arcillas expansivas

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ARCILLAS EXPANSIVAS El término arcilla puede ser empleado desde puntos de vista muy diversos: En sentido petrográfico (como un tipo de roca en sí misma); En un sentido mineralógico (aquél conjunto de minerales que comparten unas características químicas estructurales características); En un sentido granulométrico (referido a la fracción de una roca en la que el tamaño de sus granos constituyentes satisface un determinado rango de medida. En general, el término arcilla se aplica a un material natural, terroso, de tamaño de grano fino y que muestra plasticidad* cuando es mezclado con una cierta proporción de agua. Su composición química está caracterizada por la presencia de Si, Al y H2O, junto a cantidades variables de Mg, Mn, Fe, Ca, Na y K, principalmente. ARCILLAS.EXPANSIVAS Se llaman arcillas expansivas aquellas que presentan cambio de volumen con los cambios de humedad, cuando la arcilla se humedece sufre fuerte expansión que produce daños considerables en paredes y pisos sobre todo en climas de largos o intermitentes períodos de humedad, debido a los cambios de volumen con los cambios de humedad. Los suelos expansivos resultan ser un gran problema para la construcción, porque los incrementos del volumen no se

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Page 1: ARCILLAS EXPANSIVAS

ARCILLAS EXPANSIVASEl término arcilla puede ser empleado desde puntos de vista muy diversos:

En sentido petrográfico (como un tipo de roca en sí misma);

En un sentido mineralógico (aquél conjunto de minerales que comparten

unas características químicas estructurales características);

En un sentido granulométrico (referido a la fracción de una roca en la

que el tamaño de sus granos constituyentes satisface un determinado

rango de medida. En general, el término arcilla se aplica a un material

natural, terroso, de tamaño de grano fino y que muestra plasticidad*

cuando es mezclado con una cierta proporción de agua. Su composición

química está caracterizada por la presencia de Si, Al y H2O, junto a

cantidades variables de Mg, Mn, Fe, Ca, Na y K, principalmente.

ARCILLAS.EXPANSIVAS

Se llaman arcillas expansivas aquellas que presentan cambio de volumen con

los cambios de humedad, cuando la arcilla se humedece sufre fuerte expansión

que produce daños considerables en paredes y pisos sobre todo en climas de

largos o intermitentes períodos de humedad, debido a los cambios de volumen

con los cambios de humedad.

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.

CAUSAS

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.

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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.  

POSIBLES DAÑOS  

Los problemas constructivos, derivados de la expansividad de los suelos bajo

una cimentación y alrededor de las instalaciones auxiliares, pueden ser

importantes, produciéndose asentamientos diferenciales en la cimentación, lo

que puede llevar a la aparición de:

Grietas verticales e inclinadas en ambos sentidos

Fisuración y rotura de elementos estructurales

Rotura de la cimentación

Deformación de pavimentos

Rotura de conducciones de instalaciones

Se producen en especial en los edificios de pocas alturas, en los que por un

lado las bajas presiones que se

transmiten al terreno no son capaces de impedir el hinchamiento del suelo

y, por otro lado, cuando por motivos económicos no suelen cimentarse a

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gran profundidad, donde los cambios volumétricos periódicos (zona o capa

activa) ya no se producen (en consecuencia se evita el problema).

DETERMINACIÓN

Los ensayos de expansividad permiten valorar cuantitativamente la capacidad

expansiva de un suelo. Sin embargo, los ensayos rigurosos son complejos, por

lo que se suele recurrir a ensayos más sencillos y a métodos cualitativos que

correlacionan parámetros básicos del suelo con su potencial expansivo.

El CTE en la tabla D.18 hace mención expresa a los ensayos de expansividad

en laboratorio, indicando las normas a seguir para el ensayo de hinchamiento

nulo en edómetro, para el del hinchamiento libre y para el ensayo Lambe (este

último de dudosa utilidad

Existen otros ensayos indirectos que consisten en la medida de una o más

propiedades intrínsecas del material, complementadas con la experiencia

disponible sobre el cambio potencial de volumen. Los métodos más

frecuentemente utilizados son: determinación de la constitución mineralógica

de la arcilla (ensayo de difracción de rayos X) y correlaciones locales entre

plasticidad, contenidos de humedad, granulometría y la expansividad.

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.

Page 4: ARCILLAS EXPANSIVAS

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.

REPARACIÓN

Las actuaciones a llevar a cabo, son complejas y de elevado coste, siendo

estrictamente necesaria la obtención de parámetros geotécnicos específicos

para que el cálculo del recalce o refuerzo esté a la altura de las circunstancias

y la patología no progrese. Los principales métodos de reparación son:

   · Recalces en cimentación, mediante bataches o micropilotaje 

   · Zunchados horizontales y refuerzos en la estructura, tales como zócalos

armados y atados a la cimentación rodeando el edificio, vigas de atado a nivel

Page 5: ARCILLAS EXPANSIVAS

de cubierta y forjados intermedios, rigidización de marcos de puertas y

ventanas, empleo de contrafuertes, etc.

