TEMA 12: CIMENTACIONES EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS: EXPANSIVOS Y COLAPSABLES

TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

ÍNDICE > LA SUCCIÓN > EXPANSIVIDAD: ˆ SUELOS EXPANSIVOS ˆ INFLUENCIA DEL CLIMA ˆ CAPA ACTIVA ˆ CAUSAS LOCALES ˆ CÁLCULO DE MOVIMIENTOS ˆ TIPOS DE CIMENTACIÓN RECOMENDABLES

> SUELOS COLAPSABLES

TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

INTRODUCCIÓN > Los suelos experimentan variaciones de volumen como consecuencia de cambios en su contenido de humedad > Cuando un suelo parcialmente saturado bajo carga, sufre un aumento de humedad, puede ocurrir: ˆ Un asiento adicional: ˆ Un aumento de volumen:

COLAPSO EXPANSIVIDAD

> Como consecuencia de ello, aparecen dos tipos de suelos: ˆ Suelos expansivos (en general las arcillas) ˆ Suelos colapsables (con más frecuencia los limos)

> Estos fenómenos se producen por encima del nivel freático > Las arcillas expansivas son un fenómeno muy típico en España (también en Tejas, Sudamérica, Australia, Israel, República de Sudáfrica, La India, Canadá, etc) > Un suelo colapsable típico es el loess, y en España los limos yesíferos TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

TENSIÓN SUPERFICIAL > En un suelo parcialmente saturado: ˆ El agua aparece en la forma de meniscos entre los granos de suelo ˆ El agua situada en el interior del menisco se encuentra a presión

inferior a la atmosférica ˆ El menisco se puede asimilar a un globo cuya presión interior es superior a la exterior ˆ La diferencia de presiones en el globo es: • Δp = 2 σs/R • σs es la tensión superficial del agua, una constante que depende sólo de la temperatura

> El grado de saturación y la humedad disminuyen al disminuir el radio del menisco (y por tanto al aumentar Δp)

TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

PRESIÓN CAPILAR Y SUCCIÓN > La succión es la diferencia entre la presión del aire (ua) y la del agua (uw) en un suelo (Δp en la diapositiva anterior): ˆ s = ua-uw ˆ Al aumentar la succión disminuye la humedad del suelo ˆ El pF de un suelo es el logaritmo en base 10 de la succión expresada en

centímetros de agua:

⎛ u − uw pF = log10 ⎜⎜ a ⎝ γw

⎞ ⎟⎟ ⎠

ˆ El valor máximo medido del pF es del orden de 7, y corresponde a una

arcilla desecada a 110ºC

> El agua por encima del nivel freático está a una presión (uw) inferior a la atmosférica (ua), por lo que la succión es negativa > La presión del aire suele ser cero (atmosférica) en cimentaciones, por lo que la succión ( positiva) es la presión del agua, que suele ser negativa en suelos parcialmente saturados, cambiada de signo > Al saturar un suelo en el edómetro, la presión del agua y la succión ambos se anulan TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

EL FENÓMENO DE LA EXPANSIVIDAD > Es una conjugación de: ˆ Terreno arcilloso ˆ Condiciones climáticas que inducen cambios de humedad ˆ Causas locales provocadas por las construcciones

> La construcción de un edificio: ˆ Reduce la influencia ambiental en la zona cubierta: Limita la

evaporación y evita la infiltración ˆ Establece diferencias con los alrededores, sí expuestos ˆ Esto puede dar lugar a un hinchamiento (a veces retracción) unidireccional

> La expansividad induce daños en las estructuras de manera generalizada presentando fisuras asociadas a movimientos diferenciales: ˆ Verticales: Por cambios diferentes de humedad en distintas zonas

de la construcción, en general mayores en la zona central ˆ Horizontales: Menos descritos (muros, estructuras largas, etc) TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

MAPA PREVISOR DE ARC. EXPANSIVAS

TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

SUELOS EXPANSIVOS > Los suelos arcillosos experimentan variaciones de volumen como consecuencia de los cambios de humedad: ˆ Un aumento de humedad produce una reducción en la succión ˆ Como consecuencia de ello se reducen las tensiones efectivas y se

producen aumentos de volumen ˆ Por el contrario, una disminución de la humedad produce un aumento de la succión, de la presión efectiva y reducción del volumen

