TESIS SUELOS EXPANSIVOS

7/21/2019 TESIS SUELOS EXPANSIVOS

1/167

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO

PROGRAMA DE MAESTRIA Y DOCTORADO EN

INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA

SUELOS EXPANSIVOS

T E S I S

QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE:

MAESTRO EN INGENIERIA

INGENIERIA CIVIL ANALISIS Y DISEO DE CIMENTACIONES

P R E S E N T A :

RICARDO JAVIER BALLINAS MIJANGOS

TUTOR:

DR. ALBERTO JAIME PAREDES.

2006


2/167

JURADO ASIGNADO:

Presidente: DR. GABRIEL AUVINET GUICHARD.

Secretario: DR. RIGOBERTO RIVERA CONSTANTINO.

Vocal: DR. ALBERTO JAIME PAREDES.

1ersuplente: ING. SERGIO RAL HERRERA CASTAEDA.

2dosuplente: M.I. AGUSTIN DEMNEGHI COLINA.

Lugar donde se realizo la tesis:

CIUDAD UNIVERSITARIA, DISTRITO FEDERAL.

TUTOR DE TESIS:

DR. ALBERTO JAIME PAREDES

_________________

FIRMA


3/167

A mi padre, ejemplo de dedicacin y honestidad.

Porque su mayor legado siempre ser una buena

educacin, y el reconocimiento de provenir de unafamilia honrada y trabajadora.

Agradezco al Dr. Alberto Jaime por sus enseanzas

y tiempo dedicado a la realizacin de este trabajo.

As tambin al Dr. Gabriel Auvinet y al Ing. Sergio

Herrera por haberme permitido ser su alumno.

Un reconocimiento a todos los Sinodales, por sus

valiosos comentarios y sugerencias.


4/167

Introduccin.

1

Captulo 1: INTRODUCCION.

1.1 Antecedentes.

Conocimiento fundamental.

En el pasado se ha prestado atencin significativa al comportamiento de las arcillas,probablemente debido a que los daos provocados por ellas contribuyen en una granproporcin a los daos estructurales en las obras civiles. As, Arthur Casagrande (1932)escribi uno de los primeros tratados en los que se discuta la estructura de las arcillas y suimpacto en la ingeniera de cimentaciones. Posteriormente, Skempton (1953)describi elefecto de su actividad coloidal. Por su parte, Jennings y Knight (1957)describieron cmopredecir las expansiones de un suelo mediante el uso de pruebas con el odmetro, y Felt(1953)describi la influencia que tiene la vegetacin en el contenido de humedad de lasarcillas.Para la dcada de 1950, una serie de conferencias internacionales sobre mecnica desuelos e ingeniera de cimentaciones, dieron la oportunidad a los investigadores ypracticantes de describir sus experiencias con las arcillas. As, Holtz y Gibbs (1956)discutieron las propiedades ingenieriles de los suelos expansivos, y ya cerca del final de ladcada McDowell (1959) public un artculo en el que se relacionaban pruebas delaboratorio con el diseo de estructuras sobre suelos expansivos, con lo que seestablecieron las bases para el diseo de estructuras ligeras sobre los suelos expansivos.La dcada de los 60s trajo consigo un incremento notable en la investigacin yexperimentacin sobre suelos expansivos. En ella, Lambe (1960) desarroll un mtodopara identificar la expansin de los suelos y acceder a su potencial de expansin, mediantesu medidor del potencial vertical de expansin. Adems, Seed (1962) se encarg de

discutir las caractersticas de expansin de las arcillas compactadas.Con el reporte del Building Research Advisory Board (BRAB, 1968) se alcanz un logromuy importante, establecindose un criterio de seleccin y diseo para losas residenciales.Esta publicacin contiene el primer criterio de diseo ampliamente aceptado paracimentaciones ligeramente cargadas sobre suelos expansivos, y an hoy en da constituyeuna referencia obligada. Los diseos que hacan uso del sistema BRAB, eran consideradosdemasiados conservadores por la mayora de constructores y propietarios, as queempezaron a usarse diseos menos conservadores, aunque basados en el mismo sistema.Con todo esto, en los aos 60s se dieron pasos muy significativos, haciendo que nuestroentendimiento de los suelos expansivos y de las medidas necesarias para mitigar susimpactos empezarn a ser ms claros.La dcada de los 70s abri nuevas puertas al diseo de las cimentaciones ligeramentecargadas sobre suelos expansivos, emergiendo un nuevo concepto de cmo determinar elcambio potencial de humedad y de volumen. Este concepto la succin del suelo esconsiderado como una presin de poro negativa, resultado de una necesidad inherente de

la arcilla por humedad a fin de balancear los niveles de energa fisicoqumica del suelo.Como resultado, se establecieron relaciones entre las succiones medidas en el suelo y lasexpansiones resultantes en presencia de humedad, con lo que el enfoque lleg a formarparte de los protocolos de diseo.Vijayvergiya y Ghazzaly (1973), junto con otros, comenzaron el proceso de crear modelospredictivos de expansin, mientras Tucker y Poor (1978)estudiaron el comportamiento delosas existentes sobre suelos expansivos, valorando las causas de sus daos. Mitchell(1976), provey a los profesionistas con un texto que sirvi como punto de referencia para


5/167

Introduccin.

2

comprender el comportamiento de los suelos, el cual contena un tratamiento significativo alos suelos expansivos.Cabe destacar que desde mediados de los aos 60s, se ha convocado a sieteconferencias internacionales sobre suelos expansivos: las primeras dos se llevaron a caboen la universidad de Texas A&M, en 1965 y 1969; la tercera en el Instituto de Tecnologade Israel, en 1973; la cuarta en Denver, en 1980; la quinta en Adelaida, Australia, en 1984;la sexta en Nueva Delhi, India, en 1987; y la sptima, en Dallas en 1992. Desde entonces,la atencin se ha enfocado a incluir el entendimiento del comportamiento de los suelosexpansivos parcialmente saturados.Al inicio de los aos 80s, el Post-Tensioning Institute (PTI, 1980)public su primer manualpara el diseo de losas postensadas sobre suelos expansivos. Ya en los 90s, Lytton(1994)describi la dependencia del movimiento de la humedad del suelo con el ndice dehumedad de Thornthwaite y con la permeabilidad no saturada del suelo, adems discuti elinusual efecto destructivo que tienen los rboles cuando crecen cerca del borde de lascimentaciones, y la efectividad de los rboles con races verticales y de las barreras dehumedad alrededor del permetro de las cimentaciones, a fin de reducir la distancia devariacin de humedad y el movimiento diferencial del suelo.

Prctica actual.

Se debe sealar que a pesar de que se han hecho progresos substanciales en cuanto adefinir el comportamiento de los suelos expansivos y en cuanto a desarrollar teoras para laprediccin de su comportamiento, la ingeniera geotcnica prctica no ha avanzado en lamisma proporcin, ya que son pocos los laboratorios que hacen mediciones de succin alsuelo para determinar su cambio potencial de volumen, tal vez debido principalmente a lacarencia de un mtodo de prueba ampliamente aceptado.

Los sistemas de cimentacin usados en los suelos expansivos no han cambiadomarcadamente desde los aos 80s, cuando el diseo de losas postensadas fueestandarizado por el PTI, con lo cual las losas reforzadas convencionales son usadas cadavez menos debido a su alto costo respecto a las losas postensadas. Adems, los sistemasde cimentacin suspendidos y soportados sobre pilas siguen siendo usados solo enestructuras relativamente costosas. Todo esto se entiende si consideramos que el costoinicial del sistema de cimentacin sobre suelos expansivos es el factor primordial en laseleccin del diseo, con lo cual el diseo esta controlado a menudo por la lneaeconmica a corto plazo en lugar del comportamiento o costo a largo plazo, lo que ademsprovoca que no se le de la suficiente consideracin a la estabilizacin de los suelosexpansivos.

Estabilizaciones.

En cuanto a las estabilizaciones, podemos comentar que se ha tratado de reducir los

daos provocados por los suelos expansivos mediante la estabilizacin mecnica, perotambin se ha necesitado alterar las propiedades fisicoqumicas de los suelos a fin deestabilizarlos permanentemente. As, Jones (1958) discuti la estabilizacin de suelosexpansivos mediante el uso de cal hidratada y cemento Prtland, Taylor (1959)explic elproceso de intercambio inico en las arcillas, y McDowell (1959)describi cmo algunossuelos de Texas fueron estabilizados con cal y combinaciones de cal y ceniza.Hilt y Davidson (1960)discutieron la fijacin de la cal en las arcillas. Grim (1963)desarrolluna prueba rpida para determinar el contenido de cal requerido para estabilizar un sueloexpansivo, se bas en que cuando un compuesto a base de calcio se adhiere a un suelo


6/167

Introduccin.

3

arcilloso, ocurre una reaccin provocada por la solubilidad del slice y aluminio a un altopH, entonces elpHse vuelve una prueba rpida para identificar el contenido ptimo de cal,y como la reaccin cal suelo ocurre en alrededor de una hora despus del mezclado, laprueba durar tan solo una hora. Adems, Anday (1961 y 1963)provey evidencia de laimportancia de un apropiado curado en la estabilizacin con cal, a fin de desarrollarcompletamente las reacciones puzolnicas, las cuales son la base para ganar resistencia yconseguir la estabilidad a largo plazo.En los aos 60s comenz la estabilizacin mediante inyecciones de lechadas de cal a altapresin, con lo que al final de esa dcada las metodologas de estabilizacin con cal sehaban vuelto las ms ampliamente usadas contra los suelos expansivos.El uso de agentes qumicos para la estabilizacin de suelos, fue introducido cuando losmineralogistas Carroll y Starkey (1971)publicaron sus descubrimientos sobre la reactividadde los minerales de arcilla con los cidos y lcalis.Para los aos 70s, la National Lime Association (1972) public su primer manual deconstruccin sobre estabilizacin con cal, y la Portland Cement Associaton empez adescribir como el cemento Prtland, relegado hasta ese entonces a los suelos de baja amoderada plasticidad, poda usarse para modificar y estabilizar arcillas de alta plasticidad,mediante el uso de maquinas rotatorias de mezclado ms eficientes.El prehumedecimiento de los suelos expansivos recibi una atencin considerable en losaos 70s. McDonald (1973) report el uso de barreras de humedad eimpermeabilizaciones de superficie en arcillas de Dakota del Sur. McKinney (1974)describi la efectividad de las inundaciones a fin de reducir el potencial de expansin en unproyecto cercano a Waco, Texas. Un estudio de Poor (1978) combin la efectividad delprehumedecimiento por inundacin, el riego por aspersin, y la instalacin de barreras dehumedad a fin de estabilizar una subrasante bajo una losa residencial. Con todo ello, elprehumedecimiento y la estabilizacin del contenido de humedad eran ya un desarrollo

probado al final de los aos 70s, continuando su uso en incremento hasta nuestros das.Mitchell (1986), en su conferencia Terzaghi, trat los problemas asociados con lasexpansiones inducidas por los sulfatos en los suelos estabilizados con agentes bases decalcio, tales como la cal, el cemento Prtland y la ceniza. Por su parte, Johnson y Pengelly(1993)describieron la eficacia de usar potasio, y compuestos de potasio y amonio para laestabilizacin mediante inyecciones. Cabe destacar que debido a las incertidumbres quese tienen con los nuevos estabilizantes, ya que no siempre se dispone de un programacompleto de pruebas comparativas, los agentes estabilizantes tradicionales como la cal yel cemento Prtland siguen siendo los ms ampliamente usados.

