arcillas_expansivas

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Diploma en Mecánica de Suelos Aplicada – 2009

Prof. Lenart González

Arcillas expansivaArcillas expansiva

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Estudio de caso 1

• Se llevó a cabo un estudio de mecánica de suelos para una casa en la localidad de Chicureo. El estudio tuvo como principal objetivo determinar propiedades y parámetros del suelo de fundación, así como recomendar un sistema de fundación.

Introducción

Piedra Roja

N

3

Estudio de caso 1 Exploración - Se realizaron 2 calicatas entre 2 y 3 m.Calicata C1 (3 m) Calicata C2 (2 m)

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Estudio de caso 1 Exploración – Inspección visual - Calicata C1

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Estudio de caso 1 Exploración – Inspección visual - Calicata C2

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Estudio de caso 1 Ensayos de laboratorio• Las muestras alteradas e inalteradas obtenidas en terreno fueron

ensayadas en laboratorio para su clasificación y obtención de parámetros necesarios para el análisis. Los ensayos realizados para este estudio fueron:

• Granulometría.• Límite de Atterberg.• Clasificación USCS.• Peso específico.• Contenido de humedad.• Peso unitario.• Presión de hinchamiento.• Consolidación.• Ensayo Triaxial.

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Estudio de caso 1 Ensayos de laboratorio• La tabla muestra un resumen de los resultados de los ensayos de

clasificación y parámetros básicos obtenidos en laboratorio.

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Estudio de caso 1 Ensayos de laboratorio• Distribución de tamaño de partículas de muestras analizadas.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,001 0,01 0,1 1 10 100

Tamaño de partícula en mm

% e

n pe

so q

ue p

asa

C1-M1

C2-M2C2-M3

C2-M7

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Estudio de caso 1 Ensayos de laboratorio• Se puede apreciar que el material fino de los suelos del sector en

estudio clasifica como CL y CH. La muestra correspondiente a la arcilla de color café oscuro (C2-M2) es la que presenta mayor índice de plasticidad, y según métodos indirectos presentaría un alto potencial de expansión.

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Estudio de caso 1 Caracterización del subsuelo

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Estudio de caso 1 Ensayos de laboratorio – resistencia al corte• En este estudio se llevaron a cabo dos ensayos Triaxiales CIU,

de manera de determinar parámetros de resistencia del suelo de dos estratos, bajo la arcilla café oscura.

• Dos probetas inalteradas obtenidas del pozo C1 a una profundidad de 1.45 metros, lo que corresponde al estrato de arcilla café claro, se ensayaron a presiones iniciales de confinamiento de 0.5 y 2.0 Kg/cm2.

Muestra Prof. de la muestra Tipo de suelo φ c

m Kg/cm2

C1-M1 1.45 Arcilla café claro 32 0C2-M7 1.6 Arcilla café 32.7 0

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Estudio de caso 1 Ensayos de laboratorio – Consolidación• Se realizó un ensayo de consolidación a una muestra

correspondiente a la arcilla color café, obtenida a una profundidad de 1.6 metros en la calicata C2 para determinar la presión de preconsolidación e índices de compresibilidad y expansibilidad.

Muestra Tipo de suelo p´c Cs Cc eoKg/cm

2

C2-M7 Arcilla café 2 0.02 0.29 0.71

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Estudio de caso 1 Ensayos de laboratorio – Consolidación• Resultado de ensayo de consolidación

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Estudio de caso 1 Ensayos de laboratorio – Hinchamiento• La expansibilidad de los estratos de arcilla color café negruzco

(directamente bajo la superficie) y color café (bajo 1.5 m de profundidad aproximadamente) fue medida directamente en laboratorio mediante la medición de la presión de hinchamiento, la cual mide la presión que se le debe aplicar a una muestra de suelo para evitar que esta se expanda una vez que es saturada.

Muestra Prof. de la muestra Tipo de suelo Saturación inicial Presión de hinchamientom % Kg/cm

2

C2-M2 0.65 Arcilla café oscuro 61 2.9C2-M7 1.6 Arcilla café 47 0.12

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Estudio de caso 1 Caracterización del subsuelo• Debido a que el estrato de arcilla expansiva no es apto para

fundar, este debe ser removido y reemplazado por un material granular compactado. Se propone el siguiente modelo estratigráfico, compuesto por tres horizontes.

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Estudio de caso 1 Caracterización del subsuelo• La tabla muestra un resumen de los parámetros geotécnicos

necesarios para el análisis, correspondiente al modelo estratigráfico presentado en la tabla anterior.

