arcillas problemas en ingenieria
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Arcillas Problemas en IngenieriaTRANSCRIPT
ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE GEOLOGIA
SEMESTRE : VIII - 2012 A.
Cerro de Pasco -:- PERÚ – 2012
INTRODUCCIÓN
El presente trabajo es fruto de una investigación exhaustiva, del efecto que tienen las arcillas en la ingeniería para los cuales se tratara de temas relacionados de manera resumida y contundente de las diferentes propiedades mecánicas que presentan las arcillas en los suelos; así como las formas de identificación de cada una de las mismas; y los diversos problemas que genera en la ingeniería.
Pro
ble
mas
co
n a
rcil
las
en la
in
gen
ierí
a
Suelos expansivos
Suelos colapsables
Suelos dispersivos
Obras
civiles
minería
DESCRIPCIÓN:
Las arcillas dispersivas son fácilmente erosionables debido al estado físico-
químico de la fracción de la arcilla de un suelo que causa a las partículas
individuales de la arcilla al dispersarse y se rechazan en la presencia del
agua relativamente pura.
Cuando el suelo de arcilla dispersiva es sumergido en agua, la fracción de
arcilla tiende a comportarse de manera semejante a las partículas
granulares.
El suelo de arcilla dispersiva erosiona con la presencia del
agua que fluye Tal erosión puede ser provocada por una
filtración inicial a través de la presa, por ejemplo, en las áreas
de suelos con alta permeabilidad, especialmente alrededor de
los conductos, contra las estructuras de concreto y en los
contactos de las cimentaciones, el secado de grietas, el
asentamiento diferencial de las fisuras, la saturación del
asentamiento de las fisuras.
La erosión de grietas en los caminos
La erosión a lo largo de las quebradas y la erosión de
intemperización o las arcillas unidas en rocas pueden señalar
suelos potencialmente dispersivos.
Para determinar si existe este tipo de suelo es necesario comenzar con
el reconocimiento de erosiones y hondonadas profundas, junto con
cualquier depósito de agua. Aunque también se debería proceder con
exploraciones adicionales como:
La presencia de charcos de agua luego de la lluvia indica suelos
dispersivos..
La presencia de arcillas dispersivas puede ser identificada por el
afloramiento superficial de sales, o por la formación de orificios
superficiales que se hallan bastante erosionados
La erosión severa superficial es otro problema causado por la
presencia de arcillas dispersivas. Esta erosión va por lo general
de cántaros
Ejemplo
de falla en una
presa debido a la
presencia de
suelos
dispersivos
Erosión
profunda por
suelos
dispersivos
Afloramiento
superficial de sales
Erosión severa
Orificios superficiales producto de la erosión de la
arcilla dispersiva
• Muchas arcillas dispersivas son de origen aluvial.
• Algunas arcillas de las laderas de lechos de río son también
dispersivas.
• Algunos suelos derivados de la lutita
• La arcilla bajo un medio marítimo son también dispersivos.
• Los suelos derivados de la intemperización de las rocas ígneas y
metamórficas son casi todos no dispersivos, pero pueden ser
erosionables, (por ejemplo, la arena limosa derivada de la
granodiorita).
• Suelos con un alto contenido orgánico probablemente no son
dispersivos (esto necesita ser tratado con cautela, desde que muchos
suelos tipo "algodón negro" son dispersivos).
Para la identificación de arcillas dispersivas en laboratorio, el
Servicio de Conservación de Suelo (SCS) recomienda la realización
de al menos tres de los cuatro siguientes ensayos de laboratorio:
• Ensayo de erosión interna.
• Análisis químico del extracto de poros.
• Método Estándar para las características de suelos arcillosos por
doble hidrometría.
• Ensayo químico de fracciones de suelo.
Este ensayo presenta una medida
directa y cualitativa de la
dispersividad y consecuente
erosión de suelos arcillosos que
es causada por el flujo de agua a
través de un pequeño orificio
realizado en la muestra.
Análisis Químico Del
Extracto De Poros.
El objetivo principal de este
ensayo es la determinación de
las cantidades de los cuatro
cationes metálicos principales
presentes en el agua.
Ensayo De Erosión Interna.
Ensayo Químico
De Fracciones De
Suelo.
