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DETERMINACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS

I.N.V. E – 132 – 07

1. OBJETO

1.1 Esta norma se refiere a un método para determinar si un suelo es potencialmente expansivo, así como a los métodos para predecir la magnitud del hinchamiento que se pueda producir.

1.2 Esta norma no pretende considerar todos los problemas de seguridad asociados

con su uso. Es de responsabilidad de quien la emplee, el establecimiento de prácticas apropiadas de seguridad y salubridad y la aplicabilidad de limitaciones regulatorias, con anterioridad a su uso.

2. DETECCIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS

2.1 El potencial de expansión de un suelo puede determinarse mediante los límites de Attemberg y la succión natural del suelo.

Empleando los métodos normales del INV se determinan el Límite Líquido (LL) , norma INV E – 125, el Índice de Plasticidad (IP), norma INV E – 126 y la succión del suelo con humedad natural ( natτ ), norma INV E – 157. Usando estas propiedades índice y con la ayuda de la Tabla 1, se puede determinar cualitativamente el potencial expansivo del suelo.

Tabla 1. Potencial expansivo de los suelos

Grado de Expansión

LL IP τ natt s f (KPa)

Elevado Marginal Bajo

> 60 50-60 < 50

> 35 25-35 < 25

> 383 144 - 383

< 144

2.2 Mediante el aparato de expansión desarrollado por Lambe (Ver Figura 1), se

puede medir la presión de expansión máxima desarrollada por un espécimen de suelo remoldeado y compactado en laboratorio, bajo condiciones preestablecidas después de 2 horas de inmersión (índice de expansividad), para predecir en forma preliminar su Potencial de Cambio Volumétrico (PCV), norma INV E – 120, así:

PCV Condición para el Suelo

< 2 No crítica 2 – 4 Marginal 4 – 6 Crítica > 6 Muy crítica

Instituto Nacional de Vías

E 132 - 2

Figura 1 . Aparato para medir la presión de expansión (según Lambe)


E 132 - 3

Tabla 2 . Alternativas de compactación (Prueba de Lambe)

Estado de la muestra de suelo

Número de capas

Número de golpes por capa

Energía de compactación por

unidad de volumen

Seco 3 7 La del ensayo de Proctor modificado

Húmedo 3 4 1/2 de la del ensayo de Proct or modificado

Límite plástico 1 5

La del ensayo de Proctor normal

Figura 2 . Curva para determinar % PVC de expansión (según Lambe)


E 132 - 4

2.3 El PVC también se puede definir a partir del Índice de Plasticidad y del Límite

de Contracción (ver norma INV E – 127) de acuerdo con los valores de la Tabla 3 según Holtz y Gibs (1956).

Tabla 3. Límite de consistencia y potencial de cambio volumétrico (PCV)

IP PCV

Zona Seca Zona Húmeda Límite de Contracción

Bajo 0-15 0-30 >12 Moderado 15-30 30-50 10-12

Alto > 30 > 50 < 10

2.4 Finalmente, se puede obtener indicación del carácter expansivo del suelo, a partir de la expansión lineal medida en especímenes sumergidos para el ensayo de CBR (Ver norma INV E – 148).

3. DETERMINACIÓN DE LA MAGNITUD DE EXPANSIÓN

3.1 La magnitud de la expansión que se puede esperar en una capa de suelo, se determina mediante uno de los métodos que se describen enseguida. Cuando se requiera una determinación más exacta, se deberá efectuar un ensayo de expansión con sobrecarga. Debido a lo prolongado del tiempo y a los costos requeridos para efectuarlo, se podrá emplear también un procedimiento empírico llamado método del potencial de levantamiento vertical.

3.2 Ensayo de expansión con sobrecarga. Procedimiento de predicción.

3.2.1 Método I – Se prepara una muestra inalterada para el ensayo de consolidación

de acuerdo con el Método INV E – 151, teniendo cuidado de evitar la pérdida de humedad durante su preparación. De los recortes de la muestra, se determina la humedad en el terreno y la gravedad específic a del suelo.

La humedad natural se determina como un porcentaje del peso del suelo secado al horno:

100sec

×=hornoalosuelodelMasa

aguadelMasaHumedad

La gravedad específica del suelo se determina según la norma INV E-128. Después de colocada la muestra en el consolidómetro, se le aplica una carga igual a la sobrecarga existente en el terreno, la cual deberá mantenerse hasta cuando el dial del extensómetro indique que ha cesado cualquier ajuste por la carga aplicada.


