UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA
La Universidad Católica de Loja
CARÁTULA
ÁREA TÉCNICA
TÍTULO DE INGENIERO CIVIL
Caracterización de arcillas expansivas en el sector Salapa
TRABAJO DE TITULACIÓN.
AUTOR:
Espinoza Morocho, Ángel Oswaldo.
DIRECTOR:
Tapia Chávez, Ángel Guillermo, M.Sc.
LOJA- ECUADOR
Esta versión digital, ha sido acreditada bajo la licencia Creative Commons 4.0, CC BY-NY-SA: Reconocimiento-No comercial-Compartir igual; la cual permite copiar, distribuir y comunicar públicamente la obra, mientras se reconozca la autoría original, no se utilice con fines comerciales y se permiten obras derivadas, siempre que mantenga la misma licencia al ser divulgada. http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.es
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APROBACIÓN DEL DIRECTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN
M.Sc.
Ángel Guillermo Tapia Chávez
DOCENTE DE LA TITULACIÓN
De mi consideración:
El presente trabajo de titulación: “Caracterización de arcillas expansivas en el sector Salapa” realizado por el profesional en formación: Espinoza Morocho, Ángel Oswaldo ha sido orientado y revisado durante su ejecución, por cuanto se aprueba la presentación del mismo.
Loja, octubre de 2015
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DECLARACIÓN DE AUTORIA Y CESIÓN DE DERECHOS
“Yo Espinoza Morocho Ángel Oswaldo declaro ser autor del presente trabajo de titulación: “Caracterización de arcillas expansivas en el sector Salapa”, de la Titulación de Ingeniería Civil, siendo el M.Sc. Ángel Guillermo Tapia Chávez director del presente trabajo; y eximo expresamente a la Universidad Técnica Particular de Loja y a sus representantes legales de posibles reclamos o acciones legales. Además certifico que las ideas, conceptos, procedimientos y resultados vertidos en el presente trabajo investigativo, son de mi exclusiva responsabilidad.
Adicionalmente declaro conocer y aceptar la disposición del Art. 88 del Estatuto Orgánico de la Universidad Técnica Particular de Loja que en su parte pertinente textualmente dice: “Forman parte del patrimonio de la Universidad la propiedad intelectual de investigaciones, trabajos científicos o técnicos y tesis de grado que se realicen a través, o con el apoyo financiero, académico o institucional (operativo) de la Universidad”
iv
DEDICATORIA
Dedico este trabajo primeramente a Dios, por darme salud, fuerza y sabiduría para culminar con existo mis estudios universitarios.
A mis queridos padres Medardo y Teresa, quienes han sido el pilar fundamental en mi vida, y se han sacrificado para darme los estudios y formarme como persona.
A mis hermanos Freddy, Paulina, Diego, que con su apoyo incondicional se han convertido en la base de mi formación personal y académica.
A mi querida esposa Anabel y a mi pequeño hijo Ángel Josué que se han convertido en el apoyo, fortaleza e inspiración para salir adelante juntos.
A mi abuelita, suegros, amigos y demás familiares que nunca me han dado la espalda y siempre han estado ahí para apoyarme.
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AGRADECIMIENTO
Mi agradecimiento sincero, primeramente a Dios, que me ha permitido culminar mis estudios, dándome salud, fortaleza y sabiduría para seguir adelante y no rendirme.
Eternamente agradecido con mis padres, Ángel Medardo Espinoza y María Teresa Morocho, que con su humildad, cariño y sacrificio han contribuidos en mi formación profesional y como persona, gracias a ellos he podido cumplir mi meta y por ellos he de seguir esforzándome para seguir alcanzando logros. A mis hermanos que me han brindado su apoyo incondicional durante mi vida estudiantil.
Gracias a mi querida esposa Anabel, que con su paciencia y amor ha colaborado sustancialmente en la consecución de este logro, a mi querido hijo Ángel Josué, que se ha convertido en mi inspiración, inyectándome la ganas de superación.
Un sincero agradecimiento a la Universidad Técnica Particular de Loja, en especial a todos los docentes que conforman la Titulación de Ingeniería Civil por sus conocimientos brindados para mi formación como profesional. Agradecimiento aparte al Ing. Ángel Tapia, que como director del presente trabajo de fin de titulación y como docente de la carrera me ha ayudado de manera directa en la culminación de mi proyecto, en la formación como persona y como futuro Ingeniero Civil.
Agradecido también con mis amigos y compañeros de la titulación, con los que se ha forjado una gran amistad, apoyándonos en todo lo referente a temas estudiantiles como personales, esperando seguir de la misma manera, ya como profesionales.
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INDICE DE CONTENIDOS
CARÁTULA ... I
APROBACIÓN DEL DIRECTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN ... II
DECLARACIÓN DE AUTORIA Y CESIÓN DE DERECHOS... III
DEDICATORIA ... IV
AGRADECIMIENTO ... V
INDICE DE CONTENIDOS ... VI
INDICE DE FIGURAS ... IX
INDICE DE TABLAS ... X
INDICE DE FOTOGRAFÍAS ... XI
ABREVIATURAS ... XIII
SIMBOLOGÍA ... XIV
RESUMEN ... 1
ABSTRACT ... 2
CAPÍTULO I ... 3
1
DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO ... 3
1.1
Introducción ... 4
1.2
Justificación ... 5
1.3
Delimitación de la zona de estudio. ... 5
1.4
Objetivos ... 7
1.4.1
Objetivo general. ... 7
1.4.2
Objetivos específicos. ... 7
CAPÍTULO II ... 8
2
MARCO TEÓRICO ... 8
2.1
Suelos no saturados ... 9
2.1.1
Origen y formación. ... 9
2.1.2
Composición. ... 9
2.1.2.1
Fase sólida. ... 9
2.1.2.2
Fase liquida. ... 10
2.1.2.3
Fase gaseosa. ... 10
2.1.3
Colapso y expansión. ... 10
2.1.3.1
Colapso. ... 10
2.1.3.2
Expansión. ... 11
2.2
Suelos expansivos. ... 11
2.2.1
Origen. ... 11
2.2.2
Características generales. ... 12
2.2.3
Composición de las arcillas expansivas. ... 12
2.2.3.1
Naturaleza y composición de las arcillas. ... 13
2.2.4
Grupo de minerales arcillosos expansivos. ... 14
2.2.4.1
Caolinítico. ... 15
vii
2.2.4.3
Montmorilonítico... 16
2.2.4.4
Vermiculita. ... 16
2.2.5
Factores que influyen en el proceso de expansión. ... 17
2.2.5.1
Tipo de materiales y cantidad. ... 17
2.2.5.2
Densidad seca. ... 17
2.2.5.3
Estado de esfuerzo. ... 17
2.2.5.4
Grado de pre consolidación. ... 18
2.2.5.5
Succión. ... 19
2.2.5.6
Tiempo y permeabilidad. ... 19
2.2.5.7
Humedad. ... 19
2.2.6
Ciclos de humedecimiento y secado de arcillas expansivas... 20
2.2.7
Modelos característicos de fallas en obras civiles... 21
2.2.7.1
Deformación en forma cóncava. ... 21
2.2.7.2
Deformación en forma convexa. ... 22
2.2.7.3
Deformación por expansión localizada. ... 23
2.2.7.4
Deformación por contracción localizada... 23
2.2.8
Identificación de arcillas expansivas. ... 24
2.2.8.1
Identificación de campo. ... 24
2.2.8.2
Métodos mineralógicos. ... 25
2.2.8.3
Métodos indirectos. ... 26
2.2.8.3.1
Parámetros y propiedades. ... 26
2.2.8.3.2
Métodos comúnmente utilizados. ... 28
2.2.8.3.3
Ecuaciones para determinar las propiedades del suelo expansivo. ... 31
