SUELOS COLAPSABLES DE UN ÁREA ESPECÍFICA DE LA CIUDAD
DE ASUNCIÓN
COLLAPSIBLE SOILS OF A SPECIFIC AREA OF THE CITY OF
ASUNCION.
Ing. José Luis Galilea Silva, Ing. Ubbo Norman Twijnstra Duarte, Prof. Ing. Norma Cantero
Facultad de Ciencias y Tecnología. Universidad Católica “Nuestra Señora de la Asunción”. Tte. Cantaluppi y G. Molinas, Asunción Paraguay.
Teléfono: 595 21 334650 Fax: 595 21 311820 e-mail: jlgalilea@gmail.com
e-mail: ubbot@hotmail.com
e-mail: norma.cantero.araujo@gmail.com
RESUMEN
Existen una gran cantidad de tipos suelos que son potencialmente colapsables, así como también una gran cantidad de causas y características. La zona estudiada de la ciudad de Asunción, pre-senta suelos residuales como transportados, los cuales son potencialmente colapsables, primera-mente por definición (tipo de suelo) y por los resultados obtenidos de los ensayos y análisis. Este trabajo se centrará únicamente en aquellos suelos en los cuales el colapso de la estructura del suelo es provocado por un incremento del contenido de humedad, causando una disminución rá-pida del volumen por el reacomodamiento de sus partículas, que pasan a ocupar los vacios exis-tente, ya que inicialmente el suelo posee una estructura abierta. En esta investigación se realiza un resumen de las clasificaciones, métodos mecánicos de identificación, criterios de identifica-ción según parámetros físicos y ensayos.
Palabras clave: Geotecnia. Suelos colapsables. Métodos y criterios de identificación. Ensayos. Suelos no saturados.
ABSTRACT
There are a great amount of types of soils that are potentially collapsible, as well as a lot of caus-es and characteristics. The area studied in the city of Asuncion prcaus-esents both rcaus-esidual soils and transported, which are potentially collapsible, first by definition (soil type) and the results of test-ing and analysis. This work will focus specifically on the soils where the collapse of the soil structure is caused by an increase in moisture content, causing a rapid decrease in volume by the rearrangement of its particles, which fill the existing gaps, and initially the soil possesses an open structure. This investigation includes a summary of the classifications, mechanical methods of investigation, identification criteria according to physical parameters, and tests.
Keywords: Geotechnical, collapsible soils, methods and criteria for identification, tests, unsatu-rated soils.
1 INTRODUCCIÓN
La mecánica de suelos se origino para el estudio de suelos saturados, los estudios de estos suelos han sido abundantes y se conoce mucho acerca del comportamiento de estos.
Sin embargo poco se sabe del comportamiento de los suelos no saturados. Una gran parte de las formaciones geológicas y las estructuras de tierra construidas por el hombre, están constitui-das por estos suelos.
Los suelos no saturados están sujetos a grandes cambios de humedad de origen natural, por variaciones climáticas o de origen artificial debido a la actividad humana. Estos cambios de hu-medad producen un reacomodo de sus partículas y un excesivo decremento en su volumen con o sin la aplicación de cargas externas, es decir, se producen modificaciones en su capacidad por-tante. Es por eso que nos avocamos a comprender el comportamiento geotécnico de estos suelos, los cuales podemos afirmar que tienen ciertas características de suelos colapsables.
A estos suelos afecta principalmente el colapso de su estructura intergranular, el cual será ob-jeto de nuestro estudio.
Este análisis se enfocara exclusivamente en los suelos que sufren colapsos debido al incre-mento en el contenido de humedad, provocando una disminución del volumen sin necesidad de aumento de la presión aplicada.
Entender su comportamiento mecánico es importante para el diseño y construcción de todo ti-po de obras civiles, ya sea pavimentos, diques, edificios, etc. Por lo tanto también es imti-portante saber que la identificación precoz de estos suelos contribuye a una solución técnica y económi-camente aceptable, no así si se identifica de forma tardía. Este es uno de los motivos que motivo esta investigación.
2 SUELOS COLAPSABLES
2.1 Antecedentes de suelos colapsables
Esta investigación se enfoca en los suelos colapsables por lo que a continuación se describen en detalle. Varios autores han realizado estudios con anterioridad, a continuación se presenta una descripción de estos suelos.
Los fenómenos más característicos del suelo no saturado están relacionados con sus deformacio-nes volumétricas al modificar el grado de saturación. Estas pueden ser positivas (colapso) o ne-gativas (expansión) [2].
