Suelos Colapsables.docx

I.

SUELOS COLAPSABLES

Estos suelos en condiciones de no saturación o saturación parcial presentan continuamente un reacomodo radical de las partículas y una gran pérdida de volumen por “remojo”, ósea al entrar al estado de saturación completa. La existencia de estos suelos en el mundo y las dificultades ocasionadas a las edificaciones cimentadas sobre ellos han sido reconocidos ampliamente. Los depósitos más extensos de suelos colapsables son eólicos o depósitos transportados de arena y limos (loess). Se pueden encontrar comúnmente en las márgenes fluviales.

Ilustración 1. en laces temporales entre partículas cuya desaparición puede provocar el colapso En la naturaleza las llanuras de avenidas aluviales, abanicos, flujos de lodo, depósitos coluviales, suelos residuales y tufos volcánicos que pueden producir suelos colapsables. En la mayoría de los casos los depósitos se caracterizan por ser estructuras sueltas de granos gruesos, frecuentes en tamaño de limos a arena, en la figura anterior se presentaron se presentan estructuras típicas de suelos colapsables.

A. Depósitos eólicos Estos depósitos consisten en materiales transportados por el viento, el cual forma dunas, depósitos tipo loess, playas eólicas y grandes depósitos de ceniza volcánica.

B. Depósitos transportados por agua Consisten principalmente de depósitos de sedimentos sueltos a carreados por el agua, los cuales forman abanicos fluviales y flujos deslizantes. Estos materiales pueden ser depositados por una avenida repentina o flujo de lodo derivado de pequeñas cuencas colectoras, sujetas a aguaceros poco frecuentes.

C. Suelos residuales Estos suelos son producto del intemperismo y la desintegración y alteración mecánica de rocas madres. Las partículas de material residual pueden variar de tamaño, de grandes fragmentos de gravas a arenas, limos, coloides y en algunos casos material orgánico.

La estructura del grano colapsable se ha desarrollado como producto de la acción disolvente sobre el material soluble y coloidal. La lixiviación del material soluble y del material fino conduce a una alta relación de vacíos y a una estructura inestable. Otro tipo de suelo que muestra colapso al remojo son aquellos derivados de tufo volcánico, sulfato de calcio, arenas sueltas cementadas por sal soluble, arcillas dispersivas y arcillas montmorilloníticas ricas en sodio.

D. CAUSAS QUE GENERARÍAN DICHO COMPORTAMIENTO   





Estructura parcialmente saturada potencialmente inestable. Una componente de esfuerzo aplicado o existente, lo suficientemente alta para desarrollar una condición metaestable. Un ligante resistente o un agente cementante para estabilizar contactos intergranulares, el cual se reduce por remojo ocasionando el colapso. La mayoría de los suelos colapsables involucra la acción de partículas arcillosas en los enlaces entre los granos gruesos de arena. Agentes cementantes tales como: óxido de hierro, carbonato de calcio, o la soldadura de granos en contacto, proporcionan esfuerzos resistentes para muchos suelos colapsables. La acción de este cementante es frecuentemente el agente principal de colapso en loess. El grado al cual el agente cementante pierde su efectividad depende del grado de contaminación, del ingreso del agua y del grado de disolución del agente cementante involucrado. Un incremento en la carga podría aumentar este efecto; también una elevación en la presión sobre el suelo incrementaría el grado de disolución, el cual podría producir un incremento retardado en la consolidación. Sin embargo, cualquiera que sea la base física del esfuerzo ligante, todos los suelos colapsables son debilitados por la adición de agua. Un colapso es más inminente cuando los granos son mantenidos juntos por succión capilar, siendo lento en el caso de cementante químico y mucho más lento en el caso de arcillas.

E. RECONOCIMIENTO IN SITU Un ingeniero debe saber identificar fácilmente los suelos que pudieran colapsar y determinar la cantidad de colapso que puede ocurrir. Los depósitos de suelos más probables a colapsar son: a) b) c) d)

Terraplenes o rellenos sueltos. Arenas alteradas transportadas por el viento. Lavado de colinas de consistencia suelta. Granito descompuesto u otra roca ígnea ácida.