2.2.8.4
Métodos directos. ... 31
2.2.8.4.1
Expansión libre. ... 32
2.2.8.4.2
Presión de expansión... 32
2.2.8.4.3
Ensayo para determinar la expansión libre y presión de expansión. ... 32
2.2.8.4.4
Otros métodos para determinar el potencial de hinchamiento... 35
CAPÍTULO III ... 40
3
METODOLOGÍA ... 40
3.1
Trabajo de campo ... 41
3.1.1
Localización y obtención de muestras in situ. ... 41
3.1.2
Ensayos de campo. ... 42
3.2
Ensayos de laboratorio. ... 42
CAPÍTULO IV ... 44
4
COMPORTAMIENTO DE ARCILLAS EXPANSIVAS EN OBRAS CIVILES DEL SECTOR
SALAPA. ... 44
4.1
Suelos expansivos en la construcción de obras civiles en el sector salapa. ... 45
4.2
Descripción de daños en estructuras del sector por suelos expansivos. ... 45
4.3
Control del fenómeno en el sector, actuando sobre el suelo de fundación. ... 49
viii
4.3.2
Reducción de la densidad. ... 50
4.3.3
Estabilización por métodos químicos. ... 51
4.3.4
Restringir los cambios de humedad en el terreno. ... 52
4.3.4.1
Humedecimiento del suelo antes de la construcción. ... 53
4.3.4.2
Aislamiento para prevenir los cambios de humedad. ... 53
4.3.4.2.1
Protección contra la infiltración de aguas provenientes de escorrentías
superficiales. ... 54
4.3.4.2.2
Protección contra la infiltración de aguas subterráneas. ... 55
4.4
Control del fenómeno en el sector, actuando sobre el tipo de cimentación. ... 56
4.4.1
Cimentaciones rígidas. ... 56
4.4.1.1
Zapatas aisladas. ... 56
4.4.1.2
Zapatas corridas. ... 57
4.4.1.3
Losas de cimentación. ... 58
4.4.1.3.1
Losa de cimentación apoyada sobre relleno estructural. ... 58
4.4.1.3.2
Losa reticular tipo Waffle. ... 59
4.4.1.3.3
Losas pretensadas y pos tensadas. ... 59
4.4.1.4
Pilas de cimentación. ... 59
4.4.2
Cimentaciones flexibles. ... 60
CAPÍTULO V ... 62
5
RESULTADOS OBTENIDOS ... 62
5.1
Resultados y caracterización de las muestras obtenidas. ... 63
5.1.1
Resultados y caracterización por métodos indirectos. ... 63
5.1.2
Resultados y caracterización por métodos directos. ... 64
5.1.3
Resultados obtenidos en el ensayo de consolidación unidimensional y
caracterización. ... 66
5.1.4
Resultados y caracterización por métodos mineralógicos. ... 69
5.2
Análisis de resultados. ... 71
5.2.1
Análisis de la clasificación según sus propiedades. ... 71
5.2.2
Análisis de la caracterización de suelos expansivos por los diferentes métodos.73
CONCLUCIONES ... 75
RECOMENDACIONES. ... 77
BIBLIOGRAFIA ... 78
ANEXOS ... 80
ix
INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Localización de los puntos de muestreo. ...6
Figura 2. Composición de las arcillas, lámina de aluminio o magnesio. ... 13
Figura 3. Composición de las arcillas, lámina silícica. ... 14
Figura 4. Composición del grupo caolinítico. ... 15
Figura 5. Composición del grupo illítico. ... 15
Figura 6. Composición del grupo montmorillonítico. ... 16
Figura 7. Composición grupo vermiculita. ... 16
Figura 8. Curva de consolidación. ... 18
Figura 9. Cambio en la presión de expansión y expansión por ciclos de humedecimiento y secado. 21 Figura 10. Deformación de tipología cóncava. ... 22
Figura 11. Deformación de tipología convexa. ... 22
Figura 12. Deformación por expansión localizada. ... 23
Figura 13. Deformación por contracción localizada. ... 24
Figura 14. Límites de Atterberg. ... 26
Figura 15. Potencial de hinchamiento en función de la actividad de las arcillas. ... 29
Figura 16. Curva de expansión primaria y secundaria. ... 33
Figura 17. Aparato de Lambe. ... 36
Figura 18. Relación entre el índice de expansión y el cambio volumétrico. ... 37
Figura 19. Sustitución del material expansivo. ... 50
Figura 20. Inyección de cal para estabilización de suelos expansivos. ... 52
Figura 21. Barrera horizontal de tipo acera. ... 54
Figura 22. Protección combinada. Barrera horizontal y drenes de intercepción. ... 55
Figura 23. Juntas para controlar esfuerzos laterales. ... 57
Figura 24. Sistema combinado de cimentación. Zapatas aisladas y corridas ... 58
Figura 25. Losa reticulada tipo Waffle. ... 59
Figura 26. Losa sobre elevada apoyada sobre pilotes. ... 60
Figura 27. Losa flotante con junta deslizante. ... 61
Figura 28. Difractograma de RX. Calicatas C-1, C-2 y C-3. ... 69
Figura 29. Clasificación de las muestras obtenidas mediante la carta de plasticidad. ... 71
x
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Coordenadas de los puntos de muestreo. ...6
Tabla 2.Clasificación de minerales arcillosos más comunes según su estructura. ... 14
Tabla 3. Actividad de algunos minerales constituyentes de los suelos. ... 27
Tabla 4. Método de Holtz y Gibs en función del índice de plasticidad. ... 28
Tabla 5. Método U. S Army Waterways Experiment Station. ... 28
Tabla 6: Método de Seed Woodward y Lundgren. ... 29
Tabla 7: Método de Raman (1967). ... 30
Tabla 8: Método de Chen (1988). ... 30
Tabla 9. Método de Altmeyer(1955). ... 30
Tabla 10. Método de Henry (1965). ... 31
Tabla 11. Alternativas de compactación de la probeta. ... 35
Tabla 12. Potencial de expansión según el índice de expansión en muestras compactadas. ... 38
Tabla 13. Grado de expansión con base a la relación de expansión libre. ... 39
Tabla 14. Parámetros para la caracterización de suelos expansivos por métodos indirectos. ... 63
Tabla 15. Caracterización por métodos indirectos. ... 64
Tabla 16. Propiedades de expansión y parámetros para la caracterización por métodos directos. .... 65
Tabla 17.Caracterización del suelo según el índice de expansión. ... 65
Tabla 18. Caracterización del suelo según la relación de expansión libre. ... 66
Tabla 19. Resultados ensayo de consolidación unidimensional. ... 67
Tabla 20. Parámetros para clasificar el suelo por su coeficiente de permeabilidad. ... 68
Tabla 21. Clasificación del suelo de acuerdo al coeficiente de permeabilidad. ... 68
Tabla 22. Resultados de difractometría de RX. ... 70
xi
INDICE DE FOTOGRAFÍAS
Fotografía 1. Ensayo de volumen de sedimentación. ... 38
Fotografía 2. Daños en plan maestro de agua potable sector Salapa- Loja. ... 46
Fotografía 3. Deformación e hinchamiento del tablado en el piso. ... 47
Fotografía 4. Grietas en paredes de mampostería. ... 47
Fotografía 5. Grietas a nivel de pisos, en veredas de circulación. ... 48
Fotografía 6. Agrietamiento en junta columna-pared... 48
Fotografía 7. Iglesia de San Francisco de Salapa. ... 49
Fotografía 8. Visita de campo y reconocimiento de la zona de estudio. ... 98
Fotografía 9. Excavación y obtención de muestra alterada. ... 98
Fotografía 10. Extracción de muestras inalteradas in situ. ... 99
Fotografía 11. Identificación y protección de muestras inalteradas... 99
Fotografía 12. Obtención de muestras alteradas. ... 100
Fotografía 13. Determinación del contenido de humedad de las muestras alteradas e inalteradas. 100 Fotografía 14. Montaje de la muestra inalterada en el equipo de consolidación. ... 101
Fotografía 15. Toma de datos ensayo de consolidación. ... 101
