Proyecto de Investigacion Suelos
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CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ MECANICA DE SUELOS I
ING. VIDAL CALCINA COLQUI DOCENTE MECANICA DE SUELOS I
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
1 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
INDICE
Prefacio 03
RESUMEN 04
CAPITULO I
FORMULACION DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION
1.1. IDEA DE INVESTIGACION 05
1.2. TEMA DE INVESTIGACION 06
1.3. PROBLEMA DE INVESTIGACION 06
1.3.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION 06
1.3.2. FORMULACION DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION 08
1.3.3. OBJETIVOS 08
1.3.4. JUSTIFICACION 08
CAPITULO II
REFERENCIA TEORICA
2.1. MARCO TEORICO 11
2.2. MARCO CONCEPTUAL 12
2.1.1. CIMENTACIONES 12
2.1.1.1. GENERALIDADES 12
2.1.1.2. TIPOS DE CIMENTACIONES 13
2.1.2. SUELOS DIFICILES 18
2.1.2.1. SUELOS DISPERSIVOS 18
2.1.2.2. SUELOS EXPANSIVOS 22
2.1.2.3. SUELOS COLAPSABLES 31
2.1.2.4. SUELOS LICUABLES 35
CAPITULO III
SISTEMA DE HIPOTESIS
3.1. HIPOTESIS 42
3.1.1. HIPOTESIS GENERAL 42
3.1.2. HIPOTESIS ESPECÍFICAS 42
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
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3.1. INDICADORES DE LAS HIPOTESIS 42
3.1.1. CONSECUENCIAS DE LAS CIMENTACIONES SOBRE SUELOS DISPERSIVOS
EN EL PERU. 43
3.1.2. CONSECUENCIAS DE LAS CIMENTACIONES SOBRE SUELOS COLAPSABLES
EN EL PERU.
3.1.3. CONSECUENCIAS DE LAS CIMENTACIONES SOBRE SUELOS EXPANSIVOS EN
EL PERU. 47
3.1.4. CONSECUENCIAS DE LAS CIMENTACIONES SOBRE SUELOS LICUABLES EN
EL PERU. 53
CAPITULO IV
DISEÑO METODOLOGICO
4.1. DECISIONES METODOLOGICAS 56
4.2. MUESTRA DE ORGANIZACIÓN A ESTUDIAR 56
4.3. FORMAS DE ABORDAR LA INVESTIGACIÓN 56
4.4. REVISIÓN LITERARIA. 57
4.5. RECOLECCIÓN DE DATOS. 57
4.6. INDICADORES A OBSERVAR 57
4.7. PROPUESTA DE ANALISIS 57
4.7.1. TECNICAS DE MEJORAMIENTO DE UN SUELO DISPERSIVO 57
4.7.2. TECNICAS DE MEJORAMIENTO DE UN SUELO COLAPSABLES 60
4.7.3. TECNICAS DE MEJORAMIENTO DE UN SUELO EXPANSIVO 72
4.7.4. TECNICAS DE MEJORAMIENTO DE UN SUELO LICUABLE 84
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
ANEXO
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
3 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
Prefacio
Desde los inicios de la carrera eh estado interesado en la construcción de los grandes
edificios. Al estar estudiando Ingeniería eh aprendido que la cimentación es la parte
primordial de la construcción de una estructura, así propuse la tarea de abordar el tema de
“PROBLEMAS DE CIMENTACIONES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ” y hacer una
investigación científica, ya que es un tema que no ah sido muy explorado, ya que en
principio, los estudios de suelos tiene gran material de investigación y hasta hace poco no
habían sido explorados.
En cuanto a las cimentaciones, estas pueden ir cambiando según las necesidades del suelo
y/o estructura, y aun pueden proponerse nuevos métodos y tipos de cimentación, puesto
que se irán revolucionando, según los nuevos investigadores.
Los fundamentos de la investigación, son investigaciones bibliográficas y algunos datos de
campo, que se realizaron en un cierto lapso de tiempo.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
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RESUMEN
Este es un proyecto relacionado con la Mecánica de suelos, la cual ha sido estudiada por
muchos profesionales de la ama pero que muchas veces no se toma en consideración a la
hora de la ejecución de obras en nuestro país.
A lo largo de la investigación usted podrá observar sobre el suelos difíciles (Dispersivos,
Expansivos, Colapsables y Liacuables), sus propiedades, y principalmente en cómo influye
el tipo de suelo al querer diseñar la estructura de una obra.
Consta de seis capítulos en el primero, vera desde cómo surgió la idea, como se planteo el
problema, cuáles fueron las preguntas y objetivos de la investigación. En el segundo capítulo
se encuentra el marco teórico, en el tercer capítulo podrá ver la formulación de las hipótesis.
La metodología de la investigación viene brevemente explicada en el cuarto capítulo,
mientras que en el quinto se observan los resultados de la investigación. En el sexto se
presentaran las conclusiones.
Espero que esta investigación pueda servir de ayuda para diferentes estudiantes, maestros,
y personas que les sea de curiosidad.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
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CAPITULO I
FORMULACION DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION
1.1. IDEA DE INVESTIGACION
Esta idea surgió de que es una cimentación, problemas que afrontan las
cimentaciones y saber cuál es la necesaria según lo que se desea construir y
donde se desea construir (tipos de suelo).
Antes de entrar a la facultad de ingeniería, al observar un edificio, surgió en mi
la inquietud de cómo era que esa estructura aguantaba tanto peso, como fue
construida, con que materiales, si siguió un proceso, y cual fue, además de quien
era la persona encargada de que esa estructura no colapsara. Para mí eso era
algo que requería de tiempo y preparación, así fue como me surgió la idea de
estudiar ingeniería civil. Al entrar a la carrera se me dieron diferentes materias,
de acuerdo al plan de estudio, y eh estado estudiando alguna de ellas. Así fue
conociendo la terminología de cimentación, suelos, entre otras. Al empezar el
quinto semestre se me impartió al materia de mecánica de suelos, y en una de
las primeras clases el ingeniero docente hablo de cómo la materia tenia
aplicación en problemas de ingeniería, ahí fue cuando relacione el suelo con las
cimentaciones, y entro en m la inquietud de investigar más acerca de ello, las
relaciones que hay entre estas dos variables, como se apoyan la una de la otra,
ya que el tipo de suelo es indispensable para saber el diseño de la cimentación.
A su vez me entere de que hay una gran variedad de suelos, que a su vez estos
pueden mezclarse, y en nuestro país, ay una gran diversidad de suelos, por lo
tanto se ha tenido que diseñar diferentes tipos de cimentaciones debido a la
demanda, al tipo de estructura a construir, y a la capacidad de carga del suelo.
Indagué un poco en internet me entere que según el suelo, y el clima y
temperatura donde este se encuentre, la capacidad de carga varia, y por lo tanto
el diseño de cimentación también lo es.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
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La cimentación es la parte estructural del edificio, encargada de transmitir las
cargas al terreno, el cual es el único elemento que no podemos elegir, por lo que
la cimentación la realizaremos en función del mismo. Al mismo tiempo este no
se encuentra todo a la misma profundidad por lo que eso será otro motivo que
nos influye en la decisión de la elección de la cimentación adecuada.
Y para saber cuál es la cimentación adecuada antes debemos determinar qué
tipo de suelo hay en dicha construcción y su capacidad de carga.
1.2. TEMA DE INVESTIGACION
CIMENTACIONES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERU
1.3. PROBLEMA DE INVESTIGACION
1.3.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION
En su práctica profesional, el ingeniero civil tiene muchos encuentros diferentes
e importantes con el suelo. El ingeniero civil utiliza el suelo como cimentación de
estructuras y terraplenes; utiliza el suelo como material de construcción; debe
diseñar estructuras de retención para excavaciones y aberturas subterráneas; y
encuentra el suelo en un gran número de problemas especiales. En el desarrollo
de dichas tareas, el ingeniero se basa en la Mecánica de Suelos, que es una
disciplina que organiza de manera sistemática los principios y el conocimiento
de las propiedades ingenieriles del suelo.
El problema a estudiar es como saber cuál es tipo de cimentación adecuada,
según el tipo de suelo donde se realizar. Pero para ello también se debe saber
para qué tipo de estructura se diseñara dicha cimentación.
Para conocer este problema primero se debe saber cuál es la diversidad de
suelos en el Perú, ya que en el Perú hay distintas diversidades de suelos, y los
suelos pueden mezclarse entre sí. También es importante conocer sobre los
tipos de cimentaciones más adecuadas, según el suelo, y las características
tanto como del suelo como para las cimentaciones.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
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Numerosos casos de fallas en cimentaciones han ocurrido en los últimos años
en el país, debido en parte al desconocimiento del comportamiento de cierto tipo
de suelos de cimentación, y por otro lado a la incompetencia o negligencia, que
se refleja generalmente en la incapacidad de hacer lo que es requerido para un
proyecto determinado, tal como en muchos casos hemos establecido después
de producida la falla.
Extensas áreas de nuestro país presentan suelos difíciles tales como
dispersivos, colapsables, expansivo y licuables; que deben ser estudiados
convenientemente para utilizarlos como soporte en obras de ingeniería de poca
o gran envergadura, dado a que presentan problemas principalmente de
deformación por cambio de volumen del suelo, casi siempre por presencia de
filtraciones de agua en exceso del contenido de humedad natural. Estos suelos
han llamado la atención también en muchas partes del mundo y han sido materia
de numerosas presentaciones en Congresos Internacionales y reuniones
técnicas desde hace varias décadas, destacando las últimas ocurridas en
nuestra región : la 7a. Sesión del XII Congreso Internacional de Mecánica de
Suelos llevada a cabo en Río de Janeiro, Brasil en 1989 y la Sesión sobre
Propiedades Geotécnicas de los Suelos de América, del IX Congreso
Panamericano de Mecánica de Suelos de Viña del Mar, Chile, en 1991.
Es de suma importancia conocer el tipo de suelo, ya que hay distintos tipos de
cimentaciones, y estás pueden variar según el tipo de suelo donde se construirá
y también que tipo de construcción se realizara, ya que una casa habitación, es
muy diferente a la construcción de un edificio.
Esta investigación es de mucha importancia para la ingeniería, porque la
cimentación es el esqueleto, lo que soporta un edificio y sin una buena
cimentación, las bases de la estructura no soportarían tanta carga, causando
grandes problemas, desde agrietamientos en dicha estructura, como el
derrumbe de esta. Además debemos de tomar en cuenta que Perú está en una
zona sísmica de gran actividad sísmica, por ello es necesario tener buenos
cimientos.
Los esfuerzos que generan en las diversas capas del subsuelo debido a las
presiones de las cimentaciones, producen asentamientos que dependen de las
propiedades del suelo, así como de la carga y permanencia de esta. Se hace
notar que el suelo es un medio continuo y que una carga aplicada bajo un punto
cualquiera de alguna estructura, produce asentamiento en los demás puntos de
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la cimentación de la misma, y por lo tanto, hay interacciones entra las cargas y
los asentamientos entre las diferentes puntos donde estas se aplican.
1.3.2. FORMULACION DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION
1.3.2.1. PROBLEMA GENERAL
¿Cómo afectan las cimentaciones los suelos difíciles en las edificaciones
del Perú en el año 2013?
1.3.2.1. PROBLEMAS ESPECIFICOS
¿Cómo inciden en los agrietamientos de la estructura los suelos difíciles en las
edificaciones del Perú en el año 2013?
¿Cómo se relacionan los asentamientos y los suelos difíciles en las edificaciones
del Perú en el año 2013?
1.3.3. OBJETIVOS
1.3.3.1. OBJETIVO GENERAL
Conocer los efectos en las cimentaciones por suelos difíciles en las
edificaciones del Perú en el año 2013.
1.3.2.1. OBJETIVOS ESPECIFICOS
Identificar las incidencias en los agrietamientos de la estructura los suelos
difíciles en las edificaciones del Perú en el año 2013.
Conocer la relación de los asentamientos y los suelos difíciles en las
edificaciones del Perú en el año 2013.
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1.3.4. JUSTIFICACION
El tipo de suelo, puede afectar gravemente el proceso de construcción de las
cimentaciones de una estructura, ya que si el suelo es blando, y tiende a
agrietarse, se necesitaran ciertas medidas para que al excavar para realizar el
colado de una pila, el suelo no se desmorone.
Una cimentación inadecuada para el tipo de terreno, mal diseñada o calculada
se traduce en la posibilidad de que tanto el propio edificio como las fincas
colindantes sufran asientos diferenciales con el consiguiente deterioro de los
mismos pudiendo llegar incluso al colapso. El tratar de iniciar cualquier
construcción sin llevar a cabo primero un estudio del suelo es, quizá, uno de los
mayores riesgos que pueden correrse en el campo de la ingeniería. Es imposible
proyectar una cimentación adecuada para una estructura sin conocer las
características del suelo que se encuentra bajo ella, ya que, en definitiva, es
dicho suelo el que soportará la carga.
La capacidad de carga o apoyo es una característica de cada sistema de suelo-
cimentación, y no sólo una cualidad intrínseca del suelo. Los distintos tipos de
suelo difieren en capacidad de carga, pero también ocurre que en un suelo
específico dicha capacidad varía con el tipo, forma, tamaño y profundidad del
elemento de cimentación que aplica la presión.
Al investigar este tema, aprenderé los tipos de cimentación que se pueden
utilizar en diferente tipos de obras, así también aprenderé los diferentes tipos de
suelos que existen en el Perú y cuáles son las capacidades de carga de ellos.
Conoceré los métodos con los cuales pueden identificar el suelo y determinar su
carga.
La cimentación es importante porque es el grupo de elementos que soportan a
la superestructura; para lo cual se utiliza la llamada zapata de cimentación, esta
divide las cargas de la edificación en partes iguales de manera que ninguna
exceda a la otra, esto solamente no se da cuando se trata de un terreno de
piedra.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
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La elección del tipo de cimentación depende especialmente de las
características mecánicas del terreno, como su cohesión, su ángulo de
rozamiento interno, posición del nivel freático y también de la magnitud de las
cargas existentes. A partir de todos esos datos se calcula la capacidad portante,
que junto con la homogeneidad del terreno aconsejan usar un tipo u otro
diferente de cimentación. Siempre que es posible se emplean cimentaciones
superficiales, ya que son el tipo de cimentación menos costoso y más simple de
ejecutar. Cuando por problemas con la capacidad portante o la homogeneidad
del mismo no es posible usar cimentación superficial se valoran otros tipos de
cimentaciones.
La cimentación puede definirse en general como el conjunto de elementos de
cualquier edificación cuya misión es transmitir al terreno que la soportan las
acciones procedentes de la estructura. Su diseño dependerá por tanto no solo
de las características del edificio sino también de la naturaleza del terreno.
La importancia del conocimiento de los caracteres propios del suelo se pone de
manifiesto desde el momento de la propia ejecución de la obra por su influencia
sobre la seguridad de los trabajadores en la realización de excavaciones y
movimientos de tierras así como en la de los elementos auxiliares de la
construcción: cimbras, encofrados, pozos y zanjas de cimentación líneas
enterradas, etc.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
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CAPITULO II
REFERENCIA TEORICA
2.1. MARCO TEORICO
La cimentación puede definirse en general como el conjunto de elementos de
cualquier edificación cuya misión es transmitir al terreno que la soporta las
acciones procedentes de la estructura. Su diseño dependerá por tanto no solo
de las características del edificio sino también de la naturaleza del terreno.
ALVA HURTADO 2010. El cimiento es aquella parte de la estructura encargada
de transmitir las cargas al terreno. Debido a que la resistencia y rigidez del
terreno suelen ser inferiores a las de la estructura, la cimentación posee un área
en planta muy superior a la suma de las áreas de todos los pilares y muros
portantes (estructura vertical).
CRESPO VILLALAZ 2003 “Se denomina cimentación al conjunto de elementos
estructurales cuya misión es transmitir las cargas de la edificación al suelo.
Debido a que la resistencia del suelo es, generalmente, menor que los pilares o
muros que soportará, el área de contacto entre el suelo y la cimentación será
proporcionalmente más grande que los elementos soportados (excepto en
suelos rocosos muy coherentes). La cimentación es importante porque es el
grupo de elementos que soportan a la superestructura; para lo cual se utiliza la
llamada zapata de cimentación, esta divide las cargas de la edificación en partes
iguales de manera que ninguna exceda a la otra, esto solamente no se da cuando
se trata de un terreno de piedra.”
La importancia del conocimiento de los caracteres propios del suelo se pone de
manifiesto desde el momento de la propia ejecución de la obra por su influencia
sobre la seguridad de los trabajadores en la realización de excavaciones y
movimientos de tierras así como en la de los elementos auxiliares de la
construcción: cimbras, encofrados, pozos y zanjas de cimentación líneas
enterradas, etc.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
12 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
Una cimentación inadecuada para el tipo de terreno, mal diseñada o calculada
se traduce en la posibilidad de que tanto el propio edificio como las fincas
colindantes sufran asientos diferenciales con el consiguiente deterioro de los
mismos pudiendo llegar incluso al colapso.
Barkan 1992. En obras de importancia y características especiales, y sobre todo,
cuando es proyectada su construcción en terrenos cuyo subsuelo no es
conocido, es obligatorio el estudio del suelo para cada caso en particular. No es
prudente deducir la resistencia y comportamiento de un suelo a partir de las
características de otro, aun cuando estén próximos entre sí.
2.2. MARCO CONCEPTUAL
2.1.1. CIMENTACIONES
2.1.1.1. GENERALIDADES
Las cimentaciones tienen como misión transmitir al terreno las cargas que
soporta la estructura del edificio. De modo general se puede decir que existen
dos tipos de cimentación según que principalmente vayan a soportar esfuerzos
de compresión pura o que soporten, además, tensiones de tracción. Esta
consideración afecta al material que va a constituir la cimentación.
Los cimientos por tanto serán por lo general piezas de volumen considerable con
respecto al volumen de las piezas de la estructura. Se construyen en hormigón
armado y en general se empleará hormigón de calidad relativamente baja ya que
no resulta económicamente interesante el empleo de hormigones de resistencias
mayores.
Para poder realizar una buena cimentación es necesario un conocimiento previo
del terreno en el que se va a construir la estructura. Aquí vamos a realizar una
pequeña introducción sobre el suelo y la roca.
Los términos roca y suelo, tal como se usan en la ingeniería civil, implican una
clara distinción entre dos clases de materiales de cimentación. Se dice que roca
es un agregado natural de granos minerales unidos por grandes y permanentes
fuerzas de cohesión. Por otra parte, se considera que suelo es un agregado
natural de granos minerales, con o sin componentes orgánicos, que pueden
separarse por medios mecánicos comunes, tales como la agitación en el agua.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
13 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
El ingeniero para preparar un proyecto debe saber cuáles son los materiales que
están presentes y qué propiedades poseen, este conocimiento se adquiere,
parcialmente, consultando libros, pero sobre todo, extrayendo, examinando y tal
vez probando muestras que considere representativas de los materiales. En la
ingeniería de las cimentaciones, la experiencia es un factor inapreciable.
