Cimentación en Suelos Arcillosos

INTRODUCCIÓN

Los suelos arcillosos son suelos que tienen potencial para la expansión y la contracción en condiciones de humedad. El cambio de volumen resultante de la expansión y contracción provoca daños a las estructuras asentadas sobre ellos. El área de suelo expansivo incluye casi todos los esquemas agrícolas y la mayoría de los proyectos de desarrollo en el país (Figura 01) y abarca aproximadamente el 31.46 % de la superficie total de Perú (ONERN 1985) Los daños causados a las estructuras por suelos arcillosos se han registrado en diferentes ubicaciones con presencia de arcilla (Investigación Propia). Los daños incluyen edificios, carreteras, fábricas, estructuras hidráulicas, etc., y se atribuyeron a la falta de identificación y clasificación de suelos arcillosos y el diseño inadecuado de los cimientos de las estructuras dañadas. Varios intentos se han hecho por estudiantes universitarios y empresas privadas, desde los años setenta del siglo pasado para identificar y clasificar suelos arcillosos y estudiar los diversos factores que afectan a sus características de expansión y contracción (Carrillo Gil, 1969; Alva Hurtado, 1985; Atala Cesar 1986, Ojada Díaz, 1987). Estos intentos resultaron en una mejor comprensión de los factores que afectan a la expansión y contracción de los suelos arcillosos de Perú y, por tanto, a la elaboración de guías para su identificación y clasificación. Este documento analiza las diferentes opciones de cimentación para estructuras sobre suelos arcillosos, directrices para su selección, el diseño y la construcción, con especial referencia a la experiencia en Perú .

Su el os Arci l lo so s Sup eri ci al e s Su el os Arci l lo so s Profu nd os Su el os Arci l lo so s Mu y Profu nd os

Des ie rto Cos te ro

Ve rti en - Puna te s Oc ci de nta le s

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Figura 01: Superficie con presencia de suelos arcillosos en Perú (ONERN 1985)

SUELOS ARCILLOSOS Los suelos se componen de una variedad de materiales, la mayoría de las cuales no se expanden en presencia de humedad. Sin embargo, una serie de minerales de arcilla son expansiva. Estos incluyen: Esmectita, Bentonita, Montmorillonita, Beidellita, Vermiculita, Atapulgita, Nontronita, Ilita y Clorita capaces de absorber agua. Cuando estos suelos absorben agua aumentan de volumen. Este cambio de volumen puede ejercer suficiente fuerza sobre un edificio u otra estructura como para causar daños. Algunos de estos daños pueden ser cimentaciones agrietadas (Figura 02), pisos y paredes del sótano son típicos en sufrir daño causado por los suelos hinchados. El daño a los pisos superiores del edificio puede ocurrir cuando el movimiento de la estructura es significativa. Los suelos expansivos también reducen su volumen cuando se secan. Esta contracción puede eliminar el soporte de edificios u otras estructuras y dar como resultado el hundimiento perjudicial. También se desarrollan fisuras en el suelo (Figura 03). Estas fisuras pueden facilitar la penetración profunda de agua cuando se producen condiciones de humedad o escorrentía. Esto produce un ciclo de contracción y la hinchazón que provoca estrés repetitivo en las estructuras. Grietas en sobrecimie ntos

Ladrillo sDesplazados CimentaciónAsentada

Figura 02: Daño del edificio: Note ladrillos desplazadas y desviación hacia dentro de la cimentación. (Foto: Cuerpo de Ingenieros del Ejército EE.UU.)