1.2 Objetivos.

El propsito de esta tesis es estudiar la naturaleza y comportamiento de los suelosexpansivos, as como los mtodos para identificarlos y tratarlos a fin de evitar los daosque podran provocar a las estructuras.

1.3 Alcances.

Esta tesis hace referencia a los suelos expansivos aquellos suelos que presentancambios significativos de volumen al ser sometidos a cambios en su contenido dehumedad , para lo cual se hace una revisin de algunos de los avances desarrolladosdurante los ltimos 70 aos sobre el entendimiento de su naturaleza, y sobre los mtodosdesarrollados para tratarlos. En cierta forma, se intenta realizar un estado del arte de lossuelos expansivos.


7/167

Introduccin.

4

El motivo que orill a la realizacin de este trabajo, fue el hecho de que aunque los suelosexpansivos no tienden a causar prdidas de vidas humanas, las prdidas econmicas queprovocan son cuantiosas, y en la mayora de los casos pudieran ser evitadas fcilmente.Para su desarrollo, el contenido de la tesis ha sido dividido en siete captulos: El segundocaptulo trata el origen, la naturaleza y la distribucin geogrfica de los suelos expansivos.El tercer captulo trata el comportamiento de los suelos expansivos, refirindose a lascondiciones necesarias para que estos sean un problema y a los factores que afectan supotencial de expansin. El captulo cuarto se refiere al enfoque de los suelos expansivosno saturados, explicando el efecto de la succin en el potencial de expansin del suelo, yhaciendo referencia a algunos de los avances que se han tenido en ese campo. El captuloquinto trata el cmo identificar a los suelos expansivos, sealando los patrones deafectacin tpicos que presentan las estructuras y los mtodos para la identificacin ydeterminacin del grado de expansividad de los suelos. El captulo sexto trata las medidaspreventivas bsicas a tomar en contra de los suelos expansivos, as como el diseo deestructuras sobre estos suelos, ya sea que se realicen alterando al suelo, evitndolo osimplemente mitigando sus efectos sobre las superestructuras. El captulo sptimo hacereferencia al programa de computadora desarrollado por el autor, para el clculo de losasplanas rectangulares de cimentacin (anlisis tridimensional) apoyadas sobre suelosexpansivos y no expansivos.Adems, se incluye una serie de anexos que contienen un caso histrico de afectaciones auna construccin por parte de los suelos expansivos, en la ciudad de Clear Lake, Houston,as como la norma ASTM D 4546 96 para la realizacin de pruebas de expansinunidimensional.


8/167

Origen de los suelos expansivos.

5

Captulo 2: ORIGEN DE LOS SUELOS EXPANSIVOS.

2.1 Afectaciones.

Una gran parte de la superficie terrestre est cubierta por suelos parcialmente saturados, yson estos suelos los que son susceptibles a presentar expansiones. La mayora de losproblemas de suelos expansivos estn asociados a estructuras pequeas, por lo que raravez se pueden justificar investigaciones exhaustivas y soluciones efectivas.Son muchos los pases que sufren los efectos de los suelos expansivos, y a pesar de quees difcil estimar el monto total de las afectaciones globales, claramente se observa que esun problema a nivel mundial.

Algunas veces los daos provocados por los suelos expansivos requieren tan solo de unmantenimiento menor, siendo un asunto puramente esttico, pero a menudo lasconsecuencias son mucho peores, incluso causando problemas estructurales mayorescomo los mostrados en la figura 2.1.

Fig. 2.1 Los suelos expansivos causaron grietas en estos muros. En el caso de la segunda foto, se gastaronalrededor de 490,000 dlares para reparar los daos provocados al edificio en muros, techos, puertas yventanas, alrededor de un tercio del costo total original del edificio de seis aos de antigedad.

Mucha de la energa de la naturaleza es liberada sobre tierras inhabitadas, por ejemplo, enEstados Unidos tan solo el 3% de su territorio es ocupado por ciudades, y tan solo el 13%es utilizado para desarrollar la agricultura. As, durante la vida normal de unestadounidense, el 14% de su territorio ser azotado por terremotos, tornados einundaciones, pero ms del 20% ser afectado por los movimientos de los suelosexpansivos. Si una de cada diez personas ser afectada por inundaciones, una de cadacinco ser afectada por los suelos expansivos, y de los 250,000 nuevos hogaresconstruidos anualmente sobre suelos expansivos en los Estados Unidos, alrededor del60% experimentarn daos menores, y alrededor de un 10% experimentarn daossignificativos, algunos de ellos ms all de cualquier reparacin posible (Jones y Holtz,1973).Cada ao en Estados Unidos, los suelos expansivos causan daos a edificios, caminos,aeropuertos, tuberas, entre otras estructuras, por alrededor de 9 mil millones de dlares;


9/167


6

ms del doble de los daos debidos a desastres naturales (adaptado de Jones y Holtz,1973).La distribucin de estos daos es aproximadamente la siguiente:

Categora del dao Costo anual (Dlares)

Calles y carreteras 4,550,000,000

Edificios comerciales 1,440,000,000

Casas unifamiliares 1,200,000,000

Aceras y estacionamientos 440,000,000

Instalaciones subterrneas 400,000,000

Edificios de muchos niveles 320,000,000

Instalaciones en aeropuertos 160,000,000

Deslizamientos en reas urbanas 100,000,000Otros 390,000

Daos totales anuales 9,000,000,000

Tabla 2.1 Daos anuales en Estados Unidos, debidos a los suelos expansivos (1987).

Los efectos de los suelos expansivos no son tan dramticos como los de huracanes yterremotos, pues solo causan daos a las propiedades, sin prdidas de vidas humanas.

Adems, actan ms lentamente y su dao generalmente se extiende sobre grandesreas, no tendiendo a concentrarse en pequeas localidades. Sin embargo, las prdidaseconmicas que provocan son muy grandes, y muchas de ellas podran ser evitadasreconociendo el problema a tiempo e incorporando medidas preventivas apropiadas en eldiseo, construccin y mantenimiento de las estructuras.

2.2 Naturaleza.

Los suelos son el producto del intemperismo mecnico y qumico de las rocas, pudindoseencontrar en un amplio rango de tamaos, formas y constituyentes mineralgicos. Engeneral, los suelos han sido divididos en dos grandes grupos, dependiendo delcomportamiento que presentan:

a) Los suelos no arcillosos tales como gravas, arenas y limos, que consistenesencialmente de partculas relativamente pesadas e inertes, en las que suspropiedades ingenieriles dependen principalmente de las fuerzas gravitacionales demasa, manifestadas a travs del tamao, forma y textura de sus partculas.

b) Los suelos arcillosos, formados por partculas muy pequeas usualmente con formalaminar, en los que sus propiedades ingenieriles estn fuertemente influenciadas por eltamao tan pequeo y por el rea superficial tan grande de sus partculas.

Se ha establecido una frontera arbitraria que separa a estos dos grupos, la cual es de 2 m(0.002 mm), ya que la experiencia ha demostrado que en muchos materiales con tamaos

de partcula menores a ste - como es el caso de las arcillas - se tienen comportamientosde coloides (suspensiones indefinidas), debido al tamao tan pequeo de las partculas, yal hecho de que sus fuerzas elctricas superficiales se encuentran desbalanceadas.Puesto que en los suelos no arcillosos, la relacin existente entre el rea superficial y elvolumen de las partculas es relativamente pequea, las propiedades ms comunes de lasmasas de suelo no dependen de sus minerales constituyentes (a pesar de que localmentecontrolan las caractersticas friccionantes de los granos individuales), ya que en ellos, laspartculas son tan grandes que las fuerzas intermoleculares entre granos son


10/167


7

insignificantes con respecto a las fuerzas debidas a las cargas externas o a la gravedad.Por el contrario, en los suelos arcillosos, las molculas que forman la superficie de laspartculas constituyen una gran proporcin de su nmero total, por lo que las fuerzasasociadas a ellas tienen un gran efecto en el comportamiento de las partculas y de lamasa de suelo.Un ndice muy til para determinar la importancia de los efectos de superficie de laspartculas en el comportamiento de los suelos, es la llamada superficie especfica(tambin llamada rea superficial), la cual se define como el rea de la superficie externams el rea de la superficie interna de las partculas constituyentes de un suelo por unidadde masa, expresada en m2/g.Cabe destacar que las arcillas se expanden o contraen en respuesta a los cambios de lasfuerzas que actan sobre sus partculas, tales como:

La tensin superficial en los meniscos del agua contenida entre sus partculas, la cualtiende a comprimir al suelo.

Las presiones osmticas, que tienden a atraer agua al interior del suelo, expandindolo.

Las presiones en las burbujas de aire atrapadas en el suelo, que tienden a expandirlo.

Los esfuerzos debidos a las cargas externas, que tienden a comprimir al suelo.

Las fuerzas intermoleculares de Van der Waals, que tienden a comprimir al suelo.

Por ejemplo, considere los efectos de los cambios en las tensiones superficiales y en lasfuerzas osmticas, imaginndose una arcilla montmorilontica inicialmente saturada (fig.2.2.a). Si este suelo se seca, la humedad remanente se congregara cerca de las carasinternas de las partculas, formando meniscos (fig. 2.2.b). Por tanto, las fuerzas de tensinsuperficial jalarn a las partculas, juntndolas, causando con ello la contraccin del suelo.Podemos comparar al suelo en esta etapa con un resorte comprimido, ya que ambos seexpandiran si no existieran las fuerzas que los mantienen comprimidos.El suelo de la figura 2.2.b tiene una gran afinidad por el agua en este momento e intentaratraer a la disponible mediante smosis, diremos que el suelo tiene una gran capacidad desuccin en esta etapa. Si el agua se encuentra disponible, la succin la adsorber dentrode los espacios entre las partculas (se habla de absorcin cuando se tratafundamentalmente de procesos fsicos como la retencin por capilaridad, y de adsorcincuando existe una interaccin de tipo qumico entre el adsorbente y el adsorbato), y elsuelo se expandir (fig. 2.2.c). Regresando a nuestra analoga, el resorte se ha liberado yel proceso puede repetirse numerosas veces.

