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1.00 Generalidades
El problema de los denominados suelos expansivos alcanza dcadas atrs, siendo
reconocido al final de la dcada del 30.
La presencia en el Per de "Suelos Expansivos" es evidente en la zona Norte y Sur.
De aqu que se trata de dar un alcance y establecer el panorama real de la
presencia de arcillas expansivas en un proyecto de cimentacin, para luego tomar
precauciones en el diseo estructural de las cimentaciones apoyadas en este tipo de
suelo.
2.00 Reconocimiento de los suelos expansivos
Un suelo expansivo, implica no solamente la tendencia a aumentar de volumen
cuando aumenta el contenido de agua, sino tambin la disminucin de volumen o
contraccin si el agua se va perdiendo.
Una manera de poder observar si un suelo tiene potencial de hinchamiento o si
presenta expansividad es mediante las siguientes metodologas:
Anlisis Mineralgico : es determinar las propiedades bsicas de las arcillas,
mediante tcnicas adecuadas de laboratorio, los minerales que conforman la arcilla
se pueden evaluar cuantitativamente.
Mtodo de los ndices: Los ensayos de propiedades ndices del suelo pueden ser
usados para la evaluacin del potencial de hinchamiento de los suelos expansivos.
Estos ensayos son fciles de realizar y deberan ser incluidos en los ensayos
rutinarios en la investigacin para un estudio de mecnica de suelos en aquellas
reas donde existen antecedentes de presencia de suelos expansivos. Podran
incluir los siguientes ensayos estndar.
Lmite lquido ........ (LL).
Lmite plstico........ (LP).
Lmite de contraccin... (LC).
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Holtz y Gibbs (1956) demostraron que el ndice plstico y el lmite lquido son ndicestiles para determinar las caractersticas de expansin de las arcillas Cuadro N2
Seed, Woodwuard y Lundgren, considerando que el potencial de hinchamiento est
definido como el porcentaje de hinchamiento de una muestra confinada lateralmente,
la cual ha sido humedecida bajo una carga de 1.0 lb/pul2 despus de ser
compactada a la mxima densidad seca y al ptimo contenido de humedad,
siguiendo la Norma del ensayo Proctor Modificado ASTM-D1557. Estos autores
establecieron la siguiente relacin:
Donde :
S = potencial de hinchamiento
IP = ndice plstico
K=3.6 x 10-5
(constante)
Una relacin entre el potencial de hinchamiento de las arcillas y el ndice de
plasticidad es como la que se presenta en cuadro1
CUADRO N1
Indice de plasticidad:% Potencial de hinchamiento
0 15 Bajo
10 35 Medio
20 55 Alto
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El grado de peligrosidad que ofrecen las arcillas ha sido correlacionada por Holtz yGibbs en 1954 por medio de su lmite de contraccin segn cuadro2, que durante un
tiempo fue muy usada.
CUADRO N2
Lmite de contraccin Peligro de Hinchamiento
12 No crtico
Ranganathan y Stayanarayana en 1965, dan una tabla para reconocer la
potencialidad de la expansin, dando un nuevo ndice de contraccin; en donde este
ndice de contraccin es obtenido como la variacin del contenido de humedad
correspondiente al lmite lquido y al lmite de contraccin segn la siguiente
expresin.
IC = LL - LC
Donde:
IC = Indice de contraccin.
LL = Lmite lquido.
LC = Lmite de contraccin.
Con la expresin anterior tenemos la siguiente correlacin cuadro 3
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CUADRO N3
Indice de contraccin (%) Potencial de hinchamiento
0 20 Bajo
20 30 Medio
30 60 Alto
>60 Muy alto
G.F. Sowers en 1961, propuso una correlacin basndose en las propiedades
ndices de los suelos susceptibles a cambios de volumen Cuadro 4
CUADRO N4
Probabilidad de cambios de
volumen al producirse
cambios de humedad
ndice plstico
Lmite de
con traccinRegiones
ridas
Regiones
hmedas
Pequea 0 15 0 -30 >12
Pequea y moderada 15 30 30 - 50 10 - 12
Moderada a severa >30 >50
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3.00 ENSAYOS DE LABORATORIO PARA EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS
Los mtodos ms satisfactorios y convenientes para determinar el potencial de
hinchamiento y presin de hinchamiento de arcillas expansivas, es por medio de las
mediciones directas. Estas mediciones pueden ser hechas en el campo o
Laboratorio.
