Arcillas_expansivas

Arcillas expansiva

Diploma en Mecánica de Suelos Aplicada – 2009 Prof. Lenart González 1

Estudio de caso 1 Introducción • Se llevó a cabo un estudio de mecánica de suelos para una casa en la localidad de Chicureo. El estudio tuvo como principal objetivo determinar propiedades y parámetros del suelo de fundación, así como recomendar un sistema de fundación. N

Piedra Roja

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Estudio de caso 1 Exploración - Se realizaron 2 calicatas entre 2 y 3 m. Calicata C1 (3 m)

Calicata C2 (2 m)

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Estudio de caso 1 Exploración – Inspección visual - Calicata C1

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Estudio de caso 1 Exploración – Inspección visual - Calicata C2

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Estudio de caso 1 Ensayos de laboratorio • Las muestras alteradas e inalteradas obtenidas en terreno fueron ensayadas en laboratorio para su clasificación y obtención de parámetros necesarios para el análisis. Los ensayos realizados para este estudio fueron: • • • • • • • • •

Granulometría. Límite de Atterberg. Clasificación USCS. Peso específico. Contenido de humedad. Peso unitario. Presión de hinchamiento. Consolidación. Ensayo Triaxial. 6

Estudio de caso 1 Ensayos de laboratorio • La tabla muestra un resumen de los resultados de los ensayos de clasificación y parámetros básicos obtenidos en laboratorio.

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Estudio de caso 1 Ensayos de laboratorio • Distribución de tamaño de partículas de muestras analizadas. 100 90

% en peso que pasa

80 70 60 C1-M1 50

C2-M2 C2-M3

40

C2-M7 30 20 10 0 0,001

0,01

0,1

1

Tamaño de partícula en mm

10

100 8

Estudio de caso 1 Ensayos de laboratorio • Se puede apreciar que el material fino de los suelos del sector en estudio clasifica como CL y CH. La muestra correspondiente a la arcilla de color café oscuro (C2-M2) es la que presenta mayor índice de plasticidad, y según métodos indirectos presentaría un alto potencial de expansión.

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Estudio de caso 1 Caracterización del subsuelo

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Estudio de caso 1 Ensayos de laboratorio – resistencia al corte • En este estudio se llevaron a cabo dos ensayos Triaxiales CIU, de manera de determinar parámetros de resistencia del suelo de dos estratos, bajo la arcilla café oscura. • Dos probetas inalteradas obtenidas del pozo C1 a una profundidad de 1.45 metros, lo que corresponde al estrato de arcilla café claro, se ensayaron a presiones iniciales de confinamiento de 0.5 y 2.0 Kg/cm2. Muestra

Prof. de la muestra

C1-M1 C2-M7

1.45 1.6

Tipo de suelo

φ

c 2 Kg/cm

Arcilla café claro Arcilla café

32 32.7

0 0

m

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Estudio de caso 1 Ensayos de laboratorio – Consolidación • Se realizó un ensayo de consolidación a una muestra correspondiente a la arcilla color café, obtenida a una profundidad de 1.6 metros en la calicata C2 para determinar la presión de preconsolidación e índices de compresibilidad y expansibilidad. Muestra

Tipo de suelo

p´c 2 Kg/cm

Cs

Cc

eo

C2-M7

Arcilla café

2

0.02

0.29

0.71

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Estudio de caso 1 Ensayos de laboratorio – Consolidación • Resultado de ensayo de consolidación

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Estudio de caso 1 Ensayos de laboratorio – Hinchamiento • La expansibilidad de los estratos de arcilla color café negruzco (directamente bajo la superficie) y color café (bajo 1.5 m de profundidad aproximadamente) fue medida directamente en laboratorio mediante la medición de la presión de hinchamiento, la cual mide la presión que se le debe aplicar a una muestra de suelo para evitar que esta se expanda una vez que es saturada. Muestra

Prof. de la muestra m

Tipo de suelo

Saturación inicial %

Presión de hinchamiento 2 Kg/cm

C2-M2 C2-M7

0.65 1.6

Arcilla café oscuro Arcilla café

61 47

2.9 0.12

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Estudio de caso 1 Caracterización del subsuelo • Debido a que el estrato de arcilla expansiva no es apto para fundar, este debe ser removido y reemplazado por un material granular compactado. Se propone el siguiente modelo estratigráfico, compuesto por tres horizontes.

