diseno de cimentaciones superficiales en suelos expansivos

MECANICA DE SUELOS APLICADA A CIMENTACIONES

EC 521G DISEO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS

EXPANSIVOS 09 de abril del 2014

ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO

I. Generalidades

El problema de los denominados suelos expansivos alcanza dcadas atrs, siendo reconocido al final de la dcada del 30.

La presencia en el Per de "Suelos Expansivos" es evidente en la zona Norte y Sur. De aqu que se trata de dar un alcance y establecer el panorama real de la presencia de arcillas expansivas en un proyecto de cimentacin, para luego tomar precauciones en el diseo estructural de las cimentaciones apoyadas en este tipo de suelo.

1ro EVALUACION CUALITATIVA

2da EVALUACION CUANTITATIVA

Se traducen en : expansiones

asentamientos

Problemas mas gravas ocurren en construcciones ligeras, pavimentos de concreto, veredas, por el poco peso y porque generalmente no se estudio a fondo.

Suelos expansivos.

Es todo material que va en contacto con el agua experimenta cambios volumtricos significativos, que se traduce en movimientos del suelos de cimentacin, que se transmiten a la estructura afectando su funcionamiento, por medio de grietas o fisuras o de rotura de instalaciones.

Se dividen en dos categoras:

COMPORTAMIENTO DE LOS SUELOS EXPANSIVOS

1. Movimiento de una Construccin

a) Movimiento Ascendente: Comienza despus de terminada la obra, la construccin impide la evaporacin del area, favoreciendo la saturacin. Termina en 4 aos aproximadamente.

b) Movimiento cclico de expansin de la construccin: Relacionado con la cantidad y frecuencia de la lluvia.

c) Movimientos locales rpidos generados por rotura de tuberas que conducen agua

La magnitud del asentamiento o expansin depende de:

a) Espesor del estrato de arcilla expansiva.

b) Cantidad y tipo de minerales arcillosos.

c) Mezcla de las sobrecargas que recibe el estrato de arcilla y variacin vs profundidad.

d) Profundidad del nivel fretico.

e) Capacidad y Magnitud de succin del suelo.

f) Relacin de esfuerzo horizontal a vertical Ko.

g) Profundidad y naturaleza de los cambios de humedad. Estaciones (clima).

h) Fugas de agua en tuberas de drenaje o agua potable

II. Reconocimiento de los suelos

expansivos Un suelo expansivo, implica no solamente la

tendencia a aumentar de volumen cuando aumenta el contenido de agua, sino tambin la disminucin de volumen o contraccin si el agua se va perdiendo.

Una manera de poder observar si un suelo tiene potencial de hinchamiento o si presenta expansividad es mediante las siguientes metodologas:

II. Reconocimiento de los suelos expansivos

Anlisis Mineralgico : es determinar las propiedades bsicas de las arcillas, mediante tcnicas adecuadas de laboratorio, los minerales que conforman la arcilla se pueden evaluar cuantitativamente.

Mtodo de los ndices: Los ensayos de propiedades ndices del suelo pueden ser usados para la evaluacin del potencial de hinchamiento de los suelos expansivos.


Mtodo de los ndices

Estos ensayos son fciles de realizar y deberan ser incluidos en los ensayos rutinarios en la investigacin para un estudio de mecnica de suelos en aquellas reas donde existen antecedentes de presencia de suelos expansivos. Podran incluir los siguientes ensayos estndar.

Lmite lquido ........ (LL).

Lmite plstico........ (LP).

Lmite de contraccin... (LC).


Holtz y Gibbs (1956): demostraron que el ndice plstico y el lmite lquido son ndices tiles para determinar las caractersticas de expansin de las arcillas.

El grado de peligrosidad

que ofrecen las arcillas

ha sido correlacionado

por Holtz y Gibbs en 1954

por medio de su lmite de

contraccin segn el

cuadro, que durante un

tiempo fue muy usada.

Lmite de

contraccin

Peligro de

Hinchamiento

12

No crtico


Seed, Woodwuard y Lundgren: Considerando que el potencial de hinchamiento est definido como el porcentaje de hinchamiento de una muestra confinada lateralmente, la cual ha sido humedecida bajo una carga de 1.0 lb/pul2 despus de ser compactada a la mxima densidad seca y al ptimo contenido de humedad, siguiendo la Norma del ensayo Proctor Modificado ASTM-D1557. Estos autores establecieron la siguiente relacin:


Estos autores establecieron la siguiente relacin:

Donde :

S = potencial de hinchamiento

IP = ndice plstico

K = 3.6 x 10-5 (constante)

PI* K* 60 = S2.44


Una relacin entre el potencial de hinchamiento de las arcillas y el ndice de plasticidad es como la que se presenta:

Indice de

plasticidad:%

Potencial de

hinchamiento

0 15

Bajo

10 35

Medio

20 55

Alto


Ranganathan y Stayanarayana: En 1965, dan una tabla para reconocer la potencialidad de la expansin, dando un nuevo ndice de contraccin; en donde este ndice de contraccin es obtenido como la variacin del contenido de humedad correspondiente al lmite lquido y al lmite de contraccin segn la siguiente expresin:

IC = LL - LC

Donde:

IC = ndice de contraccin.