Figura 03: Grietas de desecación en el suelo causadas por secado. (Foto: Cuerpo de Ingenieros del Ejército EE.UU.) GEOTECNIA Y PROPIEDADES DE LOS SUELOS ARCILLOSOS Varios investigadores investigaron y recopilaron datos sobre las propiedades geotécnicas de los suelos expansivos en Perú. Su trabajo se basa principalmente en los datos recogidos de los informes de los servicios llevados a cabo por universidades y otras empresas de ingeniería. A continuación resumiendo la investigación de uno de estos investigadores. (A. Carillo Gil) Las arcillas expansivas del norte del Perú, donde aparentemente son los movimientos irreversibles los que predominan en las arcillas y clima del lugar, levantamientos que son similares a los ocurridos en otras partes del mundo, siendo menos predominantes los debidos a cambios de clima seco a lluvioso y aún menos importantes los movimientos anuales periódicos, hecho afortunado de nuestra parte ya que estudios efectuados en diferentes países que sufren este mismo fenómeno indican que los movimientos debidos a la variación estacional son mucho más peligrosos que los movimientos irreversibles. Se ha establecido que el grado de expansión de los suelos arcillosos expansivos del Perú fluctúa de mediano a muy alto para hinchamiento libre medido en más de 2,000 especímenes de suelos típicos que varían de un mínimo de 5% a un máximo de 92% (caso excepcional de algunas arcillas de Talara), acusando la mayoría de ellos pesos unitarios promedio de 1.90 gr/cm3 en estado seco y de 1.80 a 2.00 gr/cm3 en estado natural. Encontrando que para el caso de las arcillas peruanas el límite de contracción evaluado tiene una variación de 13% a 22% para suelos expansivos que han causado graves problemas en las edificaciones, datos que no correlacionan con experiencias de otros lugares en los que se predicen grandes cambios de volumen para límites de contracción menores de 10. Esta misma situación ha sido también reportada por otros investigadores en USA y posteriormente en Israel coincidiendo en que los suelos altamente expansivos pueden sufrir también grandes contracciones. En base a la información presentada, se concluye que los suelos arcillosos son potencialmente muy expansivas y que el índice de plasticidad media y la presión de hinchamiento son 45% y 2.70 kg/cm2, respectivamente. El límite líquido promedio, capacidad de intercambio catiónico (CIC) y el hinchamiento libre fueron 70%, 25 meq./gramo y 124%, respectivamente. La profundidad de la manta de arcilla varía de 1,5 m a más de 10,0 m. Un resumen de las propiedades físicas básicas medias a 3,0 metros se da en la Tabla 01. La Tabla muestra predominio de arcillas que tienen alto a muy alto potencial de hinchamiento. Tabla 01: Promedio propiedades físicas de suelos arcillosos a 3,0 mÍndice de Contenido Contenido Muestras Plasticidad de Finos % de Arcilla % Muestra 01 35 93 33 Muestra 02 32 82 29 Muestra 03 33 87 22 Muestra 04 39 75 43 Muestra 05 34 -----

Muestra 06 10 61 22 Muestra 07 31 64 33 Muestra 08 24 75 21 Muestra 09 48 79 --Muestra 10 43 81 52 Muestra 11 32 79 27 Muestra 12 31 55 35 Muestra 13 33 86 23 IDENTIFICACIÓN DE LAS ARCILLAS EXPANSIVAS Identificación En Campo Con un reconocimiento visual y manual o bien mediante clasificaciones sencillas se puede determinar las propiedades esperadas de un suelo en el campo. Algunos indicadores de la presencia de los suelos expansivos son: a) b) c) d) e)

grietas por secado. Plasticidad Espejos de fricción. Textura Daños estructurales.

Grietas por secado. Las grietas en los suelos expansivos aparecen en la superficie del terreno durante periodos de sequía, con un arreglo geométrico del tipo poligonal, frecuentemente de gran dimensión. La resistencia del suelo seco es alta. Plasticidad. En lo suelos expansivos, es relativamente fácil hacer un rollito de suelo sin desmoronarlo. Espejos de fricción. La superficie de suelos recientemente expuestos al aire muestra abundantes fisuras y espejos de fricción. Textura. Los suelos expansivos son resbalosos y tienden a pegarse a zapatos o llantas de vehículos cuando están húmedos. Daños estructurales. La presencia de grietas y distorsiones en las estructuras vecinas indican el potencial de expansión. Métodos Mineralógicos De Identificación La composición mineralógica tiene una influencia fundamental sobre el potencial expansivo de los suelos. Las cargas eléctricas negativas que existen en la superficie de los minerales arcillosos, las fuerzas que mantienen unidas a las unidades básicas y la capacidad de intercambio catiónico son factores que contribuyen al potencial expansivo de las arcillas. Por lo anterior, es posible identificar la expansividad de las arcillas al conocer su constitución mineralógica. En la actualidad se dispone de varias técnicas para identificar minerales arcillosos tales como: a) difracción de rayos X; b) análisis térmico diferencial; c) análisis químico y d) microscopio electrónico. Difracción de rayos X. Es el procedimiento más utilizado, consiste en determinar las proporciones de diferentes minerales arcillosos comparando

