“Año de la consolidación Democrática” UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL IX CURSO DE ACTUALIZACIÓN PROFESIONAL EFECTO DE LAS CONSTRUCCIONES SOBRE ARCILLAS EXPANSIVAS INFORME DE SUSTENTACIÓN PRESENTADO POR BACHILLER: CRISTIAN PERCY, VILLANUEVA CALDERÓN PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERO CIVIL HUANCAYO – PERÚ 2006 HOJA DE CONFORMIDAD DE JURADOS ___________________________ Mg. Carlos Sanchez Guzmán Decano ___________________________ Ing. Jurado ___________________________ Ing. Jurado ___________________________ Ing. Jurado ___________________________ Ing. Javier Navarro Véliz Secretario Docente ÍNDICE DEDICATORIA i RESUMEN ii INTRODUCCIÓN iii Pagina CAPITULO I 03 I. GENERALIDADES 03 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 03 1.2. OBJETIVOS 04 1.2.1. GENERAL 04 1.2.2. ESPECÍFICOS 04 1.3. ANTECEDENTES 04 1.4. METODOLOGÍA 07 1.5. JUSTIFICACIÓN 07 1.6. LIMITACIONES Y ALCANCE 07 CAPITULO II 09 II. CARACTERÍSTICAS DE UN SUELO EXPANSIVO 09 2.1. CARACTERÍSTICAS DE UNA ARCILLA EXPANSIVA 09 2.2. COMPORTAMIENTO DE UNA ARCILLA EXPANSIVA 11 2.3. FACTORES QUE DESEQUILIBRAN LA HUMEDAD 14 2.3.1. FACTORES CLIMÁTICOS 14 2.3.2. LA PROFUNDIDAD DE ZONA ACTIVA 15 2.3.3. FACTORES HUMANOS 15 2.4. PROBLEMÁTICA DE LAS ARCILLAS EXPANSIVAS 16 2.5. CLASIFICACIÓN DEL POTENCIAL DE EXPANSIÓN 18 2.6. PRESIÓN DE HINCHAMIENTO 22 2.7. MÉTODOS DE PRUEBA 23 2.7.1. ENSAYO DE EXPANSIÓN LIBRE 23 2.7.2. ENSAYO DE EXPANSIÓN BAJO CARGA CONTROLADA 2.7.3. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO CAPITULO III 25 26 29 III. EFECTOS DE LAS CONSTRUCCIONES SOBRE ARCILLAS EXPANSIVAS 3.1. DESCRIPCION Y ORIGEN DE LOS DAÑOS 3.1.1 DESCRIPCION 31 31 3.1.2 ORIGEN: 3.2. PREVENCION Y REPARACIÓN DE DAÑOS 40 3.2.1 PREVENCION 40 3.2.2 REPARACION 48 CAPITULO IV 52 IV. PROCEDIMIENTO DE IDENTIFICACION DE UN SUELO EXPANSIVO 4.1. PARAMETROS GENERALES DE INVESTIGACION 52 4.2. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA OBTENER LOS VALORES DE EXPANSIÓN 54 4.2.1. ENSAYO DE PRESIÓN DE EXPANSIÓN 55 4.2.1. ENSAYO DE EXPANSIÓN LIBRE 60 4.3. PROPIEDADES FISICAS Y MECÁNICAS DE LA MUESTRA 63 4.3.1 PROPIEDADES FISICAS 63 4.3.2. PROPIEDADES MECANICAS 64 4.4. RESULTADOS FINALES CAPITULO V 64 64 V. CRITERIOS DE UNA CIMENTACIÓN PROFUNDA EN UN SUELO EXPANSIVO 5.1. CONSIDERACIONES GENERALES 64 5.1.1 OBJETO DEL ESTUDIO 64 5.1.2 UBICACIÓN DEL TERRENO 65 5.1.3 ANTECEDENTES ESTUDIADOS 65 5.2. DESARROLLO DEL ESTUDIO 65 5.2.1 TRABAJOS REALIZADOS EN CAMPO 65 5.2.2 TRABAJOS REALIZADOS EN LABORATORIO 65 5.2.3. TRABAJOS DE GABINETE 66 5.3 DESCRIPCIÓN Y PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS ESTRATOS 66 5.3.1 Horizonte superior granular (Entre 1,00 y 3,00 metros de espesor) 66 5.3.2 Horizonte intermedio de arcillas limo arenosas de consistencia media (Entre 6,00 y 9,00 metros de espesor) 5.3.3 66 Horizonte inferior de limos arenosos o arenas limosas 67 5.4 EXPANSIVIDAD DE LOS SUELOS 67 5.4.1 CONSIDERACIONES GENERALES 67 5.4.2 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA 69 5.4.3 IDENTIFICACIÓN Y CLASIFICACIÓN DEL GRADO DE EXPANSIVIDAD 69 5.4.4 ANÁLISIS DE LA SUSCEPTIBILIDAD A LA EXPANSIÓN DE LOS ESTRATOS ARCILLOSOS 71 5.4.5 ESTIMACIÓN DE LOS CAMBIOS PREVISIBLES DE HUMEDAD Y/O DEL ESPESOR DE LA CAPA ACTIVA 5.4.6 CONSIDERACIONES GENERALES FUNDACIONES EN SUELOS EXPANSIVOS 72 ACERCA DE 73 5.4.7 CRITERIOS EN EL DISEÑO DE LAS FUNDACIONES DE LAS DIFERENTES ESTRUCTURAS TENIENDO EN CUENTA LA EXPANSIVIDAD DE LOS SUELOS 5.5 CONCLUSIONES CONCLUSIONES SUGERENCIAS BIBLIOGRAFÍA ANEXOS 75 80 DEDICADO: A Dios por darme la vida, a mi Madre Aurora Cruz Calderón Seguil por alumbrar y guiar mi camino, a mi querido Hijo Kevin Villanueva por ser el pilar de mi existencia, a mi hermano Carlos y a mis amigos que están y estuvieron presentes durante mi vida. RESUMEN En muchos casos, los suelos expansivos están presentes debajo de la superficie del terreno los mismos que se hinchan y se contraen conforme el contenido de agua crece y decrece variando su presión de expansión considerablemente. Si usamos cimentaciones superficiales, la estructura sufrirá daños considerables. Siendo las cimentaciones profundas una alternativa cuando éstos se extienden más allá de la zona activa. Presentar una metodología de desarrollo aplicativo, experimental para el reconocimiento y análisis de un suelo expansivo, formulando criterios de análisis y comportamiento, conociendo la naturaleza de las arcillas expansivas. Su origen, prevención y reparación de los daños causados en las construcciones, realizando procedimientos para la obtención de las muestras, resultados a partir la norma E.050 de Suelos y Cimentaciones, proporcionando una guía para una correcta identificación de un suelo expansivo y criterios de una cimentación profunda en un suelo expansivo. 1 INTRODUCCIÓN Dentro de la Mecánica de Suelos ha cobrado importancia el estudio del comportamiento de las arcillas expansivas en vista del creciente número de obras en las que es necesario trabajar con ellas. Como su nombre lo implica, arcillas expansivas son aquellas que son susceptibles de sufrir un apreciable aumento de volumen durante la construcción u operación de una estructura, que provocan en la mayoría de los casos daños estructurales importantes. Este comportamiento es de interés para el ingeniero cuando los movimientos y presiones del suelo son suficientemente grandes para afectar una estructura. Dentro de los comportamientos del suelo y de las estructuras desplantadas sobre suelos expansivos podemos mencionar que en muchos casos la expansión comienza cuando el suelo se humedece por fugas en las tuberías de drenaje o agua potable, o por otra parte los suelos con elevada capacidad para 2 expanderse pueden o no expanderse ya que su comportamiento depende de la condición física del material al principio de la construcción y que las estructuras puedan comportarse adecuadamente cuando estén bien diseñadas sean rígidas o flexibles. Tanto la compresibilidad como la expansividad de los suelos se han estudiado hasta la fecha prácticamente con la ayuda de la prueba de consolidación estándar, es decir atendiendo únicamente a su proceso de deformación unidimensional. Ya que la mayor parte de los problemas con los suelos expansivos está relacionada con la ausencia de un método de análisis confiable que permita cuantificar los desplazamientos totales y diferenciales, así como la presión de contacto en la interfaz suelo-cimentación y la velocidad de los movimientos para diferentes condiciones de humedecimiento. Uno de los propósitos del presente trabajo es conocer brevemente la naturaleza y comportamiento de las arcillas expansivas, tanto como la descripción, el origen, la prevención y reparación de los daños causados en las construcciones y parámetros básicos para identificar un suelo expansivo, el lugar de la zona de investigación se encuentra en la Reserva del Parque Zonal ubicado en el Distrito del Tambo perteneciente a la Ciudad de Huancayo. Como producto de los resultados de este trabajo se presentan al final, algunas recomendaciones para la cimentación en Suelos expansivos. 3 CAPITULO I I. GENERALIDADES: 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: Es preciso identificar las zonas en las cuales se presentan las arcillas expansivas, para poder evitar la amenaza de los efectos en las construcciones y garantizar un comportamiento adecuado ante las cargas laterales y momentos de volcamiento inducidos por el suelo expansivo. Ya que gran parte del nivel de desempeño de una construcción sobre arcillas expansivas, depende del adecuado análisis de la Plasticidad del Suelo, Ensayo de Granulometría por Sedimentación y los resultados del ensayo para la determinación del Hinchamiento Unidimensional de suelos cohesivos. En particular se hace énfasis en la naturaleza y comportamiento de las arcillas expansivas, tanto como la descripción, la prevención y los 4 parámetros básicos para identificar un suelo expansivo en la Reserva del Parque Zonal ubicado en el Distrito del Tambo de la Ciudad de Huancayo. 1.2. OBJETIVOS: 1.2.1. GENERAL: Presentar una metodología de desarrollo aplicativo y experimental para el reconocimiento y análisis de un suelo expansivo. 1.2.2. ESPECÍFICOS: - Formular y justificar criterios de análisis y comportamiento de un suelo expansivo. - Conocer la naturaleza y comportamiento de las arcillas expansivas. - Conocer la descripción, el origen, la prevención y reparación de los daños causados en las construcciones. - Desarrollar un procedimiento que facilite la obtención de las muestras y los resultados a partir la norma E.050 de Suelos y Cimentaciones. - Desarrollar una guía para la correcta identificación y análisis de un suelo expansivo. 5 1.3. ANTECEDENTES: Prácticamente todas las estructuras de ingeniería civil, edificios, puentes, carreteras, túneles, muros, torres, canales o presas deben cimentarse sobre la superficie del terreno o dentro de él. Las cargas de estas estructuras se transmiten al terreno a través de una cimentación adecuada; dependiendo de la naturaleza del terreno, se construyen cimentaciones superficiales como las zapatas y cimentaciones profundas como los pilotes. En el proyecto de cualquier sistema de cimentación, el problema fundamental es evitar que se produzcan asientos y expansiones suficientemente grandes para dañar la estructura o dificultar sus funciones. La magnitud de la expansión de un suelo depende, entre otros factores, del tamaño, tipo y utilización de la estructura, tipo de cimentación y del emplazamiento de la estructura. De acuerdo a algunas estimaciones llevadas a cabo se tiene que los daños por suelos expansivos exceden al promedio anual de aquellos causados por inundaciones, huracanes, sismos y tornados (Jones y Holtz, 1973). Los suelos expansivos son aquellos que en contacto con el agua, sufren aumentos de volumen y sin esta, presentan contracciones bruscas acompañadas de agrietamientos. Por otro lado, la expansión de suelos también puede aparecer como resultado de un alivio de esfuerzos, como el que provoca una excavación. Estos suelos expansivos suelen estar distribuidos en todo 6 el mundo en regiones de climas semiáridos, la característica principal que define su comportamiento es su estructura mineralógica, que es la que al final de cuentas influye en su comportamiento fisicoquímico y mecánico [Nelson, 1992]. La expansión de los suelos estará, en consecuencia, directamente relacionada con las propiedades microestructurales de las partículas arcillosas. Tendrá especial influencia la existencia en