Cimentaciones sobre Rellenos Compactados: Consideraciones para el proyecto.

En la fig. 11.1, se ilustran las principales consideraciones para el proyecto de una estructura apoyada en un relleno. Se supone que se va a apoyar un edificio industrial ligero de un piso en un bajío que cubre un depósito profundo de suelo compresible. Antes de construir el propio edificio, se eleva la rasante de toda el área varios metros con un terraplén compactado. Se construye un terraplén adicional para soportar el piso, situado aproximadamente a 1.5 m arriba del nivel del terreno circundante, a una altura conveniente para descargar directamente mercancías de los furgones del ferrocarril o de los camiones de carga. Las columnas se desplantan sobre zapatas apoyadas en el relleno.

En estas condiciones, el relleno es el apoyo local inmediato para las zapatas de cimentación, muros de contención y pisos del edificio. Si la construcción del terraplén y su compactación se controlan correctamente, es probable que el relleno resulte más resistente y menos compresible que la mayor parte de los depósitos naturales. En este sentido, es un excelente material de cimentación. Por otra parte, el mismo terraplén aplica una carga importante sobre el suelo compresible inferior. Por ejemplo, el terraplén de 1 :50m construido dentro de los muros de contención, puede añadir una carga del orden de 3000 kg/m2 sobre el área de la estructura, carga que es aproximadamente igual a la producida por un edificio para oficinas de 5 pisos, sin sótano; o por uno de 15 pisos con sótano. Además, debido a que la carga se distribuye en un área grande, se produce un aumento de esfuerzos correspondiente en todo el espesor del depósito compresible. Así, aunque el relleno es un excelente apoyo para las zapatas y los pisos, puede producir asentamientos perjudiciales en toda el área, incluyendo el edificio construido arriba. Bajo estas circunstancias, ningún refinamiento empleado en la distribución o en el proyecto de las mismas zapatas puede mejorar apreciablemente el mal funcionamiento de la estructura. 

Figura 11.1  Sección transversal en un edificio para industria ligera sobre suelo compactado.

El proyecto de una estructura apoyada en un terraplén, ha de contemplar dos etapas. La primera es determinar si el peso del terraplén y del edificio producirá asentamientos excesivos a gran profundidad. Si este es el caso, deberán tomarse medidas para evitar el asentamiento o sus consecuencias, o inclusive, puede considerarse que el lugar no sirve para el objetivo planeado. Solamente en el caso de que las consecuencias perjudiciales de los asentamientos a gran profundidad puedan aceptarse o eliminarse, debe emprenderse la segunda etapa del proyecto. El asentamiento de los materiales blandos inferiores puede entonces ignorarse, y a las cimentaciones se les darán las dimensiones de acuerdo con las características del relleno, considerando debidamente la resistencia del suelo que está debajo del terraplén.

Sensibilidad de la arcilla. (S)

Para muchos depósitos naturales de suelo arcilloso, el esfuerzo de compresión inconfinada se reduce grandemente cuando el suelo a ensayar es remoldeado aunque no se presente un cambio en el contenido de humedad del suelo, como muestra la Figura 6.66. Esta propiedad del suelo arcilloso es conocida como sensibilidad. El grado de sensibilidad se expresa como el cociente del esfuerzo de compresión inconfinada en un estado inalterado y remoldeado, que será:

 

Para la mayoría de las arcillas la sensibilidad generalmente varía entre 1 a 8, basándose en esto las arcillas pueden clasificarse según muestra la Tabla 6.8.

Figura 6.69. Compresión inconfinda en arcilla inalterada y remoldeada (Das, 1998).

Tabla 6.8. Sensitibidad de la arcilla. (Das, 1997)

Caracterización del suelo: Clasificación de los materiales granulares.

Los materiales granulares que se utilizan en los trabajos de pavimentación pueden clasificarse en:

a)      Materiales para refuerzo de la subrasante, que tienen:

-        I.S. o el C.B.R. mayor que el de la subrasante.

-         Expansión  ≤  2 %

b)     Materiales para sub-base, que tienen:

-         I.S. o el C.B.R.  ≥  20 %

-         I.G.  =  0

-         Expansión   ≤   1  %   (medida con sobrecarga de 10 lb)

c)      Materiales para capa base, que tienen:

-        C.B.R.  ≥   80 %.

-        Expansión  ≤   0,5  %   (medida con sobrecarga de 10 lb)

-        LL  ≤   25   y     I.P.   ≤    6

En el caso extremo de que el Límite Líquido sea superior a 25 % y/o el Índice de Plasticidad sea superior a 6 %, el material puede ser empleado en capa base si cumple con las otras exigencias técnicas y además el Equivalente de Arena es superior a 30 %.

