CAPÍTULO H.9 CONDICIONES GEOTÉCNICAS
ESPECIALES
NOMENCLATURA
B =
coeficiente de proporcionalidad
Cw =
coeficiente de hidroconsolidación
Gs =
gravedad específica del suelo
h = altura
negativa de agua en el suelo; altura de succión
Hi = espesor
de la capa i del suelo potencialmente colapsable
IP = Índice
de plasticidad
LL = límite
líquido en porcentaje
P = presión
total en el suelo
Pex =
presión de expansión probable en el campo (kgf/cm2 )
pF =
succión, expresada como el logaritmo de la altura negativa de presión de poros
S = grado de
saturación
s = succión,
en términos de presión
So = grado
de saturación inicial
u = presión
de poros
Weq =
humedad de equilibrio
Wl = límite líquido en fracción decimal
WN = Humedad natural
z =
profundidad
α =
saturación relativa, o grado de humedecimiento
ωeq =
humedad de equilibrio en porcentaje
γ w = peso
unitario del agua (g/cm3 ).
γd = peso
unitario seco (g/cm3 )
γ dcrit = peso unitario crítico como identificación
de la colapsibilidad
εw =
potencial de hidrocolapso
dεw =
derivada del potencial de hidrocolapso
δw =
asentamiento por hidroconsolidación
σt = umbral
de esfuerzo de colapso
σv =
esfuerzo vertical total
α = fracción
de la presión total que actúa como presión de poros
εw =
deformación potencial de hidrocolapso
σ = esfuerzo
normal al cual tiene lugar la hidroconsolidación
ωN = humedad
natural en fracción decimal
γw = peso
unitario del agua, en las unidades pertinentes
SUELOS EXPANSIVOS
Se consideran suelos expansivos aquellos que se contraen y
expanden cuando pierden o ganan humedad respectivamente, de manera que crean fisuras,
grietas, y giros de conjunto de los muros y elementos estructurales en las
edificaciones con cimentaciones superficiales sobre los mismos. Estos suelos
están constituidos principalmente de arcilla, u otros minerales activos como la
montmorilonita, la vermiculita y algunas variedades de haloisita.
Figura H.9.1 — Profundidad de la zona activa y variaciones estacionales de la humedad |
PROFUNDIDAD DE LA ZONA ACTIVA — Se
denomina zona activa a la máxima profundidad a la que se observan fluctuaciones
estacionales de humedad. Se debe tener en cuenta quelLa expansividad cesa bajo
la posición del nivel freático pero puede verse afectada por las oscilaciones
de éste, de acuerdo con los factores climáticos.
IDENTIFICACIÓN DE LOS SUELOS EXPANSIVOS — La identificación de estos suelos
puede ser por observación, revisando señales de asentamiento, pérdida de
verticalidad, fisuras, etc. en edificaciones vecinas y en el terreno mismo o
identificando los suelos potencialmente expansivos en los mapas e informes de
suelos del Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC). Igualmente se debe
revisar el régimen de las aguas subterráneas, el nivel freático y las probables
fluctuaciones durante la vida útil del proyecto. De acuerdo a lo establecido en
el Capítulo H.3 de esta norma.
HUMEDAD DE EQUILIBRIO — Se define como la avidez natural del suelo por el agua,
si es baja, el suelo buscará satisfacerla, proceso que conlleva a la expansión.
Por lo general en las zonas de intensa dinámica fluvial y paleocauces en el
subsuelo, los climas estacionales producen cambios en el nivel freático que
crean fluctuaciones desiguales en la humedad/succión del subsuelo, como
consecuencia se tienen variaciones volumétricas igualmente distintas en el
terreno. La intervención de un terreno, desequilibra su capacidad natural para
controlar la humedad.
MODELOS GEOTÉCNICOS — Para desarrollar los modelos geotécnicos de la mecánica
de suelos no saturados, relacionados con los cambios volumétricos, flujo de agua
y resistencia al esfuerzo cortante, se ha propuesto el uso de las curvas de
laboratorio que relacionan humedad-succión, permeabilidad–succión y resistencia
al esfuerzo cortante-succión; estos modelos no son excluyentes. Estas
relaciones se pueden determinar en el laboratorio mediante mediciones directas.