Fotografía 16. Muestras ensayadas en el consolidometro. Ensayo de consolidación. ... 102
Fotografía 17. Montaje de muestras inalteradas para ensayo de expansión libre y presión de expansión. ... 102
Fotografía 18. Saturación de la muestra para ensayo de expansión libre y presión de expansión. . 103
Fotografía 19. Secado de muestras para determinar los limites de consistencia. ... 103
Fotografía 20. Preparación de muestra para obtener los límites líquido, plástico y de contracción. 104 Fotografía 21. Realización del ensayo de límite líquido. ... 104
Fotografía 22. Ensayo de límite líquido. ... 105
Fotografía 23. Preparación de muestras húmedas para determinar el límite de contracción. ... 105
Fotografía 24. Muestras secas para determinar límite de contracción. ... 106
Fotografía 25. Ensayo de límite de contracción. ... 106
Fotografía 26. Lavado de muestra para ensayo de granulometría. ... 107
Fotografía 27. Ensayo de granulometría. ... 107
Fotografía 28. Calibración del picnómetro para ensayo de gravedad específica. ... 108
Fotografía 29. Preparación y mezclado de la muestra para ensayo de gravedad específica. ... 108
Fotografía 30. Extracción de aire por agitación y ebullición de la mezcla agua-suelo. Gravedad específica ... 109
Fotografía 31. Determinación de la temperatura para registrar la masa final. Gravedad específica. 109 Fotografía 32. Preparación de muestra para ensayo de compactación. ... 110
Fotografía 33. Ensayo de compactación. ... 110
Fotografía 34. Muestra compactada al 50% de saturación para el ensayo de índice de expansión. 111 Fotografía 35. Muestra compactada ensayada en el consolidometro. Índice de expansión. ... 111
Fotografía 36. Preparación de muestra para ensayo de volumen de sedimentación. ... 112
xii
Fotografía 38. Muestra saturada durante 24 horas. Ensayo de volumen de sedimentación. ... 113
Fotografía 39.Cuarteo de muestra para triturar. Ensayo difracción de RX. ... 113
Fotografía 40. Pulverización de muestra para difractometria de RX. ... 114
xiii
ABREVIATURAS
A.A.S.H.T.O American Association of State Highway and Transportation Officials.
ASTM Association for Testing Materials.
INV E Instituto Nacional de Vías- Colombia.
I.P Índice de plasticidad.
I.C Índice de contracción.
C.V Cambio volumétrico.
C.L Contracción lineal.
L.C Límite de contracción.
L.L Límite líquido.
L.P Límite plástico.
W Contenido de humedad (%).
I.G Índice de grupo.
RX Rayos X.
PVC Cambio volumétrico probable.
IE Índice de expansión libre. (Norma ASTM D4829).
IEL Índice de expansión libre. (Método de volumen de sedimentación)
U.T.M Universal Transverse Mercator (Sistema de coordenadas Transversal
de Mercator).
GPS Global positioning system (Sistema de posicionamiento global).
xiv
SIMBOLOGÍA
S Arenas.
G Grava
M Limo.
C Arcilla.
O Suelos orgánicos.
F Porcentaje de suelo que pasa por la malla #200.
W Bien graduadas (Clasificación de arenas y gravas).
P Pobremente graduadas (Clasificación de arenas y gravas).
L Baja compresibilidad (límite líquido menor que 50).
H Alta compresibilidad (límite líquido mayor que 50).
IG Índice de grupo.
C-1 Calicata 1.
C-2 Calicata 2.
C-3 Calicata 3.
C-4 Calicata 4.
C-5 Calicata 5.
Ha. Hectáreas.
KPa Kilo pascales.
Kg Kilogramos.
1
RESUMEN
El presente proyecto de titulación se enmarca en el estudio y análisis de las propiedades expansivas que poseen los suelos en el sector Salapa, con la finalidad de determinar la caracterización del terreno en estudio, su comportamiento como suelo de cimentación en la construcción de obras civiles y establecer soluciones factibles ante la presencia de materiales expansivos como base de cimentación para cualquier tipo de estructura.
La obtención de las muestras a ensayar se realizó en base a la ubicación y delimitación de la zona de estudio, puntos que se encuentran referenciados geográficamente en el sector Salapa, al norte de la ciudad de Loja. Se obtuvieron muestras alteradas e inalteradas a una profundidad media de 1.5 m, cada uno de los puntos muestreados están separados aproximadamente 500m entre sí.
En el presente trabajo se caracteriza e identifica mediante ensayos de laboratorio, las propiedades de los suelos expansivos para el posterior análisis de su comportamiento.
2
ABSTRACT
The present project order to finish my career is framed of the study and analysis of expansive properties that soils have, in order to determine the characterization of the land studied, its performance as foundation soil in the construction of civil works and provide feasible solutions in the presence of expansive materials as base of fundations for any type of structure.
Obtaining the samples to test was made out based on the location and delimitation of the study area, points that are geographically referenced in Salapa, in the north of the Loja city.
In the present work it is characterized and identified by laboratory tests, the properties of expansive soils for further analysis of their behavior.
3
CAPÍTULO I
4
1.1 Introducción
En estudios geotécnicos, la condición de un suelo parcialmente saturado o también conocidos como suelos no saturados, son de gran importancia debido a que esta condición del suelo se presenta en la mayor parte de los problemas existentes en obras civiles, por su gran presencia en zonas áridas y semiáridas.
El comportamiento de los suelos no saturados, específicamente el de las arcillas expansivas es el enfoque, al cual está orientado este trabajo de investigación, por tanto es necesario determinar las tipologías de los materiales en estudio, teniendo en cuenta que las principales características de los suelos no saturados, están relacionadas con las deformaciones volumétricas a las que se encuentran sometidos al variar el grado de saturación del suelo.
La zona de estudio se localiza en el sector norte de la ciudad de Loja, donde se ha tomado muestras inalteradas con la finalidad de obtener una base de datos que contenga información detallada del tipo de suelo, caracterización e identificación de las propiedades físicas de los suelos expansivos, con la finalidad de determinar su comportamiento en la construcción de obras civiles.
En la fase inicial del presente trabajo, se detalla teóricamente el origen, formación y composición de los suelos expansivos, con la finalidad de comprender posteriormente su comportamiento y así poder identificar las propiedades que estos poseen naturalmente.
El potencial cambio de volumen que sufren las arcillas expansivas, no solo se debe a su composición mineralógica, granulometría, límites de Atterberg o cualquier otro parámetro obtenido de ensayos de laboratorio, también influye sustancialmente la actividad realizada por el hombre, así como el uso que se da a la obra civil cimentada sobre arcillas expansivas, debido a que todos estos factores influyen directamente en los cambios de humedad, que en definitiva controla el hinchamiento o contracción del suelo expansivo.
