REFLEXIONES ACERCA DEL PROBLEMA DE ARCILLAS
DISPERSIVAS
EN EL
DISE�O
DE PRESASHemyr
OBILINOVIC·RESUMEN
En relacian al
[enomeno
dedispersion
en arcillascompactadas
se presenta una slntesis delproblema
y un analisis critico respecto a las relaciones propuestasactualmente para su
idenrificacion
en laingenieria
practica.
Durante las p rimeras etapas de lasinvestiga
ciones
geotecnicas
para elemplazamiento
de una presase propone utilizar la
geologia
como una herramlentaprimaria
para obtener las indicacionesprelim
inures deamplia
escala en laidentificacion
de las arcillasdisper
sivas.
Finalmente,
afin
de utilizar estos materialespotencialmente
disp
ersivos en la construecion de presas,se presentan diversas secciones
tipos
como solucion aeste
problema.
INTRODUCCION
A
partir
de lasprimeras investigaciones pioneras
de losingenieros
australianos,
en relacien alproblema
de arcillasdispersivas
enpequeiias
presas(en
zonasIrida.)
que fallaron porpiping.
en la ultima decada ha habidoimportantes
avances en la c ompren sien del Fenome no de
dispersion
0 defloculacion, a pesarde que todavla existen controversias sobre su mecanismo.
Este
tipo
deproblema
cae fuera de lospadrones
normales con los cualesel
ingeniero geotecnico
esta habituado atrabajar.
Debido a lapeculiaridad
del•
110 REVIST A DEL IDIEM Vol. 20, nO 3, diciembre 1981
fenomeno,
lasinvestigaciones
hanintentado,
en unaprimera
etapa, abordar elproblema
desde diferentesangulos
y apartir
de ella se han hechoextrapola
ciones
prematuras
y afirmaciones de carjicterespeculativo,
quepueden
de sorientar a losprofesionales
no familiarizados con esteproblema
poco comun,
haciendoles verproblemas
donde realmente no existen. Una de estasHneas de
invearigacicn,
de caracrer esencialmentepractic
0, es intentar 0btenercorrelaciones
simples
a traves de los ensayos geotecnicos derutina,
parapoder
identificar los suelos
dispersivos;
sinembargo,
esta excelente idea no ha sidodebidamente
utilizada,
ya que no se ha hecho un analisisponderado
en relacicn a 10 que representan estos ensayosrespecto
alorigen
y naturaleza del fenom e node
dispersion,
habiendose propuesto prematuramente correlacionesdiscutibles,
que enalgunos
casos conducen en direccion contraria alobjetivo
prefijado.
TUBIFICACION EN ARCILLAS DISPERSIVAS
En la naturaleza existen ciertos
tipos
de arcillas que son incluso mas erosionabiesque los limos y arenas
finas,
las cuales se denominan arcillasdispersivas.
Estasarcillas son erosionadas por el proceso denominado
dispersion
(0
defloculacion),
generando
de esta forma el fenomeno de tub ificacion,piping.
Ladispersion
aparece cuando las fuerzas electricas de caracrerrepulsive
entre lasparticulas
individuales dearcilla,
son mayores que las atractivas(van
derWaals),
de modoque cuando el suelo entra en contacto con el agua, las
particulas
individualesson
progresivamente
desligadas
y puestas ensuspension,
siendotransportadas
en el caso de existirflujo
deagua".
Las fuerzas atractivas nopolares
de vander Waals
dependen
de la distancia entre partIculas ygeneralmente
son independientes de las caracterlsticas de estas y del
electrolito30";
sinembargo,
lasrepulsivas
dependen
de laspropiedades
qu Imicas delHquido
y de supotencial
electrico,
ydisminuyen
con el aumento de la concentracion ionica del electrolito. Estas fuerzas
repulsivas pueden
serprovocadas
por la h idratacion del ion
o de los
minerales,
0 como resultado de lapresion
o srn otica causada por lasuperposicicn
de lassuperficies
de las dobles capas de adsorcion durante lacompresicn.
Todo estopuede
serexpresado
en terminos e nerge ticos diciendoque la
energia
derepulsion
es sensible a los cam bios de la c o n c e ntra cion electrolfrica,
valencia de loscationes,
constante die lectriea ypH,
mientras que laenergla
de atraccion es sensible solamente a los cambios en la constante dieIectrica y tern
peratura"
.La
mayoda
de lasinvestigaciones"
2, 17, ,.han c onclufso
que existe una
intima relacion entre el fen Sme no de de flocu lacion en arcillas
dispersivas
y lapresencia
del cation sodio intercambiable presente en el agua absorbida delsue-10,
especialmente
en los c asos donde elARCILLAS DISPERSIVAS EN DISE�O DE PRESAS 111
de sales solubles.
En
realidad,
el sodio actua incrementando el espesor de la doble capa difusa(esta
es mayorpara cationes de menor
valencia)
aumentando de estaforma las fuerzas
repulsivas
entre las partIcu las y facilitando el proceso de suseparaci6n
de la masa de suelo. Es conveniente lIamar la atencion a que unsuelo
susceptible
a la de flocu lacien y clasificado com 0dispersivo
en la boratorio,podda
en lapnlctica
no sufrir de flocu lacion, en el caso que el agua del embalsecontenga concentraciones electrollticas
importantes
(digamos
del orden de50
miliequivalentesllitro,
meq/l).
Ademas del fenemeno de arcilla
dispersiva,
una sene de otros factoresincidieron favorablemente al desarrollo de
piping
en las presas que fallaron en lasregiones
aridas de Australia. Entre estes factores esta el habercompactado
los materiales excesivamente del lado seco de la curva de co mpac racien, 10
que
implica
una mayorrigidez
del suelo y, porconsiguiente,
una mayor potencialidad de
agrietamiento
frente a los asentamientosdiferenciales;
ademas deesto, se agrega la co ndicicn clirnarica seca que favorece la formacion de
fisuras,
entre las capascompactadas
y la aparicion de lasgrietas
por secamiento. Atodo 10 anterior
hay
que agregar la incorporacion casi inmediata de las aguas meteoricas(con
cantidadesimportantes
deCO2)
Y llenadonipido
del embalse. La co mpactacion de un su elo e se n cia lme ntearcilloso,
en el lado seco dela curva de c o mpactacion, desarrolla una estructura mas
abierta,
debajo grado
de orientacien de las
pardculas
(estructura
£loculenta),
en la cual los solidos(inertes)
queconstituyen
la estructurasecundaria,
se situan en poslclonesdebilmente unidas a la estructura
primaria
delsuelo;
para esta co nd icion el sueloposee una
permeabilidad
relativamente alta y la cantidad de agua de compacracio
n no seda suficiente para desarrollar la doble capa de todas lasparticulas
individuates.
