Soluciones Para Suelos Expansivos y Colapsables

Soluciones para suelos expansivos Pre-humectación del suelo La teoría de pre-humectar el suelo antes de la construcción está basada en el hecho de que si al suelo se le permite que se expanda antes de la construcción y si luego la humedad del suelo es mantenida, no es de esperar cambios volumétricos y por lo tanto no es esperable daños sobre la estructura. La experiencia indica que en las áreas cubiertas por una losa, contrapiso, pavimento, etc., el contenido de humedad del suelo rara vez decrece. Si uno inunda el suelo, una vez que el suelo se hinche hasta su máximo potencial, la migración del contenido de humedad hacia la parte de suelo subyacente que se encuentra menos húmeda induce nuevas expansiones del suelo diferidas en el tiempo. Este proceso puede continuar durante cerca de 10 años. El tiempo requerido para lograr una adecuada humectación del suelo, aunque no sea necesario llegar a la saturación, es de al menos uno o dos meses, lo que puede ser considerado como demasiado largo. Además es muy cuestionable el hecho de que se obtenga una variación uniforme en el contenido de humedad del suelo en las áreas pre-humectadas. Los suelos arcillosos, que son los potencialmente expansivos, son muy difíciles de pre-humectar siendo lo más factible que el agua penetre a través de fisuras, etc., no lográndose una humectación pareja del suelo. Este método de inundación previa puede resultar útil para la cimentación mediante losas, construcción de pavimentos, canales, etc., pero no es adecuado para cimentaciones aisladas (tipo patín). La razón es que el pre-humectar el suelo conlleva a reducir en una forma muy significativa los parámetros resistentes del suelo, lo que lo hace inadecuado para el apoyo de cimientos aislados.

Control de humedad El suelo debe ser excavado a la misma profundidad que el peso del suelo contrarreste el levantamiento del mismo, se pondrá un material plástico sobre toda la superficie de la excavación. La humedad alojada a una profundidad igual al cambio de volumen es controlada por el peso del material sobre puesto y el peso de la construcción. La humedad superficial podrá controlarse por medio de una capa de arena graduada de 0.30 a 1 m o tal vez un poco más gruesa que permita el flujo de agua en forma capilar, y mantendrá una uniformidad del contenido de agua en la arcilla. Si bien es relativamente sencillo sacar el agua libre que se ha introducido en la obra para la construcción de una fundación, realizando los drenajes adecuados ya sean superficiales o subterráneos a tales efectos, pero sin embargo no es tan sencillo el impedir la migración de la humedad desde el exterior de un local hacia el interior de un área cubierta. Para impedir la infiltración de aguas superficiales se puede disponer de:  

Barreras horizontales contra la humectación del suelo alrededor de la construcción a través de: membranas, construcción de veredas perimetrales, pavimentos asfálticos, drenaje adecuado. Barreras verticales alrededor de la construcción para impedir las variaciones estacionales en el contenido de humedad del suelo también mediante el uso de membranas, hormigón, etc.

Las barreras verticales usualmente están unidas a una horizontal para prevenir la humectación del suelo entre la barrera vertical y la construcción, ya que las barreras verticales deben construirse al menos 70 a 100 cm alejadas del perímetro de la construcción. Si bien las barreras verticales son más efectivas que las horizontales, las mismas resultan mucho más costosas. Para evitar la variación del contenido de humedad por variación del nivel de agua subterránea la alternativa más adecuada la constituye la construcción de drenajes subterráneos. El proyecto de drenes deberá tener presente el tipo de acuífero de que se trate, si es confinado o no, el caudal de agua que escurre por el mismo, profundidad a la que se instala el dren, capacidad del sistema de drenaje, etc.

Sustitución del suelo expansivo Una alternativa simple de cimentar una losa o un patín en un material expansivo es remplazar el material expansivo por otro que no lo sea. La experiencia indica que si el suelo natural sobre el que estamos apoyando nuestro cimiento consiste en más de 5 pies (aprox. 1.50 mts) de suelo granular del tipo (SC-SP), que a su vez se apoya en un suelo altamente expansivo no existe riesgo de movimiento en la fundación cuando apoyamos la misma sobre este material granular. El primer requerimiento es, obviamente, que el material no sea expansivo, eso lo cumplen los suelos cuya clasificación varía desde los materiales del tipo GW a los del tipo SC. Los materiales granulares que podemos considerarlos “limpios”, es decir con escasa cantidad de finos, aquellos cuya clasificación de acuerdo al S.U.C.S. varía del tipo GW a SP, tiene una permeabilidad tal que el agua podría llegar hasta los materiales subyacentes arcillosos y expansibles. Desde el punto de vista antes señalado sería preferible que los materiales del relleno sean menos permeables, con cierto contenido de finos (del tipo SM o SC), aunque estos tiene la contra de que los finos de estos materiales pueden a su vez presentar cierto grado de expansión. Uno de los criterios usuales es el planteo de la siguiente condición: Límite líquido Mayor a 50 Entre 30 a 50 Menor a 30

% de Material que pasa el 200 15 – 30 10 – 40 5 - 50

No es tan fácil que un suelo cumple con las condiciones antes planteadas. En caso de dudas razonables, para poder determinar realmente el potencial expansivo del suelo hay que proceder a las metodologías habituales a tales efectos. Una alternativa para mejorar el potencial expansivo del suelo sería el poder mezclar el material granular con el suelo emplazado en sitio. Si bien dicho método es teóricamente razonable, en la práctica se hace

muy dificultoso la mezcla de material granular con arcillas de bajo contenido de humedad. Se necesita maquinaria especial, sobre todo por la dificultad de disgregar los terrones de arcilla a tamaños adecuados, lo que lleva a costos tan caros como otros procedimientos en los que se obtienen mejores resultados como la estabilización con suelo cal o suelo cemento. La principal razón por la cual un relleno artificial de un material seleccionado no es tan efectivo como el apoyar sobre una masa de suelo granular en estado natural, es por la extensión del mismo debajo de la fundación en uno y otro caso. Cuanto mayor sea el área en que efectuamos el reemplazo, más efectivo resulta el relleno.