5
Finalmente se detalla la caracterización y zonificación de acuerdo al potencial de hinchamiento de los suelos en la zona de estudio, además de presentar medidas de mitigación para evitar los potenciales cambios de volumen a los que se encontraran sujetos los suelos identificados en el sector Salapa.
1.2 Justificación
Este proyecto tiene como meta primordial, establecer una serie de parámetros que permitan caracterizar el tipo de arcilla existente en la zona de estudio, e identificar las arcillas expansivas y su mineralogía, con la finalidad de que sirvan de soporte en los proyectos a realizarse a futuro, debido al crecimiento poblacional en el sector norte de la ciudad.
Estudiar y analizar el comportamiento de materiales expansivos, permitirá comprender los esfuerzos a los cuales están sometidas las obras civiles, ya que en el medio no se ha dado la importancia debida a la construcción sobre este tipo de suelos, es por ello que este trabajo se enfoca en presentar alternativas viables que permitan minimizar los daños ocasionados por la expansión de los suelos de fundación, previa caracterización del material existente en la zona.
El hinchamiento debido a la excesiva humedad, como la contracción producto de la desecación del suelo, son episodios que pueden presentarse en distintas circunstancias al momento de construir sobre un suelo expansivo.
Las arcillas expansivas, al encontrarse sometidas a variaciones de humedad, pueden provocar grandes daños a las estructuras como viviendas, pavimentos rígidos y flexibles, obras de almacenamiento o distribución de agua, y en general todo tipo de obra civil caracterizada por su rigidez, debido al cambio volumétrico de las arcillas expansivas.
1.3 Delimitación de la zona de estudio.
El proyecto de fin de titulación corresponde a la caracterización de arcillas expansivas en el sector Salapa, zona norte de la ciudad de Loja, este lugar ha sido escogido debido a que por estudios anteriores, existe gran probabilidad de que el terreno, presente propiedades de expansión interesantes para el estudio, caracterización e identificación de las propiedades físicas del suelo.
6
factor fundamental en el comportamiento del suelo y daños ocasionados en la zona de estudio.
Los puntos localizados para realizar el muestreo se encuentran ubicados en un mapa geológico de la ciudad de Loja facilitado por la titulación de geología y minas de la U.T.P.L, estando separados entre sí, aproximadamente 500 metros.
[image:21.595.104.524.464.747.2]Los puntos de muestreo ubicados en la zona de estudio, están dados en coordenadas del DATUM PSAD 56, estos han sido ubicados con la ayuda de un navegador GPS de acuerdo a las coordenadas que se detallan a continuación.
Tabla 1. Coordenadas de los puntos de muestreo.
Fuente: (Espinoza A, 2015.)
Los puntos han sido localizados y ubicados en el mapa geológico de la ciudad de Loja, el cual se detalla en la figura 32 y en el anexo III.
Figura 1. Localización de los puntos de muestreo. Fuente:(Escuela geología y minas; Sig Tierras,2015).
CALICATA NORTE ESTE
C-1 00000000 0000000
C-2 00000000 0000000
C-3 00000000 0000000
C-4 00000000 0000000
7
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivo general.
Caracterización de arcillas expansivas en el sector Salapa-Loja.
1.4.2 Objetivos específicos.
Caracterizar e identificar las propiedades de los suelos expansivos.
8
CAPÍTULO II
9
2.1 Suelos no saturados
2.1.1 Origen y formación.
La mecánica de suelos en sus inicios se desarrolló con la intención de estudiar los suelos saturados, en los países desarrollados y con climas templados, se han realizado gran cantidad de estudios, los mismos que han aportado de forma significativa en el conocimiento de su comportamiento.
Los suelos parcialmente saturados se localizan en gran parte de la superficie terrestre, por ello el estudio de su comportamiento se ha aumentado en la última década, debido a la dificultad en la aplicación de la mecánica de suelos tradicional en los problemas geotécnicos existentes en este tipo de material.
Suelos colapsables, residuales y expansivos, pertenecen al grupo de los materiales no saturados. Estos tipos de suelos han sido denominados problemáticos o especiales, debido a que al estar sujetos a variaciones en su humedad natural, sea por cambios climáticos o por acción del hombre. Los cambios de humedad en este tipo de suelos juegan un papel fundamental tanto en su capacidad portante, como en los cambios volumétricos probables, es por ello la importancia de conocer el comportamiento de los suelos naturales o artificiales no saturados.
Las características principales de los suelos no saturados son las deformaciones volumétricas a los que se ven sometidos cuando se varía su grado de saturación, este tipo de deformaciones o cambios volumétricos pueden producir colapso o expansión. Ambos procesos se consideran de inestabilidad estructural porque varía el comportamiento deformacional del suelo al someterse a cambios de humedad, sin modificar las presiones externas.
2.1.2 Composición.
La composición de un suelo parcialmente saturado está dada por sólidos, líquidos y gases, debido a que se considera que es un sistema trifásico, partiendo de que se compone por material sólido principalmente, el cual contiene sus porosidades llenas de aire y agua. A continuación se detalla las fases componentes de los suelos parcialmente saturados.
2.1.2.1 Fase sólida.
10
de intercambio catiónico, además de su formación y textura; estos parámetros rigen su comportamiento.
2.1.2.2 Fase liquida.
Compuesta fundamentalmente por agua, la misma que posee sales disueltas que liberan cationes, ocasionando los cambios volumétricos notables o imperceptibles dependiendo de la composición del suelo.
2.1.2.3 Fase gaseosa.
Esta fase se compone por aire, el cual posee la cualidad de ser compresible, característica que no posee el agua.
2.1.3 Colapso y expansión.
Estos fenómenos son característicos de los suelos parcialmente saturados debido a que presentan variaciones de volumen cuando se generan cambios de humedad y de su grado de saturación.
2.1.3.1 Colapso.
El origen de los suelos colapsables es cambiante, se han podido identificar colapsos en suelos residuales, transportados y artificiales, aunque este fenómeno generalmente se da en suelos de origen eólico, debido a la naturaleza de su depósito, este tipo de suelo es más propenso al colapso que los suelos aluviales, coluviales y rellenos compactados.
Se denomina colapso a la disminución de volumen del suelo, debido al aumento del grado de saturación, sin modificar la presión a la cual estaba sometido el material antes de la variación de humedad. El colapso se diferencia de la consolidación, debido a que en este proceso se aumenta la humedad inicial del suelo, incrementando el grado de saturación, y también aumentando las presiones externas aplicadas al suelo; además en el proceso de consolidación se expulsa el agua existente paulatinamente, en el colapso se genera la absorción de agua.
Este fenómeno se da cuando el suelo que se encuentra estable soportando adecuadamente las cargas existentes, se debilita debido a que los enlaces entre sus partículas pierden la adherencia entre si al entrar en contacto con el agua (Barrera Bucio & Garnica Anguas, 2002).
11
Estructura interna abierta, con la facultad de reducir su volumen si se reduce también el volumen de poros.
La unión entre sus partículas se ve debilitada al ponerse en contacto con el agua.
2.1.3.2 Expansión.
Los suelos que presentan el fenómeno de la expansión, relacionan su origen con la presencia de minerales arcillosos en su composición, los minerales más comunes que pueden ocasionar la expansión en estos suelos, son: montmorillonita, illita, caolinita y vermiculita.
La expansión se refiere al aumento considerable de volumen, generado al aumentar el grado de saturación del suelo, sin modificar la presión externa a la cual está sometido el suelo cuando inicia la saturación. Los suelos expansivos también pueden verse sometidos al proceso de retracción si se presentan condiciones climáticas de humedecimiento y secado, provocando aumento y disminución de volumen respectivamente.