Método Estándar
Para Las
Características De
Suelos Arcillosos Por
Doble Hidrometría.
El ensayo de doble hidrometría se halla estandarizado y consiste
básicamente de la realización de dos ensayos hidrométricos; el
primero se hace utilizando un agente dispersante mientras que el
segundo se lo realiza prescindiendo de este.
Finalmente se comparan los resultados obtenidos de los dos
ensayos realizados. A partir de esta comparación se obtiene el
grado de dispersión de las arcillas.
Este ensayo es un método bastante simple para la
identificación de arcillas dispersivas tanto en campo como
en laboratorio. La dispersividad del suelo es determinada a
partir de su clasificación en cuatro grados o categorías que
se diferencian de acuerdo a la reacción suelo-agua que se
presenta en el ensayo.
Las edificaciones, de cualquier
envergadura, si no poseen el
estudio adecuado de suelos,
podrían presentar problemas de
asentamiento y/o colapsar debido
a la socavación de sus bases
Ya que los suelos dispersivos no son
fácilmente detectables, pueden
presentarse antes o después de realizar
una carretera o hacer taludes, éstos suelos
ocasionan que se deslicen y colapsen bajo
lluvias fuertes o filtraciones de agua si no
se refuerzan contra la erosión.
Generalmente son suelos de origen eólico, cuya estructura está
ligeramente cementada por sales acarreadas por la brisa marina, con lo
cual adquieren una resistencia aparente. Son suelos en estado
metaestable, que generalmente se presentan en áreas desérticas..
La estructura de estos suelos es
abierta y floja, como corresponde a la
naturaleza limosa de sus partículas y a
su origen (depositados por la acción
del viento o de aguas tranquilas, que
transportan las partículas finas y las
depositan al dejar de actuar la
corriente).
(a) (b)
Figura. Mecanismo de colapso de una arena colapsable
(a) Estructura de suelo cargada antes de la inundación.
(b) Estructura de suelo cargada después de la inundación (Rogers, 1995)
Identificación De Suelos Colapsables
Rogers(1995) cita como características típicas, de la mayoría de suelos
colapsables, las siguientes:
•Estructura abierta
•Alto índice de vacíos
•Baja densidad seca
•Alta porosidad
•Provienen de depósitos relativamente jóvenes o recientemente
alterados.
Alta sensitividad y baja fuerza de enlace entre las partículas.
Según información geológica y geomorfológica este tipo de suelos
suele presentarse en regiones áridas donde se tiene la presencia de
depósitos aluviales y coluviales.
La mayoría de los suelos colapsables que se presentan en estado
natural son eólicos, es decir, arenas y/o limos depositados por el
viento, tales como los loes, las playas eólicas y los depósitos de polvo
volcánico, los cuales tienen altas relaciones de vacios, pesos
específicos bajos y sin cohesión o solo ligeramente cohesivos. Los
depósitos de loes tienen partículas de tamaño de limo.
La cohesión en los loes puede ser el resultado de la presencia de
arcilla alrededor de las partículas de tamaño de limo, que las mantiene
en una condición bastante estable en un estado no saturado. La
cohesión también es ocasionada por la presencia de precipitados
químicos lixiviados por el agua de lluvia. Cuando el suelo se satura, la
adhesión de la arcilla pierde su resistencia y por tanto sufre un colapso
estructural.
Estabilización de suelos es un término colectivo para cualquier método
físico, químico, biológico o una combinación de cualquiera de ellos,
empleados para mejorar ciertas propiedades del suelo natural y así
adecuarlos a los propósitos de ingeniería, (Winterkorn & Pamukeu ,1991).
Cuando se establece la presencia de un suelo colapsable, el proceso de
estabilización debe ser realizado antes de iniciar la construcción de la
estructura, es decir, antes de iniciar la construcción de las fundaciones.
Este proceso es llevado a cabo para cualquier clase de fundación a utilizar.
Medidas de prevención y/o solución cuando se trabaja
con suelos colapsables
La estabilización de suelos colapsables puede ser realizada
mediante dos métodos que son:
• Estabilización física.- Es realizada mediante el uso de
compactación dinámica. Consiste en excavar la capa superior del
suelo, procediéndose luego a la compactación de este mediante el uso
de un pisón. De esta manera se aumenta la densidad seca del suelo.