Los materiales para capa base granular deben tener una granulometría que corresponda a una de las curvas granulométricas que se muestran en la tabla V.4.

Tabla  V.4. Granulometría del Material para Capa Base

La fracción que pasa por el tamiz No. 200 debe ser inferior a ⅔ de la fracción que pasa por el tamiz No. 40. La fracción gruesa debe tener un desgaste, por el ensayo de Los Ángeles, inferior a 50 %. Se puede aceptar un porcentaje mayor de desgaste, si se tiene experiencia en el uso de ese material en otras obras.

Caracterización del suelo: Capacidad de soporte.

Para determinar la capacidad de soporte de la subrasante y de los mate­riales granulares que forman el pavimento se utiliza el ensayo de C.B.R. en muestras de prueba no deformadas o preparadas en laboratorio, en condiciones de densidad y humedad especificas.

Cuando se requiera una mayor seguridad, en vez del C.B.R, se puede utilizar un C.B.R corregido en función del Índice de Grupo (I.G.), que en este caso se denomina Índice de Suporte (I.S.), el cual está dado por:

Con la condición que:     I.S.  ≤  C.B.R.

C.B.R. =  valor del C.B.R. determinado por el ensayo en sitio en las condiciones ya descritas.

C.B.R. _I.G   =   valor dado por la tabla V.3.

Tabla V.3. Valor del CBR corregido en función del (IG)

Caracterización del suelo: Clasificación por el metodo AASHTO.

El requerimiento de parámetros de diseño correspondientes a las características del suelo, determina que la clasificación de suelos se realice por el Método AASHTO (M 145), principalmente con el fin de obtener el Índice de Grupo.

Este método clasifica a los suelos, de acuerdo a su composición granulométrica, su límite líquido y su índice de plasticidad, en siete grupos de A-1 a A-7. Los suelos cuyas partículas pasan el tamiz No. 200 (0,075 mm) en un porcentaje menor al 35 %, forman los Grupos A1, A2, A3 y los subgrupos que corresponden. En cambio los suelos finos limo-arcillosos que contienen más del 35 % de material fino que pasa el Tamiz No. 200, constituyen los Grupos A-4, A-5, A-6, A-7 y los correspondientes subgrupos.

La ventaja de este método radica en la posibilidad de evaluar la calidad del suelo a través del “Índice de Grupo”. Los suelos que tienen similar comportamiento se encuentran en el mismo grupo y están representados por un determinado Índice.

Los índices de grupo de los materiales granulares están comprendidos entre 0 y 4, los correspondientes a suelos limosos entre 8 y 12, y los correspondientes a suelos arcillosos entre 11 y 20 ó un número mayor.

El índice de grupo debe ser escrito entre paréntesis, su valor puede ser determinado mediante la fórmula siguiente:

donde:             F  =   Porcentaje que pasa el tamiz No. 200

                                   LL =  Límite Líquido

                                   IP  =  Índice de Plasticidad

La clasificación de suelos por el Método AASHTO se muestra en las tablas V.1 y V.2.

Tabla V.1. Clasificación de suelos Método AASHTO (Material Granular)

Tabla V.2. Clasificación de suelos Método AASHTO (Material Limo-Arcilloso)

Métodos empíricos para determinar los parámetros de resistencia al corte - Suelos.

También pueden determinarse los parámetros de resistencia al corte de forma empírica, al realizar diversos ensayos en una gran variedad de suelos se ha observado que los parámetros de resistencia siguen un comportamiento ordenado que está relacionado a las propiedades índice del suelo. Por lo cual diversos investigadores han elaborado ábacos para determinar de forma empírica los parámetros de resistencia al corte para diversos tipos comunes de suelo.

La Figura 6.64 muestra un ábaco elaborado por el U.S. Navy (1982) para determinar el parámetro de resistencia Ø' en condiciones drenadas con c’ = 0.

Figura 6.67. Valores típicos de ?’ para suelos poco cohesivos (U.S. Navy, 1982).

Este ábaco considera diversas propiedades del suelo como el tipo de suelo, peso unitario seco, densidad relativa e índice de vacíos. Todas estas propiedades del suelo están relacionadas entre sí, por lo cual para utilizar este ábaco basta con conocer algunas de estas características del suelo.

Figura 6.68. Valores típicos de Ø’ para arcillas y limos NC (Mitchell, 1993).

