TRABAJO DE INVESTIGACION CARACTERIZACION DE LA ARCILLA EXPANSIVA.pdf

8/16/2019 TRABAJO DE INVESTIGACION CARACTERIZACION DE LA ARCILLA EXPANSIVA.pdf

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE GUERRERO

UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA

TRABAJO DE INVESTIGACIÓN

“CARACTERIZACIÓN DE LA ARCILLA EXPANSIVADEL ÁREA QUE OCUPA LA BIBLIOTECA DE LA

UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA DE LA UAGRO”

QUE PRESENTA

WUILVER RAMÓN OJEDA BARRIOS

PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO CIVIL

DIRECTOR DE TRABAJO DE INVESTIGACIÓN

M. en C. TANIA IVONNE AYALA IBARRA

CHILPANCINGO, GUERRERO, MARZO DE 2012


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D E D I C A T O R I A S

A Dios:

Por darme la oportunidad de estar en este mundo.

A mi Madre:

La mujer que me dio la vida, gracias a su sacrificio, esfuerzo y trabajo; hoy uno de missueños se ha convertido en realidad. Gracias por guiarme siempre por el caminocorrecto de la vida, por el apoyo incondicional que me brindas, por confiar en mí. Poresto y muchas otras cosas más, muchas gracias, mamá.

A mi Padre:

Gracias por el apoyo y las enseñanzas que me brindas; por estar siempre en losmomentos más difíciles y por los ánimos que siempre me das, quiero que sepas queeste logro también es tuyo, sabia que al final no me podías fallar. Muchas gracias papá.

A mis Hermanos:

Gracias por el apoyo moral que siempre me brindan, los quiero mucho.

A mis Sobrinos:

Una motivación más en mi vida para seguir siempre adelante.

A mis Amigos:

No podía olvidarme de las amistades que hice en la UAI, en especial a Aline, José,Graciela del Rosario y Humberto Eduardo. Gracias por compartir momentos de tristezay alegría, indudablemente los mejores amigos, siempre les estaré muy agradecido portodo, por siempre los recordare.

Y a todas aquellas personas que me dieron su apoyo y consejos.


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A G R A D E C I M I E N T O S

A la Universidad Autónoma de Guerrero y a la Unidad Académica de Ingeniería

Por darme la oportunidad de continuar con mis estudios y cobijarme en sus aulas

durante estos años, para mi formación profesional.

Al Director de Trabajo de Investigación:

M. en C. Tania Ivonne Ayala Ibarra

Por brindarme la oportunidad de realizar este trabajo de investigación, por su pacienciay tiempo dedicado en la revisión de cada uno de los capítulos, por sus valiosasasesorías y su apoyo para el término del mismo. Muchas gracias.

Al Jurado Revisor Designado:

Dr. Sulpicio Sánchez TizapaM. en C. Adelfo Morales LozanoM. en C. Víctor Hugo Muñoz GarcíaM. en I. Gaudencio Luis Trujillo Martínez

Por su paciencia y tiempo en la revisión de este trabajo de investigación y por susvaliosos comentarios y sugerencias para el mejoramiento del mismo. Muchas gracias.


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CONTENIDO

P GINAINTRODUCCI N……………………………………………….……………………..... 1

JUSTIFICACI N…………………………………………………………………….... 2

ALCANCES…………………………………………………………………………...... 2OBJETIVO GENERAL………………………………………………………………… 2

OBJETIVOS ESPEC FICOS………………………………………………………….. 2

CAP TULO I. MARCO TE RICO E HIP TESIS

I.1. Estado del arte………………………………………….…………..……. 3

1.2 Hipótesis…………………………………………………………………… 6

I.3. Suelo expansivo………………………………………….…………..……. 6I.3.1. Estructura reticular de los minerales arcillosos…………….………..… 6

I.4. Zonas en que se presentan los suelos expansivos…..…..................... 8

I.5. Distribución de suelos expansivos en la República Mexicana.……… 9

I.6. Factores que influyen en el comportamiento del suelo expansivo….... 11

I.7. Perfil típico de un suelo expansivo…………………….………..…..….. 15

I.8. Zona activa………………………………………….................................. 15

CAP TULO II. CRITERIOS DE IDENTIFICACI N DE SUELOS EXPANSIVOS

II.1. Criterios de identificación de campo……………..………..…………….. 17

II.1.1. Apariencia…………………………………………………..………..…… 17

II.1.2. Inspección de las estructuras existentes……….……………….….…… 17

II.2. Criterio mineralógico de identificación……..……..…………….…......... 18

II.3. Criterios de identificación indirectos…………..……………………...…. 18

II.3.1. Criterio Holtz y Gibbs (1956)…..…….…………………………..……….. 19II.3.2. Criterio Altmeyer (1995)……….………..…............................................ 19

II.3.3. Criterio Abduljauwad y Al-Sulaimani………..…….…………………....... 19

II.3.4. Criterio del Bureau of Reclamation de los Estados Unidos

(Correa, 1976)…………………………………………..………....……… 20

II.3.5. Criterio de Chen (1975)…………… ……………………….………...… 21


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II.3.6. Criterio de Raman (1967)…………… ……………….…………………... 21

II.3.7. Criterio de Vijayvergiya y Ghazzaly (1973)…….…… ………………… 21

II.4. Criterios de identificación directos…………………...………………… 25

CAPÍTULO III. TRABAJO EXPERIMENTAL

III.1. Zona de estudio………………………………......………………….…… 29

III.1.1.Datos de precipitación y evaporación……………………....……….…… 30

III.1.2.Geología…………………………………………………………………… 31

III.2. Caracterización del sitio…………………...…………..………..……… 31

III.2.1.Exploración y muestreo………………………………………….……..… 31

III.2.2. Pruebas de laboratorio……………………………… .…….……………. 35

III.2.3.Resultados………………………………………………… .……….……… 36III.2.4.Perfil estratigráfico…………………………………………..…….……… 39

III.3. Presión de expansión…………………………………………………….. 39

III.3.1.Descripción del equipo y procedimiento de ensaye……………..…… 39

III.3.2.Determinación de la presión de expansión…………………………….. 40

III.3.3.Resultados……………………………………… .…………………………. 41

CAP TULO IV. AN LISIS DE RESULTADOS

IV.1. Situación actual de la Biblioteca de la

Unidad Académica de Ingeniería………………………………..…….…. 46

IV.2. Elementos que influyen en la expansión del suelo……………..……… 49

IV.3. Caracterización del suelo expansivo……………………………..……. 50

IV.4. Predicción de la expansión…………………………..……………….….. 59

IV.5. Recomendaciones………………………………………………………… 61

CONCLUSIONES…………………………………………………………………..… 65

REFERENCIAS…………………………………………………………………………. 67

LISTA DE TABLAS, FIGURAS Y FOTOGRAFIAS………….…………………… 69

ANEXOS……………………………………………………………………………….... 73


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INTRODUCCIÓN

Al sur de la ciudad de Chilpancingo de los Bravo, Guerrero, específicamente en CiudadUniversitaria, se tiene el antecedente de la presencia de suelos expansivos, en estetrabajo se analiza el comportamiento del suelo sobre el cual se encuentra cimentada

actualmente la Biblioteca de la Unidad Académica de Ingeniería, que presenta diversasfallas en su estructura.

En la zona de estudio, se llevó a cabo un sondeo Pozo a Cielo Abierto (PCA), deaproximadamente 1.90 m de profundidad, del cual se extrajeron dos muestras alteradase inalteradas, a 0.50 m y 1.50 m, encontrando a 0.70 m un espesor de 0.60 m dematerial inerte para mejorar las condiciones del terreno.

Las muestras alteradas se emplearon para determinar las propiedades índice, con el finde identificar y clasificar las características expansivas del suelo, de acuerdo a loscriterios indirectos existentes en la literatura.

Por otra parte, a las muestras inalteradas se les determinó sus propiedades mecánicas,con el propósito de conocer la presión de expansión y porcentaje de expansión; paradeterminar estos parámetros, se emplearon los métodos estandarizados A y B de lanorma, ASTM D 4546-96, Standard Test Methods for One-Dimensional Swell orSettlement Potential of Cohesive Soils, a partir de pruebas en el consolidómetro. Lasmuestras se ensayaron con su contenido de agua natural y se emplearon otras secadaspreviamente, hasta un contenido de agua cercano al límite de contracción.

Posteriormente, se seleccionó un espécimen de cada profundidad ensayado por elmétodo B, para comparar la presión y porcentaje de expansión con los criterios

indirectos y poder definir si la utilización de estos métodos es confiable.Finalmente, se realizó un análisis de la predicción de expansión empleando el métodopropuesto por Nelson y Miller (1992) y de acuerdo a lo obtenido del estudio se hacenlas recomendaciones necesarias.


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JUSTIFICACIÓN

En la actualidad hay varias zonas de la República Mexicana con presencia de arcillasexpansivas, dentro de éstas se encuentra la Ciudad de Chilpancingo de los Bravo,Guerrero. Debido a éste tipo de arcillas se han tenido pérdidas millonarias en lareparación y reconstrucción de estructuras cimentadas sobre estos suelos,

principalmente cuando se trata de estructuras ligeras, como el caso de la Biblioteca dela Unidad Académica de Ingeniería de la UAGRO, la cual presenta agrietamientos en suestructura, producto del levantamiento ejercido por el suelo expansivo, cuyo volumencambia debido a las variaciones del contenido de humedad y no por el resultado de unalivio de esfuerzos.