Control de expansión Permitiendo que el suelo se expanda dentro de las cavidades de la cimentación, los movimientos de una cimentación pueden ser reducidos a un nivel tolerable. Un tipo de cimentación comúnmente usado es el llamado “waffle”, denominado en el sistema de E.E.U.U., nosotros lo conocemos como losa de cimentación con contratrabes, donde las contratrabes soportan la construcción y las cavidades permiten la expansión del suelo.

Modificación de propiedades expansivas del suelo La Estabilización por Inyección es un método in situ de tratamiento de arcillas expansivas por inyección de presión de una solución acuosa de agua, lechada de cal, o cloruro de potasio. Las profundidades típicas de inyección son de 7 a 12 pies de profundidad bajo cimientos de construcción y de hasta 40 pies de profundidad o más bajo subsuelos de vías férreas y rellenos sanitarios. Un sistema de estabilización económico in situ con una historia de 40 años de tratamiento de suelos cohesivos. Los métodos de inyección varían de acuerdo con el tipo de material que está siendo inyectado. Inyección de agua, una técnica pre-inflamiento, es un método de introducir agua en la arcilla expansiva con el fin de inflar la arcilla tanto como sea posible antes de la construcción

Se inyecta agua y surfactante (agente activo de la superficie) en la arcilla expansiva para pre-inflar la arcilla. Cada “pase” de inyección es realizado en centros de 5 pies. Se requieren varios pases para pre-inflar efectivamente un sitio. El pre-inflamiento se usa típicamente para grandes construcciones (50K+) y grandes áreas de pavimento. La inyección de área es poco costosa, rápida y fácil de usar. Se agrega un surfactante al agua para reducir la tensión del agua e incrementar el índice de absorción del agua por la arcilla. Metodología Diversas condiciones se combinan para hacer de la inyección de agua una técnica efectiva. A medida que se agrega agua a la arcilla por medio del proceso de inyección, esta es absorbida por las partículas de la arcilla debido a la presencia de iones hidratantes localizados en el espaciamiento entre las partículas de arcilla. Eventualmente, la arcilla absorberá una cantidad de agua que satisfaga la carga de partículas de la arcilla, punto en el que el proceso de inflamiento estará completado. Un plano de esfuerzo cortante se desarrolla en las cubiertas exteriores del sistema de arcilla/agua que corresponde a una reducción total en la fuerza de corte de la arcilla. Por esta razón, las mediciones de fuerza de corte, como aquellas obtenidas con un penetrómetro de bolsillo, pueden ser una manera rápida y efectiva para determinar el éxito de la inyección. La Inyección de Cal es la inyección de lechada de cal a altas presiones (50 a 200 psi) resultando en una cobertura del patrón de desecación de la arcilla con lechada. Adicionalmente, la superficie del relleno de construcción será cubierta con la lechada de cal como resultado del proceso. Este material es mezclado con el suelo para formar una plataforma de trabajo después de la inyección. La inyección de cal usualmente es seguida por la inyección de agua para pre-inflar la arcilla y distribuir después la cal en el suelo. La cal es inyectada para llenar el patrón de desecación de la arcilla expansiva con lechada y estabilizar la superficie del relleno para facilidad de operación. La inyección de cal se usa para rellenos de construcción, así como para calles, estacionamientos y carreteras. Metodología Cuando el hidróxido de calcio está en contacto con la superficie de arcilla en el patrón de desecación del suelo, este reacciona con la sílice y alúmina en la arcilla para formar hidratos de sílice de calcio y alúminas de sílice de calcio. Estos compuestos cementosos representan nuevas moléculas y no son expansivas.

La Inyección de Cloruro de Potasio (CIS) es la mezcla junto con el cloruro de potasio y lignosulfonato de amoníaco en una solución acuosa que es inyectada para limitar enormemente la elevación futura de un suelo de arcilla expansiva. A diferencia del pre-inflamiento, la inyección de potasio limita la cantidad de agua que absorbe la arcilla. Por esta razón, la inyección de potasio también es un método para contener la elevación que ocurre en estructuras existentes. Usualmente, la inyección de potasio está limitada para usarse en estructuras existentes, así como en aquellas que son altamente sensibles al movimiento, tales como las residencias. Es mezclado con lignosulfonato de amoníaco e inyectado en arcillas expansivas para tratar químicamente la arcilla y reducir dramáticamente su afinidad por el agua. Usualmente es inyectado antes de la construcción de estructuras altamente sensibles, así como a través de los pisos de estructuras existentes para reducir la elevación en curso. Metodología Diversas condiciones se combinan para hacer de la inyección de agua una técnica efectiva. La cantidad de agua que absorbe la arcilla se dicta por el ion predominante localizado en el espaciamiento entre las partículas de arcilla. Al cambiar el ion predominante, el comportamiento del sistema de arcilla/agua puede ser alterado. El potasio y el amoníaco son iones que pueden satisfacer la energía potencial de las partículas de arcilla y no tienen una hidratación excesiva.

La Inyección de Cal/Ceniza Suelta es la mezcla de cal y ceniza suelta en una lechada y su inyección en suelos de poca fuerza para mejorar la capacidad de soporte y transitabilidad. En suelos menos reactivos, también se usa Geocem para mejorar la fortaleza del suelo. Geocem es una mezcla de 80% de piedra caliza de base fina y 20% de clínker de cemento Portland. Estos dos materiales son inyectados para mejorar las condiciones debajo de los subsuelos de las vías férreas, pavimentos y rellenos sanitarios. Se usa para tratar arcillas y cienos de menor fortaleza para mejorar la capacidad de soporte disminuyendo el contenido de humedad e incrementando la densidad seca y la fortaleza de corte. Se usa para tratar problemas de subsuelos de vías férreas en rellenos altos. También se usa para mejorar las condiciones de subsuelos en estructuras de pavimento tales como carreteras y puentes. Metodología Cuando la cal/ceniza suelta es inyectada en una arcilla o cieno de baja fortaleza, esta desplaza el agua que está atrapada en el suelo.

