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ARCILLAS EXPANSIVAS

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Introducción

En los tiempos recientes el problema de suelos expansivos en el mundo ha alcanzado notoriedad, debido a su extensión y al impacto económico de sus daños. Dicho problema empezó a ser reconocido a fines de los años 30, debido a la utilización de construcciones de albañilería y el agrietamiento producido en dichas construcciones por el efecto del suelo expansivo. También se notó el problema en las construcciones hidráulicas. El incremento de las construcciones en zonas áridas después de la segunda Guerra Mundial ha incrementado considerablemente los daños en estructuras construidas sobre arcillas expansivas.

En el Perú el primer reconocimiento de problemas de suelos expansivos ocurrió durante la construcción del Canal de Quiroz en Piura. Posteriormente se consideró en el diseño del Canal del Proyecto Chira-Piura la existencia de arcillas expansivas. En lo referente a edificaciones, existe documentación sobre la ocurrencia de daños en San Lorenzo, Paita, Talara y Chiclayo y la existencia de arcillas expansivas en Tumbes y Bayóvar.

Algunos ensayos de laboratorio han indicado la posible presencia de arcillas expansivas en Yurimaguas, Chamaya, Corral Quemado y otros lugares del nororiente peruano.

Desafortunadamente todavía no existe suficiente información en estas áreas como para poder establecer conclusiones en dichas zonas.

En el presente trabajo se recopila la información disponible sobre las características y propiedades de las arcillas y lutitas expansivas,

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ORIGEN Y COMPOSICIÓN DE LAS ARCILLAS EXPANSIVAS

Antes de afrontar qué patologías pueden producir las arcillas expansivas, es importante conocer su origen y naturaleza.

Las arcillas provienen de la alteración físico-química, por acción principalmente del agua, de minerales que forman parte de otras rocas preexistentes, de tal manera que en función del grado de erosión y qué roca se altera, da lugar a una serie de minerales denominados “minerales de la arcilla”.

Las arcillas expansivas pertenecen a un grupo mineralógico de naturaleza química silícea denominado silicatos, y dependiendo de la distribución de los tetraedros de SiO4 -4 pueden ser filosilicatos o silicatos laminares, de tal manera que, dependiendo del tipo de arcilla, entre lámina y lámina se dispondrán las moléculas de agua que provocarán el hinchamiento.

El grupo de arcillas que son más susceptibles de sufrir hinchamientos o procesos de expansividad son las pertenecientes al grupo de las esmectitas, destacando la montmorillonita, nontronita y saponita.

Las arcillas pueden estar afectadas por tres tipos de cationes interlaminares, responsables de su mayor o menor capacidad de hinchamiento:

Sodio (Na): Genera gran hinchamiento, pudiendo producir incluso la disociación completa o separación de las láminas, teniendo como resultado un alto grado de dispersión y propiedades coloidales que dan lugar a propiedades especiales, como la de los lodos estabilizantes tixotrópicos o bentonitas.

Calcio (Ca) o Magnesio (Mg): Genera hinchamiento sin disociación.

Por lo tanto, desde el punto de vista geotécnico, los suelos plásticos o arcillosos son aquellos capaces de deformarse sin agrietarse ni de producir rebote elástico, cambiando su consistencia al variar el contenido de agua.

Existe una serie de ensayos para la estimación del grado de expansividad del suelo:

Límites de Attenberg: Determinación del límite líquido, limite plástico e índice de plasticidad.

Edómetro: Presión de hinchamiento, colapsabilidad, asientos, etc. Humedad natural: Porcentaje de humedad contenido en el suelo. Hinchamiento Lambe: Cálculo del volumen potencial. Granulometría: Determinación del porcentaje de finos, clasificándolo en

arcillas o limos

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NATURALEZA Y COMPORTAMIENTO.

Como introducción para el estudio de las patologías producidas por arcillas expansivas, es importante conocer su origen, naturaleza y base por tanto de estudio para su comportamiento frente a los cambios de humedad.

Las arcillas expansivas, pertenecen a un grupo mineralógico muy amplio de materiales de naturaleza química silícea denominados silicatos. Dentro de estos, en función de la distribución de los tetraedros de SiO4 se clasifican sistemáticamente dentro de los Filosilicatos o silicatos laminares. Así, a grandes rasgos y en función del tipo de arcilla, entre lámina y lámina, se emplazarán en mayor o menor medida las moléculas de agua que producirán el hinchamiento

Figura 1. Estructura química general de las arcillas.

Las arcillas provienen de la alteración físico-química por acción principalmente del agua, de minerales que forman parte de otras rocas preexistentes, en función de que roca se altera y en que grado, se originan una serie de minerales denominados “minerales de la arcilla”.

Los materiales arcillosos que son susceptibles de sufrir hinchamiento o procesos de expansividad, que permiten una entrada muy grande de agua entre las láminas de su estructura, son principalmente los pertenecientes al grupo de las esmectitas. Como apunte, indicar que cuando el catión interlaminar es el sodio, las esmectitas tienen una gran capacidad de hinchamiento, pudiendo llegar a

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producirse la completa disociación o separación de las láminas, teniendo como resultado un alto grado de dispersión y un máximo desarrollo depropiedades coloidales, que dan lugar a propiedades especiales como las de los lodos estabilizadores tixotrópicos o bentonitas.