El proceso de expansión de las arcillas se debe principalmente al tipo de mineral arcilloso por el que está compuesta, a la facultad que posea el suelo para el intercambio catiónico, a su estructura, a la cantidad de arcilla existente en determinado suelo y los límites de consistencia.
2.2 Suelos expansivos.
2.2.1 Origen.
Al igual que los suelos normales, este tipo de suelos provienen de la meteorización, los minerales arcillosos se generan por la descomposición química de las rocas, que como ya se mencionó anteriormente tienen como factor de alteración al agua, la cual puede generar procesos de oxidación, carbonatación e hidratación; estos procesos, se encargan de la distribución de minerales en los suelos.
Su composición se debe principalmente al tipo de roca que se expuso a la meteorización, de la cual provienen los minerales arcillosos. Por lo tanto el mineral arcilloso que se forme depende de las características físicas y químicas de la roca madre, la topografía, las condiciones climáticas del lugar de formación, la vegetación existente y de algunos otros factores.
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feldespatos cálcicos, por lo tanto existe la probabilidad de que en lugares donde la ceniza volcánica entre en contacto con el agua, se generen procesos químicos para la formación de la montmorillonita.
Se clasifica a los materiales originarios de la formación de suelos expansivos en dos grupos, uno de los grupos abarca a las rocas ígneas como los basaltos, los gabros, noritas y doloritas. El otro grupo consiste en rocas sedimentarias, que se componen de minerales montmorilloniticos, los cuales se constituyen en un material básico para la formación de suelos expansivos (Ballinas Mijangos, 2006).
2.2.2 Características generales.
Este tipo de suelos se caracteriza por poseer una gran cantidad de partículas de minerales de arcillas que pueden absorber proporciones elevadas de agua, debido a ello estos suelos sufren considerables cambios de volumen cuando su contenido de humedad cambia. Estas variaciones volumétricas dependen en sí de las siguientes características: composición mineralógica, su estructura cristalina, y la facultad para intercambiar cationes que posean las partículas de suelo.
El suelo expansivo puede variar su comportamiento, ya sea presentando el efecto de retracción de las arcillas, la expansión o hinchamiento del suelo, o la generación de una presión de hinchamiento cuando el suelo está sometido a una presión externa, la cual provoca restricción del suelo a la expansión vertical.
La retracción se da por el proceso de desecación, por otro lado la expansión se produce cuando se da el humedecimiento. El estudio de este tipo de suelo viene en incremento, por la innumerable cantidad de obras en las que se hace necesario trabajar con estos suelos.
Cabe destacar que para que haya un cambio de volumen es necesario que ocurran dos factores, el primero que exista terreno arcilloso potencialmente expansivo, y segundo que exista un cambio considerable de humedad, es decir si se logra mantener la humedad relativamente constante, no se producirán significativos cambios de volúmenes, evitando posibles problemas en las cimentaciones de obras civiles (Carrasco Fernández, 2013).
2.2.3 Composición de las arcillas expansivas.
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originales. El nombre de arcilla se da a las partículas sólidas cuyo diámetro es inferior a 0.005mm y que al ser mezclada con agua su masa tiene la propiedad de hacerse plástica.
Las arcillas en general tienen la propiedad de contraerse al secarse, dependiendo de la humedad, poseen una alta cohesión, son compresibles y cuando se aplica alguna carga en su superficie éstas se comprimen lentamente (Sowers, 1994).
2.2.3.1 Naturaleza y composición de las arcillas.
Debido a los cambios que presentan las arcillas por la interacción de las partículas sólidas con las moléculas de agua presente en los vacíos del suelo o con los constituyentes iónicos, es necesario comprender la estructura molecular de las superficies de las partículas que componen las arcillas.
Existen muchas formas de minerales arcillosos, con semejanzas y diferencias tanto en estructura, composición y comportamiento, además de tener variedad de colores.
La estructura de estos minerales es cristalina, y sus átomos agrupados y dispuestos de forma laminar, dichas láminas se pueden clasificar en tipo alumínico y tipo silísico.
La lámina de tipo alumínico consiste en unidades de un átomo de aluminio rodeado de oxígenos e hidrógenos, formándose octaedros, los mismos que se agrupan entre sí, repitiéndose esta formación indefinidamente, lo que da lugar a una retícula laminar de tipo alumínico.
Figura 2. Composición de las arcillas, lámina de aluminio o magnesio. Fuente: (Zamora Ramírez, 2002)
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[image:29.595.155.467.150.333.2]La lámina de sílice, se encuentra formado por un átomo de silicio rodeado de 4 átomos de oxígeno, lo que da lugar a una forma de tetraedro, éstos se agrupan entre sí indefinidamente formándose la retícula laminar.
Figura 3. Composición de las arcillas, lámina silícica. Fuente: (Zamora Ramírez, 2002).
Los minerales arcillosos en su mayoría están formados por láminas de sílice y alúmina, que comparten sus componentes y forman un conjunto más equilibrado (Sowers, 1994).
Siendo los silicatos el grupo de minerales más importante debido a que constituyen el 25% de los minerales conocidos y cerca del 45% de los más comunes.
2.2.4 Grupo de minerales arcillosos expansivos.
Los grupos mineralógicos de arcillas expansivas más importantes son la caolinita, la montmorillonita y la illita. Estos grupos contienen una estructura en general cristalina y químicamente se componen de silicatos conformados por elementos tetraédricos y octaédricos. En la tabla 2 se muestra la clasificación de los minerales de arcilla más comunes en relación a su estructura laminar.
Tabla 2.Clasificación de minerales arcillosos más comunes según su estructura.
MINERALES ARCILLOS CRISTALINOS MAS COMUNES
TIPO DE ESTRUCTURA LAMINAR
DOS CAPAS (1:1) TRES CAPAS (2:1)
COMPUESTA UNIDIMENSIONAL FORMA
LAMINAR
FORMA
ALARGADA EXPANSIVAS
POCO EXPANSIVAS
Caolinita Haloysita
Montmorillonita Nontronita Vermiculita
[image:29.595.86.539.612.768.2]15
Cabe destacar que existen otros grupos de minerales que ocasionan expansión en los suelos debido a las variaciones de humedad, como por ejemplo la vermiculita y nontronita, pero su presencia generalmente es inferior que los minerales antes citados en cualquier tipo de suelo.
2.2.4.1 Caolinítico.
[image:30.595.157.465.307.419.2]Formado por láminas de alúmina y sílice, estructuralmente son dos capas una tetraédrica y otra octaédrica, superpuestas de manera indefinida unidas por enlaces de hidrogeno, de tal forma que no permiten el ingreso de partículas de agua, por lo que son arcilla muy estables con presencia de agua. En este grupo se presenta un hinchamiento mucho menor que en la montmorilonita e illita.
Figura 4. Composición del grupo caolinítico. Fuente: (Zamora Ramírez, 2002).
2.2.4.2 Illítico.
Posee una agrupación parecida al de las montmoriloníticas, la diferencia se da por la presencia de iones de potasio lo que produce grumos reduciendo el área expuesta al agua no siendo tan expansivas. Este mineral es uno de los más comunes en la naturaleza.
[image:30.595.228.398.551.718.2]16
2.2.4.3 Montmorilonítico.
Este es el mineral que se caracteriza por sus propiedades expansivas y generalmente es el que se localiza en la estructura de los suelos expansivos. Este mineral es el elemento principal de la bentonita.