Después, el material reaccionará químicamente con el suelo, resultando en mayores incrementos en la fuerza de corte. Al inyectar cal/ceniza suelta o Geocem, es posible disminuir el contenido de humedad del suelo y mejorar la densidad seca, lo que contribuirá con la fortaleza de corte.

Estabilización con cal por método de perforaciones Esta técnica consiste básicamente en perforar huecos en la subrasante y llenarlos con una lechada de cal o una mezcla de cal y arena. Una vez se llenan los huecos, la cal emigra o se difunde en el estrato de suelo iniciándose las reacciones suelo-cal. La experiencia ha demostrado que las reacciones se producen en la periferia del hueco y en el fondo del mismo, pero se logra una reducción en el potencial expansivo debido al efecto de pre-humedecimiento y a la liberación de esfuerzos alrededor de la perforación. Lechadas de cal inyectadas a presión Con el objeto de lograr una mayor distribución de la cal en las subrasantes expansivas, se ha desarrollado la técnica de inyecciones a presión. La técnica consiste en inyectar las lechadas con cal a presiones del orden de 14.0 Kg/cm2r dependiendo de las condiciones del suelo la tubería de inyección se penetra en éste, aproximadamente, 30 cms y la lechada se prepara con 1 a 5 kgs de cal por galán de agua, la inyección se hace hasta que el suelo rechace la lechada. La experiencia ha demostrado que con este sistema se logran buenos resultados si el suelo expansivo tiene un extenso sistema de fisuras y grietas a través del cual la lechada pueda ser inyectada eficientemente. El mayor beneficio de este tipo de tratamiento se obtiene también por el pre-humedecimiento producido, la barrera de humedad formada por el suelo cal y a las limitadas cantidades del suelo que ha reaccionado produciéndose la estabilización. Estabilización con cal por el Método Deep-plow La técnica consiste en remover un espesor aproximado de un pie antes de regar la cal, posteriormente se riega la cal necesaria para la estabilización, se mezcla la cal con el suelo con tres pasadas del plow hasta una profundidad de dos pies, se esparce agua sobre la mezcla seca en la vía, se hace un mezclado final con un ripper profundo, se efectúa una compactación inicial del espesor de dos pies del material estabilizado en una sola capa, utilizando un equipo de compactación pata de cabra o un rodillo pata de cabra vibratorio, la compactación final se efectúa utilizando 6 pasadas con un rodillo de 70 toneladas de peso. Esta técnica permite estabilizar con cal y compactar en forma adecuada espesores de 60 a 90 cms. Experiencias sobre la utilización de este método indican que se logran densidades superiores al 95% del AASHTO-99 y que la distribución de la cal es homogénea en los primeros 40 cms y menos en los restantes 20 cms.

Columnas de grava o arena Vibrosustitución (Vibroflotación por vía húmeda)

Este procedimiento es aplicable en el caso de suelos blando cohesivos en los que las paredes laterales del hueco practicado por el vibrador no resultarían auto-estables, o en el caso de que el nivel freático de encuentre alto y sea preciso penetrar bajo él. El rango habitual de resistencias al corte sin drenaje del terreno para que este tipo de tratamiento sea aplicable oscila entre 20 y 50 kPa, llegando ocasionalmente a 15 kPa. El vibrador penetra en el suelo por efecto de su peso propio y la vibración, ayudando por unas lanzas de agua situada en la punta y en la parte superior del aparato. El flujo continuo de agua facilita el mantenimiento de la estabilidad del hueco practicado en el suelo y el arrastre y evacuación del detritus generado. Adicionalmente el agua permite refrigerar el motor, lo que puede ser un factor relevante en el caso de motores eléctricos. Vibrodesplazamiento (Vibroflotación por vía seca) Cuando los suelos (cohesivos) a tratar son estables, no sensitivos, y cuando el nivel freático se encuentra suficientemente bajo, se puede emplear este método para la formación de columnas de grava compactada. La ventaja fundamental de este procedimiento con respecto al de vía húmeda deriva de que el empleo de las lanzas de agua para ayudar en la penetración y estabilización del agujero practicado no es necesario. Para ello es preciso lógicamente que el hueco abierto con el vibrador sea auto-estable, lo que a su vez obliga a contar con una suficiente resistencia al corte sin drenaje del suelo natural, que ha de sustituirse al menos entre 30 y 60 kPa. En este mismo sentido, el nivel freático ha de encontrarse suficientemente profundo, por debajo de la máxima profundidad de tratamiento. Empleo de vibroflotadores especiales Con el fin de paliar los inconvenientes asociados al empleo de grandes cantidades de agua, varias empresas especializadas han desarrollado vibroflotadores especiales con los que se pueden ejecutar columnas por vía seca (o con muy poca adición de agua) en terrenos muy blandos, no auto-estables, o en zonas de nivel freático elevado.

Lo que distingue a este tipo de vibroflotadores especiales es el hecho de poder efectuar el vertido de la grava directamente por la punta del aparato, bien sea a través de un hueco central en el mismo, bien a través de un tubo adicional abosado lateralmente al vibroflotador. El proceso a seguir es análogo al vibrodesplazamiento. Así, el vibrador penetra en el terreno por su propio peso, ayudando por la vibración y por lanzas de aire comprimido situadas en la punta. El mismo vibrador, que no se retira, sirve de revestimiento de la perforación, con lo que el hueco practicado se puede mantener estable.