En el c a so de suelos con concentraciones
apreciables
de cationes desodio,
una vez que se inicia elflujo
de agua conbajo
contenido salino(digamos
1 m
eq/I),
lasparticulas
unidas deb ilmenre a la estructuraprimaria
sondesligadas
y
transportadas,
dando inicio a la vez a la transferencia 0 disolucicn del sodiohacia el agua en
movimiento;
de esta manera se modifica rapidame nte Ia condicion
quimica
de la estructuraprimaria
delsuelo,
aumentando las fuerzas repulsivas
(disminuye
la co nc e ntracion ionica del aguaabsorbida),
eipso
facto
se inicia la separacion de las partIcu las delesqueleto
primario,
las que son llevadas por el agua,
generando
de esta forma el inicio del feno m en o de tubificacion. En el caso de existir una barrera estere ornetrica(Filtr
o)
la fr accion inertepodra
ser retenida y,dependiendo
de su cantidad en relacion al material tamafioarc
ilia,
podra servir a su vez de filtro para el material de tarnafiocoloidal;
pero,probablemente,
el suelo c olapsar
a debido al debilitamiento de las unionesqulmicas
por la disolucion del sodiou.Sherard" , m ostre
experimentalmente
a traves del ensayo denominado112 REVISTA DEL IDIEM voL 20, nO 3, diciembre 1981
fenomeno de defloculacien se genera
practicamente
sin carga hidraulica(del
ordende 5
em);
elgrado
de eompactacien
en suelos francamentedispersivos
y en los nodispersivos
tienen poca influencia en su resistencia a laerosion,
no sucediendo 10 mismo para auelos medianamentedispersivos.
En la
opinion
del autor de estetrabajo,
las dos condicionesprim
ariaspara el desarrollo de la defloculaeion en arcillas francamente
dispersivas
ser!an:alta concentraci6n de sodio en relacion a los dem.s cationes del sue
lo,
minerales arcillosos con gran
superficie
especIfica ycapacidad
de intercambio cationico.
y los factores que contribuirian en un
segundo grado
de importancia
sedan:contenido de agua de com
pacracion
en el lado seco de la curva de compactacion
«
Hmiteplastico.
auelo pocoplastico)
grietas
de retraccion y dimas esencialmente aecosbaja
concentracien salina del agua del embalse(tambien
aguas m eteoricas},
Uenado
rapido
del embalse(no
da tiern po suficiente para el cierre degrietas
por asentamientos diferenciales 0rerraccicn,
en caso que estas sehubieran
producido).
GENESIS DE LAS ARCILLAS DISPERSIVAS
Generalidades
Como la
mayoda
de lasinvestigaciones
han coincidido en indicar que existeuna
importante
eorrelacion entre laprobabilidad
de rotura de presas y la pre.encia de sueloa con altos
porcentajes
de cationes intercambiables desodio,
especialmente
en los casos en que el agua del embalse tiene unbajo
contenidode sales
solubles,
nace de inmediato la p regunta: tcom0 utilizar lageologia
para identificar en una
primera
aproximacion la existencia de estostipo
s desuelos en cada proyecto en estudio?
Haciendo un analisis
retrospectivo
delproblema
de arcillasdispersivas
se observa que inicialmente este fen6meno era
restringido
a arcillas de dimasiridos,
semi-iridos ydepositos
marinos deserticos; enefecto,
las presas de arciUas francamente
dispersivas
que fallaron por tubificacion en Australia 1,1....
se.ituan en
regiones
de climas aridos 0 semi-aridos del oeste(gran
desierto de Victoria)
y,en U.S.A.corresponden
a suelos con influenciamarina,
conimportante
contenido .odico. Es
opinion
del autor que estaspeculiaridades
geologic
as fueron dejandose
deIado,
para finalmente dar la impresicn
engano sa de que las arcillas dispersivas
pueden
existir en las mas diversas condiciones geologicas,
cre andosede esta forma una
preocupacicn
en muchos casos en que. por las caractedsticas
geologicas.
su existencia seda altamenteimprobable.
Suelos
conalto
contenido
de sodio
ARCILLAS DISPERSIVAS EN DISEftO DE PRESAS 113
luelol con alto contenido de sodio en la naturaleza. La fuente
principal
del sodioel el agua de mar y, por
ende,
los sedimentos deorigen
marino. En la Tabla I seindican las
proporciones
medias de losprincipales
minerales que componen elagua de mar y a titulo
comparativo,
seincluyen
las de agua de rio. Por otra parte, el contenido lalino' del agua de mar es del orden de 3.44... de su peso,o lea que por cada
m3
de agua a serevaporada
sedepositadan
34.4kg
de sales.TABLA I
CONTENIDO SALINO DEL AGUA DE MAR Y RIO'
...
Elemento
Agua de mar Agua de do
Na 30.59 5.79
K 1.11 2.12
Mg 3.72 3.41
Ca 1.19 20.39
Si03 ....0 11.67
A1203 + Fe203 0 2.75
Radical C03 0.21 35.15
Radical S04 7.70 12.14
Radical CI 55.48 5.69
Radical N03 0 0.9
Cuando el agua de mar se evapora, las sales menos solubles se preclpltan en
primer
lugar
(CaC03
�Fe203
-+ CaS04 .2H20
-+CaS04 -+ NaCI -+
K2
S04
-+KCI),
Y las mas soluble. son llevadas por las aguaslluvias,
a menos que h ori lontelluperficiales
arcillosos 10impidan.
Estosdepositos
salinos no son rarosen zonas de
tipo
desertico,
siendo un casodpico
de esta forrnacicn el Golfode
Karabugaz
al Este del MarCaspio'.