ENSAYODEEXPANSIONLIBRE
El ensayo de expansin libre consiste en colocar una muestra de suelo en estado
natural en un anillo cuyas dimensiones son definidas adicionando agua, la cual se
anota el hinchamiento vertical en funcin del tiempo sin la aplicacin de ninguna
carga.
Holtz en 1956 present el ensayo como una prueba muy sencilla para reconocer una
arcilla expansiva.
Lo que se busca en el ensayo de expansin es el porcentaje de hinchamiento libre,
que es la diferencia en el volumen final e inicial, expresado como porcentaje del
volumen inicial as:
100*V
V-V=h%
i
if
L
Donde:
libretohinchamien=hL , inicialVolumen=V i , finalvolumen=V f
Se presenta a continuacin los resultados de un ensayo como se muestra a
continuacin
POZO : C-2
MUESTRA : MI-1
PROF. (m) : 1.90-2.10
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CARACTERISTICASDELESPECIMENDimetro del anillo(cm) 6.350
Altura de la muestra inicial (cm) 2.540
Altura de la muestra final (cm) 2.780
Cont. de humedad inicial(%) 8.280
Cont. de humedad final (%) 21.37
Densidad hmeda inicial (gr/cm3) 1.789
Densidad seca inicial (gr/cm3) 1.508
Densidad hmeda final (gr/cm3) 1.830
Densidad seca final (gr/cm3) 1.652
CUADRON6:CUADRODERESULTADOS
Tiempo Expansin Expansin
0.00 0.000 0.00
0.25 0.009 0.04
0.50 0.035 0.14
1.00 0.055 0.22
2.00 0.059 0.23
5.00 0.065 0.26
10.00 0.085 0.33
15.00 0.089 0.35
30.00 0.091 0.36
60.00 0.092 0.36
360.00 0.093 0.37
1440.00 0.094 0.37
2880.00 0.176 0.69
4320.00 0.300 1.18
8640.00 1.200 4.72
9960.00 1.600 6.30
15000.00 2.400 9.45
19800.00 2.400 9.45
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ENSAYO DE EXPANSION BAJO CARGA CONTROLADA.
Se realiza este ensayo preparando el espcimen de un suelo inalterado, colocando
dicha muestra en un anillo de dimensiones definidas para luego ensayarla en un
consolidmetro, con la ayuda del marco de carga y el dal de deformacin, se
procede a registrar la fuerza de control y el hinchamiento al humedecer inicialmente
la muestra.
La presin de expansin que se obtenga al final es la medida de la fuerza mxima
por unidad de rea que pueda producir el suelo en condiciones de expansin
extrema es la presin de expansin bajo carga controlada a continuacin se presenta
un ensayo.