> La expansividad de una arcilla depende de: ˆ La proporción de partículas inferiores a 2 μm ˆ La actividad de la especie mineralógica (la montmorillonita es la

más peligrosa)

> Cuantificación de la expansividad: ˆ Métodos indirectos: Proporción de finos, plasticidad, límite de

retracción ˆ Métodos directos: • Ensayos sobre muestras alteradas: Hinchamiento Lambe • Ensayos de muestras inalteradas en el edómetro TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

SUELOS EXPANSIVOS > CLASIFICACIONES INDIRECTAS: ˆ Holtz y Gibbs recomiendan basarse en varios parámetros:

TEMA 12

Índice de plasticidad

0 - 15

10 - 35

20 - 55

> 35

Potencial de hinchamiento

Bajo

Medio

Alto

Muy alto

Límite de retracción

> 12

10 - 12

< 10

Peligro de hinchamiento

Bajo

Medio

Alto

% 0,001 mm

< 15

13 - 23

20 - 30

> 28

Peligro de hinchamiento

Bajo

Medio

Alto

Muy alto

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

SUELOS EXPANSIVOS > CLASIFICACIONES INDIRECTAS: ˆ Criterio de Seed, Woodward y Lundgren para calificar el potencial

de hinchamiento de una arcilla (fig. 5.17 pág 558 Geotecnia y Cimientos III) ˆ Definen la actividad, que pretende considerar la especie mineralógica de los finos:

Actividad =

TEMA 12

Índice de plasticidad % < 2μm

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

SUELOS EXPANSIVOS > ENSAYO HINCHAMIENTO LAMBE (UNE 103600:1996): ˆ Es un ensayo rápido (2 horas) sobre muestras amasadas ˆ Se establecen cuatro categorías dependiendo del CPV ˆ No sirve para cuantificar o calcular

Cambio potencial de volumen

Categoría

APARATO DE LAMBE

TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

SUELOS EXPANSIVOS > ENSAYOS EN EDÓMETRO: ˆ Sobre muestras inalteradas ˆ HINCHAMIENTO LIBRE (UNE 103601:1996):

• El hinchamiento libre se expresa como porcentaje, y es la relación entre el incremento de altura y la altura inicial al inundar un suelo bajo 10 kPa

Hinchamiento libre =

Δh ⋅ 100 h0

• Son valores reducidos los inferiores al 1,5% y elevados los superiores al 5% ˆ PRESIÓN DE HINCHAMIENTO (UNE 103602:1996): • Es la presión vertical que hay que ejercer para que no varíe la altura de la muestra al inundarla • Se consideran reducidas presiones del orden de 100 kPa

TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

SUELOS EXPANSIVOS > ENSAYO DE INUNDACIÓN BAJO CARGA: ˆ Se realiza un ensayo edométrico sobre una muestra con su ˆ ˆ

ˆ

ˆ ˆ

TEMA 12

humedad natural: Se dibuja la curva presión-deformación Muestras diferentes se someten a presiones distintas y se dibuja la curva presión-deformación final Con ello se tienen dos curvas: • La del suelo cargado, parcialmente saturado, o curva de humedad natural; • La del suelo inundado, o curva de inundación bajo carga Estas curvas se cortan en un punto que llamaremos presión de hinchamiento del ensayo de inundación bajo carga: • A esa presión ni colapsa ni expande al aumentar su humedad • Por encima de esa presión se comporta como colapsable • Por debajo de esa presión se comporta como expansivo Este ensayo ilustra que un suelo puede ser expansivo o colapsable en función de la presión a que está sometido Para los intervalos normales de carga se pueden simplificar la curva de inundación bajo carga, asimilándola a una recta: Basta ensayar dos muestras a 10-20 y 100-200 kPa MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