E 132 - 5

Durante la aplicación de esta carga y durante el período de ajuste, se debe tener cuidado de evitar el secamiento. Es extremadamente importante que no se pierda humedad en la muestra, lo cual se puede lograr cubriendo el consolidómetro con algodón húmedo. Este procedimiento de carga hace retornar la muestra, en cuanto es posible, a la relación de vacíos de campo real y a la condición en el terreno, ya que la extrusión permite que las muestras inalteradas reboten inmediatamente en forma elástica. Las condiciones reales en el terreno están definidas por el punto (1) de la Figura 3. En seguida se inunda la muestra y se le deja alcanzar equilibrio como se indicó anteriormente. Esta condición se define, entonces, con el punto (2) en la misma figura. La muestra se descarga luego mediante las disminuciones de carga normalmente empleadas en el laboratorio, hasta la presión deseada, obteniéndose en esta forma una curva de expansión desde el punto (2) hasta el (3). A partir de este último punto, se prosigue con un ensayo normal de consolidación con rebote (Ver norma INV E-151).

Las curvas de carga -expansión forman aproximadamente líneas rectas en un gráfico semilogarítmico. La presión que no implica cambio de volumen, se determina entonces extrapolando las curvas de expansión entre los puntos 2 y 3, hasta intersectar la relación de vacíos en el terreno (ef), representada por el punto (4). Esta última se determina en la siguiente forma:

SGsw

SaturacióndeespecíficaGravedadcampoenHumedad

ef%

%%

×=

×=

3.2.2 Método II – Se presenta este método porque puede ser necesario abreviar el

trabajo; y la sobrecarga existente puede ser tan pequeña, que no tenga significado alguno obtener directamente curvas de expansión.

Este método se puede emplear únicamente después de ejecutados varios ensayos mediante el Método I y de verificar que la pendiente de la curva de rebote, puntos (5) y (6), sea esencialmente la misma que la de expansión, puntos (2) y (3). El Método II es igual al Método I hasta el punto en el cual se inunda la muestra y se registra la expansión total. En este punto, se prosigue con una secuencia de carga de consolidación normal con rebote, hasta obtener las curvas deseadas. Puesto que las pendientes de las curvas de expansión y rebote son esencialmente las mismas, se puede obtener la curva de expansión haciendo pasar una curva a través del punto (2) de la Figura 3, que sea paralela a la de rebote. La intersección de esta última con la relación de vacíos en el terreno, corresponde al punto para el cual no hay cambio de volumen, o de potencial máximo de presión de expansión.

3.2.3 Cálculos – La magnitud de la expansión que se puede esperar en un estrato, se

calcula de la siguiente manera:


E 132 - 6

Figura 3 . Relación de vacíos vs. Log. de la carga

efHe

S+×∆

=1

Donde:

S = expansión en cm (pulg.) ∆ e = diferencia de la relación de vacíos, a la presión de la sobrecarga (sin

cambio de volumen) y la presión para la sobrecarga deseada, H = espesor de la capa en cm (pulg.) , y e f = relación de vacíos en las condiciones de los esfuerzos existentes en el

terreno.

3.3 Predicción del Potencial Vertical de Levantamiento (PVL).

3.3.1 Para este procedimiento es necesario conocer la humedad de cada muestra. Preferiblemente, esas muestras se deben tomar en el momento del muestreo o de núcleos que hayan sido sellados.


E 132 - 7

3.3.2 Cuando se hayan tomado núcleos, la densidad húmeda se determina formando cilindros en los cuales se mide su altura y diámetro, con aproximación a 0.25 mm, se pesan con aproximación a 0.5 g, verificando luego los cálculos necesarios. Cuando hayan sido tomados únicamente recorte s durante el muestreo, se usa una masa unitaria húmeda de 2002 kg/m³ , el cual es un valor medio razonable.

3.3.3 A partir de porciones representativas de recortes o de núcleos, se determinan

el Límite Líquido, el Índice Plástico y el porcentaje de suelo ligante (pasa tamiz No. 40) en las capas de suelo. Se anotan dichos resultados en la Tabla 5, en la capa respectiva.

3.3.4 Comenzando con la capa superior en la superficie del terreno y a partir del

registro de perforación (Tabla 4) se prepara la Tabla 5, y se determina si las capas se hallan en condición "húmeda", "seca" o en un “estado intermedio ” . (Ver Nota 1)

Nota 1.- Se ha encontrado que 0.2 LL + 9 es la condición seca a partir de la cual se produce poca contracción, pero a la cual el potencial de expansión vo lumétrica es mayor. Esta es la mínima humedad, hasta la cual generalmente se secan las arcillas expansivas. La condición "húmeda", 0.47 LL + 2, corresponde a la absorción capilar máxima obtenida mediante ensayos de laboratorio sobre especímenes moldeados a la humedad óptima, y con sobrecarga de 7 kPa (1 lb/pulg²). Esta humedad, análoga a la hallada bajo pavimentos viejos y otras estructuras livianas, es la condición óptima.