Otros procedimientos Si bien las técnicas específicas de Vibroflotación hacen uso de vibradores o vibroflotadores especiales, obviamente es posible construir columnas de grava (o de arena) mediante otros procedimientos más o menos convencionales. Resulta interesante destacar en cualquier caso que en Japón se ha desarrollado y empleado con enorme profusión el procedimiento basado en la hinca de una tubería mediante un vibrador pesado en cabeza. En este caso el relleno por el interior del tubo se efectúa empleando arena en lugar de grava, que se densifica y se imbrica con el terreno natural mediante sucesivos descensos y elevaciones de la tubería de revestimiento manteniendo la vibración.

Fundaciones superficiales en suelos expansivos Las cimentaciones superficiales son aquellas que se apoyan en las capas superficiales o poco profundas del suelo, por tener éste suficiente capacidad portante o por tratarse de construcciones de importancia secundaria y relativamente livianas.

En resumen las Cimentaciones Superficiales reparten la fuerza que le transmite la estructura a través de sus elementos de apoyo sobre una superficie de terreno bastante grande que admite esas cargas. Se considera cimentación superficial cuando tienen entre 0,50 m. y 4 m. de profundidad, y cuando las tensiones admisibles de las diferentes capas del terreno que se hallan hasta esa cota permiten apoyar el edificio en forma directa sin provocar asientos excesivos de la estructura que puedan afectar la funcionalidad de la estructura; de no ser así, se harán Cimentaciones Profunda. Esta clase de fundaciones, más comúnmente denominadas como zapatas o patines, pueden ser implementadas con éxito sobre subsuelos conformados por materiales expansivos, siempre que se cumpla al menos uno de los siguientes requisitos: - La presión aplicada, debido a las cargas permanentes, resulte suficiente como para contrarrestar la presión de expansión. - La superestructura tenga el grado de rigidez necesario como para que una expansión diferencial no cause fisuras o grietas en los elementos resistentes. - El efecto expansivo pueda ser eliminado o al menos reducido de manera de evitar o mitigar los desórdenes (ya sean éstos de carácter resistente, funcional o ambos). Zapatas corridas Como se sabe, es la tipología más común de fundación superficial para estructuras livianas. Es claro, en consecuencia, que para prevenir el efecto de la expansión se vuelve necesario concentrar la presión aplicada, lo que deriva en minimizar el ancho de la zapata. Por lo tanto el uso de zapatas corridas debería limitarse a suelos de bajo grado de expansión, por ejemplo en general inferior al 1%, medido en el ensayo de expansión libre. Sin embargo, el uso de fundaciones alternativas, al caso pilotes, puede ser antieconómico y por ello en muchas situaciones se aceptan daños menores (como fisuras en paredes y techos), cuyos costos de reparación resultan inferiores a los de un sistema de fundación diferente. Una variante, cuando no es factible cambiar el sistema de fundación, es implantar las zapatas a profundidades mayores, esto es a salvo de la capa de suelo donde las variaciones en el contenido de humedad son mayores (al menos 1,50 a 2,00 m por debajo del nivel del terreno natural). Esta ubicación reduce y limita además los desplazamientos diferenciales. En general, se sugiere a las zapatas corridas como una alternativa en principio válida cuando:   

El subsuelo no es altamente expansivo (básicamente illita en vez de montmorillonita) Es poco probable que se verifique un ascenso del nivel freático. No hay disponibilidad de fundar con pilotes.



La superestructura está conformada por madera.

Una variante a veces empleada es la fundación en “cajón”, esto es una estructura de hormigón fuertemente armada, cuya altura media es del orden de 2,00 m. Es notorio que este tipo de fundación protege a la estructura de eventuales fisuraciones derivadas de expansiones diferenciales. En estos casos, no deben existir discontinuidades a nivel de la superestructura, que introduzcan puntos débiles. En especial, en estructuras complejas, se sugiere agregar juntas para separarlas en dos o más módulos. Cada módulo actuará entonces en forma independiente y los desplazamientos diferenciales podrán absorberse en las juntas. Zapatas aisladas Como es sabido, este sistema consiste en una serie de zapatas apoyadas sobre las capas superiores del subsuelo, conectadas entre sí por vigas de fundación. Como en el caso de las fundaciones indirectas o profundas, la carga de la estructura es trasmitida al suelo en forma concentrada en diferentes puntos; la diferencia es que naturalmente en este caso la descarga se realiza en las capas superiores del terreno y no se involucra la resistencia lateral por fricción. El uso de este sistema puede ser ventajoso cuando: 

  

El techo de roca o el estrato resistente es profundo y no puede ser económicamente alcanzado por pilotes. Las capas superiores del suelo poseen un potencial expansivo moderado. La capacidad portante de las capas superiores es relativamente alta. Existe nivel freático o capas blandas que impiden el uso de pilotes trabajando por fricción.

En el caso de un suelo expansivo, si la presión aplicada es mayor que la presión de expansión (para cambio de volumen nulo) no deberían observarse desplazamientos debidos a esta causa. En general puede decirse que la magnitud de la presión aplicada está limitada por la capacidad portante del suelo de fundación y es función del coeficiente de seguridad adoptado (usualmente entre 2 y 3). Por lo tanto, considerando los valores habituales de tensiones admisibles para suelos arcillosos de Formación Libertad (1,0 a 2.0 kg/cm2), este sistema de fundación sólo podrá aplicarse en suelos con potenciales expansivos medios (1 a 5% de expansión libre y presión de expansión en el rango de 1 a 2 kg/cm2). Para permitir en estos casos la concentración de tensiones aplicadas en las zapatas individuales se requiere descalzar las vigas de fundación, esto es dejar un espacio vacío bajo éstas. De todas formas, algunos investigadores como Peck entre otros, han señalado además que la expansión del suelo sólo se puede impedir en una zona localizada bajo la zapata donde se concentran las tensiones inducidas por la fundación.