Horizonte Profundidad γd γsat φ c k Cc Csm T/m3 T/m3 Kg/cm2 Kg/cm3

H-1 0.0 – 1.1 1.8 / 38 0 / / /

H-2 1.1 – 1.5 1.55 2.0 32 0 5 / /

H-3 1.5 – 3.0 1.6 2.0 32.7 0 / 0.29 0.02

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Estudio de caso 1 Análisis geotécnico• Una vez excavado y reemplazado el estrato de arcilla expansiva,

se recomienda fundar a una profundidad de 0.6 metros. El suelo de apoyo deberá corresponder al horizonte H-1 del modelo estratigráfico, el cual corresponde al relleno compactado compuesto por material granular. Se recomienda utilizar una fundación corrida con un ancho mínimo de 40 cm.

• Finalmente se debe calcular: • Capacidad de soporte del suelo de fundación.• Asentamientos elásticos.• Asentamiento por consolidación.

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Estudio de caso 1 Recomendaciones generales• Se recomienda excavar y extraer todo el material correspondiente a

la arcilla expansiva café oscura en toda la planta de la casa, incluyendo además 0.5 metros más allá del perímetro de la vivienda.

• El sello de excavación deberá ser recibido por un ingeniero civil especialista en geotecnia, para verificar que no corresponda a arcilla expansiva.

• Una vez removida la arcilla expansiva, se deberá rellenar el área con material granular estabilizado y compactado, hasta una profundidad de 0.55 metros bajo la superficie. El sello de fundación deberá estar a 0.6 metros bajo la superficie. Una vez realizadas las fundaciones, se deberá utilizar el mismo material para rellenar hasta la superficie.

• Se entregan recomendaciones para el material de relleno y el grado de compactación.

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Suelos expansivosIntroducción• Los suelos expansivos son un problema a nivel mundial, y que

causan severos daños a estructuras.• El problema de las arcillas expansivas se reconoce a fines de la

década del 30.• La primera conferencia sobre Arcillas Expansivas se realizó el

año 1959 en el Colorado School of Mine, EE.UU. • Jones y Holtz estimaron en 1973 que los daños anuales en

Estados Unidos debido a movimientos de arcilla expansiva fue de 2.3 billones de dólares. Este monto sobrepasó al daño anual causado por catástrofes naturales (sismos, tornados, inundaciones, etc.)

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Suelos expansivosIntroducción – grietas debido a suelo expansivo

Estacionamiento de hormigón

Muro con grietas por corte

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Suelos expansivosIntroducción

• Dentro de los tres tipos más importantes de arcilla, caolinita, ilita, y montmorillonita, este último es el que corresponde al que tiene mas problemas de expansibilidad.

• Existen muchos factores que intervienen en el comportamiento de los suelos expansivos. Los principales factores son el contenido de humedad y la cantidad y tipo de partículas de arcilla en el suelo.

• En general se habla del potencial de expansión, el cual aumenta a medida que la densidad seca del suelo aumenta y el contenido de humedad de terreno disminuye. El potencial de expansión también aumenta a medida que la presión de sobrecarga disminuye.

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Reconocimiento de suelos expansivos

• Existen varios métodos para reconocer un suelo expansivo.

• Los dos primero métodos son aproximados ya que establecen la probabilidad de que el suelo pueda ser expansivo, pero no son concluyentes.

• Identificación mineralógica• Métodos indirectos• Medición directa

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• La composición mineralógica de los suelos expansivos tiene gran importancia para determinar su potencial de hinchamiento. Existen cinco técnicas que pueden ser utilizadas para identificar el mineral que constituye a la arcilla. Estas son:

• Estos métodos deben usarse en combinación, de manera de tener una visión mas completa sobre el tipo de mineral arcilloso, tamaño de partícula, homogeneidad, etc. (Rakela, 1987).

Identificación mineralógica

• Difracción de rayos X• Análisis térmico-diferencial• Absorción• Análisis químico• Microscopio electrónico

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• La técnica más habitual para el análisis mineralógico es la difracción de rayos x y como complemento se utiliza en ocasiones la microscopía electrónica.

Método de difracción de rayos x• El procedimiento consiste en hacer incidir sobre una muestra

pulverizada de arcilla un haz de radiación x. Los haces difractados se recogen sobre una placa fotográfica, y en un difractograma se representa la intensidad de la onda difractada de rayos x (Rakela, 1987).

• Cada tipo de arcilla posee su propia estructura cristalina característica, y a través del análisis de las intensidades en el difractograma de rayos x es posible identificar los tipos y el grado de cristalización, con ayuda por ejemplo de patrones ASTM.

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Representación de la difracción de rayos x sobre una muestra de arcilla (Rakela, 1987).