La correcta clasificación de los materiales del subsuelo es un paso importante
para cualquier trabajo de cimentación, porque proporciona los primeros datos
sobre las experiencias que puedan anticiparse durante y después de la
construcción. El detalle con el que se describen, prueban y valoran las muestras,
depende del tipo de estructura que se va a construir, de consideraciones
económicas, de la naturaleza de los suelos, y en cierto grado del método con el
que se hace el muestreo. Las muestras deben describirse primero sobre la base
de una inspección ocular, y de ciertas pruebas sencillas que pueden ejecutarse
fácilmente tanto en el campo como en el laboratorio clasificando el material en
uno de los grupos principales.
Las estructuras de cimentación son, con frecuencia, elementos tridimensionales,
en ocasiones elementos lineales, por ejemplo las vigas de cimentación.
2.1.1.2. TIPOS DE CIMENTACIONES
CIMENTACIONES SUPERFICIALES
Cuando a nivel de la zona inferior de la estructura, el terreno presenta
características adecuadas desde los puntos de vista técnico y económico para
cimentar sobre él, la cimentación se denominará superficial o directa. Las
cimentaciones superficiales estarán constituidas por zapatas, vigas y placas, o
por combinaciones de estos elementos.
Estas características del terreno son fundamentales a la hora de la elección de
la cimentación.
La influencia del tipo de edificio a ejecutar también es importante en la selección
de la cimentación.
Las características más importantes de los edificios a la hora de la cimentación
pueden ser:
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
14 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
a) Existencia de sótanos
a) Edificios ligeros de poca altura: se usará cimentación superficial
b) Edificios de poca altura: losas, pilotaje
c) Edificios de gran altura: Cimentaciones profundas o losas de cimentación
Antes de la selección de la cimentación, y como parte previa a la redacción del
proyecto, debe realizarse un estudio geotécnico del terreno que en sus
conclusiones debe recomendar los tipos de cimentaciones más adecuados.
Como características principales una zapata debe cumplir:
a) Conducción de las cargas al terreno a través de los elementos estructurales.
b) Reparto uniforme de las cargas para que no se superen las tensiones
superficiales del terreno.
c) Deben limitarse los asientos de la estructura a los máximos admisibles por
ésta, y evitar asimismo los asientos diferenciales.
d) Las cimentaciones deben quedar ocultas.
En el caso de edificios industriales el modo de selección de las cimentaciones
no difiere del resto de las edificaciones, siendo incluso en muchos casos un
factor decisivo a la hora de decidir el emplazamiento de la industria, pues un
coste muy elevado por las malas características del terreno encarecería
demasiado el proyecto. El tipo de cimentación más usado en proyectos
industriales es la zapata en sus diversas variantes. No se desestimará en caso
necesario el uso de losas e incluso, en casos muy desfavorables del terreno,
cimentaciones profundas como pilotes.
A. Zapatas
Se trata de la solución más usada, debido a que es la más económica, de más
fácil ejecución y adaptarse bien a terrenos resistentes. Es además una solución
interesante para luces importantes.
Una zapata es una ampliación de la base de una columna o muro que tiene por
objeto transmitir la carga al subsuelo a una presión adecuada a las propiedades
del suelo. A las zapatas que soportan una sola columna se llaman individuales
o zapatas aisladas. La zapata que se construye debajo de un muro se llama
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zapata corrida o zapata continua. Si una zapata soporta varias columnas se
llama zapata combinada. Una forma especial de zapata combinada que se usa
normalmente en el caso que una de las columnas soporte un muro exterior es la
zapata en voladizo o cantilever.
En las zonas frías, las zapatas se desplantan a una profundidad no menor que
la penetración normal de la congelación. En los climas más calientes, y
especialmente en las regiones semiáridas, la profundidad mínima de las zapatas
puede depender de la mayor profundidad a que los cambios estaciónales de
humedad produzcan una contracción y expansión apreciable del suelo. La
elevación a la que se desplanta una zapata depende del carácter del subsuelo,
de la carga que debe soportar y del coste del cimiento. Generalmente la zapata
se colocara a la altura máxima en que pueda encontrarse un material que tenga
de forma estable la capacidad de carga adecuada.
La excavación de una zapata para hormigón armado debe mantenerse seca,
para poder colocar el refuerzo y sostenerlo en su posición correcta mientras seca
el hormigón. Para hacer esto en los suelos que contienen agua debe ser
necesario bombear o instalar previamente un sistema de drenaje.
La clasificación de zapatas es muy amplia. Según su forma de trabajo se
puede clasificar como: aislada, combinada, corrida o continua y arriostrada
o atada. Según su forma en planta su clasificación será: rectangular,
cuadrada, circular, anular o poligonal.
B. Losas de Cimentación
Las losas de cimentación son zapatas de gran tamaño encargadas de repartir lo
más uniformemente posible las cargas al terreno. Sus principales características
pueden ser: espesor reducido en función de sus otras dimensiones. Son útiles
cuando la suma de las superficies de la zapata > 50% de la superficie de la
edificación. Se trata de una solución cara por lo que su uso será en terrenos con
baja resistencia pues en terrenos heterogéneos reducen asientos diferenciales.
CIMENTACIONES PROFUNDAS
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
16 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
Estas cimentaciones se usarán cuando el terreno firme no se encuentra en la
superficie sino a mayor profundidad. La cimentación profunda más usada es la
cimentación por pilotes.
A. Pilotes
Un pilote es un elemento de cimentación de gran longitud comparada con su
sección transversal, que enterrado consigue una cierta capacidad de carga,
suma de su resistencia por rozamiento con el terreno y su apoyo en punta.
Cuando el suelo situado al nivel en que se desplantaría normalmente una zapata
o una losa de cimentación, es demasiado débil o compresible para proporcionar
un soporte adecuado, las cargas se transmiten al material mas adecuado a
mayor profundidad por medio de pilotes. Los pilotes son elementos estructurales
con un área de sección transversal pequeña, comparada con su longitud, y
usualmente se instalan usando una piloteadora que tiene un martinete o un
vibrador. A menudo se hincan en grupos o en filas, conteniendo cada uno
suficientes pilotes para soportar la carga de una sola columna o muro.
Las columnas con poca carga, pueden en algunos casos, necesitar un solo
pilote. Sin embargo, ya que en las condiciones del trabajo de campo, la posición
real de un pilote puede quedar a varios centímetros de la posición proyectada,
difícilmente pueden evitarse las cargas excéntricas. En consecuencia las
cabezas de los pilotes aislados usualmente se arriostran en dos direcciones por
medio de contratrabes. Si solo se necesitan dos pilotes las cabezas se unen con
un cabezal de hormigón, siendo arriostradas solamente en una dirección,
perpendicular a la línea que une los dos pilotes. Los grupos que contienen tres
o más pilotes están provistos de cabezales de hormigón reforzado y se
consideran estables sin apoyarlos con contratrabes.
También pueden usarse pilotes verticales para resistir cargas laterales; por
ejemplo, debajo de una chimenea alta sometida al viento. Comparada con la
capacidad axial, la capacidad lateral es usualmente pequeña. Cuando es
necesario soportar grandes cargas laterales, pueden usarse pilotes inclinados.
Las inclinaciones de 1 horizontal por 3 vertical representan aproximadamente la
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17 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
mayor inclinación que puede obtenerse con el equipo ordinario para el hincado.
La economía favorece usualmente las menores inclinaciones, aunque tenga que
usarse un mayor número de pilotes.
B. Muros de contención
El terreno tiene su propio talud natural siendo la pendiente función de la cohesión
interna. La modificación del talud de un terreno por encima de su pendiente
natural obliga a utilizar procedimientos artificiales de contención.
Un muro de contención es aquella obra encargada de contener las tierras que
tienden a alcanzar su talud natural. En unas ocasiones se tratará de un terreno
natural y en otras de un relleno artificial.
Las estructuras de contención pueden clasificarse según dos tipos:
a) Rígidas
b) Flexibles
Dentro de los muros de hormigón los muros más frecuentes son :
a) Muros de gravedad: Son de hormigón en masa
b) Muros ménsula: Aligeran el muro de gravedad y son útiles para grandes
muros por razón de economía
c) Muros con contrafuertes
d) Muros de sótano
C. CAJONES DE CIMENTACIÓN
Los cajones de cimentación son elementos estructurales de concreto armado
que se construyen sobre el terreno y se introducen en el terreno por su propio
peso al ser excavado el suelo ubicado en su interior. El PR deberá indicar el
valor la fricción lateral del suelo para determinar el peso requerido por el cajón
para su instalación.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
18 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
2.1.2. SUELOS DIFICILES
2.1.2.1. SUELOS DISPERSIVOS
Antiguamente, los suelos arcillosos eran considerados altamente resistentes a
la erosión debido al fluir el agua, sin embargo esta creencia es errada debido a
que eso no sucede con todas las arcillas, de hecho existen arcillas que son
altamente erosionables, como los son las arcillas dispersivas.
El tipo de suelo conformado por arcilla dispersiva fue conocido primero por los
ingenieros agrónomos hace mas de 100 años, y su naturaleza fundamental fue
bien entendida por los científicos de suelos e ingenieros agricultores hace casi
50 años. La importancia del tema en la práctica de la Ingeniería Civil ha sido
reconocida aproximadamente desde 1940, pero no fue ampliamente apreciada
sino hasta comienzos de 1960. Se inicia en Australia cuando, se investiga las
fallas de socavación en presas de tierra y se observa el comportamiento de la
arcilla dispersiva en presas pequeñas de arcilla. Desde este tiempo, muchas
investigaciones han sido ejecutadas a fin de mejorar los procedimientos para
identificar a las arcillas dispersivas
Los suelos dispersivos son aquellos que por la naturaleza de su mineralogía
(donde existe una preeminencia de cationes de sodio) son susceptibles a la
defloculación (dispersión) y se rechazan en la presencia del agua así posea poco
o nada de velocidad hidráulica. Cuando el suelo de arcilla dispersiva es
sumergido en agua, la fracción de arcilla tiende a comportarse de manera
semejante a las partículas granulares, es decir las partículas de arcilla tienen
una atracción mínima de electro-química y fallan hasta adherirse cercanamente
o enlazarse con otras partículas de suelo. Así, el suelo de arcilla dispersiva
erosiona con la presencia del agua que fluye cuando las plaquetas individuales
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de la arcilla son partidas y transportadas. Tal erosión puede suceder por la
presencia de quebradas profundas o fallas por tubificación en pequeñas presas,
la presencia de aguas nubladas en presas pequeñas o en charcos de agua luego
de la lluvia, por mencionar los casos más comunes. También es visible en las
grietas de los caminos y a lo largo de las quebradas y en las arcillas unidas a la
roca.
IDENTIFICACION DE LOS SUELOS DISPERSIVOS
La identificación de los suelos dispersivos debería comenzar con el
reconocimiento en campo para determinar si existe alguna indicación en la
superficie, como erosiones en forma de túneles y hondonadas profundas, junto
con cualquier depósito de agua. Aunque la falta de tal evidencia no excluye la
presencia de arcillas dispersivas en la profundidad, y se debería proceder con
exploraciones adicionales. Los suelos dispersivos también pueden determinarse
por el comportamiento de los suelos. Por ejemplo:
La presencia de quebradas profundas y fallas por tubificación en
pequeñas presas, habitualmente indican la presencia de suelos
dispersivos.
La erosión en grietas de los caminos, la erosión tipo túnel a lo largo de
las líneas de quebradas y la erosión de intemperización o arcillas unidas
en roca pueden señalar suelos potencialmente dispersivos.
La presencia de agua nublada en presas pequeñas y charcos de agua
después de la lluvia indica suelos dispersivos.
Se puede deducir la mineralogía de la arcilla a partir de tales técnicas de
observación. La geología del área también puede ser una guía de la
dispersividad. Sherard & Decker (1977) señalan que:
Muchas arcillas dispersivas son de origen aluvial. Algunas arcillas de las
laderas de lechos de río son también dispersivas.
Algunos suelos derivados de la lutita y la arcillita bajo un medio marítimo
son también dispersivos.
Los suelos derivados de la intemperización de las rocas ígneas y
metamórficas son casi todos no dispersivos, pero pueden ser
erosionables, (por ejemplo, la arena limosa derivada de la granodiorita).
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Suelos con un alto contenido orgánico probablemente no son dispersivos
(esto necesita ser tratado con cautela, desde que muchos suelos tipo
“algodón negro” son dispersivos).
Las áreas de producción con poca cosecha y el crecimiento mal
desarrollado también pueden indicar suelos altamente salinos, muchos
de los cuales son dispersivos. Sin embargo, los suelos dispersivos
pueden también presentarse en suelos neutrales o en suelos ácidos y
pueden apoyar al crecimiento frondoso del césped.
Ensayos Químicos:
Estos ensayos analizan la composición química del agua de poros de una
muestra de suelo para determinar su grado de dispersividad, entre éstos están:
Proporción de Absorción de Sodio (SAR): es un parámetro que refleja la
posible influencia del Ion sodio sobre las propiedades del suelo. Se basa
en una fórmula empírica que relaciona los contenidos de sodio, calcio y
magnesio y que expresa el porcentaje de sodio de cambio en el suelo en
situación de equilibrio
SAR= Na/ ( ( Ca+Mg)/2 ) ½
Porcentaje Intercambiable de Sodio (ESP)
Ensayos Físicos:
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. 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.
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El ensayo consiste en colocar una muestra de suelo en agua, observando la
dispersión como el grado de nubosidad del agua, para luego clasificarlo de la
siguiente manera:
Grado 1: Ninguna reacción
Grado 2: Reacción ligera
Grado 3: reacción moderada
Grado 4: reacción fuerte
El Ensayo del Doble Hidrómetro
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.
La dispersión en porcentaje es:
A x100
B
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.
La interpretación del porcentaje de dispersión es la siguiente:
Mayor que 30% es no dispersivo
Entre 30% a 50% es intermedio
Mayor al 50% es dispersivo
El Ensayo de Pinhole
La clasificación de dispersión de Pinhole, conocido también como el Ensayo de
Pinhole, o el ensayo de Pinhole Sherard según Normas de la Asociación de
Australia, 1980.
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Este ensayo fue desarrollado por Sherard en 1976. Consiste en perforar un
hueco de 1.0 mm de diámetro 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).
2.1.2.2. SUELOS EXPANSIVOS
Se conocen como suelos expansivos, dado que sufren procesos de expansión y
contracción.
Éstos, al estar en clima estacional generan grandes grietas por donde migra el material
del suelo, hacia abajo y hacia arriba, son los suelos denominados Vertisoles que
generan constante inestabilidad en las obras civiles.
La utilización de estos suelos requiere condiciones especiales, tanto desde el punto de
vista de la ingeniería como de la preparación para agricultura. Los problemas que se
presentan en estos suelos son derivados más que todo por los cambios de humedad;
éstos a su vez pueden estar inducidos por las cambiantes condiciones ambientales
(épocas de sequía y de lluvia), efecto termo-ósmosis, fugas en las conducciones de
aguas, extracción de agua por la vegetación aledaña a la construcción.
Depende de la estructura de los cristales
Depende de su composición mineralógica
Depende de la capacidad de cambios de cationes
Su comportamiento se caracteriza principalmente por:
La contracción de la arcilla debido al secado
La expansión de la arcilla al humedecerse
Desarrollo de presiones de expansión cuando esta confinado y no puede
expandirse
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IDENTIFICACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS
Identificación visual
Los suelos expansivos se pueden identificar visualmente por varias
características
De su existencia son solo problemas en zonas arcillosas
Tiene alta plasticidad
Se fundan en zonas costeras, como en el norte del país
Si observamos el terreno encontraremos grietas o rajaduras, esto se debe al
fenómeno de palpitación que sufre la superficie la superficie de estos suelos
cuando varía la humedad
Identificación por su mineralogía
Existen varios métodos para la identificación mineralógica y las mas utilizadas y
recomendadas son:
La difracción de rayos X
El análisis termino diferencial
La absorción de tinte, los análisis químicos
La microscopia electrónica
Los tres grupos más importantes en que se clasifican los minerales arcillosos
son: illita, caolinita y montmorillonita, compuestos por hidroaluminosilicatos. Los
ensayos mineralógicos tienden a detectar la presencia de montmorillonita, que
es el mineral preponderantemente expansivo.
La presencia de cargas eléctricas negativas en la superficie de los minerales
arcillosos, así como la capacidad de intercambio catiónico resultan
fundamentales para la magnitud de la expansión.¨
La presencia de cargas eléctricas negativas en la superficie de los minerales
arcillosos, así como la capacidad de intercambio catiónico resultan
fundamentales para la magnitud de la expansión.
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Identificación por métodos indirectos
Este tipo de identificación se basa en los ensayos de Limite de Atterberg, la
contracción lineal, el contenido coloidal, cambio de volumen potencial (PVC), etc.
Límite Líquido y Límite Plástico
Investigadores como Seed, Woodward y Lundgren demostraron que las
características plásticas de los suelos pueden ser usados como un indicador
primario de la características expansivas de las arcillas.
Es natural pensar en una relación como la antes mencionada ya que ambas
dependen en la cantidad de agua que una arcilla absorbe.
La relación entre las características plásticas y el hinchamiento de los suelos
puede establecerse como:
Si bien es cierto que todos los suelos altamente expansivos tienen plasticidades
altas, no es cierto que los suelos con elevada plasticidad sean necesariamente
expansivos.
Contenido de Coloides
Dentro de los materiales que tiene un tamaño inferior a 74 micras están los limos
y las arcillas. Desde el punto de vista del tamaño se considera arcillas aquellos
materiales que tienen un tamaño inferior a 2 micras (0.002 mm), siendo
necesario para su determinación la realización de un ensayo hidrométrico.
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La magnitud de la expansión que experimenta una arcilla está vinculada con la
cantidad de partículas de tamaño arcilla presente en el suelo.
Se ha establecido una relación del tipo: S = k CX
Dónde:
S = Hinchamiento potencial, expresado como % del hinchamiento de una
muestra compactada a la humedad óptima y al P.U.S.M. según Proctor
Estándar.
C = Porcentaje de fracción arcilla (partículas menores a 0.002 mm).
x = exponente que depende del tipo de arcilla
k = Coeficiente que depende del tipo de arcilla.
x y k, que indican el tipo de partículas coloidales presentes se determinan
a través de ensayos difracción por rayos X.
Determinación de la expansión Libre
Este ensayo consiste en colocar en una probeta normalmente cilíndrica un
volumen conocido de suelo “seco” y sumergirlo en agua sin aplicación de
sobrecarga alguna, mientras se mide la expansión. La diferencia entre el
volumen final e inicial, expresado como un porcentaje del volumen inicial es la
expansión libre.