En las
regiones
deserticasprevalecen
condiciones bienpeculiares
en relacion. la formacion de
suelos,
producto
de ladescomposici6n
in situ de la roc. madre. EI agua retenida porcapilaridad
e s empujada
hacia la superficie porel diferencial termico
existente,
evaporandose ydejando
concentraeiones salinas en direcci6n de lasuperficie;
por otrolado,
estas soluciones reaccionan con101 componentes de las rocas y tienden a
descomponerlas,
quebrandolas ydeltruyendolas
a traves de unproceso cIclico, Debido a las
evaporaciones
exce.ivas,
las sales solubles de Na, Ca,Mg
se presentangeneralmente
en loshorizontes
superficiales,
ocurriendo depreferencia
en las zonasplanas,
dondepermanecen, por no haber agua para su
transporte'.
Descomposicion
de
feldespatos
Una
segunda
fuente de sodio en lasarcillas,
pero de menorimportaneia
queI. citada
anteriormente,
es ladescomposici6n
de la albita. Dehecho,
un os114 IU:VISTA DEL IDIEM vol. 20, nO 3, diciembre 1981
(COllstlt.1lyeDf'
priaeticaiRente'
la mitad de- los componentes de lasroc,");
estos .e'$ubtUviden
en trestipos,
ortoclasas,
plagioclasas
y microlinos.La,
serie delas
plagioclasas
secO�pone
a'.su vez, de' anortita y albita, siendc esta ultimael
p,rincipal
compuesto de la familia de losfc;ldespatos
que posee sodio, La albita,
Sot
Q(igina'
porl�
fijaci6n
dc;l
sodio e nrla estructu ra . basica
del
feldespato
(AlShOs)-'y'
ttfd��COfl.lp96Ici�
'Produce
carbonatos6d'i�oJ'�
el cualpuede
ser facilmente lIevado por las aguas debido a su elevada solubilidad:_ • U 1\ I
albita I caolinita silice
r---
--- � m
Las albitas
�tamb.iref"
andrtites,mi4J'!Piinos
yortoclasas)
son mineralesasociados a un
-grado
cre,ne-te-odiz4Ci6n-relativdmelltebaje
y 1as-stnjlos
compuestos por
esto.
minlrlaFes
ens�
fract%HI delim�
y a'r�illa song�ologicamente
j6venes
y se encue'ntranprin'
ip
almente enre�iones
'deserricas donde por laJ J , r •
escasez de agua la
m$,teqrizaci6
qu(m.i�a
se e ncu entra reducida a un m In im o'", Comocriterio�gef\eral
sepuede
e�1;Ablecer
'que,�alvo
excepoiones, la proporci6n
del cati6n.odio
en el total de los c ornponenreaquimicos
de las rocas y en consecuencia (4,.:t1os sue sorig.inados porlella�ej,;dilll�ifup4>rtancia.
Esto sedebe,
Prin1iPalmente!
al hec 0 deque
s610 la�lbiu.9fo$�e
'canti�ades
relativa-• (Jit
cd'
! jI i'cd'
_j • f� 1£)J,""''')'
.,I
mente lmpor antes o e so 10 ,en casO e exisnr en ro s m in era [es pnnclpa es
" ,.1 "
I'"
q �
f,." , .que compon forma secundar(a .. slhce
$,°2;
plroxenostHgJJ.r.lftJi:>�., ,A�d.(1� M�
0!�oiib.dli�.'04�
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Mg.oEft,}l N-a�J�f:-4
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la
desintegraci6n
de losfeldespatos
produjOitJP"
'ex ceso!4e-
ca-�i"()nIcts�§odio�.'
y,rom On
iu.en�isllO'
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sel10llJ�tl:Hmptlll
�.d.iaelJtonIl4�M
ique-ptov,iene
fQQcbimt�lmu�:c1d
a1l&vlloq!lleS
�acialQs.ldpseca�tJ !P.I1lAi.ci.c�:JDtJ�i�lAs
E)'r .z o n asOtm!1&�G.aII1I)yJ
..slln.,e.stoQcblLn.,Lctbn�i!lt;¢
!-pt;'jnc1palmerute,
dep-ard(lula��
de t-alnanoliD'110
",nsiona"
fmUl;uni£.erm;ca,co-D.�
p'equeiias0e;u'!tida.aelJ
.de.arciUan�$u.lm.ente
1"oni:.nio:ciUbni�)
..;tl�'XfD11l
0nClo.�Dtante�:J'US .c:araate£tsJt4eaaJ�ar.ian
deWJ'Gl),:regioft
..a o.irou.
de:pe.n41endQ!
delO!l.)as�ectos
�peculiates
(,fegidoille5\
.de 5U[obJla<:i"n.. El
or.i�«n
"cieh...loeUi '£5 ;&2ra,a.tdr(stacQ.:de- .dUmu serhi-aaidos o B.�serti.cOI;
facted-lCEbJnDfdoDlallte
pa-ra. ,\ittjaltspor:teJJeolico
y� como Jus,wio anteriormente, en este
tipo
de climae.x.i�ten
grande
sposibilidades
de e ae oncrar cateoness6dicos,
que sedan una fuente adicional de sodio en estossuelos,
cuya irnpor tancia dependera
de 1a geologfa regional
(por ej.
�1
loess deEuropa
y Rusia�e'nfor:''!l6
J�n(
C�?��,c�q�,es,�e)l>!Ja�?�!Wlllrr�!�ra$
y climas secos de�stepas
aridas y,semi-deserti,c,a.;s,
dural.He,.el
�d.pAq;$.l�Fi�.l
del.
pl�ist,oceno".p,�n,isov3
).
•
I
ARCILLAS DISPERSIVAS EN DISE�O DE PRESAS 115
Descomposicion
del
basalto
Otro caso interesante y
practico,
que nos muestra como la geolog
Iapuede
serutilizada con gran
provecho
en la identificacion de arcillasdispersivas,
es elde los suelos residuales
originados
por la desco mposicion delbasalto,
que como se vera masadelante,
no sondispe
rsivos y son resistentes alpiping.
