerca de la superficie del terreno o del agua hasta un estrato de apoyo. Esta clase de cimentación puede transmitir cargas pesadas a grandes profundidades. Se hacen con materiales estructurales comunes y pueden tener cualquier forma de sección transversal. Verían en tamaño desde una pila hasta más de 100 ft de longitud y anchura.Los cajones se pueden ir construyendo a medida que se hincan, para permitir que su construcción se efectúe en la superficie o pueden ser completamente prefabricados. Los tipos de cajón que se utilizan en las obras de cimentación son los siguientes:1.- Cajones chicago2.- Cajones o pilas tablaestacadas3.- Cajones benoto4.- Cajones abiertos5.- Cajones neumáticos6.- Cajones flotantes7.- Cajones cerrados8.- Cajones Potomac (Merrit, et.al. 2008) La palabra “caison” es de origen francés y significa “caja grande” o “cajón”. En la construcción es una estructura con lados herméticos y bordes inferiores que forman un borde de corte. La parte superior y el fondo están abiertos, para permitir que la excavación se lleve a cabo sin tener que sacar el agua; a medida que avanza la excavación en los lados se acumula un peso suficiente para que el cajón se hunda. Esos cajones se utilizan con frecuencia como subestructuras para pilares de puentes. Las mismas construcciones también se han utilizado en tierra. La eficacia de una cimentación de cajones depende de la magnitud de cargas de la columna, de la existencia de un estrato de apoyo al que se pueden transmitir las cargas y de las condiciones del suelo y del agua.Los cajones se excavan a mano, por medios mecánicos o por alguna combinación de ambos métodos.Cuando las condiciones de los suelos son favorables, las cimentaciones de cajones suelen resultar económicas. Los trabajos con cajones evitan las vibraciones y se pueden efectuar en tres turnos, sin causar el ruido del hincado de pilotes, y se evitan el levantamiento y los movimientos laterales del suelo. (Fletcher, et al. 1990) Estas cimentaciones consisten en elementos de concreto reforzado de sección transversal cilíndrica, rectangular, elipsoidal o similar (hueco al centro de la sección) que se coloca verticalmente en el suelo de apoyo, utilizando técnicas apropiadas de excavación y retiro de rezaga. Básicamente se trata de encontrar un estrato resistente, bajo un depósito de suelo de propiedades mecánicas deficientes con el fin de conseguir un apoyo satisfactorio a una profundidad práctica.

Los cilindros y cajones de cimentación se pueden clasificar atendiendo a su funcionamiento geotécnico y la forma de construirlos, en cilindros y cajones de fondo abierto y, cilindros y cajones neumáticos (actualmente en desuso).La secuencia general del hincado de los cilindros o cajones de cimentación por el método del pozo indio en cauces pequeños consiste en construir un terraplén a una excavación en el lugar de la ubicación del cilindro o cajón. (F. ICA, 2001)