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• Un primer acercamiento en la cuantificación del hinchamiento de los suelos expansivos se ha realizado mediante correlaciones con propiedades índices. En general estas correlaciones entregan resultados algo diferentes entre sí, por lo que deben compararse los resultados de varios criterios (Rakela, 1987). A continuación se muestran algunos de los métodos mas usados:

• A continuación se describen algunos métodos:

Métodos indirectos de reconocimiento

• Límites de Atterberg• Límite de contracción• Contenido de coloides bajo 0,001 mm

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• Seed, Woodward y Lundgren introducen el concepto de Actividad y correlación el potencial de hinchamiento de una arcilla con la actividad y con el porcentaje menor que 0.002 mm (C).

• Holtz propuso un criterio de identificación de arcillas expansivas de la siguiente manera.

10%-Cdplasticida de Indice Actividad =

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Act

ivid

ad

Porcentaje menor que 0.002 mm

Muy alto

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• Los métodos directos para conocer el grado de expansibilidad de una arcilla son a través de los siguientes ensayos de laboratorio:

• Estos ensayos se realizan con el Equipo de Consolidación, por lo tanto las muestras de arcilla a ensayarse tienen las mismas dimensiones que las utilizadas en ensayos de consolidación.

• Se realizan a muestras inalteradas de arcilla.• Es importante mencionar que los resultados de estos ensayos

dependen de la humedad de la muestra.

Métodos directos

• Hinchamiento libre• Presión de hinchamiento

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Estudio de caso 2

• A continuación se presenta un estudio de mecánica de suelos sobre una estructura.

• Principalmente las estructuras es de tres pisos y está compuestas de hormigón, albañilería y madera.

• Ubicada en las faldas de la cordillera, región central de Chile.• Se desarrollaron grietas en la estructura, las cuales eran mucho

más evidentes en la estructura que corresponde a la primera parte.• El objetivo principal de este estudio fue analizar la influencia que

tuvo el suelo de fundación en el desarrollo de estas grietas.

Introducción

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Estudio de caso 2Esquema de la estructura en planta

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Estudio de caso 2

• Las figuras muestran las grietas ubicadas en los puntos A y B de la figura anterior.

Reconocimiento del lugar

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Estudio de caso 2Reconocimiento del lugar• Grietas verticales en el sector central de la primera parte.

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Estudio de caso 2Levantamiento de daños

• La figura a continuación corresponde al levantamiento de daños de la primera parte de la estructura, donde se observa que las grietas se concentraban en el primer piso de ambos extremos, siendo estas grietas con un ángulo de 45º.

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Estudio de caso 2Exploración geotécnica

Calicata C2, se observa el sello de fundación a 2 metros de prof.

• La exploración geotécnica consistió en 9 calicatas de profundidades entre 3 y 10 metros.

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Estudio de caso 2Exploración geotécnica

Calicata C3, de 5 m de profundidad.

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Estudio de caso 2Exploración geotécnica – Calicata C3

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Estudio de caso 2Exploración geotécnica – Calicata C1

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Estudio de caso 2Resultado ensayos de laboratorio

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TRIAXIAL CIU, p'-q. Proyecto:Proyecto Nuestra Señora De Loreto

Muestra: Clicata Nº 2 1,90-2,15

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

p'=(σ'1+σ'3)/2, [kg/cm2]

q=(σ

'1-σ

'3)/

2, [k

g/cm

2 ]

Estudio de caso 2Resultado ensayos Triaxiales

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• Se realizaron ensayos de consolidación a muestras correspondientes a los dos tipos de arcilla (café oscura y caféanaranjado), para determinar sus presiones de preconsolidación, índices de compresibilidad y expansibilidad, y coeficientes de consolidación.

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• La expansibilidad de los dos tipos de arcillas encontradas en elsector fue medida directamente en laboratorio mediante los ensayos de hinchamiento libre y presión de hinchamiento.

• Se observa claramente que la arcilla de color café negruzco es muy expansiva.

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Estudio de caso 2

• Se observa que, independientemente de la estratigrafía, existe una clara tendencia del Indice de Plasticidad a aumentar y luego a disminuir con la profundidad, alcanzando los valores máximos entre 1.5 y 3.5 metros aproximadamente.

Caracterización geomecánica

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Estudio de caso 2

• Finalmente, en base a la figura anterior y a las estratigrafías, se utilizó para el análisis un modelo compuesto de cuatro horizontes, como se señala en la siguiente tabla.

Caracterización geomecánica

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Estudio de caso 2

• Con los parámetros geotécnicos de cada horizonte se procede a determinar las tensiones admisibles del suelo de fundación, dependiendo del tipo y dimensión de la fundación.

• Los valores estimados de tensiones aplicadas por la estructura son menores o iguales a 1.6 kg/cm2.