EI basaltoesta compuesto
principalmente
defeldespato
plagioclasa
con mucho calcio(anortita),
unido apiroxeno
y olivino(silicatos
de Fe, Ca,Mg, AI),
Y los productos de su descom
posicion
comprenden
arcillas,
cantidades im portantes dehematitas
(Fe20))
y limonitas(Fe203
.nH20)
y una cantidad apre ciab le decalcio,
magnesio,
sodio y sllice solub les". Las arcillasoriginarias
del basaltoson esencialmente caolinlticas y en el
conjunto
de minerales que la componen,el sodio es
despreciable:
CaAl:z Si2
Os
+2H20
+CO2
_.AI2
Si2
o,(OH)4
+CaCO)
Anortita Caolinita
Importancia
de la
geologia
De 10 expuesto anteriormente se
puede
establecer que lageologia
y suinterpre
tacion desde el punto de vista de
ingenieria
civil es de granimportancia
en laobtencion de indicadores
preliminares
de amplia escala para la idenrifieacionde las arcillas
dispersivas,
de modo que, durante lasprimeras
c a rn pafias geologic
as para elemplazamiento
de una presa, se las podra excluir 0 no del universo de fac tores queinfluyen significativamente
en el proyecto. En laopinion
del a utor,en vez de establecer que los suelos
dispersivos
no son raros en lanaturaleza,
que existen en diversasregiones
del mundo con diferentes condiciones climaricas y diferentestipos
de suelo etc,; desorientando a losingenieros
no familiarizadoscon esre
tipo
deproblema,
se deberla establecer que elproblema
de a rcillas dispersivas
sepresenta
fundamentalmente en suelos de climas aridos 0 se mi-arido s(tipo
deserticos)
0 en suelos sedimentarios marinos. En el resto de los suelosdeHcilmente se
presenta,
salvo enaquellos
originados
por la de sc o rnpo sic ion
de rocas con
importantes
cantidades de albita(plagioclasa,
familia de losfeldespatos).
No es extraiio entonces, que el Prof. Peck!"hay
aexpresado:
Geology
shoul be used togreater
advantage.
We deal withgeological
materials,
yet
geological techniques, geological
reasoning,
and theimplications
of geology
are
rarely
utilized to maximumadvantage.
ENSAYOS
DE LABORATORIO PARA LA IDENTIFICACIONDE ARCILLAS DISPERSIVAS
Fundamentalmente,
tres ensayos han sido utilizados para identificar arcillasdispersivas."
11,116 REVISTA DEL IDIEM vol. 20, nO 3, diciembre 1981
Pinhole - test. Se hace
pasar agua destilada por un orificio
(1
mm dediametro)
practicado
en unaprobeta
de suelo compactado;
en arcillasdispersivas
el aguasale turbia y el orificio es erosionado y en arcillas no
dispersivas
el agua salelimpia
y el orificic no sufre erosion.Salea aolubles en el extracto de aaturacion. Ell este ensayo
qulmico
se mezclauna
porcion
de suelo con agua destilada a un contenido cercano al Hmitelfquido,
dejando
lo reposar por untiempo
parapermitir
el intercambio cationicodel
complejo
suelo-agua.
Posteriormente se extrae una pore ion de esta aguade los poros, que se denomina extracto de
satwracibn,
y se determinala cantidad de los cuatro cationes metalicos Na, K.
Mg
Y Ca de lasolucicn,
enmiliequivalentes
porlitros,
meq/L
Se define como total de sales disueltas(TDS)
al total de estos cuatro cationes Y» comoporcentaje
de sodio a la razonentre la cantidad de sodio y el TDS. ambos en
meqfl.
Ensayo
hidrometrico doble. Se basa en laejecuclo
n de dos ensayos hidro metricos utilizando en unc.aso
elmejor
dispersante
quIrn ico(ensayo
clasico convencional)
y en el otro, agu� en 10posible
similar a la que seembalsa;
sedefine como
porcentaje
dedispersion
a la raz on en peso, de laspardculas
ramafio arcilla entre los dos· ensayos segun se ilustra en la
Fig.
1.I PORCENTAJE DE DISPERSION DEFINIDO COMO 100 II A/8 I
100 «
If)
�
w:>
0
0 50
If) w a. z w
• ... •
0
/
/ / / ,/
_-/
"
It - GRANUL. CON DEFlOCUlANTE -- GRANUl. SIN DEFlOCUlANTE
0.1 DIAM. mm
Fig. 1. Curvas granulometricas del ensayo htdromerricc doble en suelos dispersivo•.
0.001 0.002 0.01 1.0
EI ensayo hidromerrico posee varias limitaciones. En
primer lugar,
la deflo culacicndepende
del agentedisperser
utilizado y no e xiste una nor malizacion para la determinacion de la granulometrfa sin
defloculante;
ensegundo
lugar,
al de finir un Indice este debeda aumentar en la direccicn de lapropiedad
respectiva
y en consecuencia seda mas correctodefinir,
en vez deporcentaje
de
dispersion,
el
Indice dedispersividad'
como BfA 0 B - A. Enrealidad,
enforma
analoga
alproblema
de corrosion de estructurasenterradas,
10 que interesa es el
potencial
del fenomeno(dispersividad),
0 sea lasusceptibilidad
de un material a serdisperso,
y no ladispersion,
quecorresponde
a un estado yaARCILLAS DISPERSIVAS EN DISE�ODE PRESAS 117
La
incorp
oracicn, por Sherard" , delpinhole-test,
ha sido de granimpor
tancia para la
mejor
visualizacion y cuanrificacion delproblema
dedispersion,
si bien la esencia del fen ome no dista de estar totalmente entendida. Sherard" In
vestigo
el fenom e no dedispersion
enarcillas,
a trave s delpinhole-test
y delTDS en 195 muestras de suelo de varios
lugares
delmundo,
de las cuales 80correspondian a suelos de presas que tuvieron
problemas
de deflo culacion.A
partir
de este analisis propuso una correlacion entre el TDS y elporcentaje
de
sodio,
que se muestra en laFig.
2, en la cual se definen las zonas A,Bye
quepermitidan
identificar los suelospotencialmente dispersivos;
en esta mismafigura
seincluye
con lineas de trazos laantigua
c orrelacion propuesta en 1972 . Es conveniente citar que seis de lostipos
de suelosensayados
sufrierondispersion
a pesar de que su contenido de sodio fue menor que 40"fo, y no hubo una explicacion satisfactoria para esta excepcion,0
100
...
-0
Z
ZONA A "
-0
0 - /
0 C/I U ( OISPERSIVA EN EL "PINHOLE TEST" ,
/
-- 0 <{
/
�
t- o::: ::J/
l-II <{ /
0 U')
-ZONA C ..".. /' 0 UJ - --/' 0 0 50 _-U') TRANSICION , UJ 0
0 I-U
...
<{
--UJ 0::: ---- _ -
_-3
l-XZONA B
Z UJ
UJ ( NO OISPERSIVA EN EL ..