F. ENSAYOS E INSTRUMENTACIÓN Los aparatos serán de acuerdo con los requerimientos del ensayo de consolidación unidimensional ASTM D2435. Los discos porosos y papel filtro que cumpla el requerimiento del ensayo de consolidación. La muestra debe ser relativamente inalterada. Para determinar el potencial de colapso (Ic), las muestras deben ser tomadas utilizando métodos secos como son: el barreno de doble y bloques extraídos manualmente.

Ilustración 2. consolidómetro para ensayo de colapso Se procede a cortar el suelo de acuerdo con las dimensiones del anillo del ensayo de consolidación unidimensional. Determinar sus propiedades físicas, tales como humedad natural, peso, volumen, gravedad específica de sólidos, límites de consistencia, distribución granulométrica, según las normas. Se instala la muestra en el anillo del consolidómetro después de haber determinado el peso inicial de la masa húmeda y altura de la muestra y fijar el conjunto anillo-muestra en el consolidómetro. Aplicar una carga de contacto 0.05 kg/cm2 (5 Kpa), después de 5 min tomar lectura del deformímetro, aplicar incrementos de carga a cada hora, hasta que se aplique la presión vertical apropiada. Los incrementos de carga serán 0.12, 0.25, 0.50, 1.00, 2.00, etc. Kg/cm2. (12, 25, 50,

100, 200, etc.) o cargas de acuerdo con el método de ensayo ASTM D2435, registrar la deformación antes de incrementar una nueva carga. El esfuerzo que se aplicará al suelo para evaluar el colapso dependerá de que si el potencial de colapso (Ic) o índice de colapso (Ie) determinado es apropiado para el caso estudiado. El potencial de colapso (Ic) es la magnitud de colapso relativa del suelo, determinado para cualquier presión vertical. El índice de colapso (Ie) es la magnitud de colapso relativa del suelo determinado bajo una presión de 2 kg/cm2 (200 Kpa). Después de aplicar la carga vertical apropiada, por el tiempo de 1 hora, inundar la muestra con agua desairada y destilada, registrar las deformaciones vs tiempo para un ciclo de lecturas de 0.1, 0.25, 0.50, 1, 2, 4, 8, 15 y 30 min, 1, 2, 4, 8, 24 h. o según el ensayo ASTM D2435. Se continúa el ensayo según procedimiento del método de ensayo de consolidación unidimensional D2435. La duración de cada incremento de carga en el estado inundado será de 24 h o hasta que la consolidación primaria sea completa.

Ilustración 3. gráfico de ensayo típico de colapso Determinación del potencial de colapso:

donde: di = lectura del dial con el esfuerzo adecuado antes de la saturación (mm.) df = lectura del dial bajo el esfuerzo adecuado después del humedecimiento (mm.) ho = altura inicial de la muestra (mm.)

También se puede evalúa en términos de relación de vacíos:

donde: Δe = cambio de relación de vacíos bajo el esfuerzo adecuado antes y después de la inundación. eo = relación de vacío inicial

II.

SUELOS DISPERSIVOS O ERODABLES

En la naturaleza existen ciertos suelos finos que son altamente erosionables, conocidos como suelos dispersivos. En el pasado, los suelos arcillosos fueron considerados altamente resistentes a la erosión al fluir agua, pero en los últimos años tiende a ser más claramente sobreentendido que en la naturaleza existen ciertas arcillas que son altamente erosionables. Estos suelos son conocidos como suelos formados por arcillas dispersivas. Por la naturaleza de su mineralogía y la química del agua en la masa del suelo, son susceptibles a la separación de las partículas individuales y a la posterior erosión a través de grietas en el suelo bajo la filtración de flujos.

Ilustración 4. Falla provocada por la filtración de agua de una laguna en suelos dispersivos

La dispersión es un proceso por el cual un suelo desflocara espontáneamente cuando esté expuesto al agua que tenga poco o nada de velocidad hidráulica. Se piensa que la dispersión generalmente es causada por la repulsión electrostática entre las partículas de la arcilla, resultando en la formación de una suspensión coloidal estable del suelo. Los suelos dispersivos son aquellos que, por la naturaleza de su mineralogía y la química del agua en el suelo, son susceptibles a la dispersión y a la posterior erosión de estas muy pequeña partículas a través de grietas o fisuras finas o de hendiduras en el suelo. Son altamente erosivos a bajos gradientes hidráulicos del flujo del agua. Incluso en algunos casos en agua en reposo.