ALCANCES

Es necesario conocer las propiedades físicas y mecánicas del suelo expansivo, paraello se realiza un Pozo a Cielo Abierto (PCA), al lado de las instalaciones de la

Biblioteca de Unidad Académica de Ingeniería, para obtener muestras alteradas einalteradas a 0.50 m y 1.50 m de profundidad.

OBJETIVO GENERAL

Obtener la caracterización de la arcilla expansiva del área que ocupa la Biblioteca de laUnidad Académica de Ingeniería de la UAGRO, para conocer su comportamientomecánico.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Identificación de la arcilla expansiva, aplicando criterios y métodos de laboratorioestablecidos.

2. Llevar a cabo un análisis de resultados con métodos que toman en cuenta elcomportamiento expansivo del suelo.

3. Plantear propuestas de solución al problema del agrietamiento de la Bibliotecade la Unidad Académica de Ingeniería de la UAGRO.


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CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO E HIPÓTESIS

I.1. Estado del arte

En la actualidad, la construcción de todo tipo de obras civiles, requieren un buen control

de calidad en todas sus etapas, tanto en diseño como construcción, por lo cual esnecesario conocer las propiedades y el comportamiento de los diferentes materialesempleados, entre los cuales se encuentra el suelo, material de construcción másantiguo y complejo debido a su gran diversidad y características, las cuales, se venafectadas por diversos factores, que dan lugar a fenómenos como la expansión de lossuelos.

Se estima que los daños anuales atribuidos a movimientos de los suelos expansivosresultan del orden de 2,255 millones de dólares en Estados Unidos, Jones y Holtz(1973), más del doble de daños causados por desastres naturales; Krohn y Slosson(1980), estimaron que cada año en ese país se dedican 7, 000 millones de dólares

como resultado de los daños en todo tipo de estructuras construidas sobre estossuelos, lo cual podría ser evitado reconociendo el problema a tiempo e incorporandomedidas preventivas apropiadas en el diseño, construcción y mantenimiento de lasestructuras.

Con el desarrollo de obras de infraestructura y el crecimiento de las zonas urbanas seha puesto en evidencia la importancia del problema referente a los suelos expansivos,pues nos encontramos con frecuencia con este tipo de suelos; lo que ha motivado aque los países desarrollados que lo padecen, dediquen recursos y esfuerzos tendientesal avance del conocimiento de las propiedades índice y mecánicas, así como también ala búsqueda de procedimientos constructivos más aconsejables para garantizar el buen

comportamiento de las obras que realizan.En consecuencia, a partir de mediados del siglo pasado se identifican los primerosesfuerzos de los ingenieros geotecnistas para abordar la problemática relativa a lossuelos expansivos, ello se observa a través de una serie de conferencias y congresosque toman como tema principal, o como parte del evento dicho problema, teniendo laprimera en su tipo en 1965, en College Station, Texas.

Sin embargo, el Bureau of Reclamation de los Estados Unidos (1938), fue el primero enreconocer el problema de expansión de los suelos, cuando intervino en el proyectoOwyhee en Oregón en la cimentación para un sifón de acero.

En México, se hace indispensable la asimilación de la tecnología y conocimientos a finde mejorar el desempeño de los ingenieros civiles y los especialistas en mecánica desuelos, pues se tienen identificados asentamientos humanos sobre arcilla expansiva yal no contar con investigación, normatividad y técnicas para realizar diseños másadecuados se seguirán presentando problemas en las estructuras.


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Por consiguiente, en el país, instituciones como la Universidad Autónoma de Querétaro,inicia en 1983 una línea de investigación encauzada en atender la problemáticagenerada por suelos expansivos en varias regiones del país, otras instituciones que hanabordado el tema mediante investigaciones muy valiosas son, la Universidad Nacional

Autónoma de México y el Instituto Politécnico Nacional.

Particularmente en el Estado de Guerrero, la Universidad Autónoma de Guerrero através de la Unidad Académica de Ingeniería, ha desarrollado algunas investigacionesencaminadas a entender el comportamiento de los suelos expansivos y a darsoluciones pertinentes que ayuden al constructor a contrarrestar los efectos de estossuelos, en la zona.

Se tiene identificado que en la capital del Estado de Guerrero, Chilpancingo de losBravo, existe la presencia de los suelos expansivos al sur de la ciudad, específicamenteen Ciudad Universitaria donde se observa el agrietamiento del suelo en temporada desequia, daños en pavimentos, banquetas, bardas y principalmente se observan dañosen las estructuras ligeras, recientes investigaciones confirman nuevas zonas con estetipo de suelos, entre las cuales se encuentran la colonias Agua Potable, Villa Moderna yel Fraccionamiento Bosques del Sur. En los párrafos siguientes se presenta una brevedescripción de trabajos desarrollados que abordan la problemática.

González, (1979) desarrolló el trabajo “Generalidades sobre suelos expansivos y losproblemas que causa”, en el cual se describen varios criterios para determinar demanera indirecta si el suelo es expansivo o no, así mismo, relata pruebas de laboratoriopara evaluar el grado de expansión y proporciona recomendaciones para solucionarproblemas causados por este tipo de suelos.

Galindo, (1983) realizó el trabajo “Estudio de laboratorio en arcillas expansivas del áreade Ciudad Universitaria en Chilpancingo, Gro.”; el cual esta basado en la observación

de fallas estructurales, grietas y cuarteaduras, en edificios de dos y tres niveles,banquetas, muros perimetrales y pisos, llegando asegurar en aquel entonces que el70% de las construcciones de dicha área presentan al menos alguna falla de este tipo.Se realizaron tres sondeos Pozo a Cielo Abierto denominados 001 Leyes, 002Economía y 003 Jardín Botánico, a profundidades de 2.10 y 2.00 m. Para laidentificación y clasificación de estas arcillas se utilizó el criterio del Bureau ofReclamation de los Estados Unidos y el criterio de Holtz y Gibbs. Para cada sondeo sedeterminó la presión de expansión, mediante el criterio de Vijayvergiya y Ghazzaly, losresultados obtenidos se muestran en la Tabla I.1.

Tabla I.1. Resultados obtenidos por Galindo, (1983)

Sondeo Clasificación SUCSPresión deexpansión

Grado deexpansión

001 Leyes Arcilla inorgánica de altaplasticidad CH, color gris

10 t/m2 Alto

002 Economía Arcilla inorgánica de altaplasticidad CH, color negro

3.9 t/m2 Medio

003 JardínBotánico

Arcilla inorgánica de altaplasticidad CH, color gris oscuro

48.5 t/m2 Muy alto


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Vázquez, (1986) presentó el trabajo titulado, “Cimentaciones en arcillas expansivas deCiudad Universitaria de Chilpancingo, Gro.”; el cual consistió en la revisión de lascimentaciones de los edificios, para ello utilizó los resultados del estudio realizado porGalindo, (1983) y propuso una serie de soluciones para contrarrestar la expansión delas arcillas dando soluciones técnicas, por otro lado mencionó la necesidad dereglamentar las construcciones implementando medidas técnicas y la realización de

pruebas de mecánica de suelos, sobre todo para construcciones ligeras y evitar asípérdidas económicas.

Villa, (2007) realizó un estudio sobre el “Comportamiento de las arcillas expansivasubicadas al sur de la Ciudad de Chilpancingo, Guerrero”; para ello identificó tres sitios,donde se realizaron Pozos a Cielo Abierto de 2.00 m de profundidad y se extrajeroncuatro muestras alteradas a intervalos de 0.50 m y una inalterada; a cada muestra se ledeterminaron sus propiedades índice, para clasificar del grado de expansión de lamuestras de acuerdo a los criterios propuesto por: Abduljauwad y Al – Sulaimani,Bureau of Reclamation de los Estados Unidos, Altmeyer, Chen y Raman. A lasmuestras inalteradas se les determinó la presión de expansión, mediante el ensayepropuesto por la Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería deCimentaciones, se colocarón tres especímenes en el consolidómetro aplicándoles cargade 2.26 t/m2, 4.54 t/m2 y 9.06 t/m2, los resultados se compararon con el criterio deVijayvergiya y Ghazzaly. Por último, se propuso una metodología para diseñarcimentaciones en suelos expansivos, la Tabla I.2., muestra los resultados obtenidos.

Tabla I.2. Resultados obtenidos por Villa, (2007)

SondeoClasificación

SUCSPresión deexpansión

Grado deexpansión

PCA-1 Arcilla de alta

compresibilidad CH8.54 t/m2 Alto

PCA-2 Arcilla de altacompresibilidad CH 7.47 t/m2 Alto

PCA-3 Arcilla de alta

compresibilidad CH4.43 t/m2 Alto

Villa y Reyes, (2011) desarrollaron el trabajo de investigación sobre “AspectosGeotécnicos de estructuras cimentadas en suelos expansivos (Parte 2 Sección 3) deChilpancingo de los Bravo, Guerrero”, para ello determinaron las propiedades índice ymecánicas de los suelos que predominan en las Colonias Villa Moderna, Agua Potabley el Fraccionamiento Bosques del Sur; la presión de expansión del suelo se obtuvo porel método de expansión unidimensional propuesto por la Sociedad Internacional de

Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones y fue del orden de 7 a 19 t/m

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. Asímismo se realizó un análisis del estado de tres viviendas, llegando a la conclusión deque las grietas presentes en su estructura fueron originadas por la presencia de laarcilla expansiva de la zona, razón por la cual se realizaron las recomendaciones desolución para contrarrestar dichos daños.