Esta medida de la expansión se realiza en condiciones muy desfavorables, ya
que se hace en condiciones de ninguna sobrecarga y hoy en día se utilizan
métodos más adecuados a tales efectos. Experimentos realizados por Holtz
indican que una arcilla como la bentonita comercial puede tener en este ensayo
expansión del orden de 1200 a 2000 %. Holtz sugiere que las expansiones
medidas en este ensayo por encima del 100% pueden causar daños
significativos a la estructura, mientras que suelos que alcanzan una expansión
por debajo del 50 %, rara vez experimentan cambios de volúmenes apreciables
bajo la aplicación de cargas estructurales, aún cuando estas sean provenientes
de estructuras livianas.
EVALUACIÓN DEL POTENCIAL EXPANSIVO EN BASE A LOS MÉTODOS
EXPUESTOS
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Existen varios métodos que realizando diversas combinaciones de los resultados
de las medidas de las propiedades antes mencionadas clasifican en categorías
los potenciales expansivos del suelo
Método desarrollado por Holtz y Gibbs
En el gráfico siguiente se muestra una relación típica entre el contenido de
coloides, el Índice Plástico y el límite de contracción.
Basado en las curvas presentadas Holtz propone el siguiente criterio para
la identificación de suelos expansivos:
Método del “Índice de la actividad de la arcilla” propuesto por Seed,
Woodward y Lundgren
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Está basado en muestras remoldeadas de suelo compuestos por mezcla de
arcillas, bentonita, illita, caolinita y arena fina.
La expansión se midió como un % del hinchamiento que experimentan probetas
compactadas al 100 % del P.U.S.M. del Proctor Estándar y con el contenido de
humedad óptimo y sometidas a una sobrecarga de 1 Psi
La actividad de la arcilla se define como: A = PI / (C-10)
IP: Índice Plástico
C = % < 0.002 mm
Métodos indirectos de determinación del potencial expansivo del suelo
Estos métodos consisten en predecir el potencial expansivo del suelo de una
forma cualitativa, en base a medidas directas de la expansión del suelo sobre
muestras re moldeadas compactadas en condiciones prefijadas de humedad y
densidad.
Los métodos más utilizados son el de “ Ladd y Lambe” auspiciado por la Federal
Housing Administration y el método de “ PVC “ o método de la medida del cambio
volumétrico.
Métodos directos de la expansión del suelo.
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Estos métodos consisten en medir la expansión del suelo al saturarlo bajo
diferentes condiciones de carga, graficándose las variaciones de hinchamiento
para diferentes presiones aplicadas.
Es universalmente aceptado que los dos parámetros que definen el potencial de
hinchamiento son:
Presión de hinchamiento (PS) definida como la presión aplicada en laboratorio
sobre una muestra de suelo expansivo para que, una vez en contacto con agua,
la probeta mantenga constante su volumen inicial, es decir que la variación de
volumen sea nula.
Hinchamiento libre (Hc) definido como el % de la elevación máxima para
presión nula en relación a la longitud inicial de la probeta.
Las medidas de estos parámetros se realizan fundamentalmente mediante
pruebas edométricas o en técnicas basadas en la succión, tendiendo a simular
los factores relevantes que sigue el fenómeno cuando se desarrolla in situ. Para
lograr este objetivo se han propuestos innumerables metodologías
experimentales que siguen operativas distintas, cuando no opuestas. Las
principales divergencias radican en:
• Forma de simular las condiciones de campo en el edómetro
• Tamaño y forma de la muestra
• Valor de la humedad inicial del ensayo
• Magnitud de la precarga y secuencias de cargas
• Momento de saturación
• Mecanismos para medir el hinchamiento
• Número de muestras que intervienen en el ensayo.
Es por esto que la abundante bibliografía internacional disponible evidencia
marcadas discrepancias en los valores finales obtenidos y que la predicción del
comportamiento resulte fuertemente influenciada por aquellas variables, más
precisamente, por el camino de tensiones seguido y por el criterio de saturación
utilizado.
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29 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
Por lo expuesto la definición de hinchamiento no es tan simple como la definida
con anterioridad, ya que está supeditada al procedimiento experimental utilizado
para su cuantificación.
Si bien estos métodos constituyen el procedimiento más adecuado para predecir
la expansión del suelo, además de las dificultades señaladas, tienen el
inconveniente de requerir un equipamiento bastante completo (celdas de
cargas, pesas, etc.), no disponibles en los laboratorios de uso común en
ingeniería.
FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL FENÓMENO DE LA EXPANSIÓN
El potencial expansivo de un suelo (presión de hinchamiento y elevación)
dependen, como mínimo, de las siguientes variables:
Naturaleza y tipo de arcilla.
La composición mineralógica de la arcilla (porcentajes de illita, caolinita y
montmorillonita) que está compuesto la arcilla resultan fundamentales en cuanto
al potencial expansivo del suelo.
Los suelos expansivos por excelencia son aquellos que tienen altos porcentajes
de montmorillonita.
Humedad inicial
El elemento “catalizador” del fenómeno de la expansión, es precisamente, la
variación en el contenido de humedad del suelo. Por más montmorillonita que
esté compuesta una arcilla, si no hay variación en el contenido de humedad del
suelo, no habrá cambios volumétricos.
No es necesario que el suelo se sature completamente para que produzca
expansión del mismo.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
30 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
Por el contrario, en determinados casos, es suficiente variaciones en el
contenido de humedad del suelo de sólo 1 o 2 puntos porcentuales, para causar
hinchamientos y producir daños estructurales.
El contenido de humedad inicial del suelo controla la magnitud del asentamiento.
Arcilla “secas”, con contenido de humedad por debajo del 15 % indican un riesgo
de expansión alto, pues fácilmente pueden llegar absorber contenidos de
humedad de 35 % con las consecuentes daños estructurales.
Por el contrario, arcillas cuyo contenido de humedad está por encima del 30 %
indica que la mayoría de la expansión ya ha tenido lugar y sólo es esperable
algún leve hinchamiento remanente.
Peso específico seco del suelo
Muy relacionada con la humedad inicial, el peso específico seco del suelo es otra
variable fundamental en el proceso expansivo del suelo.
La densidad seca de una arcilla se ve reflejada en valores altos en los resultados
en el ensayo de penetración estándar. Valores de "N" inferiores a 15 indican
densidades secas bajas y riesgo expansivo bajo, aumentando significativamente
estos a medida que aumenta el valor de “N”.
Características plásticas del suelo
Como ya fue explicado anteriormente las propiedades plásticas del suelo juegan
un importante papel en el fenómeno expansivo
Potencia del estrato activo
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31 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
A través de ensayos de laboratorio sobre muestras de un mismo suelo,
compactadas al mismo grado densidad y humedad inicial, se ha estudiado el
efecto del espesor del estrato en la magnitud total del hinchamiento.
Los resultados mostraron que la magnitud del cambio volumétrico
experimentado es proporcional al espesor del estrato, mientras que la presión
de expansión se mantiene constante.
Esto nos estaría indicando que si una estructura es capaz de trasmitir una
presión uniforme y constante a profundidades importantes debajo de la
fundación se podría contrarrestar el fenómeno de cambio volumétrico. Pero
como sabemos esto no es posible, ya que, a medida que aumentamos la
profundidad, la presión trasmitida por la zapata de fundación disminuye y por lo
tanto no constituye un método efectivo para el control de la expansión.
Fatiga de la expansión
En muestras sometidas en laboratorio a ciclos de saturación y disecado
mostraron señales de fatiga después de varios ciclos.
Este fenómeno no ha sido todavía suficientemente investigado.
Se ha notado en pavimentos sometidos a variaciones estacionales en el
contenido de humedad del mismo que tienden a un cierto punto de estabilización
luego de un cierto número de años.
En el gráfico adjunto se puede ver una curva de fatiga típica de las obtenidas en
ensayos de laboratorio.
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2.1.2.3. SUELOS COLAPSABLES
Reginatto (1977) señala que, en general, los suelos colapsables presentan una
serie de características comunes, tales como:
Estructura macroporosa, con índice de huecos (e), entre relativamente
alto, a muy alto.
Granulometría predominantemente fina, con predominio de fracciones de
limos y de arcilla. El tamaño de los granos es generalmente poco
distribuido y con los granos más grandes escasamente meteorizados. La
mayoría de las veces, la cantidad de la fracción arcilla es relativamente
escasa, pero sin embargo, tiene una influencia importante en el
comportamiento mecánico de la estructura intergranular.
Estructura mal acomodada, con partículas de mayor tamaño separadas
por espacios abiertos, y unidas entre sí por acumulaciones o "puentes"
de material predominantemente arcilloso. En muchos casos existen
cristales de sales solubles insertados en tales puentes o uniones
arcillosas.
Zur y Wisemam (1973) definen como colapso a cualquier disminución rápida
de volumen del suelo, producida por el aumento de cualquiera de los
siguientes factores:
o Contenido de humedad (w)
o Grado de saturación (Sr)
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33 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
o Tensión media actuante (τ)
o Tensión de corte (σ)
o Presión de poros (u)
Reconociendo por lo tanto que el colapso de la estructura del suelo puede
producirse por una variedad de procesos diferentes de la saturación.
Reginatto (1977) sugiere que, a esta lista de factores puede agregarse la
interacción química entre el líquido saturante y la fracción arcillosa.
A efectos de definir y diferenciar los distintos tipos de colapso Uriel y Serrano
(1973,1974) clasifican a los suelos colapsables o desmoronables en:
Grupo I: Suelos en los que tiene lugar un rápido cambio de la relación entre
presiones efectivas y las deformaciones sin que se alcance la resistencia
última del material. De acuerdo con esto la causa del colapso es únicamente
el cambio de las presiones efectivas. A este grupo pertenecen los limos o
arcillas cementadas y las rocas de gran porosidad. Cuando se ensaya a
humedad constante, se detecta una notable modificación de su módulo de
compresibilidad al alcanzar un cierto valor las presiones efectivas.
Grupo II: Suelos en los que, sin la presencia o cambio de las condiciones que
producen el colapso, no hay cambio abrupto en la relación presión-
deformación. Tal es el caso de los loess y algunas arcillas que contienen
sulfatos. Si se ensayan a humedad constante, la relación tensión-
deformaciones es una curva suave y continua y sin agudos quiebros. La
saturación produce, sin embargo, un importante cambio volumétrico, debido
probablemente a un incremento de la presión de los poros que origina el
agotamiento de la resistencia al corte del suelo.
Suelos colapsables por humedecimiento:
Establecida la definición general de colapso, nuestro análisis se centrará en
aquellos suelos en los cuales el colapso de la estructura del suelo es
provocado por un incremento del contenido de humedad. Por lo tanto, en lo
sucesivo cuando se hable de suelos colapsables, se entenderá que son
aquellos suelos, en que un aumento en el contenido de humedad, provoca
una brusca disminución de volumen, sin la necesidad de un aumento en la
presión aplicada.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
34 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
A partir de esta definición, se advierte:
o Por un lado una destrucción o un cambio en la estructura que el suelo
tenía originalmente, y
o Por el otro lado, un agente externo: el agua, que provoca este
fenómeno.
En la Mecánica de Suelos clásica de los suelos saturados o de los suelos
secos el fenómeno de colapso generalmente viene asociado a un cambio en
el estado tensional del suelo. En cambio aquí, y en una primera definición,
estaría provocado por un agente externo (cambio en el contenido de
humedad).
En el proceso de consolidación de suelos saturados (Teoría clásica de
Terzaghi) también se produce una disminución de volumen, pero puede
decirse que en muchos aspectos el colapso es lo contrario de la
consolidación, tal como se indica en Reginatto (1977).
METODOS DE IDENTIFICACIÓN
A partir de la década de los años 50, se generó una preocupación manifiesta
por parte de diferentes investigadores, en identificar y clasificar la
potencialidad al colapso en los distintos suelos.
Estos intentos a escala mundial se han enfrentado fundamentalmente con
dos inconvenientes o limitaciones, como son:
1. La gran variedad de tipos de suelos que colapsan por humedecimiento:
Así, por ejemplo, métodos probados en ciertos países o regiones en
determinados tipos de suelos no han podido hacerse extensivos a suelos de
otras zonas, cuyo origen geológico y genético es francamente diferente.
2. La frecuente heterogeneidad de los suelos colapsables por
humedecimiento: En este sentido hay coincidencia entre los investigadores,
que han estudiado suelos colapsables de distinto origen geológico. Así,
pueden encontrarse referencias tanto en investigadores que analizaron
suelos lateríticos o de origen eólico como el loess (Abeley y Abeley 1979;
Moretto, 1986) que en principio suelen considerarse como suelos
homogéneos. Es frecuente encontrar una variación en el grado de
cementación (por ejemplo, debido a carbonatos) en sólo algunos
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35 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
centímetros. En otros casos esta heterogeneidad es debida a la presencia
de grandes macroporos dejados por raíces o insectos.
Esto ha llevado a una gran variedad de metodologías para establecer la
susceptibilidad al colapso de los suelos y una anarquía en la terminología
empleada en los diferentes países para su clasificación. Sin embargo, en la
mayoría de los casos, los diferentes investigadores o códigos han tendido a
discretizar el comportamiento del suelo frente al colapso en dos grupos:
suelos que colapsan bajo peso propio y suelos que colapsan bajo una carga
mayor.
Rocca (1985) ha confeccionado una tabla de equivalencias, con la
denominación que reciben en los distintos países.
Clasificación de los métodos de identificación de suelos colapsables:
En cuanto a los tipos de métodos de identificación propiamente dichos, varios
han sido los enfoques que se han propuesto. Estos podrían clasificarse en
tres grupos:
o Métodos basados en parámetros físicos de identificación de suelos,
tales como Peso Unitario, Límites de Consistencia, Granulometría,
etc.
o Métodos basados en ensayos mecánicos, principalmente en ensayos
edométricos.
o Métodos basados en la magnitud del colapso.
Métodos basados en parámetros físicos de suelos
En general, la mayoría de estos métodos de identificación tienen más bien un
carácter cualitativo que cuantitativo, pretendiendo ubicar el suelo analizado en
algunos de los grupos mencionados en. La clasificación consiste, habitualmente
en establecer si el suelo es autocolapsable (colapsable bajo su propio peso) o
bien si es condicionalmente colapsable (colapsable bajo carga externa).
Métodos basados en ensayos edométricos
Estos métodos están basados en la Presión Inicial de Colapso o Presión de
Fluencia. La determinación del grupo al cual pertenece el suelo estudiado (auto
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36 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
colapsable o colapsable bajo carga), se realiza comparando la presión de tapada
o geostática con la presión a la cual se produce el colapso. Asumiendo como
hipótesis que el colapso por humedecimiento ocurre sólo a partir de una cierta
presión por encima de la cual, la resistencia estructural del suelo es superada.
La magnitud de esta presión, para la cual se produce el desmoronamiento de la
estructura del suelo, ha sido designada por algunos autores como (47):
Presión Inicial de Colapso (σi.col) (Abelev y Abelev, 1979) o
Presión de Fluencia Saturada (σf sat) (Reginatto, 1970).
Métodos basados en la magnitud del asentamiento por colapso
Los métodos basados en la magnitud del asentamiento por colapso se fundan
en determinar la magnitud del mismo de un perfil de suelos en un lugar
determinado, debido solamente a su peso propio.
2.1.2.4. SUELOS LICUABLES
La licuefacción de suelo describe el comportamiento de suelos que, estando
sujetos a la acción de una fuerza externa (carga), en ciertas circunstancias pasan
de un estado sólido a un estado líquido, o adquieren la consistencia de un líquido
pesado. Es un tipo de corrimiento, provocado por la inestabilidad de un talud. Es
uno de los fenómenos más dramáticos y destructivos y, además, más polémicos
y peor explicados que pueden ser inducidos en depósitos por acciones sísmicas.
Es más probable que la licuefacción ocurra en suelos granulados sueltos
saturados o moderadamente saturados con un drenaje pobre, tales como arenas
sedimentadas o arenas y gravas que contienen vetas de sedimentos
impermeables.
Durante el proceso en que actúa la fuerza exterior, por lo general una fuerza
cíclica sin drenaje, tal como una carga sísmica, las arenas sueltas tienden a
disminuir su volumen, lo cual produce un aumento en la presión de agua en los
poros y por lo tanto disminuye la tensión de corte, originando una reducción de
la tensión efectiva.
Los suelos más susceptibles a la licuefacción son aquellos formados por
depósitos jóvenes (producidos durante el Holoceno, depositados durante los
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37 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
últimos 10,000 años) de arenas y sedimentos de tamaños de partículas similares,
en capas de por lo menos más de un metro de espesor, y con un alto contenido
de agua (saturadas). Tales depósitos por lo general se presentan en los lechos
de ríos, playas, dunas, y áreas donde se han acumulado arenas y sedimentos
arrastrados por el viento y/o cursos de agua. Algunos ejemplos de licuefacción
son arena movediza, arcillas movedizas, corrientes de turbidez, y licuefacción
inducida por terremotos.
Según cual sea la fracción de vacío inicial, el material del suelo puede responder
ante la carga bien en un modo de ablandamiento inducido por deformación o
alternativamente sufrir endurecimiento inducido por deformación. En el caso de
suelos del tipo ablandamiento inducido por deformación, tales como arenas
sueltas, los mismos pueden alcanzar un punto de colapso, tanto en forma
monótona o cíclica, si la tensión de corte estática es mayor que tensión de corte
estacionaria del suelo. En este caso ocurre licuefacción de flujo, en la cual el
terreno se deforma con una tensión de corte constante de valor reducido. Si el
terreno es del tipo endurecimiento inducido por deformación, o sea arenas de
densidad moderadas a altas, en general no ocurrirá una licuefacción por flujo.
Sin embargo, puede presentarse un ablandamiento cíclico a causa de cargas
cíclicas sin drenaje, tales como cargas sísmicas. La deformación durante cargas
cíclicas dependerá de la densidad del terreno, la magnitud y duración de la carga
cíclica, y la magnitud de inversión de la tensión de corte. Si es que ocurre una
inversión de la tensión, la tensión de corte efectiva puede ser nula, en cuyo caso
puede ocurrir el fenómeno de licuefacción cíclica. Si no ocurre inversión de las
tensiones, no es posible que la tensión efectiva sea nula, en cuyo caso puede
ocurrir el fenómeno de movilidad cíclica.
La resistencia de un suelo sin cohesión frente a la licuefacción dependerá de la
densidad del terreno, las tensiones de confinamiento, la estructura del terreno
(textura, antigüedad y cementación), la magnitud y duración de la carga cíclica,
y de si ocurre inversión de la tensión de corte.