A. TIPOS DE ENSAYOS Los suelos dispersivos no pueden ser identificados con una clasificación visual del suelo o con un índice de normas de ensayos tales, como el análisis granulométrico o los límites de Atterberg y por lo tanto a causa de esto han sido ideados otros ensayos. Las arcillas deben ser ensayadas por características dispersivas como un procedimiento, de rutina realizable durante los estudios para presas de tierra y otras estructuras hidráulicas en el cual estas puedan ser empleadas. A continuación, presentaremos algunos de los ensayos de laboratorio que algunos autores han usado para la identificación de este tipo de suelo. a) El Ensayo de Crumb El ensayo de Emerson Crumb (Emerson, 1967) fue desarrollado como un procedimiento simple para identificar el comportamiento dispersivo en campo, pero ahora es muy frecuente usado en el Laboratorio. El ensayo de Crumb entrega una buena indicación del potencial de erodibilidad de los suelos de arcillas; sin embargo, un suelo dispersivo puede a veces dar una reacción no dispersiva en el ensayo de Crumb. Si el ensayo de Crumb señala dispersión, lo más probable es que el suelo sea dispersivo.

Ilustración 5. Observación directa de dispersión en una muestra pequeña de suelo

b) El Ensayo del Doble Hidrómetro El ensayo del Servicio de Conservación del Suelo de EEUU, también conocido como Ensayo del Doble Hidrómetro, o el Ensayo de Dispersión en Porcentaje (Norma de la Asociación de Australia de 1980). Este ensayo implica dos ensayos del Hidrómetro en suelos tamizados a través del tamiz de 2.36 mm. Los ensayos del Hidrómetro son conducidos con y sin dispersante.

Ilustración 6. Porcentaje de Dispersión como es determinado en el ensayo del doble Hidrómetro La dispersión en porcentaje es:

donde: A = porcentaje de suelos más finos que 0.005 mm para el ensayo sin dispersante. B = porcentaje de suelos más finos que 0.005 mm para el ensayo con dispersante. Sherard et al. (1976) señalan que los suelos con un porcentaje de dispersión mayor que el 50% son susceptibles a la dispersión y a las fallas de tubificación en presas, y aquellos con un porcentaje de dispersión menor que el 15 % no son susceptibles. Ellos también señalaron que existe una buena correlación entre el ensayo de Dispersión en Porcentaje y el Ensayo de Pinhole. c) El Ensayo de Pinhole La clasificación de dispersión de Pinhole, conocido también como el Ensayo de Pinhole, o el ensayo de Pinhole Sherard (Normas de la Asociación de Australia, 1980) Este ensayo fue desarrollado por Sherard et. al (1976). Un hueco de 1.0 mm de diámetro es perforado en el suelo a ser ensayado, y a través del agujero se pasa agua bajo diferentes cargas y duraciones variables. El suelo es tamizado a través del tamiz de 2.36 mm y compactado aproximadamente en el límite plástico a

una proporción de densidad del 95 % (las condiciones a simular en un terraplén de presa con una fisura o agujero en el suelo).

Ilustración 7. Dibujo Esquemático del Equipo del Ensayo de Pinhole d) Ensayos Químicos Para analizar la composición química del agua de una muestra de suelo y determinar su grado de dispersividad, donde se refleja la influencia del sodio sobre sus propiedades son: Proporción de Absorción de Sodio (SAR) Porcentaje Intercambiable de Sodio (ESP)

B. IDENTIFICACIÓN IN SITU: 

La presencia de quebradas profundas y fallas por tubificación en pequeñas presas.



La erosión en grietas de los caminos.



La erosión tipo túnel a lo largo de las quebradas o las arcillas unidas en roca.



La presencia de agua nublada en presas pequeñas y charcos de agua luego de la lluvia.

III.

FENÓMENO DE TUBIFICACIÓN

Este fenómeno se presenta cuando las fuerzas resistentes a la erosión son menores que las fuerzas del flujo de agua que tiende a producirla, de manera que las partículas son removidas y transportadas por la corriente. Se da cuando el agua reacciona con un suelo disolviendo sus partículas y generando un espacio hueco en una masa o capa del subsuelo. El ejemplo más común de este fenómeno es el de cavernas al interior de las montañas. La tubificación hace que el suelo pierda la capacidad de carga y al perder esta propiedad, cualquier cosa que tengas sobre esta puede colapsar en un momento dado.