[image:31.595.227.397.244.409.2]Se forman por la superposición indefinida entre una lámina de alúmina entre dos de sílice, la unión entre las retículas de este grupo es débil aquí sí puede penetrar el agua con facilidad, por ellos es inestable y éstas arcillas sufren una fuerte expansión.
Figura 6. Composición del grupo montmorillonítico. Fuente: (Zamora Ramírez, 2002).
2.2.4.4 Vermiculita.
Su estructura es parecida al de la montmorillonita, la diferencia se da por la presencia de cationes de magnesio, que son los que proporcionan las uniones entre láminas y por el tamaño de partículas que en relación a la capa es mucho mayor. Este mineral se forma por la descomposición de la clorita y biotita.
[image:31.595.230.396.555.741.2]17
2.2.5 Factores que influyen en el proceso de expansión.
Fenómeno también llamado hinchamiento, el mismo que se da por varios factores entre los que se destaca.
2.2.5.1 Tipo de materiales y cantidad.
La composición mineralógica del suelo juega un papel importante, es necesario determinar la cantidad de partículas de mineral arcilloso que componen un suelo, es decir la cantidad de caolinita, illita, montmorillonita o vermiculita que posee una muestra, lo que sirve en la estimación del potencial de hinchamiento.
Mientras existan más partículas potencialmente expansivas, mucho mayor será el fenómeno de la expansión. Si el suelo se compone por minerales arcillosos expansivos en grandes porcentajes, el suelo será propenso a un mayor cambio de volumen o hinchamiento.
Otro de los factores que influye es el tamaño de las partículas del suelo, debido a que como se mencionó anteriormente, las partículas de minerales arcillosos son por lo general menor a 2 micras, por lo tanto mientras más pequeñas sean las partículas de un suelo, más probabilidad existe de que contenga minerales arcillosos, y por ende de que se comporte como un suelo expansivo.
2.2.5.2 Densidad seca.
Un suelo estará propenso a la expansión cuando el valor de la densidad seca inicial aumente, y cuando la humedad inicial sea la menor posible, debido a que si su humedad aumenta paulatinamente, el grado de saturación también lo hace, por lo tanto la expansión será mayor, en un suelo poco saturado.
2.2.5.3 Estado de esfuerzo.
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2.2.5.4 Grado de pre consolidación.
[image:33.595.89.544.179.434.2]La consolidación del suelo se produce debido a la expulsión de agua y aire atrapados en los poros por efecto de la aplicación de cargas, este tipo de esfuerzos pueden ser producidos por su peso propio o por el peso de estructuras que se cimentan sobre él.
Figura 8. Curva de consolidación. Fuente: (Crespo Villalaz, 2005).
Los suelos de origen arcillosos son los que generalmente presentan problemas de asentamientos debido a la consolidación.
Como se muestra en la figura 7, existen dos tipos de consolidación, la primaria y secundaria. La consolidación primaria se debe principalmente a la expulsión de aire y agua existente en los poros, lo que provoca la deformación del suelo al aplicarse una carga. En cuanto a la consolidación secundaria, se ocasiona por la reubicación de las partículas del suelo, la misma que no es una teoría completamente comprobada aún.
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El grado de pre consolidación se convierte en un factor constituyente para determinar el grado de expansión de un suelo, en suelos normalmente consolidados, se han realizado pruebas de muestras inalteradas y alteradas o compactadas, existiendo resultados aproximados en ambas pruebas con una misma humedad, contrariamente a lo sucedido con suelos pre consolidados, en donde los resultados varían, debido a que la compactación genera una alteración de las uniones entre partículas, permitiendo una expansión mucho mayor que la que se presentaría en el terreno natural y de esta forma se sobredimensiona la expansión que se podría producir en el suelo en estudio.
2.2.5.5 Succión.
La succión existente en el terreno natural, está bastante relacionado al potencial de expansión de un suelo, ya que cuanto mayor sea la succión, el suelo tenderá a un mayor cambio de volumen, teniendo en cuenta que la succión se puede definir de forma superficial como la capacidad del material para adsorber agua, y mientras mayor sea la presión de adsorción, existirá mayor succión.
2.2.5.6 Tiempo y permeabilidad.
La mayoría de arcillas con potencial de expansión elevado, tienen una permeabilidad bastante baja, es decir son impermeables.
El tiempo de exposición de una suelo al agua depende principalmente de la geometría del terreno, las condiciones de filtración, su naturaleza, entre otros, debido a esto un suelo arcilloso presentara condiciones de saturación favorables o desfavorables, lo que es determinante para que el proceso de expansión sea rápido o lento durando inclusive años.
Arcillas con mejores propiedades de permeabilidad pueden generar más expansión que las arcillas impermeables, debido al tiempo de exposición y contacto con el agua, la lluvia por ejemplo puede tener una duración de minutos, y esto no permitirá la saturación en arcillas impermeables, sucediendo lo contrario en arcillas poco permeables, ya que el agua se infiltrara ocasionando cambios de humedad, siempre y cuando el tiempo de exposición sea considerable.
2.2.5.7 Humedad.
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El clima: Un factor importante que altera la humedad, especialmente cuando existen variaciones estacionales muy marcadas, es decir con periodos de sequía y de lluvia en algunos meses.
Experimentalmente se ha comprobado que las variaciones de humedad en el suelo dadas por el cambio del clima afectan hasta una profundidad de 2 o 4 metros, la capa de suelo comprendida en esta profundidad se denomina capa activa y es en esta en la que se pueden producir los cambios de volumen.
La vegetación: Este factor afecta debido a las raíces de los árboles ya que estas absorben grandes cantidades de agua del suelo, por ello la plantación o tala de árboles altera la humedad del suelo especialmente cuando el suelo existente es una arcilla altamente expansiva, que pueden afectar a edificaciones cercanas. Como regla general se tiene que lo zona de influencia de las raíces de los árboles afecta a una superficie cuyo radio es igual a vez y media la altura del árbol en su estado adulto.
Uso de las estructuras: Depende del uso que se puede dar de las estructuras, es decir la ubicación de hornos, o de calderas en la planta baja o de subsuelo de una edificación, además de plantas de refrigeración, lo que puede generar cambios de humedad del suelo de cimentación. Otra causa puede ser el riego de jardines o plantas aledañas a la construcción o edificación.
Rotura de tuberías, y elevación del nivel freático: Se dan repentinamente, produciendo cambios de humedad en el suelo, y produciendo hinchamientos que pueden afectar a estructuras especialmente cuando existe un levantamiento del suelo (Ayuso Muñoz, Caballero Repullo, & Otros, 2010).
2.2.6 Ciclos de humedecimiento y secado de arcillas expansivas.
La comprobación del potencial expansivo del suelo generalmente se la realiza ante un solo ciclo de humedecimiento, lo que permite determinar su expansión, pero este tipo de suelos en campo se someten a varios ciclos de humedecimiento y secado, lo que genera que sus propiedades expansivas y de contracción varíen en cada periodo de secado o de humectación de sus partículas.
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[image:36.595.88.537.133.353.2]inicial, debido a que en los ciclos siguientes se disminuye su expansión hasta llegar a un valor prácticamente constante, lo que ha sido denominado como fatiga de expansión.
Figura 9. Cambio en la presión de expansión y expansión por ciclos de humedecimiento y secado. Fuente: (Ballinas Mijangos, 2006).