Se define como colapso al fenómeno caracterizado por la brusca reducción de volumen ocasio-nado por el aumento de la humedad, con presencia o no de sobrecarga (Dudley, 1970) [3].
(Wiseman & Zur, 1973) definen como colapso a cualquier disminución rápida de volumen del suelo, producida por el aumento de cualquiera de los siguientes factores:
a) Contenido de humedad (w) b) Grado de saturación (Sr) c) Tensión media actuante (τ) d) Tensión de corte (σ) e) Presión de poros (u)
Reconociendo por lo tanto que el colapso de la estructura del suelo puede producirse por una va-riedad de procesos diferentes de la saturación. Reginatto (1977) sugiere que, a esta lista de facto-res puede agregarse la interacción química entre el líquido saturante y la fracción arcillosa. También podemos definir los suelos colapsables como aquellos suelos susceptibles a desmoro-narse perdiendo su estructura íntima de forma rápida, provocando, evidentemente una perturba-ción física en su entorno a partir de una reacperturba-ción en cadena [28].
2.2 Clasificaciones de suelos colapsables
En el siguiente esquema podemos observar la clasificación de los suelos colapsables, como se
menciono con anterioridad pueden ser de origen artificial (suelos compactados) o de origen
natu-ral.
Figura 1: Clasificación de los suelos colapsables
Cabe destacar que la formación de esos depósitos depende de las variaciones climáticas y el
ambiente geológico [5].
2.3 Descripción estructural de los suelos colapsables
La mayor parte de los suelos colapsables tienen una estructura abierta del tipo de panal. En la Fi-gura 2 se muestra el concepto de Casagrande sobre la estructura de suelo colapsable antes y des-pués de la saturación. El esqueleto de suelo se puede mantener gracias a la cohesión que le pro-porcionan a las partículas algunos materiales o fuerzas que se derivan de la tensión capilar, lo cual incrementa la resistencia aparente del suelo Figura 3. Se ha observado en las investigaciones que los suelos colapsables adquieren un esfuerzo efectivo máximo cuando ellos tienen un conte-nido de agua de alrededor del 10%. Existen suelos colapsables, que una vez saturados, son alta-mente compresibles, hecho que explica el gran cambio de volumen de estos suelos; las cargas
externas también ayudan a la solución de materiales cementantes que existen en los contactos in-tergranulares.
Figura 2: a) Estructura de limo arcilloso antes de la saturación, b) Estructura de limo arcilloso después de la saturación. (Casagrande, 1932)
a b
Figura 3: Estructuras típicas de suelo colapsable. (Dudley, 1970 – Maswoswe, 1985)
Por otra parte Reginatto (1977) señala que, en general, los suelos colapsables presentan una serie de características comunes, tales como [24]:
Estructura macro porosa, con índice de huecos (e), entre relativamente alto, a muy alto. Granulometría predominantemente fina, con predominio de fracciones de limos y de arcilla. El tamaño de los granos es generalmente poco distribuido y con los granos más grandes escasa-mente meteorizados. La mayoría de las veces, la cantidad de la fracción arcilla es relativaescasa-mente escasa, pero sin embargo, tiene una influencia importante en el comportamiento mecánico de la estructura intergranular.
Estructura mal acomodada, con partículas de mayor tamaño separadas por espacios abiertos, y unidas entre sí por acumulaciones o "puentes" de material predominantemente arcilloso. En mu-chos casos existen cristales de sales solubles insertados en tales puentes o uniones arcillosas [7].
Se pueden realizar ensayos de laboratorio y de campo para identificar y cuantificar el grado de colapsabilidad de los suelos.
Entre los ensayos de campo Ferreira & Lacerda (1993), desarrollaron el “expanso-colapsómetro “aparato destinado a medir las deformaciones volumétricas in situ. Los autores, afirman que, este aparato permite medir deformaciones con control de caudal de inundación siendo posible realizar en campo, ensayos similares a los edométricos doble y simples utilizados en laboratorios [9]. Otros ensayos de laboratorio son realizados en edómetros, que permiten una previsión de la de-formación resultante del colapso estructural del suelo, así como, parámetros cualitativos del gra-do de colapso. Existen gra-dos modalidades de procedimientos de ensayos. La primera corresponde al ensayo edométrico simple realizada con una muestra de suelo inundada para una determinada tensión de interés y la segunda, es el ensayo edométrico doble, realizado con dos muestras, una con humedad natural y otra inundada al inicio del ensayo. Detalles de estos procedimientos pue-den ser encontrados en Jennings & Knight (1975)
2.5 Criterio de identificación del colapso según parámetros físicos
Diversos investigadores han planteado varios criterios en base a relaciones que permiten estimar la posibilidad del colapso de la estructura del suelo cuando aumente el contenido de agua. Cier-tas relaciones tienen en cuenta solamente algunas propiedades físicas del suelo inalterado o re-moldeado tales como la relación de vacios natural (eo); la relación de vacios del suelo
remol-deado correspondiente al Limite Liquido (eLL); las humedades correspondientes a la situación
natural (wO) en condiciones de saturación, en el Limite Liquido (wL) y en el Limite Plástico (
P
w ), el grado de saturación del suelo (Sr), etc.