PINHOLE TEST" ,
U _J
0::: UJ T OS = Na • K • Mil • Ca
0 0
a..
-0
0.1 1.0 10 100
TOTAL DE SALES DISUELTAS EN EL AGUA INTERSTICIAL J TOS
meq/
l20 APUD SHERARD ET Al
17
--- APUD SHERARD ETAL. (FIG. 12.CORRELACION FINAL
PRESENTADA COMO CONCLUSION)
Fig. 2. Relacion entre la dispersion y el contenido de sales del agua intersticial para suelos
compactados en laboratorio segun el pinhole-test.
Las
propiedades
de una arcilia y, en consecuencia su comportamiento,
sonaltamente
dependientes
de sus c a racterIsticas mineralogic
as, por 10 que,cualquier
correlacien que se establezca en relacion al fenorn e no
dispersion,
debera incor porar un minucioso y detallado analisis de la influencia de sus minerales. EI hecho118 REVISTADEL IDIEM vol. 20, nO 3, diciembre 1981
de validez
universal,
pues nada impide
que frente a nuevos datos(por ej.
combi naciones de minerales diferentes a 101ensayados,
ensayos que consideren el efectotixotropico
de losmateriales,
etc)
la tendencia se desdoble en otras, mostrando que los conodmientos eranincompletos,
y frente a nuevo. datos el ciclo serepetiria
hastaalcanzar,
poraproximadones
sucesivas, adinfinitum
el "conoci mientocompleto"
(por ej.
ver en laFig.
2 el cambiosignificativo
entre las correlaciones propuestas por Sherard en 1972 Y
1976).
La
aplicaci6n
de la relacionpresentada
en laFig.
3, en Iaopinion
delautor, no debe ser
adoptada
prematuramente comoalgo
totalmentecomprobado
y, en caso de ser utilizada se recomiendacautela;
esto se debe al hecho de que so validez no fue claramente establecida eD relacion a 1a influencia de lostipos
de minerales arcillosos
(el
autor solo cito enpasstDIt,
que se osaron diferentescombinaciones
mineralogicas
sin haber resaltado su incidencia en elfenomeno).
60r---�----_r---r_----�----�
• SHERARD I "72 I
o DEL CASTlllD I 1171 I
• AJTOIISCII Y WOOO I 1115 I
o
�
40f---....
�
en
�
30 I---i----+IL
I1J o
I1J U
....
u
....
SUELOS MCILLOSOS ••• ALES Y IEJll'MSlYUS
• •
•
•
•
SUELOS AltCILLOSGIS DISI'ERSIYOS
•
•
•• •
•
•••••
••• ••
• •
••• •
: ....
• • •
10�----�--�1---���-+--- .UYSUELOSEllClSKllABLESLIMOSOS
o
z
....
00
• •
o � � � '_ -L '_ � �
o 10 20 30 40 50 60 70
-t, EN PESO DE PARTICUlAS MENORES QUE 2 p.
Fi&. l. ConeiaciOa eDlre aClRidad y dispeuRidad eD suelos de presa5 de lierra que mfrieroD
pipial- Apud lleKDdiz".
EI conveniente reealear que Ia com
posicien
mineralogica
es de granimportancia
en Ia identificaeion de Ia. areillasdispersivas,
existiendo aetuaimente controversias al respecto, como se vera mal adelante.ARCILLAS DISPERSIVAS EN DISE�O DE PRESAS 119
resultados,
utilizando unamplio
criteriopersonal.
Aunmas,
si deadopta,
comosolucion para el
problema
el uso de filtro(so
lucionffsica),
en laopinion
delautor ademas del ensayo h idromerrico doble para su dimensionamiento seria
conveniente
ejecutar
ensayos de filtro en laboratorio que representen las condiciones mas desfavorables in situ; 0 sea
probetas
de arcillacompactada,
acanaladas en su parte central 0, en sudefecto,
con un orificio central de d iametro del ordende 3 mm, en contacto con filtros de diferentes
granulometdas,
sujetas
a unacarga de agua
destilada,
con la finalidad de observar y determinar si seproduce
realmente erosion interna 0 si efectivamente el filtro retiene las
pardculas
coloidales.
PROPIEDADES INDICES COMO UN INDICADOR DEL POTENCIAL
DISPERSIVO DE LAS ARCILLAS
En la mentalidad practica de los
ingenieros
georecnicos, eslogic
a yjusrific
adala tendencia de intentar correlacionar las
propiedades
indices de una arcilia con supotencial
dispersivo
con el proposito de obtener relaciones quepermitan
la idenrificacicn del
problema
en formasimple
y rapida.Resendia" c orrelaciono la actividad coloidal de las arcillas con su poten
cial
dispersivo
utilizando los resultados de presas que sufrieron fallaspor
erosion interna y esrab lecio, como se muestra en la
Fig.
3, que la zona comprendida entre las rectas de actividad 0.3 y 1.0 corr esponden a suelos
dispersivos.
Ademas,
afirma este mismo autor, que esta conclusion es congruente con lasobservaciones de que los finos de la
mayoda
de los suelos que se comportan comodispersivos
tienen una c omposic ion miner alogic
a en quepredominan
las ilitas y caolinitas. En el mas reciente State-of-the-art report of embankment
damsu , se cita esta correlacion, en forma que
deja
la im pre sion de ser enprin
cipio
aceptada
0 por 10 menos de ser una relacicn con futuro. En laopinion
del autor del presente
trabajo,
su adopcion en la practicaprofesional
podra conducir a conclusiones no del todo correctas, como se discute a c o ntinuacion,
Antes de
plantear
correlaciones se debe hacer un a n alisis para determinarque
representan los ensayos a ser utiliz ado s en relac ion al feno m en o dedisper
sion y si sera
posible
a traves de ellos cuantificarlo.Cualquier
cor relacionentre los Hmites de
Atterberg
0 la actividad coloidal con fasusceptibifidad
ala
dispersion,
no seracompatible
in toturn pues ambos son de naturalezadiferente. La
dispersion
es un fenomeno intimamenteligado
a las caracteristicasf{sico-qu{micas
de las arcillas en el que interviene unfIujo;
a pesar que elcomportamiento
m e canicc de las arcillas es infIuenciado por estas caracteristicas, no es un indicador adecuado para inferir de floculacion, ya que los ensayos deresisten-120 REVISTA DEL IDIEM vol. 20. nO 3, diciembre 1981
eta en los suelos remoldeados es del orden de 0.25
t/m2;
de la misma forma ellimite
plastico,
tambiencorresponde
a una resistencia al esfuerzo de cizalle para la condicion cercana a la deperdida
deplasticidad.