ellas de cargas electroestáticas netas, así como la magnitud de su superficie específica (forma aplanada, tamaño, etc.) o su capacidad de cambio catiónico, siendo estos tres factores directamente proporcionales al potencial de expansión que se pueda presentar. En particular la sustitución isomorfa, principal factor en el aumento neto de la carga negativa, puede además distorsionar la estructura cristalina coartando el crecimiento del cristal y limitando por lo tanto el tamaño. Aitchison (1973) indica que cualquier mineral arcilloso es potencialmente expansivo, en el caso de estos últimos este fenómeno será prácticamente despreciable o nulo. Mitchell (1973) expone la influencia de diferentes características microestructurales en la expansión: dimensiones de las partículas, cationes de cambio, sustituciones isomorfas, etc., observando en general las tendencias indicadas. La expansión de un suelo se podrá consecuentemente asociar con la presencia de partículas arcillosas que puedan provocar esta 7 expansión. Habitualmente se consideran tres minerales arcillosos, montmorillonita, illita y caolinita, que por su abundancia respecto a otros se pueden considerar básicos a efectos de estudiar este fenómeno, la estructura y principales características de estos tres minerales. La montmorillonita es mucho más expansiva que la illita o la caolinita y está presente en prácticamente todos los suelos expansivos. Así lo confirman, por ejemplo, Collins et al. (1973) o Frydman y Samocha (1984) cuando describen los terrenos expansivos en Israel. En ocasiones, sin embargo, es la illita, a su vez más expansiva que la caolinita, la que produce los hinchamientos. En la illita y la caolinita la expansión puede ser apreciable si las partículas son suficientemente pequeñas (del orden de décimas de micra), siendo poco significativos en otros casos (Mitchell, 1973). Arnol (1984) o Schreiner (1987), citado por Josa (1988), exponen el origen de los minerales arcillosos expansivos en la naturaleza, centrándose fundamentalmente en los tres indicados anteriormente. De acuerdo con este origen los suelos expansivos podrán ser residuales procedentes de rocas ígneas aunque procesos de transporte puedan modificarlos de su situación inicial ya sea antes o después de su degradación. En ambos casos ambientes fluviales o en aguas subterráneas, ricas en calcio, tenderán a producir arcillas con 8 alta proporción de este elemento como ion de cambio, mientras que en ambientes marinos será el sodio el predominante. En el Perú, la investigación sobre suelos expansivos no es muy desarrollada, de esta manera esperamos iniciar una línea de investigación tendiente a desarrollar conocimientos para atender la problemática originada por estos suelos en muchas regiones del país y en particular en la ciudad de Huancayo. 1.4. METODOLOGÍA: La metodología es consistente con los modelos numéricos, resultados empíricos, experimentales y aplicativos dentro de los comportamientos observados en arcillas expansivas. 1.5. JUSTIFICACIÓN: Es evidente encontrar “Suelos Expansivos” en la Zona Norte y Sur del Perú, mas no existen estudios de Suelos Expansivos realizados en la Ciudad de Huancayo, de aquí que es importante impulsar la investigación para determinar las principales zonas en las cuales pueden existir estratos de suelos expansivos perjudiciales para las construcciones futuras, y determinar los parámetros para un reconocimiento y análisis, siguiendo los criterios de acuerdo a las bibliografías revisadas para determinar el grado expansividad y el Reglamento Nacional de Edificaciones Norma E.0.50 de Suelos y Cimentaciones. 9 Al final del estudio el Profesional Responsable tendrá una guía donde encontrará los parámetros para poder realizar una correcta identificación de arcillas expansivas y será capaz de hacer un análisis de un suelo expansivo. 1.6. LIMITACIONES Y ALCANCE: Dado las limitaciones económicas, el poco tiempo de investigación y experimentación, y en vista que los ensayos requieren mayor tiempo y precisión, la presente investigación se limita en los siguientes aspectos: Sólo se considera el análisis en una zona determinada dentro de la ciudad de Huancayo donde existe presencia de suelo expansivo. Las muestras tomadas serán del tipo Mib, según la Norma E0.50 de Suelos y Cimentaciones. El área de análisis será de 225 m2 de la cual según la Norma E.050 de Suelos y Cimentaciones y de acuerdo al tipo de edificación se hará 1 calicata. Se realizarán los ensayos de Plasticidad del Suelo, Ensayo de Granulometría por Sedimentación, y los ensayos de presión de expansión y expansión libre (NTP 339.170 - ASTM D4546). La clasificación del tipo de expansión tanto como los parámetros de la toma de muestras y la presentación del informe de Mecánica de Suelos (IMS) se basa en el Reglamento Nacional 10 de Edificaciones Norma E.0.50 de Suelos y Cimentaciones y la bibliografía de la Especialidad. 11 CAPITULO II II. CARACTERÍSTICAS DE UN SUELO EXPANSIVO: 2.1. CARACTERÍSTICAS DE UNA ARCILLA EXPANSIVA: La presión de hinchamiento total es una característica de las arcillas expansivas que depende del tipo y cantidad de minerales, de sus iones intercambiables, del contenido de electrolitos en la fase acuosa y de la estructura interna. Partícula de Arcilla (Lamina) Molécula de Agua Figura N°01 12 Esta presión es potencial y solo se desarrolla completamente bajo una expansión libre y un cambio de humedad máxima desde el límite de contracción hasta la máxima humedad de campo o saturación. Esta característica produce que la magnitud de la presión de hinchamiento que se desarrolla dependa del cambio entre la humedad inicial y la humedad de equilibrio que se establece bajo las zonas cubiertas por los pisos y por otra parte de la presión vertical aplicada sobre el suelo expansivo. Las arcillas expansivas no son, en realidad, un terreno ni un grupo de terrenos, son más bien un fenómeno que se origina en la conjugación de un terreno arcilloso con unas condiciones ambientales que induzcan cambios apreciables de humedad. Todos los suelos arcillosos experimentan variaciones de volumen según el grado de humedad correlativas con la variación de la succión y el esfuerzo efectivo. Estas variaciones serán tanto más importantes cuanto mayor sea la proporción de partículas inferiores a 2 micras y también cuanto más activa sea la especie mineralógica componente de esta fracción (montmorillonita, vermiculita, etc.). Las arcillas tienen una capacidad de intercambio iónico grande. Hay tipos numerosos de partículas de la arcilla, por ejemplo los listados debajo: Tipo Capacidad de Intercambio Iónico (me/100gr) Caolinita 10 – 12 Illita 40 Montmorillonita 120 TABLA N°01 13 Además las arcillas expansivas pertenecen a un grupo mineralógico muy amplio de materiales de naturaleza química silicea denominadas silicatos. Dentro de esto, en función de la distribución de los tetraedros de SiO44 (Figura N°02), se clasifican sistemáticamente dentro los filosilicatos o silicatos laminares. Así, a grandes rasgos y en función del tipo de arcilla, entre lámina y lámina, se emplazarán en mayor o menor medida las moléculas de agua que producirán el hinchamiento. Figura N°02 2.2. COMPORTAMIENTO DE UNA ARCILLA EXPANSIVA: Conforme la presión vertical aumenta, disminuye el porcentaje de expansión de la arcilla, hasta llegar a un valor que la anula totalmente, lo que se denomina "Presión de hinchamiento". 14 Se tienen por lo tanto dos condiciones extremas: si no hay cambio de humedad, no hay presión de hinchamiento, o por otra parte, aunque haya un cambio extremo de humedad, si se aplica una presión vertical suficiente, se anula la presión de hinchamiento. Dentro de estos extremos existen infinidad de condiciones intermedias que son las que se darán en la realidad y que se deben determinar para optimizar el espesor de los rellenos de sustitución y la estructuración de pisos. En un experimento realizado en un vaso de laboratorio de suelo de la arcilla altamente seco activo como muestra la (Figura N°03), y otra muestra de suelo arenoso, entonces uno comentaría que el volumen de la muestra del suelo de la arcilla aumenta significativamente cuando el agua se agrega. La actividad es así una medida de cuánto los incrementos de volumen de la muestra del suelo con cambios en el contenido de agua. Note la ausencia de expansión del suelo arenoso con la introducción de agua. Muestra Seca de Arena Suelo Arenoso Saturado Note la expansión del suelo de la arcilla con la introducción de agua. Muestra Seca de Arcilla Suelo Arcilloso Saturado Figura N°03 La expansión de arcilla es significativa Cuando se agrega el agua. 15 Tradicionalmente, la naturaleza expansiva y los cambios en el comportamiento mecánico de suelos arcillosos con contenido diversos de agua son medidos con los Limites de Atterberg (Figura N°04). La capacidad de un suelo para asimilar agua en su estructura es medida por el LL y LP. Sólido Semi - Sólido Limite de Contracción (LC) Plástico Limite Plástico (LP) Líquido Limite Liquido (LL) Figura N°04 Las arcillas caolinitas están relativamente inactivas y son un aporte insignificante para moderar el potencial creciente. Las arcillas illitas son bastante expansivas. Las arcillas montmorillonita son altamente expansivas. En forma abstracta, las arcillas montmorillonita pueden hincharse para más que 15 veces su volumen original al ir de una condición seca para una condición líquida saturada. 16 Afortunadamente, las arcillas montmorillonita nunca son encontradas en forma abstracta en el campo pero más bien ocurre con las mezclas con más arcillas estables, arenas, y otros. Así bajo las peores condiciones, no se esperase más que 30 % o 50% de expansión de volumen en el campo. Entonces, aun con expansiones de volumen acercándose a estos niveles podrían tener efectos potencialmente desastrosos en las estructuras y sus fundaciones. Dado la naturaleza altamente expansiva de arcillas de montmorillonita, es sabio poder detectar su presencia. 