Fig. 2.2 Contraccin y expansin de una arcilla expansiva.


11/167


8

2.3 Origen.

G. W. Donaldson (1969) clasific en dos grupos a los materiales de origen que puedenestar asociados a los suelos expansivos:

El primer grupo comprende a las rocas gneas bsicas, tales como el basalto, la dioritay el gabro. En estos suelos, los minerales de feldespato y piroxeno de la roca madre sehan descompuesto para formar la montmorilonita y otros minerales secundarios.

El segundo grupo comprende a las rocas sedimentarias que contienen a lamontmorilonita como constituyente, la cual se rompe fsicamente para formar un sueloexpansivo.

Los minerales arcillosos expansivos se derivan de la roca madre por intemperismoqumico, a partir de un complicado proceso de distribucin de materiales tales comofeldespatos, micas y calizas. Por tanto, el mineral formado depender de la composicin dela roca madre, de la topografa, del clima, de la vegetacin vecina, de la duracin delintemperismo, y de otros factores. Este proceso de alteracin se puede llevar a cabo entierra (intemperismo) o en el fondo de los mares y lagos (almirlisis), e incluye a ladesintegracin, oxidacin, hidratacin y disolucin.Tourtelot (1973)apunt que el escenario necesario para la formacin de la montmorilonitaes la desintegracin extrema, la alta hidratacin y la disolucin restringida (se requiere quese restrinja la disolucin, para que los cationes de magnesio, calcio, sodio, potasio y hierrose puedan acumular en el sistema). Por tanto, la formacin de los mineralesmontmorilonticos esta supeditada a un ambiente alcalino y a la carencia de lixiviacin.Estas condiciones son favorecidas en las regiones semiridas con pocas o moderadaslluvias. Particularmente, cuando la evaporacin excede a la precipitacin, ya que bajo

estas condiciones existe la suficiente agua disponible para que se lleven a cabo losprocesos de alteracin, aunque no la suficiente para que los cationes acumulados seanremovidos por el flujo del agua de lluvia.Los minerales madre necesarios para la formacin de la montmorilonita a menudoconsisten en minerales ferromagnesianos, feldespatos clcicos, vidrios volcnicos ymuchas rocas volcnicas. Por tanto, es usual que las cenizas provenientes de erupcionesvolcnicas que caen en depsitos de agua, se alteren hasta formar montmorilonita, talcomo sucede con la bentonita (montmorilonita sdica), la cual es una arcilla formada por elintemperismo qumico de las cenizas volcnicas.

2.4 Distribucin geogrfica.

Los suelos potencialmente expansivos pueden ser encontrados en casi cualquier parte delmundo, abundando en los lugares donde la evapotranspiracin anual excede a laprecipitacin.

La figura 2.3 nos indica que los suelos potencialmente expansivos estn confinados a lasregiones semiridas de las zonas de clima tropical y templado, siguiendo a la teora de queen las zonas semiridas, la carencia de la accin disolvente del agua ha ayudado a laformacin de la montmorilonita.

As, existen muchos pases en el mundo que tienen el problema de los suelos expansivos,tal es el caso de Mxico, Estados Unidos, Canad, Cuba, Costa Rica, Venezuela,Colombia, Ecuador, Per, Brasil, Argentina, Turqua, Israel, Irn, Irak, India, Australia,Marruecos, Argelia, Angola, Mozambique, Kenia, Ghana, entre otros, aunque cabe


12/167


9

destacar que Espaa parece ser el nico pas europeo con problemas graves debidos a lossuelos expansivos.

Fig. 2.3 Distribucin de los casos reportados de suelos expansivos en el mundo.

2.5 Minerales arcillosos.

La mayor parte de las partculas de un suelo con tamao inferior a 2 m, estn constituidaspor minerales arcillosos. Estos minerales se forman a partir de un proceso qumico, y sucomposicin puede llegar a ser muy variable y distinta a las de las rocas madre de queproceden. Probablemente la propiedad ms importante de un suelo de grano fino es sucomposicin mineralgica, y por tanto el conocer sus enlaces, su estructura cristalina y suscaractersticas superficiales, resulta muy importante para entender el tamao, forma,estabilidad e interaccin que presentan.Las partculas de arcilla son cristales de especies mineralgicas bien definidas (un cristales un cuerpo homogneo limitado por superficies planas lisas, que son la expresinexterna de un arreglo atmico interno), en las que sus variabilidades de composicinprovienen de las mezclas de esas especies y de los fenmenos de adsorcin que sedesarrollen en las partculas.En general, los minerales arcillosos pertenecen a la familia mineral de los filosilicatos, yaque desde un punto de vista qumico son silicatos de aluminio, magnesio, hierro, etc.,formados por la combinacin de dos unidades estructurales fundamentales:

1) La primera es el tetraedro, en el cual cuatro tomos de oxgeno rodean a un tomo desilicio (SiO4). Los tetraedros forman capas, de tal modo que los oxgenos de las basesde todos ellos se encuentren en un mismo plano, adems cada oxgeno de las baseses compartido por dos tetraedros, formndose as una red hexagonal.


13/167


10

Fig. 2.4 Unidad estructural tetradrica (SiO4).

2) La segunda es el octaedro, en el que un tomo de aluminio, magnesio, hierro, etc. estarodeado por seis tomos de oxgeno o iones hidrxilo. Adems, en este caso losoctaedros tambin forman capas. La composicin del octaedro es Al2(OH)6 para elaluminio, y Mg3(OH)6para el magnesio.

Fig. 2.5 Unidad estructural octadrica.

As, las capas tetradricas y octadricas se acoplan formando lminas, las cuales alrepetirse forman a las estructuras cristalinas. De las distintas combinaciones de estas doscapas y de los distintos cationes o aniones que las forman, resultan los diferentes gruposde minerales arcillosos:

Grupo de la caolinita: La partcula de caolinita se compone de capas alternadas detetraedros y octaedros. En ellas, las lminas se extienden indefinidamente en dosdirecciones, y se mantienen unidas mediante enlaces de hidrgeno. La sustitucin detomos dentro de la red cristalina de la caolinita (si existe) es pequea, por lo cual lafrmula es prcticamente constante e igual a Si4O10Al4(OH)8.

Grupo de la esmectita (montmorilonita): Los minerales de las esmectitas tienen unprototipo estructural que consiste en una capa octadrica entre dos tetradricas (fig. 2.6).En ellas, la unin entre cada dos unidades estructurales se debe a las fuerzas de Van derWaals y a los cationes presentes para balancear las deficiencias de carga de la estructura.Estas fuerzas son mucho ms dbiles que el enlace de hidrgeno en las partculas decaolinita, y por tanto son fcilmente separados por el clivaje o por la adsorcin de agua uotros lquidos polares. Como consecuencia, el agua puede penetrar entre ellasocasionando una expansin de la partcula en el sentido perpendicular a la capa. Lacomposicin terica de las esmectitas es (OH)4Si8Al4O20 nH2O(agua entre las capas).


14/167


11

Fig. 2.6 Estructura qumica de la montmorilonita.

La partcula de montmorilonita tendra sus enlaces satisfechos si el centro de todos lostetraedros estuviesen ocupados por silicio y el de todos los octaedros por aluminio, sinembargo siempre existe una cierta proporcin de tomos de silicio (tetravalente) sustituidospor aluminio (trivalente), en los elementos tetradricos, y otra cierta cantidad de tomos dealuminio (trivalente) sustituidos por magnesio, hierro, etc. (bivalentes), en los elementosoctadricos. Debido a ello, existe una deficiencia de cargas positivas en la estructura, lacual es balanceada por medio de la adsorcin de cationes de las soluciones. Estoscationes se sitan entre las unidades fundamentales y alrededor de los bordes, y puedenser sustituidos con facilidad por otros, por lo cual reciben el nombre de cationes deintercambio.

Grupo de la ilita: La ilita tiene una estructura similar a la de las esmectitas, aunque susdeficiencias de carga son equilibradas casi en su totalidad por tomos de potasio nointercambiables, situados entre las diversas unidades estructurales. Por tanto, la estructurade la ilita no es expansiva, no admitiendo la entrada de agua entre lminas.En gran parte, se supone que la ilita proviene de un proceso de ilitizacin de las

montmorilonitas, conforme al cual los sedimentos montmorilonticos antiguos fueron fijandopotasio entre sus lminas. Esta circunstancia sera la causa de la deficiencia de potasio enlos ocanos, ya que la razn entre el contenido de este metal y el sodio en el agua de mar,es varias veces inferior a la razn que existe en las rocas de la corteza terrestre, para estohay que recordar que la ilita es la especie mineralgica de arcilla ms abundante en elmundo.

Las representaciones esquemticas son muy tiles para formular diagramas simplificadosde las estructuras o de los diferentes grupos de minerales arcillosos. En la figura 2.7 se


15/167


12

ilustra la manera en que los tomos estn unidos en elementos tetradricos y octadricos,seguidos de la formacin de las capas, y de su apilamiento para formar estructuras que secombinarn para producir los diferentes grupos de minerales arcillosos. En ella, lasestructuras bsicas que se encuentran al fondo, comprenden a los diferentes tipos deminerales arcillosos preponderantes en los suelos.

Fig. 2.7 Sntesis de patrones de los minerales de arcilla.

2.6 Enlaces interatmicos.

Es comn que solo exista una capa de elementos tetradricos y octadricos, con enlacesmuy fuertes entre tomos, del tipo primario, mientras que los enlaces entre capas puedenser de varios tipos, pudiendo ser lo suficientemente dbiles como para que elcomportamiento fsico y qumico de la arcilla sea influenciado por la respuesta de estosenlaces a los cambios medioambientales. Para entender correctamente como intervienenlos enlaces interatmicos en el comportamiento de los minerales arcillosos, primerodebemos conocerlos:

Enlaces interatmicos primarios: Los enlaces primarios o de alta energa mantienenjuntos a los tomos de los cristales. Solo los electrones de valencia participan en su

formacin.

Enlaces covalentes: Si dos tomos carecen de uno o ms electrones en su orbitaexterior, pueden combinarse a fin de compartir electrones, as, uno o ms electronesson compartidos por dos ncleos atmicos, completando la orbita exterior de cadatomo ( H + H = H:H ).