Ilustración 8. tubificación en presa

Ilustración 9. tubificación a nivel molecular

Ilustración 10. Susceptibilidad de tubificación en los suelos

A. TIPOS DE TUBIFICACION a) Levantamiento En los primeros estudios se analizaron “reventones” donde la arena entraría en “ebullición”, provocando el colapso de la obra si el peso del suelo resultaba insuficiente para contener el movimiento ascendente del suelo bajo el efecto de la fuerza de filtración, en el momento de alcanzarse un determinado gradiente, denominado “crítico”. Terzagui (Terzagui-Peck 1973) recomendó la construcción de un “filtro invertido cargado” (materiales gruesos arriba), de tal forma que su peso, colocado en la zona donde emergen las líneas de corriente en forma concentrada (inmediatas al tablestacado), evite el sifonamiento, incrementando el factor de seguridad. b) Tubificación retrógrada La tubificación retrógrada se puede producir en prácticamente todos los suelos (en los no cohesivos si algún estrato o estructura impide el desmoronamiento del túnel), desde aguas abajo hacia aguas arriba, siguiendo preferentemente el camino de concentración de las líneas de filtración. El conducto se forma por las zonas geológicamente más débiles, por planos de estratificación permeables, o en cualesquiera otras zonas de concentración del flujo donde la energía llega sin sufrir grandes pérdidas debidas a la fricción.

c) Fractura hidráulica Consiste en la brusca irrupción del agua a través de las grietas de los terraplenes, bajo los efectos de la carga hidráulica, ejerciendo subpresiones (fuerzas dirigidas de abajo hacia arriba) y presiones en todas direcciones, principalmente durante el primer llenado del embalse o al producirse alguna variación brusca de su nivel. A las contracciones y secado como el origen de fisuras pueden agregarse diferencias en compactación producidas por el paso de los rodillos. Estas grietas internas pueden estar cerradas, pero, cuando el nivel del reservorio alcanza algunos metros (2 a 3) sobre ellas, la presión hidrostática puede ser superior a la presión total. El agua ejerce presión sobre la fisura abriéndola progresivamente. d) Pozos o Sumideros La morfología de los túneles, que al inicio son verticales y luego se desarrollan horizontalmente, sugiere la forma de “jarras” (sinkholes en inglés, Figura 5 y Figura 6). Se producen porque el agua de lluvia penetra (y erosiona) por pequeñas fisuras abiertas por contracción o raíces de plantas. Son característicos de las arcillas dispersivas.

B. POSIBILIDAD DE TUBIFICACIONES DISPERSIVAS EN LOS CIMIENTOS En general las tubificaciones (debidas a suelos dispersivos) se presentan en el cuerpo de la presa: en sus paramentos, en contactos con la fundación o con los conductos. Hay muy pocos casos por debajo de sus cimientos. Aún el mismo peso de la presa puede cerrar las incipientes. Al parecer las aguas subterráneas con altos contenidos de sales impiden el lavado de los iones sodio en las arcillas dispersivas, y el reemplazo gradual por aguas más limpias procedentes del reservorio permite que los suelos disminuyan su contenido de sodio en el agua de poro.

Ilustración 11. Erosión dispersiva en suelo arcilloso

IV.

LICUEFACCIÓN DE SUELOS

Se habla de la licuefacción de un suelo o también llamada en algunos países licuación de suelos cuando el terreno pierde su resistencia al corte y por tanto se comporta como un líquido debido a que se desarrollan presiones intersticiales de forma rápida (sin drenaje) como consecuencia de un sismo o terremoto. El fenómeno de la licuefacción en geotecnia afecta, en general, a cimentaciones y taludes. Generalmente los suelos potencialmente más licuables son las arenas finas y poco densas y los limos y arenas mal gradados, aunque también se han dado casos en arenas gruesas y gravas y en turbas o suelos altamente orgánicos.

A. Condiciones licuefacción suelos Además del tipo de terreno, para que se produzca este fenómeno, el nivel freático debe encontrarse cerca de la superficie, la compacidad de los materiales suele ser baja (NSPT<20) y la intensidad del terremoto alta. Concretamente, según González De Vallejo, 2002, se pueden establecer las siguientes circunstancias desencadenantes de este fenómeno: 

Sismos de magnitud igual o superior a 5,5, con aceleraciones superiores o iguales a 0,2g.



A partir de los 15 m de profundidad no se han conocido fenómenos de licuefacción en suelos.



