arcillas - problemas en ingenieria

Cerro de Pasco, Noviembre -:- 2012

GEOTECNIA I

GEOTECNIA I

Suelos ARCILLAS Identificacin y Problemas en Ingeniera 2

UNIVERSIDAD NACIONAL

DANIEL ALCIDES CARRIN

FACULTAD DE INGENIERA

ESCUELA DE FORMACIN PROFESIONAL DE

GEOLOGIA

TEMA:

ARCILLAS PROBLEMAS EN INGENIERIA

Asignatura : Geotecnia I

Semestre : VIII

Cerro de Pasco, Noviembre del 2012

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DEDICATORIA

A aquellos que en el largo camino, nunca se dieron

por vencidos, sino que han permanecido

perseverantes a pesar de las diferentes dificultades

que se atraviesa diariamente.

A nuestra Alma Mter - UNDAC

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AGRADECIMIENTO

El presente informe, es el significado y resultado del incondicional

apoyo y colaboracin de nuestros apreciados Padres, por darnos la

oportunidad y el privilegio de seguir cursando nuestros estudios

superiores, en la Universidad Nacional Daniel Alcides Carrin,

agradecemos sinceramente a Ellos. Al Ing. Reynaldo Mejia Cceres por

los conocimientos que nos brinda a cada uno de nosotros, ya sea en saln

de clases as como tambin en el campo.

De la misma manera ofrecemos esplndidos reconocimientos, a los

distintos docentes de la Universidad Nacional Daniel Alcides Carrin de la

Escuela de Geologa por sus conocimientos y experiencias regadas en

clase.

A Dios por la razn de nuestro existir

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INDICE

DEDICATORIA

AGRADECIMIENTOS

INDICE

INTRODUCCIN

OBJETIVOS

CAPITULO I

SUELOS ESPECIALES

I. Suelos Dispersos II. Suelos Colapsables III. Suelos Expansivos

CAPITULO II

PROBLEMAS DE LA INGENIERA

1. En perforaciones diamantinas. 2. En labores de exploracin, desarrollo y explotacin. 3. En carreteras. 4. En construcciones.

CAPITULO III

CONCLUCIONES

RECOMENDACIONES

BIBLIOGRAFIA

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INTRODUCCIN

La Geotecnia es la Ciencia dedicada a la investigacin, estudio y

solucin de problemas relacionados con las propiedades mecnicas que

resultan de la interaccin entre la geologa y las obras y actividades del

hombre, as como a la prevencin o remediaciones de Suelos Arcillosos.

El presente trabajo es fruto de una investigacin exhaustiva, y trata de

temas relacionados de manera resumida y contundente de las diferentes

propiedades mecnicas que presentan las arcillas; as mismo comenta de las

formas de identificacin de cada una de las mismas; as como tambin de los

diversos problemas que genera en la ingeniera, sus causas, sus mtodos, Factor

de Seguridad, y otros ms relacionados a estos.

En primer lugar resulta interesante conocer qu son y cmo se formaron

estas arcillas, pues bien, no son sino depsitos de arcillas y limos que se

formaron por floculacin en las lagunas y aguas remansadas de agua salada

que se generan durante las glaciaciones. Dichos depsitos presentan una

estructura interna en la que la sal acta como un cemento relativamente dbil

por sus cualidades fsicas, principalmente el tamao, y qumicas.

Los Alumnos

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OBJETIVOS:

Conocer las diferentes propiedades mecnicas de las diversas arcillas.

Instruirnos en lo que engloba el reconocimiento de dichas arcillas.

Estar al tanto de los problemas que causan las arcillas en la Ingeniera.

Solucionar los problemas en la Ingeniera por causa de las Arcillas.

Otros.

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ARCILLAS PROBLEMAS EN

INGENIERIA

ARCILLAS DISPERSIVOS

Antecedentes

Este tipo de suelo fue conocido primero por los ingenieros agrnomos hace ms de 100 aos. La

importancia del tema en la prctica de la Ingeniera Civil ha sido reconocida aproximadamente

desde 1940, pero no fue ampliamente apreciada sino hasta comienzos de 1960. Se inicia en

Australia cuando, se investiga las fallas de socavacin en presas de tierra y se observa el

comportamiento de la arcilla dispersiva en presas pequeas de arcilla. Desde este tiempo,

muchas investigaciones han sido ejecutadas a fin de mejorar los procedimientos para identificar

a las arcillas dispersivas

Descripcin

Las arcillas dispersivas son fcilmente erosionables debido al estado fsico-qumico de la

fraccin de la arcilla de un suelo que causa a las partculas individuales de la arcilla al

dispersarse y se rechazan en la presencia del agua relativamente pura.

Las arcillas en este estado son altamente erosivas por los bajos gradientes hidrulicos del flujo

del agua

Cuando el suelo de arcilla dispersiva es sumergido en agua, la fraccin de arcilla tiende a

comportarse de manera semejante a las partculas granulares.

El suelo de arcilla dispersiva erosiona con la presencia del agua que fluye Tal erosin

puede ser provocada por una filtracin inicial a travs de la presa, por ejemplo, en las reas 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 saturacin del asentamiento de las fisuras, y/o el fracturamiento

hidrulico.