Enlaces inicos:Se forman entre los iones libres cargados positiva y negativamente,los cuales adquieren su carga de ganar o perder electrones en su rbita exterior. Por


16/167


13

ejemplo, si un tomo de sodio que tiene un solo electrn en su rbita exterior, est enposicin de combinarse con un tomo de cloro que tiene siete electrones en su rbitaexterior, el tomo de sodio perder su electrn en vez de ganar a siete electrones. Paraque se forme un compuesto estable, la combinacin qumica envuelve la prdida delelectrn por parte del tomo de sodio, y la ganancia del electrn por parte del tomo decloro, lo que deja al sodio en estado de carga elctrica unitaria positiva (catin) y alcloro en estado de carga elctrica unitaria negativa (anin). As, los tomos que hanganado y perdido electrones de esta manera son llamados iones, y las fuerzas que losunen son llamados enlaces inicos. Este proceso usualmente es representado por lanotacin Na + Cl = Na+Cl-Por tanto, cuando los iones estn cargados elctricamente desarrollan fuertesatracciones y repulsiones elctricas, con lo que cada catin atrae a todos sus vecinosaniones. Cabe destacar que como los enlaces inicos causan una separacin entre loscentros de carga positiva y negativa de las molculas, stas se orientarn en un cuerpoelctrico, formando un dipolo.

Los enlaces covalente e inicos puros son difciles de encontrar, aunque suscombinaciones son tpicos en la mayora de los suelos, por ejemplo, en los silicatos (losconstituyentes ms abundantes de los suelos) los enlaces interatmicos sonaproximadamente la mitad inicos y la mitad covalentes.

Enlaces interatmicos secundarios: Los enlaces secundarios o dbiles ligan a lasmolculas, por tanto son fuerzas intermoleculares o interparticulares. Son relativamentedbiles si se les compara con los enlaces inicos y covalentes, aunque pueden ser losuficientemente fuertes como para determinar el arreglo final de los tomos en un suelo,adems pueden ser la fuente de atraccin entre partculas muy pequeas, y partculas de

slidos y lquidos.

Enlaces de hidrgeno:Si un ion de hidrgeno forma el extremo positivo de un dipolo,entonces se le llama enlace de hidrgeno a la atraccin que ejerce hacia el extremonegativo de una molcula adyacente.Por tanto, la combinacin de un anin de oxgeno con un catin de hidrgeno generaun in hidrxilo, el cual se puede unir a otro anin de oxgeno para formar un enlaceligeramente dbil (el catin de hidrgeno conecta a los dos aniones de oxgeno con unaliga dbil). Ocasionalmente dos o ms unidades hidrxilo pueden existir de maneracercana, pero con la posicin atmica inversa, as, bajo estas circunstancias se puedellegar a formar un enlace relativamente dbil entre los enlaces positivos y negativosadyacentes. Ambos enlaces pueden ocurrir entre las capas vecinas de un cristalmineral, generndose una conexin relativamente dbil sujeta al subsecuente clivaje.

Enlaces Van der Waals:Son enlaces dipolares fluctuantes, ya que como resultado delmovimiento de los electrones alrededor de las rbitas de los tomos, en cualquier

momento pueden haber ms electrones de un lado de los ncleos atmicos que de losotros, lo cual tiende a crear dipolos instantneos dbiles (campos elctricos asociados),cuyos extremos cargados opuestamente atraen a otros dipolos (molculas).

El hecho de que los enlaces interatmicos en las partculas de suelo sean fuertes (del tipoprimario), mientras que los enlaces entre las partculas de suelo usualmente son dbiles(del tipo secundario), nos dice que las partculas son fuertes en comparacin con losgrupos de partculas. Por tanto, en la mayora de las situaciones, las masas de suelo secomportan como uniones de partculas en las que los procesos de deformacin estn


17/167


14

dominados por los desplazamientos entre partculas y no por las deformaciones de laspartculas. As, los tipos de enlaces entre las capas de los minerales arcillosos, asociadasa las propiedades de adsorcin de las superficies de las partculas, controlan lasexpansiones del suelo.

2.7 Intercambio catinico.

Las substituciones isomrficas en los minerales de arcilla, le dan a las partculas una cargaelctrica negativa. A fin de preservar su neutralidad, los minerales de arcilla tienen lapropiedad de adsorber y retener cationes, muchos de los cuales son cationesintercambiables, ya que pueden ser remplazados por cationes de otro tipo. La causaprincipal de la sustitucin de cationes, es la presencia de otros cationes cuya afinidad conla partcula sea predominante.Los cationes intercambiables son atrados, y mantenidos entre las capas y alrededor de laestructura del mineral arcilloso, sin que las reacciones de intercambio afecten a laestructura del mineral. En general, los cationes intercambiables ms comunes son los deCa, Mg, H, K, NH4, y Na, en el orden frecuente de abundancia relativa. Por ejemplo, uncatin de sodio (Na) es fcilmente atrado a la superficie de una arcilla a partir de unasolucin salina, pero este in puede ser remplazado por un in de potasio (K), si la arcillafuese colocada en una solucin de cloruro de potasio. Este proceso de remplazamiento decationes en exceso es el llamado intercambio catinico.Por tanto, la capacidad de intercambio catinico (CEC)de un mineral describe su aptitudpara adsorber cationes, siendo la suma de todos los cationes de cambio que un mineralpuede adsorber a un determinadopH(cuando se aumenta elpHde un lquido, tambin seaumenta su capacidad de intercambio catinico). Especficamente, la CECse define como

la carga o atraccin elctrica hacia los cationes por unidad de masa, midindose enmiliequivalentes por cada 100 gr de suelo seco. Esta propiedad de los minerales arcillosospuede ser determinada mediante el lavado de la muestra en una solucin salina, midiendola diferencia entre las concentraciones iniciales y finales de la solucin de lavado. La tablasiguiente nos resume la capacidad de intercambio catinico de algunos mineralesarcillosos:

Caolinita Ilita Montmorilonita

Espesor de la partcula 0.5 - 2 micras 0.003 - 0.1 micras < 9.5 A

Dimetro de la partcula 0.5 - 4 micras 0.5 - 10 micras 0.05 - 10 micras

Superficie especifica (m2/gr) 10 - 20 65 - 180 50 - 840

CEC (miliequivalentes / 100 gr) 3 - 15 10 - 40 70 - 80

Tabla 2.2 Capacidad de intercambio catinico de algunos minerales arcillosos.

De ella, podemos observar que las montmorilonitas son 10 veces ms activas que lascaolinitas en adsorber cationes, debido a su mayor red de cargas negativas y a su mayorsuperficie especfica. Mientras, en la tabla 2.3 se puede observar como vara la plasticidadde diversos minerales arcillosos (indicativa de sus caractersticas de expansin) segn loscationes de intercambio a que sea sometido.Tal como se ver ms adelante, un mayor ndice de plasticidad del suelo indica una mayorcapacidad de expansin de ste. Por tanto, cuando el catin interlaminar presente en lasmontmorilonitas es el sodio (Na), estas tendrn una mayor capacidad de expansin quecuando el catin de intercambio presente es el calcio (Ca)o el magnesio (Mg).


18/167


15

Mineral \ Catin Na K Ca Mg

LL IP LL IP LL IP LL IP

Caolinita 29 1 35 7 34 8 39 11

Ilita 61 27 81 38 90 50 83 44

Montmorilonita 344 251 161 104 166 101 158 99

Tabla 2.3. Variacin del LL e IP de algunos minerales de arcillasegn los cationes de intercambio que se utilicen.

2.8 Succin osmtica.

Sistema de la doble capa difusa: Las cargas negativas de los tomos de oxgenoexistentes en las partculas cristalinas de arcilla, crean en la superficie del cristal un campoelctrico con el cual las molculas de agua vecinas se ionizan, de tal manera que los ionespositivos de hidrgeno del agua y los cationes que pudiera estar en disolucin resultanatrados hacia el cristal. As, la concentracin de iones positivos en la periferia del cristaldebe estar balanceada con un igual nmero de iones negativos en el fluido, para que elagua permanezca elctricamente neutra.

Fig. 2.8 Formacin de la doble capa en torno a un cristal de arcilla sumergido en agua.

Puesto que la atraccin elctrica del cristal disminuye rpidamente con la distancia, laconcentracin de cationes en la periferia del cristal tambin lo har. Por tanto, la atmsferade cationes ms cercanos (fuertemente unidos al cristal por vnculos elctricos), y el grupode cationes ligeramente ms desvinculados (debido a su mayor lejana a la superficie de lapartcula), suelen considerarse como dos estratos, de tal manera que al sistema enconjunto es denominado el sistema de la doble capa difusa.La alta concentracin de cationes cercana a la superficie de la partcula, crea una fuerzade repulsin entre los sistemas de la doble capa difusa. Por tanto, la solucin entre capas

tiene una mayor concentracin de electrolitos disueltos que la solucin externa, lo que noslleva a una subsecuente entrada de agua por smosis.Si tomamos en cuenta que la adsorcin de agua en el espacio interlaminar depende delbalance entre la atraccin electrosttica catin - lmina y de la energa de hidratacin delcatin, resulta que el principio bsico de la estabilizacin de los suelos expansivos es elincremento de la concentracin inica en el agua libre, ya que al aumentarse laconcentracin inica de sta se reduce el efecto de la entrada de agua por smosis, origende las expansiones en el suelo.


19/167


16

Succin osmtica: La smosis es el paso de un solvente a travs de una membranasemipermeable, de una solucin de menor concentracin a una de mayor concentracin, yla succin osmtica es la presin que debe ser aplicada a la solucin a fin de prevenir eseflujo.La succin osmtica puede tomar lugar en el sistema suelo - agua, ya que al existir elsistema de la doble capa difusa en el suelo, las fuerzas atractivas evitan que los iones sealejen del sistema, aunque el agua es capaz de moverse y diluir a las concentraciones,alcanzndose un efecto similar al de una membrana semipermeable. Por tanto, la succinosmtica es el equivalente a la presin de repulsin resultante entre los sistemas de ladoble capa difusa.Las investigaciones sugieren que la succin osmtica es la responsable del mecanismo deexpansin de los suelos, y de hecho G. H. Bolt (1956)sugiere que las succiones osmticasde los sistemas pueden alcanzar valores de entre 50 y 100 kg/cm 2. Por tanto, no es desorprender que las presiones de expansin de algunas arcillas alcancen valores de ms de25 kg/cm2.Basados en la teora de que la succin osmtica es la nica presin interna actuante entrelas partculas, podemos observar lo siguiente: Si se somete el suelo a una presin externa,la distancia entre partculas disminuir y el agua ser expulsada, como resultado laconcentracin de iones entre las partculas se incrementar, al igual que la succinosmtica (el equilibrio ser alcanzado cuando la succin osmtica sea igual a la presinexterna). El proceso inverso ocurre si se disminuye la presin externa, con lo que ladistancia entre las partculas se incrementar, resultando en un incremento de volumen yen una reduccin de la succin osmtica (en este proceso, la adsorcin de agua ser lacausa ms importante de las expansiones).