Si por el contrario, tienen Ca o Mg como cationes de cambio su capacidad de hinchamiento será mucho más reducida.

Desde el punto de vista geotécnico, los suelos plásticos o arcillosos, son aquellos capaces de deformarse sin agrietarse, niproducir rebote elástico, cambiando su consistencia al variar el contenido de agua. En función delos cambios de contenido de humedad se dan diferentes estados físicos,siendo los límites para cada estado de consistencia los conocidos como límites de Atterberg: límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad, que son el punto de partida para la estimación de la expansividad de un suelo.

En general y de forma orientativa, el grado de expansividad se puede determinar en función de las propiedades geotécnicas delos suelos según el cuadro adjunto

Para la determinación de la expansividad de un suelo, los ensayos a realizar son:

granulometría, permitirá determinar el porcentaje de finos que contiene y clasificarlo en limos o arcillas según los criterios de Casagrande (límites de Atterberg).

límites de Atterberg, para determinar los límites líquido y plástico y el índice de plasticidad.

hinchamiento Lambe, obteniéndose el cambio de volumen potencial, pudiendo ser éste, No Crítico, Marginal, Crítico y Muy Crítico y el índice de hinchamiento (similar pero no igual a la presión de hinchamiento).

humedad natural edómetro presión de hinchamiento, colapsabilidad, asientos, etc.

DESCRIPCIÓN Y ORÍGEN DE LOS DAÑOS

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DESCRIPCIÓN

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 cedimiento de la cimentación en la parte central del edificio.

Por quebranto o cedimiento de la cimentación en dos extremos al mismo tiempo.

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.

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.

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Deformación de pavimentos.

Rotura de conducciones,

Enfatizando aún más el problema al producirse la rotura de colectores que suministran agua al edificio.

ORÍGEN

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 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.

PREVENCIÓN Y REPARACIÓN DE DAÑOS

PREVENCIÓN

Para 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:

1. 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 debajode 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.

2. CARGAS.

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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 delas 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.

3. 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. Estos 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.

4. CONDUCCIONES SUBTERRÁNEAS.

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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.

o Las juntas entre tuberías deberán ser flexibles. o Colocación de un lecho de hormigón bajo las tuberías rellenándose y

compactándose adecuadamente con suelo granular fino. o Arquetas y encuentros con las tuberías, flexibles que no rompan.

5. URBANIZACION 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.

6. DRENAJE.

Sistemas de drenaje perimetral efectivos, con tubos dren profundos y sistemas que eviten la colmatación de los mismos (geo textiles, etc) y permitan la correcta evacuación de las aguas superficiales.

7. EN LA EJECUCIÓN.

Deberá evitarse la exposición prolongada del sustrato de apoyo a la acción de la naturaleza, excavándose y concreto en el menor tiempo posible.

REPARACIÓN

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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.

MAPA DE ZONIFICACION DE SUELOS EXPANSIVOS

En base a la geología y la documentación existente sobre problemas de suelo expansivo y ensayos de laboratorio en el norte y nororiente peruano, se ha preparado un mapa de zonificación de suelos expansivos para dicha área.

En la costa norte se ha establecido una zona en donde las características geológicas y climáticas son favorables para la ocurrencia del fenómeno de expansión de suelos y se han reportado casos de expansión. Esta zona corresponde a la zona costera de los departamentos de Tumbes y Piura y una parte de la ciudad de Chiclayo. En suelos de Tumbes y Piura, procedentes de rocas sedimentarias de origen marino del Terciario se ha determinado la existencia preponderante del mineral montmorillonita. En Chiclayo dicho mineral no es preponderante, pero existe. Las arcillas existentes en Chiclayo son de origen aluvial.

En la sierra norte y en el área de Jaén y Chamaya se ha determinado una zona de características geológicas y climáticas que hacen posible la existencia de suelos expansivos en lugares específicos. La delimitación de esta zona se basa fundamentalmente en el trabajo del Ing. Cesar Landázuri de la Universidad Católica del Ecuador que ha encontrado suelos expansivos en la formación volcánica-sedimentaria del Terciario Inferior y Cretáceo Superior que existe en ambos países. Además se ha reportado suelos con características de expansión en depósitos del Terciario y Cuaternario en Jaén y Chamaya.

En la Selva se ha definido una zona con geología favorable para la existencia de suelos expansivos, pero las condiciones climáticas hacen que los tenga un elevado contenido de humedad todo el tiempo y no se produzcan expansiones del terreno. Los ensayo de laboratorio indican un bajo grado de expansión, sin embargo los suelos contiene porcentajes importantes de montmorillonita. Es importante mencionar que la geología de esta zona consiste en rocas continentales del Terciario y depósitos del Cuaternario. Además existe todavía relativamente poca información disponible en esta zona.

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Las zonas en blanco en el Mapa, indican problemas no reportados de suelos expansivos o que las condiciones de geología y Clima son desfavorables a su ocurrencia. El Mapa propuesto tiene carácter de preliminar, requiriéndose aportes en información para su mejora o modificación.

CONCLUSIONES.

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

Bibliografía

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