CIMIENTOS

Pequeñas zapatas soportando livianas cargas son más fácilmente levantadas o

movidas por la arcilla expansiva, lo mismo sucede en las vigas de cimentación.

Cuando la arcilla se encuentra a considerable distancia bajo la superficie no se

expande y contrae tanto, como cuando se encuentra cerca de la superficie, por

lo tanto, los daños por levantamiento o movimientos de zapatas o muros

pueden ser reducidos colocando éstas a suficiente distancia bajo la superficie.

Las arcillas expansivas se caracterizan a menudo por su alto límite líquido (LL)

y un alto índice de plasticidad (IP). El límite líquido (LL) del suelo se define

como el contenido de humedad expresado en por ciento con respecto al peso

seco de la muestra, con el cual el suelo cambia del estado líquido al plástico.

Baja plasticidad LL < 35% Plasticidad intermedia LL = 35- 50% Alta plasticidad

LL = 50 70% Plasticidad muy alta LL = 70 90% Plasticidad extremadamente� �

alta LL > 90% La plasticidad es la propiedad que presentan los suelos en poder

deformarse, hasta cierto límite sin romperse. Según Atterberg, cuando un suelo

tiene un índice plástico (IP) igual a cero, el suelo es no plástico, cuando el

índice plástico es menor de 7, el suelo presenta baja plasticidad, cuando el

índice plástico está comprendido entre 7 y 17 se dice que el suelo es

medianamente plástico y cuando el suelo presenta un índice plástico mayor

que 17 se dice que es altamente plástico. Cambio de volumen en el suelo: Los

suelos arcillosos, especialmente los muy plásticos, se retraen mucho cuando

se secan y se expanden cuando se humedecen.

Patologías por arcillas expansivas. Naturaleza y comportamiento.

El comportamiento de este tipo de suelos frente a los cambios de humedad

(problema que se acusa con los cambios estacionales debido a los ciclos de

humectación-desecación así como a la ascensión del nivel freático) da lugar a

la variación de su volumen, produciéndose movimientos por los asentamientos

diferenciales de la cimentación, lo que puede llevar a la estructura a soportar

esfuerzos superiores a los previstos en cálculo y por tanto producir patologías

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no admisibles, que pueden ser:

· Grietas verticales e inclinadas en ambos sentidos. Estos suelos provocan

problemas de arrufo y quebranto combinados por empujes horizontales, que se

manifiesta en fisuraciones en paramentos de fachadas:

Por arrufo o sedimento de la cimentación en la parte central del edificio.

Por quebranto o sedimento de la cimentación en dos extremos al mismo

tiempo.

Figura 3. Grietas inclinadas por asientos diferenciales debidos a retracciones

del suelo.

· Fisuración y rotura de elementos estructurales: Fisuración de cortante en

nudos de entramado, trabajo en ménsula con grietas horizontales y/o

inclinadas, rotura de forjados, vigas, muros de carga con grietas inclinadas y

horizontales, etc. El asiento diferencial excesivo da lugar al movimiento de los

pilares o grupos de pilares, superándose el límite elástico de algunos

elementos estructurales. Estos daños se manifiestan en principio en las

fachadas ya sean portantes o no con las grietas anteriormente expuestas

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figura 4. Detalle de grieta horizontal entre huecos de fachada.

Rotura de cimentación.

Zapatas aisladas y/o corridas: despegue de cimentación, grietas horizontales

por empujes y grietas inclinadas por asiento diferencial.

Losas: Grietas de flexión y distorsiones que pueden desembocar en giros y

rotura de la misma.

Pilotes: En obras antiguas, rotura de pilastras por cambio del estado de cargas,

roturas por flexión, cortante o flexión, empujes sobre vigas riostras y los

encepados, hundimientos por retracción del suelo, etc.

Muros de sótano: Grietas por empujes laterales.

· Deformación de pavimentos. 

· Rotura de conducciones, enfatizando aún más el problema al producirse la

rotura de colectores que suministran agua al edificio.

ORIGEN DE LA PATOLOGIA DE LAS ARCILLAS EXPANSIVAS

El origen de las patologías por arcillas expansivas, depende directamente de

tres factores que pueden interaccionar entre si y que son:

· La naturaleza geológica y geotécnica del suelo y en concreto el porcentaje de

contenido en finos para su caracterización.

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· El grado de expansividad a determinar en función de los diferentes ensayos

enunciados.

Cambios de humedad. Debido a la estación en la que nos encontremos o por

otros factores externos tales como rotura de tuberías de abastecimiento de

agua, de saneamiento, zonas de riego abundante, existencia de árboles de

crecimiento rápido y hoja caduca próximos al edificio, etc., se produce la

hidratación y deshidratación del terreno.