La licuefacción de los suelos es un proceso observado en situaciones en que la
presión de poros es tan elevada que el agregado de partículas pierde toda la
resistencia al corte y el terreno su capacidad soportante. Se producen en suelos
granulares:
Arenas limosas saturadas
Arenas muy finas redondeadas (loess)
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
38 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
Arenas limpias
Rellenos mineros
Debido a la gran cantidad de agua intersticial que presentan, las presiones
intersticiales son tan elevadas que un seísmo, o una carga dinámica, o la
elevación del nivel freático, pueden aumentarlas, llegando a anular las tensiones
efectivas. Esto motiva que las tensiones tangenciales se anulen, comportándose
el terreno como un «pseudolíquido».
Si bien los efectos de la licuefacción han sido comprendidos desde hace mucho
tiempo, los ingenieros y sismólogos han tenido un recordatorio sobre su
relevancia a partir de los terremotos de 1964 ocurridos en Niigata, Japón y
Alaska.
Condición de un suelo para que sea licuable
Seed and Idriss (1982) consideran que un suelo puede licuar si:
El porcentaje en peso de partículas <0,005 mm es menor del 15%
LL<35
w/LL>0,9
A este criterio se le conoció como criterio chino.
Cálculo
Los estudios de la licuefacción sísmica de Seed (1966) llevaron a postular las
siguientes condiciones:
Si la presión de poros inducida por la acción dinámica o cíclica del terremoto
alcanza el valor de la presión de confinamiento, el suelo alcanzará el estado de
licuefacción inicial
Si la arena sometida a acción cíclica alcanza el 20% de deformación se
alcanzará la licuefacción total.
Estudio
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
39 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
El limitado conocimiento relativo a este fenómeno se debe en gran parte a dos
factores:
Dificultad en observar sus características en condiciones reales.
Complejidad del fenómeno, pues para además de ser el resultado de una acción
símica de carácter altamente variable, induce en el suelo un comportamiento
fuertemente no lineal e histerético, con fuerte degradación de las características
mecánicas del suelo de cada ciclo determinada por la generación de presiones
neutras en la muestra bajo acción sísmica.
Uno de los problemas fundamentales es el conocimiento rudimentario sobre los
mecanismos de rotura y deformación asociados al fenómeno de la licuefacción,
lo que limita el uso de ensayos elementales para estudiarlo.
No existe una definición única para el fenómeno de la licuefacción.
Una definición general y cualitativa para este fenómeno, capaz de producir
grandes deformaciones en el terreno y de las estructuras en él existentes,
asociado a gran degradación de las características mecánicas de los suelos
granulares debido a la generación o migración del exceso de presión neutra
resultante de la acción cíclica producida por sismos en condiciones por lo menos
parcialmente no drenadas.
Licuefacción inducida por terremoto
Un mapa de susceptibilidad a la licuefacción - extracto de un mapa del Servicio
Geológico de los Estados Unidos de la zona de la bahía de San Francisco.
Numerosas zonas en esta área poseen una urbanización de alta densidad.
La licuefacción inducida por terremoto es uno de los principales contribuyentes
al riesgo sísmico urbano. Las sacudidas hacen que aumente la presión de agua
en los poros lo que reduce la tensión efectiva, y por lo tanto disminuye la
resistencia al corte de la arena. Si existe una corteza de suelo seco o una
cubierta impermeable, el exceso de agua puede a veces surgir en la superficie a
través de grietas en la capa superior, arrastrando en el proceso arena licuificada,
lo que produce borbotones de arena, comúnmente llamados "volcanes de
arena".
El estudio de características de licuefacción resabios de terremotos ocurridos en
épocas prehistóricas, llamado paleolicuefacción o paleosismología, puede
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
40 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
brindar gran cantidad de información sobre los terremotos que ocurrieron antes
de que existieran registros históricos o se pudieran realizar mediciones
precisas.5
Arenas movedizas
Las arenas movedizas se producen cuando una zona de arenas sueltas que está
saturada con agua es agitada. Cuando el agua que se encuentra atrapada en el
bloque de arena no puede escapar, se licúa el suelo y pierde la capacidad de
soportar pesos. La arena movediza se puede formar por un flujo en ascenso de
aguas subterráneas (como el que proviene de un manantial natural), o a causa
de terremotos. En el caso de un flujo de agua subterráneo, la fuerza producida
por el flujo de agua se contrapone a la fuerza de gravedad, produciendo la
flotación de los granos de la arena. En el caso de terremotos, la fuerza de la
sacudida puede aumentar la presión de aguas subterráneas próximas a la
superficie, y en el proceso licuar los depósitos de arena y sedimentos de la
superficie. En ambos casos, la superficie que se licúa pierde resistencia, lo que
desestabiliza a los edificios u otras estructuras que se encuentran en la superficie
produciendo se inclinen o derrumben. Los sedimentos saturados pueden parecer
sumamente sólidos hasta el instante en que un cambio en la presión del suelo o
una sacudida disparan el proceso de licuefacción. dicho proceso hace que la
arena forme una suspensión en la cual cada grano pasa a estar rodeado por una
delgada película de agua. Esta configuración le otorga a las arenas movedizas,
y otros sedimentos licuados una textura esponjosa similar a la consistencia de
un fluido. Los objetos que se encuentran envueltos en arenas movedizas se
hundirán hasta el nivel en el cual el peso del objeto se iguale con el peso
desplazado de la mezcla de arena y agua y el objeto "flote" de acuerdo al
principio de Arquímedes.
Arcillas rápidas
Las llamadas arcillas rápidas o arcillas marinas, también conocidas en Canadá
como arcillas de Leda o quick clays, es un tipo particular de arcilla sumamente
sensible, que al ser perturbada posee la tendencia a cambiar su estado desde
uno relativamente rígido a un estado líquido. En reposo, las arcillas rápidas
parecen un gel hidrosaturado. Sin embargo, si se toma un bloque de arcilla y se
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
41 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
le golpea, instantáneamente toma la constitución de un fluido, mediante un
proceso conocido como licuefacción espontánea. Las arcillas rápidas se
comportan así porque, aunque son sólidas, tienen un altísimo contenido de agua,
que puede ser de hasta un 80%. La arcilla retiene una estructura sólida a pesar
de su alto contenido acuoso, porque la tensión superficial del agua mantiene
"escamas" de arcilla unidas en una delicada estructura. Cuando la estructura se
quiebra por un golpe, la arcilla cambia su estado y se transforma en un fluido.
Las arcillas rápidas se encuentran por lo general en regiones ubicadas en el
norte del hemisferio norte en países tales como Rusia, Canadá, Alaska en
Estados Unidos, Noruega, Suecia, y Finlandia, todas estas zonas fueron
cubiertas por glaciares durante el Pleistoceno.
Las arcillas rápidas han sido la causa subyacente de muchos corrimientos de
tierra mortales. Sólo en Canadá, se le ha asociado con más de 250 movimientos
de tierra identificados. Algunos de ellos son antiguos, y pudieron haber sido
confundidos con sismos.
Corrientes de turbidez
Los corrimientos de tierra submarinos son corrientes de turbidez y consisten del
desplazamiento de sedimentos saturados por el agua que fluyen hacia las
profundidades marinas. Un ejemplo de este fenómeno tuvo lugar durante el
Terremoto de Grand Banks de 1929 que ocurrió en la plataforma continental
cerca de la costa de Terranova. A los pocos minutos de ocurrido, varios cables
submarinos empezaron a romperse en secuencia, en puntos cada vez más
alejados a lo largo del talúd, y alejándose del epicentro. En total se partieron
doce cables en un total de 28 lugares. Los tiempos exactos y sitios en que se
produjo cada rotura fueron determinados con precisión. Los investigadores
sugirieron que un deslizamiento submarino o corriente de turbidez de sedimentos
saturados por el agua que se desplazó a una velocidad de 100 km/h y se propagó
hacia abajo por la plataforma continental a lo largo de un recorrido de 600 km,
partiendo los cables a su paso.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
42 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
CAPITULO III
SISTEMA DE HIPOTESIS
3.1. HIPOTESIS
3.1.1. HIPOTESIS GENERAL
Las cimentaciones están afectadas directamente por suelos difíciles en las
edificaciones del Perú en el año 2013.
3.1.2. HIPOTESIS ESPECÍFICAS
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
43 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
Los agrietamientos de la estructura tienen incidencia por los suelos difíciles en
las edificaciones del Perú en el año 2013.
Los asentamientos se relacionan a los suelos difíciles en las edificaciones del
Perú en el año 2013.
3.1. INDICADORES DE LAS HIPOTESIS
3.1.1. CONSECUENCIAS DE LAS CIMENTACIONES SOBRE SUELOS DISPERSIVOS EN EL
PERU.
Es conocido que la acumulación de cationes dispersantes como el sodio
en la solución del suelo, afecta negativamente algunas propiedades físicas
del mismo, tales como la estabilidad estructural, la conductividad hidráulica
y la tasa de infiltración, causando una reducción de su capacidad productiva
y estabilizante
En las represas ocurren fallas por tubificación 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.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
44 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
Ya que los suelos dispersivos no son fácilmente detectables sin estudios de
laboratorio, puede ocurrir que al momento de realizar una carretera o hacer
taludes, éstos deslicen y colapsen bajo lluvias fuertes o filtraciones de agua si no
se refuerzan contra la erosión.
Las edificaciones, de cualquier envergadura, si no poseen el estudio adecuado
de suelos, podrían presentar problemas de asentamiento y/o colapsar debido a
la socavación de sus bases.
3.1.2. CONSECUENCIAS DE LAS CIMENTACIONES SOBRE SUELOS COLAPSABLES EN
EL PERU.
Los suelos colapsables son materiales cuyo volumen disminuye rápidamente al
contacto con el agua, lo que trae asociado una pérdida rápida de resistencia y
un desmoronamiento de su estructura interna.
El colapso es la disminución instantánea y espontánea de volumen que
experimenta un suelo no saturado y sometido a sobrecarga al alcanzar cierto
grado de humedad cercano a la saturación. El aumento de humedad en los
suelos podría deberse fundamentalmente a riego de jardines, lluvias,
inundaciones, ascenso de napa freática, filtraciones del sistema de agua potable
y roturas accidentales de ductos durante terremotos.
Los siguientes términos han sido aplicados a este fenómeno: colapso,
hidroconsolidación, hidrocompresión, hidrocompactación. La literatura
especializada ha denominado al fenómeno colapso y al suelo que lo sufre
colapsible o colapsable. Este fenómeno es de estudio reciente y aunque esta
situación fue reconocida tempranamente por Terzaghi, sólo después de la II
Guerra Mundial se comienza a mencionar este problema.
Los suelos colapsables son abundantes en muchas partes del mundo,
llegándose a la conclusión que este fenómeno ocurre en una gran variedad de
suelos de cimentación, incluso en terreno compactado y muy especialmente en
zonas áridas, en las cuales existen condiciones de desecación, debido a lo
prolongado de las sequías y a la profundidad que se encuentra el agua freática.
Se admite que hay suelos colapsables de formación eólica, coluvial, aluvial,
residual, ceniza volcánica y rellenos hechos por el hombre.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
45 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
Investigaciones afirman que todos los problemas de colapso que se han
estudiado hasta el momento han ocurrido en suelos que presentaban
características fundamentales en común. Por un lado una estructura suelta
manifestada, por ejemplo, por una relación de vacíos relativamente alta y por otro
lado, un contenido de agua menor que el correspondiente a la saturación.
Pueden considerarse mecanismos de colapso que varían en función del tipo de
estructura, del contenido de las partículas y de sus enlaces, del tipo de
deposición del material y del contenido de humedad.
Una característica esencial de nuestros suelos colapsables es que tienen una
densidad baja y un grado de saturación también bajo, todo parece indicar que al
disminuir el grado de saturación la susceptibilidad al colapso es mayor, esta es
la razón por la que los problemas tienden a aparecer con mayor frecuencia en
las zonas de fuerte desecación, también exhiben una cohesión temporal como
resultado de la presencia de materiales cementantes tales como el yeso y el
carbonato de calcio. La cohesión aparente es el resultado de la resistencia
friccional al corte en la cual los esfuerzos normales efectivos provienen de la
presión de poro negativa que es la succión en el suelo. En todo caso la condición
de clima árido o de intensa evaporación superficial no es indispensable, ya que
han ocurrido casos de colapso cuando se humedecen suelos también en
regiones no áridas. En general, los cambios de los factores externos, la humedad
principalmente y la naturaleza del electrolito que interviene en el fenómeno, son
los que de una forma u otra, afectan la matriz succión del suelo (diferencia entre
la presión del aire y del agua), a los enlaces y pueden causar el cambio brusco
de volumen que se denomina colapso. La causa desencadenante del colapso es
la presencia de agua, conjuntamente con un esfuerzo significativo aplicado.
Los mecanismos de colapso pueden variar en función del contenido mineralógico
de las partículas y de sus enlaces, del tipo de estructura, del tipo de deposición
del material, del contenido de humedad y otros factores de naturaleza electro-
química.
En la mayoría de los casos de colapso investigados por nosotros hasta la fecha
son suelos con estructura panaloide y granos redondeados unidos entre si por
alguna clase de cementación. En todos los casos, esta cementación era
susceptible de ser disuelta cuando el suelo absorbía agua. El mecanismo de
colapso es lógicamente un derrumbe de los granos hacia los vacíos,
precisamente cuando desaparece la cementación entre ellos. Así hemos
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
46 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
detectado que los mecanismos de colapsos más frecuentes en suelos granulares
secos son la disolución de la cementación por sales solubles o la destrucción, de
un ordenamiento paralelo de agregados de arcilla residual que enlazaban a. los
granos. En suelos granulares semi-saturados es la pérdida de la resistencia al
corte temporal entre los granos dada por la tensión capilar negativa entre ellos.
En arcillas el mecanismo es la reorientación de las partículas desde una
estructura floculada hacia formas mas dispersas.
En nuestro país han ocurrido casos de fallas en suelos colapsables que los
hemos estudiado detenidamente en Pisco, La Joya, y últimamente en Ventanilla
entre otros numerosos, que nos han permitido verificar algunos métodos simples
de identificación de estos suelos, los mismos que se indican en la Tabla I y la
Figura 1. estableciéndose además una comparación entre la cantidad de sales
solubles en los suelos colapsables de Ventanilla, Pisco y La Joya con la
agresividad sulfática correspondiente, con el fin de probar que un suelo
altamente colapsable también puede presentar severa agresividad sulfática al
mismo tiempo que suelos con insignificantes cantidades de sales solubles (caso
de Ventanilla), no necesariamente tienen que ser altamente agresivos al
cemento y menos por esta causa originar asentamientos importantes como los
que se presentaron en este lugar, ya que de las investigaciones técnicamente
llevadas a cabo se determinó que en la mayoría de los casos los asentamientos,
en los suelos sueltos de origen coluvial de Ventanilla, se habían producido por
graves defectos constructivos tales como cimentación sobre rellenos no
compactos y conexiones domiciliarias de servicios de agua y desagüe con
graves defectos de instalación y calidad de sus materiales.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
47 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
48 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
3.1.3. CONSECUENCIAS DE LAS CIMENTACIONES SOBRE SUELOS EXPANSIVOS EN EL
PERU.
Todos los suelos arcillosos se contraen durante el secado y se expanden cuando
son humedecidos, sin embargo los mayores problemas por cambio de volumen
son causados por suelos que contienen una cantidad significativa de mineral
montmorillonita y que normalmente exhiben limites líquidos superiores a 50%,
alto contenido de coloides é índices de plasticidad elevados.
Extensas áreas del norte de nuestro país están conformadas por suelos
arcillosos de alto poder expansivo, lo que ha dado lugar al desarrollo del estudio
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
49 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
de estos suelos en los últimos tiempos, principalmente en zonas que
comprometen áreas de expansión urbana y donde ha sido necesario construir
caminos, aeropuertos, proyectos de irrigación y edificaciones de todo tipo,
esencialmente livianas y de bajo costo.
Las arcillas son coloides con propiedades eléctricas tales que originan fuerzas
de interacción, o fuerzas físico-químicas, entre sus partículas o entre sus
partículas y el agua; considerándose que el proceso expansivo se debe a un
decrecimiento de los esfuerzo efectivos como una manifestación de las fuerzas
repulsivas que actúan entre las partículas del suelo, las mismas que son
originadas por los iones del componente difuso de la doble capa de agua que lo
rodea, la cual causa rechazo en las superficies coloides cargadas.
Desde el año 1965 se viene estudiando los problemas de las arcillas expansivas
del norte del Perú, donde aparentemente son los movimientos irreversibles los
que predominan en las arcillas y clima del lugar, levantamientos que son
similares a los ocurridos en otras partes del mundo, siendo menos
predominantes los debidos a cambios de clima seco a lluvioso y aún menos
importantes los movimientos anuales periódicos, hecho afortunado de nuestra
parte ya que estudios efectuados en diferentes países que sufren este mismo
fenómeno indican que los movimientos debidos a la variación estacional son
mucho más peligrosos que los movimientos irreversibles. Se ha establecido que
el grado de expansión de los suelos arcillosos expansivos del Perú fluctúa de
mediano a muy alto para hinchamiento libre medido en más de 2,000
especimenes de suelos típicos que varían de un mínimo de 5% a un máximo de
92% (caso excepcional de algunas arcillas de Talara), acusando la mayoría de
ellos pesos unitarios promedio de 1.90 gr/cm3 en estado seco y de 1.80 a 2.00
gr/cm3 en estado natural . Resultados de investigaciones efectuadas en este tipo
de suelos por el autor indican coincidencia con los presentados en el trabajo de
MARIN - NIETO, encontrando que para el caso de las arcillas peruanas el limite
de contracción evaluado tiene una variación de 13% a 22% para suelos
expansivos que han causado graves problemas en las edificaciones, datos que
no correlacionan con experiencias de otros lugares en los que se predicen
grandes cambios de volumen para limites de contracción menores de 10. Esta
misma situación ha sido también reportada por otros investigadores en USA y
posteriormente en Israel coincidiendo en que los suelos altamente expansivos
pueden sufrir también grandes contracciones.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
50 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
Por otro lado, resultados de ensayos efectuados para establecer la "actividad de
las arcillas", índice que se correlaciona con la mineralogía o historia geológica,
de las muestras , indican que tampoco pueden tomarse como validos para los
suelos expansivos de Perú. En las arcillas peruanas se ha evaluado la "actividad"
para un número importante de muestras de suelo, calculándose sus respectivos
índices de plasticidad y porcentaje de partículas de arcilla para compararlas con
las correspondientes curvas termodiferenciales de los ensayos mineralógicos,
encontrándose para suelos “activos" que la fracción arcilla consistía
predominantemente de caolinita. A parte del caolín los miembros típicos de este
grupo lo forman suelos derivados de erosión mecánica de rocas no arcillosas y
arcillas post-glaciales o de estuario que subsecuentemente han sido depositadas
en agua dulce. Algunos ensayos químicos efectuados en estos suelos denotan
la presencia de carbonatos con un pH de 8 que corresponde a suelos básicos y
con presencia en ellos del ion sulfato.