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IDENTIFICACIN DE ARCILLAS DISPERSIVAS (RECONOCIMIENTO DE

CAMPO)

Para determinar si existe este tipo de suelo es necesario comenzar con el reconocimiento de

erosiones y hondonadas profundas, junto con cualquier depsito de agua. Aunque tambin se

debera proceder con exploraciones adicionales como:

La erosin de grietas en los caminos

La erosin a lo largo de las quebradas y la erosin de intemperizacin o las arcillas

unidas en rocas pueden sealar suelos potencialmente dispersivos

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 formacin de orificios superficiales que se hallan bastante

erosionados

La erosin severa superficial es otro problema causado por la presencia de arcillas

dispersivas. Esta erosin va por lo general de cntaros

Ejemplo

De falla en una presa

debido a la presencia

de suelos dispersivos

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Erosin profunda

por suelos

dispersivos

Afloramiento

superficial de sales

Erosin severa

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Muchas arcillas dispersivas son de origen aluvial.

Algunas arcillas de las laderas de lechos de ro son tambin dispersivas.

Algunos suelos derivados de la lutita

La arcilla bajo un medio martimo son tambin dispersivos.

Los suelos derivados de la intemperizacin de las rocas gneas y metamrficas son casi

todos no dispersivos, pero pueden ser erosionables, (por ejemplo, la arena limosa

derivada de la granodiorita).

Suelos con un alto contenido orgnico probablemente no son dispersivos (esto necesita

ser tratado con cautela, desde que muchos suelos tipo "algodn negro" son dispersivos).

IDENTIFICACIN DE ARCILLAS DISPERSIVAS EN LABORATORIO

Para la identificacin de arcillas dispersivas en laboratorio, el Servicio de Conservacin de

Suelo (SCS) recomienda la realizacin de al menos tres de los cuatro siguientes ensayos de

laboratorio:

Ensayo de erosin interna.

Este ensayo presenta una medida directa y cualitativa de la dispersividad y consecuente

erosin de suelos arcillosos que es causada por el flujo de agua a travs de un pequeo

orificio realizado en la muestra.

Anlisis qumico del extracto de poros.

El objetivo principal de este ensayo es la determinacin de las cantidades de los cuatro

cationes metlicos principales presentes en el agua

Orificios superficiales

producto de la erosin de la

arcilla dispersiva

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Mtodo Estndar para las caractersticas de suelos arcillosos por doble

hidrometra.

El ensayo de doble hidrometra se halla estandarizado y consiste bsicamente de la

realizacin de dos ensayos hidromtricos; 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 comparacin se obtiene el grado de dispersin de las arcillas.

Ensayo qumico de fracciones de suelo.

Este ensayo es un mtodo bastante simple para la identificacin de arcillas dispersivas

tanto en campo como en laboratorio. La dispersividad del suelo es determinada a partir

de su clasificacin en cuatro grados o categoras que se diferencian de acuerdo a la

reaccin suelo-agua que se presenta en el ensayo.

Ya que los suelos dispersivos no son fcilmente detectables, pueden presentarse

antes o despus de realizar una carretera o hacer taludes, stos suelos ocasionan que se

deslicen y colapsen bajo lluvias fuertes o filtraciones de agua si no se refuerzan contra

la erosin

Las edificaciones, de cualquier envergadura, si no poseen el estudio adecuado de suelos,

podran presentar problemas de asentamiento y/o colapsar debido a la socavacin de sus

bases

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Soluciones para Diversos Problemas con Suelos Dispersivos

En este suelo al disminuir su porosidad, no es muy aconsejable, utilizar el lavado para

su correccin debido a la deficiencia de su drenaje.

Bajar el pH aplicando yeso, cal viva, entre otros productos, que reaccionaran con el

carbonato sdico, formando carbonato clcico y sulfato sdico (lcali blanco).

En la agricultura la solucin ms factible es hacer cruzamientos con plantas tolerantes a

la salinidad o utilizar el pasto para estabilizar las zonas dispersivas

Para las carreteras se utiliza una combinacin de drenajes, sub-drenajes, pavimentos

impermeables y reglamentos para el uso de agua con el fin de crear una restriccin

severa del humedecimiento.

En un terrapln debidamente gradado se puede realizar un "recubrimiento impermeable"

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SUELOS COLAPSABLES

CARACTERISTICAS Y ALTERNATIVAS DE SOLUCIONES SUELOS

COLAPSABLES

Definicin:

Generalmente son suelos de origen elico, cuya estructura est 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 reas desrticas.

En la actualidad se incluyen en este grupo de suelos a aquellos fuertemente cementados

por sales solubles, que sufren grandes asentamientos por la lixiviacin de dichos materiales.

Caractersticas de estos suelos: al contacto con el agua sufren cambios bruscos en su volumen

por efecto del lavado de sus cementantes (sales), debido al reacomodo de sus partculas.

Cuando el material cementante constituye gran parte de la matriz del suelo, el proceso

de lixiviacin tambin genera grandes reducciones de su volumen. Estos se encuentran en las

regiones ridas y semiridas. Los depsitos elicos, coluviales, residuales, tufos volcnicos

pueden ser colapsables.

(a) (b)

Figura. Mecanismo de colapso de una arena colapsable (a) Estructura de suelo cargada antes de

la inundacin (b) Estructura de suelo cargada despus de la inundacin (Rogers, 1995)

La causa ms importante para el colapso es el decremento en la adhesin estructural que existe

en los contactos entre elementos estructurales, cuando se lleva cabo el proceso de saturacin.