MEDIDAS PREVENTIVAS — Con las siguientes medidas se busca alterar lo menos
posible el equilibrio dinámico del subsuelo y por tanto las
expansiones/contracciones del mismo:
(a) Cubrir el terreno a edificar con
membranas impermeables que impidan la filtración de agua hacia suelo expansivo.
(b) Barreras de humedad colocadas
perimetralmente a la estructura; debe evitarse sin embargo, que se establezcan
canales de humedecimiento.
(c) Proveer un adecuado drenaje alrededor de
las estructuras con pendientados perimetrales (2-10%), cunetas revestidas,
áreas pavimentadas y canalizaciones de las aguas lluvias.
(d) Sub-drenajes para aguas subterráneas, y
para disipar las presiones artesianas de los paleocauces existentes.
(e) Los alcantarillados deben ser estancos;
así mismo los rellenos deben hacerse con materiales inertes de baja
permeabilidad y compactados según la especificación compatible.
(f) Separar convenientemente las actividades
de paisajismo, relacionadas con irrigación de plantas y jardines, de las
estructuras adyacentes.
ALTERACIÓN DEL SUELO EXPANSIVO — Puede lograrse por cualquiera de los
siguientes métodos:
(a) Reemplazo: Es la excavación y el
reemplazo de la capa expansiva (si es de bajo costo).
(b) Tratamiento con cal: La mezcla
superficial de cal con el suelo potencialmente expansivo o su inyección a
presión es benéfica, según el estado del suelo (agrietado o no). Se debe
disponer del equipo adecuado para pulverizar el suelo, o para realizar
inyecciones a presión.
(c) Pre humedecimiento: Supone la expansión
previa a la instalación de la estructura y el mantenimiento de esa humedad bajo
una placa o un recubrimiento impermeable.
ELUSIÓN DE LOS SUELOS EXPANSIVOS — Procedimientos:
(a) Profundizar los cimientos — Hasta pasar,
al menos parcialmente, la profundidad de la zona crítica donde la expansión es
más severa.
(b) Pilotes pre excavados — A la profundidad
necesaria para desarrollar la carga; puede completarse con el aislamiento del
fuste del pilote en la zona activa o el uso de micropilotes para reducir la
fricción del fuste en la zona activa
(c) Placas aéreas — Para evitar el contacto
de los pisos con el suelo potencialmente expansivo y mantener el gradiente térmico
existente en el subsuelo.
MITIGACIÓN DE TIPO ESTRUCTURAL — Opciones mutuamente excluyentes:
(a) Cimentación rígida: Consiste en rigidizar
los elementos de la cimentación para que se desplacen como un todo; normalmente
la carga se libera en ciertos puntos y se concentra en otros.
(b) Construcción flexible: Permita el
movimiento sin daño de ciertos elementos de la estructura. Los elementos no
estructurales deben estar hechos para acomodarse a estos ajustes.
SUELOS DISPERSIVOS O ERODABLES
Son aquellas arenas muy finas o los limos no cohesivos que
exhiben una manifiesta vulnerabilidad ante la presencia de agua.
TIPOS DE SUELOS ERODABLES
(a) Suelos dispersivos: Aquellas arcillas
cuya concentración de sales de sodio (Na) en el agua intersticial está por
encima de 40% o 60% del total de sales disueltas.
(b) Suelos erodables: Arenas finas, polvo de
roca, limos no cohesivos y depósitos eólicos.
CARACTERÍSTICAS DE SU COMPORTAMIENTO — Los suelos dispersivos se disuelven
facilmente en presencia de agua. Los suelos erodables, en cambio, aunque no se
disuelven sí son afectados por corrientes de agua de menor caudal, inclusive a
bajos niveles del gradiente hidráulico, formando carcavamientos, tubificación y
erosión retrogresiva o remontante.
MEDIDAS PREVENTIVAS:
(a) Remoción del suelo erosionable — Cuando
la operación es económicamente factible, y cuando se ha identificado con
antelación la extensión y profundidad de la zona vulnerable.
(b) Restricción severa del humedecimiento —
Por medio de una combinación de drenajes, sub-drenajes, pavimentos impermeables
y reglamentación del uso de agua.