Examinando mas a fondo el
problema,
y teniendo en cuenta laspropias
fuentes de error de los ensayos deAtterberg,
la-probable
presencia
deimpurezas
y, las variaciones de la estructura cristalina en muchas
arcillas,
sepuede
establecer que los valores de los limites de
Atterberg
representan tan s610 la cantidadrelativa de agua adsorbida por las
superficies
de laspartfculas
de cadarip
o de mineral durante el brevetiempo
deeje
cucion delensayo'
. De esto sedesprende
que el limite
plastico
estada relacionado directamente con lasuperficie
especIfica e indirectamente con el tamaiio de la
pardcula.
Debido a la gran
semejanza
de estructura cristalina entre los diferentesminerales,
es comun y nosorprendente
que existan interestratificaciones dedos 0 mas
tipos
de capas de diferentes minerales arcillosos en una mismapartfcula
"; aun
mas,
para un mismo mineral existenamplias
variacionesde su estructura cristalina s, u
: Como el tamaiio de las
pardculas
esdependiente
de la
perfeccien
cristalina delmineral,
entonces eslogico
suponer que exist ira una grandispersion
de los valores de los Hmites de Atterberg
para minerales con los mismos iones intercambiables. Enefecto,
en lasFigs.
4 y 5 se presentanlos valores
tfpicos
de los IImites deAtterberg
con susrespectivas
fajas
de variacion,
para los minerales arcillosos de mayor interes geotecnico: caolinita,iHta y montmorillonita. Se observa que la variaci6n de los Hmites de A
tterberg
para un mismo mineral con un ion
especifico,
es extremadamenteamplia
y, quepracticamente
sesuperponen para 105 diferentes cationes intercam
biables;
aunmas,
laspropias
fajas
de las caoHnitas e ilitas sellegan
a superponer(esto
seramas notorio para las arcillas formadas por ambos
minerales,
cosa c orn u n en lanaturaleza).
Los citados minerales se ubican en la carta deplasticidad
enfuncion creciente de intercambio cationico.
El lfmite
plastico
en lasmontmorillonitas,
especialmente
s6dica,
es distorsionado por las
propiedades
tixotr6picas
del sistemaagua-arcilla.
Por estemismo
efecto,
el LL paraalgunas
montmorillonitas casi no tienesentido;
enparticular,
para arcillas altamente rixotropicas(bentonitas)
el LL es casi total mentedependiente
deltiempo,
debido al aumento de resistencia con esteultimo. Las arcillas bentonlticas usualmente
corresponden
a montmorillonita con alto contenido de cation sodio.Pequeiias
cantidades de montmorillonita(posee
una altacapacidad
de adsorcicn deagua),
pueden
alterar fuertementela
capacidad
de adsorcion de un suelo arcilloso enespecial
en minerales caoHnfricos y cuando existen iones intercambiables de
baja
valencia,
porej.
Na, K etc. Es conveniente recordar 10 mencionado al comienzo de estetrabajo,
que lasinvestigaciones
han mostrado una estrecha relaci6n entre elpotencial
dispersivo
y la
presencia
del cation sodio intercambiable en el suelo.En la
Fig.
6 se presentan los resultados de los Hmites deAtterberg
obteo
<:t
o
-u
-ARCILLAS DISPERSIVAS EN DISE�O DE PRESAS 121
...
I/)
�
40 �---+---r----�--+---��-+�---+---r---�Q.. UJ o
UJ
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20�---+----�������---4---�----�----�
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- FAJAS
DE VARIACION
O�---�---L---�---��---L---�---� o
100
ILITA
--- CATIONES IoIONOVALENTES
}
JIMENEZ SALAS9-.- CATIONES POLIVALENTES E ILiTA NATURALES
Na K Ca IoIg F.
80
•
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3• • WH ITE 1955
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110 C CORNELL UNIVERSITY
140
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UJ FAJAS DE VARlACION
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20 100 120
-40 60 80
LIMITE
L1QUIOO,
0/0o � �� L- � �� � � �
o 20 40 60 80 100 120
LIMITE
LIQUIOO,
0/0Fig. 4. Fajas de variacion de los Hmites de Atterberg para caolinitas e ilitas.
122 REVISTADEL IDIEM vol. 20, nO 3, diciembre 1981
1200
MONTMORILLONITA
--- CICAliONES K. H. Co... NH,
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JIMENEZSALAS'
_.- CI CATIONES LI. N.
1000 N. K Co "'. F,
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Z
-400
,,,..lAS DE VARIACION
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o 200 400 soo 800 1000
LIMITE L1QUIDO I ",
Fig.S. Fajas de variacion de los Iimites de Atterberg para montmorillonitas.
80
o SUELOSDISPERSIVOS EN El ·PINHOLE-TEST"
�
" SUElOS 110 DISPERSIYDS EN EL "P,.HOLE-TEST•
0 60
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40
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11.
0
W 0
0 W
u 20
-0
Z
-LIMITE LIQUIDO I ",
ARCILLAS DISPERSIVAS EN DISE�ODE PRESAS 123
que no existe una diferencia de ubic acion en la carta de
plasticidad
entre ambostipos
de suelo,Sherard" e stablecio que la
mayorla
de los suelos residualestropicales,
productos
de la descomposicion
debasalto,
diorita ygneiss,
dasificados frecuentemente como MH y ML-MH, se han
comportado
como nodispersivos
en el Pinhole-test. Los suelos que forman la cuenca sedimentaria del do Parana(formaci6n
SerraGeral, Brasil),
utilizados en la construccion de varias presasde esa
region
(N.O.
del estado de SaoPaulo)
corresponden
basicamente asuelos residuales basalricos. En la
Fig.
7 se hangraficado
los hrnires deAtterberg
de esta arcilIa
basatica,
proveniente
de 4 e mprestitos(-1,5
km2,
cadauna)
de la zona del
Bajo
RIO Turvo ,cuya cl asificacioncorresponde
a MH-MLicomo c omparacion se
incluye
lafaja
de ubicacion de los suelosdispersivos
de la
Fig.