La estructura de estos suelos es abierta y floja, como corresponde a la naturaleza limosa de sus

partculas y a su origen (depositados por la accin del viento o de aguas tranquilas, que

transportan las partculas finas y las depositan al dejar de actuar la corriente). (Figura 1)

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Figura. Reordenamiento de partculas y del ndice de poros en funcin de la presin de

consolidacin (Benett y Hulbert, 1986).

Nada ms ser depositados no tienen cohesin, pero los espacios entre huecos de las partculas

que los forman son ocupados, total o parcialmente, por partculas ms finas y por dbiles

cementos yesferos o carbonticos. Estos cementos proporcionan cierta cohesin estructural

interpartculas y un mnimo de capacidad resistente.

En ausencia de agua, estos suelos cementados se mantienen estables y de modo localizado

pueden alcanzar una dbil a moderada resistencia. Incluso pueden definir niveles de

encostramiento que proporcionen valores de hasta 0,3 N/mm. En presencia de agua, el cemento

interpartculas se disuelve y el suelo pierde la escasa capacidad portante que tena y colapsa. Si

adems el suelo soporta la carga correspondiente a una estructura el colapso se acenta, y dicha

estructura tender a colapsar, a asentar bruscamente, produciendo importantes patologas.

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Los suelos colapsables limo-yesferos son los ms habituales en Espaa, donde se localizan en

el Valle del Ebro y en algunas zonas de Levante. Presentan ciertas caractersticas geotcnicas

comunes, como son los bajos valores de densidad seca (por debajo de 1.4 podemos plantearnos

la presencia de suelos colapsables, y densidades de 1,2 son habituales), baja o nula plasticidad y

elevados valores de colapso por inundacin. Normalmente presentan caractersticas resistentes

bajas, aunque pueden alcanzar valores medios. En presencia de agua, el cemento yesfero que

dota de cierta resistencia al suelo se disuelve, siendo entonces cuando el suelo colapsa, llegando

a perder hasta un 10% de volumen pudiendo producir un asiento brusco de las estructuras.

Los suelos colapsables limo-arenosos se generan en climas muy secos (zona de Levante,

Alicante, Murcia, Almera). Su grado de saturacin es muy bajo, 20-30%. Debido a ello suelen

presentar en su zona superior, ms prxima a la superficie niveles encostrados. Sin embargo,

por debajo el suelo esta flojo, sin cementar.

Un caso especial de suelos colapsables lo constituyen los rellenos arenosos flojos. Suelen ser

rellenos sin compactar, cuya estructura floja permite la entrada de agua disminuyendo las

fuerzas de cohesin intergranular y provocando su colapso.

Las cimentaciones ms recomendables sobre este tipo de suelos son las cimentaciones

profundas, que deben tender a sobrepasar los niveles colapsables. Una alternativa a esta

tipologa para casos de suelos con potencial bajo o medio de colapso, puede ser la cimentacin

mediante losa de suficiente rigidez, incluso apoyada sobre una mejora de terreno, que reparta

cargas lo mximo posible con el fin de no concentrar tensiones, y /o trabajar a tensiones lo ms

bajas posibles, cuidando en todos los casos al mximo la posible afeccin del agua al terreno

sobre el que se dispone la cimentacin (saneamientos flexibles, colgados, realizacin de pruebas

de estanqueidad, etc.)

IDENTIFICACIN DE SUELOS COLAPSABLES.

Rogers(1995) cita como caractersticas tpicas, de la mayora de suelos colapsables, las

siguientes:

Estructura abierta

Alto ndice de vacos

Baja densidad seca

Alta porosidad

Provienen de depsitos relativamente jvenes o recientemente alterados.

Alta sensitividad y baja fuerza de enlace entre las partculas.

Segn informacin geolgica y geomorfolgica este tipo de suelos suele presentarse en regiones

ridas donde se tiene la presencia de depsitos aluviales y coluviales.

Existen tambin, relaciones cualitativas y semi-cuantitativas entre el potencial de colapso y los

ndices de propiedad del suelo.

MANIFESTACIN DE PATOLOGAS EN EDIFICACIONES SOBRE SUELOS

COLAPSABLES. Cuando ocurre el colapso del suelo sobre el se emplaza un edificio, pueden producirse daos en

su estructura. Estos daos se manifiestan de modo semejante a los generados por asientos

diferenciales (fundamentalmente grietas y/o fisuras a 45 (Figura 1.12 o 2.6 Del libro de

Serrano).

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Figura Izqda.: Esquema de giro experimentado por 2 mdulos de viviendas.

Figura Dcha.: Tipologa de lesiones en tabiques perpendiculares a prticos.

En algunos casos los colapsos pueden llegar a producir asientos del terreno que se reflejan sobre

infraestructuras superficiales (lneas frreas, autovas, etc.) de modo evidente, generando daos

importantes

Deformacin en vas a consecuencia de un colapso de suelo.

Lnea frrea Madrid-Barcelona.