Para el caso de suelos finos como limos y arcillas normalmente consolidados, se ha observado que los parámetros de resistencia están relacionados al índice de plasticidad del suelo, la Figura 6.65 muestra un ábaco elaborado por Mitchell (1993) para determinar el ángulo de fricción efectivo para muestras de suelo drenadas con c’ = 0 tanto para muestras remoldeadas como inalteradas.

Puede ser bastante cómodo hallar los parámetros de resistencia al corte de forma empírica, sin embargo, debe tenerse en cuenta que los parámetros determinados por métodos empíricos, solamente han de servir como referencia o valores comparativos para evaluar los parámetros determinadas mediante un ensayo triaxial, de corte directo o compresión inconfinada.

Algunas relaciones empíricas sugeridas para determinar los parámetros de resistencia al corte del suelo se muestran en la Tabla 6.7. Los resultados que proporcionan estas relaciones solo son referenciales

Tabla 6.7. Relaciones empíricas para los parámetros de resistencia al corte (Budhu, 2000).

El valor de p'f en la ecuación propuesta por Bolton representa la cantidad de esfuerzo efectivo en la falla (expresado en KPa). Esta ecuación solo es válida si: 12 > (Ø'p – Ø'p) > 0.

Cámara triaxial y preparación de la muestra.

La cámara o celda triaxial mostrada en la Figura 6.45 consiste principalmente de un cilindro plástico con una cubierta superior e inferior de metal (cabezales), donde en el interior de esta es colocada la muestra de suelo de forma cilíndrica a la que se llamará probeta, cuyas dimensiones están en función al tipo de suelo. Una piedra porosa es colocada por encima y por debajo de la probeta luego de ser envuelta en una vaina de látex para protegerla del agua, también existen tubos de entrada y salida instalados en la cámara los cuales están controlados por válvulas que permiten o cortan la circulación de agua o glicerina cuando se desee. Este fluido que llena la cámara mantiene una presión hidrostática de confinamiento (σ₃) constante y simétrica a lo largo de toda la circunferencia de la probeta, asegura la hermeticidad de la cámara por medio de abrazaderas ajustadas a los cabezales.

SUELOS: Parámetros de resistencia al corte para el diseño.

Para el diseño geotécnico es importante determinar las condiciones de drenaje reales que presenta el suelo en campo que pueden anticiparse según al tipo de suelo, para lo cual debe considerarse que las condiciones no drenadas difieren significativamente de las drenadas para el caso de los suelos finos, donde corto plazo no se aprecia un cambio de volumen pero presentan un exceso de presión de poros que irá disipándose con el tiempo, hasta que ha largo plazo se completa el cambio total de volumen y se disipa totalmente el exceso de presión de poros. En el caso de los suelos de grano grueso el cambio de volumen es inmediato y el exceso de presión de poros se disipa rápidamente durante la acción de la carga normal, por lo que no tendría sentido en estos suelos hablar de una condición a corto y largo plazo.

En el caso de un suelo arcilloso luego de una excavación o la deposición de un terraplén al principio debido a la rapidez de la construcción se tendrán condiciones no drenadas, entonces el esfuerzo de corte máximo que tolera el suelo a corto plazo estará en función a parámetros totales que será:

  

t_f = c_u                                                                                     [6.23]

 

Sin embargo, a largo plazo cuando el suelo alcance la condición drenada el esfuerzo de corte máximo que tolera el suelo estará en función a parámetros efectivo, que será:

El valor del parámetro c' en la ecuación [6.24] identificado como la cohesión es netamente geométrico y corresponde a la altura formada por la intersección de la envolvente de falla alternativa con el eje de corte, este parámetro se presenta únicamente en suelos del Tipo II.

Antes de realizar el diseño debe considerarse el tiempo de vida útil del proyecto, para así determinar el tipo de parámetros que sean adecuados y también elegir un adecuado ensayo de laboratorio que proporcione el tipo de parámetros deseados.

En condiciones drenadas para el diseño se consideran los parámetros 

, el valor pico no constituye ser la mejor opción para el diseño geotécnico ya que las partículas del suelo en este estado de esfuerzos por lo general no se deslizan en un plano de falla completamente desarrollado, además su valor es muy variable y solo los suelos del Tipo II presentan este valor pico. Sin embargo todos los suelos para una respectiva combinación de esfuerzos llegan a estar normalmente consolidado, donde el parámetro del ángulo de fricción es crítico

donde el suelo alcanzará el estado crítico. El diseño con el valor crítico a diferencia del pico no es conservador sino que permite diseños óptimos que consideran los esfuerzos principales máximos que tolera el suelo. Por lo tanto el ángulo de fricción crítico a diferencia del pico constituye ser un parámetro fundamental de la resistencia al corte del suelo.