ENSAYO DE EXPANSION CONTROLADA
ENSAYO 1
POZO : P-3
MUESTRA : MI-1
PROF. (m) : 1.90-2.10
CARACTERISTICAS DEL ESPECIMEN
Dimetro del anillo(cm) 6.350
Altura de la muestra inicial (cm) 2.540
Altura de la muestra final (cm) 2.628
Cont. de humedad inicial(%) 10.00
Cont. de humedad final (%) 35.60
Densidad hmeda inicial (gr/cm3) 2.002
Densidad seca inicial (gr/cm3) 1.820
Densidad hmeda final (gr/cm3) 2.385
Densidad seca final (gr/cm3) 1.759
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EXPOSITOR: ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC - UNI 9
CUADRO N7 : CUADRO DE RESULTADOS
FECHA TIEMPO(min)
EXPANSION(mm)
CARGA DECONTROL (lb)
PRESION DE CONTROL(kg/cm2)
03-12-91 18.00-hrs 8.000 10.00 0.14
5 7.906
10 7.824
30 7.644
60 7.296
120 7.208
04-12-91 18.00-hrs 6.875 25.00 0.36
5 6.862
10 6.824
30 6.642
60 6.414
120 6.168
05-12-91 18.00-hrs 5.649 50.00 0.72
5 5.630
10 5.618
30 5.586
60 5.506
120 5.406
06-12-91 18.00-hrs 5.223 60.00 0.86
5 5.221
10 5.215
30 5.208
60 5.016
07-12-91 18.00-hrs 4.999 75.00 1.08
5 4.992
10 5.364
30 5.684
60 7.122
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EXPOSITOR: ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC - UNI 10
4.00 CRITERIOS PARA LA DETERMINACIN DE LA CAPACIDAD PORTANTE
En la figura adjunta: La cimentacin se encuentra apoyada en un suelo con caractersticas
expansivas donde:
df : Nivel De desplante de la cimentacin,
Pc : Presin de contacto
Pexp . Presin de expansin
P : Carga que transmite la superestructura a la cimentacin
B : Ancho del cimiento
qadm : Capacidad portante admisible del suelo
Criterios:
Pc qadm
Pc Pexp
Pc = P / B*L
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EXPOSITOR: ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC - UNI11
EJEMPLO
Util izando la info rmacin y cuad ro 1 y 2, disear la cim entacin m ediante
zapatas, para cimentar un colegio de tres niveles, sistema aport icado de luz
de 8m , con las s igu ientes caractersticas :
Espesor de loza : 0.20m
Tabiquera : 0.15m.
Vigas : 0.30 x 0.65m.
Columnas : 0.30 x 0.30m.
Cohesin : 0.335 kg/cm2
ngulo de friccin : 10
Fuerza expansiva : 0.93 kg/cm2
Df (Desplante) : 1.5m.
fc : 210kg/cm2
1. Predimension amiento d e la estructu ra.
Se tiene un edificio de 3 pisos con las siguientes caractersticas:
1 piso = 3.5 m.
2 - 3 piso altura tpica = 2.6 m.
Columnas de concreto armado (4) = 0.3 x 0.3m
Vigas peraltadas (0.25 x 0.65m) y Vigas soleras (0.25 x 0.20m) de concreto
armado
Muros de albailera (KK 18 huecos) de soga.
Losa aligerada (espesor 0.2m)
Datos adicionales:
Concreto Armado
Resistencia a la compresin (fc) =210kg/cm2
Peso especfico = 2.4 Tn/m3
Losa Aligerada
Ladrillo = 30x30x15 cm. Losa de concreto(e) = 0.05m.
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EXPOSITOR: ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC - UNI12
Peso aligerado = 0.30 tn/m2
Muro de albailera
Peso especfico = 1.9 Tn/m3
Las columnas se han distribuido de la siguiente manera:
1 2
2.6m
8m 2.6m
5m
3.5m
4 3 1,4 2,3
Planta Colegio Elevacin Colegio
Las cargas de servicio se han aplicado segn el R.N.C (E-0.20), teniendo en cuenta:
Cargas muertas (D): Materiales (Concreto, Albailera) y Acabados (0.1Tn/m2)
Cargas Vivas (L): Piso Tpico ( 0.2Tn/m2) y Azotea (0.1Tn/m2)
Combinacin : 1 D + 1 L
Mediante la ayuda de un programa de anlisis estructural (ETABS Nolinear v.8.2.7) se
obtuvieron las reacciones en los apoyos en cada columna como se muestra en el siguientecuadro:
Columna Reaccin (Tn)
1 89.35
2 89.35
3 89.354 89.35
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EXPOSITOR: ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC - UNI13
2. Cimentacin de la estructu ra
Reconocimiento del suelo de fundacin.