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En algunos casos extraordinarios de colapso de suelos, el hundimiento de ste puede tragarse

literalmente algunas construcciones (Fotografa 2)

Colapso del terreno y hundimiento de las viviendas existentes a consecuencia del mismo

El hecho de cimentar sobre un suelo colapsable no implica que en todos los casos ese suelo vaya

a colapsar, sino que han de darse una serie de condiciones para que eso ocurra, tales como:

o Que no se haya identificado previamente su existencia en el suelo que servir

de apoyo a una estructura.

o Que se produzcan una serie de condiciones de contorno, que constituyan el

detonante y permitan el desarrollo del potencial colapso (lo ms habitual roturas

o fugas de la red de saneamiento, abastecimiento, riego de jardines, etc.)

Sistema constructivo no adecuado a las caractersticas del subsuelo de la parcela (saneamientos,

drenaje o tipologa de cimentacin inadecuados)

Para definir a priori si un suelo es o no colapsable, Houston et al (2001) proponen un mtodo

de identificacin de suelos colapsables a partir de la clasificacin de suelos.

El criterio establecido por Houston et al es el siguiente:

Suelos no plsticos:

El suelo puede ser colapsable si:

mmD 1.060 Donde:

60D = Dimetro mayor de partcula correspondiente al 60% ms fino del suelo Suelos plsticos:

El suelo puede ser colapsable, si:

10IP Donde:

IP Valor de normalizacin de suelos plsticos, 100

*(%) 200PIP [4.2]

IP= ndice de plasticidad

200P =Porcentaje que pasa el tamiz No 200. Una vez que la posibilidad de un suelo colapsable ha sido detectada, los parmetros

fsicos de un suelo colapsable, pueden ser determinados a travs de los siguientes mtodos:

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a) Por medio de criterios expuestos por diferentes autores.

La Tabla 4.3 presenta varios criterios que han sido propuestos por diferentes autores. Todos los

criterios presentados sirven para la identificacin de los parmetros fsicos de suelos

colapsables.

Por su parte, Holtz & Hilf (1961) sugirieron que cuando un suelo loesial tiene un ndice

de vacos despus de la saturacin, lo suficientemente grande como para exceder su lmite

lquido, entonces el suelo es susceptible al colapso. Luego, para el colapso:

LLsaturado [4.3]

Sin embargo, para suelos saturados:

soGe

[4.4]

Reemplazando [4.5] en [4.6], para suelos colapsables, se obtiene:

so GLLe [4.5]

Luego, el peso unitario seco d

del suelo colapsable es:

s

ws

o

wsd

GLL

G

e

G

11

[4.6]

Tabla 4.3. Criterios para la identificacin de suelos colapsables (Das, 1999).

Investigador Ao Criterio

Denisov 1951 Coeficiente de Subsidencia

K(1)

= 0.5-0.75 : Altamente colapsable

K(1)

= 1.0 : Francamente no colapsable

K(1)

= 1.5-2.0 : Suelos no colapsables.

Clevenger 1958 Si peso unitario seco es menor que 12 kN/m3, el asentamiento ser

grande; si el peso unitarios seco es mayor que 14.1 kN/m3, el asentamiento ser pequeo.

Priklonski 1952 KD(2)

0.5: Suelos no colapsables.

KD(2)

>1.0: Suelos expansivos.

Sovietic Building Code 1962 o

Lo

e

eeL

1

Donde:

oe ndice de vacos natural

Le ndice de vacos en el lmite lquido

Para un grado de saturacin natural menor que 60%, si L

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Modificado despus de Lutenegger y Saber (1988).

(1) naturalvacosdendicelquidolmiteelenvacosdendice

K

(2) dplasticidadendiceplsticolmiteelennaturalhumedaddecontenido

KD

(3) IP

LP

SK oL

Donde:

o Contenido de humedad natural S Grado natural de saturacin. LP Lmite plstico.

IP ndice de plasticidad

Para un valor promedio de sG

de 2.65 pueden ser calculados varios valores lmites de d

para

distintos valores del LL . La Tabla 4.4 presenta dichos valores.

Tabla 4.4. Valores lmites de d

para distintos valores del LL (Das, 1999).

Lmite Lquido Valores lmites de d

% kN/m3

10 20.56

15 18.60

20 16.99

25 15.64

30 14.48

35 13.49

40 12.62

45 11.86

Finalmente, la Figura 4.12 es la representacin grfica de la Tabla 4.4. Luego, para

cualquier suelo, si la combinacin de d

y LL cae debajo de la lnea lmite, el suelo est prximo a colapsar.

Das (1999) recomienda que la obtencin de muestras inalteradas de suelo para la

determinacin del potencial de colapso y los pesos unitarios secos, debe ser realizada

preferiblemente a partir de bloques de muestra cortados a mano; debido a que cuando la muestra

es obtenida a partir de tubos de pares delgada, esta puede haber sufrido esfuerzos de compresin

durante el muestreo. Sin embargo, si este ltimo procedimiento es usado, los sondeos deberan

ser hechos sin la presencia de agua.

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Cmo distinguir suelos expansivos de colapsables?

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GEOTECNIA I


ALTERNATIVAS DE SOLUCION

PREVENCIN DE DAOS Para que se desencadene el colapso de un suelo tienen que concurrir dos circunstancias:

Que el suelo tenga la potencialidad de colapso, determinada mediante los

ensayos y el reconocimiento geotcnico pertinente.

Que se den las condiciones de contorno adecuadas, tales como cambios de

humedad, inundacin o concentracin de tensiones.