En condiciones no drenadas para el diseño se considera el parámetro de esfuerzo de corte no drenado c_u, que depende de la magnitud del esfuerzo de confinamiento 

 el cual influirá en el esfuerzo normal 

 , por lo tanto este parámetro no constituye ser el fundamental para el diseño geotécnico.

Por lo general se encuentran suelos que son una mezcla de partículas gruesas y finas, en este caso para el diseño debe tomarse en cuenta la condición drenada y no drenada para determinar cual de esas condiciones es más crítica.

ESTABILIZACIÓN DE SUELOS: Introducción.

Cuando se trata de cimentaciones superficiales, ya sea de zapatas, o bien de losas de cimentación para edificación o cuando se trata de construir una estructura para un pavimento, por ejemplo, en muchas ocasiones nos encontramos con que el suelo del sitio, al nivel en que requerimos apoyar nuestra estructura, se encuentra formado por un material de características inadecuadas.

En este caso nos referiremos específicamente a un suelo arcilloso, de características plásticas, con riesgo de sufrir cambios volumétricos con los cambios de su humedad, y con una baja capacidad de soporte. Concretamente tenemos un suelo que debemos estabilizar para poder utilizarlo sin problemas.

Para tener una mayor claridad del problema tratado, sigamos el procedimiento de hacernos algunas preguntas previas para así aclarar los conceptos:

Iniciemos por preguntarnos ¿Con que objeto estabilizamos un suelo?. La estabilización de un suelo consiste en modificar algunas de sus características indeseables para el propósito de uso que queremos darle a dicho suelo. Entonces, si el suelo va a ser empleado para apoyar a una cimentación, ya sea para cimentación de una edificación o bien de un pavimento, las principales características indeseables de una arcilla plástica serán: Un Indice Plástico demasiado alto que significa un alto valor de expansión (o bien su opuesta contracción), así como una capacidad para soportar carga que será demasiado baja.

Y ¿cómo podemos llevar a cabo la estabilización de la arcilla a que anteriormente se hace mención?. Bueno, en realidad existen diferentes formas de tratar de estabilizar una arcilla plástica, sin embargo en este artículo se tratará solo uno de los métodos más antiguos empleados en la construcción, que consiste en mezclar la arcilla con cal. Mucho se ha escrito y dicho sobre el empleo de la cal para la estabilización de arcillas, y muchas han sido las formas de llevar a cabo el procedimiento. En primer lugar se debe aclarar que el emplear la llamada “cal viva” con dicho propósito, no presenta ventajas y si presenta las concernientes desventajas de su manejo. En este artículo me enfocaré sólo al uso de cal hidratada, del tipo más comercial y de calidad más uniforme.

Uno de los más graves problemas cuando se trata de mezclar la arcilla con la cal, es el obtener una distribución razonablemente uniforme. Existe equipo mecánico de construcción para obtener una mezcla más homogénea de ambos productos, sin embargo esto no nos libra de las grandes nubes de polvo de cal tan perjudiciales tanto para el personal que hace el trabajo como para las personas que se encuentren en los alrededores del sitio en el cual se hace el trabajo.

Para evitar el problema que se mencionada en el párrafo anterior, se han hecho pruebas y se ha llegado a practicar un procedimiento mucho más simple, el cual consiste en aplicar la cantidad de cal calculada en el diseño de la estabilización, incorporándola en el agua que se agrega al material arcilloso para proporcionar el grado de humedad óptimo para su compactación, eliminando con ello la indeseable dispersión de cal, así como simplificando enormemente la protección al personal que interviene en los trabajos.

Cuando un proyecto de estabilización de un suelo arcilloso con cal es adecuado, y se aplica correctamente, deber poder observarse claramente el efecto del factor tiempo, es decir que la capacidad de soporte del suelo continuará

Estructura de los minerales de Arcilla.

Los minerales arcillosos son formados principalmente por la meteorización química de las rocas, es decir que estos minerales son producto de la alteración de minerales preexistentes en la roca. Estos minerales son tan diminutos que sólo pueden ser vistos utilizando un microscopio electrónico.

Los principales elementos químicos constituyentes de estos minerales son átomos de: silicio, aluminio, hierro, magnesio, hidrógeno y oxígeno. Estos elementos atómicos se combinan formando estructuras atómicas básicas, que combinándose entre si forman láminas, la que al agruparse forman estructuras laminares que finalmente al unirse por medio de un enlace forman un mineral de arcilla.