2.9 Identificacin de los minerales arcillosos.

El conocimiento de la composicin mineralgica de los suelos puede ser de gran ayudapara entender sus propiedades y comportamientos. De hecho, el potencial de expansinde una arcilla puede ser evaluado a partir de la identificacin de sus constituyentesmineralgicos.Si bien la presencia de un mineral arcilloso en un suelo puede ser determinado mediantemtodos indirectos, como por ejemplo el posicionamiento del suelo en la carta deplasticidad, existen determinadas circunstancias bajo las cuales puede ser interesantereconocer al mineral con seguridad, para lo cual recurrimos a los mtodos directos.

A continuacin se presenta una breve explicacin de los mtodos directos ms usualespara la identificacin de la composicin mineralgica de la fraccin arcillosa de un suelo,recordando que generalmente no es necesario realizar pruebas exhaustivas tanto qumicascomo mineralgicas, ya que para la mayora de las aplicaciones de ingeniera no esnecesaria mayor exactitud.

Difraccin de rayos X:Es el mtodo ms ampliamente usado para la identificacin de losminerales arcillosos en un suelo y para el estudio de sus estructuras. Se usa paradeterminar la proporcin de los minerales presentes en la arcilla mediante comparacin dela intensidad de las lneas de difraccin de los diferentes minerales con las de lassustancias estndar, o sea que hace un anlisis semicuantitativo a partir del conocimientode la intensidad relativa de los diferentes mximos de difraccin con rayos X (los rayos Xson solo uno de varios tipos de ondas en el espectro electromagntico, con longitudes deonda de entre 0.01 y 100 Angstroms).


20/167


17

Anlisis trmico diferencial:Se usa en materiales que cambian sus caractersticas al sersometidos a un aumento de temperatura, aunque su uso para la identificacin de suelosexpansivos no siempre da resultados muy precisos. As, cuando un suelo es calentado,ocurren diversas reacciones qumicas a determinadas temperaturas caractersticas paracada mineral arcilloso. Estas reacciones pueden ser debidas a cambios de fases o deestructura, o a la prdida de agua, y segn el tipo de reaccin habr una disminucin o unaumento de la temperatura en el suelo.El aparato que se emplea para el anlisis consiste en un bloque de nquel con dos orificios.En uno de ellos se coloca la muestra de suelo que se va a analizar, y en el otro se colocaun material refractario inerte. Posteriormente, se les insertan pares termoelctricos a fin deobtener las temperaturas de los materiales colocados. El bloque de nquel es colocado enuna estufa cuya temperatura aumentar automticamente a razn de 10 a 15C/minuto,obteniendo el registro automticamente en forma de grficos (en ellos figurar latemperatura del suelo y del material inerte). Para cada mineral arcilloso se obtiene ungrfico determinado, con picos y cimas a temperaturas caractersticas, de este modo lacomposicin de un suelo se puede encontrar estudiando estos grficos.

Fig. 2.9 Anlisis trmico diferencial de una arcilla.

Microscopio electrnico:Obtiene la forma, tamao y estructura de las partculas de undeterminado mineral arcillosos, a travs de una dispersin de los electrodos que atraviesanal mineral, aunque cabe destacar que solo se aplica a partculas cuyo tamao y distanciaes algo mayor a la longitud de onda de la radiacin. Este mtodo ofrece una observacindirecta del material, y su propsito fundamental es la examinacin de la composicinmineralgica, textura y estructura interna de la arcilla, ya que dos minerales de arcillapueden arrojar un mismo patrn de rayos X y una misma curva trmica diferencial, perosiempre mostrarn distintas caractersticas morfolgicas bajo el microscopio electrnico (enl se puede observar que las arcillas no expansivas aparecen como lminas gruesas,mientras las montmorilonitas aparecen con pliegues y una textura panaloide).El microscopio electrnico, en especial el de barrido, no deja duda alguna respecto a laidentificacin de las partculas que contemplamos, aunque su campo de accin es tanpequeo que no permite un juicio seguro respecto al conjunto, debido a que los suelos casisiempre presentan mezclas de diversas especies.

Adsorcin de colorantes:Hace uso de tintes y agentes que exhiben caractersticas decolor cuando son adsorbidos por los minerales arcillosos. Por ejemplo, cuando una


21/167


18

muestra ha sida tratada con cido, el color adoptado por el tinte depender de la capacidadde intercambio catinico de los minerales de arcilla presentes.La relativa sencillez y velocidad de sta prueba, comparada con la difraccin de rayos X ycon el anlisis trmico diferencial, justifican ampliamente su aplicacin. Adems, lapresencia de montmorilonita puede ser detectada si su cantidad es mayor a un 5 o 10 porciento.

RESUMEN.

Los minerales arcillosos expansivos se derivan de la roca madre por intemperismo qumicode materiales tales como feldespatos, micas, calizas, minerales ferromagnesianos y vidriosvolcnicos. El escenario necesario para su formacin es una desintegracin extrema, unaalta hidratacin y una disolucin restringida (ambiente alcalino con carencia de lixiviacin),lo que provoca que los suelos potencialmente expansivos usualmente se encuentren en lasregiones semiridas de las zonas de clima tropical y templado, en las cuales laevapotranspiracin comnmente excede a la precipitacin.En general, las uniones entre unidades estructurales de las esmectitas (montmorilonita) sedeben a las fuerzas de Van der Waals y a los cationes presentes para balancear susdeficiencias de carga. Debido a que estas fuerzas son dbiles, las unidades estructuralespueden ser fcilmente separadas por la adsorcin de agua u otros lquidos polares,ocasionando la expansin de la partcula en el sentido perpendicular a sus capas.Todo parece indicar que la succin osmtica es la responsable del mecanismo deexpansin de los suelos. Esta toma lugar en el sistema suelo agua debido a la existenciade la doble capa difusa, la cual evita que los iones del agua se alejen de la partcula dearcilla, pero no que el agua se mueva y diluya sus concentraciones, provocando la

expansin del suelo a travs de la entrada de agua por smosis. As, si tomamos encuenta que la adsorcin de agua en el espacio interlaminar de las partculas depende delbalance entre la atraccin electrosttica catin - lmina y de la energa de hidratacin delcatin, podemos entender que el principio bsico de la estabilizacin de los suelosexpansivos es el incremento de la concentracin inica en el agua libre, a fin de reducir elefecto de la entrada de agua por smosis.

CONCLUSION.

Los suelos potencialmente expansivos han demostrado ser un problema a nivel mundial,debido a las prdidas econmicas que provocan y a que pueden ser encontrados en casicualquier parte del mundo, abundando en los lugares donde la evapotranspiracin anualexceda a la precipitacin.En general, el principal problema que se tiene con los suelos expansivos es que sus

mayores afectaciones estn asociadas a estructuras pequeas, las cuales usualmente nojustifican investigaciones exhaustivas y soluciones efectivas. As, muchas de las prdidaseconmicas que provocan podran ser evitadas reconociendo el problema a tiempo eincorporando medidas preventivas apropiadas en el diseo, construccin y mantenimientode las estructuras.Si bien las arcillas se expanden o contraen en respuesta a los cambios de las fuerzas queactan sobre sus partculas, todo apunta a que la succin osmtica es la principalresponsable del mecanismo de expansin de los suelos.


22/167


23/167

Comportamiento de los suelos expansivos.

20

que la presencia de fisuras (tales como las grietas de desecacin) y de lentes de arena ygrava en el suelo, pueden hacer que el agua fluya ms fcilmente, acelerando el procesode humedecimiento y expansin del suelo.

Humedad inicial:Un suelo inicialmente hmedo posee un menor potencial de expansinque uno inicialmente seco (misma densidad seca), aunque su presin de expansinpermanece prcticamente constante, debido a la relacin existente entre el contenido dehumedad del suelo y su succin. Por tanto, si elevamos el contenido de humedad inicial deun suelo, reduciremos significativamente su cambio potencial de volumen.En general, las arcillas muy secas, usualmente con contenidos de humedad menores al 15por ciento, fcilmente pueden adsorber humedad hasta alcanzar valores de alrededor de

un 35 por ciento, provocando daos muy severos a las estructuras. Por el contrario, lasarcillas con contenidos de humedad relativamente altos, de alrededor de un 30 por ciento,indican que la mayora de las expansiones ya han tenido lugar, con lo que se puedeesperar que las expansiones posteriores sean relativamente pequeas. A fin de tener unaidea de las humedades que se pueden llegar a tener bajo las estructuras, McDowell (1956)propuso un valor mnimo de 0.2WL+ 9% en el contenido de humedad de equilibrio de lassubrasantes para carreteras, el cual presumiblemente tambin puede ser aplicado a otrotipo de estructuras con cimentaciones superficiales.

Profundidad de la zona activa: Un criterio muy importante en la evaluacin de losproblemas debidos a los suelos expansivos, es el de la profundidad de la zona activa, lacual es considerada como la profundidad mxima de fluctuacin en el contenido dehumedad del suelo. Presumiblemente, debajo de esa profundidad se tendr un contenidode humedad razonablemente constante, por lo que el suelo ya no estar sujeto aexpansiones. El grave problema que presenta este criterio es el de la dificultad para

determinar el valor de esa profundidad en un sitio dado, ya que por ejemplo, las arcillasque se encuentran ms ampliamente fisuradas debido a la desecacin, usualmente poseenzonas activas ms profundas, debido a que esas fisuras ayudan a que el agua de lluviasea transmitida a profundidades mayores.