Carga P
0.00m N.T
Pozo C-1, Muestra M-1
= 1.7 Tn/m3
0.40m Desplante
(Df)
Pc Pozo C-1, Muestra M-2 = 2.13 Tn/m3
Ancho de la cimentacin (B)4.00m
Pozo C-1, Muestra M-3
(Pexp) = 2.13 Tn/m3
5.00m
Criterios1:
1. Pc qadm
2.Pc PexpDf : Nivel De desplante de la cimentacin,
Pc : Presin de contacto
Pexp . Presin de expansin
P : Carga que transmite la super estructura a la cimentacin
B : Ancho del cimiento
qadm : Capacidad portante admisible del suelo
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EXPOSITOR: ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO PROFESOR FIC - UNI14
Anlisis por falla general (Teora de Terzaghi), para cimiento cuadrado
NBNqNCq
qcU 4.03.1
qU = carga ltima (Tn/m2)C = cohesin del suelo
Nc, Nq y N= factores de capacidad de carga adimensional, estn en funcin de
= Peso especfico del suelo
q = x Df
B = Ancho de la cimentacin
Teniendo = 10, obtenemos : Nc = 9.61 Nq = 2.69 N= 0.56
C = 0.335 kg/cm2 = 3.35Tn/m2
1 = 1.7 Tn/m3 obtenemos: q1 = 1 x Df1 = 1.7 Tn/m
3 x 0.4 m. = 0.68 Tn/m2
2 = 2.13 Tn/m3 obtenemos: q2 = 2 x Df2 = 2.13 Tn/m
3 x 0.9 m. = 1.917 Tn/m2
q = q1 +q2 = 0.68 + 1.917 = 2.597 Tn/m2
56.013.24.069.2597.261.935.33.1 BqU
qU = 48.837 + 0.477 B
Sabiendo que la capacidad de carga admisible = qU /F.S, (factor de seguridad = 2.5-
3), y tomando F.S = 3, tenemos:
qadm = 16.279 + 0.159 B.....................................................................(1)
y sabemos que :
Pc = P/B2 = 89.35/ B2 y qadm > Pc...............................................(2)
de (1) y (2) tenemos
0.159 B3 +16.279 B289.35 =0
B = 2.32 m.
Entonces:Pc = P/B2 = 89.35/ 2.322 = 16.6 Tn/m2
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qadm = 16.279 + 0.159 B = 16.6 Tn/m2
Se cumple 1era condicin Pc qadm
Anlisis por Fuerza Expansiva:
Pc Pexp
Presin de Contacto = Pc = P/B2 = 89.35/2.322 = 16.6 Tn/m2
Presin Expansiva = Pexp = 0.93kg/cm2 = 9.3 Tn/m2
Se cumple 2da condicin Pc Pexp
3 Diseo es tru ctu ral d e la cim entac in
B = 2.32
0.3+d
0.3
1. Condicin Diseo: VU /= VC
Vu / = (1/ ) x (Pu-Wu(0.3+d)(0.3+d) = (1/) x 189.53
16.6(0.3+d)2(1)
Vc = dbcf 0
06.1 = 1.06 x 210 x 4(0.3+d) x d = 61.443 x10x(0.3d+d2)
(2)
(1)= (2) 189.53 16.6(0.3+d)2 = 0.85x (61.443 x10x(0.3d+d2))
d = 0.455m.
Usar:
h = 0.6m, dprom = 0.6-(R+3/4) = 0.6-(7.5+1.91) = 0.51m > d
2. Diseo por flexin
2
2LvSWuMu = 16.6 x 2.32 x 2.02 / 2 = 38.89 Tn-m
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)2
(a
dfy
MuAs
=
2
63.35142009.0
1089.385
= 20.648 cm2
As min = 0.0018 x 232 x 50.1 = 20.92cm2
En sentido longitudinal
n = As / As1/2 = 20.648 / 1.27 = 16.25 17
s =1
22/1
n
RB = (2.32-2x0.075-0.0127) / (17-1) = 0.13m
Usar : 17 1/2 @0.13m.
En sentido Transversal
Ast = As x B/L = As = 20.648 cm2
n = 17 s = 0.13 m
Usar : 17 1/2 @0.13m.
1.30m
H =0.6m
17 1/2 @0.13m.
B = 2.40m.
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