En otro grupo de suelos ensayado, que se presume han sido formados por
desecado normal y depositados en agua dulce, y que corresponden a arcillas
marinas y de estuario con predominancia de ilitas como mineral de arcilla, se
encontró muy poca coincidencia.
Por último, en un tercer grupo de muestras ensayadas que acusan actividad
mayor de 1.25 y provienen de depósitos que contienen apreciable cantidad de
coloides orgánicos y cuyo mineral predominante puede atribuirse a la
montmorillonita cálcica, una sola muestra resultó con "actividad" mayor de 2 y
procede de un lugar donde se detectaron daños importantes en las edificaciones
de uno y dos pisos apoyadas en este suelo expansivo Estas muestras pueden
corresponder a arcillas "bentoníticas" cuyo mineral predominante generalmente
es la montmorillonita sódica. Similarmente para algunas muestras que tienen
características parecidas y en las que fue posible realizar ensayos químicos mas
o menos completos, para actividades mayores de 2 se les puede considerar
como montmorillonita sódica muy activa dado a que han producido también
daños considerables, detectándose además la presencia de pequeños lentes de
sales, deduciéndose que se trata de cloruro de sodio presumiblemente por el
origen marino de la formación geológica de la zona. Sin embargo, las arcillas que
originaron mayores daños y que han presentado expansión libre excepcional
hasta de 92%, no acusaron actividad muy marcada, apenas 1.64 como máximo.
De igual manera muestras de suelo extraídas de un mismo depósito y aún de
lugares muy cercanos de un sondaje a otro, indicaron variaciones importantes
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
51 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
con respecto a su “actividad",.por lo que es posible concluir que para algunos
suelos expansivos de la región norte del Perú, el porcentaje de arcilla y los
valores de contracción no pueden considerarse como validos para un buen
diagnóstico de los minerales de arcilla constituyentes y consiguientemente de su
probable grado de expansión, sin embargo, hemos encontrado coincidencia con
el parámetro “gradiente mineral" propuesto por MARIN-NIETO tal como se
muestra en la figura 3, en la que se han ubicado diez valores típicos de arcillas
expansivas peruanas junto a los resultados de los suelos ensayados en el
Ecuador.
Para contrarrestar los efectos que el suelo expansivo origina al producirse un
cambio en su equilibrio de humedad, con el consiguiente aumento de volumen,
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
52 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
es necesario adoptar una serie de procedimientos de construcción eligiendo el
método más eficiente de acuerdo al medio ambiente y tipo de suelo, dándole el
tratamiento adecuado que permita la cimentación en cada caso; tratamiento que
dependerá no sólo de la forma y tipo de estructura o de la magnitud de la
expansión a esperarse, sino también de otros factores adicionales, tales como la
variación del rango de expansión en el área ocupada por la estructura, la
variación del esfuerzo rotacional aplicado a la edificación como resultado de una
expansión diferencial y por último la influencia de la práctica constructiva local o
procedimientos de construcción utilizados en cada lugar y su incidencia en la
magnitud de los daños originados por el proceso expansivo.
De igual manera y consecuente con nuestra experiencia en los suelos
expansivos del Perú y después de una evaluación de laboratorio muy numerosa
hemos llegado a establecer una manera práctica de hallar el grado de expansión
de las arcillas en función de sus constantes de identificación, tal como se muestra
en la Tabla II:
El proceso más inmediato a la construcción de un edificio que ocupa una parcela
(hasta ese momento libre), es la modificación de la humedad natural del terreno
situado inmediatamente bajo la cota de cimentación. El suelo que se sitúa a poco
menos de 1 m bajo la rasante de terreno natural (una cota habitual de
cimentación) inicialmente se encuentra sometido a variaciones estacionales de
humedad bajo la influencia del régimen climático y pluviométrico local. En este
estadio, durante la mayor parte del año se produce una migración ascendente
de agua por fenómeno de capilaridad (ascendente desde la zona saturada
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
53 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
permanentemente) que es compensada por las pérdidas debidas a la
evapotranspiración.
Al ocupar el terreno con una edificación, un terraplén o un firme se elimina casi
siempre la posibilidad de evapotranspiración de la capa superficial del terreno,
provocando en poco tiempo un aumento de humedad en la misma (pues el
gradiente ascendente por capilaridad desde la capa saturada se mantiene hasta
alcanzar un nuevo equilibrio.)
Este efecto es más notable en las cimentaciones situadas en el interior del
perímetro edificado, dando lugar a la aparición de daños en forma de grietas que
se distribuyen por los cerramientos y tabiques “a quebranto”.
En otros casos, las zonas ajardinadas o no pavimentadas del perímetro de la
vivienda contribuyen a una aportación continua de agua (para el riego de
plantaciones de césped, por ejemplo) que puede afectar al estado de humedad
del terreno sobre el que se apoyan cimentaciones del contorno del edificio. En
este caso los daños apreciados se corresponden con la aparición de grietas en
los cerramientos y tabiques en geometría “de arrufo”.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
54 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
Existen otros procesos susceptibles de dar lugar al hinchamiento del terreno: la
helada de determinadas tipologías de suelos (sedimentos lacustres o “varvas”)
en zonas de climatología severa (frío intenso y en presencia de humedad alta),
las modificaciones en la estructura cristalina de minerales deshidratados al tomar
agua (anhidrita transformada en yeso), y de otros fenómenos más o menos
exóticos que en ocasiones pueden confundirse con procesos expansivos
(pavimentos hinchados y deformados por el crecimiento de raíces, p.e.).
3.1.4. CONSECUENCIAS DE LAS CIMENTACIONES SOBRE SUELOS LICUABLES EN EL
PERU.
Falla de flujo causada por licuación
Corrimiento Lateral: El corrimiento lateral involucra el desplazamiento de
grandes bloques de suelo como resultado de la licuación. El desplazamiento
ocurre en respuesta a la combinación de las fuerzas de la gravedad y las
inerciales generadas por el sismo. Los corrimientos laterales se presentan por lo
general en pendientes suaves (comúnmente menores a los 3 grados) y se
incrementan en las cercanías a un canal o un río, tal como lo indican las
dimensiones de las flechas. La magnitud de los desplazamientos horizontales
generalmente varía en el orden de los metros. Las capas de suelos desplazados
en general presentan fisuras, fracturas, escarpes y hundimientos de bloques
(graben). Los desplazamientos laterales generalmente afectan las fundaciones
de edificios, puentes y líneas vitales.
Corrimiento lateral debido a licuación
• Oscilaciones del Terreno: Donde el terreno es plano o la pendiente demasiado
suave para permitir corrimientos laterales, la licuación de estratos subyacentes
puede causar oscilaciones que no dependen de las capas superficiales, la cual
se manifiesta hacia los lados, arriba y abajo en la forma de ondas de terreno. En
general, dichas oscilaciones son acompañadas por la apertura y cerramiento de
fisuras en el suelo, y la fractura de estructuras rígidas como los pavimentos y
tuberías.
Oscilación horizontal del terreno causada por licuación
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
55 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
• Pérdida de la Resistencia del Suelo de Soporte: Cuando el suelo que soporta
un edificio u otra estructura se licua y pierde su resistencia, se pueden presentar
grandes deformaciones en su interior, las cuales hacen que las estructuras
superficiales se asienten y se inclinen.
Pérdida de la resistencia del suelo de soporte por licuación
Susceptibilidad a la licuefacción. ¿Por que se licuan los suelos?
Es importante reconocer que la licuación no ocurre de manera aleatoria y que
por el contrario se requieren ciertos ambientes geológicos e hidrológicos, y que
ocurre principalmente en depósitos recientes de arena y limo con altos niveles
freáticos.
Entre más reciente, suelto y saturado sea un depósito de suelos granulares, será
mucho más susceptible a la licuación. Son más susceptibles las arenas finas
relativamente uniformes. Son menos susceptibles los depósitos bien gradados
con tamaños hasta de gravas, aunque éstas últimas ocasionalmente se licuan.
Son más susceptibles los suelos con partículas redondeadas que aquellos con
partículas angulares.
La licuación se ha presentado con mayor frecuencia en áreas con niveles
freáticos superficiales, a profundidades menores que 10 m. En muy pocos casos
se han registrado fenómenos de licuación en zonas con niveles freáticos a
profundidades superiores a los 20 m. Igualmente los suelos densos, incluyendo
los rellenos bien compactados, tienen baja susceptibilidad a la licuación.
Efectos de licuefacción.
Las evidencias de la licuefacción en el pasado, han sido usadas para evaluar los
peligros sísmicos en áreas donde los registros sobre esta causa son escasos.
El tema de la licuefacción se ubicó en el primer plano de la ingeniería geotécnica
antisísmica con los terremotos del año 1964 en Niigata, Japón y en Alaska.
En Niigata, la licuefacción causó desplazamiento lateral y pérdida de la
capacidad de soporte de los suelos.
SISMO DEL 31 DE MAYO DE 1970
• Uno de los casos mejor documentados de licuación de suelos en el Perú.
• La ciudad de Chimbote se ubica a 400 km al norte de Lima.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
56 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
• El sismo fue de subducción con magnitud Ms = 7.8, profundidad focal de 45 km
y ocurrió 50 km costa afuera al oeste de Chimbote.
• La máxima intensidad fue de IX grados en la escala de Mercalli Modificada
• Desplazamiento lateral del terreno por licuación de depósitos deltaicos y de
playa.
• Agrietamiento del terreno y compactación diferencial en el centro de Chimbote
• Volcanes de arena y eyección de agua debido a licuación.
SISMOS DEL 29 DE MAYO 1990 Y 4 DE ABRIL DE 1991
• Dos sismos moderados en el nororiente peruano.
• El sismo del 29 de Mayo de 1990 tuvo una magnitud de mb= 6.0 y una máxima
intensidad sísmica de VII MM en Rioja.
• El sismo del 4 de Abril de 1991 tuvo una magnitud de mb= 6.5 y una máxima
intensidad de VII MM en Moyobamba.
• Los efectos en el terreno fueron: licuación de suelos, inestabilidad y erosión de
suelos en los taludes, asentamientos diferenciales y amplificación de suelos y
deslizamientos.
• Los sismos fueron producidos por fallas activas.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
57 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
CAPITULO IV
DISEÑO METODOLOGICO
4.1. DECISIONES METODOLOGICAS
La Metodología a utilizar en esta investigación es cualitativa, ya que así lo requiere
el tema, porque al investigar teóricamente debemos poner en práctica esos
conocimientos, para ver si nuestros resultados dieron éxito, pero requeriría de mucho
más presupuesto para hacerlo. El estudio cualitativo, fue el indagar en libros y
revistas científicas; además de observar la práctica de las hipótesis en una
estructura.
4.2. MUESTRA DE ORGANIZACIÓN A ESTUDIAR
Se ha evaluado las técnicas de mejoramiento de estos suelos problemáticos,
mediante el enfoque cuantitativo materia primordial de la investigación que será
referida en la Propuesta de Análisis.
Aborde además investigar sobre las cimentaciones en suelos del Perú, para ver
si realizaron un estudio previo de su suelo y como este influencio en el tipo de
cimentación que se uso para esa estructura.
4.3. FORMAS DE ABORDAR LA INVESTIGACIÓN
Estos son los pasos en los que abordé la investigación.
• Definición del problema de investigación
• Construcción del marco teórico provisional
• Formulación de soluciones provisionales
• Recolección de datos
• Análisis de datos e interpretación de los resultados
• Desarrollo de conclusiones, recomendaciones e implicaciones basadas en lo
que se ha investigado
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4.4. REVISIÓN LITERARIA.
Es en este paso donde se define el problema a investigar, se construye en marco
teórico preliminar y se formulan las hipótesis.
4.5. RECOLECCIÓN DE DATOS.
Se usaron diversas técnicas para la recolección de datos; tales como, la
observación, investigaciones en libros, internet, conferencias, videocintas e
investigación hechas por otras personas.
4.6. INDICADORES A OBSERVAR
A lo largo de la investigación observare con minuciosamente las diferencias de
un suelo a otro sus propiedades físicas relevantes para mi estudio, los diámetros
de las cimentaciones, así como su estructura y como se fabrican. Cuáles son los
materiales utilizados en el diseño de la cimentación de cierta estructura.
4.7. PROPUESTA DE ANALISIS
4.7.1. TECNICAS DE MEJORAMIENTO DE UN SUELO DISPERSIVO
A continuación se mencionarán las diversas soluciones para mitificar el problema
de los suelos dispersivos para la construcción y la agricultura.
Este tipo de suelos padece una destrucción de su estructura, y por tanto
al disminuir su porosidad, utilizar el lavado para su corrección no es muy
aconsejable, debido a la deficiencia de su drenaje. La recuperación, por
tanto, tiene que ser abordada mediante la eliminación de sodio de cambio
(rebajar el pH) aplicando yeso, cal viva, entre otros productos, que
reaccionarían con el carbonato sódico, formando carbonato cálcico y
sulfato sódico (álcali blanco).
Es necesario implantar cultivos, a ser posible de regadío y resistentes a
las sales, así como la incorporación de enmiendas orgánicas.
La enmienda con yeso representa una alternativa adecuada para corregir
problemas de suelos dispersivos. La adición de yeso, mediante la
disminución del Na intercambiable, produce una recuperación en las
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condiciones físicas del suelo, repercutiendo en un incremento de la
productividad de forraje y posibilitando una mejor utilización del
fertilizante por parte del cultivo.
En la agricultura la solución más factible es hacer cruzamientos con
plantas tolerantes a la salinidad o utilizar el pasto vetiver para estabilizar
las zonas dispersivas en conjunción con unas obras menores y la siembra
de pastos estolonìferos entre filas de pasto vetiver. Las barreras de pasto
vetiver se siembran en ángulos rectos al flujo del agua y a lo largo de la
curva de nivel extendiéndose a la profundidad máxima del flujo del agua
en la hondonada para detener el impacto que tendría el agua que fluyese
alrededor de los extremos. Debe tenerse en cuenta que la profundidad
del flujo aumentaría en la hondonada con barreras de pasto vetiver
debido al retardamiento ocasionado por el fluir del agua a través del pasto
vetiver.
Asimismo, en la agricultura, se utilizan fertilizantes de bajo contenido
sódico y mayor contenido de calcio a fin de abonar el suelo y reducir su
salinidad. Si el agua de riego es de baja calidad, se recomienda utilizar
bajas dosis de fertilizante pero aplicarlo frecuentemente.
Cuando se ha identificado la extensión y la profundidad de la zona
dispersiva se puede proceder a la remoción del suelo erosionable,
siempre que este procedimiento sea económicamente factible.
Para las carreteras se utiliza una combinación de drenajes, sub-drenajes,
pavimentos impermeables y reglamentos para el uso de agua con el fin
de crear una restricción severa del humedecimiento.
En un terraplén debidamente gradado se puede realizar un
“recubrimiento impermeable” este recubrimiento se realiza colocando una
capa doble geotextil impermeable debajo, y geotextil no tejido encima.
En las laderas con una pendiente <20% se realiza un recubrimiento
vegetativo que consiste en sembrar especies vegetales sobre geomalla,
diseñada para el efecto, con restricciones laterales en maderas o cañas
colocadas paralelamente a la curva de nivel.
Los suelos dispersivos pueden mejorarse si se mezclan con cal. Sin
embargo, factores económicos en ocasiones no justifican tal mejoramiento
para todos los materiales por emplear. En estos casos, se pueden
seleccionar zonas críticas del sitio en proyecto para colocar materiales
mejorados. Estas zonas son aquéllas en donde se concentra el flujo de agua,
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tal como alrededor del portal de salida de conductos, superficie de contacto
entre la cimentación rocosa y estructuras rígidas, zonas de esfuerzos de
tensión y agrietamiento potencial, aguas abajo de un corazón impermeable,
o zonas inmediatamente aguas arriba de los filtros que son colocados aguas
abajo.
TIPOS DE MEJORAMIENTO DE SUELOS.
Mejoramiento física.
Se utiliza para mejorar el suelo produciendo cambios físicos en el mismo.
Hay varios métodos como lo son:
Mezclas de Suelos: este tipo de estabilización es de amplio uso pero por si
sola no logra producir los efectos deseados, necesitándose siempre de por
lo menos la compactación como complemento.
Las arcillas, por lo contrario, tienen una gran cohesión y muy poca fricción lo
que provoca que pierdan estabilidad cuando hay mucha humedad.
La mezcla adecuada de estos dos tipos de suelo puede dar como resultado
un material estable en el que se puede aprovechar la gran fricción interna de
uno y la cohesión del otro para que las partículas se mantengan unidas.
Geo textiles
Vibro flotación (Mecánica de Suelos)
Consolidación Previa
Mejoramiento química.
Se refiere principalmente a la utilización de ciertas sustancias químicas
patentizadas y cuyo uso involucra la sustitución de iones metálicos y cambios
en la constitución de los suelos involucrados en el proceso. Dentro de este
grupo de estabilización, las sustancias química más común son: el cal.
Cal: disminuye la plasticidad de los suelos arcillosos y es muy económica.
Otros productos también utilizados son:
Productos Asfálticos: es una emulsión muy usada para material triturado sin
cohesión.
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Cloruro de sodio: impermeabilizan y disminuyen los polvos en el suelo,
principalmente para arcillas y limos.
Cloruro de calcio: impermeabilizan y disminuyen los polvos en el suelo,
principalmente para arcillas y limos.
Mejoramiento mecánica.
Es aquella con la que se logra mejorar considerablemente un suelo sin que
se produzcan reacciones químicas de importancia.
Compactación: esta mejora generalmente se hace en la sub-base, base y en
las carpetas asfálticas.
4.7.2. TECNICAS DE MEJORAMIENTO DE UN SUELO COLAPSABLES
La primera cuestión que debe analizarse cuando se diseñan cimentaciones en
suelos susceptibles al colapso, es la probabilidad que el agente desencadenante
del fenómeno, el agua, pueda o no introducirse en el terreno y por ende
"sensibilizar" al suelo en donde se apoyarán las estructuras. Por definición, sin la
presencia del agua, el suelo no colapsa. Esta cuestión es significativa, puesto que
pueden existir numerosos casos en donde la probabilidad que el agua se infiltre
en el suelo sea lo suficientemente baja como para analizar la posibilidad de fundar
la estructura, considerando el comportamiento del suelo en su estado natural. Por
lo tanto cuando se hable de suelos potencialmente colapsables por
humedecimiento, no debe pensarse unívocamente en las soluciones ingenieriles
que se utilizan en suelos colapsables.
Hecha esta aclaración, a continuación, se tratará de ofrecer un panorama de las
distintas soluciones ingenieriles que se adoptan en suelos colapsables por
humedecimiento, cuando las probabilidades de que se produzca el fenómeno son
altas.
El objetivo central de todas estas soluciones es prevenir las fallas estructurales o
de servicio que pueden sobrevenir sobre las estructuras construidas sobre
estratos de suelos colapsables.