Evaluación

El estudio de un emplazamiento para una edificación debe evaluar el riesgo de

expansividad que presenta teniendo en cuenta varios factores que pueden

interaccionar entre si y que son:

Potencial expansivo del terreno.

El espesor del estrato o capa activa.

Los cambios de Humedad

La cota del nivel freático y su oscilación (magnitud y frecuencia).

El tipo de actuación que se efectúa: edificación, pavimentación,

saneamiento,…

PREVENCIÓN Y REPARACIÓN DE DAÑOS

1. PREVENCIÓNPara evitar la aparición de las patologías descritas, deberán seguirse una serie

de recomendaciones generales a seguir tanto en proyecto como en ejecución y

de las cuales deberán elegirse todas o algunas en función del caso particular :

a) Profundidad de apoyo. La solución de cimentación propuesta, deberá apoyar

a una profundidad suficiente sobre las zonas del sustrato menos expuestas a

los cambios de humedad y oscilaciones del nivel freático (zapatas, pozos de

hormigón pobre, pilotes, etc), intentando evitar así las capas activas.

Generalmente en nuestro país por debajo de 3,00-3,50 m no hay a priori

problemas con cambios de humedad siempre y cuando no exista un nivel de

agua o actuaciones antrópicas que produzcan dichos cambios.

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b) Cargas.Las cargas transmitidas por la cimentación al sustrato, deberán

compensarse con la tensión máxima admisible del suelo, asientos y la presión

de hinchamiento, de modo que esta última nunca supere la tensión de trabajo

de la cimentación.

Se podrá disminuir la acción de las arcillas expansivas siempre y cuando la

tensión transmitida por cada zapata, pozo o pilote sea regular y constante, no

debiendo aparecer diferencias importantes de carga de unas a otras. Deberá

calcularse los posibles movimientos diferenciales y distorsiones angulares

estimando si es necesario profundizar la cimentación para evitar posibles

daños.

c) Sistema de cimentación. Los pozos, zapatas, pilotes, etc, deberán en todos

los casos estar perfectamente arriostradas en dos direcciones, con vigas de

atado adecuadamente armadas. Tanto la cimentación como las vigas riostras

deberán separarse del terreno en todas sus caras (en pozos perimetralmente)

con una capa de zahorra de unos 15 cm que amortigüe los posibles empujes

del suelo sobre las mismas. Deberá evitarse en todos los casos el apoyo

directo de soleras sobre el sustrato expansivo, recomendándose la ejecución

de forjados sanitarios con una correcta ventilación y debidamente calculados

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Zapata sobre pozo de hormigón pobre armado.

d) Conducciones subterráneas Deberá controlarse tanto de proyecto como de

ejecución, todas las conducciones subterráneas, saneamientos, canalizaciones

y tuberías, para evitar roturas o fugas de agua que alteren el estado de

humedad del suelo y se puedan producir movimientos del sustrato.

     · Las juntas entre tuberías deberán ser flexibles.

     · Colocación de un lecho de hormigón bajo las tuberías rellenándose y

compactándose adecuadamente con suelo granular fino.

     · Arquetas y encuentros con las tuberías, flexibles que no rompan.

e) Urbanización exterior. Aceras amplias y pavimentaciones extensas

impermeables debidamente armadas para evitar roturas; dispuestas de forma

perimetral, con pendiente hacia fuera y cunetas en el borde exterior.

Con grados medios-altos y altos de expansividad, evitar el riego excesivo de

las zonas ajardinadas que deberán disponer de un sistema adecuado de

drenaje que impida cambios de humedad del suelo y donde se evitará la

plantación de especies caducifolias y de ribera (chopos, alisos, sauces, olmos,

etc) próximos a los edificios y sus cimentaciones.

f) Drenaje. Sistemas de drenaje perimetral efectivos, con tubos dren profundos

y sistemas que eviten la colmatación de los mismos (geotextiles, etc) y

permitan la correcta evacuación de las aguas superficiales.

g) En la ejecución. Deberá evitarse la exposición prolongada del sustrato de

apoyo a la acción de la naturaleza, excavándose y hormigonándose en el

menor tiempo posible.

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CONCLUSIÓN

· La cimentación sobre arcillas expansivas es posible siempre y cuando se

cuantifique con exactitud el grado de expansividad y se tomen las medidas

adecuadas a cada situación, siempre por supuesto del lado de la seguridad.

· La realización de un estudio geotécnico completo previo a la realización del

proyecto donde se determinen las características geológicas y geotécnicas del

terreno de apoyo de la cimentación, es esencial para no alterar las condiciones

de trabajo previstas. 

· Será estrictamente necesario tomar las precauciones necesarias para no

producir cambios de humedad durante la ejecución, así como verificar un

saneamiento estanco y una red de drenaje que impida la llegada de agua a la

cota de apoyo.