2.3. FACTORES QUE DESEQUILIBRAN LA HUMEDAD: 2.3.1. FACTORES CLIMÁTICOS: Los factores climáticos más significantes son tasas de precipitación y tasas de evapo-transpiración. En particular, las tasas de transpiración están controladas por la vegetación cubriendo un sitio. Transpiración Precipitación Evaporación Escorrentía Paleodrenaje Percolación Figura N°05 17 2.3.2. LA PROFUNDIDAD DE ZONA ACTIVA: La zona activa está definida como la región de suelo cerca de la superficie en la cual el contenido de agua cambia debido a la precipitación y evapo-transpiración (Figura N°06). Mientras más profunda sea la zona activa, mayor será la región sobre la cual la expansión del suelo pueda ocurrir y así el mayor potencial para el levantamiento debido a la expansión del suelo. Contenido de Agua en el Suelo w (%) Profundidad de la Zona Activa para los cambios estaciónales Variación estacional del contenido de agua hacia dentro del suelo Profundidad, z Figura N°06 La zona activa hacia adentro experimenta cambios estaciónales en el contenido de agua. 2.3.3. FACTORES HUMANOS: Existen numerosas actividades humanas asociadas con instalaciones de la construcción que pueden aumentar el contenido de agua de instalaciones construidas. depósitos del suelo cerca las 18 Las irrigaciones externas cerca de fundaciones. La extracción de vegetación como árboles que sirven para quitar agua del suelo por la transpiración. La canalización impropia de avenidas. Las fugas en las tuberías de agua son con frecuencia causa de daños importantes. 2.4. PROBLEMÁTICA DE LAS ARCILLAS EXPANSIVAS: El efecto de estas arcillas es principalmente sobre elementos estructurales o no estructurales que presenten una superficie extensa donde la presión de hinchamiento puede generar empujes de muchas toneladas. Podría tratarse de placas de cimentación continuas o aisladas de casas de habitación, edificios livianos, pisos en general, aceras, losas rígidas, pavimentos, muros, tuberías, cajas de registro, etc. También se presentan efectos indirectos como volcamiento de paredes, rotura de tuberías, reptación (desplazamiento lento de una ladera), etc. En todos los casos la presión de hinchamiento se desarrolla cuando se presenta un aumento de humedad y la arcilla está imposibilitada de moverse. La fuerza que se desarrolla en función del área en contacto con la arcilla, la rigidez del elemento y de la magnitud del aumento de humedad que muchas veces es variable en el área de contacto generando desplazamientos diferenciales. 19 CASOS TÍPICOS DE DAÑOS EN ESTRUCTURAS Infiltración de Agua Estructura Original Asentamiento de bordes Infiltración de Agua Asentamiento central Asentamiento de acuerdo a la transpiración Figura N°07 Factores que conducen a cambios en el contenido de agua de suelos expansivos. Tales cambios pueden conducir al levantamiento o asentamiento de la estructura. Sin embargo las variaciones de humedad dependen del clima, y también de las variaciones que en el equilibrio entre el suelo y el ambiente induzca la estructura que se construya. En consecuencia la construcción de la edificación, al cubrir el terreno e impedir la evaporación, induce un aumento de la humedad bajo el mismo, mayor en el centro que en los bordes, tardando a veces varios años (de tres a siete) en manifestarse claramente. En ocasiones el primer signo que 20 se aprecia, aún antes de ver la primera fisura, es que las puertas rozan con el piso, al cabo de unos pocos años de haber sido construida. El levantamiento del terreno puede ser en el centro de la edificación, en forma lenta y progresiva, otras veces puede ser en los bordes y esquinas (diferencial) adaptándose a cambios “estaciónales” cíclicos. En forma general los movimientos no tienen un patrón fijo, la distribución de las grietas en las edificaciones afectadas, es casi siempre difícil de explicar. En general Según la Norma E.050 de Suelos y Cimentaciones del Reglamento Nacional de Edificaciones caracterizan a estos como; suelos cohesivos con bajo grado de saturación que aumentan de volumen al humedecerse o saturarse. 2.5. CLASIFICACIÓN DEL POTENCIAL DE EXPANSIÓN: Seed, Woodwuard y Loundgren, considerando que el potencial de hinchamiento está definido como el porcentaje de hinchamiento de una muestra confinada lateralmente, la cual ha sido humedecida bajo una carga de 1.0 lb/pul2 después de ser compactada a la máxima densidad seca y al óptimo contenido de humedad, siguiendo la Norma del ensayo de Proctor Modificado ASTM-D1557. establecieron lo siguiente: S = 60 x K x IP 2.44 ............ (1) Donde: S = Potencial de hinchamiento IP = Índice plástico Estos autores 21 K = 3.6 x 10-5 Una relación entre potencial de hinchamiento de las arcillas y del índice de plasticidad es como la que se presenta en la (TABLA N°02): ÍNDICE DE PLASTICIDAD % 0 – 15 POTENCIAL DE HINCHAMIENTO Bajo 10 – 35 Medio 20 – 55 Alto > 55 Muy Alto TABLA N°02 Según esta tabla se observa que a mayor índice de plasticidad se manifiesta mayor el hinchamiento. El grado de peligrosidad que ofrecen las arcillas ha sido correlacionado por Holtz y Gibs en 1954 por medio de su límite de contracción como se muestra en la (TABLA N°03) que durante un tiempo fue muy usada. LIMITE DE CONTRACCIÓN < 10 PELIGRO DE HINCHAMIENTO Critico 10 – 12 Marginal > 12 No critico TABLA N°03 22 En general existen varios métodos para calcular la expansión volumétrica y la presión de hinchamiento. Unos mediante pruebas de laboratorio que directamente definen estos valores (Método AASTHO T258-81 o ASTM D-4546) y otros que utilizan los límites de consistencia y la humedad del suelo para aplicar ecuaciones experimentales, que al final nos dan las mismas características. A modo de ejemplo seguidamente se adjuntan algunos de los criterios más comunes para clasificar el potencial de expansión de las arcillas: CLASIFICACIÓN DEL POTENCIAL DE EXPANSIÓN DE LAS ARCILLAS (HOLTZ Y GIBS) Potencial de expansión % límite líquido Muy alto Alto Medio Bajo >63 50-63 39-50 <39 % límite de contracción % índice de plasticidad <10 >32 6-12 23-25 8-18 12-34 >13 <20 TABLA N°04 % de partículas menores de una micra Expansión libre (%) >37 18-37 12-27 <17 >100 >100 50-100 <50 CLASIFICACIÓN DEL POTENCIAL DE EXPANSIÓN DE LAS ARCILLAS (SEED) Índice de plasticidad 10 20 30 40 50 Potencial de expansión (%) 0.4 - 1.5 2.2 - 3.8 5.7 - 12.2 11.8 - 25.0 20.4 - 42.6 TABLA N°05 CLASIFICACIÓN DE LA EXPANSIVIDAD (CHEN) Datos de Laboratorio % <# 200 % Limite Liquido < 30 30 - 60 60 - 95 > 95 < 30 30 - 40 40 - 60 > 60 Datos de Campo N Expansión probable (%) expansión Grados de Expansión < 10 10 - 20 20 - 30 > 30 TABLA N°06 <1 1-5 3 - 10 > 10 Bajo Medio Alto Muy alto 23 Según la NTP 339.170 (ASTM D 4648). Las muestras utilizadas para la evaluación del hinchamiento deberán ser obtenidas de pozos a cielo abierto, en condición inalterada, preferentemente del tipo Mib. CLASIFICACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS SEGÚN NORMA E.050 SUELOS Y CIMENTACIONES Potencial de expansión Expansión en consolidómetro, bajo presión vertical de 0,07 kg/cm2 % Muy alto Alto Medio Bajo % > 30 20 – 30 10 – 20 < 10 Límite de Contracción % < 10 6 – 12 8 – 18 > 13 TABLA N°07 Índice de plasticidad Porcentaje de partículas menores que una micra % > 32 23 – 45 12 – 34 < 20 % > 37 18 – 37 12 – 27 < 17 Según la TABLA N°07 que observamos la Norma E.050 se basa en la clasificación de HOLTZ Y GIBS. En general según la Norma E.050 del de Suelos y Cimentaciones del Reglamento Nacional de Construcciones, en las zonas en las que se encuentren suelos cohesivos con bajo grado de saturación y plasticidad alta (LL 50), el PR deberá incluir en su EMS un análisis basado en la determinación de la plasticidad del suelo NTP 339.129 (ASTM D4318) y ensayos de granulometría por sedimentación NTP 339.128 (ASTM D 422) con la finalidad de evaluar el potencial de expansión del suelo cohesivo en función del porcentaje de partículas menores a 2μm, del índice de plasticidad (IP) y de la actividad (A) de la arcilla. La relación entre la Expansión Potencial (Ep) y los parámetros antes indicados se muestra en la (Figura N°08) siguiente: 24 PORCENTAJE DE ARCILLA (<2μm) EN UNA MUESTRA Figura N°08 Clasificación de cambio potencial de volumen para suelos arcillosos. Actividad (A) = IP % < 2mm 2.6. PRESIÓN DE HINCHAMIENTO: David y Komornik (1969), propuso una ecuación que se utiliza para calcular la presión de expansión. Esta se encuentra basada en un análisis estadístico de más de 200 muestras de suelo; la ecuación propuesta por los autores es: Log Ps = 2.132 + 0.0208 (LL) + 0.665(γd) – 0.0269(Wo)........ (2) Donde: Ps = Presión de hinchamiento (kg/cm2) LL = Limite Liquido (%) γd = Peso volumétrico seco (Ton/m3) Wo= Humedad Natural en porcentaje 25 Según Vijayvergiva y Ghazzaly en 1976 establecieron la relación que determina la presión de hinchamiento para suelos españoles y al menos es la más usada en España. Log Po = 1 (62.5 γd + 0.65 LL- 139.5)........ (3) 19.5 2.7. MÉTODOS DE PRUEBA: Estos métodos de prueba pueden ser utilizados para determinar: - La magnitud de la expansión o de los asentamientos bajo presión axial vertical. - La magnitud de la presión vertical necesaria para mantener sin cambio de volumen, especimenes cargados axialmente lateralmente restringidos. Los métodos mas satisfactorios y convenientes para determinar el potencial de hinchamiento y presión de hinchamiento de arcillas expansivas, es por medio de las mediciones directas. Estas mediciones pueden ser hechas en el campo o Laboratorio. 2.7.1. ENSAYO DE EXPANSIÓN LIBRE: El ensayo de expansión libre consiste en colocar una muestra de suelo en estado natural en un anillo cuyas dimensiones son definidas adicionando agua, la cual se anota el hinchamiento vertical en función del tiempo sin la aplicación de ninguna carga. Holstz en 1956 presento el ensayo como una prueba más sencilla para reconocer una arcilla expansiva. 26 Lo que se busca en el ensayo de expansión es el porcentaje de hinchamiento libre, que es la diferencia en el volumen final e inicial, expresado como porcentaje del volumen inicial así: %hl = [(Vo – Vf)] / Vf] * 100 Donde: hl = Hinchamiento libre Vi = Volumen Inicial Vf = Volumen final Ejemplo de resultados de un ensayo: LUGAR : MANAGUA - NICARAGUA POZO :C–2 MUESTRA : M 1 – 1 PROF : 1.9 – 2.10 Diámetro del anillo (cm) 6.350 Altura de la muestra inicial (cm) 2.540 Altura de la muestra final (cm) 2.780 Cont. de humedad inicial (%) 8.280 Cont. de humedad final (%) 21.37 Densidad húmeda inicial (gr/cm3) 1.789 Densidad seca inicial (gr/cm3) 1.508 Densidad húmeda final (gr/cm3) 1.830 Densidad seca final (gr/cm3) 1.652 27 CUADRO DE RESULTADOS TIEMPO (min) 0.00 EXPANSION (mm) 0.000 EXPANSION (%) 0.00 0.25 0.009 0.04 0.50 0.035 0.14 1.00 0.055 0.22 2.00 0.059 0.23 5.00 0.065 0.26 10.00 0.085 0.33 15.00 0.089 0.35 30.00 0.091 0.36 60.00 0.092 0.36 360.00 0.093 0.37 1440.00 0.094 0.37 2880.00 0.176 0.69 4320.00 0.300 1.18 8640.00 1.200 4.72 9960.00 1.600 6.30 15000.00 2.400 9.45 19800.00 2.400 9.45 2.7.2. ENSAYO DE EXPANSIÓN BAJO CARGA CONTROLADA: Se realiza este ensayo preparando el espécimen de un suelo inalterado, dimensiones colocando definidas dicha para muestra luego en un ensayarla anillo de en un consolidómetro, con la ayuda del marco de carga y el dial de deformación, se procede a registrar la fuerza de control y el hinchamiento al humedecer inicialmente la muestra. 