• Estabilización química.- Se logra a través de la adición de cemento
Pórtland al suelo, pudiendo también utilizarse cal, o materiales
bituminosos. Sin embargo, se debe tener en cuenta, que en suelos con
presencia de materia orgánica en un porcentaje mayor al 2%; la
acción estabilizadora del cemento es neutralizada.
Se denominan suelos expansivos a aquellos suelos, sobre todo los
de grano fino (arcillas), que se expanden considerablemente cuando
se adiciona agua y luego se contraen al perderla.
Al referirse a suelos expansivos, uno debe pensar en arcillas o en
rocas sedimentarias derivadas de arcillas, en las que los cambios
de volumen se deben a un cambio en el contenido de humedad. En
este aspecto, las arcillas son fundamentalmente diferentes a las
gravas, arenas y limos.
En contraste, las arcillas están formadas de partículas muy
pequeñas que generalmente tienen la forma de placas.
Potencial de expansión de minerales de arcilla pura (Budge et al,
1964).
La expansión ocurre cuando el agua se infiltra en o entre las partículas de arcilla,
causando la separación de éstas.
La caolinita es esencialmente no expansiva debido a la presencia de fuertes
uniones de hidrógeno que mantienen a las partículas individuales de arcilla
juntas.
Por otro lado, la ilita contiene uniones de potasio débiles que permiten una
expansión limitada.
la motmorrilonita cuyas uniones son aun más débiles.
Existe otro tipo de fuerzas que influyen en el fenómeno de expansión.
Estas son:
• Tensión superficial .- En la lamina de agua ubicado entre las partículas
Esta fuerza tiende a empujar las partículas juntas comprimiendo el suelo.
• Presión osmótica.- Fuerza que tiende a atraer el agua y presionar las
partículas expandiendo así el suelo.
• Presión atrapada.- En los bulbos de aire la fuerza tiende a expandir el
suelo.
• Esfuerzos efectivos.- Debidos a cargas externas tienden a comprimir el
suelo.
• Fuerzas intermoleculares (De London-Van Der Waals).- Tienden a
comprimir el suelo.
Partículas de arcilla
Agua
Por ejemplo, si se considera una arcilla motmorrillonita que se halla inicialmente
saturada, y si se supone que se producen cambios en la tensión superficial y en la
presión osmótica; el cambio en la estructura de esta arcilla es observado en las
Figuras (b) y (c) En la Figura, si se asume que el suelo se seca, el contenido de
humedad remanente se reunirá cerca de la interfase entre partículas, formando un
menisco en el que las fuerzas de tensión superficial resultantes producen que las
partículas de suelos se contraigan. En esta etapa el suelo puede ser comparado con
un resorte comprimido.
Por tanto, el suelo en la Figura (b), tiene una gran afinidad con el agua y atraerá el
agua disponible por medio de la osmosis. En esta etapa se produce en el suelo un
valor de succión muy alto. Luego, si existe agua disponible en los alrededores, el
fenómeno de succión atraerá ésta al interior de los espacios entre las partículas del
suelo y el suelo se expandirá. (c). En esta etapa el resorte ha sido liberado, y quizás
será ahora forzado hacia fuera.
(a) (b) (c)
Expansión y contracción de una arcilla expansiva (Coduto, 2001).
Los problemas que se originan por movimientos de suelos expansivos y que
son transmitidos a las cimentaciones son provocados principalmente por
cambio de humedad. Dichos movimientos son de:
• Monotonos
• Estacional
• Accidental.
Describen el cambio de un estado de equilibrio a una nueva.
Se manifiestan en el suelo en campo abierto, cuando el terreno experimenta movimientos
cíclicos debido a las fluctuaciones de contenido de humedad, con el tiempo.
Las causas accidentales de movimientos en suelos expansivos son las que se reducen cuando
el suelo se satura por fugas de agua, del drenaje de agua potable, o por riego excesivo de
áreas verdes.
es otra causa accidental; los arboles son capases de producir un estado
profundo de desecación del suelo, que va mas allá d su limite de contracción. Cerca de las
raíces, el suelo se encuentra en estado más activo y propenso a expandirse.