• Los asentamientos estimados por consolidación fueron menores a 2.7 cm, lo cual se estimó que no fue el causal de los daños.

• Además, según los cálculos estos asentamientos ya deberían haber ocurrido, y las grietas aún seguían creciendo.

Análisis geotécnico – Capacidad de soport y Consolidación

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Estudio de caso 2Análisis geotécnico - Hinchamiento

50

Estudio de caso 2Análisis geotécnico

51

Estudio de caso 2Análisis geotécnico

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Estudio de caso 2

• Los daños observados son producto de la arcilla expansiva.• Los daños no comprometen la estabilidad global.• El fenómeno no se encuentra estabilizado.• Los daños pueden ser reparados.

Conclusiones

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Estudio de caso 2Recomendaciones

• Impermeabilizar el suelo de fundación• Monitorear el comportamiento del

suelo y de las fisuras• Una vez estabilizado el fenómeno,

reparar.

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Determinación del hinchamiento• Las deformaciones por expansión de una arcilla εh, al incrementar

su grado de saturación se miden normalmente saturando por inmersión en agua una probeta de suelo colocada en un consolidómetro, sobre la cual se aplica un esfuerzo axial σv. (Ortigosa).

• De esta forma se llega a curvas como las que se muestran en la figura de la siguiente página, cuyos resultados corresponden a muestras de arcillas agrupadas de acuerdo a la siguiente figura.

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Determinación del hinchamiento

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Determinación del hinchamiento• El gado de saturación final Sf para el cual se mide el

hinchamiento εh es de 100%, ya que la probeta es saturada por inmersión. Sin embargo para una tensión σv predeterminada, la deformación eh puede evaluarse para Sf < 100% con la siguiente relación:

( ) ( )SfhSohh εεε −= Para So < Sf < 100%

( )Sohε = deformación obtenida por inmersión en agua con un grado de saturación inicial igual a So.

( )Sfhε = deformación obtenida por inmersión en agua con un grado de saturación inicial igual a Sf.

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Determinación del hinchamiento• En la ejecución del

ensayo de expansión es importante extender las mediciones durante un tiempo que asegure que el proceso se ha estabilizado, el cual puede alcanzar 7 días o más.

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Determinación del hinchamiento• La siguiente tabla muestra los grados de saturación extremos

registrados en suelos de la región central de Chile, durante los respectivos periodos de mediciones (Ortigosa).

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Determinación del hinchamiento• La siguiente figura muestra el perfil de humedad en dos tipos de

suelos en Jordania, en los extremos de verano y de invierno.

60(Ortigosa)

Procedimiento de cálculo de hinchamiento a nivel de apoyo de una fundación rectangular.

BxL

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Determinación del hinchamiento• Cuando se ubica una estructura sobre una arcilla se anula la

evapotranspiración del terreno ya que se elimina la vegetación y se coloca una frontera impermeable en toda la planta de la estructura. Esta situación se traduce en aumentos progresivos del gado de saturación en gran parte del área cubierta que tienden a estabilizarse en el tiempo. Sin embargo, los sectores perimetrales de área cubierta tienden a experimentar incrementos y disminuciones del grado de saturación según la época del año (Ortigosa).

• Esta deformación presenta dos patrones característicos. • Uplift: la zona perimetral se levanta con respecto al área central.• Hogging: la zona central se levanta con respecto al área

perimetral, o el área perimetral se contrae con respecto a la zona central.

62

Determinación del hinchamiento

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Recomendaciones generales

• Extraer la capa activa expansiva y sustituirla.• Estabilizar el suelo con cal.• Dejar un espacio libre entre el suelo y la losa de radier.• Aislar el suelo bajo los radieres de posibles cambios de humedad.• Armar y rigidizar el radier, transformándolo en una losa de

fundación.• Usar juntas flexibles en redes de agua potable y alcantarillado.

Para evitar problemas en radieres de viviendas livianas

(Petersen M., Fundaciones de casas de albañilería sobre suelos expansivos)

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Recomendaciones generales

• Traspasar la capa expansiva sujeta a cambios estacionales de humedad, evitando fricción en el fuste con aislapol de 20 mm de espesor o con un relleno de arena.

• Utilizar vigas de sobrecimientos armadas. • Garantizar un buen drenaje de aguas lluvias.• Aislar el suelo de flujos horizontales de humedad.• Evitar jardines y/o árboles próximos a las fundaciones.• Aislar la fundación del suelo con membranas plásticas o veredas

perimetrales.

Para evitar problemas en fundaciones de viviendas livianas

(Petersen M., Fundaciones de casas de albañilería sobre suelos expansivos)

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