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De acuerdo a estos trabajos realizados, se admite la presencia con seguridad de lossuelos expansivos en Ciudad Universitaria, las colonias Agua Potable, Villa Moderna yel Fraccionamiento Bosques del Sur; a pesar de ello no se han tomado las medidasnecesarias, para prevenir la acción de estos suelos.

1.2. HipótesisCuando la presión de expansión ejercida por el suelo es mayor que la de la estructura,ésta sufrirá un levantamiento, originándole grietas y con el paso del tiempo se vadeteriorando hasta convertirse en un riesgo.

En ocasiones se pretende mitigar el levantamiento de la estructura colocando una capade material inerte, sin embargo, a veces el espesor de este estrato no es suficiente, yaque no se realiza el análisis tomando en cuenta el comportamiento expansivo del suelo.

I.3. Suelo expansivo

Los suelos expansivos son un fenómeno que se origina en un material arcilloso conestructura reticular de tipo montmorilonita y un clima semiárido, donde laevapotranspiración potencial media anual es mayor que la precipitación media anual,Zepeda y Castañeda (1987), este suelo es susceptible de sufrir cambios volumétricospor cambios de humedad, se contraerá cuando el contenido de humedad disminuya yse expandirá cuando el contenido de humedad se incremente.

La historia de los suelos expansivos comenzó hace millones de años en las áreas devulcanismo, la ceniza fue depositada en aguas poco profundas y formó unasolidificación de arcilla rica en montmorilonita.

Los minerales de arcilla son el producto de la alteración química de las rocas y estánconstituidos principalmente por silicatos alumínicos, en los que frecuentemente laalúmina es reemplazada en parte por hierro, magnesio, potasio, sodio y litio. Losminerales de arcilla ocurren en placas, aunque en algunos casos presenta forma tubularo fibrosa, dependiendo del mineral que los constituya.

El comportamiento físico-químico y mecánico de los suelos expansivos, dependeprincipalmente de su estructura reticular, esta se clasifica en tres grupos básicos:caolinitas, ilitas y montmorilonitas.

I.3.1. Estructura reticular de los minerales arcillosos

Caolinita: presentan una estructura formada por una lámina silícica y otra alumínica, launión entre las retículas son lo suficientemente firmes para no permitir el paso demoléculas de agua entre ellas, lo que se traduce en una relativa estabilidad conpresencia del agua, Figura I.1.


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Figura I.1. Estructura reticular de tipo caolinita

Ilita: contiene una estructura combinada de una lámina de aluminio colocada entre dosláminas silícicas, la unión de las retículas son más estables que la de la montmorilonita,

debido a la presencia de iones de potasio los cuales ocupan un área y el área deinfluencia del agua se ve reducida, es de expansión menor a la montmorilonita, FiguraI.2.

Figura I.2. Estructura reticular de tipo ilita

Montmorilonita: este tipo de estructura es responsable de los daños debido a laexpansión. La montmorilonita (o esmectita) está formada por una lámina alumínicaentre dos silícicas, cuyos enlaces estructurales son causadas por fuerzas Van Der

Waals, dichas fuerzas son débiles pues al agregar agua a las arcillas conmontmorilonita, las moléculas de agua fácilmente son absorbidas hacia las fisuras entreplacas de arcilla, cuanto más agua es absorbida, las placas son forzadas a apartarsemás lejos, conduciendo a un incremento en la presión del suelo o una aumento devolumen, Figura I.3.

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Illstruc.jpg


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Figura I.3. Estructura reticular de tipo montmorilonita

En realidad, los suelos arcillosos experimentan variaciones volumétricas según elcontenido de humedad, relacionadas con las variaciones de presión de poro y con losesfuerzos efectivos. Estas variaciones serán más importantes cuanto mayor sea laproporción de partículas inferiores a 2µ y también a medida en que sea más activa laespecie mineralógica componente de esta fracción.

Donaldson (1969), clasificó en dos grandes grupos los materiales que pueden darorigen a los suelos expansivos; el primer grupo comprende las rocas ígneas básicas,como los basaltos y los gabros.

En los suelos expansivos los minerales como el feldespato y el piroxeno de la roca

madre, se descomponen para formar la montmorilonita y otros minerales secundarios,el ambiente para llevar a cabo esta formación es alcalino con carencia de lixiviación,esta condición es favorecida en las regiones donde la evapotranspiración excede a laprecipitación, por lo tanto los suelos potencialmente expansivos abundan en regionessemiáridas con lluvias moderadas y en regiones con temporadas de lluvias y de secasbien marcadas.

El segundo grupo comprende las rocas sedimentarias que contienen montmorilonitacomo constituyente, las cuales se desintegran mecánicamente para formar suelosexpansivos.

I.4. Zonas en que se presentan los suelos expansivos

Los suelos expansivos se presentan en regiones con depósitos de arcilla donde ocurrenvariaciones significativas de humedad, en la zonas como las monzónicas, conestaciones muy diferentes y en zonas semidesérticas en las cuales se alternanextensas temporadas de sequia con pequeños periodos de precipitación.


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En especial, los suelos expansivos se encuentran en zonas semiáridas de las regionescon clima templado y tropical; las regiones áridas y semiáridas en el mundo constituyenun tercio de la superficie de la tierra. Algunos países que padecen el problema de lasarcillas expansivas son: Canadá, Estados Unidos, Venezuela, Colombia, Costa Rica,Ecuador, Perú, Argentina, Brasil, Cuba, Angola, Mozambique, Kenia, Marruecos,Ghana, Israel, Turquía, Irán, Irak, India, Australia, México y en Europa parece que el

único país con problemas graves es España, Chen (1975), Figura I.4.

Figura I.4. Distribución de los suelos expansivos modificado de G.W. Donaldson, (1969)

I.5. Distribución de suelos expansivos en la República Mexicana

En México, se han encontrado indicios de la presencia de suelos expansivos en variosEstados, como Querétaro, Guanajuato, Michoacán, Tamaulipas, Morelos, BajaCalifornia Norte, Veracruz, Chiapas, Campeche, Sonora, Sinaloa y Guerrero, lo cual hasido expuesto en diversas Reuniones Nacionales de Mecánica de Suelos, de hecho setiene identificado que 12% del territorio nacional corresponde a este tipo de suelos.

En dichos estados, se han observado estructuras dañadas afectando la apariencia deéstas, específicamente en ciudades como Mexicali, Tijuana, Tuxtla Gutiérrez, CiudadJuárez, Chihuahua, Durango, Celaya, Irapuato, León, Salamanca, Tula, Morelia,Guadalajara, Cuernavaca, Querétaro, Culiacán, Los Mochis, Cd. Obregón, Hermosillo,Navojoa, Cd. Victoria, Matamoros, Nuevo Laredo, Reynosa, Soto la Marina yChilpancingo.

En estas ciudades, la evaporación potencial media anual excede la precipitación mediaanual, lo que contribuye a la formación de los suelos expansivos, indudablemente, esde esperarse que en otras ciudades y lugares cercanos se presente el mismo problema;


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por otro lado, el crecimiento de la población esta contribuyendo a proyectar sobre estetipo de suelos. Por lo cual se necesita del conocimiento sobre este fenómeno; enconsecuencia, se ha desarrollado un mapa producto de la investigacion acerca de estossuelos, donde se identifican las zonas con potencial de expansion, Figura I.5.

Figura I.5. Zonas potenciales de suelos expansivos en la República MexicanaZepeda y Castañeda, (1987)

Por otra parte también se ha elaborado una carta de plasticidad, en la cual seencuentran caracterizados los suelos expansivos de diversas ciudades del país, en laFigura I.6., se puede apreciar que la mayoría de estos suelos se localizan por encimade la línea A, así como bajo la línea U, definida por la ecuación:

IP= 0.9 (LL - 8) (I.1)

La mayor parte de estos suelos tienen alta compresibilidad y se clasifican como CH,aunque también se aprecia un número considerable pertenecientes al grupo CL, sinembargo, cada suelo tiene sus propias características y propiedades, solo las pruebasíndice podrán indicar su ubicación en la carta de plasticidad.


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Figura I.6. Carta de plasticidad de suelos expansivos de varias ciudades de la RepúblicaMexicana, Zepeda y Castañeda, (1987, 1992)

I.6. Factores que influyen en el comportamiento del suelo expansivo

El mecanismo de expansión de las arcillas expansivas es complejo y está influenciadopor un gran número de factores. La expansión es el resultado de cambios en elcontenido de agua en el suelo alterando el equilibrio interno de esfuerzos.

Varios de los factores que influyen en el mecanismo de expansión son afectados porpropiedades físicas de los suelos tales como la plasticidad o densidad. Los factores queinfluyen en el potencial de expansión-contracción de un suelo pueden ser consideradosen tres grandes grupos:

1. Las características del suelo, que influyen en la naturaleza de las fuerzasinternas, Tabla I.1.

2. Los factores ambientales, que intervienen en los cambios que ocurren en elsistema interno de fuerzas, Tabla I.2.

3. Y el estado de esfuerzos, Tabla I.3.

Las características del suelo pueden ser consideradas también como factoresmicroescala y/o macroescala, los primeros incluyen las propiedades mineralógicas yquímicas del suelo, los factores macroescala incluyen propiedades del suelo, como laplasticidad y densidad.