Existen 2 maneras de proporcionar solución a las cimentaciones sobre los suelos
expansivos:
Substitución, estabilización:
Cimentación: flexible, rígida y aislada.
Existen diferentes tipos de cimentaciones superficiales:
• Muros de carga sobre zapatas corridas.
• Losa de cimentación que cubra toda el área para construir:
• Losa flexible
• Losa rígida
A largo plazo la cimentación es soportado por el suelo en su parte
central por que al incrementarse la unidad bajo la cimentación, el suelo
forma una especie de domo (o plato invertido) al expandirse.
Los daños en las estructuras de fundación que ocurren como
resultado de la presencia de un suelo con elevado potencial de
expansión, pueden ser evitados a través de la aplicación de tres
posibles alternativas:
• Reemplazar el suelo expansivo bajo la fundación. Esta
alternativa es viable en caso de que se trate de suelos poco
profundos.
• Estabilización del suelo expansivo, ya sea mediante
compactación controlada, pre humedecimiento, y/o
estabilización química.
La compactación cuando se trabaja con suelos expansivos puede ser una
medida útil para disminuir el potencial de expansión. Por lo general, no se
recomienda el uso de losas de fundación, sobre todo en casos donde se espera
un levantamiento mayor a 38 mm.
Por otro lado, el principal objetivo del prehumedecimiento es que la mayor parte
del levantamiento se de antes de la construcción. Esto se consigue
incrementando el contenido de humedad del suelo a través de un embalse.
Posteriormente, se agrega 4-5% de cal hidratada a la capa superior de suelo,
obteniéndose de esta manera una capa de suelo menos plástica y más
trabajable. La desventaja principal de este procedimiento radica en que la
infiltración en suelos arcillosos es muy lenta.
Finalmente, la estabilización química del suelo es realizada con ayuda de cal y
cemento. La cal o cemento y agua son mezclados con la capa superior de suelo,
para luego ser compactadas. Este procedimiento puede ser realizado hasta 1.5 m
de profundidad, siendo el principal objetivo el de disminuir el límite líquido, el
índice de plasticidad y las características de expansión del suelo.
• Construir estructuras lo suficientemente flexibles para resistir el levantamiento
diferencial del suelo sin fallar.
En la Ingeniería se tienen las preguntas que en cualquier problema geotécnico se deben contestar, pero existen muchas adicionales, relativas al tipo de problema y a la solución considerada.
Algunas de estas preguntas son:
¿Cuáles son los rangos de variación de la presión de poro que pueden
presentarse en el suelo arcilloso y qué movimientos provocarán?
¿Qué efectos se pueden generar en nuestra obra por la construcción de obras Civiles y Mineros?
¿Qué acciones pueden llevarse a cabo para controlar la humedad de las Arcillas?
¿Cómo pueden controlarse los movimientos de suelos Arcillosos?
¿Qué estudios de campo y laboratorio son necesarios, tomando en cuenta que se trata de (arcilla expansiva) un suelo no saturado?
¿Cómo determinar la interacción suelo Arcilloso - estructura?
¿Qué tan factible es obtener muestras de rocas representativas en una perforación diamantina para ensayar en el laboratorio?
¿Es representativa la humedad del suelo en el momento de extracción y ensaye, respecto a la que o las que podrán presentarse durante la vida de la obra?
¿Cómo podrá alterarse la humedad arcillosa en el sitio por efecto de la construcción?
OBRAS CIVILES
Numerosas obras de ingeniería descansan sobre suelos: edificios, puentes y
viaductos, carreteras y caminos, vías de ferrocarril, etc. Otras lo atraviesan, como los túneles
del metro, y las obras de abastecimiento y saneamiento.
Si el terreno no resistiera adecuadamente, podrían aparecer grietas en su interior,
roturas de cristales, o lo que es peor, se podría hundir el edificio o parte de él.
- CONSTRUCCIONES - ESTRUCTURAS.
- HIDRÁULICA. - REPRESAS.
- SANITARIA. - CARRETERAS.
- TUNELES Y EXCAVACIONES. - CORETE Y RELLENO.
OBRAS MINERAS
- PERFORACIONES DIAMANTINAS.
