arcillas expansivas
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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.
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
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.
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
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
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
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.
· 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.
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
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.
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.