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Tabla I.3. Propiedades del suelo que influyen en el potencial deexpansión-contracción Nelson y Miller, (1992)

Factor Descripción Referencias

Mineralogía

Los minerales que típicamente causancambios en el volumen del suelo sonmontmorilonitas, vermiculitas y algunascapas de otros minerales mezclados. Lasilitas y caolinitas no son con frecuenciaexpansivas, pero pueden causar cambios devolumen cuando el tamaño de las partículases extremadamente fino (menos que undécimo de micra).

Grim (1968); Mitchell(1973, 1976);

Snethen et al. (1977)

Química delagua del suelo

La expansión es representada porincrementos en la concentración de catión y

un incremento en la valencia del catión.

Mitchell (1976)

Succión delsuelo

La succión del suelo es una variable deesfuerzo efectivo independiente,representada por la presión de poro negativaen suelos no saturados.

La succión del suelo está relacionada con elgrado de saturación, la gravedad, tamaño yforma de poro, tensión superficial ycaracterísticas químicas y eléctricas de laspartículas del suelo y agua.

Snethen (1980);Fredlund y

Morgenstern (1977);Johnson (1973);

Olsen y Langfelder(1965); Aitchison et

al. (1965)

Plasticidad

En general, los suelos que presentan un

comportamiento plástico en rangos ampliosde contenido de humedad y que tienenlímites líquidos altos tienen alto potencial deexpansión y contracción.

Nelson y Miller 1992

Estructura delsuelo

Las arcillas con estructura floculada tienden aser más expansivas que las arcillas conestructura dispersa. Las partículascementadas reducen la expansión. Laestructura es alterada por la compactación enaltos contenidos de agua o remoldeo. Se hademostrado que la compactación poramasado crea estructuras dispersas con un

potencial de expansión mayor que los suelosestáticamente compactados con bajoscontenidos de agua.

Jonhson y Snethen(1978); Seed et al.

(1962)

Densidad seca

La densidades altas indican espacios entrepartículas más cerrados, los cuales puedensignificar grandes fuerzas de repulsión entrepartículas y un mayor potencial de expansión.

Chen (1973);Komomik y David

(1969); Uppal (1965)


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Tabla I.4. Factores ambientales que influyen en el potencial deexpansión-contracción Nelson y Miller, (1992)


Condición inicialde humedad

Un suelo expansivo desecado tiene granafinidad por el agua, se encuentra a un altonivel de succión y es de alto potencialexpansivo. Recíprocamente, un suelohúmedo perderá agua más rápidamente si seexpone a agentes desecantes. Se contraemás que un suelo inicialmente seco.


Variaciones dehumedad

Los cambios de humedad en la zona activacerca de la parte superficial de un suelo,definen la expansión. Son estos estratos enlos que puede ocurrir una amplia variación en

la humedad y el volumen.

Jonson (1969)

Clima

La cantidad y variación de la precipitación yevapotranspiración tienen una gran influenciaen la disponibilidad de humedad yprofundidad de la fluctuación estacional de lahumedad. En climas semiáridos ocurrengrandes levantamientos estacionales que hanpronunciado cortos períodos de humedad.

Holland y Lawrence(1980)

Drenaje yfuentes de agua

hechas por elhombre

Las características del drenaje superficial,tales como el estancamiento de aguaalrededor de la cimentación de una casa conpendiente pobre, proporciona fuentes de

agua en la superficie. La fuga de una tuberíapuede permitir el acceso de agua a grandesprofundidades del subsuelo.

Krazynski (1980);Donaldson (1965)

Vegetación

Los árboles, matorrales y pasto desprendenhumedad del suelo a través de latranspiración causando que el suelo estéhúmedo diferencialmente en áreas devegetación variada.

Buckley (1974)

Permeabilidad

Los suelos con permeabilidades altas,particularmente debido a fisuras y grietas enla masa de suelo en el campo, permite unamigración más rápida de agua promoviendo

más rápido la expansión.

Wise y Hudson(1971); De Bruijin

(1965)

TemperaturaLos incrementos de temperatura causan lapropagación de humedad a áreas másfrescas debajo de pavimentos y edificios.

Jonson y Stroman(19796); Hamilton

(1969)


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Tabla I.5. Condiciones de esfuerzos que influyen en el potencial deexpansión-contracción Nelson y Miller, (1992)


Historia deesfuerzos

Un suelo preconsolidado es más expansivoque el mismo suelo en la misma relación devacíos, pero normalmente consolidado. Laspresiones de expansión pueden incrementarcon la edad de las arcillas compactadas,pero, se ha demostrado que la edad noafecta la cantidad de expansión bajo cargasligeras. El repetido secado y humedecimientotiende a reducir la expansión en muestras delaboratorio, pero después de cierto número

de ciclos de humedecimiento-secado, laexpansión es inafectable.

Mitchell (1976);Kassiff y Baker

(1971)

Condiciones insitu

El estado inicial de esfuerzos en un suelodebe ser estimado para evaluar las probablesconsecuencias de cargar la masa de sueloy/o alterar la condición de humedad yambiente dentro de ésta. Los esfuerzosefectivos iniciales pueden ser determinadosaproximadamente a través del muestreo ypruebas de laboratorio, o por mediciones yobservaciones.


Carga externa

La magnitud de la sobrecarga impuesta

determina la cantidad de cambio de volumenque ocurriría para un contenido de humedady densidad dado. Una carga aplicadaexternamente actúa para balancear lasfuerzas repulsivas interpartículas y reduce laexpansión.

Holtz (1959)

Perfil del suelo

El espesor y ubicación de capaspotencialmente expansivas en el perfil,influyen considerablemente en el movimientopotencial. Un gran movimiento puede ocurriren perfiles que tienen arcillas expansivasextendiéndose desde la superficie a

profundidades bajo la zona activa. Menosmovimientos ocurrirán si el suelo expansivoes sobreyacido por material no expandible osobreyace de un lecho de roca en unaprofundidad somera.

Holland y Lawrence

(1980)


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I.7. Perfil típico de un suelo expansivo

Los depósitos de suelos expansivos pueden variar desde materiales lacustres hasta loque aparentan consistencia de medianamente firme a firme, con capacidades de cargaadmisibles superiores a 100 kN/m2, su peso específico suele ser mayor que la mayoríade los suelos.

De acuerdo al Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS), la plasticidad delas arcillas expansivas las ubica la mayoría de las veces en el grupo CH. No debeolvidarse que al tratarse de suelos no saturados, al aumentar el contenido de agua de laarcilla, puede esperarse la pérdida de la cohesión aparente. El intemperismo y la faltade confinamiento afectan las paredes de las excavaciones o los taludes, dando lugar aldeterioro de la integridad masiva del depósito arcilloso por el aumento en tamaño ypresencia de grietas provocadas por la deshidratación. Las grietas a su vez puedenfacilitar la penetración de agua en presencia de lluvia, favoreciendo la inestabilidad.

I.8. Zona activa

En las obras de ingeniería el conocimiento de la zona activa es de suma importancia,cuando se desea construir en un sitio que revele la presencia de arcillas expansivas; losproblemas asociados con estos suelos son generados por cambios de humedad en losprimeros metros de la capa superficial. Es cierto que pueden tenerse expansiones poraumento del contenido de agua en zonas más profundas, pero también resulta pocousual.

En el terreno virgen, debe investigarse las variaciones de humedad con relación a laprofundidad y respecto a las diferentes temporadas del año, además del reconocimientodirecto de la estratigrafía y las manifestaciones de grietas generadas por la influenciade los ciclos estacionales.

Es indispensable la definición de la profundidad hasta la cual se tiene una influenciasignificativa de los periodos estacionales, sin ignorar las causas de ascenso y descensodel nivel de aguas freáticas, sobre todo cuando este no es muy profundo. Así, lo que sedetermina es la capa de suelo sujeta a cambios de humedad que puedan sersignificativos por consecuencia en cambios de volumen, en expansiones ycontracciones, en temporada de lluvia y estiaje, respectivamente, Figura I.7.

La acción del ser humano frecuentemente puede alterar los equilibrios del subsuelo, alconstruir sus obras interfiere en los fenómenos de evapotranspiración e infiltración deagua en el suelo, además del efecto de las fallas en instalaciones hidráulicas ysanitarias, que puedan presentarse durante la vida de las obras. La realización deconstrucciones vecinas y los hábitos de los vecinos, pueden constituirse en un peligro,para nuestra propia obra.


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En infraestructuras construidas años atrás con problemas de fuga de agua en tuberías,debe tenerse especial cuidado si se desean reparar, pues esto provocará cambios en lahumedad del suelo y en consecuencia afectará la cimentación. El fenómeno asociado alas arcillas expansivas, es bastante complejo, lo cual aconseja tener un mayor cuidado.

