2.1.1. Suelos expansivos
Los suelos expansivos son suelos que tienen el potencial de encogerse o expandirse bajo condiciones cambiantes de humedad. El suelo al secarse incrementa la tensión de capilaridad del agua (presión negativa) y esto causa que el suelo se contraiga. Si el suelo gana humedad, la tensión de capilaridad disminuye y se produce una expansión. Todo suelo arcilloso debe ser considerado potencialmente expansivo (REP, 2004).
Los materiales arcillosos son de dimensión coloidal, partículas inferiores a dos micras. En general son suelos cohesivos impermeables que disminuyen su resistencia al corte por la presencia de agua.
Tabla 2.1. Clasificación de los suelos según el tamaño de las partículas
DEFINICIÓN TAMAÑOS IDENTIFICACIÓN EN CAMPO
Gravas >2 mm Medible
Arenas >0.06 mm y < 2mm Visibles
Limos >0.002 mm y <0.06
mm
Ásperos al tacto
Arcillas < 0.002 mm Tacto suave y se secan lentamente
pegándose a los dedos
FUENTE: IGME-Manual de Taludes (1987).
Los suelos expansivos se sitúan en zonas áridas y semiáridas como el norte de Sudamérica (Colombia, Ecuador, Perú).
En los suelos expansivos debe producirse una variación en la humedad del suelo por cualquier causa, que induzca a la expansividad que se produce en épocas de lluvia o la retracción, en periodos de sequía (González, 2004).
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2.1.1.1. Consideraciones especiales en suelos expansivos:
2.1.1.1.1. Zona activa:
Está definida como la zona en la cual fluctúa el contenido de humedad del suelo como resultado de factores climáticos y evapotranspiración. Las condiciones hidrostáticas en la zona activa producirán una presión de poros negativa (succión del suelo) por arriba del nivel freático.
Los cambios volumétricos del suelo (hinchamiento-retracción) serán mayores dentro de la zona activa, lo cual afectará el desempeño de los cimientos y estructuras (REP, 2004).
2.1.1.1.2. Profundidad de la zona activa (Za):
La profundidad de la zona activa es donde el contenido de humedad se mantiene constante. En suelos estratificados complejos el contenido de humedad se normaliza con respecto al índice de plasticidad (REP, 2004).
A falta de información se puede estimar esta profundidad como sigue: 1) Relativo al Nivel Freático: Se extenderá hasta el nivel freático, Za≤6m
2) Relativo a la presión de hinchamiento: Za será hasta donde la presión de hinchamiento sea mayor o igual a la presión total del suelo.
3) Relativo al clima: Húmedo (Za=3m), semi-húmedo (Za=4.5m) y seco (Za=6m)
2.1.1.2. Hinchamiento:
El hinchamiento del suelo consiste en un aumento de su volumen de poros, es decir en una reordenación de sus partículas en una estructura con más espacio entre ellas. (González, 2004).
El fenómeno de cambio de volumen de un suelo arcilloso es resultado directo de la disponibilidad y variación de la cantidad de agua y de la composición mineralógica.
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2.1.1.2.1. Mecanismos de hinchamiento:
Arcillas pre-consolidadas: son arcillas que estuvieron cargadas en el pasado por estratos
de suelo que posteriormente fueron erosionados (Guía Laboratorio, U. de Chile). En las arcillas pre-consolidadas los factores que contribuyen al hinchamiento son: 1) Absorción de agua por una arcilla activa.
2) Rebote elástico de las partículas del suelo.
3) Repulsión eléctrica de los granos de arcilla y de sus cationes adsorbidos. 4) Expansión del aire atrapado en los poros.
Arcillas normalmente consolidadas: son arcillas que en su pasado geológico nunca fueron
cargadas (Guía Laboratorio, U. de Chile).
En arcillas normalmente consolidadas los factores dominantes son: 1) Adsorción de agua.
2) Repulsión eléctrica entre las partículas rodeadas de agua.
2.1.1.3. Retracción.
La retracción del suelo es la disminución de su volumen por eliminación de agua.