Al analizar la microestructura del suelo, se explica este fenómeno como causa de que el primer ciclo de humedecimiento y secado provoca cambios en su estructura que inicialmente es floculada, luego de varios periodos de secado y humectación del suelo, su estructura es más dispersa, lo que ocasiona que se pierdan las propiedades de adsorción de agua y por ende de la expansión del suelo.
2.2.7 Modelos característicos de fallas en obras civiles.
Existen factores que influyen en la expansión o contracción de los suelos expansivos, cada uno de estos factores ya se ha tratado en el capítulo anterior, pero es necesario recalcar que los cambios de humedad generados por cualquiera de las circunstancias antes mencionadas, inducen a que se generen distintos patrones de falla, ya sea por la excesiva humectación del suelo o por el secado, a continuación se presenta algunos modelos que comúnmente provocan la deformación del suelo.
2.2.7.1 Deformación en forma cóncava.
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baja del mismo, de esta manera se efectúa la desecación del suelo de cimentación, provocando la contracción del material de apoyo, y por ende asentamientos diferenciales en la parte central de la estructura o en el lugar donde se genera más calor y desecación del suelo.
Figura 10. Deformación de tipología cóncava. Fuente: (Ballinas Mijangos, 2006)
2.2.7.2 Deformación en forma convexa.
Este tipo de deformaciones por expansiones diferenciales se da en climas húmedos, ya que al cubrir una superficie con una estructura, se restringen los cambios de humedad en el área donde se localiza la estructura, lo que provoca que la humedad existente en el suelo no se pueda evapotranspirar, debido a que este proceso se efectuaba a través de la vegetación existente en la superficie donde se localiza la estructura, el impedimento de que este proceso de evapotranspiración se ejecute, permite que el agua acumulada bajo la estructura, aumente el grado de saturación del material, activando el potencial expansivo del suelo y provocando generalmente hinchamiento del material presente bajo la estructura.
23
2.2.7.3 Deformación por expansión localizada.
En cuanto a este tipo de deformaciones, se producen básicamente por expansiones localizadas, es decir que no exista un drenaje adecuado en cierta parte de la estructura, puede ser debido a la escorrentía superficial producida por una ladera ubicada a cualquier sector del perímetro de la estructura, generando acumulación de aguas lluvias, o por infiltración de agua a través de juntas entre edificios o paredes, y por ende provocando expansión localizada en un solo sitio. La excavación para cimentaciones junto a una estructura ya existente, que este localizada en zonas activas donde domina la presencia de suelos expansivos, puede ser perjudicial si estas excavaciones se mantiene durante un tiempo considerable descubiertas, permitiendo la infiltración de agua a la estructura colindante lo que ocasionaría severos daños.
Estos problemas también se pueden dar debido a que la ubicación de la estructura contribuye a que en un sector adyacente a la cimentación se origine demasiada sombra, evitando la evaporación del agua por efecto de la radiación solar.
Otro factor que puede generar una expansión localizada, es la ruptura de algún tipo de tubería, o por la irrigación de prados o jardines adyacentes, generando cambios de humedad únicamente en el sector del daño u zona de riego, lo que induce al aumento de volumen del suelo existente a su alrededor, siempre y cuando este posea características de un material expansivo.
Figura 12. Deformación por expansión localizada. Fuente: (Ballinas Mijangos, 2006)
2.2.7.4 Deformación por contracción localizada.
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[image:39.595.153.471.208.426.2]ubicación de árboles con grandes propiedades para la adsorción de agua en las proximidades de una estructura , situación que produce el secado natural del suelo únicamente en el sector donde se localizan las plantas o arboles de grandes magnitudes, causando la contracción localizada que se extiende aproximadamente a lo largo de las raíces, provocando daños estructurales o de la mampostería de la vivienda por los asentamientos diferenciales en uno o varios sectores colindantes.
Figura 13. Deformación por contracción localizada. Fuente: (Ballinas Mijangos, 2006).
2.2.8 Identificación de arcillas expansivas.
En la actualidad existen muchos criterios para identificar la expansión de un suelo, los mismos que se muestran a continuación:
Identificación de campo
Métodos mineralógicos
Métodos indirectos
Métodos directos
2.2.8.1 Identificación de campo.
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Grietas por secado.- Cuando existen suelos expansivos observando en la superficie del suelo aparecen grietas que agrupadas tienen la forma de polígonos, esto cuando existen periodos de sequía.
Plasticidad.-En suelos expansivos, se hace fácil hacer un rollo de suelo con las manos sin que este se desmorone.
Textura.- Los suelos expansivos cuando están húmedos son resbaladizos, y suelen pegarse a llantas o zapatos.
Daños estructurales.- Son apreciables en estructuras colindantes, si existen grietas, hinchamiento de superficies, o alguna otra falla, es un indicio de la probable existencia de suelos expansivos en el sector.
2.2.8.2 Métodos mineralógicos.
Al conocer la constitución mineralógica de los suelos se puede determinar la expansividad de los mismos, como se mencionó anteriormente los grupos más importantes de minerales arcillosos son la ilita, caolinita, vermiculita y montmorilonita, siendo este último el que los ensayos intentan detectarlo ya que es el mineral más expansivo.
Todos estos métodos son muy útiles para trabajos de investigación científica, y para trabajos prácticos de ingeniería, aunque implican costos elevados. Los métodos que existen son varios, sin embargo entre los más importantes se tiene:
Difracción de RX.- Consiste en determinar los porcentajes de minerales de arcillas por los que se encuentra compuesto el suelo, determina la presencia de materiales cristalinos ya sea en estado sólido o granulado, además es el más utilizado en este tipo de métodos
Análisis térmico diferencial.- Mide la diferencia entre la temperatura de la muestra y un material de referencia inerte mientras estos son expuestos a las mismas temperaturas, las mismas que van aumentando de forma progresiva, el objetivo es visualizar los cambios que sufre el material en estudio pues una arcilla registra claros cambios debido a la temperatura ya sean estos pérdidas de peso, reacciones endotérmicas, dilataciones, contracciones, y transformaciones mineralógicas, lo cual suministra datos que luego permiten caracterizar el tipo de arcilla y su comportamiento.
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visualiza los cambios existentes en la composición y estructura de la arcilla, y de acuerdo a su respuesta ante estos químicos poder caracterizarla.
Microscopio electrónico.- Método que define la composición mineralógica, la estructura interna y su textura observándose de una forma directa, es importante ya que dos materiales pueden tener distintas características morfológicas y tener las mismas curvas térmicas y patrón de difracción de RX, consiste en ir observando mediante varios aumentos que van desde X200 hasta X10000, conociéndose así la composición, sus dimensión y su morfología.
2.2.8.3 Métodos indirectos.
La desventaja del uso de estos métodos es que los datos son muy variables por ende los resultados no son cuantitativos sino más bien cualitativos, y la ventaja es la facilidad con la que se puede obtener estas propiedades ya que los equipos que se utilizan existen prácticamente en todos los laboratorios de suelos.
2.2.8.3.1 Parámetros y propiedades.
Estos métodos se basan en la determinación de algunas propiedades de los suelos las mismas que son:
Límites de consistencia de Atterberg.
Los suelos arcillosos en general poseen plasticidad, propiedad de los suelos cohesivos para deformarse hasta cierto punto sin romperse. Para determinar el valor de la plasticidad se hace uso de los denominados límites de Atterberg, autor que se encargó de diferenciar los estados de consistencia en los que se encuentra un suelo, que son: sólido, semisólido, plástico y líquido.
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Limite líquido (L.L): Se define como el porcentaje de humedad, con relación al peso seco de la muestra, con el cual se produce el cambio de estado de la muestra, del líquido al plástico. La cohesión es casi nula cuando el suelo se encuentra en su límite líquido.