Figura I.7. Perfiles de humedad que definen la zona activa del terreno virgen


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CAPÍTULO II. CRITERIOS DE IDENTIFICACIÓN DE SUELOSEXPANSIVOS

II.1. Criterios de identificación de campo

Con un reconocimiento visual y manual o bien mediante clasificaciones sencillas sepuede determinar las propiedades esperadas de un suelo en campo, algunosindicadores de los suelos expansivos son la apariencia y la inspección de estructurasexistentes.

II.1.1. Apariencia

Las arcillas expansivas al estar expuestas a un contenido de humedad alto, tienen unatextura suave y muy pegajosa, al ser cortados con espátula presentan una aparienciavidriosa y cuando son remoldeados con las manos dejan un residuo pulverulento. En el

periodo de estiaje o en estado seco su consistencia es muy dura, usualmente secaracterizan por las grietas generadas en la superficie lo que podría dar una indicaciónde que se trata de un suelo expansivo, Fotografía II.1.

Fotografía II.1. Apariencia de los suelos expansivos en temporada de estiaje

II.1.2. Inspección de las estructuras existentes

Si ya existen construcciones en el sitio, la inspección de esas estructuras puede ayudara identificar la presencia de suelos expansivos, estos suelos causan dañosprincipalmente a las cimentaciones, pero muy a menudo se pueden observar grietassignificativas en las esquinas de las ventanas y puertas, en los muros, en banquetas,pisos, entre otras, la apariencia en las estructuras pueden verse seriamente afectadas.


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CAPÍTULO II. CRITERIOS DE IDENTIFICACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS

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II.2. Criterio mineralógico de identificación

La composición mineral de los suelos expansivos tiene influencia importante sobre elpotencial de expansión, debido a la estructura reticular, que está compuesta porláminas silícicas y alumínicas, las cargas eléctricas negativas sobre la superficie de losminerales, la firmeza entre las capas ligadas y la capacidad de intercambio catiónico,

influyen en el potencial de expansión.De esta manera, se espera que identificando los constituyentes mineralógicos de laarcilla, se puede estimar el potencial de expansión. Las técnicas que pueden utilizarseson:

1. Difracción de rayos X. Es el procedimiento más utilizado, consiste endeterminar las proporciones de diferentes minerales arcillosos comparando lasintensidades de las líneas de difracción con aquellas definidas en substanciasestándares.

2. Análisis térmico diferencial. Usado junto con el procedimiento de difracción derayos X y el análisis químico, es capaz de identificar otros minerales arcillososdifíciles de determinar.

3. Análisis químico. Es un valioso suplemento de otros métodos, para grupos deminerales de montmorilonita, este método permite determinar las característicasde la substitución isomorfa y muestra el origen y localización de la cargas quetienen las superficies arcillosas.

4. Microscopio electrónico. Con este método se tiene una manera directa paraobservar el suelo, es útil para definir la composición mineralógica, la textura y laestructura interna. Dos minerales con el mismo patrón de difracción de rayos X ycurvas térmicas diferenciales pueden mostrar diferentes característicasmorfológicas desde el punto de vista del microscopio electrónico.

La identificación de los minerales de arcilla es importante, pero no necesariamentehacerla más que en dos o tres muestras. El procedimiento más conveniente hoy, es ladifracción de rayos X, los demás métodos debido a sus limitaciones parecen no llegar adefiniciones concretas por si solas, por lo que se hace necesario utilizar al menos tresdiferentes y complementarlos. El campo es tan pequeño que no permite un juicioseguro sobre el conjunto, ya que los suelos tienen casi siempre mezcla de diversasespecies, Holtz y Gibbs (1952); Juárez y Rico (1976).

II.3. Criterios de identificación indirectos

Los Límites de Atterberg se han utilizado con frecuencia para identificar de manerasencilla las características expansivas de las arcillas, por lo anterior, se handesarrollado diversos criterios indirectos empleando como base las propiedades índicedel suelo, los criterios más utilizados son los siguientes:


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II.3.1. Criterio Holtz y Gibbs (1956)

Holtz y Gibbs demostraron que el índice de plasticidad y el límite líquido son de utilidadpara determinar las características expansivas de la mayoría de las arcillas, pues

ambas propiedades dependen de la cantidad de agua que la arcilla trata de absorber.La relación entre el potencial de expansión y el índice de plasticidad de las arcillas seestablece en la Tabla II.1.

Tabla II.1.Criterio de Holtz y Gibbs, (1956)

Potencial deexpansión

Índice deplasticidad

Bajo 0-15Medio 10-35 Alto 20-55

Muy alto 35 o mas

II.3.2. Altmeyer (1995)

Sugirió varios valores de límite líquido y contracción lineal, a manera de guía paradeterminar el potencial de expansión, Tabla II.2.

Tabla II.2. Criterio sugerido por Altmeyer, (1995)

Limite de

contracción %

Contracción

lineal %

Grado de

expansión8 Crítico10-12 5-8 Marginal>12 0-5 No crítico

II.3.3. Criterio de Abduljauwad y Al – Sulaimani

Estos investigadores proponen un método de clasificación de los suelos expansivos,basado en la carta de plasticidad, como se muestra en la Figura II.1.


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Figura II.1. Criterio Abduljauwad y Al – Sulaimani

II.3.4. Criterio del Bureau of Reclamation de los Estado Unidos (Correa 1976)

Este criterio utiliza el límite líquido y peso volumétrico seco para indicar si el suelo essusceptible a colapso o expansión. El método se simplifica empleando la siguienteFigura II.2.

Figura II.2. Identificación de suelos expansivos o colapsables, segúnel Bureau of Reclamation de los E.U., (Correa 1976)


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II.3.5. Criterio de Chen (1975)

En base a una amplia experiencia acumulada propone una guía para estimar el cambioprobable de volumen de los suelos expansivos, Tabla II.3.

Tabla II.3. Datos para estimar el probable cambio de volumen para suelos expansivos Chen, (1975)

DATOS DE LABORATORIO Y CAMPO Expansiónprobable, %

total decambio devolumen

Presión deexpansión

kg/cm2

Grado deexpansión

% que pasala malla No.

200

Límitelíquido

%

Resistencia a lapenetración

estándar,golpes/pie

>95 >60 >30 >10 >9.8 Muy alto60-90 40-60 20-30 3-10 2.5-9.8 Alto30-60 30-40 10-20 1-5 1.5-2.5 Medio


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( - ) (II.2)

(

- ) (II.3)

Donde:

S: porcentaje de expansiónLL: límite líquido en porcentaje: contenido de agua en porcentaje

: peso volumétrico seco lb/ft3

Ecuaciones para evaluar la Presión de expansión.

( - - ) (II.4)

(

-

) (II.5)

Donde:

P: presión de expansión en ton/ft2, Sistema Ingles de Unidades.

Las Figura II.3., Figura II.4., Figura II.5., y Figura II.6., presentan estás correlaciones deforma gráfica.

Figura II.3. Correlación entre el porcentaje de expansión, límite líquidoy peso volumétrico seco Vijayvergiya y Ghazzaly, (1973)


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Figura II.4. Correlación entre el porcentaje de expansión, límite líquidoy el contenido de agua Vijayvergiya y Ghazzaly, (1973)

Figura II.5. Correlación entre la presión de expansión, límite líquidoy peso volumétrico seco Vijayvergiya y Ghazzaly, (1973)


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Figura II.6. Correlación entre la presión de expansión, límite líquidoy el contenido de agua Vijayvergiya y Ghazzaly, (1973)

Vijayvergiya y Ghazzaly (1973), además de las correlaciones anteriores sugirieron unarelación entre el contenido de agua y el límite líquido y las características expansivas delas arcillas. Esta correlación se presenta de forma gráfica, en la cual se introduce con ellímite líquido y el índice de expansión, Figura II.7.

(II.6)

Donde:

Is: índice de expansión: contenido de agua en porcentaje LL: límite líquido en porcentaje


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Figura II.7. Correlación para determinar las características expansivas de una arcilla,Vijayvergiya y Ghazzaly, (1973)

II.4. Criterios de identificación directos

Los criterios descritos anteriormente son una forma indirecta que permiten identificar sise trata de un suelo expansivo o no y definir cualitativamente el grado de expansión y lapresión de expansión; sin embargo, existen otros criterios que se pueden clasificarcomo directos, a diferencia de los primeros, éstas son pruebas de laboratorio quepermiten cuantificar la presión y porcentaje de expansión de un suelo.

Existen varios criterios directos o pruebas de laboratorio, como es la expansión libre, oel método propuesto por la Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e Ingenieríade Cimentaciones, entre otros.

Sin embargo, fue en 1996, después de la 7ª Conferencia sobre suelos expansivos, quese decidió hacer un comité para estandarizar una prueba para evaluar la expansión delos suelos. Resultó entonces la norma ASTM (American Society for Testing andMaterials), D 4546-96, que considera tres métodos para suelos que al iniciar no seencuentran saturados y de esta manera medir la presión de expansión en pruebas deconsolidación.


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En general la presión de expansión, ha sido, definida como una carga vertical aplicadaen pruebas de consolidación y es un parámetro que indica la máxima presióndesarrollada por el suelo al humedecerse; la humedad influye en la estructura del sueloy consecuentemente en la presión desarrollada por este, la presión de expansióndependerá entre otros factores, de la sobrecarga que se imponga, los métodos sedescriben a continuación.