Soluciones para suelos colapsables Prehumedecimiento Significa que el suelo es humedecido antes de que la estructura sea construida, de tal manera que el asentamiento debido al colapso sea pequeño o despreciable después de que la estructura se construya. El agua puede introducirse cerca de la superficie por medio de estancamientos, trincheras o ambos. Los pozos de infiltración pueden usarse para la aceleración de la distancia del agua hasta cierta profundidad y controlar la zona con más presión. Esta técnica generalmente se emplea bajo el peso de sobrecarga solamente, pero una sobrecarga puede ser usada y después retirada cuando ya se haya estabilizado la precarga.

Métodos de mejoramiento de las propiedades del suelo por compactación Compactación dinámica Este método es adecuado para compactar mantos de suelos colapsables superficiales con espesores menores a 3,50 metros. El método consiste en dejar caer en caída libre desde una altura de 4 a 8 metros, pilones de 3 a 8 Ton. sobre la superficie del terreno, a razón de 10 a 16 impactos en cada lugar (Abelev y Abelev, 1979). El impacto genera una rotura de la estructura del suelo, un aumento de la presión de poros y una compresión del aire presente en los poros, produciendo un reacomodamiento de las partículas, dando como resultado una estructura más compacta. Según Malyshev et al (1983) el contenido de humedad del suelo juega un papel importante, lográndose la máxima eficiencia con un contenido de humedad cercano al Límite Plástico. Si el contenido de humedad es menor a éste, es necesario humedecer el espesor de suelo de modo de alcanzar una mejor eficacia. Varios son los factores que controlan los resultados del método, así por ejemplo el espesor compactado es función principalmente del peso y del diámetro del pilón. En tanto el grado de compactación está controlado por el número de impactos y la humedad del suelo. El grado de compactación no es uniforme a lo largo de todo el espesor compactado, lográndose la máxima densificación a 1,2 a 1,5 veces el diámetro del pilón. Sin embargo, se pueden obtener Pesos Unitarios secos 3

superiores a 1,6 t/m en espesores de 2,5 a 3,5 m., lo cual en la mayoría de los casos es suficiente para disminuir o anular la susceptibilidad al colapso del suelo. Una variante a este método es realizar la compactación solamente en los lugares donde actúan las cargas y no en toda el área de la construcción. Por ejemplo, en casos de fundaciones de muros de carga o fundación de columnas, el mejoramiento del suelo se logra densificando la zona de influencia del bulbo de presiones, o sea la zona donde los incrementos de presión pueden hacer colapsar el suelo. Compactación por medio de pequeños pilotes piramidales En cierta forma este método es una variante del método anterior. Consiste en hincar un pilote piramidal de 3 a 4 metros de longitud, con una sección transversal superior de 60 x 60 a 70 x 70 cm., y una sección transversal inferior de 10 x 10 cm. Una vez retirado el pilote la cavidad se rellena con hormigón. Este tipo de metodología da excelentes resultados en áreas en donde existe un espesor de suelos potencialmente colapsables (no autocolapsables) de 3,0 o 4,0 m de profundidad, pero que colapsarán si están sometidos a los incrementos de carga transmitidos por las construcciones. Una de las ventajas del método es la completa mecanización de todas las operaciones. Una variante a este método consiste en realizar la hinca

sobre una capa de piedra partida, dando como resultado un bulbo de suelo compactado alrededor de la capa de piedra, mejorando la capacidad de carga por la punta del pilote así construido. Compactación por pilotes de suelo Este es uno de los métodos más usuales para compactar espesores importantes (18 a 20 m.) de suelos loéssicos susceptibles al colapso. El procedimiento consta de dos partes: primero se realiza la perforación y segundo se llena la cavidad con suelo compactado. La perforación se realiza usualmente mediante la hinca de un pilote metálico con base ensanchada (1,5 veces). En otra metodología de reciente uso, la excavación se hace de la siguiente forma: se perfora hasta la profundidad deseada un hoyo de 8 cm. de diámetro dentro del cual se coloca una columna de explosivos, que luego de estallar crea una perforación de aproximadamente 0,80 m de diámetro. Después de efectuada esta perforación dinámica" la cavidad se rellena con suelo local, introducido en tongadas de 100 a 200 Kg, que luego son compactadas dinámicamente por medio de un útil especial. Concluidas ambas etapas quedan formadas columnas de suelo compactado con un diámetro aproximado igual a dos veces el de la perforación. El grado de compactación va decreciendo a medida que se aleja del centro de la columna, por tal motivo es importante conocer esta ley de decrecimiento para diseñar correctamente la cuadrícula de pilotes de suelo. Al igual que en los otros métodos, la eficiencia del sistema aumenta en la medida que la humedad del suelo natural y compactado se encuentre a una humedad cercana al Limite Plástico. Por tal motivo es usual que previo a la perforación se realice una humectación del espesor de suelos a compactar. Las densidades alcanzadas 3

son del orden de 1,70 a 1,80 t/m , que son suficientes para evitar el colapso por peso propio y permiten el use del espesor compactado como manto de fundación. Compactación por explosiones de gas Esta relativamente nueva metodología de compactar espesores de suelos colapsables consiste en introducir, a través de una lanza de agua a presión, una cámara de compresión que contiene una mezcla de gas propano y oxígeno, la cual se va elevando a medida que se producen una serie de explosiones de la mezcla. De este modo se va generando una columna 1,20 1,40 m de suelo compactado (Densidad de 1,50 3

