Universidad austral de chile facultad de Ciencias de la Ingeniería



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2.- ESTIMACIÓN DEL CAMBIO VOLUMÉTRICO PROBABLE


En muchos suelos con alto contenido arcilloso activo, los cambios de humedad originan alteraciones volumétricas, a veces bastantes severas. La pérdida de humedad del suelo produce contracciones criticas, y el humedecimiento, expansión o hinchamiento inadmisibles. Cualquier causa de variaciones sustanciales en el contenido de agua en estos suelos, puede generar movimientos excesivos y el posible daño de las estructuras soportadas por ellos.

El régimen climático de una región es una buena guía para identificar las condiciones del problema. Se pueden distinguir, en general, regiones áridas, regiones húmedas y regiones que tienen estaciones secas y húmedas bien definidas.

En las regiones áridas los suelos se encuentran normalmente secos en las zonas expuestas a la intemperie, debido a que las pérdidas por evaporación superficial son varias veces superiores al humedecimiento por lluvias. Además, el suelo debajo de las edificaciones queda protegido, contrariamente al suelo exterior aledaño. Cuando se construye un edificio, se inicia un proceso de aumento del contenido de humedad del suelo debajo de la construcción, con la siguiente expansión desigual en el nivel de soporte, que origina el deterioro gradual de dicha construcción. Otras causas de humedecimiento tales como tubos o drenajes rotos o aguas de irrigación producen efectos similares.

En regiones húmedas donde los suelos se encuentran permanentemente saturados, una fuerte desecación puede ocasionar la contracción de suelos susceptibles y el correspondiente asentamiento de las estructuras cimentadas sobre ellos.

En las regiones con estaciones secas y húmedas bien definidas, los suelos susceptibles se expanden y se contraen en ciclos más o menos regulares. Debajo del centro de los edificios, los suelos encuentran la máxima protección y los menores cambios volumétricos; contrariamente, en la periferia los suelos la menor protección y ocurren los mayores cambios volumétricos. Como resultado, se presentan deformaciones repetidas e incrementales de las estructuras, que las conducen a un deterioro progresivo.

Ciertas condiciones locales asociadas a la función de una obra y originadas, por ejemplo, en el calor producido por calderas, hornos y calentadores industriales, con deficiente aislamiento térmico del terreno subyacente, pueden dar lugar a condiciones de desecación acelerada en suelos susceptibles, acompañada de asentamientos rápidos e irregulares.

Son frecuentes las oportunidades en las que la humedad extraída del terreno por las raíces de las plantas generan desecación acelerada del suelo. En ocasiones la recuperación hídrica de los suelos obtenida al eliminar cierta vegetación produce expansiones.

Las técnicas para determinar la susceptibilidad de un suelo a los cambios volumétricos, por variaciones de su contenido de humedad, requieren en cada caso investigación detallada y análisis profundo. Es necesario emplear la disciplina del estudio del comportamiento de los suelos, empíricamente vinculada a las condiciones locales. Son invaluables las experiencias de casos precedentes, relacionadas con el problema entre manos, mediante una caracterización idónea de los suelos.

Los suelos susceptibles pueden identificarse con ayuda del índice plástico y el limite de contracción, tal como se muestra en la tabla 4.4.

TABLA 4.4





Como en el caso de la compresibilidad, se ha encontrado que la expansibilidad depende del tipo de mineral de arcilla que la componga y que esa expansibilidad aumenta en el orden caolinita, ilita, montmorilonita. Los cationes de absorción juegan un papel muy importante en la expansibilidad (como en la compresibilidad). El Li+ y el Na+ son los cationes que producen la expansibilidad mayor, mientras que el Fe+++ es el de los que producen expansibilidad menor.