Variacin de humedad:Si un suelo inicialmente saturado es sometido a los efectos de laevaporacin superficial, el agua cercana a su superficie trabajar a tensin, con lo que ladistribucin de presiones no ser la hidrosttica sino la correspondiente a un flujoascendente. Por tanto, el punto de presin nulo (NAF)ser abatido, con lo que a la costrasuperficial parcialmente saturada se le considerar como un suelo desecado (suelo que hasufrido contracciones debido al incremento de esfuerzos efectivos, producto de lastensiones en el agua). Si bajo estas condiciones se construye una estructura sobre el suelosuperficialmente desecado, se suprimir la evaporacin del suelo, lo que provocar que elflujo ascendente tienda a restituir la distribucin de presiones hidrosttica. Esto disminuirlos esfuerzos efectivos actuantes sobre la masa de suelo, provocando su expansin.Algo similar ocurre en un suelo expansivo no saturado, ya que la evaporacin tiende alimitar la cantidad de humedad que se puede almacenar en su superficie, y a provocar questa trabaje a tensin. Esto induce un incremento en los esfuerzos efectivos, lo que ayudaa mantener al suelo en un estado de compresin. Al construir una estructura sobre el sueloexpansivo, se eliminan las fuerzas de evaporacin, lo que aumenta su capacidad dealmacenamiento de agua y disminuye el trabajo a tensin de sta. Esto provoca unadisminucin en los esfuerzos efectivos, y la consecuente expansin del suelo.Kraynski (1967)explic como vara el contenido de humedad de un suelo homogneo atravs de su profundidad, haciendo uso de la figura 3.1.


24/167


21

Fig. 3.1 Variacin del contenido de humedad con la profundidad bajo la superficie del suelo.

Curva 1: Representa el perfil de humedad de un rea cubierta en equilibrio, sin prdida oganancia de humedad con la atmsfera. Note como el contenido de humedaddecrece con la profundidad.

Curva 2: Representa un rea natural no cubierta, con una prdida de humedad porevaporacin en su superficie. Note como la influencia de la evaporacin decrececon la profundidad.

Hd: Es la profundidad de desecacin o profundidad de la zona activa, la cualrepresenta el espesor total de suelo con un potencial de expansin pordeficiencia de humedad. El valor de sta profundidad depende del clima, tipo desuelo y localizacin del NAF, siendo que su profundidad mxima es la del NAF, ysu mnima es la de fluctuacin estacional en el contenido de humedad del suelo.

Curva 3: Representa el incremento en el contenido de humedad superficial del suelo de lacurva 2, debido a las precipitaciones de la temporada de lluvias. Esta curvapuede llegar ms all de la curva 1 o ms atrs de la curva 2, dependiendo de lacantidad de lluvia que se presente.

Hs: Representa la profundidad de fluctuacin estacional en el contenido de humedaddel suelo. Esta depende de la permeabilidad del suelo y de las condiciones

climticas.

Por tanto, el cambio en el perfil de humedad de un suelo de su condicin natural (curvas 2y 3)a la condicin cubierta (curva 1), es la causa de las expansiones. Cabe destacar que sibien el contenido de humedad bajo el rea cubierta se incrementa debido a la migracingravitacional de humedad y a la capilaridad, tambin puede llevarse a cabo sin lapresencia de agua libre, a travs de la transferencia termal de vapores. En ella, el vapor deagua a una temperatura mayor que sus alrededores migra hacia las reas ms fras (lascuales generalmente son las reas cubiertas bajo las estructuras), buscando igualar las


25/167


22

energas termales. Tras condensarse en ellas, provee de humedad suficiente al suelo paraexpandirse.

Clima: Los suelos de climas hmedos generalmente se encuentran hmedos y contendencias a permanecer as durante todo el ao, debido a que sus periodos de mayorevapotranspiracin (verano) usualmente coinciden con los de mayor lluvia. Por tanto,tienden a presentar expansiones pequeas, aunque se han llegado a reportar problemasgraves cuando se han tenido periodos prolongados de sequa.Los mayores problemas de expansin se presentan en las reas ridas, semiridas ymonznicas, debido a que la distribucin estacional de sus precipitaciones yevapotranspiraciones tiende a causar amplias fluctuaciones en el contenido de humedad

del suelo. As, puesto que la mayora de sus precipitaciones ocurren durante el invierno yla primavera (cuando los rangos de evapotranspiracin son bajos), y puesto que laprecipitacin es mnima durante el verano (cuando la evapotranspiracin es mxima),estos suelos tienden a expandirse en el invierno y a contraerse en el verano.

Fig. 3.2 Distribucin de la precipitacin y evapotranspiracin potencial anual en (a) Los ngeles, California y(b) Willard, Carolina del Norte. Note como los inviernos hmedos en Los ngeles, son seguidos por veranosmuy secos. En contraste, la precipitacin en Willard es mucho mayor, y la mayora ocurre durante el verano.

El ndice de Humedad de Thornthwaite es una funcin de la diferencia existente entre laprecipitacin anual y la evapotranspiracin potencial (en pulgadas) de un suelo, el cual nossirve para correlacionar ambos factores con sus efectos sobre los suelos expansivos (laevapotranspiracin potencial de un suelo es la cantidad de agua que pudo regresar a laatmsfera mediante evapotranspiracin, suponiendo un suministro ilimitado de agua alsuelo). Haciendo uso de este ndice, Thornthwaite (1948) clasific a los climas de lasdistintas regiones tal como se muestran a continuacin:

TMI Tipo de clima- 60 a - 40 rido- 40 a - 20 Semirido

- 20 a 0 Subhmedo seco0 a 20 Subhmedo hmedo

20 a 100 Hmedo> 100 Muy hmedo

Tabla 3.2 Clasificacin del clima basado en el ndice de Humedad de Thornthwaite (TMI).


26/167


23

Fig. 3.3 Zonas potenciales de suelos expansivos en la Repblica Mexicana

(Zepeda y Castaeda, 1987).


27/167


24

Debido a que los suelos expansivos son ms problemticos en las regiones cuyo contenidode humedad vara a lo largo del ao, las regiones con los menores ndices de humedad deThornthwaite deben ser los que presentes los problemas ms graves de expansin. Dehecho, si se combina la informacin disponible sobre la distribucin del ndice de humedadde Thornthwaite y la distribucin de los depsitos de suelos expansivos en un rea dada,se puede llegar a localizar las zonas ms propensas a sufrir daos por expansin. Algosimilar fue realizado por Zepeda y Castaeda (1987), al elaborar una zonificacin potencialde los suelos expansivos en la repblica mexicana, tras basarse en los datos obtenidos dela precipitacin media anual y de la evaporacin potencial media anual de 140 estacionesmeteorolgicas, y en la distribucin geogrfica del suelo conocido como vertisol (el vertisoles el principal tipo de suelo expansivo, el cual ocupa cerca del 25% de la superficie delterritorio nacional, ya sea como suelo principal o como suelo asociado). Para ello,consideraron que los suelos expansivos son problemticos en las regiones donde laevaporacin excede a la precipitacin, con lo que prepararon el mapa de la figura 3.3, elcual muestra las zonas potencialmente afectadas por expansiones estacinales dentro dela repblica mexicana.

Actividades humanas: Las actividades humanas, en especial las relacionadas a lacreacin de nuevas construcciones, tienden a cambiar las condiciones de humedad delsitio:

La remocin de la vegetacin termina con la transpiracin del suelo. La colocacin de losas, pavimentos u otros materiales impermeables sobre la superficie

del suelo, evita la evaporacin y la infiltracin directa del agua de lluvia. La irrigacin de las reas verdes puede incrementar la humedad del suelo. La colocacin de rboles o edificios con calefaccin puede incrementar la prdida de

humedad por desecacin del suelo.

Densidad seca:Las arcillas densas se expanden ms y presentan mayores presiones deexpansin que sus contrapartes de menor densidad y mismo contenido de humedad inicial(los suelos expansivos con densidades secas superiores a los 1,750 kg/m3generalmenteexhiben altos potenciales de expansin). Puesto que las densidades secas se reflejan enlas resistencias a la penetracin estndar, las arcillas expansivas con resistenciassuperiores a los 15 golpes generalmente poseen altos potenciales de expansin.Debido a que los mecanismos fsicos de las rocas expansivas, tales como lutitas ypizarras, son similares a los de los suelos expansivos, sus presiones y potenciales deexpansin generalmente son mayores debido a sus altos pesos unitarios. Aunque cabedestacar que debido a sus bajas permeabilidades, es ms difcil que alcancen su potencialde expansin en campo.

Remoldeo:El remoldeo puede hacerlo ms expansivo a un suelo, debido a que rompe lacementacin existente entre sus partculas, la cual podra absorber grandes cantidades dela presin de expansin.

Sobrecarga: Una sobrecarga moderada puede restringir en mucho al potencial deexpansin de un suelo, aunque usualmente se requieren sobrecargas muy grandes pararestringirlas totalmente. Por tanto, el permitir una pequea expansin puede reducir enmucho a la presin de expansin del suelo.La figura 3.4 ilustra una relacin tpica entre el potencial de expansin de un suelo, sucontenido de humedad inicial, y su presin de sobrecarga.


28/167


25

Fig. 3.4 Potencial de expansin en funcin del contenido de humedad inicial y de la sobrecarga.

Esta relacin demuestra porque los pavimentos y las losas apoyadas directamente sobre elsuelo son tan susceptibles a los daos por expansin, ya que transmiten una sobrecargademasiado pequea al suelo. Adems, demuestra que incluso un pequeo incremento enla sobrecarga del suelo, tal como el debido a 30 cms de subbase, podra decrementarsignificativamente su potencial de expansin. Aunque cabe destacar que el uso de una

subbase para este propsito resulta muy controvertido, ya que a pesar de que provee unasobrecarga adicional al suelo, tambin puede llegar a convertirse en una avenida para elingreso de agua adicional, lo cual puede resultar an ms perjudicial.

3.3 Efecto de la estructura del suelo en su comportamiento.

Para entender el efecto de la estructura del suelo en su comportamiento, antes debemosentender la influencia que tiene el contenido de humedad de compactacin en el arregloestructural de las partculas arcillosas (Seed y Chan, 1959),para lo cual haremos uso de lafigura 3.5.

Fig. 3.5 Efecto de la compactacin en la estructura del suelo.


29/167


26

Punto A: La pequea cantidad de agua presente en la muestra, provoca una altaconcentracin de electrolitos en ella. Esto evita el desarrollo del sistema de ladoble capa difusa, lo que provoca una baja repulsin interparticular y una altatendencia de los coloides a flocular, generndose as un bajo grado deorientacin en las partculas del suelo. A este tipo de estructuras se les hallamado arreglos floculados de las partculas de suelo.

Punto B: Un incremento en el contenido de humedad de la muestra causa un decrementoen la concentracin de electrolitos del agua. Esto a su vez expande al sistema dela doble capa difusa, incrementando la repulsin interparticular, y disminuyendola floculacin de las partculas (se tiene un incremento en el grado de orientacinde las partculas del suelo).

Punto C: Un mayor contenido de humedad en la muestra incrementa este efecto, lo queresulta en un mayor grado de orientacin de las partculas. A este sistema departculas paralelas se le ha llamado sistema disperso de partculas.