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Estudio de caso 1 Caracterización del subsuelo • La tabla muestra un resumen de los parámetros geotécnicos necesarios para el análisis, correspondiente al modelo estratigráfico presentado en la tabla anterior. Horizonte Profundidad m

γd

γ sat 3

T/m

φ

3

c

k 2

T/m

Kg/cm

Cc

Cs /

3

Kg/cm

H-1

0.0 – 1.1

1.8

/

38

0

/

/

H-2 H-3

1.1 – 1.5 1.5 – 3.0

1.55 1.6

2.0 2.0

32 32.7

0 0

5 /

/

/

0.29

0.02

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Estudio de caso 1 Análisis geotécnico • Una vez excavado y reemplazado el estrato de arcilla expansiva, se recomienda fundar a una profundidad de 0.6 metros. El suelo de apoyo deberá corresponder al horizonte H-1 del modelo estratigráfico, el cual corresponde al relleno compactado compuesto por material granular. Se recomienda utilizar una fundación corrida con un ancho mínimo de 40 cm. • Finalmente se debe calcular: • Capacidad de soporte del suelo de fundación. • Asentamientos elásticos. • Asentamiento por consolidación.

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Estudio de caso 1 Recomendaciones generales • Se recomienda excavar y extraer todo el material correspondiente a la arcilla expansiva café oscura en toda la planta de la casa, incluyendo además 0.5 metros más allá del perímetro de la vivienda. • El sello de excavación deberá ser recibido por un ingeniero civil especialista en geotecnia, para verificar que no corresponda a arcilla expansiva. • Una vez removida la arcilla expansiva, se deberá rellenar el área con material granular estabilizado y compactado, hasta una profundidad de 0.55 metros bajo la superficie. El sello de fundación deberá estar a 0.6 metros bajo la superficie. Una vez realizadas las fundaciones, se deberá utilizar el mismo material para rellenar hasta la superficie. • Se entregan recomendaciones para el material de relleno y el grado 18 de compactación.

Suelos expansivos Introducción • Los suelos expansivos son un problema a nivel mundial, y que causan severos daños a estructuras. • El problema de las arcillas expansivas se reconoce a fines de la década del 30. • La primera conferencia sobre Arcillas Expansivas se realizó el año 1959 en el Colorado School of Mine, EE.UU. • Jones y Holtz estimaron en 1973 que los daños anuales en Estados Unidos debido a movimientos de arcilla expansiva fue de 2.3 billones de dólares. Este monto sobrepasó al daño anual causado por catástrofes naturales (sismos, tornados, inundaciones, etc.)

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Suelos expansivos Introducción – grietas debido a suelo expansivo Muro con grietas por corte

Estacionamiento de hormigón

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Suelos expansivos Introducción • Dentro de los tres tipos más importantes de arcilla, caolinita, ilita, y montmorillonita, este último es el que corresponde al que tiene mas problemas de expansibilidad. • Existen muchos factores que intervienen en el comportamiento de los suelos expansivos. Los principales factores son el contenido de humedad y la cantidad y tipo de partículas de arcilla en el suelo. • En general se habla del potencial de expansión, el cual aumenta a medida que la densidad seca del suelo aumenta y el contenido de humedad de terreno disminuye. El potencial de expansión también aumenta a medida que la presión de sobrecarga disminuye. 21

Reconocimiento de suelos expansivos • Existen varios métodos para reconocer un suelo expansivo. • Identificación mineralógica • Métodos indirectos • Medición directa • Los dos primero métodos son aproximados ya que establecen la probabilidad de que el suelo pueda ser expansivo, pero no son concluyentes.

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Reconocimiento de suelos expansivos Identificación mineralógica • La composición mineralógica de los suelos expansivos tiene gran importancia para determinar su potencial de hinchamiento. Existen cinco técnicas que pueden ser utilizadas para identificar el mineral que constituye a la arcilla. Estas son: • • • • •

Difracción de rayos X Análisis térmico-diferencial Absorción Análisis químico Microscopio electrónico

• Estos métodos deben usarse en combinación, de manera de tener una visión mas completa sobre el tipo de mineral arcilloso, tamaño de partícula, homogeneidad, etc. (Rakela, 1987). 23

Reconocimiento de suelos expansivos • La técnica más habitual para el análisis mineralógico es la difracción de rayos x y como complemento se utiliza en ocasiones la microscopía electrónica.

Método de difracción de rayos x • El procedimiento consiste en hacer incidir sobre una muestra pulverizada de arcilla un haz de radiación x. Los haces difractados se recogen sobre una placa fotográfica, y en un difractograma se representa la intensidad de la onda difractada de rayos x (Rakela, 1987). • Cada tipo de arcilla posee su propia estructura cristalina característica, y a través del análisis de las intensidades en el difractograma de rayos x es posible identificar los tipos y el grado de cristalización, con ayuda por ejemplo de patrones ASTM. 24

Reconocimiento de suelos expansivos

Representación de la difracción de rayos x sobre una muestra de arcilla (Rakela, 1987). 25

Reconocimiento de suelos expansivos Métodos indirectos de reconocimiento • Un primer acercamiento en la cuantificación del hinchamiento de los suelos expansivos se ha realizado mediante correlaciones con propiedades índices. En general estas correlaciones entregan resultados algo diferentes entre sí, por lo que deben compararse los resultados de varios criterios (Rakela, 1987). A continuación se muestran algunos de los métodos mas usados: • • •

Límites de Atterberg Límite de contracción Contenido de coloides bajo 0,001 mm

• A continuación se describen algunos métodos:

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Reconocimiento de suelos expansivos • Holtz propuso un criterio de identificación de arcillas expansivas de la siguiente manera.