1. Método A

Se inunda el espécimen y luego se permite la expansión vertical, bajo una presión de almenos 1 kPa, considerando el peso de la piedra porosa y la placa de carga. Así se hade llegar a completar la expansión primaria. Posteriormente se aplica carga a lamuestra hasta llevarla a su relación de vacíos inicial, Figura II.8., este método permiteestimar el porcentaje de expansión, así como la presión de expansión.

Figura II.8. Método A para determinar la presión de expansión con expansión librebajo una presión de 1kPa (ASTM. D 4546-96)

2. Método B

Se aplica una carga vertical al espécimen, la cual puede ser sobrecarga vertical “in situ”o una carga mayor, de acuerdo al esfuerzo que se estime podrá transmitir unaestructura dada. Posteriormente se permite el acceso de agua, las consecuenciaspueden ser varias: expansión; contracción; expansión y luego contracción; contraccióny luego expansión. La cantidad de expansión o asentamiento se mide hasta que resultadespreciable la variación del volumen del suelo bajo la carga aplicada, Figura II.9.

Este método permite conocer el porcentaje de expansión o asentamiento para unacierta presión vertical, que puede ser asociada al sitio, también se determina la presiónde expansión.


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Figura II.9. Método B para determinar la presión de expansión, con expansión por inundación, bajola sobrecarga estimada in situ o alguna otra descarga estructural (ASTM. D 4546-96)

3. Método C

En el transcurso del ensaye, se evita la expansión del suelo al generarse su hidratación.Se realizan los ajustes necesarios hasta que se tiene una presión máxima (a causa dela restricción a la expansión, esta presión viene a ser la presión de expansión), la cualse ha obtenido a volumen constante.

Posteriormente se lleva a cabo una prueba de consolidación, como correspondería a lametodología tradicional. Si se desea conocer la expansión después de haberse definidola presión de expansión, se puede descargar el suelo, en esta forma se conocerá elpotencial de expansión, en la Figura II.10., se observa el procedimiento correspondienteal método C.

Mediante este método se puede encontrar la presión de expansión, la carga depreconsolidación y el porcentaje de expansión o asentamiento dentro de cierto rango deesfuerzo vertical aplicado.


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Figura II.10. Método C para determinar la presión de expansión, a volumen constante,inundando la muestra (ASTM. D 4546-96)

El procedimiento para el cálculo del porcentaje de expansión, para el método A, vienedado por la siguiente ecuación:

[

] Donde:

: Cambio de altura del espécimen Altura inicial del espécimen Relación de vacíos posterior a la expansión bajo la carga inicial (1 kPa) Relación de vacíos inicial

Peso específico seco correspondiente a la relación de vacíos eo

Peso específico seco correspondiente a la relación de vacíos esePara una presión vertical distinta, σ, el porcentaje de expansión es:

[

] Donde:

Relación de vacíos bajo el esfuerzo vertical σ

Peso especifico seco correspondiente a la relación de vacíos e

Para los métodos B y C, el criterio de cálculo resulta semejante.


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III.1. Zona de estudio

El sitio de estudio se encuentra ubicado en la Biblioteca de la Unidad Académica de

Ingeniería de la Universidad Autónoma de Guerrero, en Ciudad Universitaria, al sur dela ciudad de Chilpancingo de los Bravo, en el Estado de Guerrero, la localización delsitio en estudio se muestra en la Figura III.1, cuyas coordenadas geográficas son17°32´11.12”N, 99°29´41.92”O. La estructura se encuentra cimentada desde haceaproximadamente 6 años y se ubica sobre un terreno sensiblemente plano.

Figura III.1. Ubicación de la zona de estudio


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Figura III.2. Ubicación del PCA1

III.1.1. Datos de precipitación y evaporación

Al tratarse de un estudio relacionado a suelos expansivos, debe tenerse en cuenta losparámetros de precipitación y evaporación, pues se asume que los suelos expansivosse presentan en áreas donde la evapotranspiración potencial media anual es mayor a laprecipitación media anual.

La precipitación media anual es la cantidad de agua por concepto de lluvia que cae enla superficie del suelo, parte de ella se infiltra y otra cantidad corre a través de lasuperficie, la medición de este parámetro es en milímetros.

La evaporación consiste en la conversión del agua de las superficies liquidas como ríos,lagos, entre otro y de los suelos húmedos en vapor los cuales se incorpora a la

atmosfera. La evaporación potencial media anual, se refiere a considerar si durante eltranscurso del año se proporciona artificialmente agua al subsuelo y a los embalses, loque no sucede en condiciones reales por lo cual puede aceptarse como la pérdidamáxima por este concepto (Secretaria de Recursos Hidráulicos, 1976). Los parámetroscorrespondientes para la zona en estudio se mencionan en la Tabla III.1.


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Tabla III.1. Datos meteorológicos, SMN-CONAGUA

Estación

Temp.mediaanual(°C)

Precipitaciónmedia anual

(mm)

Evapotranspiraciónanual (mm)

Evaporaciónpotencial

media anual

Diferenciaentre

evaporaciónpotencialmedia y

precipitaciónmedia anual(Guerrero)

Chilpancingo22.8 773.2 --- 2124.1 1350.9

III.1.2. Geología

En el área que ocupa la ciudad de Chilpancingo, se observan conglomerados de laformación balsas, los depósitos clásticos de la formación Chilpancingo y depósitosaluviales.

El sitio en estudio se encuentra ubicado en una zona de pendiente suave entre lomeríosy el cause del Río Huacapa, en dicha zona existe una arcilla negra de origen aluvial deun deposito antiguo, que presenta espesores muy variables, del orden de 5 a 8 m,Geovisa S.A. de C.V., (1998). Este material del periodo cuaternario presentacaracterísticas de expansividad, sobre todo al sur de la ciudad, en donde se puedeobservar daños a casas y banquetas, entre otros.

III.2. Caracterización del sitio

Con el objetivo de determinar información precisa de las propiedades y característicasdel suelo sobre la cual está cimentada la Biblioteca de la Unidad Académica deIngeniería, se procedió a realizar una visita de campo en dicha zona, para planear yllevar a cabo un sondeo.

III.2.1. Exploración y muestreo

El procedimiento que se utilizó para extraer las muestras fue mediante un Pozo a Cielo Abierto denominado (PCA1), empleando herramienta menor como pala y pico, dichopozo se ubicó en el terreno aledaño a la Biblioteca, con una profundidad aproximada de1.90 m, Fotografía III.1.

El PCA1 se realizó en la parte posterior a la entrada de la Biblioteca, el sondeo se inicioremoviendo la capa vegetal de aproximadamente 0.05 m, Fotografía III.2.,posteriormente se excavó el pozo para llegar a las profundidades que se planeo paraobtener las muestras correspondientes, el material se trataba de una arcilla de colornegro, Fotografía III.3.


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Del sondeo realizado se obtuvieron dos muestra cúbicas inalteradas, la primer muestrainalterada se obtuvo a 0.50 m de profundidad (S1M1), Fotografía III.4., con dimensiones25x25x25 cm aproximadamente, Fotografía III.5., durante el sondeo se identificó unmaterial para mejorar las condiciones del terreno, con tonos de color naranja y rojizo, laprofundidad a la que se encontró fue a 0.70 m hasta 1.30 m, Fotografía III.6, la segundamuestra inalterada se obtuvo a 1.50 m de profundidad (S1M2), con dimensiones de

25x25x25 cm, aproximadamente, la cual también es una arcilla color negra, FotografíaIII.7, Fotografía III.8.

Ambas muestras inalteradas se les colocó la protección necesaria para evitar queperdieran lo menos posible de humedad natural o sufrieran algún daño, enseguida seetiqueto cada muestra para su identificación cuidando la cara de contacto, FotografíaIII.9. De ambas profundidades se recolectaron muestras alteradas representativas delos estratos, las cuales también se les identificó con una etiqueta, tanto las muestrasalteradas e inalteradas se trasladaron al laboratorio de Mecánica de Suelos de laUnidad Académica de Ingeniería.

Los primeros centímetros de arcilla, son material de desecho o escombro, de laexploración y sondeo se establece que la Biblioteca de la Unidad Académica deIngeniería se ubica a una profundidad de desplante de 0.70 m, sobre 0.60 m de suelomejorado, seguido de un estrato de arcilla negra cuyo espesor oscila entre 5 y 8 m,Geovisa, S.A. de C.V., (1998).

Fotografía III.1. Ubicación del sondeo PCA1, parte posterior a la entrada de la Biblioteca

PCA1


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Fotografía III.2. Remoción de la capa vegetal

Fotografía III.3. Excavación en el estrato de arcilla

Fotografía III.4. Muestra cúbica inalterada denominada S1M1 a 0.50 m de profundidad


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Fotografía III.5. Colocación de la protección necesaria para evitar que la muestraS1M1 sufra algún daño y pérdida de humedad

Fotografía III.6. Capa de material para mejora del terreno a 0.70 m

Fotografía III.7. Obtención de la segunda muestra S1M2 a 1.50 m de profundidad


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Fotografía III.8. Obtención de la muestra S1M2 vista desde otro ángulo

Fotografía III.9. Muestras alteradas e inalteradas del sondeo, PCA1

III.2.2. Pruebas de laboratorio

De las muestras inalteradas y alteradas, obtenidas del sitio en estudio donde seobservan las anomalías en la estructura, se realizó el trabajo experimental, para ello, serequirió del apoyo del Laboratorio de Mecánica de Suelos, de la Unidad Académica deIngeniería, el cual proporcionó el material y equipo necesario para el estudio.