En la práctica se ha adoptado como una medida relativa de la expansibilidad de una arcilla el incremento de volumen, expresado en porcentaje, del volumen total inicial de una muestra secada al aire y puesta a saturar en un consolidómetro estándar bajo una presión de 0.7 ton/m2 (1 lb/pulg2). El criterio cuantitativo anterior se ha correlacionado con el contenido coloidal (porcentaje de partículas menores que 0.001 mm), el índice de plasticidad y el limite de contracción. Estos tres conceptos proporcionan una identificación adecuada para fines prácticos. La tabla 4.5 es la que propone W. G. Holtz, para la identificación de las arcillas expansivas.

TABLA 4.5. Datos para estimar el cambio volumétrico probable en materiales expansivos.




3.- ANÁLISIS DE RESULTADOS DE ENSAYOS


De acuerdo a los objetivos planteados al comienzo, lo que se persigue es saber si se puede establecer una relación (para identificar la existencia de arcillas expansivas) entre los ensayos comúnmente realizados a las muestras de suelos de una obra, para lo cual utilizaremos los mismos informes entregados a la empresa que realizó la obra en Colina por el laboratorio “SOILTEST Ltda.”, de Santiago, que les presto dichos servicios.

Cabe destacar que los informes realizados por el laboratorio son pobres en cantidad y variedad de ensayos, por lo cual el profesional debe tener la claridad necesaria para saber a ciencia cierta los ensayos específicos que se necesitan para conocer más a cerca del material con el que se esta trabajando.

Como se mencionó anteriormente los ensayos que se utilicen para análisis, serán los que presenten materiales relativamente finos, esto quiere decir arenas, limos o arcillas, para que posteriormente se determine su posible expansión. A continuación se adjunta una tabla en la cual se identifican cada uno de los informes, su fecha de entrega, la descripción de la muestra, el camino en el cual fue tomada y la fecha del muestreo.

TABLA 4.6. Detalle de Informes de Laboratorio





De acuerdo a la descripción realizada en la tabla 4.6, a continuación se entregan los resultados obtenidos en cada uno de los ensayos aplicados a las diferentes muestras tomadas en la obra. Como se mencionó anteriormente los ensayos realizados son pobres en cantidad, por lo que se podrá hacer sólo una identificación a través del Índice de Plasticidad y otra a través del Porcentaje de Hinchamiento (debido al cambio de Volumen), además se realizará una identificación utilizando ambos criterios en conjunto, para ello se han desarrollado las siguientes tablas.

TABLA 4.7





Continuación TABLA 4.7






TABLA 4.8






Para el primer análisis consideraremos la tabla 4.7, en la cual se entregan los resultados de granulometría y las constantes Físicas e Hídricas, para ello utilizaremos los resultados del índice de plasticidad de la tabla antes mencionada, los que relacionaremos con la tabla 4.1. del presente capitulo, con lo cual obtendremos el Potencial de Expansión que se expresa en la tabla 4.9.

En el segundo análisis consideraremos la tabla 4.8, la que nos entrega los resultados de granulometría, las constantes Físicas e Hídricas y el porcentaje de cambio de volumen (Hinchamiento), como en el caso anterior también utilizaremos una tabla de este capitulo, la numero 4.2. la que nos entrega los Grados de Expansión relacionados con los porcentajes de Cambio de Volumen, que se muestran en la tabla 4.10.

Para finalizar se ha realizado una tabla comparativa utilizando ambos criterios, para tener una identificación más cierta, con lo cual destacaremos las muestra en las cuales se pueda concluir el mismo Grado de Expansión para un mismo material. Para realizar este análisis utilizaremos la tabla 4.8, pero a diferencia del análisis anterior, en éste relacionaremos tanto las constantes Físicas e Hídricas como los porcentajes de Cambio de Volumen, en una misma tabla (4.11.), que llevaremos a un gráfico en el que se distinguen los Grados de Expansión y las líneas generadas por la unión de los Índices de Plasticidad con los porcentajes de Cambio de Volumen, para una apreciación más clara, como lo muestra la figura 4.5.

