Geología

Mecánica de suelos

La expansividad de suelos es una propiedad física de los suelos que puede evaluarse en una cimentación. En las estructuras constructivas existe hinchamiento del suelo cuando aumenta su cantidad de agua y se retraen cuando la disminuye.

Debe distinguirse el término "potencial de expansión", de la "expansión" de acuerdo de donde proviene dicha pérdida de agua. Las arcillas expansivas producen empujes verticales y horizontales afectando las cimentaciones, empujando muros y destruyendo pisos y tuberías enterradas, con esfuerzos que superan los 20 kg/cm², ocasionalmente. En las vías se presentan ascensos y descensos que afectan su funcionamiento. También, estos suelos expansivos se retraen y los taludes fallan.

• a) Absorción de agua por una arcilla activa (montmorillonita, por ejemplo)

• b) Rebote elástico de las partículas del suelo.

• c) Repulsión eléctrica de los granos de arcilla y de sus cationes adsorbidos.

• d) Expansión del aire atrapado en los poros.

En las arcillas preconsolidadas, por cargas o por desecación, estos fenómenos son factores altamente contribuyentes. En arcillas normalmente consolidadas (o cargadas), los factores dominantes son dos:

• a) Adsorción de agua.
• b) Repulsión eléctrica entre las partículas rodeadas de agua.

La expansión de suelo a través de la experiencia de los ingenieros geotecnistas ha demostrado que es factor importante en el diseño de la cimentación de cualquier estructura, y sobre todo para la prevención de la inestabilidad en el horizonte de su vida útil.

Ensayos de Expansividad

Los Ensayos de Expansividad permiten obtener valores cuantitativos sobre la capacidad expansiva del suelo.

Generalmente se realizan ensayos que correlacionan parámetros básicos del suelo con su potencial expansivo, éstos permiten identificar y clasificar los suelos expansivos, los más utilizados son:

Ensayos Directos

Cuando se necesita determinar el cambio de volumen del suelo se utiliza un aparato endométrico.

Pueden ensayarse situaciones extremas, a fin de:

1. Ensayo de Hinchamiento Libre: Obtención de las deformaciones que sufre el suelo sometido a niveles tensionales muy bajos.
2. Ensayo de Presión Máxima de Hinchamiento: Presión máxima que sufre el suelo sin cambiar su volumen.

El CTE en la Tabla D.18 menciona los ensayos de expansividad en laboratorio indicando las normas establecidas para el ensayo de hinchamiento nulo en endómetro, para hinchamiento libre y para otros ensayos.

Ensayos Indirectos

Estos ensayos se basan en la medición de una o más propiedades intrínsecas del suelo en complemento con datos disponibles sobre experiencias anteriores acerca del cambio potencial de volumen.

Los métodos más usados son:

1. Ensayo de Difracción de Rayos X : Es la determinación de la constitución de arcillas (minerales constitutivos).
2. Plasticidad: determinación de correlaciones locales.
3. Contenidos de Humedad, Granulometría, etc.

La Humedad Aprovechable (Ha) es la altura de agua que retiene un suelo homogéneo entre los contenidos de agua de Capacidad de Campo y Punto de marchitez permanente, descontando el contenido de clastos del suelo.

Donde:

Ha: Es la humedad aprovechable en cm.

ω_CC: Es el contenido gravimétrico de agua del suelo a Capacidad de Campo en g/g.

ω_PMP: Es el contenido gravimétrico de agua del suelo a Punto de Marchitez Permanente en g/g.

Da: Es la Densidad aparente del suelo en g/cm³.

z: Profundidad a considerar del suelo en cm.

P: Contenido de clastos en el perfil, magnitud adimensional y se expresa en %/100.

ρ_H2O: Es la densidad del agua en g/cm³ (generalmente se asume como 1g/cm³)

Para calcular la Humedad aprovechable de un suelo se deben considerar las características y propiedades físicas de cada Horizonte del perfil de suelo, donde la Humedad aprovechable total será la suma de las alturas de agua que es capas de retener cada horizonte por independiente.

En la imagen se esquematiza el concepto de Capacidad de Campo y la dinámica general del agua en el suelo.

Dinámica del contenido del agua en el suelo, especificando los puntos de Saturación (Sat), Capacidad de Campo (CC), Humedad del Suelo (Pw), Punto de Marchitez Permanente (PMP) y Seco. Además las alturas de agua derivadas de los contenidos, Agua de Drenaje, Humedad aprovechable (Ha), Humedad disponible o de déficit (Hd) y Agua Higroscópica.