(c) Recubrimiento impermeable — Terraplén
debidamente gradado, colocado sobre una capa doble de geotextil impermeable,
debajo, y geotextil no tejido encima.
(d) Recubrimiento vegetativo — Siembra de
especies vegetales sobre geomallas en laderas de poca pendiente (< 20%), con
restricciones laterales en maderas o cañas.
PRECAUCIÓN — No deben utilizarse estos materiales en rellenos o terraplenes.
SUELOS COLAPSABLES
Son aquellos depósitos formados por arenas y limos, en algunos
casos cementados por arcillas y sales, que resisten cargas considerables en su
estado seco, pero en humedad sufren pérdidas de su conformación estructural y
severas reducciones de volumen exterior.
TIPOS DE SUELOS COLAPSABLES:
(a) Suelos aluviales y coluviales —
Depositados en ambientes semi-desérticos por flujos más o menos torrenciales.
(b) Suelos eólicos — Depositados por el
viento, son arenas y limos arenosos con escaso cemento arcilloso en una
estructura suelta o inestable.
(c) Cenizas volcánicas — Provenientes de
eventos recientes de actividad volcánica explosiva, conforman planicies de
suelos limosos y limo-arcillosos.
(d) Suelos residuales — Derivados de la
descomposición in-situ de minerales de ciertas rocas, que al ser lixiviados por
el agua pierden su cemento y su sustento.
IDENTIFICACIÓN DE COLAPSABILIDAD — Se intuye cuando el volumen de vacíos es
igual a la cantidad de agua en el punto del límite líquido. Se evalúa con la
siguiente formula:
γ dcrit = γ
w / (1 / Gs ) + Wl (H.9.1)
De esta manera, puede decirse que si:
γ d / γ dcrit > 1 el suelo es estable o
expansivo, y si
γ d / γ dcrit ≤ 1 el suelo es colapsable
CLASIFICACIÓN DE GRADO DE COLAPSIBILIDAD — Se define la deformación del
hidrocolapso potencial como dependiente del coeficiente de hidroconsolidación y
de la relación de esfuerzos entre el presente y el umbral de colapso, así:
ε w = Cw
(log σ - log
σ t) = Cw log (σ / σ t) (H.9.2)
Dónde: Cw
= dεw / d
(log σ) (H.9.3)
De acuerdo
con la anterior definición de términos, la clasificación se presenta en la
tabla H.9.1.
Tabla H.9.1. Clasificación de colapsibilidad
Deformación
potencial de hidrocolapso, εw
|
Clasificación
de severidad
|
0 – 0.01
|
Sin problema
|
0.01 –
0.05
|
moderada
|
0.05 –
0.10
|
problema potencial
|
0.10 –
0.20
|
severa
|
> 0.20
|
muy severa
|
CÁLCULO DE ASENTAMIENTOS POR COLAPSO —Puede hacerse con la siguiente formula:
δw = ∑ α Cw Hi log (σv / σt) (H.9.4)
donde α = S-So / 1-So equivale a una saturación relativa o a un
coeficiente de humedecimiento.
MEDIDAS PREVENTIVAS:
(a) Remoción del suelo colapsable, siempre
que la profundidad y el espesor lo permitan.
(b) Minimización de humedad con drenajes,
impermeabilizantes y reglamentación del uso del agua.
(c) Transferencia de las cargas a suelos
inertes, con cimentaciones profundas o semiprofundas. Debe tenerse en cuenta
sobre los pilotes la posible fricción negativa originada en el fenómeno del
colapso.
(d) Estabilización por inyección local de
agentes químicos o en reparación de estructuras dañadas. Es de alto costo.
(e) Pre humedecimiento en combinación con
algún tipo de sobrecarga de manera que se logre el colapso anticipado del
material defectuoso.
(f) Compactación con cilindros o
compactadores vibratorias convencionales, en combinación con humedecimiento
moderado.
(g) Vibroflotación, consiste en la
introducción en el suelo, mediante chorros de agua, de un cabezote vibratorio,
finalmente la perforación se rellena con gravas.
(h) Voladuras controladas a profundidad y en
presencia de agua.
(i) Diseñar la estructura de manera que
tolere el colapso, cuando el asentamiento resultante de este último no sea
inadmisible.