TABLA 4.9. Análisis de Resultados de Ensayos de Laboratorio








TABLA 4.10. Análisis de Resultados de Ensayos de Laboratorio






TABLA 4.11. Analisis de Resultados de Ensayos de Laboratorio en base a dos criterios






FIGURA 4.5



Nota: Los trazos de color azul corresponden a las líneas generadas por la unión de valores de los Índices de Plasticidad con los porcentajes de Cambio de Volumen.

Si observamos la figura 4.5, se pueden visualizar en forma clara los grados de expansión a través de los colores que los identifican, además se pueden observar las líneas que unen los índices de plasticidad y los porcentajes de cambios de volumen los cuales en ciertas oportunidades pasan de un grado de expansión a otro, ya sea mayor o menor, por lo que no se define en forma certera a que grado corresponden cada una de éstas muestras, a diferencia de lo anterior en otros casos las líneas antes mencionadas si se ubican en un sólo grado de expansión, por lo cual es esa eventualidad si se puede identificar un único grado de expansión el que nos entregará una certeza más real.

Como se ha mencionado durante el desarrollo de éste capítulo, los resultados de todas las pruebas de expansión son sólo aproximación, debido a los cambios inevitables en la humedad y en la estructura de los suelos durante los sondeos, muestreos y manejo de laboratorio. Además como ya sabemos la compresibilidad y también la expansividad de los suelos se han estudiado hasta la fecha con la sola ayuda de la prueba de consolidación estándar y considerando que los informes con los cuales contábamos para hacer este análisis carecen de dicha prueba, hemos utilizado otros ensayos realizados para establecer si existe alguna relación, aunque sea una aproximación aún más incierta que la entregada por la prueba de consolidación.

Por lo tanto podemos decir que efectivamente existe una relación proporcional entre en el índice de plasticidad y los porcentajes de cambio de volumen con los de expansión, es decir, que a medida que aumenta el índice de plasticidad y el porcentaje de cambio de volumen, también aumenta el posible grado de expansión en los suelos finos, en este caso en las arcillas. Debido a que esta relación es sólo una aproximación, para tener una certeza mayor se recomienda realizar una prueba de consolidación estándar, la cual generalmente no se realiza debido a su alto costo económico en comparación con las que generalmente se realiza. Por otro lado si se desea establecer con más detalle la expansión es aconsejable realizar una prueba de rayos X a las muestras con el fin de identificar los minerales que la componen, ya que como vimos en capítulo 2, a presencia de ciertos minerales son los que producen las arcillas, debido a su cambio en la carga eléctrica al encontrarse en contacto con agua.