A continuación se detallan algunos de los criterios utilizados por investigadores que se basan en las propiedades físicas de los suelos y son las que serán aplicadas en esta investigación.
a) Denisov (1951)
Denisov basa su formula en la proporción que existe entre la relación vacios en el límite líquido y la relación de vacios natural, como se observa:
o LL e e natural vacios de relacion liquido ite el en vacio de relación
K lim
De acuerdo a los valores de K, Denisov clasificó los suelos de la siguiente manera:
K= 0,5 – 0,75; Suelos muy Colapsables K= 1,0; Limo Arcilloso no Colapsable K= 1,5 – 2,0 Suelo no Colapsable
b) Clevenger (1958)
Clevenger (1958) en cambio se refiere a la densidad seca del suelo en relación a si se presenta un asentamiento grande o pequeño, este criterio esta solo en función a la densidad seca; como po-demos ver a continuación:
3 sec 1,28m ton
o
Asentamiento grande
3 sec 1,441m ton
o
c) Priklonski (1952)
Priklonski (1952) se basa en la diferencia que existe entre el contenido de agua natural y el límite plástico con relación al índice de plasticidad, como podemos ver a continuación en su fórmula:
IP w w d plasticida de indice plastico ite natural humedadkp lim N p
De acuerdo a los valores de kp, Priklonski clasifico los suelos de la siguiente manera:
0 p
K Muy colapsable
5 , 0 p
K No colapsable
0 , 1 p
K Suelo expansivo
d) Gibbs (1961)
Gibbs utiliza el peso unitario seco, el cual debe ser menor a una expresión en la cual está in-cluido el límite líquido como único valor a ser agregado.
γ𝑑 < 2,6
[(1+0,026 𝑊𝐿)]
Donde,
d
= peso unitario seco L
w Límite líquido
e) Soviet Building Code (1962)
El código de construcción de la Ex Unión Soviética (1962) en cambio se base en la diferencia existente entre índice de vacios original y el índice de vacios del límite líquido con relación a la índice de vacío original, como podemos ver en la formula:
0 0 1 e e e L LL
Para un grado de saturación natural menor que 60%, si L 0,1; indica suelo colapsable
f) Holtz y Hilf (1961)
Holtz y Hilf (1961) a diferencia de los demás investigadores se basa esencialmente en la densi-dad seca de la muestra de suelo; donde la gravedensi-dad especifica del suelo por el peso especifico húmedo está relacionada a limite liquido por la gravedad especifica del suelo, así mismo esta re-lación existe de parametros físicos ya mencionados debe ser menor o igual a la densidad seca, como podemos ver acontinuacion:
L S 0 S 0 w S d G w 1 γ G e 1 γ G γ El límite líquido se ha considerado como un indicador importante de la colapsabilidad del suelo. Se propuso una carta que relaciona el límite líquido con relación a la densidad seca.
g) González de Vallejos
González de Vallejos propuso un criterio en función de la densidad seca Tabla Nº 1 y su poten-cial de colapso en porcentaje esto para ver a qué grado de colapso le pertenece la muestra de sue-lo a analizar:
Tabla 1: Criterio de González de Vallejos Grado de colapso Densidad seca
d
3
m Ton
Potencial de colapso (%)
Bajo 1,4 0,25
Bajo a medio 1,2 – 1,4 0,25 – 1,0
Medio a alto 1,0 – 1,2 1,0 – 5,0
Alto a muy alto 1,0 5,0
Estas expresiones no tienen en cuenta el nivel de presiones que actúa en el suelo ni reflejan la importancia relativa que puede tener el tipo, naturaleza e importancia de la cementación entre granos. Por tanto, son de aplicación restringida a aquellos suelos de los cuales han sido derivados estos valores experimentales.