SUELOS EXPANSIVOS ENSAYO DE INUNDACIÓN BAJO CARGA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS

0,050

Curva de inundación bajo carga

Presión de hinchamiento PRESIONES

DEFORMACIÓN

0,000 0,10

-0,050

-0,100

1,00

10,00

Curva de humedad natural

Inundación

-0,150

-0,200

TEMA 12

Zona de hinchamiento

Zona de colapso

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

INFLUENCIA DEL CLIMA > Desde el punto de vista de la expansividad hay dos tipos de clima especialmente propicios: ˆ Clima monzónico

• Las lluvias se producen predominantemente en verano, cuando la evaporación es a su vez mayor • Las variaciones estacionales de humedad en el suelo son pequeñas • Al construir un edificio se produce un hinchamiento generalizado ya que, al limitarse la evaporación, aumenta progresivamente la humedad • El hinchamiento es mayor en el centro y menor en los bordes y esquinas, produciendo distorsiones que dan lugar a fisuras ˆ Clima mediterráneo: • Las oscilaciones estacionales del nivel freático son importantes, ya que las lluvias ocurren en invierno y la mayor evaporación en verano • Al construir un edificio, el centro tiende a una “humedad de equilibrio”, pero los bordes y esquinas siguen sufriendo cambios en cada estación • El movimiento medio en el centro depende de la época de construcción (humedad inicial) • Los efectos suelen aparecer al cabo de varios años • Es el característico de gran parte de España TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

INFLUENCIA DEL CLIMA > Se puede calificar la influencia del clima mediante el ÍNDICE DE THORNTHWAITE: ˆ Sencillo de obtener con los datos de las estaciones meteorológicas ˆ Se basa en un “balance de humedad” de una zona:

• El cambio de humedad (ΔW) en un perfil de suelo es: ΔW = P – E - D P = Precipitación en mm E = Evapotranspiración (mm), ocurre a través de las plantas D = Drenaje a otras áreas o capas más profundas (en principio ≅0 en arcillas expansivas) • La diferencia (P-E) puede ser positiva o negativa ˆ La capacidad de almacenamiento de agua en un suelo es limitada y se denomina “capacidad de campo”, C, en mm: • Si se excede, hay escorrentía, no aumento de agua almacenada • El método de Thornthwaite la supone constante: C=100 mm = 0,1 m3/m2 TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

INFLUENCIA DEL CLIMA > MÉTODO DE THORNTHWAITE: ˆ La diferencia (P-E) se compara con la capacidad de campo ˆ Si (P-E)>0 y se supera la capacidad de campo, se produce drenaje:

D=P–E-C ˆ Cuando la diferencia es negativa y superior a C existe un déficit: d=E–P–C • El déficit de humedad es la diferencia entre la evaporación y la precipitación una vez que se ha agotado la capacidad de campo ˆ Dado que E es difícil de estimar se suele adoptar: Ep = Evapotranspiración potencial • Es la cantidad de agua que será devuelta a la atmósfera si tanto el suelo como la vegetación de un determinado clima se alimentan continuamente con agua libre ˆ El ÍNDICE DE THORNTHWAITE evalúa la disponibilidad de humedad que durante el período de un año 100 ⋅ D − 60 ⋅ d tiene la capa superior del terreno: I=

Ep

TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

INFLUENCIA DEL CLIMA > MÉTODO DE THORNTHWAITE: Clima

Perhúmedo

Húmedo

Subhúmedo

Secosubhúmedo

Semiárido

Árido

Índice de Thornthwaite

> 100

100 a 20

20 a 0

0 a -20

-20 a -40

< -40

> Justo y Cuéllar elaboraron un Mapa de España con curvas de igual valor de índice de Thornthwaite: ˆ La mayoría de las zonas en que se presenta el fenómeno de arcillas

expansivas tiene índice negativo: • Las áreas donde los daños son más graves están en la zona de clima sub-húmedo a semiárido, con índices entre +10 y -40 – Cambios estacionales fuertes – Córdoba, Sevilla, Málaga, Jaén, Madrid, Toledo, Cádiz, Huelva, Extremadura tiene clima entre sub-húmedo y semiárido – Tenerife, Gran Canaria y Almería tienen clima árido

TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

INFLUENCIA DEL CLIMA > Dentro del clima mediterráneo existen tres variedades: ˆ Clima árido, con precipitación media inferior a 250 mm: Zona costera de

Almería y Murcia, Gran Canarias, Fuerteventura y Lanzarote ˆ Clima húmedo (precipitación >1.000 mm): En general el norte de España ˆ Clima semiárido, intermedio entre los dos anteriores; es el más peligroso desde el punto de vista de la expansividad

> Al construir un edificio o un pavimento se limita la evaporación mientras que la precipitación sigue accediendo lateralmente: ˆ En un clima árido no hay drenaje, sólo déficit de humedad

• El suelo está siempre seco; cuando llueve el agua comienza a rellenar la capacidad de campo • Los movimientos serán pequeños, pues apenas se cambia la humedad por la construcción ˆ En clima húmedo hay drenaje casi todo el año y poca variación estacional: • La construcción tampoco afecta al nivel de humedad ˆ Los climas semiáridos son los más sensibles, ya que existe déficit y drenaje según los meses del año: • Las variaciones de humedad naturales son altas • Bajo la construcción se alcanza una humedad de equilibrio • Se producen oscilaciones desde el exterior de la zona cubierta TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

CAPA ACTIVA > La permeabilidad de un suelo desecado en relación al gradiente de succión es escasa > Por ello, las variaciones estacionales tiene una penetración limitada en el terreno: ˆ No debería se mayor a 1 – 1,5 metros ˆ Pero las grietas aumentan la “profundidad activa” hasta 2-4 metros

> Este aspecto es fundamental para diseñar la cimentación ˆ Define el alcance de la zona de riesgo ˆ Cuantifica el fenómeno

> La capa activa puede alcanzar en zonas especiales hasta 5m

TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

CAUSAS LOCALES > Causas locales que influyen en la expansividad: ˆ Cercanía de plantaciones:

• Crecimiento de árboles: – Los árboles desecan el suelo, por lo que no deben plantarse a una distancia del edificio inferior a su altura prevista – Presentan problemas para diámetros mayores de 25 cm – Los árboles de hoja caduca absorben mucha humedad – Los pinos son dañinos por la tipología de sus raíces • Tala de árboles: – Generan problemas de hinchamiento a largo plazo (hasta 20 años), pues el terreno pasa a humedecerse • Los riegos de zonas verdes, fugas de piscinas, etc: – Influyen en la humedad en zonas de viviendas unifamiliares, propensas por las bajas cargas que trasmiten – No afecta mucho a la capa activa, salvo en climas áridos ˆ Las fugas en conducciones agravan el fenómeno de la expansividad: • Provocan los cambios de humedad • Tienen efecto multiplicador: Se rompen por los movimientos y aumentan las fugas TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

INFLUENCIA DE LOS ÁRBOLES

TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS > Para el proyecto de la cimentación es preciso conocer: ˆ Profundidad de la capa activa ˆ Variaciones de humedad ˆ La previsión de levantamiento del terreno y su dependencia con las

presiones totales que sobre el mismo se apliquen ˆ Su módulo de deformación, para calcular los asientos

> Para resolver esta situación puede actuarse: ˆ Adecuando el diseño de la cimentación y la estructura ˆ Modificando el terreno

> Las plantas bajas nunca deben apoyarse directamente en el terreno (forjado sanitario) > Las excavaciones se mantendrán abiertas el mínimo tiempo posible y no inundarse por lluvia > Es preciso adoptar medidas preventivas en el entorno de la construcción (pavimentos, urbanización, etc) TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS > ACTUACIONES SOBRE LA ESTRUCTURA: ˆ Cimentar bajo la capa activa:

• Pilotes: – Es una solución cara: Edificios sensibles o altos movimientos – Se puede reducir parcialmente el rozamiento – Necesitan armadura en la zona activa – Deben estar suficientemente anclados para resistir los esfuerzos de levantamiento – La arcilla puede inducir empujes laterales en los pilotes • Pozos de cimentación: – Permiten superar la zona activa – Aumentan la presión por el peso del pozo – Combinados con un forjado sanitario son la mejor solución ˆ Proyectar un estructura adecuada: • Muy rígida: Requiere reforzar muros y paños; se producen tensiones desiguales en el terreno • Flexible: Permitir los movimientos TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS > ACTUACIONES SOBRE LA ESTRUCTURA: ˆ Cimentación flotante:

• Si se emplea losa hay que conseguir la rigidez adecuada: – En la propia cimentación (losa de canto adecuado o rigidizada) – En el conjunto cimentación estructura: Requiere nervios de atado en muros y forjados • La distribución de presiones no es conocida • Condiciona mucho el diseño • Precisa fuertes armados ˆ Cimentar con carga adecuada: • Se cuantifica la expansividad • Se pueden emplear elementos aislado con una presión trasmitida igual a la de hinchamiento nulo • Hay que comprobar los asientos y riesgo de hundimiento • Hay que dejar espacios bajo riostras y soleras para evitar el empuje del terreno sobre estos elementos TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS > ACTUACIONES SOBRE EL TERRENO: ˆ Aislamiento, alejando la zona de cambios estacionales:

• Cubrir el perímetro con aceras: – De anchura 1,5 veces el espesor de la capa activa – Que no se fisuren – Impermeabilizadas y con pendiente al exterior • Pavimentación de la máxima superficie: Plazas, patios, etc. • Disponer drenaje superficial adecuado para evitar que las escorrentías se infiltren (pendientes, imbornales, etc) • Colocar un drenaje profundo para estabilizar la humedad: – Mediante zanjas perimetrales rellenos de material granular – Alejadas de la cimentación ˆ Sustitución: Válido para espesores pequeños ˆ Estabilización: • La cal reduce la expansividad de las arcillas (terraplenes) • En terreno natural sería preciso aplicarla por inyección (costoso) TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

CÁLCULO DE MOVIMIENTOS > El método más adecuado para el cálculo de movimientos verticales es el MÉTODO DIRECTO: ˆ Empleado por el Cuerpo de Ingenieros de la Armada (USA) ˆ Se parte de muestras inalteradas en sondeos a intervalos ˆ Se cargan las muestras a presión de trabajo (sobrecarga más peso ˆ ˆ ˆ ˆ

TEMA 12

del edificio) Se añade agua Se calcula el hinchamiento en porcentaje del espesor de la muestra Se representa el porcentaje de hinchamiento en relación a la profundidad Se calcula el hinchamiento como el área limitada por la curva

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

CÁLCULO DE MOVIMIENTOS > EJEMPLO MÉTODO DIRECTO: 1

5

0

ˆ Cota cimentación: 0,5 m

HINCHAMIENTO (%) 2 3 4

ˆ Capa activa 3,6 m

• 0,5 m: 2,6 % • 2,0 m:1,7 % • 3,6 m: 0

Hinch =

2,6 + 1,7 1 1,7 ⋅ 1,5 + ⋅ ⋅ 1,6 2 ⋅ 100 2 100

PROFUNDIDAD (m) 3 2 1

ˆ Ensayos hinchamiento:

4

Hinch = 0,0459 m = 4 ,6 cm

TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

PILOTES EN ARCILLAS EXPANSIVAS F=fuerza de levantamiento r = radio del pilote D= Longitud del pilote d= profundidad de la zona no afectada por variaciones de humedad f= coeficiente de adherencia entre terreno y pilote (0,15 según Chen)

Q=fuerza que se opone al levantamiento s=adherencia entre terreno y pilote en la zona no activa.

RESISTENCIA A COMPRESIÓN SIMPLE (kPa) 100-200 200-400 >400

TEMA 12

ADHERENCIA s (kPa)

40 50 60

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS > INVESTIGACIÓN DE PATOLOGÍAS ASOCIADAS (I): ˆ Investigar otros síntomas en las cercanías:

• Daños en edificios cercanos • Pavimentaciones, muros de cerramiento • Aspecto del terreno desnudo ˆ Detectar la fuente de aportación del agua: • Atmosférica o extraordinaria (colectores, escorrentías, riegos, etc.) • Propia o externa ˆ Analizar la evolución del fenómeno en el tiempo: • Al menos un ciclo estacional • Controlar puntos asociados directamente al movimiento del terreno ˆ Discriminar el efecto sobre elementos estructurales y accesorios: • Soleras directamente apoyadas • Muros y elementos lineales cimentados directamente • Pilares • Tabiques y divisiones TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS > INVESTIGACIÓN DE PATOLOGÍAS ASOCIADAS (y II): ˆ Analizar posibles movimientos diferenciales entre bordes y

zonas interiores ˆ Verificar las cargas que trasmiten los elementos: • Cargas permanentes • Cargas de uso ˆ Realizar un análisis cuidado y exhaustivo del material en la capa activa: • Toma de muestras en seco • Realizar un perfil de muestreo de humedades • Comparar zonas de borde con exteriores e interiores • Ensayos de inundación bajo carga con humedades y presiones representativas: – Estado anterior – Asiento sin saturación bajo carga permanente – Saturación TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

EL FENÓMENO DEL COLAPSO > COLAPSO: Disminución rápida de volumen del suelo, producida por cambios de cualquiera de los siguientes factores: ˆ Contenido de humedad (w) y/o Grado de saturación (Sr) ˆ Tensión media actuante (τ) y/o Tensión de corte (σ) ˆ Presión de poros (u) ˆ Interacción química

> Tipos de colapso: ˆ Se produce un rápido cambio de la relación entre presiones efectivas

y las deformaciones sin que se alcance la resistencia última del material: • La causa del colapso es únicamente el cambio de las presiones efectivas • Limos o arcillas cementadas y las rocas de gran porosidad • A humedad constante, se detecta una reducción de su módulo de compresibilidad al alcanzar un cierto valor las presiones efectivas ˆ Se produce sin cambio abrupto en la relación presión-deformación: • Loess y algunas arcillas que contienen sulfatos • A humedad constante, la relación tensión-deformaciones es suave • La saturación produce un importante cambio volumétrico, debido probablemente a un incremento de la presión de los poros TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

EL FENÓMENO DEL COLAPSO > Nos centraremos en los suelos en los que el colapso de la estructura del suelo es provocado por un agente externo, el incremento del contenido de humedad, que provoca una brusca disminución de volumen, sin necesidad de un aumento en la presión aplicada > PROPIEDADES DE LOS SUELOS COLAPSABLES: ˆ Estructura macroporosa, con índice de huecos (e) alto a muy alto ˆ Granulometría fina, con predominio de limos y de arcilla ˆ Tamaño de los granos generalmente poco distribuido y con los ˆ ˆ

ˆ ˆ

TEMA 12

granos más grandes escasamente meteorizados Usualmente la fracción arcillosa es relativamente escasa Estructura “mal acomodada”, con partículas de mayor tamaño separadas por espacios abiertos, y unidas entre sí por "puentes" de material arcilloso En ocasiones existen cristales de sales solubles en tales uniones Su grado de saturación es inferior a un valor crítico (40-60% en suelos granulares y 85 % en arcillas) MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

EL FENÓMENO DEL COLAPSO > MECANISMO DEL COLAPSO EN LOS SUELOS LIMOSOS: ˆ Las uniones entre granos son contactos reales que se deben a ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

TEMA 12

fuerzas gravitacionales, exteriores o capilares En los suelos parcialmente saturados la presencia de agua “traccionada” en los meniscos hace que la presión intersticial o de poros (u) sea negativa Esto origina un aumento de la presión efectiva (σ’=σ-u) que une un grano con otro, por lo que los granos oponen mayor resistencia al deslizamiento (τ=c+σ.tgφ) Si en este estado el suelo se satura, la presión efectiva disminuirá y con ella la resistencia al corte, pudiendo provocar un deslizamiento relativo entre los granos del suelo En estructuras macroporosas, este deslizamiento se manifiesta en una importante disminución de volumen

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

EL FENÓMENO DEL COLAPSO > MECANISMO DEL COLAPSO EN SUELOS ARCILLOSOS: ˆ Las partículas se atraen o repelen en función de:

• Fuerzas eléctricas de repulsión debidas a la carga negativa de sus caras, equilibrada por los cationes disueltos en la capa doble • Enlaces secundarios de atracción (fuerzas de Van der Waals) ˆ Durante un proceso de saturación se produce: • Disminución de fuerzas capilares (como en los limos) • Reducción de la concentración en iones de la capa doble por aumento del disolvente, que produce una separación de las partículas (dispersión) • Se altera el equilibrio de fuerzas de atracción-repulsión • Se ponen en contacto caras con diferentes cargas y se acentúa la repulsión • Se alcanza una estructura dispersa y menos resistente TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

SUELOS COLAPSABLES > MÉTODOS INDIRECTOS DE IDENTIFICACIÓN: ˆ Se suelen identificar por su baja densidad seca ˆ Un criterio admitido es el de Gibbs (1961):

• Un suelo es susceptible al colapso si tiene un índices de poros (eo) tan alto que permite que su contenido en agua exceda su límite líquido (wL): wsaturado ≥ wL • Para un suelo saturado el índice de poros vale: eo= w * γs • Suponiendo un peso específico de las partículas sólidas γs de 26,5 kN/m3 • La condición de colapsabilidad se traduce en:

γd ≤ TEMA 12

γs ⋅ γw γs ⋅ γw = 1 + e o 1 + wL ⋅ γ s MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

SUELOS COLAPSABLES > ENSAYO DE COLAPSO EN SUELOS (NLT-254/99): ˆ Mide la disminución de altura que experimenta una probeta en el

edómetro sometida a una presión vertical, al ser inundada ˆ Se emplean presiones del orden de 200 kPa ˆ Potencial porcentual de colapso: df − di Δe

Ic =

ho

⋅100 =

1 + eo

⋅100

d = lecturas del medidor al iniciar el ensayo (do), cargado antes de inundar (di) y al final del ensayo (df) ho altura inicial de la probeta eo = índice de poros inicial ˆ Valores orientativos: Potencial de colapso Severidad del problema

TEMA 12

20 %

Problema muy severo

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

TERRENOS COLAPSABLES > Existe otra serie de riesgos asociadas al colapso que no responden al patrón de suelos parcialmente saturados descritos: ˆ Disolución de suelos yesíferos ˆ Deformación de rellenos deficientemente compactados ˆ Licuefacción ante sismos ˆ Subsidiencias por excavaciones subterráneas

TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

TERRENOS COLAPSABLES > Tienen una estructura abierta, pero rigidizada por las tensiones capilares, que se mantiene estable hasta que por la humectación o inundación desaparecen las tensiones capilares y la estructura “colapsa” ˆ Se producen con grados de saturación inferiores a un valor crítico

• 40 al 60% en suelos granulares • 85 % en arcillas ˆ Es importante en suelos de estructura “floja” (limos) ˆ Suele ocurrir en suelos compactados del lado seco ˆ Se explica: • En suelos granulares por la pérdida de resistencia de los granos, como consecuencia de la disminución de la succión en las fisuras • En suelos cohesivos por la disminución de la succión entre granos

> Se suelen caracterizar por una baja densidad > Cualquier suelo excavado y mal recompactado puede ser colapsable > Algunas arcillas expansivas también son colapsables bajo altas presiones TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010

SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS > TRATAMIENTO DEL SUELO: ˆ Mejora de los suelos:

• Compactación dinámica o mediante explosiones • Hidrocompactación por saturación del terreno • Creación de nuevos enlaces o cohesión mediante agentes químicos (cemento, cal, emulsiones asfálticas, sales, etc.)

> DISEÑO ESPECÍFICO DE ESTRUCTURAS: ˆ Que eliminen o disminuyan la posibilidad de que se produzca

colapso ˆ Que sean insensibles a los fenómenos del colapso

> MEDIDAS CONSTRUCTIVAS COMPLEMENTARIAS: ˆ Evitar confluencia de escorrentías en la parcela ˆ Evitar acumulaciones y embalses de agua ˆ Canalizar los conductos de agua de las construcciones (desagües,

saneamiento, etc. ˆ Impermeabilización superficial (pavimentación) TEMA 12

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2.009/2.010