Aitchison (1973) divide a estas soluciones en:
a) Tratamiento del suelo colapsable con vista a eliminar la tendencia al colapso a
lo largo de todo el estrato de suelos desmoronables.
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b) Diseño de elementos constructivos que eliminen o disminuyan a límites
razonables la posibilidad que se inicie el colapso.
c) Diseño de estructuras y/o cimentaciones insensibles a los asentamientos
provocados por el colapso, por ejemplo, fundaciones profundas apoyadas sobre
un manto profundo no sujeto a los asentamientos por humedecimiento.
El primer grupo de soluciones comprende los métodos de mejoramiento de suelo,
por medio de los cuales la susceptibilidad al colapso es eliminada, modificando
las propiedades resistentes del suelo mediante la compactación o la cementación
de los vínculos entre partículas. El segundo grupo incluye la adopción de medidas
constructivas tendientes a aislar el agua, de manera de evitar o disminuir la
presencia de condiciones favorables al colapso, admitiendo no obstante ciertos
riesgos. Finalmente, el tercer grupo engloba tanto las soluciones tradicionales por
medio de fundaciones profundas, como el diseño de estructuras con fundaciones
directas insensibles a los asentamientos diferenciales provocados por el colapso
del suelo. En resumen, en el primer grupo de soluciones se interviene
directamente en el suelo, evitando así el colapso; en el segundo grupo se intenta
evitar que se produzca el colapso, sin modificar el suelo; y en el último grupo se
construyen estructuras y/o fundaciones que admitan y resistan los fenómenos
provocados por el colapso del suelo.
Evstatiev (1988) señala que los mejores resultados han sido alcanzados con una
óptima combinación de las ventajas que individualmente tiene cada uno de los tres
grupos. La experiencia ha probado que las medidas constructivas y las medidas
de aislación del agua por sí solas no pueden resolver todos los problemas de
inestabilidad que provoca el colapso del suelo. Así, la adopción de soluciones
exclusivamente para la superestructura (por ejemplo: fundaciones profundas), sin
un adecuado diseño que eviten daños en los otros elementos de la construcción,
como pisos, desagües, etc., han provocado serios daños en estas partes de la
construcción, que podrían haber sido evitados aplicando medidas tendientes a
evitar el ingreso del agua en el terreno.
La eficacia del diseño adoptado en cada caso depende en gran medida de la
calidad de las investigaciones geotécnicas realizadas. La información básica que
éstas deben suministrar son: el espesor del manto de suelos colapsables y la
magnitud del colapso bajo peso propio o bajo carga de todos los estratos del perfil.
Una incorrecta estimación de estos parámetros puede llevar a proponer y construir
soluciones ingenieriles totalmente opuestas a las correctas. La confección de
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perfiles de colapsabilidad como los presentados permiten establecer la existencia
o no de suelos autocolapsables, sus espesores aproximados y la profundidad a la
que se encuentran. Esta metodología de análisis es de gran ayuda, por ejemplo
en la elección del procedimiento idóneo para estabilizar el terreno.
A continuación se presenta una descripción de las distintas soluciones ingenieriles
más utilizadas en este tipo de suelos. En primer lugar se analizan el primer grupo
de soluciones que se ha englobado bajo el nombre de: Mejoramiento de suelos;
continuando luego con los otros dos grupos: Medidas para evitar la iniciación del
colapso y fundaciones y/o estructuras insensibles a los fenómenos del colapso.
Mejoramiento de suelos colapsables
Consideraciones previas
El objetivo principal de estas soluciones es eliminar o disminuir apreciablemente
la susceptibilidad al colapso del suelo, bien disminuyendo la porosidad del suelo
(compactación) o bien aumentando la resistencia estructural entre las partículas
del suelo (métodos físico-químicos). Una de las formas de clasificar los métodos
de mejoramiento o estabilización, ha sido precisamente ésta, o sea teniendo en
cuenta la acción resultante sobre el suelo (Aitchison,1973; Rocca,1985). Sin
embargo, para el desarrollo y explicación de los diferentes métodos se ha elegido
la clasificación propuesta por Evstatiev(1988), que tiene en cuenta el medio usado
para realizar la estabilización y el objeto de la misma. Evstatiev (1988) propone la
siguiente clasificación de los métodos de estabilización de suelos loéssicos, la cual
puede hacerse extensiva a suelos colapsables:
a) Métodos de mejoramiento de las propiedades del suelo por compactación.
b) Métodos de mejoramiento de las propiedades del suelo por modificación de su
granulometría.
c) Métodos de mejoramiento de las propiedades del suelo por la creación de
nuevos contactos cohesivos.
d) Métodos de mejoramiento por medio del reemplazo del suelo colapsable por
suelo no colapsable.
e) Métodos de mejoramiento que incorporan elementos resistentes a la tracción
dentro del suelo.
f) Geomembranas.
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g) Métodos de mejoramiento de las propiedades del suelo por drenaje.
h) Corrección de taludes y terraplenes.
A continuación, siguiendo la clasificación antes expuesta, se desarrollaran
aquellas metodologías de mejoramientos de suelos colapsables más extendidas.
Desarrollándose principalmente los grupos a,b,c y d, puesto que incluyen una
serie de acciones particulares frente al fenómeno del colapso. En cuanto a los
restantes grupos (e, f, g y h), las técnicas de mejoramiento del terreno utilizadas,
persiguen los mismos objetivos buscados en otros tipos de suelos, y en general la
técnica empleada es prácticamente la misma. Por tal motivo, y puesto que se
apartan un tanto del objeto de estas notas, se estima conveniente no abundar
sobre ellas.
Métodos de mejoramiento de las propiedades del suelo por compactación
Este grupo comprende varias de las metodologías usadas en suelos colapsables
para reducir los vacíos, de modo de eliminar la colapsabilidad, reducir la
permeabilidad y aumentar la capacidad de carga. Esto se realiza utilizando fuerzas
estáticas o dinámicas, o bien a través de la inyección de lechadas
Compactación dinámica: Este método es adecuado para compactar mantos de
suelos colapsables superficiales con espesores menores a 3,50 metros. El método
consiste en dejar caer en caída libre desde una altura de 4 a 8 metros, pilones de
3 a 8 Tn. sobre la superficie del terreno, a razón de 10 a 16 impactos en cada lugar
(Abelev y Abelev, 1979). El impacto genera una rotura de la estructura del suelo,
un aumento de la presión de poros y una compresión del aire presente en los
poros, produciendo un reacomodamiento de las partículas, dando como resultado
una estructura más compacta. Según Malyshev et al (1983) el contenido de
humedad del suelo juega un papel importante, lográndose la máxima eficiencia
con un contenido de humedad cercano al Límite Plástico. Si el contenido de
humedad es menor a éste, es necesario humedecer el espesor de suelo de modo
de alcanzar una mejor eficacia. Varios son los factores que controlan los
resultados del método, así por ejemplo el espesor compactado es función
principalmente del peso y del diámetro del pilón. En tanto el grado de
compactación está controlado por el número de impactos y la humedad del suelo.
El grado de compactación no es uniforme a lo largo de todo el espesor
compactado, lográndose la máxima densificación a 1,2 a 1,5 veces el diámetro del
pilón. Sin embargo, se pueden obtener Pesos Unitarios secos superiores a 1,6
t/m3 en espesores de 2,5 a 3,5 m., lo cual en la mayoría de los casos es suficiente
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
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para disminuir o anular la susceptibilidad al colapso del suelo. Una variante a este
método es realizar la compactación solamente en los lugares donde actúan las
cargas y no en toda el área de la construcción. Por ejemplo, en casos de
fundaciones de muros de carga o fundación de columnas, el mejoramiento del
suelo se logra densificando la zona de influencia del bulbo de presiones, o sea la
zona donde los incrementos de presión pueden hacer colapsar el suelo.
Compactación por medio de pequeños pilotes piramidales: En cierta forma este
método es una variante del método anterior. Consiste en hincar un pilote piramidal
de 3 a 4 metros de longitud, con una sección transversal superior de 60 x 60 a 70
x 70 cm., y una sección transversal inferior de 10 x 10 cm. Una vez retirado el
pilote la cavidad se rellena con hormigón. Este tipo de metodología da excelentes
resultados en áreas en donde existe un espesor de suelos potencialmente
colapsables (no autocolapsables) de 3,0 o 4,0 m de profundidad, pero que
colapsarán si están sometidos a los incrementos de carga transmitidos por las
construcciones. Una de las ventajas del método es la completa mecanización de
todas las operaciones. Una variante a este método consiste en realizar la hinca
sobre una capa de piedra partida, dando como resultado un bulbo de suelo
compactado alrededor de la capa de piedra, mejorando la capacidad de carga por
la punta del pilote así construido.
Compactación por pilotes de suelo: Este es uno de los métodos más usuales
para compactar espesores importantes (18 a 20 m.) de suelos loéssicos
susceptibles al colapso. El procedimiento consta de dos partes: primero se realiza
la perforación y segundo se llena la cavidad con suelo compactado. La perforación
se realiza usualmente mediante la hinca de un pilote metálico con base
ensanchada (1,5 veces). En otra metodología de reciente uso, la excavación se
hace de la siguiente forma: se perfora hasta la profundidad deseada un hoyo de 8
cm. de diámetro dentro del cual se coloca una columna de explosivos, que luego
de estallar crea una perforación de aproximadamente 0,80 m de diámetro.
Después de efectuada esta perforación dinámica" la cavidad se rellena con suelo
local, introducido en tongadas de 100 a 200 Kg, que luego son compactadas
dinámicamente por medio de un útil especial. Concluidas ambas etapas quedan
formadas columnas de suelo compactado con un diámetro aproximado igual a dos
veces el de la perforación. El grado de compactación va decreciendo a medida
que se aleja del centro de la columna, por tal motivo es importante conocer esta
ley de decrecimiento para diseñar correctamente la cuadrícula de pilotes de suelo.
Al igual que en los otros métodos, la eficiencia del sistema aumenta en la medida
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que la humedad del suelo natural y compactado se encuentre a una humedad
cercana al Limite Plástico. Por tal motivo es usual que previo a la perforación se
realice una del orden de 1,70 a 1,80 t/m3, que son suficientes para evitar el
colapso por peso propio y permiten el use del espesor compactado como manto
de fundación.
Compactación por explosiones de gas: Esta relativamente nueva metodología
de compactar espesores de suelos colapsables consiste en introducir, a través de
una lanza de agua a presión, una cámara de compresión que contiene una mezcla
de gas propano y oxígeno, la cual se va elevando a medida que se producen una
serie de explosiones de la mezcla. De este modo se va generando una columna
1,20 1,40 m de suelo compactado (Densidad de 1,50 t/cm3) (Martemyanov et al,
1979).
Compactación por humedecimiento (Hidrocompactación): En este caso se
utiliza la propia susceptibilidad del suelo a colapsar bajo peso propio. El método
más frecuente de realizar la humectación o saturación del terreno, es a través de
infiltración del agua desde la superficie del terreno, para lo cual se efectúan
excavaciones poco profundas (0,40 a 0,80 m) o bien se construyen grandes
estanques. En muchos casos a efectos de acelerar el ingreso del agua al terreno
se construyen dentro del estanque, drenes de arena convenientemente
espaciados. Este sistema ha sido empleado ampliamente en varias partes del
mundo, por ejemplo en EE.UU. por Gibbs y Bara (1967) y Clevenger (1956); en
Rumania por Bally et al (1965,1969); en la URSS por Lomize (1968) y Mustafaef
(1967); en China por Lin y Liang (1982); y en Argentina por Moll et al (1979). A
pesar de su amplia utilización y su bajo costo, el método presenta una serie de
inconvenientes: aparición de grietas de tracción en el contorno del área inundada;
existencia de importantes deformaciones posteriores al colapso; necesidad de
recompactar los 4 ó 5 primeros metros utilizando otro tipo de metodología. La
efectividad de este método se mejora sustancialmente si al mismo se lo combina
con otro método de compactación dinámica.
Compactación por humedecimiento previo y por explosiones profundas:
Este método fue desarrollado en la Unión Soviética por Livinov (1976) en la
década de los 60. El espesor de suelos a compactar es previamente humedecido
a través de un sistema de drenes (cuadrícula de 3 x 3 a 5 x 5 m). Las cargas
explosivas (5 a 7 Kg.) son colocadas en el fondo de los mismos drenes o bien en
tubos metálicos colocados en perforaciones adicionales. La cuadrícula con las
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67 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
cargas es aproximadamente de 4 x 4 m. En este procedimiento no es necesario
la completa saturación del suelo, que por ejemplo necesita el método anterior.
Posterior al humedecimiento se hacen estallar las cargas de toda un área (2.000
a 50.000 m2). La explosión generan una onda de choque que hace licuar la
estructura del suelo, lo cual permite un reacomodamiento de las partículas y un
crecimiento de la densidad del suelo. En ciertos casos es aconsejable la
construcción de trincheras alrededor de la zona a compactar a efectos de evitar la
propagación de grietas fuera de ella. La explosión produce un importante a
inmediato asentamiento de la superficie del terreno. Los asentamientos en general
se estabilizan al cabo de 3 ó 4 semanas. Este tipo de método es aconsejable
cuando se desea compact grandes volúmenes de suelo, particularmente en
grandes complejos industriales o bien en obras hidroeléctricas.
Métodos de mejoramiento de las propiedades del suelo por modificación de su
granulometría
En este apartado se incluyen aquellos métodos de estabilización consistentes en
la mezcla y posterior compactación de suelo colapsable con otros materiales
(arena, gravas) a efectos de conseguir mayor resistencia y mayor rigidez. Este tipo
de estabilización es de amplio use en la ingeniería vial, en la construcción de
bases y de sub-bases.
Métodos de mejoramiento de las propiedades del suelo por la creación de
nuevos contactos cohesivos
Este grupo incluye a aquellas metodologías en las cuales el mejoramiento de las
propiedades resistentes del suelo se consiguen con la creación de vínculos más
sólidos y estables en la estructura del suelo. En algunas de ellas, la inyección de
agentes cementantes provoca la rotura de la estructura original del suelo. En otras,
por el contrario, la inyección de agentes químicos actuan directamente sobre los
vínculos, sin modificar la estructura del suelo. Los métodos se pueden dividir en
métodos superficiales y métodos profundos, dependiendo en donde se realice la
estabilización. En los métodos de estabilización superficiales, el mejoramiento en
general se consigue mediante la mezcla y posterior compactación del suelo con
agentes químicos o cementantes, tales como: cemento, cal, emulsiones asfálticas,
sales (NaCl, Nat C03, NaPO3), etc. Estos métodos de estabilización son también
usuales en otros tipos de suelos y son de amplia utilización en todo tipo de obras
de ingeniería civil, por tal motivo no insistiremos en ellos. Por el contrario los
métodos de estabilización profunda, aunque también se han utilizado en otros
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tipos de suelos, muchos de ellos se han desarrollado y usado específicamente
para eliminar o disminuir la susceptibilidad al colapso en espesores importantes
de suelo. A continuación se presentan algunos de ellos:
Inyecciones de agentes químicos: Las investigaciones y las realizaciones en
este tipo de estabilizaciones se ha desarrollado principalmente en la Unión
Soviética. Según Mitchell (1981) la razón principal por la cual estos métodos no
se han extendido universalmente se debe principalmente a los altos costos, frente
a otros tipos de estabilizaciones. Sin embargo, Esvtatiev (1988) da cuenta de la
existencia, en la URSS, de más de 800 proyectos en donde se han utilizado
satisfactoriamente p. ej. el método de silicatización). Esto ha permitido un continuo
mejoramiento de la tecnología, una reducción de los costos y una abundante
normativa en la regulación de su uso. El agente químico más utilizado, por su bajo
costo frente a otros agentes químicos, es el Silicato de Sodio. El método consiste
en inyectar en todo el espesor de suelo a tratar, una solución de silicato de sodio
(Densidad = 1 ,10 a 1 ,04 g/cm3) a través de un tubo inyector de 42 mm de
diámetro con perforaciones de 3 mm protegidas por un manguito de goma. La
inyección se realiza a una presión de 2,0 a 4,0 Kg/cm2 y una descarga de 48 litros
por minuto (Zvyagin et al, 1978). La silicatización del suelo es sólo posible en un
medio fuertemente alcalino. Según Sokolovic (1973) se logra una mejor eficiencia
mediante una pre y post gasificación con carbonato de calcio. Luego de la
inyección, tres son los cambios que se observan en el suelo: un aumento
significativo de la resistencia a la compresión (superior a 20 Kg/cm2 ), una
eliminación de la susceptibilidad al colapso y una disminución de la permeabilidad.
Otro de los tratamientos con agentes químicos es la inyección de amoníaco. La
mejora en el suelo es inferior al tratamiento por silicatización, además presenta la
desventaja de ser un elemento tóxico y su utilización requiere medidas especiales
de protección (Sokolovic, 1973).
Estabilización térmica: Esta técnica comenzó a desarroIlarse en la URSS en la
década de los años 50, y ha sido utilizada exitosamente en un importante número
de emprendimientos. Según Esvtatiev (1988) la aplicación de este método es
técnica y económicamente aconsejable en los siguientes casos: a) en la
estabilización de fundaciones existentes de estructuras altas como chimeneas,
tanques de agua; b) en la paralización de los asentamientos en construcciones
existentes, provocados por el colapso del suelo. Las propiedades de los minerales
arcillosos cambian cuando éstos son sometidos a altas temperaturas, lo cual
genera un aumento importante de la resistencia y por ende la eliminación de la
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susceptibilidad al colapso del suelo. La tecnología ha ido variando y mejorando su
eficiencia a lo largo de estas décadas. No obstante la variedad de métodos, casi
todos ellos consisten en la introducción de un quemador de fuel o gas dentro de
un pre pozo de 0,20 metros de diámetro, con una presión de aire de 2,0 a 3,0
Kg/cm2. De esta forma al cabo de 10 a 15 días se consigue una columna
estabilizada de suelo de 2,0 a 3,0 metros y una profundidad de 10 a 15 metros
(Beles y Stanculescu, 1958).
Estabilización mediante mezclado mecánico con agentes cementantes: El
objetivo de este tipo de estabílización es la creación de columnas o pilotes de
suelo con alta resistencia y rigidez, que permitan la transferencia de las cargas a
mantos más profundos y estables. Varios son los métodos constructivos que
pueden agruparse dentro de este grupo. Los subdividiremos en los siguientes
subgrupos, dependiendo del lugar en donde se realiza la mezcla del suelo con el
agente cementante.