6. Se observa que efectivamente los suelos residuales de basalto no se situan en lafaja
de suelos dispe
rsivos, 10 que efectivamentecorresponderia
a larealidad ya que las presas construldas en esta area no han mostrado
problemas
de deflccu lacion. Estos suelos residuales de
basalto,
de acuerdo a su ub icacicnen la carta de
plasticidad
(ver
Fig.
4),
tenddanpredominancia
de mineralesde caolinita y Menor cantidad de ilita. Al hacer un p arangon entre estos resul tados de laboratorio y la explicacion
geologica presentada
anteriormentepara
los suelos residuales de
basalto,
sepuede
observar que ambas son congruentes. En laFig.
8 se presenta la actividad coloidal de esta arcilia basaltica,
junto
a la de losprincipales
minerales arcillosos en laingenieda
de suelos y a lafaja
de arcillas
dispersivas
propuesta por Resendiz" . Estos resultadosponen de
manifiesto la Iirn irac ion de la c orrelacion propuesta por este autor, ya que las
arcillas en analisis no son
dispersivas.
Como
complemento
es conveniente citar que en el inicio de lasprimeras
investigaciones
de los australianos en suelosdispersivos"
2, estos establecieronque los suelos que
experimentaron piping
poseian
unaimportante
fraccicn demontmorillonita,
que exisdan ilitas altamentedispersivas,
pero que raramente10 eran las caolinitas. Sin
embargo,
Sherard·7 , tanto para los su elosdispersivos
y no
dispersivos
estudiados en ese entonces, no enc on tro diferencias rnineralogicas
entre estostipos
desuelo,
e inform6 que lacomposici6n
de ambos erade 30 a 50.,. de
montmorillonita,
10 a 25% de ilita y 10 a 25"10 de ca olinira:el mismo autor' , en su ultima
investigaci6n,
noconduye
nada respecto a lacomposici6n
mineralog
ica. Resend iz.'" , observaque la
mayoda
de los suelos que se comportan comodispersivos
tendrfan una co m posicion mineralcgica
de ilita ycaolinita,
y aduce que los suelos con actividad coloidal mayor que 1(caso
delas
montmorillonitas)
son inmunes a la rub ificacion. Esto nos muestra que conel conocimiento actual no es
posible
establecer una relacion entre la cornposicion
mineral6gica
y elpotencial dispersivo
de un suelo.Como
conclusion,
sepuede
establecer que basan dose en el nivel actualdel conocimiento no es
posible
establecer correlacionesfidedignas
entre elpotencial
dispersive
de un suelo y laspropiedades
indices de estos y que las124 REVISTADEL IDIEM vol. 20, nO 3, diciembre 1981
l00�----�---�---r---r---�---'
80
Fe
:
}
YALORES MEDIOS - WHITE 1155I K D • No CAOLINITA 0
IL ITA •
-.!
•
C
FAJA DE ARCILLA DISPERSIYA EN EL·PINHOLE-TEST;SHERARD�
(YER FIG. II Z1ARCILLA BASALTICA DE LA REGION DEL RIO TURYO (BRASIL' o <{ o - 60�---+---�---+---�---o -.... I/) <{ _. a.. w 40r---r---r---+---���----_r---_; o w o -o z
-20 40 60 80 100 120
LIMITE UQUIDO, D/.
Fig. 7. Limites de Auerberg para arcilla originada por la descomposicibn de basalto.
100
I
C
ARCIUAS DISPERSIYAS SEGUN RESENDIZ"
-ARCIUA BASALTICA DE LA REGION DEL
�l
RIO TURYO (BRASIL ,2180
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--Z • -20FRACCION ARCILLOSA ( < 2 IJ D/. )
ARCILLAS DISPERSIVAS EN DISENO DE PRESAS 125
SOLUCIONES CONTRA LA TUBIFICACION EN PRESAS DE ARCILlAS POTENCIALMENTE DISPERSIVAS
Existen dos
tipos
de solucion para el control de la defloculaci6n en arcillasdispersivas:
quIrn ica y f£Sica.La solucicn qu Im ica consiste en
incorporar
al suelo cationespolivalentes
{Ca{OH)2, Al2
(S04)3,
etc.)
a trave s del agua de c o mpacracion 0 m ezclan dolosdirectamente con el a fin de
producir
un intercambio carionico(cambio
depropiedades)
masfavorables,
disminuyendo
de esta forma la concentracionde sodio a niveles tales que
garanticen
la no defloculaci6n de la arcilla compactada·;
este casocorresponde
al tratamiento del suelo contra los efectos futurosdel agua. Inicialmente esta solucion fue
aplicada
con exito por los australianos" " 2.
y,
posteriormente,
en U.S.A. en la repa racion de presas desuelos
dispersivos
que fueron afectados por tub ificacion. En laboratorio(Pinhole
test)
se c o nfirrn o que los suelosdispersivos
se transforman en nodispersivos
por medio de tratamiento con cal" . Sin embargo,
elproyectista
debera ten e ren cuenta que la ap licacion de este
procedimiento
rn odificar a laspropiedades
del
material,
disminuyendo
su densidad y aumentando tanto su contenido deagua en el
optimo
de co m pactacion como su perrneabilidad, 10 cual en circun standas
especiales
podrIa incidirnegativamente
en elcomportamiento
de una presa.La solucion f{sica consiste en el uso del prInClplO de barrera e sterom etrica.
Ella conduce a
adoptar
filtro s chimenea con materiales biengraduados
compatibles en la disrribucion granulom etrica
(con
ensayos granulom etrico sdobles)
del material a ser
protegido··12,20,
10 cual constitu ir Ia una barreraperfecta
contrael
piping.
La defloculaci6n en arcillas
dispersivas
constituye
efectivamente unpro
blema de
estadistica
de extremos y su solucion a nivel deingenieda
se debebasar en la aplicacion del
segundo
principio
de u n buenproyecto':
utilizarelementos dominantes. En arcillas
dispersivas
el tamafio de laspardculas
erosionadas
(medidas
en terreno y enlaboratorio)
son menores que IJ.L y,para retenerlas estereo m etricam e nte se rIa necesario un filtro de
limo,
10 cualobviamente no sera una buena solucion. Sin
embargo
la granmayoria
delos suelos arcillosos presentes en la naturaleza poseen un
porcentaje
de limotal que hace que el
propio
material,
junto
al Iilrro, seaautofiltrante,
no permitiendo el paso de las
partlculas
del suelo defIoculado. La ex cepcion a 10anterior la constituirian los suelos francamente arcillosos
dispersivos
sinpardculas
tamano
limo,
10 cual no e s c o m u n en la naturaleza y,mas adecuado el uso de la solucion
qulmica.