La capacidad de cambio de volumen de las arcillas expansivas viene condicionada, por el contenido de arcilla y mineralogía, su estructura y fábrica (González, 2004).
2.1.1.4. Factores que intervienen en el fenómeno de la expansión
El fenómeno de la expansión, tanto en los suelos naturales como en materiales arcillosos, involucra muchas variables, siendo las más importantes la composición, la estructura y el contenido de agua del suelo. Las variables composicionales son el tipo de mineral de arcilla, el porcentaje de la fracción arcilla y la presión de poros. (Musso et al. 2003).
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1) Naturaleza y tipo de suelo.
2) Espesor del estrato: Estratos expansivos de espesor menor a 60 cm presentan pequeños daños en las estructuras.
3) Permeabilidad y tiempo.
4) Humedad inicial: δas arcillas “secas”, con contenido de humedad por debajo del 15% indican un riesgo alto de expansión pues pueden llegar a absorber grandes contenidos de humedad y por consiguiente provocar graves daños estructurales.
5) Potencia del estrato activo. 6) Variación de la humedad. 7) Variaciones climáticas.
8) Actividades humanas relacionadas a la construcción. 9) Remoldeo.
10) Sobrecarga.
11) Características plásticas del suelo que son un indicador primario del grado de potencial de expansión de un suelo.
2.1.1.5. Determinación del grado de expansión
El grado de expansión de una arcilla se puede identificar en base a:
1) Métodos indirectos: Existen gran variedad de técnicas para la identificación del grado
de expansión. La experiencia de algunos investigadores ha determinado que los cambios volumétricos se correlacionan razonablemente con el límite de contracción y propiedades índices obtenidas en base a los ensayos de clasificación (Comportamiento de las arcillas expansivas, s.f).
Entre los métodos cualitativos e indirectos se encuentran:
Criterio de Holtz y Gibbs (1956): En donde se utiliza el límite de contracción e índice de
plasticidad para identificar el cambio de volumen de un suelo expansivo (Tesis doctoral: Comportamiento de suelos arcillosos).
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Tabla 2.2 Clasificación de suelos expansivos con base al límite de contracción
Fuente: Tesis doctoral: Comportamiento de suelos arcillosos
Criterio de Holtz (1959) Holtz correlaciona el contenido de partículas menores de 0.001
mm, el índice de plasticidad y el límite de contracción para la identificación del grado de expansión de una arcilla para fines prácticos (Juárez y Rico, 1992) expuestos en la Tabla 2.3
Tabla 2.3 Criterio de Holtz para estimar el cambio volumétrico probable en suelos expansivos
Datos de prueba de identificación Expansión probable Cambio volumétrico en %(seco a saturado) Grado de expansión Contenido coloidal (%<0.001mm) Índice de Plasticidad Límite de contracción >28 >35 >11 >30 Muy alto 20-31 25-41 7-12 20-30 Alto 13-23 15-28 10-16 10-20 Medio <15 <28 >15 <10 Bajo
Fuente: Juárez Rico, Mecánica de suelos (1992)
2) Métodos directos: Son los que miden de forma cuantitativa las características de
cambios volumétricos en los suelos expansivos. Estas características son el hinchamiento y la presión de hinchamiento que se definen en el apartado 2.4.5.
2.1.2. Suelos colapsables
Son suelos de estructura muy abierta y floja, mantienen su estabilidad por el estado de sequedad de la atmósfera.
No poseen ninguna cohesión pero alcanzan una resistencia apreciable al rellenar sus vacíos con partículas más finas.
Cambio de volumen Límite de contracción Índice de Plasticidad
Probablemente bajo >12 0-15
Probablemente moderado 10-12 15-30
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El comportamiento de estos suelos varía según el contenido de humedad, al encontrarse parcialmente saturados reducen su volumen y resistencia cuando aumenta su contenido de humedad, a carga constante (González, 2006).
2.1.2.1. Estructura de suelos colapsables
Este tipo de suelos presentan: 1) Baja plasticidad
2) Bajo grado de saturación 3) Muy bajo peso unitario seco
4) Poseen limite liquido menor al 35% (Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires, Mecánica de suelos y geología, s.f).