las intensidades de líneas de difracción con aquellas definidas en substancias estándares. Análisis térmico diferencial. Usado junto con el procedimiento de difracción de rayos X y el análisis químico, es capaz de identificar otros minerales arcillosos difíciles de determinar. Análisis químico. Es un valioso suplemento de otros métodos, para grupos de minerales de montronorilonita, este método permite determinar las características de la substitución isomorfa y muestra el origen y localización de las cargas que tienen las superficies arcillosas. Microscopio electrónico. Con este método se tiene una manera directa para observar el suelo, es útil para definir la composición mineralógica, la textura y la estructura interna. Dos materiales con el mismo patrón de difracción de rayos X y curvas térmicas, diferenciales pueden mostrar diferentes características morfológicas desde el punto de vista del microscopio electrónico. Es importante mencionar que para una identificación confiable, se deben usar varios métodos al mismo tiempo. En la identificación mineralógica, particularmente la interpretación de resultados para uso ingenieril, requieren de conocimientos y experiencias que no tiene generalmente un geotécnico, por lo que se debe acudir a expertos en el tema. FACTORES QUE AFECTAN A LA SELECCIÓN DE LOS CIMIENTOS SOBRE LOS SUELOS EXPANSIVOS Los tipos de cimentación comúnmente utilizadas en todo el mundo para soportar cargas estructurales en el entorno de un suelo arcilloso son: zapatas individuales o continuas de poca profundidad, losa rígida o rigidizada y pilotes de hormigón perforados. Las cimentaciones superficiales como zapatas individuales o corridas son preferentemente utilizadas en suelos con estratos de arcilla relativamente delgadas de tal manera que permita colocar la cimentación en un estrato inferior de menor cambio expansivo. Las cimentaciones de losa constan de una losa delgada de hormigón arriostrada con vigas transversales para proporcionarle mayor rigidez. Son aplicables con un buen rendimiento en zonas donde los suelos poseen grandes cambios volumétricos de expansión y contracción. Sin embargo, los pilotes de concreto armado tienen un rendimiento satisfactorio en suelos arcillosos con alto a muy alto potencial de cambio volumétrico. Son favorecidos en suelos expansivos, principalmente debido a su capacidad para resistir las fuerzas de levantamiento cuando se instalan correctamente. El rendimiento y la selección de un tipo de cimentación técnicamente viable para una cierta estructura fundada sobre suelo arcilloso dependerá de: 

Las características de hinchamiento de los suelos encontrados, es decir, el potencial de cambio volumétrico de la capa o capas de arcilla expansiva, la profundidad y la secuencia de capas de los depósitos que se encuentran dentro del rango de influencia del sistema de cimentación.



Las condiciones ambientales; éstos incluyen el contenido de humedad de las capas de suelo arcilloso, la profundidad del nivel freático, la intensidad de las precipitaciones, la temperatura y la cubierta vegetal. Estos factores afectan y controlan la profundidad de la zona de arcilla activa. La utilización de agua en ciertos edificios (por ejemplo, fábricas) es perjudicial y afecta el rendimiento futuro de las fundaciones.



El tipo de la estructura, su forma, la rigidez / flexibilidad y la tolerancia a los movimientos.



Consideraciones constructivas tales como la disponibilidad de ciertas herramientas de construcción (por ejemplo, equipos de perforación de pilotes) y la experiencia de los contratistas locales y propietarios de viviendas.

DAÑOS PRODUCIDOS EN LA CIMENTACIÓN Cuando los suelos arcillosos están presentes por lo general no causan un problema si su contenido de agua se mantiene constante. La situación en la que se produce mayor daño es cuando hay cambios significativos o repetidos de contenido de humedad. La forma más obvia en la que los suelos arcillosos pueden dañar la cimentación es mediante la elevación, se hinchan con aumentos de humedad. Los suelos hinchados se levantan y se agrietan cargando ligeramente, zapatas, y con frecuencia causan grietas en las losas de piso. Debido a las diferentes cargas del edificio en diferentes partes de la cimentación de una estructura, la elevación resultante variará en diferentes áreas. Como se muestran en las Figura 04 y Figura 05, las esquinas exteriores de una losa de cimentación rectangular cargado uniformemente sólo ejercerá alrededor de un cuarto de la presión normal en un suelo hinchado de la ejercida en la parte central de la losa. Como resultado, las esquinas tienden a ser levantado respecto a la parte central. Este fenómeno puede ser exacerbado por los diferenciales de humedad dentro de los suelos en el borde de la losa. Tal movimiento diferencial de la cimentación también puede causar problemas a la elaboración de una estructura.

Grietas Hor izo ntales

Grietas Vert icales

Grietas Diagonales por Cortante

Expansión Centr al

Hundimiento Per iférico

Figura 04: Agrietamiento de estructura por movimiento céntrico (Fredlund & Rahardjo, 1993).

Figura 05: Agrietamiento de estructura por movimiento perimetral (Fredlund&Rahardjo, 1993)

L e va n ta m ie n to d e l as Es q u in a s

Pre s i ó n d e Hi n c h am i e n to Un if o rm e Di re cc ió n y M o vi m ie n to n o Un i form e

Carga Unifor me sobr eLosa Rectangular

Esquinas de Losa Cara de Losa MOVIMIENTOPOR HINCHAMIENTO %

Centro de Losa

CARGAVERTICAL

Figura 06: Una losa rectangular, uniformemente cargada, tenderá a levantarse en las esquinas porque hay menos confinamiento.