Las primeras pruebas realizadas fueron relacionadas a las propiedades índice delsuelo, de acuerdo a procedimientos estándar de ensayos propuestos por la Sociedad

Americana para el Ensayo de Materiales (ASTM), las pruebas efectuadas se mencionana continuación.

Determinación del Contenido de Humedad, Norma D 2216-92.


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Determinación del Peso Específico del Suelo, ASTM D 2216-92, ASTM D 4531-86 (Reapproved 1992).

Determinación de la Densidad Sólidos, ASTM D 854-92.

Análisis Granulométrico Simple, ASTM D 1140-92.

Análisis Granulométrico Vía Hidrómetro, ASTM D 422-63 (Reapproved 1990).

Determinación de los Límites de Consistencia, ASTM D 4318-93.

Los registros de los ensayes se encuentran en el Anexo 1.

III.2.3. Resultados

A las muestras alteradas del sondeo PCA1 se le determinaron sus propiedades índicelos resultados se muestran en la Tabla III.2., Tabla III.3., y Tabla III.4.:

Tabla III.2. Humedad natural, densidad y peso volumétrico del suelo

Fecha deextracción

Profundidad(m)

Muestra no.Ss ᵞm

(g/cm3)26/08/2011 0.50 S1M1 2.45 1.8826/08/2011 1.50 S1M2 2.55 1.85

Tabla III.3. Parámetros de plasticidad

Muestrano.

W(%)

LL(%)

LP(%)

LC(%)

IP(%)

S1M1 30 55 24 12 31S1M2 31 63 25 13 38

Tabla III.4. Parámetros granulométricos

Muestrano.

G(%)

S(%)

F(%)

S1M1 5 24 71S1M2 5 18 77

Debido a que en el análisis granulométrico se observó la presencia de un porcentajeimportante de material fino, se decidió llevar cabo la prueba del hidrómetro paraconocer la distribución granulométrica y el diámetro de las partículas finas. En lasFiguras III.10 y III.11 se muestra la distribución granulométrica que presentan lasmuestras.


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Figura III.3. Distribución granulométrica de finos, de la muestra S1M1

Figura III.4. Distribución granulométrica de finos, de la muestra S1M2

Se observa que en ambas muestras aproximadamente el 7% corresponde al diámetrode las partículas de arcilla, con estos resultados, la granulometría y los límites deconsistencia de las dos muestras, es posible clasificar el suelo en base a losparámetros establecidos por el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS).

En cuanto al S1M1, se determinó que este es un suelo fino al contener 71% de finos,24% de arena y 5% de grava. Se clasificó como una arcilla de alta plasticidad CH, conLL de 55% e IP de 31%, con características en estado seco, dilatación y tenacidad, lascuales son alta, nula y alta respectivamente, con un contenido de humedad natural de30%.

0

10

20

30

4050

60

70

80

90

100

0.001 0.010 0.100

% m

á

s f i n o

Diámetro (mm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.001 0.010 0.100

% m

á s f i n o

Diámetro (mm)


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Con relación al S1M2, se clasificó como una arcilla de alta plasticidad CH, el cualcontenía 77% de finos, 18% de arena y 5% de grava, con LL de 63% e IP de 38%, concaracterísticas similares al S1M2, de resistencia en estado seco, dilatancia y tenacidad,con un contenido de humedad natural de 31%.

Las muestras analizadas se ubican en la carta de plasticidad para la clasificación de

suelos de partículas finas en el laboratorio, Figura III.5.

Figura III.5. Ubicación de las muestras en la carta de plasticidad


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III.2.4. Perfil estratigráfico

Perfil estratigráfico del estudio de Mecánica de Suelos del Sondeo, PCA1.

Figura III.6. Perfil estratigráfico del PCA1

III.3. Presión de expansión

Para obtener la presión de expansión del suelo en estudio, se utilizaron las muestrasinalteradas y el procedimiento de prueba que establece la norma ASTM D 4546-96, elcual permite estimar este parámetro, mediante el uso de tres métodos y al mismotiempo calcular el porcentaje de expansión.

III.3.1. Descripción del equipo y procedimiento de ensaye

El equipo utilizado para obtener el porcentaje de expansión y presión de expansiónfueron consolidómetros de palanca del Laboratorio de Mecánica de Suelos de la UAI,Fotografía III.10.; se emplearon los métodos A y B descritos en la norma ASTM D 4546-96 para la obtención de los parámetros antes mencionados.

Se llevaron a cabo dos ensayes para el sondeo S1M1 extraído 0.50 m de profundidadaplicando el método “B”. En el caso de la muestra S1M2 obtenida 1.50 m deprofundidad se ensayaron seis muestras, tres por el método “A” y tres por el método


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“B”, obteniendo en total ocho ensayes para la determinación de los parámetros deexpansión.

Fotografía III.10. Equipo de consolidación del laboratorio de la UAI

III.3.2. Determinación de la presión de expansión

Para calcular la presión de expansión, se realiza una grafica de presión (kg/cm2), contrarelación de vacíos (e), partiendo del volumen inicial (punto A), al presentarse elaumento de volumen, por saturación, donde la muestra termina de expandirse (puntoB), se realiza la aplicación de incrementos de carga como una consolidación normal, setraza una línea horizontal partiendo del punto A y ésta deberá cruzar la curva deconsolidación (punto C), punto donde se determina la presión de expansión (P exp),Figura III.7.

FiguraIII.7.Determinación de la presión de expansión


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PRESIÓN (kg/cm 2)

R E L A C I Ó N D

E V A C Í O S ( e )

0.01 0.02 0.03 0.05 0.07 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.7 1 2 3 4 50.48

0.50

0.52

0.55

0.57

0.60

0.62

0.65

0.68

0.70

0.72

Pexp

PRESIÓN (kg/cm 2)

R E L A C I Ó N D


0.01 0.02 0.03 0.05 0.07 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.7 1 2 3 4 50.42

0.45

0.48

0.51

0.54

0.57

0.60

0.63

0.66

0.69

III.3.3. Resultados

De los ensayes se obtuvieron las curvas de compresibilidad de la muestra S1M1 a0.50 m de profundidad, empleando el método “B”, para determinar la presión deexpansión, Figura III.8 y III.9.

Figura III.8. Curva de compresibilidad del S1M1B, w% = 28

Figura III.9. Curva de compresibilidad del S1M2B, w% = 28, %Exp. = 0.53,Presión de expansión.= 0.23kg/cm2


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PRESIÓN (kg/cm 2)

R E L A C I Ó N D


0.01 0.02 0.03 0.05 0.07 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.7 10.77

0.78

0.79

0.80

0.81

0.82

0.01 0.02 0.03 0.05 0.07 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.7 10.77

0.78

0.79

0.80

0.81

0.82

Pexp

Curvas de compresibilidad de la muestra S1M2 a 1.50 m de profundidad, empleando elmétodo “A”, Figura III.10, III.11 y III.12.

Figura III.10. Curva de compresibilidad del S1M1A, w% = 24, %Exp. = 0.95,Presión de expansión = 0.14 kg/cm2


PRESIÓN (kg/cm 2)

R E L A C I Ó N D


0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.07 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70.8 10.65

0.66

0.67

0.68

0.69

0.70

0.71

Pexp


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PRESIÓN (kg/cm 2)

R E L A C I Ó N D

E V A C Í O S

( e )

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.07 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70.8 10.76

0.78

0.80

0.82

0.84

0.86

0.88

0.90

0.92

0.94

0.96

Pexp


Curvas de compresibilidad de la muestra S1M2 a 1.50 m de profundidad, empleando elmétodo “B”, Figura III.13., III.14 y III.15.


PRESIÓN (kg/cm 2)

R E L A C I Ó N D


0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.38

0.40

0.42

0.44

0.46

0.48

0.50

0.52

0.54

0.56

0.58

0.60

0.62

0.64

0.66

0.68


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PRESIÓN (kg/cm 2)

R E L A C I Ó N D


0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.44

0.48

0.52

0.56

0.60

0.64

0.68

0.72

0.76

0.80

Pexp


Figura III.15. Curva de compresibilidad del S1M3B, w% = 22, %Exp. = 2.65Presión de expansión = 0.88 kg/cm2

PRESIÓN (kg/cm 2)

R E L A C I Ó N D

E V A C Í O S

( e )

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.44

0.47

0.50

0.53

0.56

0.59

0.62

0.65

0.68

0.71

0.74

0.77

0.80

0.83


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Los resultados obtenidos de las muestras S1M1 y S1M2, se concentran en la TablaIII.5.

Tabla III.5. Resultados de la prueba de expansión

Profundidad EnsayeW

(%)

Gw

(%)

Porcentajede

expansión


(kg/cm2)

0.50 mS1M1B*

28 98--- ---

29 100

S1M2B28 93

0.53 0.2334 100

1.50 m

S1M1A24 88

0.95 0.1428 100

S1M2A26 83

1.43 0.1830 100

S1M3A22 68

3.59 0.3231 100

S1M1B* 30 95 --- ---30 100

S1M2B*28 97

--- ---28 100

S1M3B22 72

2.65 0.8829 100

* No presentaron expansión. Los registros correspondientes a las pruebas mecánicasse encuentran en el Anexo 2.