28 La presión de expansión que se obtenga al final es la medida de la fuerza máxima por unidad de área que pueda producir el suelo en condiciones de expansión extrema es la presión de expansión bajo carga controlada. 2.7.3. PROCEDIMIENTOS DE ENSAYO: Para estas pruebas se requieren que el espécimen de suelo esté restringido lateralmente y sea cargado axialmente en un consolidómetro con acceso al agua libre. MÉTODO A: El espécimen es inundado y se permite que se expanda verticalmente a una presión fija (al menos 1kPa) aplicada por el peso de la piedra porosa y la placa de carga hasta que la expansión primaria esté completa. Después el espécimen es cargado hasta que se obtiene nuevamente su relación de vacíos/altura inicial. Este método mide: La expansión libre. El porcentaje de hinchamiento para presión confinante arriba de la presión de expansión. La presión de expansión. vertical 29 MÉTODO B: Se coloca una presión excedente de la presión fija al espécimen de permitir que el agua penetre en el consolidómetro. La magnitud de la presión vertical es frecuentemente equivalente a la presión vertical de sobrecarga in situ a una cara estructural, o ambas, pero puede depender de la aplicación que se tendrá de los resultados de la prueba. Después, se permite el acceso al agua libre. Esto puede resultar en: Expansión. Expansión y luego contracción. Contracción, o Contracción y luego expansión. La cantidad de expansión o asentamiento es medida a la presión aplicada cuando el movimiento ya se puede considerar como despreciable. Este método mide: El porcentaje de hinchamiento o asentamiento para presión vertical frecuentemente equivalente a la presión vertical arriba de la presión de expansión. La presión de expansión. 30 MÉTODO C: El espécimen se mantiene a una altura constante ajustando la presión vertical después de que se ha inundado con agua libre para obtener una presión de expansión. Después se realiza una prueba de consolidación convencional y se utiliza la curva de descarga para estimar el potencial de expansión. Este método mide: La presión de expansión. La presión de preconsolidación, y El porcentaje de hinchamiento o asentamiento en el rango de presiones verticales aplicadas. Cuando se realiza el método “C”, la presión de expansión debe corregirse por medio de un procedimiento de construcción de la curva. El motivo es que la alteración de la muestra y el proceso de ajuste de las presiones verticales pueden ocasionar que no ocurra parte de la expansión, lo cual reduce el valor que se obtiene de la prueba. SIMBOLOGIA: LEYENDA CALICATA C-1 TIPO DE SUELO CH 31 CAPITULO III III. EFECTOS DE LAS CONSTRUCCIONES SOBRE ARCILLAS EXPANSIVAS 3.1. DESCRIPCION Y ORIGEN DE LOS DAÑOS: 3.1.1 DESCRIPCION: El comportamiento de este tipo de suelos frente a los cambios de humedad (problema que se acusa con los cambios estacionales debido a los ciclos de humectación-desecación así como a la ascensión del nivel freático) de lugar a la variación de su volumen, produciéndose movimientos por los asentamientos diferenciales de la cimentación, lo que puede llevar a la estructura a soportar esfuerzos superiores a los previstos en cálculo y por tanto producir patologías no admisibles, que pueden ser: 32 a) Grietas Verticales e Inclinadas En Ambos Sentidos: Estos suelos provocan problemas de arrufo y quebranto combinados por empujes horizontales, que se manifiesta en fisuraciones en paramentos de fachadas: - Por arrufo o ceñimiento de la cimentación en la parte central del edificio. - Por quebranto o ceñimiento de la cimentación en dos extremos al mismo tiempo. Figura N°01 Figura N°02 Figuras Nº01 Y Nº02: Grietas inclinadas por asientos diferenciales debidos a retracciones del suelo y variación de presión. 33 b) Fisuración y Rotura de Elementos Estructurales: Fisuración de cortante en nudos de entramado, trabajo en ménsula con grietas horizontales y/o inclinadas, rotura de forjados, vigas, muros de carga con grietas inclinadas y horizontales, etc. El asiento diferencial excesivo de lugar al movimiento de los pilares o grupos de pilares, superándose el límite elástico de algunos elementos estructurales. Estos daños se manifiestan en principio en las fachadas ya sean portantes o no con las grietas anteriormente expuestas. Figura N°03 Figura N°04 Figuras Nº03 Y Nº04: Detalle de grieta horizontal entre huecos de fachada. 34 c) Rotura de Cimentación: - Zapatas aisladas y/o corridas: despegue de cimentación, grietas horizontales por empujes y grietas inclinadas por siento diferencial. Figura N°05 Figuras Nº06 Figuras Nº05 Y Nº06: Detalle de suelo colapsado alrededor de la zapata. 35 - Losas: Grietas de flexión y distorsiones que desembocar en giros y rotura de la misma. Figura Nº07 Figura Nº08 Figuras Nº07 Y Nº08: Detalle de fisura en losa. pueden 36 - Pilotes: En obras antiguas, rotura de pilastras por cambio del estado de cargas, roturas por flexión, cortante o flexión, empujes sobre vigas riostras y los encepados, hundimientos por retracción del suelo, etc. Figura Nº09 Figura Nº10 37 Figura Nº11 Figuras Nº09, Nº10 Nº11: Empujes sobre vigas riostras y los encepados, hundimientos por retracción del suelo - Muros de Sótano: Grietas por empujes laterales. Figura N°12 Detalle de grietas por empuje de suelo en sótanos 38 d) Deformación de pavimentos: Figuras N°13 Figura N°14 Figura N°15 39 Figura N°16 Figuras Nº13, Nº14 Nº15 Nº16: Deformación de pavimentos. e) Rotura de Conducciones: Enfatizando aún mas el problema al producirse la rotura de colectores que suministran agua al edificio. Figura N°17 Rotura de colector. 40 3.1.2 ORIGEN: El origen de las patologías por arcillas expansivas, depende directamente de tres factores que pueden interaccionar entre si y que son: a) La Naturaleza Geológica y Geotécnica del suelo y en concreto el porcentaje de contenido en finos para su caracterización. b) El grado de expansividad a determinar en función a los diferentes ensayos enunciados. c) Cambio de humedad, debido a la estación en la que encontremos a por otros factores externos tales como rotura de tuberías de abastecimiento de agua, de saneamiento, zonas de riego abundante, existencia de árboles de crecimiento rápido y hoja caduca próximos al edificio, etc., se produce la hidratación y deshidratación del terreno. 3.2. PREVENCION Y REPARACIÓN DE DAÑOS: 3.2.1 PREVENCION: Para evitar la aparición de las fallas descritas, deberán seguirse una serie de recomendaciones generales a seguir tanto en proyecto como en ejecución y de las cuales deberán elegirse todas o algunas en función del caso particular: 41 a) Profundidad de Apoyo: La solución de cimentación propuesta, deberá apoyar a una profundidad suficiente sobre las zonas del sustrato menos expuestas a los cambios de humedad y oscilaciones del nivel freático (zapatas, pozos de hormigón pobre, pilotes, etc), intentando evitar así las capas activas. Generalmente por debajo de 3.00 a 3.50 metros no hay a priori problemas con cambios de humedad siempre y cuando no exista un nivel de agua o actuaciones antrópicas que produzcan dichos cambios. Figura N°18 Figura N°19 42 Figuras Nº18 Y Nº19: Pilotes en las cimentaciones. b) Cargas: Las cargas transmitidas por la cimentación al sustrato, deberán compensarse con la tensión máxima admisible del suelo, asientos y la presión de hinchamiento, de modo que esta última nunca supere la tensión de trabajo de la cimentación. Se podrá disminuir la acción de las arcillas expansivas siempre y cuando la tensión transmitida por cada zapata, pozo o pilote sea regular y constante, no debiendo aparecer diferencias importantes de carga de unas a otras. Deberá calcularse los posibles movimientos diferenciales y distorsiones angulares estimando si es necesario profundizar la cimentación para evitar posibles daños. Figura N°20 c) Sistema de Cimentación: Los pozos, zapatas, pilotes, etc., deberán en todos los casos estar perfectamente arriostradas en dos direcciones, con vigas de 43 atado adecuadamente armadas. Estos deberán separarse del terreno en todas sus caras (en pozos perimetralmente) con una capa de zahorra de unos 15 cm. que amortigüe los posibles empujes del suelo sobre las mismas. Deberá evitarse en todos los casos el apoyo directo de solera sobre el sustrato expansivo, recomendándose la ejecución de forjados sanitarios con una correcta ventilación y debidamente calculados. Figura N°21 Zapata sobre pozo de hormigón pobre armado. d) Conducciones Subterráneas: Deberá controlarse tanto de proyecto como de ejecución, todas las conducciones subterráneas, saneamiento, canalizaciones y tuberías, para evitar roturas o fugas de agua que alteren el estado de humedad del suelo y se puedan producir movimientos del sustrato. 44 - Las juntas entre tuberías deberán ser flexibles. - Colocación de un lecho de hormigón bajo las tuberías rellenándose y compactándose adecuadamente con suelo granular fino. - Arquetas y encuentros con las tuberías, flexibles que no rompan. Figura N°22 Conductos subterráneos en buen estado y sobre un lecho de hormigón e) Urbanización Exterior: Aceras amplias y pavimentaciones extensas impermeables debidamente armadas para evitar roturas; dispuestas de forma perimetral, con pendiente hacia fuera y cunetas en el borde exterior. 45 Con grados medios altos de expansividad, evitar el riego excesivo de las zonas ajardinadas que deberían disponer de un sistema adecuado de drenaje que impida cambios de humedad del suelo y donde se evitará la plantación de especies caducifolias y de ribera (chopos, alisos, sauces, olmos, etc.) próximos a los edificios y sus cimentaciones. Figura N°23 Solución de aislamiento para evitar cambios de humedad. f) Drenaje: Sistemas de drenaje perimetral efectivos, con tubos dren profundos y sistemas que eviten la colmatación de los mismos (geotextiles, etc.) y permitan la correcta evacuación de las aguas superficiales. 46 Figura N°24 Figura N°25 Figuras Nº24 Y Nº25: Sistemas de drenaje perimetral. g) En la Ejecución: Deberá evitarse la exposición prolongada del sustrato de apoyo a la acción de la naturaleza, excavándose y hormigonándose en el menor tiempo posible. 47 Figura N°26 Figura N°27 Figuras Nº26 Y Nº27: Evitar demoras en la construcción para evitar lluvias las cuales faciliten el cambio de estado del suelo expansivo. 