CAPITULO V. CONCLUSIONES


La clasificación de suelos consiste en incluir un suelo a un grupo que presenta un comportamiento semejante. La correlación de ciertas propiedades con un grupo de un sistema de clasificación, suele ser un proceso empírico puesto a punto a través de una experiencia considerable. La clasificación de suelos permite resolver muchos tipos de problemas sencillos, y sirve de guía para preparar el programa de experimentación, si la dificultad e importancia del problema requiere una investigación más profunda. La mayoría de las clasificaciones de suelos utilizan pruebas muy sencillas, del tipo indicativo, para obtener las características del suelo necesarias para asignarlo a un determinado grupo. Las características utilizadas más corrientemente son la Granulometría y la Plasticidad. El índice de plasticidad que indica la magnitud del intervalo de humedades en el cual el suelo posee consistencia plástica es una característica especialmente útil del suelo. Debe tenerse presente, sin embargo, que todos los límites e índices, con la excepción del límite de retracción se determina en suelos que se han amasado para formar una mezcla uniforme suelo-agua. Por lo tanto, los límites no dan indicación alguna sobre la estructura del suelo o los enlaces residuales entre partículas que pueden haberse desarrollado en el terreno natural pero que han sido destruidos al preparar la muestra para la determinación de los límites. Como las clasificaciones de suelos se han preparado para servir de ayuda en la resolución de problemas, han surgido clasificaciones adaptadas a muchos tipos de problemas. En 1952 el Bureau of Reclamation y el cuerpo de ingenieros presentaron un “Sistema unificado” destinado a servir para todos los problemas de ingeniería en los que intervinieran suelos. Esta clasificación diferencia los suelos finos de los gruesos a través de la apreciación a simple vista de las partículas, dentro de las finas dependiendo del límite líquido se distinguen las fracciones de limo, materia orgánica y también las arcillas. La característica diferenciante de la arcilla es la cohesión o resistencia cohesiva, que aumenta al disminuir la humedad. La permeabilidad de la arcilla es muy baja, es difícil de compactar en estado húmedo e imposible de drenar por métodos ordinarios: Compactada es resistente a la erosión y a la tubificación, no es susceptible a hinchamientos por efecto de la helada. Está sometida a expansión y retracción con las variaciones de humedad. Las propiedades dependen no sólo del tamaño y forma, sino también por su composición mineral, es decir, el tipo de mineral arcilloso y el medio químico o la capacidad de intercambio iónico. En general el mineral arcilloso montmorillonita tiene el mayor efecto sobre las propiedades, siendo este efecto mínimo en el caso de la ilita y la caolínita. La clasificación de suelos constituye una ayuda valiosa para el ingeniero. Le da indicaciones generales, transformando de manera empírica los resultados de la experiencia de campo. Sin embargo el ingeniero debe ser precavido al utilizar las clasificaciones de suelos. La resolución de problemas de flujo, asentamientos o estabilidad únicamente a partir de clasificaciones puede llevarle a resultados desastrosos. Es por ello que la prueba de consolidación estándar es prácticamente la única que se ha usado extensamente hasta el presente para estudiar la compresibilidad y expansibilidad de las arcillas. Como se planteo al principio de esta tesis, se utilizaron los informes entregados por el laboratorio Soiltest Ltda, en los cuales no se realizaron las pruebas de consolidación, pero la identificación de las arcillas expansivas se realizó a través de las constantes Físicas e Hídricas y el Porcentaje de Hinchamiento. Como se mencionó dentro del capítulo 4 en el análisis de resultados, la identificación que se estableció es sólo una aproximación, ya que son estimaciones que dan la alerta al profesional a cargo, para que éste de acuerdo a sus conocimientos estime la necesidad de realizar más ensayos como el de consolidación estándar o en ciertas oportunidades una prueba de rayos X para identificar los minerales que componen el suelo en estudio.

Se establecieron dos tipos de identificaciones, la primera en la que el índice de plasticidad nos entrega el potencial expansivo, los cuales poseen una relación directamente proporcional, es decir, a medida que el índice de plasticidad aumenta, también se incrementa el potencial expansivo, aunque su expansión en la realidad depende de variados factores; la segunda identificación al igual que la anterior también presenta una relación directamente proporcional y las variables que se relacionan son el porcentaje de cambio de volumen y los grados de expansión. Sin embargo, en la mayor parte de los casos, la expansión está parcialmente reprimida. En consecuencia, las magnitudes de la expansión y de sus presiones, probablemente sean en realidad intermedias. Además de los dos tipos de identificaciones, con los datos de la segunda, se ha hecho una relación entre el índice de plasticidad y el porcentaje de cambio de volumen, con lo cual se establecieron áreas de estimación del grado de expansión. Los resultados de los tipos de pruebas no siempre son consistentes, en parte debido a la inevitable variación de las propiedades hídricas. Si las dos pruebas indican un elevado grado de expansión, el suelo debe considerarse sospechoso. Si los resultados de ambas pruebas indican un comportamiento muy expansivo, puede ser justificable tomar precauciones extremas, como por ejemplo solicitar más ensayos para una identificación más certera.

Para finalizar se puede decir que el efecto perjudicial de la expansión en cualquier estructura puede reducirse en cierto grado, pero de ninguna manera eliminarse, dicha reducción puede efectuarse en principio de tres maneras, humedeciendo el terreno previamente hasta que la humedad tenga un valor igual al de equilibrio; tratando que las cargas hacia abajo sean iguales o excedan las presiones producidas por la expansión o bien, impidiendo la expansión químicamente.

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