t/cm ) (Martemyanov et al, 1979). Compactación por humedecimiento (Hidrocompactación) En este caso se utiliza la propia susceptibilidad del suelo a colapsar bajo peso propio. El método más frecuente de realizar la humectación o saturación del terreno, es a través de infiltración del agua desde la superficie del terreno, para lo cual se efectúan excavaciones poco profundas (0,40 a 0,80 m) o bien se construyen grandes estanques. En muchos casos a efectos de acelerar el ingreso del agua al terreno se construye dentro del estanque, drenes de arena convenientemente espaciados. Este sistema ha sido empleado ampliamente en varias partes del mundo, por ejemplo en EE.UU. por Gibbs y Bara (1967) y Clevenger (1956); en Rumania por Bally et al (1965,1969); en la URSS por Lomize (1968) y Mustafaef (1967); en China por Lin y Liang (1982); y en Argentina por Moll et al (1979). A pesar de su amplia utilización y su bajo costo, el método presenta una serie de inconvenientes: aparición de grietas de tracción en el contorno del área inundada; existencia de importantes deformaciones posteriores al colapso; necesidad de recompactar los 4 ó 5 primeros metros utilizando otro tipo de metodología. La efectividad de este método se mejora sustancialmente si al mismo se lo combina con otro método de compactación dinámica.

Compactación por humedecimiento previo y por explosiones profundas Este método fue desarrollado en la Unión Soviética por Livinov (1976) en la década de los 60. El espesor de suelos a compactar es previamente humedecido a través de un sistema de drenes (cuadrícula de 3 x 3 a 5 x 5 m). Las cargas explosivas (5 a 7 Kg.) son colocadas en el fondo de los mismos drenes o bien en tubos metálicos colocados en perforaciones adicionales. La cuadrícula con las cargas es aproximadamente de 4 x 4 m. En este procedimiento no es necesaria la completa saturación del suelo, que por ejemplo necesita el método anterior. Posterior al humedecimiento se hacen estallar las cargas de toda un área (2.000 a 50.000 2

m ). La explosión genera una onda de choque que hace licuar la estructura del suelo, lo cual permite un reacomodamiento de las partículas y un crecimiento de la densidad del suelo. En ciertos casos es aconsejable la construcción de trincheras alrededor de la zona a compactar a efectos de evitar la propagación de grietas fuera de ella. La explosión produce un importante a inmediato asentamiento de la superficie del terreno. Los asentamientos en general se estabilizan al cabo de 3 ó 4 semanas. Este tipo de método es aconsejable cuando se desea compactar grandes volúmenes de suelo, particularmente en grandes complejos industriales o bien en obras hidroeléctricas.

Métodos de mejoramiento de las propiedades del suelo por modificación de su granulometría En este apartado se incluyen aquellos métodos de estabilización consistentes en la mezcla y posterior compactación de suelo colapsable con otros materiales (arena, gravas) a efectos de conseguir mayor resistencia y mayor rigidez. Este tipo de estabilización es de amplio use en la ingeniería vial, en la construcción de bases y de sub-bases.

Métodos de mejoramiento de las propiedades del suelo por la creación de nuevos contactos cohesivos Inyecciones de agentes químicos Las investigaciones y las realizaciones en este tipo de estabilizaciones se han desarrollado principalmente en la Unión Soviética. Según Mitchell (1981) la razón principal por la cual estos métodos no se han extendido universalmente se debe principalmente a los altos costos, frente a otros tipos de estabilizaciones. Sin embargo, Esvtatiev (1988) da cuenta de la existencia, en la URSS, de más de 800 proyectos en donde se han utilizado satisfactoriamente p. ej. el método de silicatización). Esto ha permitido un continuo mejoramiento de la tecnología, una reducción de los costos y una abundante normativa en la regulación de su uso. El agente químico más utilizado, por su bajo costo frente a otros agentes químicos, es el Silicato de Sodio. El método consiste en inyectar en todo el espesor de suelo a tratar, una solución de silicato de sodio diámetro con perforaciones de 3 mm protegidas por un manguito de goma. La inyección se realiza a una presión de 2,0 a 4,0 Kg/cm2 y una descarga de 48 litros por minuto (Zvyagin et al, 1978). La silicatización del suelo es sólo posible en un medio fuertemente alcalino. Según Sokolovic (1973) se logra una mejor eficiencia mediante una pre y post gasificación con carbonato de calcio. Luego de la inyección, tres son los cambios que se observan en el suelo: un aumento significativo de la resistencia a la compresión 2

(superior a 20 Kg/cm ), una eliminación de la susceptibilidad al colapso y una disminución de la permeabilidad. Otro de los tratamientos con agentes químicos es la inyección de amoníaco. La mejora en el suelo es inferior al tratamiento por silicatización, además presenta la desventaja de ser un elemento tóxico y su utilización requiere medidas especiales de protección (Sokolovic, 1973).