Por tanto, para prevenirlo habr que:

Realizar una identificacin geotcnica adecuada, que permita definir si estamos o

no en presencia de suelos colapsables. Para ello es preciso disponer de un estudio

geotcnico lo ms completo posible, ya se trate de un estudio geotcnico para un

gran edificio o para una vivienda unifamiliar.

Minimizar la posibilidad de que se desarrollen las condiciones de contorno a las que

antes hacamos referencia.

Adoptar medidas constructivas acordes al riesgo que representa la presencia del

suelo colapsable (saneamiento flexible y colgado, drenajes adecuados, tipologa de

cimentacin adecuada, preferentemente cimentaciones profundas ejecutadas sin

agua de perforacin, que superen los niveles colapsables y con consideracin de

rozamiento negativo, acerados amplios, mejoras de terreno, etc.)

Generacin del Colapso por Saturacin

Impermeabilizacin de suelos.

Evitar la construccin de jardines, diseando jardineras.

Estabilizacin del terreno mediante procesos fsicos o qumicos.

Compactacin Dinmica.

Tcnicas de vibro sustitucin con gravas.

Inyecciones de impregnacin, de compactacin, etc.

Tcnicas de vibracin por explosivos.

REPARACIN DE DAOS.

La tcnica habitualmente empleada como recalce de estructuras de edificacin con patologas

desarrolladas a consecuencia de algn fenmeno de colapsabilidad son los micropilotes. Dadas

las particularidades de este tipo de suelos y su sensibilidad al agua, los micropilotes

empleados en estos recalces se perforan en seco, sin agua, la cual es sustituida por aire

comprimido para ayudar en la perforacin.

Lgicamente en el desarrollo de las reparaciones de los daos generados por el colapso han de

acometerse otras actuaciones especficas de la magnitud y el alcance de dichos daos, lo cual se

determinar para cada caso.

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Presion de sobrecarga

kPa Caolinita Ilita Motmorrilonita

9.6 Despreciable 350 1500

19.1 Despreciable 150 350

Potencial de expansion (%)

SUELOS EXPANSIVOS

Definicin.

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.

En contraste, las arcillas estn formadas de partculas muy pequeas que generalmente tienen la

forma de placas. Las propiedades de estas ltimas son fuertemente influenciadas tanto por el

tamao pequeo de las partculas como por la gran superficie de estas al igual que por sus

inherentes cargas elctricas.

En la naturaleza existen varios minerales de arcilla diferentes, radicando la diferencia en su

configuracin qumica y estructural.

Tres son los minerales de arcilla ms comunes: caolinita, ilita y motmorrilonita.

La composicin qumica as como la estructura cristalina de estos minerales es diferente y por

tanto la susceptibilidad a la expansin de estas arcillas es tambin diferente.

Potencial de expansin de minerales de arcilla pura (Budge et al, 1964).

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La expansin ocurre cuando el agua se infiltra en o entre las partculas de arcilla, causando la

separacin de stas.

La caolinita es esencialmente no expansiva debido a la presencia de fuertes uniones de

hidrgeno que mantienen a las partculas individuales de arcilla juntas.

Por otro lado, la ilita contiene uniones de potasio dbiles que permiten una expansin limitada.

La motmorrilonita cuyas uniones son an ms dbiles.

De esta manera, el agua penetra fcilmente en la motmorrilonita y separa sus partculas. Coduto

(1994) afirma que segn observaciones de campo, los mayores problemas ocurren en suelos con

un alto contenido de motmorrilonita.

Existe otro tipo de fuerzas que influyen en el fenmeno de expansin. Estas son:

Tensin superficial en el menisco de agua ubicado entre las partculas.- Esta fuerza

tiende a empujar las partculas juntas comprimiendo el suelo.

Presin osmtica.- Fuerza que tiende a atraer el agua y presionar las partculas

expandiendo as el suelo.

Presin atrapada en los bulbos de aire.- Fuerza que 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.

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Por tanto, cualquier cambio en las fuerzas citadas anteriormente, produce que las arcillas

expansivas, se expandan o contraigan en respuesta a tales cambios.

Por ejemplo, si se considera una arcilla motmorrilonita que se halla inicialmente saturada, y si

se supone que se producen cambios en la tensin superficial y en la presin osmtica; el cambio

en la estructura de esta arcilla es observado en las Figura.

En la Figura (b), si se asume que el suelo se seca, el contenido de humedad remanente se reunir

cerca de la interfase entre partculas, formando un menisco en el que las fuerzas de tensin

superficial resultantes producen que las partculas 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 atraer el agua

disponible por medio de la osmosis. En esta etapa se produce en el suelo un valor de succin

muy alto. Luego, si existe agua disponible en los alrededores, el fenmeno de succin atraer

sta al interior de los espacios entre las partculas del suelo y el suelo se expandir. Fig. 4.15 (c).

En esta etapa el resorte ha sido liberado, y quizs ser ahora forzado hacia fuera.

(a) (b) (c)

Expansin y contraccin de una arcilla expansiva (Coduto, 2001).

Partculas de arcilla

Agua

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Cuando se trabaja con suelos expansivos, se denomina zona activa a la profundidad del suelo en

la que se producen cambios peridicos de humedad.