3.2.2 REPARACION: Las actuaciones a llevar a cabo, son complejas y de elevado costo, siendo estrictamente necesaria la obtención de parámetros geotécnicos específicos para que el cálculo del recalce o refuerzo 48 esté a la altura de las circunstancias y la patología no progrese. Los principales métodos de reparación son: a) Recalces en cimentación, mediante bataches o micropilotaje. Figura N°28: Operación de micropilotaje. Figura N°29 49 Figura N°30 Figura N°31 Figuras Nº29, Nº30 y Nº31: Operaciones de recalce de cimentación. b) Zunchados horizontales y refuerzos en la estructura, tales como zócalos armados y atados a la cimentación rodeando el edificio, vigas de atado a nivel de cubierta y forjados intermedios, rigidización de marcos de puertas y ventanas, empleo de contrafuertes, etc. 50 Figura N°32 Figura N°33 Figuras Nº32 y Nº33: Detalles de vigas de cimentación en un suelo expansivo 51 CAPITULO IV IV. PROCEDIMIENTO DE IDENTIFICACION DE UN SUELO EXPANSIVO (CASO PRACTICO) Para determinar el porcentaje de expansión y la presión de expansión de un suelo, lo primero que se tiene que hacer es determinar si el suelo es expansivo, y eso se logra con los ensayos de consistencia. Para el presente caso práctico de identificación de suelo expansivo de tomo en consideración la exploración visual, ya que en nuestra ciudad no existe antecedentes de estudios anteriores con respecto el tema arcillas expansivas consideradas dentro del casco urbano o incluso fuera del mismo, para lo cual se hizo dificultoso encontrar el punto de partida para este procedimiento, primeramente se hizo una revisión a los registros tomados por el Laboratorio de Mecánica de Suelos de la Universidad Peruana Los Andes para ver si alguno de ellos cumplía con las características de ser un suelo expansivo, lamentablemente no se encontró lo que se buscaba, finalmente se optó por la inspección visual, llegando a calificar tres zonas como alternativas de investigación de las 52 cuales por motivos de tiempo en el traslado de la muestra y medios económicos se optó por la zona que se encontraba más cerca al casco urbano de la ciudad, lugar del cual se desarrollo la metodología siguiente obteniendo los siguientes valores: 4.1. PARAMETROS GENERALES DE INVESTIGACION A. DATOS GENERALES PLANO DE UBICACIÓN: ANEXO 01 LOCALIZACION: El lugar de estudio esta localizado en La Reserva del Parque Zonal ubicado en el Distrito del Tambo de la Ciudad de Huancayo. TOPOGRAFIA: El lugar en estudio presenta, topografía plana, con ligera pendiente descendiente de norte a sur. CLIMA Y TEMPERATURA: El espacio geográfico de la provincia de Huancayo está constituido por una oferta ambiental heterogénea en sus dimensiones y cualidades. Interpretando al clima como un proceso termodinámico (cambios térmicos: de asimilación o liberación de energía variaciones de temperatura: calor, frío, etc.) en donde las transformaciones de 53 energía tienen un carácter continuo y discontinuo, ocurren cada hora, día, semana, mes y año. Donde los 12 meses del año (365 días) son la base cíclica para diferenciar los cambios del tiempo y clima, destacando los cambios de temperatura, períodos de lluvia y sequía, variaciones de humedad, nubosidad, vientos; en fin toda una gama de fenómenos identificables en la frágil atmósfera que nos envuelve. El ámbito geográfico de la ciudad de Huancayo, entre sus características ambientales presenta un clima fluctuante como resultado de las propiedades sistémicas de la atmósfera global a la cual está asociada, gran parte de las variaciones corresponden a mecanismos de intercambio de materia y energía del conjunto, en algunos casos son modificados por la presencia de factores locales como las geoformas, naturaleza de los suelos, la presencia de agua, la cobertura vegetal, la presencia antrópica, etc. El clima de la Ciudad de Huancayo, varía de acuerdo con la altitud siendo templado y frío, con temperaturas diurnas superiores a los 23° C; y durante la noche hasta los 6° C bajo cero. ÁREA DE TERRENO: 225.00 m2 PERÍMETRO: 60.00 ml B. PROGRAMA DE EXPLORACIÓN: INFLUENCIA DEL TERRENO: a) Número n de puntos a investigar: 54 N° PTOS INVESTIGADOS 1 b) Número y tipo de muestras a extraer: N° 01 MUESTRAS TIPO MIB c) Ensayos a realizar en el laboratorio: ANEXOS 02, 03. Contenido de Humedad NTP 339.127 – (ASTM D2216) Análisis Granulométrico NTP 339.128 – (ASTM D422) Limite Liquito y Limite Plástico NTP 339.129 – (ASTM D4318) Clasificación SUCS NTP 339.134 – (ASTM D2487) Gravedad Específica NTP 339.134 – (ASTM D2487) Peso volumétrico NTP 339.134 – (ASTM D2487) d) Ensayos especiales en suelos expansivos: Presión de Expansión E050 NTP 339.170 Expansión Libre E050 NTP 339.170 4.2. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA OBTENER LOS VALORES DE EXPANSIÓN: Los valores de Presión de Expansión y el porcentaje de Expansión Libre, se realizaron utilizando los siguientes ensayos: 4.2.1. ENSAYO DE PRESIÓN DE EXPANSIÓN: a) REFERENCIAS: 55 E050 NTP 339.170 (ASTM D2435-96). Peck Ralf, Hanson Walter, Thornburn Thomas, Ingeniería de Cimentaciones, (1991), segunda Edición, Editorial LIMUSA, Página 379-381. I.S. Kaurichev, N.P. Panov, Prácticas de Edafología, (Traducido por Esther Vicente), (1984), Editorial Mir, Páginas 103-105. b) EQUIPO: Aparato de carga: Equipo capaz de aplicar cargas verticales a la muestra. Consolidómetro: Dispositivo que contiene a la muestra durante el ensayo, constituido por las siguientes partes: depósito de agua para la inundación de la muestra, anillo de retención de la muestra, dos discos porosos (superior e inferior), distribuidor de presión y aro de fijación. Deformímetro: Con una precisión de lectura de 0.0025 mm como mínimo. Cronómetro. Equipo de contenido de humedad. Equipo Auxiliar: Espátulas, contenedores, etc. 56 Depósito de Agua Anillo de Consolidación Aro de Fijación Distribución de Presión Discos Porosos Figura N°04 Consolidómetro de anillo fijo. Deformímetro Viga de Presión Celda de Consolidación Contrapeso Brazo Eje Masas Figura N°05 Aparato de consolidación. c) PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO: 1. Tomar la muestra inalterada extraída de campo, colocarla en una mesa dentro de un cuarto con T° controlada aproximadamente 25°C 57 2. Retirar la cubierta de tela y parafina de la muestra de la muestra inaltera de donde se tomaran la muestra a ensayar. Colocar un trozo de parafina en un recipiente metálico y colocarlos en la estufa a fuego lento por espacio de 5 a 10 minutos, hasta que se vuelva líquida. 3. Cortar con un cuchillo de hoja delgada, previamente afilada, un trozo de aprox. 10 x 10 x 5 cms, teniendo cuidado de no causar alteraciones a la estructura de la muestra. Posteriormente, cubrir la muestra con tela y parafina líquida. 4. Tomar un anillo de consolidación, determinar sus dimensiones (diámetro y altura). Cubrir la superficie interna del anillo con una capa delgada de aceite y determinar el peso del añillo usando una balanza con precisión de 0.1 gr. 5. Colocar el anillo sobre la muestra (con el bisel hacia abajo), se labra la misma en forma de cono, con un diámetro ligeramente superior que el diámetro del anillo, a fin de que cuneado se introduzca el anillo sólo corte una capa delgada de suelo y se profundice sin hacer mucha presión. 6. Introducir el anillo de consolidación suavemente sobre la muestra extraída, procurando introducirlo ortogonalmente respecto a la superficie de la misma y evitando movimientos laterales. Cuando la muestra 58 sobresalga unos 10 mm por encima del anillo, cortar la misma unos 10 mm por debajo del anillo. 7. Enrasar cuidadosamente una cara de la muestra, preferiblemente la inferior, dejándola nivelada respecto al borde del anillo, utilizando un cuchillo y una espátula flexible. Sobre la cara enrasada colocar un disco plástico de diámetro ligeramente menor que el anillo y de espesor de 0.62 cm, presionarlo cuidadosamente con ayuda de una regla metálica hasta que la parte superior del disco quede nivelado con el borde del anillo. Invertir el anillo sobre una placa metálica de 12 x 12 cm y enrasar la otra cara de la muestra. Enrasada la muestra retirar el disco plástico y determinar el peso de la muestra más anillo. 8. Tomar del material removido por la introducción del anillo y del enrase dos muestras representativas para determinar el contenido de humedad inicial de la muestra a ensayar. 9. Colocar el anillo con la muestra dentro del vaso del consolidómetro, de tal manera que la superficie donde se aplique las presiones sea aquella en donde se podrían aplicar las presiones in situ. Sobre la parte superior e inferior de la muestra colocar papel filtro y adicionar las placas perforadas. 59 10. Colocar el vaso de consolidómetro con las placas perforadas en el aparato de consolidación, hacer contacto con el sistema de carga y la placa perforada superior por medio de un balín metálico, buscando que el brazo de la palanca quede perfectamente horizontal, utilizando el tornillo de aproximación. Dejar que el sistema de aplicación de carga lo más firme y rígido posible, sin que por esto la muestra sufre ninguna aplicación de carga. 11. Ajustar en cero el deformímetro (con precisión de 0.001 cm), sobre la parte superior del tornillo de aproximación. 12. Llenar completamente el vaso de consolidación con agua por medio de una bureta. 13. Controlas la expansión de la muestra hasta que se estabilice. Registrar el tiempo de inicio del control de la expansión. Cuando la muestra comience a aumentar su altura, se aplicara una presión de aprox. 0.05 a 0.10 Kg/cm2 hasta que el deformímetro retorne a cero. La máxima deformación registrada no será mayor de 0.002 cm. 14. Registrar la presión bajo la cual la muestra ya no presente tendencia a variar su volumen, dicha carga es la denominada presión de expansión. 60 d) CALCULOS: El valor de la Presión de Expansión se obtiene directamente de la última presión aplicada en el Ensayo de presión de expansión, se expresa en Kg/cm2. e) RESULTADOS: Presión de Expansión (Kg/cm2) 1.20 4.2.1. ENSAYO DE EXPANSIÓN LIBRE: a) REFERENCIAS: E050 NTP 339.170 (ASTM D2435-96). Crespo, Carlos, Mecánica de Suelos y Cimentaciones, (1998), Cuarta Edición, Editorial LIMUSA, S.A., Página 116. I.S. Kaurichev, N.P. Panov, Prácticas de Edafología, (Traducido por Esther Vicente), (1984), Editorial Mir, Páginas 105-106. b) EQUIPO: Probeta graduada mayor de 500 ml de capacidad. Probeta graduada con capacidad de 100 ml. Horno con temperatura controlada de 110° C. Taras identificadas. Embudo de cuello largo. 