1. La mezcla del suelo y el agente cementante se realiza en superficie. En este
caso la excavación se puede realizar bien utilizando la técnica constructiva
empleada en los pilotes de suelo (hinca), o bien usar técnicas usuales de
perforación. La mezcla de¡ suelo con el agente cementante (preferentemente
Cemento Portland) puede ser fluida (suelo cemento plástico) a introducirse dentro
de la excavación en forma de pastones; o bien mezclar el suelo y elcemento con
porcentaje de humedad óptimo a introducirlos en la perforación en tongadas (100
a 200 Kg) las cuales posteriormente son compactadas dentro de la misma
excavación. Por lo tanto existen cuatro variantes según sea el tipo de excavación
y el tipo de mezcla.
2. La mezcla del suelo y el cemento se realiza en el mismo proceso de perforación.
En este caso la mezcla del agente cementante se realiza con el propio suelo. La
mezcla puede realizarse mediante útiles especiales que van mezclando el suelo
con una lechada de cemento o bien usar la técnica del jet grouting mediante un
chorro de lechada a alta presión.
Métodos de mejoramiento por medio del reemplazo del suelo colapsable por suelo
no colapsable
Este tipo de estabilización se realiza principalmente en terrenos con suelos
potencialmente colapsables, en los cuales la presencia de cargas adicionales en
superficie puede generar asentamientos adicionales ante un incremento de la
humedad del suelo. Así, una parte del suelo colapsable superficial, ubicado
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70 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
directamente debajo de las fundaciones, es excavado, extraído y reemplazado por
otro material más competente. Los materiales generalmente utilizados son los
siguientes: el mismo suelo extraído, compactado y eventualmente estabilizado
granulométricamente; arena compactada o suelo cemento compactado. La
elección del tipo de material está condicionado generalmente por variables técnico
económicas. Los espesores de estos mantos son variables (1 a 4 m) dependiendo
del tipo de cargas y de las características del proyecto. Por ejemplo en algunos
proyectos, los condicionantes pueden ser los asentamientos diferenciales
(edificios), en cambio en otros (canales), no sólo importa disminuir la probabilidad
que se produzca el colapso, sino también lograr una capa de suelo más
impermeable. Este tipo de metodología ha sido utilizada con éxito en numerosos
países y en innumerables tipos de obras. También es frecuente el empleo de esta
metodología en forma conjunta con otro tipo de estabilización profunda, cuando
se presentan mantos de suelos colapsables profundos y con espesores muy
dispares.
Medidas conducentes a evitar la iniciación del colapso:
Arriba, se señalaron los tipos de humedecimientos, que según Goldstein (1969),
pueden presentarse en una masa de suelo:
a) humedecimiento localizado por rotura de conducciones hidráulicas o
infiltraciones de aguas de lluvia;
b) humedecimiento extenso causado por roturas de canales o efluentes
industriales;
c) ascenso del nivel freático;
d) aumento gradual y lento del contenido de humedad, por condensación del vapor
de agua, provocados por condiciones ambientales.
Muchos de estos tipos de humedecimientos pueden ser prevenidos,
principalmente los primeros, pues en general éstos son debidos a fallas o roturas
de las instalaciones de la misma construcción. En cambio los otros tipos de
humedecimientos están condicionados por factores externos al proyecto, como
ejemplo puede ser el ascenso del nivel freático o la rotura de un canal cercano y
ajeno al proyecto. La acción del proyectista debe estar encaminada principalmente
a impedir, dentro de los límites del proyecto, la generación de estos
humedecimientos provocados por elementos de la propia construcción. Robinson
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71 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
y Narkiewicz (1982) sugieren las siguientes medidas de protección contra el
humedecimiento de edificios:
a) Pendientes adecuadas en la superficie del terreno que rodea a la construcción,
de modo que no se produzcan embalsamientos de agua en las cercanías de las
fundaciones y que cualquier pérdida de agua pueda ser eliminada con rapidez.
b) Canalización de todos los desagues de techos y patios hacia el exterior de la
construcción.
c) Instalación de membranas impermeables o pavimentación de la superase que
rodea a la construcción, de modo de limitar la infiltración de agua en el suelo
adyacente a las construcciones.
d) Encerrar las conducciones de agua o efluentes cloacales dentro de conductos
de fácil acceso, a efectos de detectar posibles pérdidas.
Algunas de estas medidas requiere una serie de medidas de control y
mantenimiento durante la vida útil de la obra, de manera que periódicamente se
realicen inspecciones a las instalaciones y puedan detectarse pérdidas o daños
en las mismas. También es aconsejable que los propietarios de la obra conozcan
perfectamente los riegos a que está expuesta la misma, de modo que su actividad
y/o descuidos no inicie procesos de humedecimiento del terreno.
Las medidas de protección, en otros tipos de obras civiles (canales o caminos),
tienen la misma filosofía, es decir, elementos de protección que impidan o
dificulten la entrada del agua en el terreno de fundación. Así por ejemplo, en las
obras lineales se debe prestar una especial atención al diseño del sistema de
alcantarillado y de desagües. En algunos casos, estas obras suelen seguir
parcialmente las curvas de nivel del terreno, convirtiéndose en verdaderas presas
que impiden el natural escurrimiento de las aguas, provocando la acumulación de
agua en su entorno, lo que genera un humedecimiento generalizado del terreno
de fundación con los consecuentes daños en la obra.
Es frecuente que en ciertos tipos de obras, como viviendas unifamiliares de una
planta o incluso caminos y canales, las únicas medidas a adoptar sean las
presentadas en este apartado, ya que la utilización de técnicas de mejoramiento
o fundaciones profundas resultan prohibitivas. En realidad la mayoría de las obras
aludidas se construyen admitiendo el riesgo de un posible colapso del terreno. El
buen comportamiento que han tenido la mayoría de ellas se debe
fundamentalmente a que no se ha producido ningún tipo de humedecimiento. En
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
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contraste, los daños son serios en aquellas obras que los han sufrido. Por todo
ello, es un deber de los investigadores a ingenieros buscar nuevas soluciones
económicas que permitan disminuir los riesgos, y por ende los daños en este tipo
de obras. Uno de los caminos en tal sentido, es el estudio de estructuras que
absorban o minimicen los posibles asentamientos diferenciales provocados por el
humedecimiento localizado del suelo sin un aumento excesivo de los costos.
Estructuras y/o fundaciones que admiten y resisten los fenómenos
provocados por el colapso:
El análisis de este apartado se centrará principalmente en el estudio de las
fundaciones superficiales en suelos potencialmente colapsables, ya que el otro
gran grupo de soluciones: fundaciones profundas mediante pilotes, será objeto de
un examen detallado en los apartados siguientes.
La lista de estructuras que se asientan directamente sobre mantos de suelos
potencialmente colapsables es amplia, entre ellas pueden señalarse: viviendas
unifamiliares, construcciones transitorias, galpones, ductos enterrados, canales,
caminos, etc.
Las fundaciones directas sobre suelos colapsables pueden ser divididas en dos
grupos:
a) Fundaciones rígidas, utilizadas principalmente en estructuras livianas y con
cargas puntuales, por ejemplo, torres de líneas de alta tensión, columnas de naves
industriales o depósitos. En general, este tipo de estructuras tienen algunos
rasgos comunes, como son por ejemplo: cargas verticales bajas, cargas
horizontales importantes, y en general suelen aceptar asentamientos admisibles
mayores.
b) Fundaciones de baja rigidez longitudinal, en este caso se trata de
estructuras con cargas lineales (muros de carga, canales, etc.) con baja rigidez en
el sentido de las cargas. Este tipo de estructuras son sensibles a humedecimientos
localizados del terreno que generan asientos diferenciales importantes. En
general, las medidas que suelen tomarse para disminuir los efectos de los asientos
diferenciales son las siguientes: diseño de elementos que rigidicen la estructura
(Clemence Y Finbarr, 1981), y el diseño de elementos constructivos que eviten la
introducción del agua en el terreno, señalados anteriormente.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
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4.7.3. TECNICAS DE MEJORAMIENTO DE UN SUELO EXPANSIVO
Ante la presencia de un suelo potencialmente expansivo, las dos grandes líneas
de acción serían:
Actuar en el sentido de reducir o eliminar la expansión del suelo.
Las diferentes formas de acción sobre el suelo se pueden agrupar en:
Inundar el suelo en el sitio de manera que se produzca una expansión
antes de la construcción.
Reducir la densidad del suelo mediante un adecuado control de la
compactación.
Remplazar el suelo expansivo por uno que no lo sea.
Modificar las propiedades expansivas del suelo mediante diversos
procedimientos: estabilización mediante cal, cemento, inyecciones, etc.
Aislar el suelo de manera que no sufra modificaciones en su contenido de
humedad.
Actuar sobre la estructura y a través de la selección de un diseño de
cimentación apropiado
En líneas generales se actúa en el sentido de rigidizar o flexibilizar de tal forma la
estructura que sea capaz de absorber o adaptarse a las deformaciones
resultantes. En el diseño del cimiento se tiende a una concentración de cargas de
manera que la presión trasmitida al suelo sea capaz de controlar la deformación.
Este punto es ampliado más adelante.
Actuación sobre el suelo
“PreHumectación” del Suelo: la teoría de “prehumectar” el suelo antes de la
construcción está basada en el hecho de que si al suelo se le permite que se
expanda antes de la construcción y si luego la humedad del suelo es mantenida,
no es de esperar cambios volumétricos y por lo tanto no es esperable daños sobre
la estructura.
La experiencia indica que en las áreas cubiertas por una losa, contrapiso,
pavimento, etc., el contenido de humedad del suelo rara vez decrece. Si uno
“inunda el suelo”, una vez que el suelo se hinche hasta su máximo potencial, la
migración del contenido de humedad hacia la parte de suelo subyacente que se
encuentra menos húmeda induce nuevas expansiones del suelo diferidas en el
tiempo. Este proceso puede continuar durante cerca de 10 años.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
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El tiempo requerido para lograr una adecuada humectación del suelo, aunque no
sea necesario llegar a la saturación, es de al menos uno o dos meses, lo que
puede ser considerado como demasiado largo.
Además es muy cuestionable el hecho de que se obtenga una variación uniforme
en el contenido de humedad del suelo en las áreas “prehumectadas”. Los suelos
arcillosos, que son los potencialmente expansivos, son muy difíciles de
“prehumectar” siendo lo más factible que el agua penetre a través de fisuras, etc.,
no lográndose una humectación pareja del suelo.
Este método de “inundación previa” puede resultar útil para la cimentación
mediante losas, construcción de pavimentos, canales, etc., pero no es adecuado
para cimentaciones aisladas (tipo patín)
La razón es que el prehumectar el suelo conlleva a reducir en una forma muy
significativa los parámetros resistentes del suelo, lo que lo hace inadecuado para
el apoyo de cimientos aislados.
Reducción de la Densidad del Suelo: este método es naturalmente válido
cuando la cimentación se debe hacer sobre un material a terraplenar, o en
aquellos casos en que se procede a la sustitución del suelo.
La magnitud del asentamiento en un relleno depende de la densidad alcanzada
en la compactación, el contenido de humedad de la compactación, el método de
compactación y la carga que se aplique sobre el relleno
Estos dos últimos están impuestos por el equipo usualmente disponible en la obra
durante la compactación y la sobrecarga impuesta por la obra, de manera que
sobre lo que podemos actuar es fundamentalmente sobre los dos primeros.
En el gráfico siguiente Holtz and Gibbs muestran la influencia de la densidad y la
humedad en la compactación de una arcilla expansiva.
Se puede apreciar el hecho de que las arcillas expansivas expanden poco cuando
son compactadas a densidades bajas y alto contenido de humedad, pero
expanden mucho cuando son compactadas a densidades altas y bajos contenidos
de humedad.
La principal razón de que el contenido de humedad es importante durante la
compactación es que el contenido de humedad es un controlador del grado de
densidad alcanzado, y no tanto por el hecho de que un alto contenido de humedad
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
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haga reducir sensiblemente la expansión. El elemento fundamental para controlar
la expansión es el grado de densidad alcanzado.
Ya en el año 1959 Dawson aconsejaba que en suelos expansivos se debía
controlar no sólo el alcanzar un grado de compactación mínimo, sino también un
valor máximo.
Como se muestran en la tabla siguiente, un decremento de la densidad seca de
una arcilla expansiva desde 109 a 100 pcf, la presión de hinchamiento decrece de
13 a 5 psf y el potencial de hinchamiento desde 6.7 a 4.2 %. Esto sin variar el
contenido de humedad del suelo.
Efecto de la variación de la densidad en el cambio volumétrico y en la presión de
hinchamiento para muestras de contenido de humedad constante:
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La principal ventaja de controlar la densidad de compactación es que se puede
reducir el potencial expansivo del suelo, sin necesidad de agregar agua por
encima de la óptima, con las desventajas económicas que esto trae aparejado y
los problemas analizados en el método anterior.
Sustitución del Suelo Expansivo: una alternativa simple de cimentar una losa o
un patín en un material expansivo es remplazar el material expansivo por otro que
no lo sea.
La experiencia indica que si el suelo natural sobre el que estamos apoyando
nuestro cimiento consiste en más de 5 pies (aprox. 1.50 mts) de suelo granular del
tipo ( SCSP), que a su vez se apoya en un suelo altamente expansivo no existe
riesgo de movimiento en la fundación cuando apoyamos la misma sobre este
material granular.
¿Por qué motivo se afirma esto?
No está claro si es debido a que el agua superficial no llegará al material
expansivo, o si existe un reacomodamiento del material granular que hace que los
eventuales movimientos sean prácticamente inexistentes, o se debe a una
combinación de ambos efectos...
La afirmación anterior no es necesariamente cierta cuando el material sobre el que
se apoya se trata de un relleno especialmente seleccionado a nuestros efectos.
¿Qué requerimientos le haríamos a ese relleno granular?
Nos podemos hacer aquí tres preguntas:
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1º ¿Que tipo de material debemos colocar?
2º ¿Que espesor tendría ese relleno (o sea que profundidad de sustitución)?
3º ¿En que área debajo de la fundación extenderíamos la sustitución?
El primer requerimiento es, obviamente, que el material no sea expansivo, eso lo
cumplen los suelos cuya clasificación varía desde los materiales del tipo GW a los
del tipo SC.
Los materiales granulares que podemos considerarlos “limpios”, es decir con
escasa cantidad de finos, aquellos cuya clasificación de acuerdo al S.U.C.S. varía
del tipo GW a SP, tiene una permeabilidad tal que el agua podría llegar hasta los
materiales subyacentes arcillosos y expansibles.
Desde el punto de vista antes señalado sería preferible que los materiales del
relleno sean menos permeables, con cierto contenido de finos (del tipo SM o SC),
aunque estos tiene la contra de que los finos de estos materiales pueden a su vez
presentar cierto grado de expansión.
Uno de los criterios usuales es el planteo de la siguiente condición:
No es tan fácil que un suelo cumpla con las condiciones antes planteadas. En caso
de dudas razonables, para poder determinar realmente el potencial expansivo del
suelo hay que proceder a las metodologías habituales a tales efectos.
Una alternativa para mejorar el potencial expansivo del suelo sería el poder
mezclar el material granular con el suelo emplazado en sitio. Si bien dicho método
es teóricamente razonable, en la práctica se hace muy dificultoso la mezcla de
material granular con arcillas de bajo contenido de humedad. Se necesita
maquinaria especial, sobretodo por la dificultad de disgregar los “terrones“ de
arcilla a tamaños adecuados, lo que lleva a costos tan caros como otros
procedimientos en los que se obtienen mejores resultados como la estabilización
con suelo cal o suelo cemento.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
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La principal razón por la cual un relleno artificial de un material seleccionado no
es tan efectiva como el apoyar sobre una masa de suelo granular en estado
natural, es por la extensión del mismo debajo de la fundación en uno y otro caso.
Cuánto mayor sea el área en que efectuamos el reemplazo, más efectivo resulta
el relleno.
En las figuras siguientes se muestran consejos de extensiones de material a
sustituir en caso de diferentes condiciones de cimentación.
La tecnología disponible en la actualidad para la acción sobre los suelos
expansivos, la sustitución de suelos puede ser considerada como una de las
mejores opciones para la estabilización de estos suelos.
Dentro de las ventajas de este método está el hecho de que se pueda compactar
el material sustituido a elevados porcentajes de manera de poder soportar cargas
importantes.
Con el método de “prehumectado” o de “control del grado de la compactación”, la
capacidad resistente del suelo se ve disminuida.
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El costo de esta alternativa no es caro si la comparamos con la de cualquier otra
forma de tratamiento químico, etc.
Con la excepción de la cimentación del tipo “losas flotantes” el método de
reemplazo del material expansivo constituye el método más seguro para una
fundación directa sobre este tipo de materiales.
Cuando se procede a la sustitución de suelo, es conveniente tener la precaución
adicional de realizar los drenajes superficiales en forma adecuada alrededor de la
construcción de manera de evitar la infiltración de agua por debajo de los niveles
del relleno.
Algunas de las recomendaciones para la construcción de caminos propuesta por
la Federal Higway Administration son las siguientes:
• Profundidad mínima de reemplazo de material de 2 pies (60 cm).
• Material de reemplazo que no sea granular, sino materiales limosos, o arcillas
limosas, que no sean expansivas.
• El material de relleno a ser utilizado debe ser compactado a una densidad entre
92 a 95% de la densidad máxima y a una humedad no menor a la óptima de la
correspondiente al Proctor AASHTO T99.
Recomienda profundidades mínimas de reemplazo según se trate de rutas
principales o secundarias:
Modificación de propiedades expansivas del suelo por diversos
procedimientos: dentro de estas técnicas podemos citar a la estabilización del
suelo mediante el agregado de cal, cemento, inyecciones.
El agregado de cal, y de cemento al suelo como elementos controladores de la
expansión se utilizan desde hace muchos años, preferentemente dentro del
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campo de la ingeniería vial, como estabilización de subrasantes de carreteras ,
etc., teniendo un uso casi nulo en la construcción de edificios.
La acción, tanto de la cal, como la del cemento consisten en modificar las
características plásticas del suelo, reduciendo el límite líquido, el Índice de
Plasticidad e incrementado el límite de contracción.
Las cantidades a agregar de cal y de cemento varían de 2 a 6 % en peso de la
mezcla, dependiendo de los objetivos de la estabilización, la cual tiene la ventaja
adicional (sobretodo en el caso de uso de cemento) de que mejoran el poder
soporte del suelo (CBR).
Una forma de modificación de las propiedades expansivas del suelo utilizadas en
fundaciones de estructuras la constituye la realización de inyecciones químicas en
el suelo, de manera de modificar las características plásticas del suelo, a la vez
que disminuyen la permeabilidad del mismo. Estas técnicas resultan en general
de alto costo, tanto por el costo del elemento químico a utilizar, así como de la
técnica empleada para su aplicación.
Aislación del suelo de variaciones importantes en el contenido de humedad:
si se pudiera lograr que el suelo no sufriera variaciones importantes en su
contenido de humedad, entonces, por mayor que sea el potencial expansivo de la
arcilla no habrá cambios volumétricos.