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CIMENTACIONES SOBRE SUELOS EXPANSIVOS

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:

Montonos

Estacional

Accidental.

MOVIMIENTOS MONOTOMOS EN SUELOSEXPANSIVOS

Describen el cambio de un estado de equilibrio a una nueva.

MOVIENTOS ESTACIONALES:

Se manifiestan en el suelo en campo abierto, cuando el terreno experimenta movimientos

cclicos debido a las fluctuaciones de contenido de humedad, con el tiempo.

EFECTOS ACCIDENTALES:

Las causas accidentales de movimientos en suelos expansivos son las que se roducen

cuando el suelo se satura por fugas de agua, del drenaje de agua potable, o por riego

excesivo de reas verdes.

LA VEGETACION: es otra causa accidental; los arboles son capases de producir un

estado profundo de desecacin del suelo, que va mas alla d su limite de contraccion.

Cerca de las races, el suelo se encuentra en estado ms activo y propenso a ezpandirce.

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Cimentacioones sobtre suelos expansivos:

Existen 2 maneras de proporcionar solucion a las cimentaciones sobre los suelos expansivos:

1. ACCIONES SOBRE EL SUELO:

Subtitucion, estabilizacion:

2. ACCIONES SOBRE LA ESTRUCTURA:

Cimentacin: flexible, rgida y aislada.

ACCIONES SOBRE ESTRUCTURA:

Existen diferentes tipos de cimentaciones superficiales:

1. Muros de carga sobre zapatas corridas.

2. Losa de cimentacin que cubra toda el rea para construir:

Losa flexible

Losa rgida

LOSAS DE CIMENTACION EN ARCILLAS EXPANSIVAS.

a larga plazo la cimentaccion es soportado por el suelo en su parte central por que al

incrementarce la unidad bajo la cimentacion, el suelo forma una especie de domo (o

plato invertido) al expandirce.

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MEDIDAS DE PREVENCIN Y/O SOLUCIN CUANDO SE TRABAJA CON

SUELOS EXPANSIVOS.

Los daos en las estructuras de fundacin que ocurren como resultado de la presencia

de un suelo con elevado potencial de expansin, pueden ser evitados a travs de la

aplicacin de tres posibles alternativas:

Reemplazar el suelo expansivo bajo la fundacin. Esta alternativa es viable en caso de

que se trate de suelos poco profundos.

Estabilizacin del suelo expansivo, ya sea mediante compactacin controlada, pre

humedecimiento, y/o estabilizacin qumica.

La compactacin cuando se trabaja con suelos expansivos puede ser una medida til

para disminuir el potencial de expansin. Por lo general, no se recomienda el uso de

losas de fundacin, sobre todo en casos donde se espera un levantamiento mayor a 38

mm.

Finalmente, la estabilizacin qumica 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 lmite lquido, el ndice de plasticidad y

las caractersticas de expansin del suelo.

Construir estructuras lo suficientemente flexibles para resistir el levantamiento

diferencial del suelo sin fallar.

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PROBLEMAS DE LA INGENIERA POR LAS ARCILLAS

Hemos visto, los daos debidos a arcillas jvenes y compresibles, sin diferenciar las

arcillas por su constitucin mineral, de la cual depende muy directamente su sensibilidad al

agua.

En el caso, el mineral arcilloso es esencialmente la caolinita, que sabemos que es ms

bien estable estructuralmente; puede ser que no ocurra lo mismo con la montmorillonita.

Se seala, por ltimo, que debido a la propia naturaleza de las arcillas afectadas, se

puede desarrollar, en el transcurso de un periodo lluvioso, un efecto opuesto de dilatacin que

tienda a volver a cerrar las grietas (no sin dificultades para la reparacin).

El Problema en La Ingeniera es evidentemente los lugares en las que se generaron estas

arcillas. Dichos lugares se encuentran actualmente en zonas muy hmedas, zonas como los

deshielos que tuvieron lugar al final de la glaciacin, hayan producido un lavado progresivo de

la sal de estas arcillas, desestabilizando por tanto su estructura interna.

Ahora bien, estas arcillas sin la sal que estabilizaba su estructura, se mantienen porque la

disposicin de sus partculas es la correcta, pero si algo como vibraciones, pequeos

corrimientos, presin hidrosttica descompensada, desestabiliza este precario equilibrio y

rompe la estructura, el slido se torna lquido, y pueden dar lugar a catstrofes como los

problemas en la Ingeniera.

En la Ingeniera se tienen las preguntas que en cualquier problema geotcnico se deben

contestar, pero existen muchas adicionales, relativas al tipo de problema y a la solucin

considerada.

Algunas de estas preguntas son:

- Cules son los rangos de variacin de la presin de poro que pueden presentarse en el

suelo arcilloso y qu movimientos provocarn?

- Qu efectos se pueden generar en nuestra obra por la construccin de obras Civiles y

Mineros?

- Qu acciones pueden llevarse a cabo para controlar la humedad de las Arcillas?

- Cmo pueden controlarse los movimientos de suelos Arcillosos?

- Qu estudios de campo y laboratorio son necesarios, tomando en cuenta que se trata de

(arcilla expansiva) un suelo no saturado?

- Cmo determinar la interaccin suelo Arcilloso - estructura?

- Qu tan factible es obtener muestras de rocas representativas en una perforacin

diamantina para ensayar en el laboratorio?