61 Figura N°06 Ensayo de Expansión Libre con muestra alterada. c) PROCEDIMIENTO: 1. Tomar del material extraído de campo ya procesado, secado al sol y pasado por tamiz N°40, una muestra representativa de 300 gr. 2. Colocar la muestra en una tara previamente identificada e introducirla al horno a una temperatura de 110°C por espacio de 24 horas. 3. Sacar la muestra del horno, dejar enfriar a temperatura ambiente y dividir la muestra en dos porciones iguales; tomar de cada porción 100 cm3, medido con una probeta graduada con capacidad de 100 ml. 4. Tomar una probeta con capacidad mayor de 500 ml, colocarla sobre una superficie plana y libre de vibraciones, añadir de 100 a 150 ml de agua, agregar lentamente los 100cm3 de suelo seco dentro de la 62 probeta con ayuda de un embudo de cuello largo, posteriormente se añade la cantidad de agua necesaria para saturar totalmente el suelo. 5. Mantener bajo observación el comportamiento del cambio de volumen de la muestra, por el tiempo que sea necesario, hasta no registrara variaciones en su volumen. 6. Registrar el volumen final de la muestra midiéndolo por medio de la graduación de la probeta empleada. 7. Repetir los pasos de 4 y 6 del presente procedimiento en la segunda muestra. d) PROCEDIMIENTO DE CALCULO: 1. Obtenido el volumen final de la muestra, calcular la Expansión Libre por medio de la ecuación: E.L. = [(Vo – Vf)] / Vf] * 100 Donde: E.L.: Expansión libre en %. 2. Los Vo : Volumen inicial del suelo en cm3. Vf : Volumen final del suelo en cm3. resultados del valor de Expansión Libre corresponden a las dos muestras de ensayo, se 63 promedian, así el resultado obtenido será el % de Expansión Libre: Volumen Inicial cm3 100 Volumen Final cm3 157.5 Expansión Libre % 157.5 100 158.5 158.5 Promedio : 158 % Nota: Los resultados de estos ensayos se mencionan en el ANEXO 04. 4.3. PROPIEDADES FISICAS Y MECÁNICAS DE LA MUESTRA: 4.3.1 PROPIEDADES FISICAS: DESCRIPCION MUESTRA Limite Liquido, LL 97.50% Limite Plástico, LP 38.90% Limite de Contracción, LC 9.10% Índice de Plasticidad, IP 58.60% Índice de Contracción, IC 29.80% Índice de Liquidez, IL 0.097 Índice de Consistencia Ic 0.90 Número de Actividad, A 0.81 Gravedad Específica Gs 2.71 Humedad Natural, Wn Peso Volumétrico Húmedo, ym, kg/m3 44.60% 1642 64 Peso Volumétrico Seco, yd, kg/m3 1136 Expansión Libre, EL 158% Clasificación S.U.C.S. CH 4.3.2. PROPIEDADES MECANICAS: DESCRIPCION MUESTRA Presión de Expansión, kg/cm2 1.20 Cohesión ,c , kg/cm2 0.69 Angulo de φ 17.1° Nota: Los resultados de estos ensayos se mencionan en el ANEXO 04. 4.4. RESULTADOS FINALES: De los Resultados Geotécnicos, podemos clasificar el potencial de expansión de acuerdo a la (TABLA N°07) de la Norma E.050 del Reglamento Nacional de Edificaciones: Índice de Plasticidad = 58.60 % Presión de Expansión = 120 % Límite de Contracción = 9.10 % CLASIFICACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS SEGÚN NORMA E.050 SUELOS Y CIMENTACIONES Potencial de expansión % Muy alto Alto Medio Bajo Expansión en consolidómetro, bajo presión vertical de 0,07 kg/cm2 Límite de Contracció n Índice de plasticidad % % % > 30 (120) (9.1) < 10 > 32 (58.60) 20 – 30 6 – 12 23 – 45 10 – 20 8 – 18 12 – 34 < 10 > 13 < 20 Potencial de Expansión = Muy Alto Porcentaje de partículas menores que una micra % > 37 18 – 37 12 – 27 < 17 65 TABLA N°07 CAPITULO V V. DISEÑO DE UNA CIMENTACIÓN PROFUNDA EN UN SUELO EXPANSIVO 5.1. CONSIDERACIONES GENERALES 5.1.1 OBJETO DEL ESTUDIO: El presente estudio tiene por finalidad reconocer las propiedades físicas y mecánicas del terreno en donde se construirá la obra de referencia, a fin de determinar la probable cota y tipo de fundación de pórticos, equipos y edificios de la citada obra. Los pórticos son estructuras metálicas de cuatro patas con cargas de arrancamiento de 83,0 toneladas y 105,0 toneladas de compresión. Además se deben fundar equipos y construcciones 66 livianas. 5.1.2 UBICACIÓN DEL TERRENO: El mismo se encuentra ubicado al oeste de la actual Estación Transformadora, sobre Ruta Nacional Nº3, en los suburbios de la ciudad de Puerto Madryn en la provincia de Chubut. Se adjunta al presente un croquis de ubicación en donde se señalan los trabajos realizados. 5.1.3 ANTECEDENTES ESTUDIADOS: Se tuvo en cuenta el estudio de suelo realizado por ARRT para la Ampliación de la Estación Transformadora. 5.2. DESARROLLO DEL ESTUDIO: 5.2.1 TRABAJOS REALIZADOS EN CAMPO: Sondeos Mecánicos: Se realizaron quince (15) perforaciones a barreno y lechada bentonítica, de 18,0 metros de profundidad. En el croquis de ubicación se las designa como sondeos S1 a S15. Calicatas: Se realizaron cuatro (4) calicatas con maquina retroexcavadora, las que han sido designadas como C1, C2, C3 y C4. 5.2.2 TRABAJOS REALIZADOS EN LABORATORIO: 67 Sobre las muestras extraídas se realizaron los siguientes ensayos y determinaciones: Humedad natural. Límites de consistencia. Granulometría por vía seca. 5.2.3. TRABAJOS DE GABINETE: Se han realizado planillas y gráficos de los ensayos de Laboratorio, se han evaluado sus resultados, y se han estudiado los posibles sistemas de fundación de las construcciones con el objeto de formular las recomendaciones de este Informe. 5.3 DESCRIPCIÓN Y PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS ESTRATOS: Para una mejor compresión de los perfiles detectados en las perforaciones realizadas, se subdivide el perfil en tres horizontes característicos: 5.3.1 Horizonte superior granular (Entre 1,00 y 3,00 metros de espesor) Desde la superficie actual del terreno y hasta una profundidad variable entre -1,00 y -3,00 metros se encuentra un manto de arenas limosas con grava subredondeada y rodados con distinto grado de cementación. 68 5.3.2 Horizonte intermedio de arcillas limo arenosas de consistencia media (Entre 6,00 y 9,00 metros de espesor) Se trata de arcillas o limos arenosos con distinto grado de plasticidad, con coloración entre marrón rojiza a marrón verdosa. Dentro de la Clasificación Unificada corresponden a suelos CL o MH. Estos mantos presentan diferente grado de consistencia, con un valor promedio en el número de golpes del SPT igual a 15. Estas arcillas plásticas son susceptibles de expandir frente a incrementos del contenido de humedad. 5.3.3 Horizonte inferior de limos arenosos o arenas limosas Por debajo del horizonte anterior y hasta el total de la profundidad investigada, (18,0 metros), se desarrolla un horizonte de limos areno-arcillosos de color castaño, con lentes de arcilla arenosa de color pardo verdoso. El número de golpes promedio de estos mantos es superior a 20. 5.4 EXPANSIVIDAD DE LOS SUELOS: 5.4.1 CONSIDERACIONES GENERALES: En base a los antecedentes estudiados y a los análisis de los ensayos de laboratorio realizados existen evidencias ciertas sobre la existencia de arcillas expansivas en la zona. Por tal motivo la investigación se focalizó en la detección de estas propiedades particulares y en su cuantificación. Existen varias fuentes que producen variaciones de humedad, y 69 por ende cambios en el equilibrio del sistema. Por ejemplo, infiltración del agua de lluvia por deficiente drenaje superficial, pérdidas en cañerías, pozos absorbentes, o el aumento del nivel freático, u otras acciones de la naturaleza. La metodología que debe utilizarse para dar una solución a las fundaciones en arcillas expansivas debe incluir las siguientes fases: a) Identificación del problema y estimación de las propiedades de expansión. b) Estimación de los cambios previsibles de humedad y del espesor de la capa activa. c) Estimación de las magnitudes de los movimientos. d) Comparar los movimientos estimados y los admisibles de la estructura. e) Adopción de una solución y su diseño. 70 5.4.2 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA: El primer paso, es la observación. En zonas pobladas, el reconocimiento de las construcciones existentes, de sus grietas, presentes y reparadas, bastan para establecer si hay o no problema. En general, hay que observar con especial cuidado los elementos que están cimentados superficialmente (tapias, pisos, etc). Esta última observación nos dará indicación que puede o no existir el problema. Sin embargo, con este nivel de estudio no se conocerá la magnitud del problema. 5.4.3 IDENTIFICACIÓN Y CLASIFICACIÓN DEL GRADO DE EXPANSIVIDAD: No existe ningún ensayo de identificación que nos permita asegurar que un suelo arcilloso va a producir o no daños por expansión. A continuación enumeraremos algunos de las metodologías más utilizadas actualmente: Holtz y Gibbs (1954) califican el grado de expansividad en función del Índice de plasticidad (Ip): Índice de plasticidad: 0-15 Potencial de hinchamiento: Leve 10-35 20-55 >55 Medio Alto Muy alto El solapamiento permite recordar que sólo es un índice, y por lo tanto no es suficiente como para llegar a una conclusión definitiva. 71 Otro criterio, también debido a Holtz y Gibbs (1954), se estable en base al límite de retracción: Índice de Retracción : >12 Peligro de Hinchamiento: Bajo 10-12 <10 Medio Alto Este criterio se usa muy poco, en parte por haberse comprobado que las diferentes normas que existían para su determinación dan resultados muy diferentes. Con los datos del análisis granulométrico por sedimentación pueden seguirse dos criterios. El primero se basa en el porcentaje de partículas inferiores a 1 micra: % inferior a 0,001mm : <15 Peligro de hinchamiento: Bajo 13-23 Medio 20-30 Alto >28 Muy alto El otro criterio es el propuesto por Seed et al (1962), a través del concepto de "Actividad": Actividad = Ip . (% < 2micras −10) Este criterio se expresa utilizando la Fig.1. 72 5 Actividad 4 3 2 Muy alto Alto Medio 1 25% Potencial de 5% inchamiento 1.5% Bajo 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Porcentaje de particulas < 0.002 Figura 1: Potencial de hinchamiento en función de la actividad de las arcillas (Seed et al, 1962). . Los ensayos edométricos realizados sobre muestras inalteradas de suelos permiten medir directamente los hinchamientos del suelo cuando estos se inundan. En la actualidad se pueden realizar ensayos de libre expansión, ensayos a volumen constante, o ensayos de expansión bajo carga. En general, como resumen puede decirse que mediante la observación apoyada en ensayos (todos ellos sencillos y rápidos), suele llegarse a establecer si el problema existe o no, y hacer una clasificación cualitativa de la peligrosidad de los mantos de arcillas. 