• Seed, Woodward y Lundgren introducen el concepto de Actividad y correlación el potencial de hinchamiento de una arcilla con la actividad y con el porcentaje menor que 0.002 mm (C). Indice de plasticidad C - 10%

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Actividad

Actividad =

Muy alto

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Porcentaje menor que 0.002 mm

Reconocimiento de suelos expansivos Métodos directos • Los métodos directos para conocer el grado de expansibilidad de una arcilla son a través de los siguientes ensayos de laboratorio: • Hinchamiento libre • Presión de hinchamiento • Estos ensayos se realizan con el Equipo de Consolidación, por lo tanto las muestras de arcilla a ensayarse tienen las mismas dimensiones que las utilizadas en ensayos de consolidación. • Se realizan a muestras inalteradas de arcilla. • Es importante mencionar que los resultados de estos ensayos dependen de la humedad de la muestra.

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Estudio de caso 2 Introducción • A continuación se presenta un estudio de mecánica de suelos sobre una estructura. • Principalmente las estructuras es de tres pisos y está compuestas de hormigón, albañilería y madera. • Ubicada en las faldas de la cordillera, región central de Chile. • Se desarrollaron grietas en la estructura, las cuales eran mucho más evidentes en la estructura que corresponde a la primera parte. • El objetivo principal de este estudio fue analizar la influencia que tuvo el suelo de fundación en el desarrollo de estas grietas.

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Estudio de caso 2 Esquema de la estructura en planta

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Estudio de caso 2 Reconocimiento del lugar • Las figuras muestran las grietas ubicadas en los puntos A y B de la figura anterior.

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Estudio de caso 2 Reconocimiento del lugar • Grietas verticales en el sector central de la primera parte.

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Estudio de caso 2 Levantamiento de daños • La figura a continuación corresponde al levantamiento de daños de la primera parte de la estructura, donde se observa que las grietas se concentraban en el primer piso de ambos extremos, siendo estas grietas con un ángulo de 45º.

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Estudio de caso 2 Exploración geotécnica • La exploración geotécnica consistió en 9 calicatas de profundidades entre 3 y 10 metros.

Calicata C2, se observa el sello de fundación a 2 metros de prof.

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Estudio de caso 2 Exploración geotécnica

Calicata C3, de 5 m de profundidad. 36

Estudio de caso 2 Exploración geotécnica – Calicata C3

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Estudio de caso 2 Exploración geotécnica – Calicata C1

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Estudio de caso 2 Resultado ensayos de laboratorio

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Estudio de caso 2 Resultado ensayos de laboratorio

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Estudio de caso 2 Resultado ensayos de laboratorio

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Estudio de caso 2 Resultado ensayos Triaxiales TRIAXIAL CIU, p'-q. Proyecto:Proyecto Nuestra Señora De Loreto Muestra: Clicata Nº 2 1,90-2,15

q=( σ'1- σ'3)/2, [kg/cm2]

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0 p'=(σ'1+σ'3)/2, [kg/cm2]

2,5

3,0

3,5

4,0

Estudio de caso 2 Resultado ensayos de laboratorio • Se realizaron ensayos de consolidación a muestras correspondientes a los dos tipos de arcilla (café oscura y café anaranjado), para determinar sus presiones de preconsolidación, índices de compresibilidad y expansibilidad, y coeficientes de consolidación.

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Estudio de caso 2 Resultado ensayos de laboratorio • La expansibilidad de los dos tipos de arcillas encontradas en el sector fue medida directamente en laboratorio mediante los ensayos de hinchamiento libre y presión de hinchamiento. • Se observa claramente que la arcilla de color café negruzco es muy expansiva.

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Estudio de caso 2 Caracterización geomecánica • Se observa que, independientemente de la estratigrafía, existe una clara tendencia del Indice de Plasticidad a aumentar y luego a disminuir con la profundidad, alcanzando los valores máximos entre 1.5 y 3.5 metros aproximadamente.

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Estudio de caso 2 Caracterización geomecánica • Finalmente, en base a la figura anterior y a las estratigrafías, se utilizó para el análisis un modelo compuesto de cuatro horizontes, como se señala en la siguiente tabla.