3 CARACTERIZACIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO
El área de estudio se encuentra ubicada al SE de la Ciudad de Asunción comprendiendo la Ave-nida Eusebio Ayala, la AveAve-nida Doctor Guido Boggiani cerrando con la Calle R.I.6 Boquerón teniendo aproximadamente un área de 2.038 km 2, Figura 4. En esta zona se extiende bajo la Ciudad de Asunción y el área metropolitana de la misma y en todo el departamento Central y parte de Paraguarí, el Acuífero Patiño del Grupo de Asunción que consta de sedimentos conti-nentales, levemente consolidadas de edad del Cretácico, dato relevante para la obtención de sue-los colapsables.
Habiendo recopilados varios datos de Estudios Geotécnicos conteniendo: perfiles estratigráfi-cos, ensayos de campo y ensayos de laboratorio se puede concluir que los suelos que predominan en el lugar corresponden a arcillas arenosas de color marrón rojizo (CL).
4 ANÁLISIS DE DATOS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Habiendo recopilados varios datos de Estudios Geotécnicos conteniendo: perfiles estratigráfi-cos, ensayos de SPT y ensayos de laboratorio se puede concluir que los suelos que predominan en el lugar corresponden a arenas arcillosas (SC) y arcillas arenosas de color marrón rojiza o
ro-jizo (CL) con relación al SUCS.
4.1 Colapsabilidad de los estratos seleccionados con NSPT ≤ 5
Se seleccionaron sondeos NSPT ≤ 5, pero utilizando exclusivamente los estratos mencionados anteriormente.
Un total de 66 muestras fueron analizadas. A continuación se exponen los resultados obtenidos:
Tabla 2: Resumen del análisis con el criterio de Priklonski a los estratos seleccionados con NSPT ≤ 5.
4.2 Colapsabilidad de los estratos seleccionados con NSPT>5
Luego se analizaron se seleccionaron sondeos con NSPT >5 de los mismos estratos. Un total de
55 muestras cumplían con tales requisitos. Los resultados obtenidos son los siguientes:
4.3 Análisis de la relación de la humedad natural y el NSPT
En este análisis se ha intentado hallar una relación entre el NSPT con la variación de humedad de
los suelos (𝑤𝑛). Se observo una clara tendencia en el caso en el cual ocurre un aumento de gol-pes y disminución de humedad.
Como está fundamentado en el marco teórico, la mayor parte de los suelos colapsables tienen una estructura abierta del tipo panal, el esqueleto de este suelo se puede mantener gracias a la cohesión que le proporcionan a las partículas algunos materiales o fuerzas que se derivan de la tensión capilar, lo cual incrementa la resistencia aparente del suelo. Pero se han observado en in-vestigaciones que a medida que aumenta la humedad hasta la saturación, son altamente compre-sibles y disminuyen su capacidad portante.
Gráfico 1: Relación NSPT - humedad de todos los suelos.
4.4 Análisis de la relación del nivel freático y el N° de golpes del SPT
En esta sección se pretende analizar cómo afecta el nivel freático al NSPT, es decir, a la capacidad
portante de los suelos. Se elaboro una planilla en la cual se analizaron 48 sondeos en los cuales se detectó la napa freática. A continuación los resultados:
Tabla 4: Datos básicos del nivel freático.
27%
54%
13% 6%
Aumentan los golpes, aumentó la humedad
Aumentan los golpes, disminuyó la humedad
Disminuyen los golpes, aumentó la humedad
Disminuyen los golpes, disminuyó la humedad
Profundidad de NF (m)
Min. 2
Prom. 6
Tabla 5: Resumen del análisis de la relación del nivel freático y NSPT.
Número de golpes (N) del
SPT En el NF NF (m) + 1 NF (m) – 1
Min. 1 2 1
Prom. 10 9 14
Max. 50 50 50
Se puede concluir que en promedio luego de la napa freática aumenta la capacidad portante del suelo, ya que hay un incremento del 40% en el NSPT.
4.5 Ensayos de laboratorio y criterios
De las muestras extraídas de las tres excavaciones, con un total de nueve damas, se efectuaron ensayos en el Laboratorio de la Universidad Católica “Nuestra Señora de la Asunción”, con el fin de obtener los parámetros físicos para luego analizarlos según los diferentes criterios de in-vestigadores.