El nivel freático, en la mayoría de los casos en los que se ha presentado la licuefacción se encontraba a poca profundidad, inferior a 3 m; por debajo de los 5 m de profundidad, la susceptibilidad a la licuefacción es muy baja.

De modo general, las propiedades que caracterizan a los suelos licuefactibles (González de Vallejo, 2002) son las siguientes: 

Grado de saturación del 100%.



Diámetro medio D50 entre 0,05 y 1,0mm.



Coeficiente de uniformidad Cu=D60/D10<15.



Contenido en finos inferior al 10%.



Bajo grado de compactación, es decir NSPT<10 para profundidades <10m y NSPT<20 para profundidades >10m.

O según Wang, 1979, los suelos con las siguientes propiedades: 

Tamiz 0,005 mm ≤ 15%



Límite líquido LL ≤ 35%



Humedad natural w ≥ 0,9 LL



Índice líquido IL ≤ 0,75

Ilustración 12. Granulometrías de suelos que han licuado. Henríquez Pantaleón, 2013. Como puede verse los suelos licuables suelen estar comprendidos entre las arenas y los limos aunque conviene estudiar en detalle otras granulometrías puesto que este fenómeno no es exclusivo de estos suelos.

B. Métodos para estimar la susceptibilidad a la licuefacción a) Método de Seed e Idriss, 1971 Uno de los más utilizados es el propuesto por Seed e Idriss (1971): Según los autores, un suelo sufrirá licuefacción si la razón de tensión tangencial cíclica CSR ocasionada por un sismo es mayor que la resistencia tangencial de un suelo. Es decir,

Por tanto, a partir de datos empíricos puede estimarse si un suelo es susceptible a la licuefacción. Primeramente, se calcula el valor de CSR según la expresión anterior y seguidamente se entra en el gráfico siguiente (Ho y Kava zanjan, 1986 y modificado por González de Vallejo, 2002) con el valor de la magnitud del sismo y el valor del (N1)60 del ensayo SPT. Dicho valor, es el valor normalizado para una presión de 100 KPa y una energía del 60%.

Ilustración 13. Susceptibilidad a la licuefacción de un suelo en función del (N1)60 y la razón de esfuerzo cortante cíclico CSR para distintas magnitudes de terremotos. González de Vallejo, 2002.

b) Método de Yod e Idriss, 2001. Posteriormente el método de Seed e Idriss fue revisado. En este caso para determinar la susceptibilidad a la licuefacción de suelos se requiere el valor de CSR esfuerzo cortante cíclico de un suelo ejercido por un sismo y el valor de CRR que es la capacidad del suelo de resistir dicho esfuerzo. El valor de CSR se obtiene de forma igual a la expresión anterior, pero considerando que el valor de rd se calcula como: rd = 1,0 – 0,00765z para z ≤ 9,15 m rd = 1,174 – 0,00765z para z ≤ 9,15 m En cuanto a el valor de CRR puede ser obtenido a partir del piezocono CPT, del SPT o de la velocidad de las ondas Vs. Una vez obtenido el valor del CSR y CRR puede conocerse si un suelo es susceptible a la licuefacción para distintos contenidos en finos y valor de (N1)60 y para un terremoto de magnitud 7,5 según el siguiente gráfico.

Ilustración 14. Susceptibilidad a la licuefacción en función del SPT (N1)60 para un sismo de magnitud de 7,5 basado en casos históricos. Youd e Idriss, 2001.

V.

REFERENCIAS



CARACTERIZACIÓN Y ENSAYOS EN SUELOS COLAPSABLES. (2019). Retrieved from https://civilgeeks.com/2011/10/23/caracterizacion-y-ensayos-en-suelos-colapsables/



SUELOS COLAPSABLES. (2019). Retrieved from https://prezi.com/j12jnszfojt5/sueloscolapsables/



59 - Suelos colapsables: Conceptos y desarrollo de patologías. (2019). Retrieved from https://www.asefa.es/comunicacion/patologias/59-suelos-colapsables-conceptos-ydesarrollo-de-patologias

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(2019). Retrieved from http://www.docentes.unal.edu.co/aepazgon/docs/Suelos%20Colapsables.pdf



El Problema de los Suelos Dispersivos. (2019). Retrieved from https://civilgeeks.com/2011/10/13/problema-los-suelos-dispersivos/