3.3.5 Empleando la Figura 4 y considerando la condición húmeda, seca, o

intermedia, se entra con el IP de la primera capa en la abscisa , se sigue verticalmente hasta la curva de expansión que corresponda y se lee el porcentaje del cambio volumétrico en la ordenada. Este fue determinado para una sobrecarga de 7 kPa (1 lb/pulg²).

Nota 2.- Las curvas del potencial de levantamiento vertical (PLV) vs. Carga de las Figuras 5 y 6 son para arcillas que se expanden libremente, sin carga; y se basan en la masa unitaria húmeda del suelo de 2002 kg/m3. Para emplear estas curvas, se ha encontrado que bajo las condiciones dadas de expansión libre y del cambio volumétrico, bajo una sobrecarga de 7 kPa (1 lb/pulg²) con base en la Figura 4, existe la siguiente relación:

Porcentaje de cambio volumétrico sin carga = (Porcentaje de cambio volumétrico a 7 kPa (1 lb/pulg²)) x (1.07) + 2.6.

Ejemplo. De la Figura 4 la expansión para 1 lb/pulg² = 10. Porcentaje sin carga o expansión libre = 10 (1.07) + 2.6 = 10.7 + 2.6 = 13.3. Estas curvas pueden ser marcadas con lápiz sobre las Figuras 5 o 6 para lecturas exactas. Para la condición óptima pueden considerarse igualmente válidas las relaciones siguientes, en la Figura 4.

a) Porcentaje de cambio volumétrico PCV, con sobrecarga de 7 kPa (1 lb/pulg²) =

0.217 (IP) - 2.9.

b) P orcentaje de expansión libre = 0.232 (IP) - 0.5


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3.3.6 Para cálculos del Potencial de Levantamiento Vertical (PLV), es conveniente emplear capas de 60 cm (2) en el supuesto de que las humedades y el registro de la perforación lo permitan. El empleo de capas de 60 cm y el supuesto de que el peso unitario húmedo es de 2002 kg/m3 , el cual es generalmente un peso unitario razonable, hace más simple la tabulación. La modificación causada empleando la masa unitaria anterior en lugar de 2307 kg/m3 para 7 kPa (1 lb/pulg²), por metro, ha sido incorporada a las curvas de las Figuras 5 y 6. Si varían la s masas unitarias a partir de 2002 kg/m3 y se desea una precisión mayor, se deberá aplicar un factor de corrección a la capa, equivalente a 2002 kg/m3 dividido por la masa unitaria húmeda real.

Nota 3.- En la cap a superficial de 60 cm, la carga promedia es 7 kPa (1 lb/pulg²); igualmente en la capa de 60 cm a 1.2 m, la carga es de 14 kPa (2 lb/pulg²) para los 60 cm superiores más la mitad de la capa de 60 cm a 1.2 m; o de 21 kPa (3 lb/pulg²) en total. Por lo tanto, la carga promedio en cualquier capa de 60 cm (2'), es la profundidad media de la capa.

3.3.7 Empleando la columna para el material que pasa tamiz de 425 µm (No. 40), el

PLV posteriormente determinado, se deberá modificar así:

• Se usa la expansión de cero cuando el porcentaje que pasa tamiz 425 µm (No. 40), sea menor del 25%.

• Se multiplica la expansión obtenida para la capa, por el porcentaje que pasa e l tamiz 425 µm (No. 40), cuando el porcentaje exceda del 25% .

Figura 4. Relación entre IP y el cambio v olumétrico


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3.3.8 Empleando la Figura 4, se determina el porcentaje de expansión volumétrica

en la primera capa , de 0 – 0.60 m. Puesto que esta expansión es determinada empleando una sobrecarga de 7 kPa (1 lb/pulg²), deberá ser modificada por expansión libre, o sea sin sobrecarga, como se anotó anteriormente . Empleando las Figuras 5 y 6, y la curva de porcentaje de expansión libre, acabada de determinar, se comienza a registrar la expansión en la capa:

• En la capa de 0 a 0.60 m, se lee la ordenada (PLV) para la carga de 7kPa (1

lb/pulg²) de la curva de expansión, y se anota en la Tabla 5 como "fondo de la capa".

• A partir de la curva, se lee la carga de 0 en la parte superior de esta capa y se

anota en la Tabla 5.