Tabla 6: Datos utilizados en los criterios de investigadores
4.5.2 Criterio de la Soviet Building Code
4.5.3 Criterio de Clevenger
4.5.5 Criterio de Gibbs
4.5.6 Criterio de Holtz y Hilf
4.5.8 Ensayo de colapso
Con las muestras inalteradas extraídas fueron hechos los respectivos ensayos de consolidación,el procedimiento experimental sigue los criterios establecidos en la Norma ASTM D 5333 “Medida del colapso potencial en suelos”. Para tal efecto en este ensayo se utilizaron dos consolidóme-tros.
Luego de observar el comportamiento del suelo bajo condiciones de carga, inundación y poste-rior descarga según se pudo ver en los gráficos más arriba, los resultados obtenidos son los si-guientes:
Tabla 7: Resultado del análisis según el potencial de colapso.
A partir de estos resultados se puede asegurar que todas las muestras realizadas de los tres sitios colapsan al ser inundadas.
Habiendo utilizado todos los criterios según parámetros fisicos y con los resultados obtenidos en los ensayos de consolidación se puede concluír que el criterio de Priklonski se adecua técnica y economicamente a nuestra realidad, considerando que es un ensayo muy sencillo y los datos se obtienen a partir del límite plastico, límite liquido, contenido de agua natural e índice de plasticidad que son datos que usualmente se suelen hallar y no asi los parámetros utilizados en los demas criterios.
5 RESUMEN DE LOS RESULTADOS DE COLAPSABILIDAD SEGÚN
PARÁMETROS FÍSICOS
Habiendo utilizado todos los criterios según parámetros físicos y con los resultados obtenidos en los ensayos de consolidación se puede concluir que el criterio de Priklonski se adecua técnica y económicamente a nuestra realidad, considerando que es un ensayo muy sencillo y los datos se
obtienen a partir del límite plastico, límite liquido, contenido de agua natural e índice de plastici-dad que son datos que usualmente se suelen hallar y no así los parámetros utilizados en los de-más criterios.
Tabla 7: Resumen de los resultados de colapsabilidad de los suelos según parámetros físicos.
6 CONCLUSIONES
En este último capítulo se exponen las conclusiones finales a las que se han llegado luego de la elaboración de este trabajo investigativo.
La predominancia de suelos encontrados son arenas arcillosas (SC) y arcillas arenosas (CL) en los cuales la arcilla actúa como material cementante. Estos materiales resisten cargas importantes en estado seco, sin embargo sufren importantes pérdidas en su capacidad portante y una gran re-ducción en su volumen cuando hay un aumento en la humedad o se produce la saturación.
La zona de estudio se encuentra en la Formación Patiño del Grupo de Asunción conformada por una secuencia sedimentaria compuesta por abundantes fragmentos y bloques de rocas provenien-tes del complejo cristalino Precámbrico, rocas sedimentarias del Paleozoico magmatitas y sedi-mentitas del Mesozoico, todos depositados dentro de una matriz muy heterogénea, compuesta de arenas, arenas arcillosas, limos y arcillas, en general.
En base a la evaluación de ensayos de laboratorio para determinar parámetros físicos de las 9 damas, se observan un WL mayor a 24,5%, un WN mayor al 10,1% e un IP mayor al 11,8%. Es-tos valores verifican la presencia de suelo muy colapsable en el lugar analizado de acuerdo al cri-terio de Priklonski.
El peso específico obtenido es de aproximadamente 2,67 . Y la densidad seca se encuentra en 1,63 y 1,77 .
Luego de utilizar el criterio de Priklonski con los datos recolectados de estudios de suelo realiza-dos anteriormente se concluye que los suelos en la zona son colapsables.
Posteriormente se realizo el análisis con las muestras inalteradas de suelos con las fórmulas de Gibbs, Priklonski, Holtz y Hilf, Soviet Building Code y Potencial de Colapso, en los cuales se obtuvieron resultados favorables a suelos colapsables.
Para la evaluación del colapso, se utilizó el ensayo de consolidación pero con la Norma ASTM D5333 “Medida del Potencial de Colapso”. Se pudo observar que al inundar las muestras se pro-duce el colapso del suelo en todos los casos.
La napa freática oscila en los seis metros de profundidad aproximadamente. Se pudo concluir que a mayor humedad natural se produce una notable disminución en la capacidad portante del suelo.
Luego del análisis del comportamiento del NSPT, antes y después del nivel freático (NF), con-cluimos que la capacidad portante del suelo se ve afectada en presencia de la napa freática. Este trabajo representa una recopilación de las características más importantes, la revisión y uti-lización de formulas para la identificación de suelos colapsables de manera a tener todo compi-lado y facilitar el análisis en el futuro en otras zonas del país y quizá del mundo.
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