- EN LABORES DE EXPLORACIÓN, DESARROLLO Y EXPLOTACIÓN
OBRAS CIVILES Y MINERAS EN LA QUE AFECTA LAS
ARCILLAS
Impide la recuperación al 100% de los testigos,
En zonas de fallas tiende a amarrar las tuberías
Pérdida de tiempo.
Pérdida de materiales (tuberías y otros).
PERFORACIONES DIAMANTINAS
PERFORACIONES EN SUPERCFICIE
PERFORACIONES EN SUBTERRANEO
Perforaciones Diamantinas en una
galería de una Mina Subterranea
MUESTRAS ROCAS
Es dificultoso poder atravesar la zona.
Perdida de tiempo
En zonas de falla, es necesario el armado de buenos cuadros (bien topeados, encostillados, enrejados, encribados) y sus marchavantes, y si es necesario se arma castillos.
Causa diversos accidentes (soterramiento de personal, camionetas, etc).
Perdida o deterioro de materiales (tuberías, barrenos, máquina, percheros, maderas, cimbras, etc).
Genera deslizamiento en los tajos abiertos (ejemplo: tajo Raúl Rojas).
EN LABORES DE EXPLORACIÓN,
DESARROLLO Y EXPLOTACIÓN
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Cuadros
Cimbra Metálicas para el soporte de las
Arcillas de una Falla
Fallas inestables de la roca
(Liberaciones de energía potencial)
Inestabiliza taludes, provocando debilitamiento de los muros de contención de las carreteras.
Provoca derrumbes (huaycos), causando paralización en el tránsito (ejemplo en la selva).
Fracturamiento de vías asfaltadas, debido al bombamiento de las arcillas.
CARRETERAS
Panorámica del deslizamiento
Deslizamientos de laderas por
desprendimientos de Arcillas
Los suelos arcillosos pueden inclinar edificios y diversas construcciones hechas.
Inestabiliza presas, PAD de lixiviación, canchas de relave, canchas de desmonte, etc.
EN CONSTRUCCIONES
Hinchamiento
Un ejemplo de colapso de un túnel se muestra
en el hundimiento del túnel de maniobras de la
L5 del metro de Barcelona.
EN TÚNELES
Rotura de la Presa de
Aznalcollar: Un ejemplo de
Fallo Geologico-Geotecnico
por presencia de Arcillas. La
Presa estaba apoyada
sobre la formación Miocena
conocida como margas
Azules, constituidas por
Arcillas de Plasticidad Alta,
muy sobreconsolidadas y
con abundante superficies
de corte en su interior.
EN PRESAS
La profundidad de la investigación
depende de las necesidades del proyecto
(Sondajes, geofísica, ensayos,
construcciones civiles, etc.) Incluyendo los
estudios iniciales (revisión bibliográfica,
logística, planificación, etc.), investigación del
terreno Arcilloso, ensayos de terreno y
elaboración de informes.
INVESTIGACIÓN DEL SITIO PARA UNA
OBRA YA SEA MINERA O CIVIL
El Profesional de la Ingeniería geológica tiene formación
Científica y Técnica aplicada a la solución de los problemas
Geológicos por las Arcillas que afectan a la Ingeniería, dando
respuesta a las Siguientes Cuestiones.
1. Dónde situar una obra pública o instalaciones industrial que su emplazamiento
sea geológicamente seguro sin problemas de movimientos de las arcillas.
2. Por donde trazar una vía de comunicación donde no pudieran observarse
deslizamientos por causa de suelos arcillosos.
3. En qué condiciones Geológicas - Geotécnicas debe cimentarse un edificio.
4. Como y donde excavar un Túnel o instalaciones subterráneas para que sea
estable.
5. Con que y donde se pueden construir las Represas, carreteras, túneles, etc.
6. A que tratamiento debe someterse el terreno para evitar o corregir
hundimientos, asientos, desprendimientos, etc. a causa de suelos arcillosos.
7. Como evitar, controlar o prevenir los riesgos geológicos por presencia de
arcillas (deslizamientos, etc.)
8. Que criterios geológicos-geotécnicos deben tenerse en cuenta en la solución
de los diferentes problemas a causa de los suelos arcillosos en la ingeniería