5.4.4 ANÁLISIS DE LA SUSCEPTIBILIDAD A LA EXPANSIÓN DE LOS ESTRATOS ARCILLOSOS 73 En el caso concreto de la Nueva Estación Transformadora se utilizarán los siguientes métodos de identificación y clasificación: Método de Holtz y Gibas. La ecuación sugerida por O’Neill y Ghazzaly (1977), para calcular el hinchamiento libre. La ecuación propuesta por Gogoll (1970), para determinar el hinchamiento porcentual final. De los resultados pueden sacarse las siguientes conclusiones: En el manto de arcillas plásticas ubicadas a una profundidad promedio de 3,00 metros, pueden producirse hinchamientos por expansión, si se modifica el contenido de humedad, debido al clima o a procesos exógenos (pérdida de cañerías, ascenso del nivel freático, etc.). Estos hinchamientos serán inferiores a un 4,0%. En los mantos de limos arcillosos ubicados por debajo de los estratos arcillosos, no se producirán procesos de expansión por humedecimiento, dado que estos suelos tiene contenidos de humedad y presión suficientemente altos como para que este fenómeno no se produzca. 5.4.5. ESTIMACIÓN DE LOS CAMBIOS PREVISIBLES DE HUMEDAD Y/O DEL ESPESOR DE LA CAPA ACTIVA En este punto, conviene precisar que se entiende por 74 "profundidad activa" del suelo desnudo. Se la define como la profundidad en la cual se producen cambios en los contenidos de humedad debidos a los procesos de desecación y humectación producidos por el clima. Esta profundidad es variable en los distintos lugares del mundo, así por ejemplo, en Sudáfrica puede alcanzar entre 3,0 a 4,0 metros y en Andalucía escasamente un metro de espesor. En el caso de que los movimientos estacionales sean la causa principal de defectos, puede decirse que la determinación de la profundidad activa es uno de los datos más importantes para el proyecto de la cimentación. A modo de conclusión parcial, puede señalarse que los únicos procesos que pueden generar un incremento en los contenidos de humedad en los mantos arcillosos son de carácter exógeno, como por ejemplo: Pérdida de agua en las cañerías enterradas (de alimentación, cloacales, pluviales). Acumulación de aguas pluviales, etc. 5.4.6 CONSIDERACIONES GENERALES ACERCA DE FUNDACIONES EN SUELOS EXPANSIVOS Pueden clasificarse en tres grupos, según sobre que aspecto se actúe: 75 a) Cuando la actuación se realiza sobre las fundaciones, las soluciones más comunes son las siguientes: Pilotes, pilotines. Esta solución contempla atravesar la zona “activa” y apoyar las fundaciones sobre suelos estables. Estructura rígida o semirrígida. En estos casos se calculan las fundaciones con una tensión de contacto lo suficientemente alta como para que no se produzcan fenómenos de hinchamiento. Plateas. En estos casos se calculan las losas teniendo en cuenta los fenómenos de expansión y contracción. b) Cuando la actuación se realiza sobre el terreno, las soluciones más comunes son las siguientes: Sustitución del suelo susceptible por otro suelo no expansivo. Estabilización de suelo expansivo. En general se trata de estabilizaciones de tipo fisicoquímico, que inhiban la potencialidad de expansión. c) Cuando la actuación consiste en impedir que se produzca el fenómeno, las soluciones más comunes son: Aislamiento del suelo susceptible a procesos de 76 hinchamiento o expansión, de modo que los procesos climáticos o los agentes externos no modifiquen los contenidos de humedad en el espesor de la capa activa. Aislamiento de las fuentes de ingreso de agua al terreno. En este caso se realiza el diseño de las construcciones de modo de impedir el acceso del agua al subsuelo, y que cuando se produzcan estas pérdidas existan sistemas de alarma temprana que adviertan sobre el inconveniente. En estos casos es habitual preparar manuales de mantenimiento de las construcciones. 5.4.7 CRITERIOS EN EL DISEÑO DE LAS FUNDACIONES DE LAS DIFERENTES ESTRUCTURAS TENIENDO EN CUENTA LA EXPANSIVIDAD DE LOS SUELOS. Las únicas fuentes de humedecimiento que pueden afectar a los mantos de arcillas susceptibles a expandir, son exógenas, tales como la acumulación de aguas de lluvia por un inadecuado diseño de drenaje superficial, pérdidas de cañerías enterradas. Si estos elementos están adecuadamente aislados, de modo que no se introduzca agua en el terreno, no se producirán hinchamientos por humedecimiento o al menos su probabilidad será mínima. Para el diseño de las fundaciones se considera conveniente 77 asumir las siguientes hipótesis: Tabla 1: Resumen de los perfiles de expansividad. Sondeo Profundidad Del Techo (m) Profundidad Del Piso (m) Espesor (m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Promedio 2.30 2.00 2.00 2.30 5.60 3.50 4.00 3.50 2.50 2.00 5.20 3.50 2.10 3.50 4.50 3.23 5.00 4.00 5.00 6.00 7.50 4.70 6.50 6.50 3.50 6.00 7.00 4.50 5.00 6.50 5.50 5.55 2.70 2.00 3.00 3.70 1.90 1.20 2.50 3.00 1.00 4.00 1.80 1.00 2.90 3.00 1.00 2.31 Expansión Según U.S.Army (%) 1.55 1.64 1.26 1.50 0.33 0.00 0.87 0.73 2.09 0.47 0.56 3.37 1.04 0.97 0.00 1.09 Expansión Según INGEO (%) 3.31 4.36 3.34 3.04 0.00 0.00 4.54 2.95 3.50 0.00 0.00 7.10 2.20 0.60 0.00 2.33 Estructura Reactor Pórtico Pórtico Pórtico Kiosco Kiosco Kiosco Edificio Cabina Depósito Kiosco Pórtico Pórtico Pórtico Reactor Sondeos 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0.00 Profundidad (m) 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 Fig. 3: Techo y piso del espesor del manto potencialmente expansivo 78 Profundidad del techo del manto susceptible a expandir: 3,00 metros. Profundidad del piso del manto susceptible a expandir: 6,50 metros. Espesor medio del manto potencialmente expansivo: 3,50 metros Espesor del suelo que puede sufrir un incremento de humedad: 2,00 metros. Tensión última friccional: 10 t/m 2 Según estas hipótesis el espesor de suelos en los que se va a generar fricción por expansión (HE) es igual a la suma de la profundidad a la que se encuentra el manto expansivo (DE) más el espesor del suelo que puede sufrir incrementos de humedad (DW): HE = DE + DW = 3,00 m + 2,00 m = 5,00 m Al espesor comprendido entre los -5,00 metros y -6,50 metros se lo considerará como neutro, en el sentido que no va a expandir porque no se va a humedecer, y no colabora en la resistencia del arrancamiento o a la compresión. En función de ello, se proponen tres alternativas de fundación, dependiendo de las características de las cargas: 79 1. Fundación de pórticos: Estos elementos están sometidos a cargas de compresión y tracción de 110 y 85 toneladas respectivamente. Se recomienda utilizar pilotes excavados y hormigonados in situ con o sin ensanche en la base, que sobrepasen los estratos potencialmente expansivos (-6,50 metros). 2. Fundación de reactores y transformadores: En estos casos, el criterio de diseño se basa en transmitir una tensión de contacto en las fundaciones (zapatas aisladas o corridas) lo suficientemente alta para evitar los hinchamientos. Para lo cual, las fundaciones deben 2 transmitir una tensión de trabajo aproximada de 30,0 t/m . En caso de cargas transitorias esta tensión se puede aumentar en 1,7 veces. 3. Fundaciones de equipos, aisladores, kioscos, edificios, etc: Se recomienda utilizar pilotes excavados y hormigonados in situ con o sin ensanche en la base, que sobrepasen una profundidad de -6,50 metros. Pueden plantearse dos alternativas, una primera considerar la fuerza de tracción generada por la expansión de la arcilla y compensarla con el fuste y el ensanchamiento del pilote embebido en un suelo estable. 80 La otra alternativa consiste en aislar la zona en donde se desarrolla la fricción por expansión (HE = 5,00metros) mediante la colocación de un caño (PVC, PRFV, acero) pintado externamente con una capa de 5,0 mm de pintura bituminosa. Esto genera una disminución de la fricción HW -8.00 Zona Neutra Arcilla Estable -6.50 Arcilla Potencialmente -5.00 Espesor del suelo que Expansiva puede humedecerse Gravas con limos Caño de PVC 1º Etapa 2º Etapa Excavaciòn del pilote Colocación del caño pintado con bitumen 3º Etapa Colocación de armaduras 4º Etapa Hormigonado DE HE pilote suelo. Figura 4: Método Constructivo 81 5.5 CONCLUSIONES: En el caso de las fundaciones con acciones de arrancamiento (pórticos) podrán emplearse pilotes excavados y hormigonados in situ. En el caso de las fundaciones de los reactores y transformadores, podrán emplearse fundaciones superficiales de hormigón armado (zapatas aisladas, vinculadas o plateas). Para las fundaciones de las restantes estructuras con cargas pequeñas (edificios, equipos, etc), podrán emplearse pilotes excavados y hormigonados in situ dentro del manto de limos arcillosos compactos. En este tipo de estructuras, para aislar la zona en donde se desarrolla la fricción negativa (HE = 5,00metros) se colocará un caño (PVC, PRFV, acero) pintado externamente con una capa de 5,0 mm de pintura bituminosa. Independientemente de estos criterios de diseño que contemplan un posible humedecimiento de 2,00 metros, se deberán tomar precauciones apropiadas para evitar el humedecimiento las arcillas ubicadas por debajo de los -3,00 metros. Estas acciones estarán dirigidas a evitar las infiltraciones de agua en el subsuelo, para lo cual durante la construcción y la operación, deberán diseñarse instalaciones adecuadas que impidan el ingreso de agua superficial o proveniente de cañerías enterradas en el subsuelo. 82 CONCLUSIONES En cuanto a las Propiedades Físicas: Se clasifica en el Sistema Unificado de Clasificación de suelos (S.U.C.S) como un CH (Arcilla Inorgánica de alta plasticidad) y dentro del sistema de Clasificación A.A.S.H.T.O. como un A-7-5 con alto índice de grupo. El color oscuro de la arcilla es producto de su composición mineralógica debido a que no existe contenido de materia orgánica. Es un suelo altamente plástico (44 - 63%), presentando un estado de consistencia plástica para un amplio rango de humedades. Es un suelo expansivo (145 – 180%), con una actividad normal, susceptible a los cambios de volumen (contracción o expansión) casi para cualquier variación en su contenido de humedad. Presenta agrietamiento de contracciones en todas direcciones y en una gran estructura de bloques por acción de la tensión capilar, generadas durante el proceso de desecación en estados superficiales. Es un suelo susceptible a las variaciones en su contenido de humedad, por lo que las propiedades físicas y mecánicas están en dependencia de estas variaciones. 