EFECTOS DE LA VEGETACIÓN
DEFINICIÓN DEL PROBLEMA — La humedad natural del suelo se altera en presencia
de vegetación pues las mismas extraen agua del subsuelo para sobrevivir, lo que
termina creando cambios en el volumen en relación inversa con su permeabilidad,
esto afecta en mayor medida a los suelos arcillosos.
DEFINICIÓN DE SUCCIÓN — Es la presión del agua dentro del suelo, y puede
expresarse como:
u = αp – S (H.9.5)
donde la
fracción de presión total (αp) es siempre positiva, y la succión (s) es siempre
negativa.
La
equivalencia entre succión, altura de agua y presión se presenta en la Tabla
H.9.2
Tabla H.9.2. Equivalencias de la succión
pF
|
Altura de agua
|
Presión de poros ( negativa)
|
|
cm
|
kPa
|
kgf/cm2
|
|
0
|
1
|
-
|
|
1
|
10
|
0.981
|
0.01
|
2
|
102
|
9,81
|
0.1
|
3
|
103
|
98,1
|
1
|
4
|
104
|
981
|
10
|
5
|
105
|
9810
|
100
|
6
|
106
|
98100
|
1000
|
7
|
107
|
981000
|
10000
|
EQUILIBRIO DINÁMICO — El equilibrio natural entre suelo, vegetación y clima se
altera con la intervención del hombre, llevando a asentamientos, expansiones,
colapsos y otros cambios, que requieren control.
CARACTERÍSTICAS DE LA VEGETACIÓN: La especie del árbol determina su sistema
radicular, extensión, cantidad y requerimiento de agua, haciendo que algunos
posean raíces hasta de cuarto nivel, leñosas y no leñosas, así mismo la especie
también determina la profundidad de las mismas. En presencia de agua las raíces
abundan en superficie, en caso contrario ganan profundidad buscando agua en los
estratos bajos.
RELACIÓN CON LOS SUELOS
Humedad de equilibrio — Se define como la humedad que adopta el suelo en
respuesta a una succión determinada.
Tipo de suelos — La humedad de equilibrio depende del tipo de suelo expresado
en términos del límite líquido. Se calcula así: Weq = B LL (H.9.6)
Figura H.9.3 — Relación entre la humedad natural y la succión para diferentes materiales arcillosos |
Para
distintas succiones, B adopta diferentes valores, (véase ecuación H.2.4-1 y la
figura H.9.4-3), así:
Para pF = 2, entonces B 0.5 y para pF = 3, entonces B 0.4
Movimiento de los suelos — De forma natural se presentan fenómenos de contracción
y expansión, los mismos se deben calcular según lo establecido en este
reglamento. De manera práctica se ha establecido que para succiones pF
superiores a 3.0 se debe desecar y para succiones pF inferiores a 3.0 se
desencadena un proceso de expansión en suelos con el potencial correlativo.
RELACIÓN CON LAS EDIFICACIONES
Deben considerarse los siguientes aspectos:
(a) Asentamientos — Producto de la búsqueda
de agua por parte de árboles individuales o en conjunto.
(b) Levantamientos — Se producen cuando a un
suelo que es súbitamente desprovisto de su cobertura vegetal, se le aumenta su
humedad (al no haber succión), y se expande al aproximarse a su nuevo punto de
equilibrio
(c) Especies agresivas en su búsqueda del
agua bajo la cubierta propicia de la edificación.
(d) Cambios estacionales.
Medidas preventivas
(a) Control de especies agresivas,
originarias de zonas con climas particularmente severos.
(b) Substitución selectiva de árboles que
afectan edificaciones, pavimentos, etc.
(c) Poda continuada del follaje.
(d) Corte moderado de raíces
(e) Suministro ponderado de agua a especies
que se quiere conservar.
(f) Selección de especies
RELACIÓN DE LA VEGETACIÓN CON LAS LADERAS — Las especies agresivas pueden ser
benéficas en las laderas ya que:
(a) Con la interceptación de la lluvia con el
follaje reducen la energía de las gotas y regulan la escorrentía reduciendo la
erosión en la ladera
(b) El sistema radicular provee refuerzo al
suelo, minimizando los deslizamientos someros
(c) La extracción del agua subterránea reduce
las presiones de poros incrementando la estabilidad de la ladera.
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