Limite plástico (L.P): Es el porcentaje de humedad con relación al peso seco de la muestra, con el cual los suelos cohesivos pasan de un estado semisólido a plástico.
Índice de plasticidad (I.P): Generalmente el índice plástico depende de la cantidad de arcilla en el suelo y se considera como la diferencia numérica entre el límite líquido y plástico.
Límite de contracción (L.C): Porcentaje de humedad con relación al peso seco de la muestra, con el que al disminuir el agua en cierta cantidad, ya no se ocasiona más reducción del volumen de la muestra.
Contenido de Coloide, partículas menores a 0.002mm.
El contenido de partículas menores a 0.002 mm, es un factor influyente en su comportamiento, porque mientras posea un mayor contenido de partículas coloidales menor a 2micras, la probabilidad de que el suelo mantenga un potencial de hinchamiento relativamente alto es mucho mayor. La actividad de las arcillas esta relacionada con la fracción de arcilla existente en el suelo, ya que se ha determinado que mientras mayor sea el I.P del suelo, existen más propiedades coloidales en la arcilla. (Skempton, 1993), desarrollo esta ecuación para determinar la actividad coloidal de una arcilla:
(1).
La actividad que poseen los minerales importantes en los suelos se muestran en la tabla 3. Tabla 3: Actividad de algunos minerales constituyentes de los suelos.
MINERAL ACTIVIDAD
Cuarzo 0.00
Haloysita 0.02-0.07
Metahaloysita 0.07-0.16
Calcita 0.18
Mica (moscovita) 0.23
Caolinita 0.01-0.41
Illita 0.23-0.80
Atapulgita 0.57-1.23
Montmorillonita (Ca, Mg, k, NH4) 0.32-3.09
Montmorillonita (Na, Li) 1.12-11.5
28 2.2.8.3.2 Métodos comúnmente utilizados.
Con el conocimiento de las propiedades anteriormente mencionadas, se utiliza algunos métodos que nos permiten tener conocimiento sobre el grado de expansión de los suelos, los que comúnmente se emplean son:
Método de Holtz y Gibbs.
Este método utiliza el índice de plasticidad, el contenido de coloides y el límite de contracción para calificar el grado de expansividad como se muestra en la Tabla 4.
Tabla 4: Método de Holtz y Gibs en función del índice de plasticidad.
Contenido Coloidal (%) ≤15 13-23 20-31 >28
Índice Plástico (%) ≤18 15-28 25-41 >35
Límite de contracción (%) ≥15 16-10 12-7 <11
Grado de expansión Bajo Medio Alto Muy Alto
Fuente: (Das, 2012)
Método U.S. Army Waterways Experiment Station
Método indirecto que usa los límites de Atterberg y la expansión potencial, para ello se hace uso de la Tabla N° 5 que se muestra a continuación.
Tabla 5. Método U. S Army Waterways Experiment Station.
Límite
Líquido Plasticidad Índice de Potencial (%) Expansión expansión potencial Clasificación de la
<50 <25 <0.5 Baja
50-60 25-35 0.5-1.5 Marginal
>60 >35 >1.5 Alta
Expansión potencial= Expansión vertical bajo una presión igual a la presión de sobrecarga
Fuente: (Ayuso Muñoz, Caballero Repullo, & Otros, 2010).
Método de Seed, Woodward, y Lundgren.
Estos autores en 1962, llegan a una correlación entre el porcentaje de hinchamiento y el índice de plasticidad esto bajo una sobrecarga de 1 psi, de muestra compactada basada en el ensayo del Proctor Modificado y la humedad óptima, llegando a la siguiente relación, ecuación 2:
(2).
En donde:
29 K= 3.6x10-5
[image:44.595.164.458.472.752.2]IP= Índice de Plasticidad del suelo
Tabla 6: Método de Seed Woodward y Lundgren.
Potencial de expansión 0-1.5 1.5-5 5-25 >25 Índice de Plasticidad 0-15 10-35 20-55 >55
Potencial de
Hinchamiento Bajo Medio Alto Muy Alto
Fuente: (Jiménez Salas J. , 1980).
Este método es muy útil y es aplicable a suelos con contenidos de arcilla que varía del 8% al 65%, estos autores también plantearon un método basado en la actividad de la arcilla y el porcentaje de coloides. La actividad de la arcilla se la deduce utilizando la siguiente relación:
(3).
Donde:
IP= Índice de Plasticidad del suelo
C= Porcentaje de arcilla menor a 0.002mm.
De esta relación se desarrolla una carta la misma que se muestra en la Figura10.
30 Método de Raman (1967).
Método que utiliza el índice plástico y que calcula un índice de contracción, basado en la diferencia de humedad entre el límite líquido y al límite de contracción, utilizándose la siguiente expresión:
(4).
Dónde:
IC=Índice de contracción LL= Límite líquido
LC= Límite de contracción
Tabla 7: Método de Raman (1967).
Índice Plástico (%) <12 12-23 23-32 >32
Índice de contracción (%) <15 15-30 30-40 >40
Grado de expansión (%) Bajo Medio Alto Muy Alto
Fuente: (Das, 2012)
Método de Chen (1988).
Método que utiliza simplemente el índice plástico, para la caracterización.
Tabla 8: Método de Chen (1988).
Índice Plástico (%) ≤15 10-35 20-55 ≥35
Grado de expansión (%) Bajo Medio Alto Muy Alto
Fuente: (Das, 2012)
Metodo de Altmeyer (1955).
Método en el que se debe conocer la contracción lineal, el límite de contracción, y la expansión probable, con base en una muestra remoldeada con su contenido óptimo de humedad y la densidad máxima seca, sumergida bajo una sobrecarga de 6.9 KPa.
Tabla 9. Método de Altmeyer(1955).
Contracción Lineal (%) <5 5-8 >8
Límite de contracción (%) >12 10-12 <10
Expansión Probable (%) <0.5 0.5-1.5 >1.5
Grado de expansión (%) No crítica Marginal Crítica
31 Metodo de Elvin F. Henry (1965).
Método que se basa en pruebas realizadas y permite determinar el potencial de hinchamiento de un suelo a través de su índice de plasticidad..
Tabla 10. Método de Henry (1965).
Índice de Plasticidad (%) 0-14 14-25 25-40 >40
Grado de expansión (%) No crítica Marginal Crítica Altamente critico
Fuente: (Ballinas Mijangos, 2006)
2.2.8.3.3 Ecuaciones para determinar las propiedades del suelo expansivo.
Algunos autores presentaron algunos métodos empíricos basados en estudios realizados, para establecer distintas ecuaciones con la finalidad de obtener algunos parámetros de los suelos expansivos, a continuación se detallan los más importantes.
Ecuación de Vijayvergiya y Ghazzaly (1973).
Estos autores propusieron otra forma de estimar la presión de expansión del suelo, para ello realizaron 273 estudios en muestras inalteradas, deduciendo la siguiente ecuación empírica.
(
)
(5). Ecuación de Nayak y Christensen (1974).
Método que mide el porcentaje de expansión en función del índice de plasticidad, el contenido de agua natural del suelo, y el porcentaje de arcillas, la ecuación que deducen es:
(6). Ecuación de Weston (1980).
Método que se basa en el uso del límite líquido ponderado, el valor de la sobrecarga a la que estará sometido el suelo, y el contenido natural del suelo, la ecuación empírica que se utiliza es la siguiente:
(7).
2.2.8.4 Métodos directos.