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Estudio de caso 2 Análisis geotécnico – Capacidad de soport y Consolidación • Con los parámetros geotécnicos de cada horizonte se procede a determinar las tensiones admisibles del suelo de fundación, dependiendo del tipo y dimensión de la fundación. • Los valores estimados de tensiones aplicadas por la estructura son menores o iguales a 1.6 kg/cm2 .

• Los asentamientos estimados por consolidación fueron menores a 2.7 cm, lo cual se estimó que no fue el causal de los daños. • Además, según los cálculos estos asentamientos ya deberían 48 haber ocurrido, y las grietas aún seguían creciendo.

Estudio de caso 2 Análisis geotécnico - Hinchamiento

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Estudio de caso 2 Análisis geotécnico

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Estudio de caso 2 Análisis geotécnico

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Estudio de caso 2 Conclusiones • • • •

Los daños observados son producto de la arcilla expansiva. Los daños no comprometen la estabilidad global. El fenómeno no se encuentra estabilizado. Los daños pueden ser reparados.

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Estudio de caso 2 Recomendaciones • Impermeabilizar el suelo de fundación • Monitorear el comportamiento del suelo y de las fisuras • Una vez estabilizado el fenómeno, reparar.

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Determinación del hinchamiento • Las deformaciones por expansión de una arcilla ε h , al incrementar su grado de saturación se miden normalmente saturando por inmersión en agua una probeta de suelo colocada en un consolidómetro, sobre la cual se aplica un esfuerzo axial σv . (Ortigosa). • De esta forma se llega a curvas como las que se muestran en la figura de la siguiente página, cuyos resultados corresponden a muestras de arcillas agrupadas de acuerdo a la siguiente figura.

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Determinación del hinchamiento

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Determinación del hinchamiento • El gado de saturación final Sf para el cual se mide el hinchamiento ε h es de 100%, ya que la probeta es saturada por inmersión. Sin embargo para una tensión σv predeterminada, la deformación eh puede evaluarse para Sf < 100% con la siguiente relación:

ε h = (ε h )So − (ε h )Sf

(ε h )So (ε h )Sf

Para So < Sf < 100%

= deformación obtenida por inmersión en agua con un grado de saturación inicial igual a So. = deformación obtenida por inmersión en agua con un grado de saturación inicial igual a Sf.

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Determinación del hinchamiento • En la ejecución del ensayo de expansión es importante extender las mediciones durante un tiempo que asegure que el proceso se ha estabilizado, el cual puede alcanzar 7 días o más.

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Determinación del hinchamiento • La siguiente tabla muestra los grados de saturación extremos registrados en suelos de la región central de Chile, durante los respectivos periodos de mediciones (Ortigosa).

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Determinación del hinchamiento • La siguiente figura muestra el perfil de humedad en dos tipos de suelos en Jordania, en los extremos de verano y de invierno.

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Procedimiento de cálculo de hinchamiento a nivel de apoyo de una fundación rectangular. BxL

(Ortigosa)

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Determinación del hinchamiento • Cuando se ubica una estructura sobre una arcilla se anula la evapotranspiración del terreno ya que se elimina la vegetación y se coloca una frontera impermeable en toda la planta de la estructura. Esta situación se traduce en aumentos progresivos del gado de saturación en gran parte del área cubierta que tienden a estabilizarse en el tiempo. Sin embargo, los sectores perimetrales de área cubierta tienden a experimentar incrementos y disminuciones del grado de saturación según la época del año (Ortigosa). • Esta deformación presenta dos patrones característicos. • Uplift: la zona perimetral se levanta con respecto al área central. • Hogging: la zona central se levanta con respecto al área perimetral, o el área perimetral se contrae con respecto a la zona central. 61

Determinación del hinchamiento

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Recomendaciones generales Para evitar problemas en radieres de viviendas livianas • • • • •

Extraer la capa activa expansiva y sustituirla. Estabilizar el suelo con cal. Dejar un espacio libre entre el suelo y la losa de radier. Aislar el suelo bajo los radieres de posibles cambios de humedad. Armar y rigidizar el radier, transformándolo en una losa de fundación. • Usar juntas flexibles en redes de agua potable y alcantarillado. (Petersen M., Fundaciones de casas de albañilería sobre suelos expansivos)

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Recomendaciones generales Para evitar problemas en fundaciones de viviendas livianas • Traspasar la capa expansiva sujeta a cambios estacionales de humedad, evitando fricción en el fuste con aislapol de 20 mm de espesor o con un relleno de arena. • Utilizar vigas de sobrecimientos armadas. • Garantizar un buen drenaje de aguas lluvias. • Aislar el suelo de flujos horizontales de humedad. • Evitar jardines y/o árboles próximos a las fundaciones. • Aislar la fundación del suelo con membranas plásticas o veredas perimetrales. (Petersen M., Fundaciones de casas de albañilería sobre suelos expansivos)

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