- Es representativa la humedad del suelo en el momento de extraccin y ensaye, respecto a

la que o las que podrn presentarse durante la vida de la obra?

- Cmo podr alterarse la humedad arcillosa en el sitio por efecto de la construccin?

GEOTECNIA I


Obras Civiles y Mineros en la que afecta Las Arcillas

OBRAS CIVILES

Numerosas obras de ingeniera descansan sobre suelos: edificios, puentes y

viaductos, carreteras y caminos, vas de ferrocarril, etc. Otras lo atraviesan, como los

tneles del metro, y las obras de abastecimiento y saneamiento.

Por ello, es necesario conocer cmo va a reaccionar el suelo cuando el ser

humano acta en l. A ello se dedica la Mecnica del Suelo.

Por ejemplo, todo el peso de un edificio y de lo que contiene en su interior, va a

parar a unos elementos denominados cimentacionesque lo transmiten al suelo sobre el

que descansan, generando tensiones internas, tal como se puede ver en la pgina

siguiente. Sernecesario saber antes de construir el edificio, si ese suelo va a resistir

todo ese peso.

Si el terreno no resistiera adecuadamente, podran aparecer grietas en su interior,

roturas de cristales, o lo que es peor, se podra hundir el edificio o parte de l.

- CONSTRUCCIONES

El comportamiento de los materiales debe asegurar la evolucin del proyecto

segn lo esperado seguro y econmico: proyectos livianos, proyectos pesados

(casas, edificios pequeos).

- ESTRUCTURAS.

Se Aplica diseos de fundaciones, edificios, puentes, etc.

- HIDRULICA.

Es el diseo de obras hidrulicas (canales, presas, reservorios de

almacenamiento, tuneles, etc.) flujo atravez de medios porosos, hidrulica de ros,

puertos, etc.

- REPRESAS.

La eleccin de la ubicacin y tipo de muro, estabilidad de laderas, filtraciones,

material, estribos, etc.

- SANITARIA.

Diseo de redes de alcantarillado sanitario y pluvial (zangas, entibados), Diseo

de plantas de tratamiento de aguas residuales (estudio del suelo del lecho, permeabilidad

de los estratos), diseo de rellenos sanitarios, etc.

- CARRETERAS.

Estudios geotectnicos de suelo en general de toda el rea donde se pretende

construir la carretera, estabilidad de taludes, compactacin de suelos, etc.

GEOTECNIA I


- TUNELES Y EXCAVACIONES.

En el caso de tneles es necesario conocer cmo va a reaccionar el suelo cuando

se perfora, y quelementos de sostenimiento hay que introducir mientras se construye

para evitar su hundimiento.

Estabilidad de las Paredes. Controlar el agua y sugerir mtodos de

Escavaciones.

- CORTE Y RELLENO.

Establece la pendiente de un camino o trazado lineal. Identificar los materiales

alo largo del trazado. Utilizacion y abandono de la obra. Estabilidad de taludes en el

largo plazo, etc.

OBRAS MINERAS

- PERFORACIONES DIAMANTINAS.

- EN LABORES DE EXPLORACIN, DESARROLLO Y EXPLOTACIN

PROBLEMAS EN OBRAS MINERAS

A. En perforaciones diamantinas

Impide la recuperacin al 100% de los testigos.

En zonas de fallas tiende a amarrar las tuberas.

Prdida de tiempo.

Prdida de materiales (tuberas y otros).

GEOTECNIA I


Perforaciones Diamantinas en una galera de una Mina Subterranea

B. EN LABORES DE EXPLORACIN, DESARROLLO Y EXPLOTACIN

Es dificultoso poder atravesar la zona.

Prdida 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.).

Prdida o deterioro de materiales (tuberas, barrenos, mquina, percheros,

maderas, cimbras, etc.).

Genera deslizamiento en los tajos abiertos (ejemplo: tajo Ral Rojas).

GEOTECNIA I


Cimbra Metlicas para el soporte de las Arcillas de una Falla

C. EN TAJOS ABIERTOS.

Deslizamientos de Taludes por efecto de las Arcillas

Roturas en Taludes Mineros

PROBLEMAS EN OBRAS CIVILES:

A. En Carreteras.

Inestabiliza taludes, provocando debilitamiento de los muros de contencin

de las carreteras.

Provoca derrumbes (huaycos), causando paralizacin en el trnsito (ejemplo

en la selva).

Fracturamiento de vas asfaltadas, debido al abombamiento de las arcillas.

GEOTECNIA I


Deslizamientos de laderas por desprendimientos de Arcillas

B. EN CONSTRUCCIONES.

Los suelos arcillosos pueden inclinar edificios y diversas construcciones

hechas.

Inestabiliza Presas, PAD de lixiviacin, Canchas de Relave, Canchas de

Desmonte, etc.

GEOTECNIA I


Hinchamiento

- Las arcillas llamadas "expansivas" entraan un peligro para la cimentacin.

- Formas tpicas de fisuraciones en viviendas unifamiliares con cimentaciones

superficiales sobre suelo arcilloso en periodo de sequa.

Perfiles hdricos de suelos arcillosos.

Movimientos asociados.Contraccin. Hinchamiento.

En periodo normal.

En periodo de sequa.

W = Contenido en agua del suelo.