83 En cuanto a las Propiedades Mecánicas: Los resultados de la clasificación A.A.S.H.T.O. determinan que esta suelo no es apto para ser utilizado como base o sub-rasante bajo pavimentos. Los valores de presión de expansión dependen de las condiciones del suelo al ser ensayado. Las variaciones de éstas causarán un incremento o decremento en la presión de expansión que hemos obtenido. Los parámetros que rigen la resistencia al esfuerzo cortante de la arcilla son totalmente dependientes del contenido de humedad, la cohesión y el ángulo de fricción interna que se obtuvieron son el resultado de una combinación específica de las condiciones del suelo en el momento de ser ensayado. Las propiedades físicas son determinantes en el comportamiento mecánico de la arcilla, debido a su estrecha relación. En cuanto al Documento: La estructura de este documento tiene una orientación acerca de todas las etapas técnicas en el desarrollo de una investigación geotécnica de suelos expansivos, tomando en consideración los elementos teóricos básicos para la comprensión e interpretación de cada tema analizado, 84 así como los procedimientos de laboratorio y cálculo para la obtención de resultados confiables. El conocimiento adecuado de las propiedades Físicas y Mecánicas de las arcillas expansivas y su correcta interpretación le permiten al Ingeniero Civil desarrollar un criterio amplio del manejo y aplicación de este tipo de suelo en el desarrollo de Obras Civiles. La cimentación sobre arcillas expansivas es posible siempre y cuando se cuantifique con exactitud el grado de expansividad y se tomen las medidas adecuadas a cada situación, siempre por supuesto del lado de la seguridad. La realización de un estudio geotécnico completo previo a la realización del proyecto donde se determinan las características geológicas y geotécnicas del terreno de apoyo de la cimentación es esencial para no alterar las condiciones de trabajo previstas. Será estrictamente necesario tomar las precauciones necesarias para no producir cambios de humedad durante la ejecución, así como verificar un saneamiento estanco y una red de drenaje que impida la llegada de agua a la cota de apoyo. 85 SUGERENCIAS El Ingeniero debe desarrollar un criterio amplio en el manejo y utilización de las arcillas expansivas, por medio del adecuado conocimiento e interpretación de sus propiedades que le facilitarán el desarrollo de Obras Civiles que involucren a este tipo de suelo. Se debe ampliar el conocimiento de las propiedades de las arcillas expansivas por medio de otras investigaciones geotécnicas del mismo nivel que complementen nuestros conocimientos adquiridos. Realizar investigaciones orientadas a la determinación de las propiedades químicas de las arcillas expansivas, así como, al desarrollo de técnicas de estabilización para el mejoramiento de sus propiedades. El ingeniero Civil debe ser cuidadoso al momento de diseñar y ejecutar obras civiles, donde existan estratos de Arcilla expansiva; para evitar contratiempo, pérdidas económicas y daños en las estructuras; debido a la inestabilidad que pueden producir las propiedades físicas y mecánicas de este suelo. El ingeniero civil al tratar con este tipo de suelos debe profundizar en el conocimiento de sus propiedades por medio de documentos del tema como el presente documento, y/o ser asesorado por especialistas en el tema, así como, realizar todo los ensayos necesarios para identificar las 86 propiedades que considera indispensables y le permitan poder tomar las mejores decisiones para el buen desarrollo de su trabajo. 87 BIBLIOGRAFÍA AUTOR: Ing. Javier Navarro Veliz Cip 45152 Tec. Ricardo Oré Flores. TITULO: Introducción A La Mecánica De Suelos. EDITORIAL: Universidad Peruana Los Andes. EDICION: 1ra Edición. PUBLICACIÓN: Impreso En Perú Edición – 2003. AUTOR: Braja M. Das. California Estate University, Sacramento TITULO: Principio de Ingeniería de Cimentaciones. EDITORIAL: EDAMSA IMPRESIONES, S. A. DE C. V. EDICION: 5ta Edición. PUBLICACIÓN: Enero - 2006. AUTOR: Ralph B. Peck. Walter E. Hanson. Thomas H. Thornburn. TITULO: Ingeniería de Cimentaciones. EDITORIAL: LIMUSA NORIEGA EDITORES, S. A. DE C. V. EDICION: 10ma Edición. PUBLICACIÓN: 1998. 88 AUTOR: TITULO: Universidad Nacional de Ingeniería. Mecánica de Suelos Aplicada a las Cimentaciones Superficiales. EDITORIAL: UNI. EDICION: 1ra Edición. PUBLICACIÓN: Abril del 2006. AUTOR: TITULO: Universidad Nacional de Ingeniería. Diplomado de Capacitación Profesional Ingeniería Geotécnica Aplicada a la Ingeniería Civil. EMSEGE. EDITORIAL: UNI. EDICION: 1ra Edición. PUBLICACIÓN: Abril del 2004. AUTOR: Carlos Crespo. TITULO: Mecánica de Suelos y Cimentaciones. EDITORIAL: LIMUSA, S.A. EDICION: 4ta Edición. PUBLICACIÓN: 1998. AUTOR: Juárez Badillo. Rico Rodríguez. TITULO: Fundamentos de la Mecánica de Suelos. EDITORIAL: LIMUSA, S.A. EDICION: Tomo I. 89 PUBLICACIÓN: 2000. AUTOR: Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento. TITULO: Reglamento nacional de Edificaciones – Norma E50. CORREO: http://www.capeco.org/info_histo1.htm. ACCESO: 10/11/2006. AUTOR: Laboratorio de Geotecnia, Universidad Mayor de San Simón TITULO: Mecánica de Suelos. CORREO: http://www.geotecnia.edu.bo/. ACCESO: 10/11/2006. AUTOR: Facultad de Ingeniería, Naturam Subiecit Allis. TITULO: Manual de Prácticas. CORREO: http://www.fing.uach.mx/licenciaturas/civil/ ACCESO: 11/11/2006. AUTOR: Universidad Católica del Norte. TITULO: Laboratorio de Mecánica de Suelos. CORREO: http://www.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorio/ ACCESO: 11/11/2006. AUTOR: Tesis Doctorals en Xarxa. 90 TITULO: Análisis Multi-Componente No Isotermo En Medio Poroso Deformable No Saturado. CORREO: http://www.tdx.cesca.es/TESIS_UPC/ ACCESO: 13/11/2006. AUTOR: Cámara Costarrice de la Construcción. TITULO: Arcillas de Alta Expansividad. CORREO: http://.www.contruccion.co.cr ACCESO: 13/11/2006. ANEXOS A DEL ANEXO O1 CO EDA FORES TAL R. IS La Union Ho la Pr ia le RIEGO LAS COLINAS LA S UR ITAS Las M MARGAR Es pa ña Al em an ia nd a In gl at LAS erra W AM B S El Pina r RE Los No gales Los gu inda les FL O MDO . alvinas LA CLAVELES GERANIOS CUZC O DE YA AZUCEN AS LA S S GLAD IOLO AMAP OLAS ALAM DE IA AR Prolg. ALAM EDA LE M HOS PI D. A T. . CAR RIO N LOS ANGELES Sa AS de n Vic ILO Pa en ul te CA M D PO TI E RO TREB OLES N MALECO MA S AS L DE TA UA N AN NJ LA UNION ESCALA: 1/2000 RI SA A LC L HU OS LLE RETAMAS ALIA SD S LOS ALISOS CATALINA HUA NCA CA CH JAS IC O LOS CLAVELE S ES LOS ROSAL C .E UNANUE . Prosopio HIPOLITO CARDO CE ME GE NE NT. RA L n LA IN El Sol El Sol ARCILLAS EXPANSIVAS EL TAMBO DISTRITO: HUANCAYO PROVINCIA: DIC - 2006 FECHA: UBICACION Y LOCALIZACION PLANO: PROYECTO: ESCALA: 1/500 A INDICADA 01 ESCALA: LAMINA: AS LC L U AR I SH O I R UA N M TA AN SA NJ PS JE .S CA LLE UBICACION .O.D eus tua FL OR ID A Pro lg. A r CIA DEN DEPNE La Ma ondi Alejandro Deustua LOCALIZACION PARR GRANJA U.N.C.P. Santa Rosa CA Cañete Las Casuarinas artín .O.D eust ua JE .S PS CARRION HOS CON TAL FOR D lg. A El Sol San Martin Pro IA PANAMA LORETO C.E. ENC ND INDEPE La Mar Carrión e Novie mbr MDO . El Sol 13 de ondi Alejandro Deustua DA Unanue SA SAN MARTIN COLON DANIEL ALCIDES Raym Bolivar Sucre C OR L. TE GA Raym Carrió PARR A MONTES C.E. San M OR I FL MA NTES Santa Rosa AG UA ISLASV IR LAS DE G BUENOSEN AIRES ES VIENTOS DEL RIEGO LA ALEJADRO O. DEUSTUA Unanue R LOS DIA SU ES B. T EL AC E C IO TR N IC A LIMA A NT A OS LA MERCED P PA IO TA GO O Psje. CAMA RG C. J. SA TE LES CN IAN IC O O PASEO LA BRE ÑA Samaniego BOSQUES CASITA O Bonilla T IN LL MI SANT A ROSA LOS MINERALES PANAMA Claveles ALFA Castañeda CH AY MA TACNA HUANCAVELICA C. Alegria SA ST LES A. IAN RO O SA Las Casuarinas artín PRADERAS LOBATO CU PARRA TRUJILLO TU 13 DE NOVIEMBRE HUANCAVELICA 2 DE MAYO P A.A arqu .C e ac ere s Torres JUNIN o nic ALEJADRO O. DEUSTUA c lite Po PUNO re COLON LIBERTAD Guadalupe osé nJ Sa San Martin AS San M Novie mb MB L 13 de WA Cañete DEL R IEGO ICA NUEVA LIMA AV. DANIEL A. CARR ION Crisanten os Olivo s Palm era s ANEXO O2 ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO MÉTODO POR TAMIZADO Tipo de Exc. : Perforación Muestra : N°01 Prof. (m) : 3.00 m MÉTODO HIDROMETRICO DESCRIPCIÓN DE LA MUESTRA TAMIZ N° DIÁMETRO (mm) % QUE PASA DIÁMETRO (mm) % QUE PASA 4 4.750 100.00 0.06 96.58 SUCS: 10 2.000 99.91 0.02 89.98 CH: Arcilla Inorgánica de 20 0.850 99.66 0.01 86.85 alta plasticidad. 40 0.425 99.36 0.006 82.44 L.L. = 97.50% 100 0.150 98.51 0.002 72.04 L.P. = 38.90% 200 0.075 97.93 0.001 65.71 I.P. = 58.60% Porcentaje de Arena 2.07% Humedad Natural: 44.60% Porcentaje de Limo 25.89% Peso Unitario = 1642 Porcentaje de Arcilla 72.04% Porcentaje que Pasa % CURVA GRANULOMETRICA 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 10.0000 1.0000 0.1000 0.0100 0.0010 Diametro de las Particulas (mm) 0.0001 ANEXO 03 LIMITES DE CONSISTENCIA Proyecto Solicitante Ubicación Tipo de Exc. Muestra Prof. (m) : Huancayo : Perforación : N°01 : 3.00 m LIMITE PLÁSTICO ENSAYO N° Número de Tarro Tarro + Suelo húmedo Tarro + Suelo seco Agua Peso del Tarro Suelo Seco % de Humedad LIMITE LIQUIDO ENSAYO N° Número de Golpes Número de Tarro Tarro + Suelo húmedo Tarro + Suelo seco Agua Peso del Tarro Suelo Seco % de Humedad 2 6.45 5.08 1.37 1.62 3.46 39.60 1 5.98 4.78 1.205 1.62 3.155 38.19 1 2 17 3 19.4 10.9 8.5 2.3 8.6 98.84 58 4 18.8 10.7 8.1 2.3 8.4 96.43 GRÁFICO DE LIMITE LÍQUIDO 102 % DE HUMEDAD 100 98.0 96.0 94.0 92.0 90.0 10 25 100 NÚMEROS DE GOLPES Resultados Límite Líquido Límite Plástico Índice Plástico 97.50 % 38.89 % 58.61 % Observaciones: Arcilla Inorgánica semi compacto de alta plasticidad color café claro ANEXO 04 OTROS ENSAYOS Proyecto Solicitante Ubicación Muestra Prof. (m) : Huancayo : N°01 : 3.00 m CONTRACCIÓN Y EXPANSIÓN Presión de Expansión Expansión Kg/cm2 Libre % 1.20 158 RELACIONES GRAVIMETRICAS Y VOLUMETRICAS RELACIONES GRAVIMETRICAS Gravedad Humedad Peso Volumétrico Peso Volumétrico Especifica, Gs Natural Wn Húmedo, ym (kg/m3) Seco, yd (kg/m3) 2.71 44.60% 1642 1136 RELACIONES VOLUMETRICAS Grado de Relación de Vacíos, e Porosidad, n Saturación, Gsat 1.39 58.20% 87% RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE Ensayo N°1 Ensayo N°2 Humedad Natural, Wn 44.47% Humedad Natural, Wn 44.47% Cohesión, c 0.71 kg/cm2 Cohesión, c 0.71 kg/cm2 Ángulo de Fricción, φ 16.7° Ángulo de Fricción, φ 16.7° Ángulo de Falla, θ 53.4° Ángulo de Falla, θ 53.4° Resistencia al Corte 0.78 kg/cm2 PANEL FOTOGRAFICO A. PROCESO DE EXTRACCIÓN DE MUESTRA TIPO Mib Foto N°01: Pozo a cielo abierto. Foto N°02: Muestra tallada. Foto N°03: Muestra inalterada Foto N°04: Moldeado del contorno de la muestra inalterada. Foto N°05: Aplicación de la parafina liquida al contorno de la muestra. Foto N°06: Se coloca la tela mosquitero. Foto N°07: Colocación de la tela de mosquitero sobre la muestra. Foto N°08: Colocación de la caja de madera sobre la muestra. B. EQUIPOS DE ENSAYOS DE EXPANSION Foto N°09: Equipo de Presión de Expansión. Foto N°10: Equipo de Expansión Libre (Muestra Alterada)