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CAPÍTULO IV. ANÁLISIS DE RESULTADOS

IV.1. Situación actual de la Biblioteca de la Unidad Académica de Ingeniería

Bajo la premisa de que las anomalías reflejan el comportamiento del suelo

potencialmente expansivo, se reunieron las evidencias para definir alternativas desolución. En la biblioteca se observaron fisuras y grietas en muros, de forma vertical, enzig-zag, diagonales y horizontales, con espesores de 1.0 mm a 2.0 mmaproximadamente, en algunos casos se exceden estas dimensiones, las FotografíasIV.1., IV.2., IV.3., IV.4., IV.5., IV.6., IV.7., IV.8., hacen referencia a los dañosobservados en la estructura.

En la parte exterior de la Biblioteca, las banquetas presentan líneas de separación conespesores de 1.0 mm a 3.0 mm, de igual forma se aprecian grietas en las esquinas delas ventanas y en algunos casos las grietas observadas en el exterior traspasan losmuros.

En el interior los daños aumentan, lo que más se aprecia es el daño en la loseta, en lalosa se observan fisuras y un número considerable de grietas en los muros, en generaltoda la estructura presenta daños, a tal grado que la apariencia de esta se veseriamente afectada.

Fotografía IV.1. Fisuras y grietas en formas diagonales y horizontales en la fachada principal


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Fotografía IV.2. Grieta en forma de zig-zag, espesor de 3.0 mm aproximadamente,a lo largo del muro

Fotografía IV.3. Vista al interior de la biblioteca de la grieta antes mencionada

Fotografía IV.4. Grietas de aproximadamente 5 mm de espesor en la trabe


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Fotografía IV.5. Daños considerables del piso

Fotografía IV.6. Detección de fisuras en la losa

Fotografía IV.7. Grietas aun costado de las ventanas


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Fotografía IV.8. Otra vista de la grieta presentada anteriormente

IV.2. Elementos que influyen en la expansión del sueloEl fenómeno de la expansión en los suelos, es multifactorial, pues involucra diversosfactores, por lo tanto es imprescindible tomar en cuenta su comportamiento antes ydurante la construcción de una obra, pues de ello dependerá el buen funcionamiento dela misma.

Las anomalías que presenta la estructura del sitio en estudio, se deben a diversosfactores, pero principalmente a la acción de los suelos expansivos, los factores y/oelementos que pudieron haber activado el comportamiento, pueden ser diversos.

La condición topográfica de la biblioteca es desfavorable, Fotografía IV.9., pues lapendiente del terreno adyacente favorece el movimiento de los escurrimientos hacia elárea proyectada en temporada de lluvia, filtrándose sobre la cimentación.

Fotografía IV.9. Topografía del terreno y dirección de los escurrimientos


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En lo que respecta al entorno de la biblioteca, se aprecia abundante vegetaciónFotografía IV.10., lo cual no es propicio, pues toda el área verde se convierte en unreceptor natural de agua en temporada de lluvia, filtrándose al subsuelo y migrandobajo la zona de construcción, además también propician la transpiración causandoperdida de humedad del suelo, acción que contribuye a la complejidad del problema.

Fotografía IV.10. Abundante vegetación al contorno de la biblioteca

Es evidente que la alteración global del clima también impacta sobre este tipo desuelos, pues de acuerdo a la región se ha observado en años recientes, que los estiajesson más duraderos, provocando desecación significativa y por otro lado las lluviasinusuales y atípicas, accionan el mecanismo de expansión de los suelos.

En cuanto a la estructura, se sabe que es de tipo ligera, por tanto, la carga transmitidaal suelo es menor, con respecto a la carga que ejerce el suelo mismo y acompañado de

los factores anteriormente mencionados coadyuvaron a los daños que hoy se reflejanen la estructura.

IV.3. Caracterización del suelo expansivo

Los resultados del trabajo experimental, tanto pruebas índice como mecánicas, serviránpara la clasificación e identificación del suelo en estudio, de acuerdo a los criteriosestablecidos en el capitulo II.

De acuerdo al límite líquido y el índice plástico que presentan las muestras del PCA1,

denominadas S1M1 y S1M2, su ubicación en la carta de plasticidad de suelosexpansivos de varias ciudades de la República Mexicana, se puede observar que seencuentran por arriba de la línea A como la mayoría de las arcillas expansivas y debajode la línea U, en la cual la mayor parte de las arcillas expansivas se encuentranclasificadas como CH, en este caso de alta plasticidad, Figura IV.1.


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Figura IV.1. Ubicación de las muestras ensayadas en la carta de plasticidad de suelos expansivos devarias ciudades de la República Mexicana

Criterio Holtz y Gibbs (1956)

De acuerdo al índice de plasticidad, la muestra S1M1 presenta un potencial deexpansión medio y la muestra S1M2 un potencial de expansión muy alto, al obtenervalores de índice plástico de 31% y 38% respectivamente. Tabla IV.1.

Tabla IV.1. Criterio de Holtz y Gibbs (1956), para clasificar el S1M1 y S1M2

Potencial deexpansión

Índice dePlasticidad

Bajo 0-15Medio 10-35 Alto 20-25

Muy alto 35 o mas

Altmeyer (1955)

Este criterio relaciona la contracción lineal con el límite de contracción para clasificar elgrado de expansión, Tabla IV.2.

Tabla IV.2. Criterio propuesto por Altmeyer, (1995)

Limite decontracción (LC)

%

Contracciónlineal

%

Gradode

expansión8 Crítico

10-12 5-8 Marginal>12 0-5 No crítico

Muestras Ensayadas

S1M1S1M2


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Al relacionar el límite de contracción, la muestra S1M1 tiene un grado de expansiónmarginal y el S1M2 un grado de expansión no crítico, al presentar limites de contracciónde 12 %y 13%, la Figura IV.2., muestra la clasificación con relación a la profundidad.

Figura IV.2. Análisis del potencial de expansión del suelo, del PCA1de acuerdo al criterio de Altmeyer

Criterio de Abduljauwad y Al – Sulaimani

Este criterio se sustenta en relacionar el índice plástico y el límite líquido tiene comoprincipio la carta de plasticidad.

Con el límite líquido y el índice plástico el suelo presenta una expansión media para elS1M1 y para el S1M2 una expansión alta. Los resultados se muestran en la Figura IV.3.


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Figura IV.3. Criterio Abduljauwad y Al – Sulaimani, clasificación de las muestras S1M1 y S1M2

Criterio del Burea of Reclamation de los Estado Unidos (Correa 1976)

El criterio relaciona el peso volumetrico seco y el límite líquido para indicar si el suelo essuceptible a expansion o colapso. En base a la ubicación de las muestras en la FiguraIV.4., este criterio establece que el suelo es expansivo.

Figura IV.4. Criterio Bureau of Reclamation de los E.U., aplicado a las muestras S1M1 y S1M2


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Criterio de Chen (1975)

En el criterio propuesto por Chen (1975), Tabla IV.3., establece que ambas muestrasS1M1 y S1M2, presentan un grado de expansión alto, considerando el porcentaje dematerial que pasa la malla no. 200 y el límite líquido.

Tabla IV.3. Criterio propuesto por Chen, (1975)

DATOS DE LABORATORIO Y CAMPOExpansión

probable, %total de cambio

de volumen


kg/cm2

Grado deexpansión

% que pasala malla No.

200

Límitelíquido

%

Resistencia ala penetración

estándar,golpes/pie

>95 >60 >30 >10 >9.8 Muy alto60-90 40-60 20-30 3-10 2.5-9.8 Alto30-60 30-40 10-20 1-5 1.5-2.5 Medio


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Tabla IV.6. Clasificación de la muestras criterio Raman, (1967)

Muestras Profundidadndice

plásticoIP (%)

Límite decontracción

(%)

ndice decontracción

IC (%)

Grado deexpansión

S1M1 0.50 m 31 12 19 Alto

S1M2 1.60 m 38 13 25 Muy alto

Hasta este punto, se establece con claridad que las muestras analizadas presentanexpansión y de acuerdo a los criterios analizados la mayoría de estos, clasifica a lasmuestra con un grado de expansión de medio a alto, lo cual se corrobora en la TablaIV.7., a manera de comparación entre los criterios.

Tabla IV.7. Comparación de los criterios empleados para la caracterización de la arcilla

Muestras

Holtz y

GibbsTablaIV.1.

Altmeyer

TablaIV.2.

Abduljauwad

y Al-SulaimaniFigura IV.3.

Bureau of

ReclamationE.U. Figura IV.4.

Chen

TablaIV.3.

Raman

TablaIV.5.

S1M1 Medio Marginal Medio Expansivo Alto Alto

S1M2 Muy alto No critico Alto Expansivo Alto Muy alto

Por último, utilizaremos el criterio propuesto por Vijayvergiya y Ghazzaly (1973), el cualproporciona resultados cuantitativos de la presión y porcentaje de expansión, quepueden llegar a presentar las muestras.

Criterio de Vijayvergiya y Ghazzaly (1973)Este criterio establece una correlación entre las propiedades índices y mecánicas, paraobtener la presión de expansión y el porcentaje de expansión, analizando las muestrasse obtienen los siguientes resultados mostrados en la Figura IV.5., IV.6., IV.7., IV.8.


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Figura IV.5. Determinación del porcentaje de expans

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