La diferencia entre estas dos lecturas, es el PLV en la primera capa de 0.60 m, sujeta a la corrección por masa unitaria (ver numeral 3.3. 2) y por suelo ligante (pasa tamiz No. 40), a que se refiere la Sección 3.3.4.

3.3.9 Se toma la capa de 0.60 m a 1.2 m y se determina el porcentaje de cambio

volumétric o, modificando el valor determinado en la Figura 4. Sobre esta curva de porcentaje de expansión volumétrica, o sobre una curva interpolada a lápiz, s i la línea no corresponde a las señaladas en las Figuras 5 y 6, se lee el PLV en la ordenada correspondiente a 21 kPa (3 lb/pulg²) (fondo de la capa) y se anota en la Tabla 5. Se lee en la misma curva la ordenada correspondiente a 7 kPa (1 lb/pulg²) (parte superior de la capa) y se anota. La diferencia entre las dos lecturas, es la expansión en la capa entre 0.60 m y 1.2 m, sometida a modificaciones por masa unitaria o suelo ligante [pasa tamiz de 420 µm (No. 40)].

3.3.10 Se continúan las determinaciones del PLV en cada capa de 60 cm, hasta que la

expansión de cada capa se ha determinado como se muestra en las curvas de las Figuras 5 y 6. Cada curva se vuelve horizontal lo que significa que no hay diferencia cuando se lee el PLV de estas curvas (realmente la expansión es despreciable o nula en cualquier punto más allá del extremo de cualquier curva dada , como se muestra en estas dos figuras). Se pueden emplear capas más gruesas para el cálculo, cuando consistan de suelo uniforme con similares índices plásticos y contenidos de humedad.

3.3.11 Se comprueba el factor de corrección debido al suelo ligante y a la masa

unitaria para cada capa.

3.3.12 Se suman los PLV en la totalidad de todas las capas, para obtener el PLV total para el sitio.

Nota 4. - La Tabla 5 ha sido calculada sin considerar las cargas debidas a la estructura. Cuando éstas se conozcan, simplemente se agregan en la columna de "carga promedio", kPa (lb/pulg²) y se aumenta cada cifra en la columna, con el incremento de la carga unitaria de la estructura, pero nótese que la expansión se reducirá por causa del aumento de la carga.

3.3.13 Para informar los resultados del ensayo, se entrega una copia de la Tabla 4 con

la identificación de la obra y de su ubicación.


E 132 - 10

Nota 5. - Frecuentemente, durante el diseño, es necesario estimar el PLV sin conocer las humedades esperadas durante la construcción. En tales casos, el diseño y planeamiento de una obra deberán influir en la escogencia de la línea de la Figura 4 , que se va a emplear. Si se trata de un clima entre árido y semiárido y los planos y especificaciones no prevén control de la humedad -peso unitario, ni preservación de la hu medad, se sugiere emplear la línea para 0.2LL+9. Si los planos y especificaciones exigen control del peso unitario y de la humedad, y el mantenimiento de ésta, se podrá emplear la línea promedio.

En las regiones de precipitación alta, se podrá utilizar la línea promedio, cuando se contemple la preservación de la humedad; pero si además, se prevé control de la humedad-peso unitario, se podrá emplear, la línea inferior (0.47 LL + 2) de la Figura 4. La expresión "preservación de la humedad", se refiere al empleo de tramos recubiertos con bermas amplias de material granular, suelos estabilizados, o membranas asfálticas aplicadas con este propósito.

4. NORMAS DE REFERENCIA

AASHTO T 258 – 81 (2004)


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Figura 5. Potencial de Levantamiento Vertical (PLV) vs. Ca rgas