 

La Figura 1.3 muestra las dos unidades estructurales básicas de los minerales de arcilla, que son: la unidad tetraédrica constituida por un ión de silicio rodeado por cuatro átomos de oxígeno (Figura 1.3a) y la unidad octaédrica formada por un ión central de aluminio o magnesio rodeado por seis iones de oxidrilo (Figura 1.3b). En ambos casos el metal con valencia positiva está situado en el interior, mientras que los iones no metálicos con valencia negativa forman el exterior.

Las estructuras laminares mostradas en la Figura 1.4 se forman cuando varias unidades atómicas básicas se enlazan covalentemente mediante los iones de oxígeno u oxidrilo. Entre las estructuras laminares se tiene la lámina tetraédrica y octaédrica.

 

En la Figura 1.4a se muestra una lámina tetraédrica llamada sílice, que está formada por tetraedros enlazados que comparten dos átomos de oxígeno, la forma simbólica de representar esta lámina es por medio de un trapecio. La Figura 1.4b muestra una lámina octaédrica formada por octaedros de aluminio enlazados que forman una estructura dioctaédrica llamada alumina o gibsita, simbólicamente está representada por un rectángulo con letra G. La lámina de la Figura 1.4c, corresponde a una lámina formada por octaedros de magnesio que forman una estructura trioctaédrica llamada brucita, simbólicamente está representada por un rectángulo con letra B.

La separación entre los iones externos de las láminas de tetraédricas y octaédricas es suficiente para que ambas láminas puedan unirse por medio de iones oxígeno u oxidrilo mutuamente; esto hace posible la formación de estructuras laminares de dos o de tres láminas. En la Figura 1.5 se muestra estas estructuras.

En la estructura de dos láminas mostrada en la Figura 1.5a, las láminas tetraédricas y octaédricas están alternadas, mientras que la de tres láminas mostrada en la Figura 1.5b consiste de una lámina octaédrica emparedada entre dos láminas tetraédricas, estas dos formas de estructuras laminares son generales para formar las distintas variedades de minerales de arcilla.

La variedad de los minerales de arcilla, depende de la distribución de apilación de estas estructuras laminares, así como del tipo de iones que proveen el enlace de las mismas. La Figura 1.6 muestra los minerales de arcilla más comunes.

La abundante variedad de minerales de arcilla, está bastante relacionada a la estructura de los minerales que se muestran en la Figura 1.6, por lo que se pueden identificar a cuatro grupos de minerales arcillosos que son:

• Grupo de la caolinita.- La caolinita (Al4Si4O10(OH)8) es el principal constituyente del caolín y las arcillas para porcelana. Las caolinitas son producto de la meteorización del feldespato ortoclasa proveniente del granito y comúnmente se encuentran en suelos compuestos de sedimento. La caolinita se presenta en hojuelas hexagonales de tamaño pequeño, su estructura consiste en una distribución de dos láminas de sílice y gibsita fuertemente enlazadas (Figura 1.6a). Algunos minerales de arcilla que pertenecen a este grupo son: la dickita que tiene la misma composición de la caolinita pero con un orden diferente en sus láminas y la halosita que generalmente aparece en algunos suelos tropicales, cuyas láminas en forma tubular están enlazadas por moléculas de agua (Figura 1.6b).
• Grupo de la ilita.- La ilita es el resultado de la meteorización de las micas, es similar en muchos aspectos a la mica blanca pero tiene menos potasio y más agua en su composición. Se presenta en forma de hojuelas y su estructura consiste en arreglos de tres láminas de gibsita con los iones de K proporcionando el enlace entre láminas adyacentes de sílice como muestra la Figura 1.6c. Debido a que el enlace es más débil que el de la caolinita sus partículas son más pequeñas y delgadas.
• Grupo de la montmorilonita.- La montmorilonita es el constituyente principal de la bentonita y otras variedades similares de arcilla. Las montmorilonitas suelen ser el resultado de la meteorización del feldespato plaglioclasa en los depósitos de ceniza volcánica. Su estructura fundamental consiste de distribuciones de tres láminas, cuya lámina octaédrica intermedia es casi siempre gibsita o en otro caso brucita. Diversos enlaces metálicos además del potasio (K) forman enlaces débiles entre las láminas como muestra la Figura 1.6d. Una característica particular del los minerales del grupo de la montmorilonita es su considerable aumento de volumen al absorber partículas de agua.
• Grupo de la vermiculita.- Este grupo contiene productos de la meteorización de la biotita y la clorita. La estructura de la vermiculita es similar a la montmorilonita, excepto que los cationes que proporcionan los enlaces entre láminas son predominantemente Mg, acompañados por algunas moléculas de agua como muestra la Figura 1.6e.