LL = Lmite lquido.

LC = Lmite de contraccin.


Con la expresin anterior tenemos la siguiente correlacin:

Indice de contraccin (%)

Potencial de hinchamiento

0 20

Bajo

20 30

Medio

30 60

Alto

>60

Muy alto


G.F. Sowers: En 1961, propuso una correlacin basndose en las propiedades ndices de los suelos susceptibles a cambios de volumen.


PRESION DE HINCHAMIENTO David y Komornik (1969): , Propuso una ecuacin que se

utiliza para calcular la presin de expansin. Esta se encuentra basada en un extenso anlisis estadstico de ms de 200 muestras de suelo; la ecuacin propuesta por los autores es:

Donde:

Ps = Presin de hinchamiento ( kg/cm2 )

LL = Lmite Lquido (%)

d = Peso volumtrico seco (Ton / m3).

Wo = Humedad Natural en porcentaje.

)W0.0269( - )( 0.665 + 0.0208(LL) + 2.132 = P 0ds Log


VIJAYVERGIVA y GHAZZALY: en 1973 establecieron la relacin que determina la presin de hinchamiento para suelos espaoles y al menos es la ms usada en Espaa.

) 139.5 - LL 0.65 + 62.5 ( 19.5

1 = P d0 log


Clculo de la Presin de Hinchamiento

III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS

Los mtodos ms satisfactorios y convenientes para determinar el potencial de hinchamiento y presin de hinchamiento de arcillas expansivas, es por medio de las mediciones directas. Estas mediciones pueden ser hechas en el campo o Laboratorio.


ENSAYO DE EXPANSION LIBRE

El ensayo de expansin libre consiste en colocar una muestra de suelo en estado natural en un anillo cuyas dimensiones son definidas adicionando agua, la cual se anota el hinchamiento vertical en funcin del tiempo sin la aplicacin de ninguna carga.

Holtz en 1956 present el ensayo como una prueba muy sencilla para reconocer una arcilla expansiva.



Lo que se busca en el ensayo de expansin es el porcentaje de hinchamiento libre, que es la diferencia en el volumen final e inicial, expresado como porcentaje del volumen inicial as:

Donde:

100* V

V - V = h%

i

if

L

libre tohinchamien = hL inicial Volumen = V ifinal volumen = V f

,

,


ENSAYO DE EXPANSION LIBRE Se presenta a continuacin los resultados de un ensayo como se muestra a

continuacin

POZO: C-2 MUESTRA: MI-1 PROF. (m): 1.90-2.10

CARACTERISTICAS DEL ESPECIMEN

Dimetro del anillo(cm) 6.350

Altura de la muestra inicial (cm) 2.540

Altura de la muestra final (cm) 2.780 Cont. de humedad inicial(%) 8.280

Cont. de humedad final (%) 21.37

Densidad hmeda inicial (gr/cm3) 1.789

Densidad seca inicial (gr/cm3) 1.508

Densidad hmeda final (gr/cm3) 1.830

Densidad seca final (gr/cm3) 1.652



CUADRO DE RESULTADOS


ENSAYO DE EXPANSION BAJO CARGA CONTROLADA.

Se realiza este ensayo preparando el espcimen de un suelo inalterado, colocando dicha muestra en un anillo de dimensiones definidas para luego ensayarla en un consolidmetro, con la ayuda del marco de carga y el dial de deformacin, se procede a registrar la fuerza de control y el hinchamiento al humedecer inicialmente la muestra.

La presin de expansin que se obtenga al final es la medida de la fuerza mxima por unidad de rea que pueda producir el suelo en condiciones de expansin extrema es la presin de expansin bajo carga controlada a continuacin se presenta un ensayo.

Metodologa: Existen tres mtodos a realizar el ensayo


ENSAYO DE EXPANSION CONTROLADA ENSAYO 1 POZO : P-3 MUESTRA : MI-1 PROF. (m) : 1.90-2.10 CARACTERISTICAS DEL ESPECIMEN Dimetro del anillo(cm) 6.350 Altura de la muestra inicial (cm) 2.540 Altura de la muestra final (cm) 2.628 Cont. de humedad inicial(%) 10.00 Cont. de humedad final (%) 35.60 Densidad hmeda inicial (gr/cm3) 2.002 Densidad seca inicial (gr/cm3) 1.820 Densidad hmeda final (gr/cm3) 2.385 Densidad seca final (gr/cm3) 1.759


CUADRO DE RESULTADOS

IV. CRITERIOS PARA LA DETERMINACIN DE LA CAPACIDAD PORTANTE

En la figura adjunta: La cimentacin se encuentra apoyada en un suelo con caractersticas expansivas donde:


Donde:

df : Nivel De desplante de la cimentacin,

Pc : Presin de contacto

Pexp . Presin de expansin

P : Carga que transmite la super estructura a la cimentacin

B : Ancho del cimiento

qadm : Capacidad portante admisible del suelo

Criterios:

Pc qadm Pc Pexp Pc = P / B*L

diseno de cimentaciones superficiales en suelos expansivos

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