Estas técnicas se proyectan para aplicar cementación y resistencia a los suelos colapsables de tal forma que se reduzca el colapso si se presenta un humedecimiento posterior, por supuesto, algo de humedecimiento ocurre en el proceso mismo del inyectado del agente cementante. La extensión a la cual este prehumedecimiento es efectivo en reducir asentamientos futuros depende de la minuciosidad con que se llevó a cabo el humedecimiento y del porcentaje de esfuerzo total debido a la sobrecarga. La inyección de una solución de silicato de sodio ha sido usada extensivamente en la antes Unión Soviética y en Bulgaria. Esta técnica se usa tanto para suelos colapsables secos, como para suelos húmedos, que se espera se compriman bajo el preso de estructuras que se colocarán sobre ellos. Aunque parece que han sido principalmente los suelos que han sido humedecidos, los que mejor responden a esta técnica, han sido también usadas como una medida de remedio cuando un humedecimiento parcial ha causado algo de daño. Esta técnica consta de las siguientes fases: Inyección de dióxido de carbono para remover parcialmente el contenido de agua presente, y también para lograr una activación parcial del suelo. Inyección de una lechada de silicato de sodio. Inyección de dióxido de carbono para neutralizar el álcali. Se logra con esto una modificación del equilibrio químico y la formación de un gel de sílice ácido. Un resultado característico de la reacción, es el rápido endurecimiento del gel que envuelve a las partículas de suelo en la forma de una película y logra cementarlos, convirtiendo así al suelo en una masa monolítica dura que tiene una permeabilidad relativamente baja. La inyección de amonio ha sido también usada en los suelos húmedos; sin embargo, el efecto de estabilización es mucho menor al efecto causado por el silicato de sodio, además el uso de amonia es peligroso. Estabilización térmica Esta técnica comenzó a desarroIlarse en la URSS en la década de los años 50, y ha sido utilizada exitosamente en un importante número de emprendimientos. Según Esvtatiev (1988) la aplicación de este método es técnica y económicamente aconsejable en los siguientes casos: a) en la estabilización de fundaciones existentes de estructuras altas como chimeneas, tanques de agua; b) en la paralización de los asentamientos en construcciones existentes, provocados por el colapso del suelo. Las propiedades de los minerales arcillosos cambian cuando éstos son sometidos a altas temperaturas, lo cual genera un aumento importante de la resistencia y por ende la eliminación de la susceptibilidad al colapso del suelo. La tecnología ha ido variando y mejorando su eficiencia a lo largo de estas décadas. No obstante la variedad de métodos, casi todos ellos consisten en la introducción de un quemador de fuel o gas dentro de un pre 2

pozo de 0,20 metros de diámetro, con una presión de aire de 2,0 a 3,0 Kg/cm . De esta forma al cabo de 10 a 15 días se consigue una columna estabilizada de suelo de 2,0 a 3,0 metros y una profundidad de 10 a 15 metros (Beles y Stanculescu, 1958). Estabilización mediante mezclado mecánico con agentes cementantes El objetivo de este tipo de estabilización es la creación de columnas o pilotes de suelo con alta resistencia y rigidez, que permitan la transferencia de las cargas a mantos más profundos y estables. Varios son los

métodos constructivos que pueden agruparse dentro de este grupo. Los subdividiremos en los siguientes subgrupos, dependiendo del lugar en donde se realiza la mezcla del suelo con el agente cementante. 1. La mezcla del suelo y el agente cementante se realiza en superficie. En este caso la excavación se puede realizar bien utilizando la técnica constructiva empleada en los pilotes de suelo (hinca), o bien usar técnicas usuales de perforación. La mezcla del suelo con el agente cementante (preferentemente Cemento Portland) puede ser fluida (suelo cemento plástico) a introducirse dentro de la excavación en forma de pastones; o bien mezclar el suelo y el cemento con porcentaje de humedad óptimo a introducirlos en la perforación en tongadas (100 a 200 Kg) las cuales posteriormente son compactadas dentro de la misma excavación. Por lo tanto existen cuatro variantes según sea el tipo de excavación y el tipo de mezcla. 2. La mezcla del suelo y el cemento se realiza en el mismo proceso de perforación. En este caso la mezcla del agente cementante se realiza con el propio suelo. La mezcla puede realizarse mediante útiles especiales que van mezclando el suelo con una lechada de cemento o bien usar la técnica del jet grouting mediante un chorro de lechada a alta presión.

Métodos de mejoramiento por medio del reemplazo del suelo colapsable por suelo no colapsable Este tipo de estabilización se realiza principalmente en terrenos con suelos potencialmente colapsables, en los cuales la presencia de cargas adicionales en superficie puede generar asentamientos adicionales ante un incremento de la humedad del suelo. Así, una parte del suelo colapsable superficial, ubicado directamente debajo de las fundaciones, es excavado, extraído y reemplazado por otro material más competente. Los materiales generalmente utilizados son los siguientes: el mismo suelo extraído, compactado y eventualmente estabilizado granulométricamente; arena compactada o suelo cemento compactado. La elección del tipo de material está condicionada generalmente por variables técnico económicas. Los espesores de estos mantos son variables (1 a 4 m) dependiendo del tipo de cargas y de las características del proyecto. Por ejemplo en algunos proyectos, los condicionantes pueden ser los asentamientos diferenciales (edificios), en cambio en otros (canales), no sólo importa disminuir la probabilidad que se produzca el colapso, sino también lograr una capa de suelo más impermeable. Este tipo de metodología ha sido utilizada con éxito en numerosos países y en innumerables tipos de obras. También es frecuente el empleo de esta metodología en forma conjunta con otro tipo de estabilización profunda, cuando se presentan mantos de suelos colapsables profundos y con espesores muy dispares. Medidas conducentes a evitar la iniciación del colapso Arriba, se señalaron los tipos de humedecimientos, que según Goldstein (1969), pueden presentarse en una masa de suelo: a) humedecimiento localizado por rotura de conducciones hidráulicas o infiltraciones de aguas de lluvia; b) humedecimiento extenso causado por roturas de canales o efluentes industriales; c) ascenso del nivel freático; d) aumento gradual y lento del contenido de humedad, por condensación del vapor de agua, provocados por condiciones ambientales.