En la
opinion
del autor, en arcillas disp
ersivas,de pequena
altura,
la soluc ionqulmica
serfa la mas. , ,
para esta excepclon seria
para presas homogeneas
conveniente de acuerdo
•
126 REVISTA DEL IDIEM vol. 20, nO 3, diciembre 1981
con 10. esquemas indicados en la
Fig.
9; para mayoresalturas,
utilizando elprincipio
delprofesor
Casagrande
belt andsuspenders
", serfa conveniente
usar concomitantemente el tratamiento quIm ico
(compatible
con la concentracion cati6nica del agua del
embalse)
y el filtro chimenea inclinado hacia aguas arriba.PRESAS HOMOGENEAS DE PEQUENA ALTURA
I USO DE FILlRO CHIMENEA SEGUN PECULIARIDADES DEL PROYECTO I
'ROTECC1011 A_I LLUVlAS EII.ASE AIUPERPICIE TUTAOA
'ROTECCION Ell • ASE
A CA'A. TUTAOA.
PRESAS HOMOGENEAS DE MEDIANA V GRAN ALTURA
__ I PROTECC ION SUPERFICIAL CONTRA LA EROSION DE LAS AGUAS
LLUVIAS DE ACUERDO CON lAS PECUllARIDADES DEL PROYECTO I
�- 'ROTECtIOIl EN lASE A
IU'ERFICIE TRATAOA
'ROTEctION EN BASE A CAPAS TRAT AOAS
lEYENDA
SUPERFICIE TRATADA CON UNA PELICULA FINA DE PRODUCTO QUIMICO
POLlwAlENTE (CAL. SUlFATD DE AlUMINIO. ETC I
SUELO ARCILLOSO TRATADO CON PRODUCTO QUIMICO POLlWAlENTE ( SOLUCION 0 POlVO INCORPORAOO I
FllTRO CONVENCIONAL DE ARENA
Fig. 9. Secciones tipo propuestas como solucien para presas homogeneas de arcilla dispersiva.
En el caso de presas de enrocado con nu cleo
impermeable
dearcilla,
su nucleo representa el talon deAquiles,
ypor 10 tanto se de ben tomar las
precauciones
para evitarproblemas
con las arcillasdispersivas,
enespecial
enzonas sismicas. Para presas de
pequeiia
altura la solucion basada en el conceptode barrera estereomerrica seria mas adecuada y
para alturas mayores, usar
ARCILLAS DISPERSIVAS EN DISE�O DE PRESAS 127
del analisi.
tecnico-economico,
la alternativa de modificar estetipo
de seccionpor una de enrocado con un
paramento
impermeable
de concreto 0 similar aguasarriba,
pues esta ultima solucio n presenta un sin num ero deventajas.
'USAS DE ENROCADO CON NUClED ARCILlOSO
..
-�
, ,LOlA Of c(IIe.era.
"'ALTO.lrc
.11 LO '0'''", e....t.. ..
I"A IEccIO"
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IUI!LO AaClll.OSO '."'ADO C,* P1tOOUCTO QUJ"a
'Ol-IYALI.,e: f IOLUCIOIII 0 'OlVO UIICQIt..ottAOo I
.Ua..EO DI MlCILU, ... TUtu.pro
"1.'.0 coWV'ellCICNI&L DE diU
,_ pacxAOO c_"&crAGO
Fic. 10. Secciones tipo propuestas como solucien para presas de enrocado con nucleo de arcilla
dispersiva.
CONCLUSIONES
Baudo en el nivel actual de los co n o cim iento s en relacion al
problema
deareillas
dispersivas
en el d isefio de presas, enopinion
del autor sepueden
establecer las
siguientes
conclusiones:La
geologla
y suinterpretacion
desde el punto de vista de laingenierfa
civil es de gran
importancia
en la obren cion de indicadorespreliminares
de
amplia
escala para la idenrificacion de las arcillasdispersivas
de modoque, durante las
primeras
cam pafia s deinvestigaciones
geologicas.
sepodra
excluir 0 no este fenom e n o del universo de factores que
influiran
significa
tivamente en el proyecto.La
interpretacion
de los resultados de los ensayos espe cia les delaboratorio
para la idenrificacien de arcillas
dispersivas
y su aplicacion a lapr a crica
profesional
requiere
de un amplio
criterio yjuicio
personal
aliado al buen conocimiento de las Iimitaciones de cada ensayo. Enparticular,
cuando se opte por la barrera e stereornetrica como solucion del feno m e n o dedefloculacion,
adernas de los ensayos espe cialespertinentes
de laborato rio,se recomienda la
eje
cucien de ensayos de filtroque repre se nte n las condi ciones mas desfavorables de la
obra,
para verificar laeficiencia
del filtrocontra la erosion interna del suelo,
En Ia
actualidad
no e xiste n correlacionesdispersivo
actividad
de una arcilla y sus
propiedades
fidedignas
entre elpotencial
Indices(limites
deAtterberg,
128 REVISTA DEL IDIEM vol. 20, nO 3, diciembre 1981
racter
especulativo
y por el momento debe evitarse su usa en lapractica
profesional
como elementos de decision.Dependiendo
de las caracterlsticas de la presa yespecialmente
deltipo
deseccion,
la solucion que seadopte
frente alproblema
de arcillas dispersivas
podra
ser la ({sicay/o
laqulmica.
En lasFigs.
9 y lOse presentanlas diversas soluciones recomendadas para cada caso en cuestion.
AGRADECIMIENTOS
EI autor expresa su
gratitud
al Prof. Victor de Mello par la crf rica al manuscritodel
trabajo,
y a losingenieros
GuillermoNoguera,
PedroOrtigosa
y Ernesto Gomez por sussugerencias
para lamejor
presentaci6n
del mismo. Se resaltaque las conclusiones de la
publicaci6n
son de total y exclusivaresponsabilidad
del autor. Finalmente aEliana,
quien
ha hecho que todo sea mas faci!'REFERENCIAS
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G.D.;
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