Por tanto, la compactacin de un suelo arcilloso a un contenido de humedad menor a suptimo tiende a producir arreglos floculados de sus partculas, mientras que lacompactacin de ese mismo suelo a un contenido de humedad mayor a su ptimo tiende aproducir arreglos dispersos de sus partculas.

Fig. 3.6 Influencia del contenido de humedad de remoldeo y de la estructura del suelo,en las caractersticas de expansin de una arcilla arenosa.


30/167


27

Se ha comprobado que las muestras compactadas a un contenido de humedad menor a suptimo, exhiben patrones de contraccin considerablemente menores y de expansinconsiderablemente mayores (se expanden a mayores contenidos de humedad y conmayores presiones de expansin) al de sus contrapartes compactadas a la mismadensidad, pero con un contenido de humedad mayor a su ptimo (fig. 3.6).Esto puede ser interpretado como una menor tendencia a la contraccin y una mayortendencia a la expansin de las estructuras floculadas, con respecto a las dispersas.Adems, la reduccin de resistencia en las muestras compactadas, esta asociada a lasestructuras ms dispersas. Por tanto, si bien la compactacin de un suelo arcilloso a uncontenido de humedad mayor a su ptimo reduce su potencial de expansin, tambinprovoca una disminucin en su resistencia al esfuerzo cortante.

Fig. 3.7 Expansin y contraccin de una muestra arcillo arenosa,preparada mediante amasado y compactacin esttica.


31/167


28

Cabe destacar que existe una influencia considerable del mtodo de compactacin en elgrado de orientacin de las partculas de las muestras compactadas a contenidos dehumedad mayores a su ptimo, ya que en ellas, las deformaciones al cortante inducidasdurante la compactacin producen un mayor grado de dispersin en las partculas delsuelo. Por tanto, el grado de orientacin de las partculas en estos suelos decrece deacuerdo al siguiente orden de mtodos de compactacin: amasado, impactos, vibracin yesttico.En contraste, en las muestras compactadas a un contenido de humedad menor a suptimo no se producen deformaciones cortantes apreciables del suelo, sin importar elmtodo de compactacin utilizado. Esto provoca que siempre se tengan estructurasfloculadas o con muy poca orientacin de sus partculas.Por tanto (fig. 3.7 y 3.8), si bien las muestras compactadas a una misma densidad y a unmismo contenido de humedad por arriba del ptimo, producen propiedades diferentessegn el mtodo de compactacin utilizado (las muestras compactadas mediante mtodosestticos presentan menores caractersticas de contracciones, y mayores caractersticasde expansin y de presin de expansin, que las muestras compactadas mediantemtodos de amasado), esto no sucede en las muestras compactadas a un mismocontenido de humedad por debajo del ptimo (estas presentan caractersticas similares deexpansin y de contraccin, sin importar el mtodo de compactacin utilizado).

Fig. 3.8 Efecto del mtodo de compactacin en la presin de expansin de unamuestra arcillo arenosa, compactada a un alto grado de saturacin.

3.4 Expansin diferencial.

Las estructuras apoyadas sobre suelos expansivos tienden a sufrir daos ms severos

cuando estos desarrollan incrementos locales y no generales de humedad. Por tanto, lasexpansiones diferenciales usualmente son las que gobiernan el diseo de lascimentaciones sobre suelos expansivos.Si bien las expansiones diferenciales estn en funcin de variables propias del suelo talescomo el espesor de los estratos o la no uniformidad de estos, las mayores expansionesdiferenciales se presentan cuando se deben a factores relacionados al uso y ocupacin delas estructuras (averas en las lneas subterrneas de agua, presencia de superficies de


32/167


29

drenaje ineficientes, etc.), o bien a factores extraos (rboles que absorben demasiadahumedad, ciclos estacinales de variacin de humedad, etc.).Tericamente, la expansin diferencial puede variar desde cero hasta el valor de laexpansin total, aunque usualmente solo se desarrolla dentro de un rango de un cuarto y lamitad de esta.

3.5 Comportamiento ante ciclos de expansin y contraccin.

Si bien la evaluacin del potencial de expansin de un suelo usualmente se lleva a cabomediante la realizacin de un solo ciclo de humedecimiento, los suelos en el campo amenudo estn sujetos a expansiones y contracciones cclicas, lo cual tiene una marcadainfluencia en sus propiedades.Un estudio realizado (Al Homoud, 1995) sobre muestras alteradas de suelos expansivossometidas a ciclos de humedecimiento y secado (hasta su contenido de humedad inicial),demostr que el porcentaje de expansin y la presin de expansin siempre es mximopara el ciclo inicial, y que estos van disminuyendo en los ciclos subsecuentes (la reduccines mxima despus del primer ciclo). Esta reduccin se produce hasta alcanzar un valorcasi constante despus de un cierto nmero de ciclos, fenmeno al cual se le ha dado elnombre de fatiga de expansin.

Fig. 3.9 Cambio en la presin de expansin y en el porcentaje de expansinde las muestras A a F, segn el ciclo de humedecimiento y secado.

El anlisis de la microestructura del suelo (imgenes tomadas con microscopio de barrido

electrnico), nos indica que el decremento en las caractersticas de expansin del suelo sedebe a que su estructura inicialmente floculada (fig. 3.10.a)adquiere una cierta orientacinestructural despus del primer ciclo de humedecimiento y secado (fig. 3.10.b), lo queprovoca una menor capacidad de adsorcin de agua y de expansin, y que ya para elquinto ciclo la estructura del suelo se encuentra mucho ms dispersa (fig. 3.10.c),asegurando una mucha menor capacidad de adsorcin de agua y de expansin.


33/167


30

Fig. 3.10 Fotomicrografa mostrando la microestructura del suelo: (a) Muestra inicialmente remoldeada,(b) Despus del primer ciclo, (c) Despus del quinto ciclo.

3.6 Expansin lateral.

Si bien la expansin de un suelo debe ocurrir primeramente de manera normal a susuperficie, debido a que las expansiones laterales son ampliamente inhibidas por lossuelos adyacentes, esto puede no ser cierto en los suelos expansivos debido a situacionestales como la presencia de un amplio fisuramiento en ellos, o la presencia de estos entaludes (ausencia de confinamiento) o en estructuras de retencin (desplazamientosdebidos a las presiones laterales de expansin). Existen investigaciones que han sealadoque algunas muestras inalteradas de arcilla han llegado a presentar expansiones lateralessignificativas, y que incluso estas pudieran llegar a ser mayores a las expansionesnormales a su superficie.

3.7 Contracciones.

En la mayora de los casos, las contracciones que se presentan alrededor y debajo de lasestructuras rara vez les causan daos estructurales. Por tanto, se considera que lascontracciones no son tan importantes como las expansiones en el diseo de lasestructuras.

RESUMEN.

Para que un suelo sea expansivo debe contener un mineral arcilloso que manifiestecambios de volumen al ser sometido a cambios en su contenido de humedad, y este debeestar en condiciones de secado durante por lo menos parte de los ciclos estacinales.El potencial de expansin de los suelos depende de muchos factores, entre los quedestacan el tipo y la cantidad del mineral arcilloso expansivo presente en el suelo (losproblemas ms graves ocurren en los suelos con un alto contenido montmorilontico), elespesor del estrato expansivo (limitado por la profundidad del NAF), su permeabilidad(aumentada por la presencia de grietas y fisuras) y su sobrecarga actuante, la densidad

seca del suelo (las arcillas ms densas se expanden ms y presentan mayores presionesde expansin que las menos densas) y su contenido de humedad inicial, la profundidad dela zona activa (considerada como la profundidad mxima de fluctuacin en el contenido dehumedad del suelo y su zona potencial de expansin), el clima (los mayores problemas sepresentan en las reas ridas, semiridas y monznicas con amplias fluctuaciones en elcontenido de humedad del suelo), y las actividades humanas (las cuales tienden a cambiarlas condiciones de humedad del sitio). Adems, se ha comprobado que los sueloscompactados a un contenido de humedad mayor a su ptimo exhiben mayores patrones de


34/167


31

contraccin, menores patrones de expansin y menores resistencias al esfuerzo cortanteque sus contrapartes compactados a un contenido de humedad menor a su ptimo,incrementndose este efecto conforme se utilizan mtodos de compactacin que inducendeformaciones al cortante. Cabe destacar que los suelos compactados a un contenido dehumedad menor a su ptimo presentan caractersticas similares de expansin, contracciny resistencia al esfuerzo cortante sin importar el mtodo de compactacin utilizado.En general, el efecto que tiene la colocacin de una estructura sobre un suelo expansines el de eliminar sus fuerzas de evaporacin, aumentando su capacidad dealmacenamiento de agua. Esto disminuye el trabajo a tensin del agua y disminuye losesfuerzos efectivos actuantes sobre el suelo, provocando su expansin. Aunque cabedestacar que las estructuras apoyadas sobre suelos expansivos tienden a sufrir daos msseveros cuando estos desarrollan incrementos locales y no generales de humedad,adems de que las contracciones que se presentan alrededor y debajo de ellas rara vezles causan daos estructurales. Por tanto, las expansiones diferenciales (las mayores sepresentan cuando se deben a factores relacionados al uso y ocupacin de las estructuras,o bien a factores extraos) usualmente son las que gobiernan el diseo de lascimentaciones sobre suelos expansivos.

CONCLUSION.

Para que un suelo sea expansivo debe contener un mineral arcilloso que manifiestecambios de volumen al ser sometido a cambios en su contenido de humedad, y este debeestar en condiciones de secado durante por lo menos parte de los ciclos estacinales.Por tanto, la profundidad mxima de fluctuacin en el contenido de humedad del suelo(profundidad de la zona activa) define su zona potencial de expansin, para lo cual el grave

problema que se tiene en los anlisis de expansin es el de la dificultad para determinar elvalor de esa profundidad para un sitio dado, debido a la gran cantidad de variables queintervienen en ella.Se sabe que al construir una estructura sobre un suelo expansivo se eliminan sus fuerzasde evaporacin, lo que provoca la expansin del suelo. Adems, se sabe que lasestructuras tienden a sufrir daos ms severos por expansiones diferenciales y nogenerales del suelo, lo que condiciona que estas sean las que gobiernen el diseo de lascimentaciones (las mayores expansiones diferenciales se presentan cuando se deben afactores relacionados al uso y ocupacin de las estructuras, o a factores extraos).


35/167

El enfoque de los suelos expansivos no saturados.

32

Captulo 4: EL ENFOQUE DE LOS SUELOS EXPANSIVOS NO SATURADOS.