Muchos de estos tipos de humedecimientos pueden ser prevenidos, principalmente los primeros, pues en general éstos son debidos a fallas o roturas de las instalaciones de la misma construcción. En cambio los otros tipos de humedecimientos están condicionados por factores externos al proyecto, como por ejemplo puede ser el ascenso del nivel freático o la rotura de un canal cercano y ajeno al proyecto. La acción del proyectista debe estar encaminada principalmente a impedir, dentro de los límites del proyecto, la generación de estos humedecimientos provocados por elementos de la propia construcción. Robinson y Narkiewicz (1982) sugieren las siguientes medidas de protección contra el humedecimiento de edificios: a) Pendientes adecuadas en la superficie del terreno que rodea a la construcción, de modo que no se produzcan embalsamientos de agua en las cercanías de las fundaciones y que cualquier pérdida de agua pueda ser eliminada con rapidez. b) Canalización de todos los desagües de techos y patios hacia el exterior de la construcción. c) Instalación de membranas impermeables o pavimentación de la superase que rodea a la construcción, de modo de limitar la infiltración de agua en el suelo adyacente a las construcciones. d) Encerrar las conducciones de agua o efluentes cloacales dentro de conductos de fácil acceso, a efectos de detectar posibles pérdidas. Algunas de estas medidas requieren una serie de medidas de control y mantenimiento durante la vida útil de la obra, de manera que periódicamente se realicen inspecciones a las instalaciones y puedan detectarse pérdidas o daños en las mismas. También es aconsejable que los propietarios de la obra conozcan perfectamente los riegos a que está expuesta la misma, de modo que su actividad y/o descuidos no inicie procesos de humedecimiento del terreno. Las medidas de protección, en otros tipos de obras civiles (canales o caminos), tienen la misma filosofía, es decir, elementos de protección que impidan o dificulten la entrada del agua en el terreno de fundación. Así por ejemplo, en las obras lineales se debe prestar una especial atención al diseño del sistema de alcantarillado y de desagües. En algunos casos, estas obras suelen seguir parcialmente las curvas de nivel del terreno, convirtiéndose en verdaderas presas que impiden el natural escurrimiento de las aguas, provocando la acumulación de agua en su entorno, lo que genera un humedecimiento generalizado del terreno de fundación con los consecuentes daños en la obra. Es frecuente que en ciertos tipos de obras, como viviendas unifamiliares de una planta o incluso caminos y canales, las únicas medidas a adoptar sean las presentadas en este apartado, ya que la utilización de técnicas de mejoramiento o fundaciones profundas resultan prohibitivas. En realidad la mayoría de las obras aludidas se construyen admitiendo el riesgo de un posible colapso del terreno. El buen comportamiento que han tenido la mayoría de ellas se debe fundamentalmente a que no se ha producido ningún tipo de humedecimiento. En contraste, los daños son serios en aquellas obras que los han sufrido. Por todo ello, es un deber de los investigadores a ingenieros buscar nuevas soluciones económicas que permitan disminuir los riesgos, y por ende los daños en este tipo de obras. Uno de los caminos en tal sentido, es el estudio de estructuras que absorban o minimicen los posibles asentamientos diferenciales provocados por el humedecimiento localizado del suelo sin un aumento excesivo de los costos. Estructuras y/o fundaciones que admiten y resisten los fenómenos provocados por el colapso

El análisis de este apartado se centrará principalmente en el estudio de las fundaciones superficiales en suelos potencialmente colapsables, ya que el otro gran grupo de soluciones: fundaciones profundas mediante pilotes, será objeto de un examen detallado en los apartados siguientes. La lista de estructuras que se asientan directamente sobre mantos de suelos potencialmente colapsables es amplia, entre ellas pueden señalarse: viviendas unifamiliares, construcciones transitorias, galpones, ductos enterrados, canales, caminos, etc. Las fundaciones directas sobre suelos colapsables pueden ser divididas en dos grupos: a) Fundaciones rígidas, utilizadas principalmente en estructuras livianas y con cargas puntuales, por ejemplo, torres de líneas de alta tensión, columnas de naves industriales o depósitos. En general, este tipo de estructuras tienen algunos rasgos comunes, como son por ejemplo: cargas verticales bajas, cargas horizontales importantes, y en general suelen aceptar asentamientos admisibles mayores. b) Fundaciones de baja rigidez longitudinal, en este caso se trata de estructuras con cargas lineales (muros de carga, canales, etc.) con baja rigidez en el sentido de las cargas. Este tipo de estructuras son sensibles a humedecimientos localizados del terreno que generan asientos diferenciales importantes. En general, las medidas que suelen tomarse para disminuir los efectos de los asientos diferenciales son las siguientes: diseño de elementos que rigidicen la estructura (Clemence Y Finbarr, 1981), y el diseño de elementos constructivos que eviten la introducción del agua en el terreno, señalados anteriormente.

Vibroflotación El uso de Vibroflotación para suelos colapsables es esencialmente el mismo que se emplea para suelos arenosos sueltos, una sonda vibratoria es hincada a chorros en el lugar y después se introduce grava o arena a lo largo del sitio. Se logra a través de prehumedecimiento, así como el reforzamiento y rigidez debido a las columnas de roca que se forman.

Voladuras profundas combinadas con prehumedecimiento El suelo colapsable es prehumedecido a un grado de saturación del orden del 80% o más, luego una voladura profunda sencilla se emplea para romper la estructura del suelo, de tal manera que se densifique completamente bajo su propio peso. Otra forma difiere en que la perforación se usa para formar una zona compactada (alrededor de la perforación) por medio de la acción de un conjunto de cargas de voladuras simultáneas, las cavidades formadas son primeramente rellenadas con agua, después arena y grava.

Humedecimiento controlado Difiere a la de prehumedecimiento en que es ejecutada con la estructura en el lugar. El humedecimiento Debe ser cuidadosa y progresivamente con un monitoreo concurrente de la posición de la estructura para asegurar que los movimientos diferenciales permanezcan dentro de los límites tolerables, als cantidades de agua deben ser aproximadamente medidas y agregadas en incrementos. El humedecimiento deberá ser hecho antes de que las conexiones estructurales sensitivas fueran instaladas y también antes de que los componentes, tales como vidrios de ventana, mosaicos y azulejos sean colocados. Idealmente la primera

etapa del humedecimiento sería completada antes de que la estructura fuera construida, esta técnica podría también ser usada como una medida de remedio o arreglo para renivelar la estructura que ha experimentado humedecimiento diferencial y su consecuente asentamiento diferencial.