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

W_N = 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 =  dε_w  / 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 (σ_v / σ_t)                              (H.9.4)

donde α  = S-S_o / 1-S_o 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.

Figura H.9.2 — Variación estacional de la succión
en relación con la profundidad

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.