4.1 Tensin superficial.

En ingeniera, las presiones del aire y del agua de poro del suelo usualmente se expresanen referencia a la presin atmosfrica.

Fig. 4.1 Relacin entre la presin absoluta y la presin relativa a la atmosfrica.

Sitz (1948)not que el agua capilar poda elevarse ms de 10 m sobre el nivel de aguasfreticas del suelo, por lo que sugiri que esta fuera subdividida en agua gravitacional ymolecular. La habilidad del agua para soportar altos esfuerzos de tensin sin cavitar o

hervir era de inters primario, por lo que se postul que el agua capilar gravitacional tienepropiedades similares a las del agua ordinaria, mientras que el agua capilar molecularpresenta propiedades nicas.Las molculas superficiales de agua en la inmediata vecindad de una pared slida seencuentran sometidas a fuerzas de cohesin (debidas a las molculas restantes de agua) yde adhesin (ejercidas por las molculas de la pared). La superficie se curvar de maneracncava o convexa segn dominen las fuerzas de adhesin o cohesin, respectivamente.En general, cuando las paredes del tubo capilar son slidas, el menisco de aguausualmente es cncavo (dominio de las fuerzas de adhesin).

Fig. 4.2 Fenmeno de tensin superficial en la interfase aire agua. (a) Fuerzas intermoleculares actuantessobre las molculas de agua. (b) Presiones y tensin superficiales actuantes sobre una superficie curvabidimensional.


36/167


33

Adems, una molcula en el interior del agua experimenta fuerzas iguales en todasdirecciones, mientras que una molcula en su superficie experimenta fuerzasdesbalanceadas hacia el interior (fig. 4.2.a). Para que la superficie del agua se encuentreen equilibrio, es necesario que se genere una fuerza de tensin a lo largo de ella (fig.4.2.b). Esta tensin superficial (Ts) provoca que la superficie se comporte como unamembrana elstica (una membrana flexible sometida a presiones diferentes asumir unacurvatura cncava hacia el lado de mayor presin, ejerciendo una tensin a fin de lograr elequilibrio).Por tanto, la diferencia de presin a travs de la superficie curvada puede relacionarse conla tensin superficial (Ts)y con el radio de curvatura de la superficie (Rs), considerando elequilibrio de la membrana. Si tenemos una membrana tridimensional en el que el radio decurvatura es el mismo en todas direcciones, la diferencia de presin a travs de lasuperficie curvada es:

s

s

R

T2=

En un suelo no saturado, la superficie del agua se encuentra sujeta a una presin del aire(ua)mayor a la presin del agua (uw). As, la diferencia de presin (ua- uw)es la llamadasuccin mtrica, la cual es la causante de que la superficie se curve de acuerdo a laecuacin:

( )s

swa

R

T2=

4.2 El principio del esfuerzo efectivo en los suelos saturados.

El comportamiento mecnico de un suelo puede ser descrito en trminos de su estado deesfuerzos, el cual consiste en una cierta combinacin de variables de esfuerzo que debenser independientes a las propiedades fsicas del suelo.Terzaghi (1936) describi la variable del estado de esfuerzos que controla elcomportamiento de un suelo saturado, la cual ha sido llamada del esfuerzo efectivo y escomnmente expresada como:

( )wu= '

Donde: = Esfuerzo efectivo normal.= Esfuerzo total normal.w= Presin del agua de poro.

Esta variable ha permitido relacionar el comportamiento observado de los suelos saturadoscon sus condiciones de esfuerzo, aplicndose exitosamente a muchos problemasgeotcnicos.

4.3 Ecuaciones del esfuerzo efectivo para los suelos no saturados.

Se han hecho numerosos intentos por desarrollar un concepto similar al del esfuerzoefectivo aplicable a los suelos no saturados, tratando de proveer una variable nica delestado de esfuerzos. Si bien los resultados experimentales han demostrado que laspropiedades del suelo no apuntan a una nica relacin.Bishop (1959) sugiri una expresin del esfuerzo efectivo aplicable a los suelos nosaturados, mediante una modificacin al principio del esfuerzo efectivo de Terzaghi:


37/167


34

( ) ( )waa uuu += '

Donde:ua= Presin del aire de poro.uw= Presin del agua de poro.(ua - uw)= Succin mtrica del agua de poro.= Parmetro emprico obtenido experimentalmente que depende principalmente del gradode saturacin del suelo. Su magnitud es de uno para suelos saturados y de cero parasuelos secos.

Su justificacin se basa en que si examinamos a una seccin de suelo no saturado (fig.

4.3), observaremos que la tensin capilar tendiente a fijar los puntos de contacto entre laspartculas, solo acta sobre una fraccin del mismo, la cual corresponde al valor delcoeficiente .

Fig. 4.3 (a) Elemento de suelo no saturado. (b) Forma de un poro, suponiendo una disposicin cbicaperfecta. (c) Geometra de un menisco de agua en un contacto.

Si bien esta expresin permiti resolver muchos casos prcticos, en especial losrelacionados a la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos, existe poca evidenciasobre su aplicacin al campo de los cambios volumtricos. Esto debido principalmente aque existe una dificultad en su aplicacin, ya que si bien un aumento en los esfuerzosefectivos debido a un incremento en los esfuerzos externos conduce a una mayorcontinuidad del suelo, un aumento similar en los esfuerzos efectivos debido a unincremento en la succin provoca una reduccin en la continuidad del suelo (debido a laaparicin de grietas), lo cual hace fallar la equivalencia existente entre la succin y elesfuerzo efectivo actuante sobre el suelo. Por tanto, la descripcin del comportamiento delos suelos parcialmente saturados mediante el esfuerzo efectivo de Bishop solo esaplicable cuando se tiene una succin pequea en relacin al esfuerzo externo aplicado,

ya que de lo contrario ningn cambio en la succin puede ser equivalente a un cambio enel esfuerzo efectivo del suelo.En general, debido a que un valor especfico del parmetro solo puede correlacionarse auna combinacin de (- ua)y (ua- uw), Aitchison (1967) sugiri que estos trminos fueranseparados al analizar el comportamiento de los suelos no saturados. De esta manera, laecuacin del esfuerzo efectivo ha sido separada en dos variables independientes delestado de esfuerzos, las cuales describen el comportamiento mecnico del suelo sin lanecesidad de incorporar sus propiedades.


38/167


35

4.4 Variables del estado de esfuerzos en el suelo.

El comportamiento mecnico de un suelo es controlado por las mismas variables delestado de esfuerzos que controlan el equilibrio de su estructura. Por tanto, si realizamos unanlisis de equilibrio de esfuerzos a un elemento de suelo no saturado, observaremos queexiste un conjunto de esfuerzos (- ua) y dos de presiones normales independientes (ua-uw) y (ua), las cuales gobiernan el equilibrio de la estructura del suelo. Y puesto que lavariable de presin (ua), puede ser eliminada cuando se asume que las partculas de sueloy agua son incompresibles, las variables ( - ua) y (ua - uw) son remitidas como lasvariables del estado de esfuerzos del elemento de suelo no saturado (Fredlund yMorgenstern, 1977). As, los tensores independientes del estado de esfuerzos formados apartir de estas variables son:

azyzxz

zyayxy

zxyxax

y

wa

wa

wa

00

00

00

Estos tensores definen completamente el estado de esfuerzos del elemento de suelo nosaturado, aunque no pueden combinarse en una sola matriz ya que ambas poseendiferentes propiedades asociadas del suelo. La figura 4.4 ilustra el estado de esfuerzos enun elemento de suelo no saturado en trminos de estos dos conjuntos de variables delestado de esfuerzos:

Fig. 4.4 Variables del estado de esfuerzos para un elemento de suelo no saturado.

En general, existe una teora unificada para la mecnica de suelos en la que un suelosaturado es visto como un caso especial de los suelos no saturados. Conforme un suelo no

saturado se aproxima a la saturacin, su presin del agua de poro (uw)se aproxima a lapresin del aire de poro (ua), con lo que el trmino de la succin mtrica (ua- uw)se vuelvecero (ver 4.1).Para el caso especial de un suelo saturado, el segundo tensor del estado de esfuerzosdesaparece, debido a que la matriz de succin (ua - uw) se vuelve cero. Por su parte, eltrmino de la presin del aire de poro (ua) en el primer tensor de esfuerzo se convierte enla presin del agua de poro (uw):


39/167


36

wzyzxz

zywyxy

zxyxwx

Esto demuestra la suave transicin existente entre el estado de esfuerzos de un suelo nosaturado y uno saturado (y viceversa), y el hecho de que el comportamiento de los suelossaturados puede ser considerado como un caso especial de los suelos no saturados.

Fig. 4.5 Variables del estado de esfuerzos para un elemento de suelo saturado.

4.5 El papel de la succin osmtica.

La succin total del suelo (), se forma a partir de la suma de la componente mtrica (ua-uw)y osmtica () de este:

( ) += wa uu

Como vimos en 2.8, la succin osmtica es una funcin de la cantidad de sales disueltasen el fluido de poro del suelo, ya que estas ejercen una succin que habra que vencerpara trasladarla a una hipottica agua pura y libre lejos de ellas.En general, la mayora de los problemas que envuelven a los suelos no saturados son elresultado de los cambios en la succin mtrica, con cambios en la succin osmticausualmente menos significativos. Por tanto, se tiende a considerar que un cambio en lasuccin total es esencialmente equivalente a un cambio en la succin mtrica del suelo(= (ua- uw)). Una segunda razn por la que usualmente no se toma en consideracina la succin osmtica, es que sus cambios en campo generalmente son simulados durantelas pruebas de laboratorio, ya que en ellas los especimenes son tratados con aguadestilada (efecto que simula el humedecimiento del suelo por parte del agua de lluvia).

Cabe destacar que si el contenido de sales de un suelo es alterado, debe considerarse a lasuccin osmtica como parte de su estado de esfuerzos. Esto se consigue a travs de unavariable isotrpica independiente:

00

00

00


40/167


37

4.6 Cambios de volumen en los suelos no saturados.

Las ecuaciones constitutivas de cambio de volumen de los suelos no saturados relacionana sus variables del estado de esfuerzo (- ua) y (ua- uw), con sus variables del estado dedeformacin, mediante el uso de coeficientes. En general, se requieren dos conjuntos devariables del estado de deformacin del suelo para describir adecuadamente sus cambiosde volumen (uno asociado a su estructura y otro a su fase de agua).El cambio en la relacin de vacos de un suelo no saturado sometido a cargatridimensional, puede ser descrito como:

( ) ( )wamant

TESIS SUELOS EXPANSIVOS

Documents

Transcript of TESIS SUELOS EXPANSIVOS