GEOTECNIA I


- Cuando los suelos arcillosos recuperan el agua, su volumen aumenta: la

cimentacin se levanta.

- Esta ltima observacin nos lleva a decir algunas palabras de esta patologa

inversa, que se da en estos mismos suelos arcillosos de montmorilonita. Se

manifiesta porque el edificio constituye una cobertura del terreno, que lo asla de

las variaciones climticas estacionales, sobre todo de la evaporacin en perodo

caluroso y seco (pero sin que se trate, en esta ocasin, de sequa excepcional).

GEOTECNIA I


DAOS PRODUCIDOS POR EXPANSIN DE SUELOS EN POLICLNICO MOQUEGUA

SAN ANTONIO

C. En Tuneles.

- Un ejemplo de colapso de un tnel se muestra en el hundimiento del tnel de

maniobras de la L5 del metro de Barcelona.

D. En Presas.

Rotura de la Presa de Aznalcollar: Un ejemplo de Fallo Geologico-Geotecnico por

presencia de Arcillas. La Presa estaba apoyada sobre la formacin Miocena conocida

como margas Azules, constituidas por Arcillas de Plasticidad Alta, muy

sobreconsolidadas y con abundante superficies de corte en su interior.

GEOTECNIA I


Investigacin del Sitio para una Obra ya sea Minera o Civil.

La profundidad de la investigacin depende de las necesidades del proyecto (Sondajes,

geofsica, ensayos, construcciones civiles, etc.) Incluyendo los estudios iniciales (revisin

bibliogrfica, logstica, planificacin, etc.), investigacin del terreno Arcilloso, ensayos de

terreno y elaboracin de informes.

El Profesional de la Ingeniera geolgica tiene formacin Cientfica y Tcnica aplicada a la

solucin de los problemas Geolgicos por las Arcillas que afectan a la Ingeniera, dando

respuesta a las Siguientes Cuestiones.

1. Dnde situar una obra pblica o instalaciones industrial que su emplazamiento sea

geolgicamente seguro sin problemas por el hinchamiento de las arcillas.

2. Por donde trazar una via de comunicacin donde no pudieran observarse deslizamientos

por causa de suelos arcillosos.

3. En qu condiciones Geolgicas - Geotcnicas debe cimentarse un edificio.

4. Como y donde excavar un Tnel o instalaciones subterrneas para que sea estable.

5. Con que y donde se pueden construir las Represas, carreteras, tneles, 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 geolgicos por presencia de arcillas

(deslizamientos, etc.)

8. Que criterios geolgicos-geotcnicos deben tenerse en cuenta en la solucin de los

diferentes problemas a causa de los suelos arcillosos en la ingeniera

GEOTECNIA I


CONCLUSIONES

Se lleg a conocer a grosso modo las diferentes propiedades mecnicas de las

diversas arcillas.

Nos instruimos en pequeas pautas acerca del reconocimiento de dichas

arcillas.

Conocemos de algunos de los problemas que causan las arcillas en la

Ingeniera.

Hay que sealar que la patologa en la cimentacin de las edificaciones,

provocada por la presencia de arcillas expansivas, no es un fenmeno

imprevisible. Las consecuencias, en caso de sequa prolongada, pueden ser

calamitosas.

Los criterios geolgicos-geotcnicos deben tenerse en cuenta en la solucin

de los diferentes problemas a causa de los suelos arcillosos en la ingeniera

El Profesional de la Ingeniera geolgica tiene formacin Cientfica y Tcnica

aplicada a la solucin de los problemas Geolgicos causadas por las Arcillas

que afectan a la Ingeniera.

GEOTECNIA I


RECOMENDACIONES

En zonas de falla, es necesario el armado de buenos cuadros (bien

topeados, encostillados, enrejados, encribados y sus marchavantes, y si es

necesario armar castillos.

Monitorear los deslizamientos en los tajos abiertos y carreteras, analizar

sus causas, investigar sus comportamientos, para poder evitarlos.

Realizar estudios de Mecnica de Rocas y Suelos por aquella zona por la

cual va a pasar la carretera, reemplazando (si lo hay), los materiales

arcillosos; entonces de esta manera evitaremos el abombamiento de las

carreteras asfaltadas.

Para cimentacin de construcciones, los terrenos de montmorillonita es

uno de los suelos en los que se deben tomar ms precauciones debido a su

carcter expansivo.

GEOTECNIA I


BIBLIOGRAFA

Autores:

- Cuestiones de Geotecnia --------- Francisco A Izquierdo Silvestre

- Diccionario geolgico Jorge Dvila Burga.

- Exposiciones de Empresas Mineras (Power Point).

- Mecnica de Suelos ---------------- J. J. Sanz Llano

Pginas Web utilizadas:

- www.etsimo.uniovi.es/usr/ariznaf/WebGeotecnia

- www.unican.es/ensenanzas-tecnicas/geotecnia

- www.arqhys.com/articulos/suelos.

- www.ingenieracivil.com/suelos.

- IngenieraGeolgica.com

http://www.etsimo.uniovi.es/usr/ariznaf/WebGeotecniahttp://www.unican.es/ensenanzas-tecnicas/geotecniahttp://www.arqhys.com/articulos/sueloshttp://www.ingenieracivil.com/suelos

arcillas - problemas en ingenieria

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