La variación de contenido de humedad puede provenir de dos fuentes
básicamente:
a ) la infiltración al terreno de aguas superficiales ó,b) la variación de niveles de
agua subterránea.
Si bien es relativamente sencillo sacar el agua libre que se ha introducido en la
obra para la construcción de una fundación, realizando los drenajes adecuados ya
sean superficiales o subterráneos a tales efectos, pero sin embargo no es tan
sencillo el impedir la migración de la humedad desde el exterior de un local hacia
el interior de un área cubierta.
Para impedir la infiltración de aguas superficiales se puede disponer de:
• Barreras horizontales contra la humectación del suelo alrededor de la
construcción a través de: membranas, construcción de veredas perimetrales,
pavimentos asfálticos, drenaje adecuado.
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• Barreras verticales alrededor de la construcción para impedir las variaciones
estacionales en el contenido de humedad del suelo también mediante el uso de
membranas, hormigón, etc.
Las “barreras verticales” usualmente están unidas a una horizontal para prevenir
la humectación del suelo entre la barrera vertical y la construcción, ya que las
barreras verticales deben construirse al menos 70 a 100 cm alejadas del perímetro
de la construcción.
Si bien las barreras verticales son más efectivas que las horizontales, las mismas
resultan mucho más costosas.
Para evitar la variación del contenido de humedad por variación del nivel de agua
subterránea la alternativa más adecuada la constituye la construcción de drenajes
subterráneos.
El proyecto de drenes deberá tener presente el tipo de acuífero de que se trate, si
es confinado o no, el caudal de agua que escurre por el mismo, profundidad a la
que se instala el dren, capacidad del sistema de drenaje , etc
Actuación sobre la estructura y el sistema de cimentación
Fundaciones Superficiales en Suelos Expansivos.
Esta clase de fundaciones, más comúnmente denominadas como zapatas o
patines, pueden ser implementadas con éxito sobre subsuelos conformados por
materiales expansivos, siempre que se cumpla al menos uno de los siguientes
requisitos:
• La presión aplicada, debido a las cargas permanentes, resulte suficiente como
para contrarrestar la presión de expansión.
• La superestructura tenga el grado de rigidez necesario como para que una
expansión diferencial no cause fisuras o grietas en los elementos resistentes.
• El efecto expansivo pueda ser eliminado o al menos reducido de manera de
evitar o mitigar los desórdenes (ya sean éstos de carácter resistente, funcional o
ambos).
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El Caso De Las Zapatas Corridas.
Como se sabe, es la tipología más común de fundación superficial para estructuras
livianas. Es claro, en consecuencia, que para prevenir el efecto de la expansión
se vuelve necesario concentrar la presión aplicada, lo que deriva en minimizar el
ancho de la zapata.
Por lo tanto el uso de zapatas corridas debería limitarse a suelos de bajo grado de
expansión, por ejemplo en general inferior al 1%, medido en el ensayo de
expansión libre.
Sin embargo, el uso de fundaciones alternativas, al caso pilotes, puede ser
antieconómico y por ello en muchas situaciones se aceptan daños menores (como
fisuras en paredes y techos), cuyos costos de reparación resultan inferiores a los
de un sistema de fundación diferente.
Una variante, cuando no es factible cambiar el sistema de fundación, es implantar
las zapatas a profundidades mayores, esto es a salvo de la capa de suelo donde
las variaciones en el contenido de humedad son mayores (al menos 1,50 a 2,00
m por debajo del nivel del terreno natural). Esta ubicación reduce y limita además
los desplazamientos diferenciales.
En general, se sugiere a las zapatas corridas como una alternativa en principio
válida cuando:
• El subsuelo no es altamente expansivo (básicamente illita en vez de
montmorillonita)
• Es poco probable que se verifique un ascenso del nivel freático.
• No hay disponibilidad de fundar con pilotes.
• La superestructura está conformada por madera.
Una variante a veces empleada es la fundación en “cajón”, esto es una estructura
de hormigón fuertemente armada, cuya altura media es del orden de 2,00 m. Es
notorio que este tipo de fundación protege a la estructura de eventuales
fisuraciones derivadas de expansiones diferenciales. En estos casos, no deben
existir discontinuidades a nivel de la superestructura, que introduzcan puntos
débiles. En especial, en estructuras complejas, se sugiere agregar juntas para
separarlas en dos o más módulos. Cada módulo actuará entonces en forma
independiente y los desplazamientos diferenciales podrán absorberse en las
juntas.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
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El Caso De Las Zapatas Aisladas.
Como es sabido, este sistema consiste en una serie de zapatas apoyadas sobre
las capas superiores del subsuelo, conectadas entre sí por vigas de fundación.
Como en el caso de las fundaciones indirectas o profundas, la carga de la
estructura es trasmitida al suelo en forma concentrada en diferentes puntos; la
diferencia es que naturalmente en este caso la descarga se realiza en las capas
superiores del terreno y no se involucra la resistencia lateral por fricción.
El uso de este sistema puede ser ventajoso cuando:
• El techo de roca o el estrato resistente es profundo y no puede ser
económicamente alcanzado por pilotes.
• Las capas superiores del suelo poseen un potencial expansivo moderado.
• La capacidad portante de las capas superiores es relativamente alta.
• Existe napa freática o capas blandas que impiden el uso de pilotes trabajando
por fricción.
En el caso de un suelo expansivo, si la presión aplicada es mayor que la presión
de expansión (para cambio de volumen nulo) no deberían observarse
desplazamientos debidos a esta causa.
En general puede decirse que la magnitud de la presión aplicada está limitada por
la capacidad portante del suelo de fundación y es función del coeficiente de
seguridad adoptado (usualmente entre 2 y 3). Por lo tanto, considerando los
valores habituales de tensiones admisibles para suelos arcillosos de Formación
Libertad (1,0 a 2.0 kg/ cm2), este sistema de fundación sólo podrá aplicarse en
suelos con potenciales expansivos medios (1 a 5% de expansión libre y presión
de expansión en el rango de 1 a 2 kg/cm2).
Para permitir en estos casos la concentración de tensiones aplicadas en las
zapatas individuales se requiere descalzar las vigas de fundación, esto es dejar
un espacio vacío bajo éstas.
De todas formas, algunos investigadores como Peck entre otros, han señalado
además que la expansión del suelo sólo se puede impedir en una zona localizada
bajo la zapata donde se concentran las tensiones inducidas por la fundación.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
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El Caso De Las Losas De Fundación.
El comportamiento de las losas de fundación (o plateas) construidas sobre suelos
expansivos, puede considerarse un problema de difícil control y aún no resuelto
para todos los casos.
En esta categoría están comprendidas las losas de piso interiores, las exteriores,
los pavimentos, etc.
En general estas losas no soportan una carga aplicada importante y los pesos
propios son también bajos. En consecuencia, es esperable que se produzcan
movimientos cuando aumenta el contenido de humedad en el subsuelo bajo la
losa y por lo tanto, esta consideración debiera ser un requisito de diseño.
Además los movimientos de estas losas no sólo pueden traducirse en fisuras sino
que en muchos casos pueden afectar la estabilidad general de la estructura.
En general, las losas van directamente apoyadas sobre el subsuelo y se
construyen incorporando algún tipo de armadura, dependiendo de las cargas
aplicadas.
Más que nada la disposición de estas armaduras tiende a prevenir las fisuraciones
de origen térmico, pero no así las causadas por la expansión del suelo.
De allí las dificultades que se presentan cuando son implantadas sobre subsuelos
con potencial expansivo entre moderado y alto.
El desarrollo de sistemas de pisos económicos capaces de revertir el problema de
la expansión ha sido desde siempre un objetivo común de ingenieros estructurales
y de suelos.
Lamentablemente no es aún posible dar una respuesta totalmente eficaz a este
tema.
Algunas de las alternativas actuales incluyen los sistemas de pisos nervados y los
pisos con cavidades. Comentaremos brevemente a continuación sus principales
características.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
85 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
4.7.4. TECNICAS DE MEJORAMIENTO DE UN SUELO LICUABLE
Métodos para contrarrestar la licuación
1. Pilotes de desplazamiento
2. Estabilización por inyecciones
3. Micropilotes
4. Muro de micropilotes en forma de retícula
5. Compactación dinámica
6. Vibratorio
Pilotes de desplazamiento. Se utilizan para lograr la densificación por medio
del desplazamiento lateral durante la instalación; se han utilizado de madera,
concreto y acero. Otro tipo de desplazamientos es hincar un ademe con punta
perdida y rellenarlo de arena
Estabilización por inyecciones. Se utiliza cemento micro-fino o silicato de
sodio y se penetra en los poros del suelo. En general el D15 del suelo debe de
ser mayor al Dxs de la mezcla. Es difícil penetrar suelos que tengan de un 15-20
% de finos.
El método consiste en hincar tubería de 5 cm. de diámetro hasta la profundidad
deseada y en cuanto se llega al punto óptimo se retrae el ademe 30 cm. y se
forma un bulbo de mortero sucesivamente hasta formar un columna. Los puntos
se pueden instalar en una cuadricula de 1.5-2.75 m; cuando los suelos están
muy sueltos se puede hacer puntos secundarios y terciarios. Se puede llegar a
tener volúmenes de inyección que oscilan entre 5 y 15 % del volumen total del
suelo tratado.
Productos químicos. Esta se hace bajo presión de lechadas de baja viscosidad
en suelos granulares, se produce una masa cementada de suelo, con resistencia
similar a las areniscas. Se pueden utilizar activamente para prevenir pérdida de
soporte en excavaciones y túneles; o para minimizar asentamientos de
estructuras y tuberías cercanas a la construcción de excavaciones o túneles.
Compactación. Utiliza un mortero de cemento y arena de bajo revenimiento,
formando bulbos de mortero que desplazan y densifican el suelo. Dada la
existencia de equipo compacto, esta técnica es ideal para corregir asentamientos
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
86 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
de estructuras existentes causados por suelos o rellenos granulares sueltos o
terrenos cársticos.
Encapsulamiento. ("soilfrac Groutings"). La misma lechada de cemento induce
fracturas en la masa del suelo de manera controlada Se requiere de un monitoreo
constante de las presiones y volúmenes inyectados para asegurar que las
fracturas inducidas sean locales y que quedan totalmente llenas de lechada El
proceso se repite varias veces para lograr reforzar arcillas blandas. Se utiliza un
barreno helicoidal hueco para bombear lechadas de cemento y agua, y
mezclarlas con el suelo logrando resistencias de aproximadamente 15Kg/cm2.
Los barrenos tienen Im de diámetro y alcanzan una profundidad de 35m.
Para suelos expansivos. Los métodos con cal o potasio son efectivos para
contrarrestar bufamientos en arcillas expansivas. Dichas técnicas son utilizadas
para estabilizar cimentaciones, terraplenes y carreteras.
Materiales. Bajo esta técnica se forman cilindros o paneles de suelo-cemento
de baja permeabilidad y geometrías diversas; para remplazar los suelos
licuables, problemas de asentamientos o flujo de aguas subterráneas. Se utiliza
chorro de agua a presión (500 kg/cm2) para cortar el suelo y mezclarlo con
cemento, con una resistencia de hasta 175 kg/cm . Este método se utiliza en
estructuras existentes de difícil acceso.
Micropilotes. Se utilizan en estructuras ya construidas, como en puentes y
edificios que han sido modificadas sus estructuras o han sufrido daños por
sismos o asentamientos, llegan a tener diámetros de 8-25 cm. y pueden ser
instalados en lugares de acceso restringido y en el interior de estructuras. Las
cargas se transmiten por fricción y por punta, los valores máximos en las pruebas
son de hasta 350 Tm.
Muro de micropilotes en forma de retícula. Sirven para evitar la inclinación de
suelos y rocas se empotran en los muros, resisten cargas, trabajan a tensión y a
compresión, también en combinación con anclas en los suelos, y sirven para
reforzar construcciones como si fueran vigas y quedan enterrados.
Compactación dinámica. Se utiliza para densificar suelos licuables en áreas
con accesos libres dejando caer pesos de 10-30 Tm, desde una altura de 15-35
m usando grúas modificadas. La profundidad máxima puede oscilar entre 10-15
m. Para poder obtener valores del 70-80 % aplicando fuerzas de 200-700 Tm/m^.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
87 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
Para calcular la energía total de impacto se utilizan los siguientes parámetros:
peso, altura de caída, número de caídas en cada punto y espaciamiento entre
puntos de compactación.
Vibratorio. Son los que más se utilizan para prevenir la licuación y mejorar el
comportamiento sísmico de los suelos. Los vibradores tienen de 30-45 cm. de
diámetro y de 3-5 m de longitud.
Las vibraciones son generadas cerca de la punta del vibrador y son producidas
mediante la rotación de pesos excéntricos alrededor de un eje, alimentados por
un motor eléctrico o hidráulico. Los vibradores alcanzan los 165 Hp, más de 20
Tm de fuerza centrifuga y operan con frecuencias de 20-50 Hertz. Para alcanzar
mayores longitudes, se le añaden tubos de extensión y han llegado hasta 40 m.
Los métodos vibratorios se dividen en:
Vibro-compactación Se lleva a cabo en arenas limpias que contienen menos
de 10 % de finos. Se hace con el fin de incrementar la densidad del suelo en sitio
y se logra por medio de espaciamientos de 2.3-3.5 m. Para la densificación se
puede utilizar arena de relleno u otro material. El suelo vibro-compactado
presenta asentamientos menores, incremento en la capacidad de carga y
disminución del riesgo de licuefacción en áreas sísmicas.
Vibro-dotación Es cuando se utiliza en los primeros 10-15 m.
Vibro-sustitución. Se utiliza en arenas limosas, limos licuables o depósitos de
arenas con capas de arcilla intercaladas. Se utiliza grava como material de
relleno y se forman columnas que compactan y refuerzan el suelo. Además las
columnas actúan como drenes verticales que disipan las presiones de poros
causadas por daños estructurales o sísmicos.
CIMENTACIONES EN SUELOS DIFICILES EN LAS EDIFICACIONES DEL PERÚ
88 FACULTAD DE INGENIERIA - UPLA
CONCLUSIONES
Al final de esta investigación llegue a identificar los tipos de cimentaciones y de suelos, así como las propiedades de estos y como actúa el suelo como elemento portante de las cimentaciones. Pude analizar las cargas que transmite la cimentación a las capas de terreno, causando tensiones y a su vez deformaciones. Por lo tanto identifique porque se ve afectado la conducta del suelo bajo las cargas de tensión. Aprendí las funciones de las cimentaciones y como estas constituidas. Conocí la diversidad de suelo en Perú, y los métodos para identificarlos.
También estudie las propiedades más relevantes del suelo para la ingeniería. Podre concluir porque interviene el tipo de suelo al construír una cimentación, y los pasos para el diseño de estas. Examine el hundimiento del suelo debido a la cimentación, y cuáles son las fuerzas que actúan en él. La capacidad de carga o apoyo es una característica de cada sistema de suelo-cimentación, y no sólo una cualidad intrínseca del suelo. Los distintos tipos de suelo difieren en capacidad de carga, pero también ocurre que en un suelo específico dicha capacidad varía con el tipo, forma, tamaño y profundidad del elemento de cimentación que aplica la presión.
A menudo cuando ocurre un desastre, los problemas en cimentaciones coloca a los propietarios, proyectistas y constructores en la posición de adversarios. Casi siempre cualquier esfuerzo de solución es orientado hacia la protección de intereses económicos o prácticos lo que no siempre conduce a una buena determinación de las causas reales de la falla y menos a su adecuada solución, más aún cuando existe la influencia política, que en nuestro medio muchas veces se ha dado, orientando a la opinión pública hacia causas o hechos que justifican una mala ejecución de la obra o que enmascaran vicios de construcción.
Las fallas en estas cimentaciones de suelos difíciles se esconden o no son divulgadas técnicamente por temores inherentes a posiciones administrativas o políticas de los funcionarios responsables, evitando tomar en cuenta el antecedente para el diseño y construcción de obras futuras similares, aumentando enormemente la posibilidad de una repetición catastrófica de errores previos.
Nosotros los Ingenieros Civiles podemos prevenir las fallas que ocurren en las cimentaciones si nos comprometemos a un formal acercamiento al problema y si podemos comprender bajo que circunstancias fallan los suelos permitiendo que se desarrollen condiciones de riesgo que resultan muchas veces después de catástrofes.
Esto ha sido el principal objetivo de este trabajo tomando en consideración además que los análisis de confiabilidad y riesgo geotécnico son potencialmente más valiosos durante las primeras etapas de un proyecto de ingeniería, dado a que la decisión de proceder o no, ayudando a establecer criterios de diseño adecuados en los casos de apoyo en los suelos críticos del país.
Siempre será útil mantener la continuidad entre el planeamiento, el diseño y la construcción que deben formar un solo proceso ya que algunas debilidades que existieran durante el diseño pueden hacerse latentes durante la construcción y las hipótesis de trabajo pueden modificarse para amoldarse mejor a la realidad del comportamiento del suelo, sea colapsable, expansivo o de cualquier otra tipo.
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Hacer uso de la observación y la comprobación de las predicciones, utilizando las experiencias pasadas y los métodos probados de solución que vienen a ser una necesidad en la práctica de la ingeniería del futuro, dado a que las ingenieros civiles debemos proyectar obras estables y económicas, considerando las necesidades interactuantes del medio ambiente y los limitados recursos económicos que disminuyen actualmente, todo lo cual impone a nuestra profesión la obligación de ejecutar buenos proyectos apoyados en estudios técnicamente bien ejecutados, por profesionales idóneos y con la experiencia necesaria para re
Los problemas que se presentan en estructuras de suelos en el Perú debido a la erosión de suelos dificiles, datan de los inicios de las edificaciones; desde entonces los estudios se han enfocado en la estabilización de este fenómeno, por medio de técnicas de mejoramiento de estos tipos de suelos.
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Recomendaciones
Sugerimos, además, que dentro de la temática de las materias que tratan sobre los suelos, sean abarcados los fenómenos de erosión de suelos difíciles, y así, ampliar el perfil profesional de los próximos ingenieros civiles.
El comportamiento mecánico de los suelos peruanos es complejo y dar un concepto adecuado sobre el tipo de cimentación a implementar en cualquier proyecto ingenieril debe tener un minucioso estudio que garantice la seguridad de la estructura, por ende se recomienda que tanto comprender la funcionalidad del elemento de fundación con base en una completa exploración geotécnica, como hacer un buen análisis de resultados por distintas metodologías de pruebas de carga, permitirá determinar una capacidad última o admisible acertada que brinde en el ejercicio del diseño una mejor precisión.
Para realizar la evaluación del potencial de licuación es necesario disponer de toda la información posible acerca de las características de los suelos estudiados, para lo cual es necesario recopilar los estudios existentes realizados por instituciones públicas y empresas privadas y además realizar sondajes de exploración de campo en aquellos lugares donde se carezca de información.
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