E 132 - 12

Figura 6. Potencial de Levantamiento Vertical (PLV) vs. Cargas


E 132 - 13

SITIO_____________________________ESTRUCTURA ________________________________ INV ______________

CARRETERA ______________________PERFORACION No.____________________________FECHA___________________

CONTROL ________________________PROFUNDIDAD NIVEL FREATICO ______________ALTURA TERRENO_________

LOCALIZACION A PARTIR DEL EJE ______________ABSCISA_________________

ALTURA

mPrimeros 150 mm

Segundos 150 mm

PERFORADOR _____________________SUPERVISOR ____________________ _____________TITULO______________________

*

MP

MP

MP

MP

MP

MP

30

35

Arcilla carmelita oscura, húmeda

Arcilla carmelita oscura, firme

Arcilla roja y amarilla, firme

Arcilla roja y amarilla , blanda, húmeda

Grava gruesa a fina, algo de arcilla amarilla húmeda

Arcilla amarilla, firme

MP: Muestreador a presión

* No se obtubieron buenos núcleos debido al alto porcentaje de grava

OBSERVACIONES

30

35

0

5

10

15

20

25

Arcilla amarilla, blanda

5

15

20

25

10

Tabla 4. Registro de perforación

ENSAYO DE PENETRACION NORMAL

No. de golpes

0

MÉTODO DE MUESTREO

DESCRIPCIÓN DEL MATERIAL

Arena fina, pobremente gradada, anaranjada


E 132 - 14


E 132 - 15

Tabla 5

PLV (mm) Profundidad

m

Carga promedio

kPa L.L

Condición seca 0.2 L.L + 9

Condición húmeda 0.47

L.L + 2

Humedad %

Seco Promedio Húmeda

% No.40

IP %

% Expansión volumétrica

Figura 1

Expansión libre

Tope de la capa

Fondo de la capa

Diferencia

Factor de corrección

-0.425 mm

Factor de corrección Densidad

PLV en la capa mm

0-0.6 6.9 21 -- -- 3.1 seco 100 4 0 0 0 0 0 1.0 1.0 0 0.6-1.2 21 60 21.0 30.2 29.7 húmedo 100 38 5.5 8.5 10.4 22.3 11.9 1.0 1.0 11.9

1.2-1.8 34 60 21.0 30.2 20.9 seco 100 38 11 14.5 39.4 55.9 16.5 1.0 1.0 16.5

1.8-2.4 48 75 24.0 37.3 24.4 seco 100 45 13.5 17 71.4 86.6 15.2 1.0 1.0 15.2

2.4-3.0 62 75 24.0 37.3 36.5 húmedo 100 45 7 10 42.9 47 4.1 1.0 1.0 4.1

3.0-3.6 76 65 22.0 32.6 8.5 húmedo 15 40 < 25% - 0.425 mm 1.0 1.0 0

3.6-4.2 90 65 22.0 32.6 8.5 húmedo 15 40 < 25% - 0.425 mm 1.0 1.0 0 4.2-4.8 103 65 22.0 32.6 8.5 húmedo 15 40 < 25% - 0.425 mm 1.0 1.0 0

4.8-5.4 117 65 22.0 32.6 8.5 húmedo 15 40 < 25% - 0.425 mm 1.0 1.0 0

5.4-6.0 131 85 26.0 42 41.5 húmedo 100 60 10.2 13.5 89.9 91.9 2 1.0 1.0 2 6.0-6.6 145 80 25.0 39.6 33.9 promedio 100 60 12.6 16 123.9 127.9 3.1 1.0 1.0 3.1

6.6-7.2 159 80 25.0 39.6 33.9 promedio 100 54 12.6 16 127 129.8 2.8 1.0 1.0 2.8

7.2-7.8 172 80 25.0 39.6 33.9 promedio 100 54 12.6 16 129.8 132.1 2.3 1.0 1.0 2.3

7.8-8.4 186 80 25.0 39.6 33.9 promedio 100 54 12.6 16 132.1 133.9 1.8 1.0 1.0 1.8

8.4-9.0 200 80 25.0 39.6 33.9 promedio 100 54 12.6 16 133.9 135.4 1.5 1.0 1.0 1.5

9.0-9.6 214 80 25.0 39.6 33.9 promedio 100 54 12.6 16 135.4 135.6 0.2 1.0 1.0 0.2

PLV Total = 61.4 a b6.0-9.6 131 a 214 80 25.0 39.6 33.9 promedio 100 54 12.6 16 123.9 135.6 11.7 1.0 1.0 11.7

a Se asumen 2002 kg/m³ de densidad húmeda para todas las capas. Cuando se desee mayor precisión se emplea

³/,2002

mkgsuelodelrealhúmedaDensidad, como factor de corrección.

b Como la capa de 3.6 m, entre 6.0 y 9.6 es uniforme, el PLV puede determinarse en una lectura empleando “la parte superior de la capa” como 131 kPa

(como en capas de 0.6 m) y la lectura en la parte inferior de la capa a una carga de 214 kPa como en la capa de 9.0 a 9.6 m. Lecturas de 123.9 mm y 135.6 mm, respectivamente, o una diferencia de 11.7 mm, será obt enida como una suma de incrementos o diferencias como se muestra por encima del fondo de 3.6 m. Cuando haya capas de arcilla expansiva de menos de 0.6 m (ejemplo 1.2 -1.4 m), es preferible entrar a la abscisa sobre la curva de expansión apropiada a 1.2 y 1 .4 m, respectivamente, y emplear la diferencia en la lectura de la ordenada respectiva, como la expansión sin modificar, en la capa de 0.2 m de espesor.

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