GUÍA PARA LA IDENTIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS

Las estructuras livianas, como la casa que se muestra en la Figura 1, generalmente se construyen con un conocimiento limitado de las condiciones del suelo. Sin embargo, los edificios a menudo sufren deterioros posteriores debido a cambios de volumen (deformación) en los suelos debajo de la estructura.

Los movimientos verticales del suelo generalmente ocurren como consecuencia de la descarga asociada con la excavación del sótano de la casa, o un cambio en el régimen normal de evaporación y evapotranspiración en la superficie del suelo. Un ejemplo de deterioro de la estructura se puede ver a menudo en losas de piso que están destinadas a funcionar como losas "flotantes", pero que rara vez "flotan" (Figura 2). Esta es sólo una de las muchas formas en que las estructuras ligeras sufren deterioro debido a los cambios de volumen en suelos expansivos.

Las estructuras livianas comúnmente experimentan problemas asociados con suelos expansivos; sin embargo, las presiones de hinchamiento de los suelos expansivos pueden ser altas, provocando movimiento hacia estructuras de varios pisos. Los pilotes relativamente cortos debajo de una estructura liviana, junto con una losa de piso estructural, brindan una solución común a muchos problemas de suelos expansivos (Figura 3).

El potencial de expansión de un suelo está controlado en gran medida por la mineralogía y el porcentaje de la fracción de tamaño de arcilla, mientras que los cambios en el contenido de agua también dependen de los cambios en las condiciones ambientales en la superficie del suelo. Las condiciones ambientales resultan en la humectación y/o secado del suelo en respuesta a las transferencias de humedad a través del límite suelo-atmósfera.

Los cambios en el contenido de agua del suelo pueden ser el resultado de causas naturales, como fluctuaciones climáticas, o el resultado de actividades humanas, como riego superficial, escorrentía de áreas pavimentadas o fugas de servicios públicos enterrados.

Los problemas de suelos expansivos se encuentran en casi todos los países del mundo y se ha descubierto que es extremadamente costoso abordarlos completamente en el diseño original o en el diseño de recuperación. Los suelos expansivos han sido denominados el "desastre oculto" en los Estados Unidos y causan más daño a las estructuras (particularmente edificios livianos y pavimentos) que todos los demás peligros naturales, incluidos terremotos e inundaciones (Jones y Holtz, 1973). Se ha estimado que las pérdidas anuales promedio debido a problemas estructurales asociados con suelos expansivos en los Estados Unidos son del orden de 7 mil millones de dólares (Krohn y Slosson, 1980).

Los problemas relacionados con las estructuras en suelos expansivos se acentúan ya que las estructuras que sufren los mayores daños generalmente han tenido el menor diseño de ingeniería antes de la construcción. Los ingenieros a menudo se muestran reacios a involucrarse en el estudio de los problemas de suelos expansivos porque los honorarios de consultoría son generalmente pequeños en relación con el riesgo potencial de litigio.

En las regiones geográficas las condiciones climáticas deben permitir grandes cambios en el contenido de agua. Los suelos expansivos se componen de suelos arcillosos que contienen una fracción significativa de minerales arcillosos activos. Los procesos glaciales y posglaciales depositaron la mayoría de los depósitos ricos en arcilla que son motivo de preocupación en la construcción y el desempeño de estructuras. Estos suelos ricos en arcilla se encuentran en depósitos lacustres glaciares o en labranzas glaciares.

Un suelo potencialmente expansivo contiene un porcentaje relativamente alto de minerales arcillosos altamente activos. La expansión de las capas dobles dentro de la fracción de arcilla produce cambios en el contenido de agua. En esta sección se describen métodos para identificar las características clave de suelos potencialmente expansivos.

Se pueden utilizar análisis de hidrómetro estándar para identificar la fracción del "tamaño de la arcilla" que tiene menos de dos micrones de diámetro (ASTM D-422). Sin embargo, no todas las partículas de esta fracción de tamaño son minerales arcillosos. Se recomienda medir la mineralogía de la 'fracción arcillosa'. El método más común para identificar y cuantificar la mineralogía de las arcillas es mediante análisis de difracción de rayos X. Todos los tipos de minerales arcillosos están muy cerca en el trazo de rayos X y, en consecuencia, es importante utilizar la abertura correcta para los rayos X (es decir, una rendija estrecha), junto con un técnico calificado al interpretar los resultados de la prueba. De primordial importancia es la cuantificación de la cantidad de mineral arcilloso montmorillonita (o esmectita) en la fracción arcillosa de la muestra de suelo.

Los límites de Atterberg (es decir, límite plástico, límite líquido y límite de contracción) se pueden medir como parte de una investigación geotécnica. La diferencia entre el límite plástico y el límite líquido se denomina índice de plasticidad. El Índice de Plasticidad está relacionado con el porcentaje de partículas del tamaño de una arcilla y la mineralogía de las partículas del tamaño de una arcilla.

Van der Merwe (1964) proporcionó una correlación entre el índice de plasticidad, el porcentaje de partículas del tamaño de la arcilla y el potencial de hinchamiento, como se muestra en la Figura 4. El potencial de hinchazón varió de bajo a muy alto. El mayor potencial de hinchamiento ocurrió cuando el suelo tenía un alto porcentaje de partículas del tamaño de arcilla y un alto índice de plasticidad. Se puede describir que un suelo tiene un alto potencial de hinchamiento, pero la expansividad del suelo sólo se revelará cuando el contenido inicial de agua del suelo sea bajo.

Un índice útil que se puede calcular a partir del Índice de Plasticidad y el porcentaje de fracción de arcilla (%arcilla) es la Actividad del Suelo (Ac):

Ac= Índice de Plasticidad/ (%arcilla)

Skempton (1953) clasificó las arcillas como "inactivas" cuando Ac era inferior a 0,75; 'normal' cuando Ac estaba entre 0,75 y 1,25 y 'activo' cuando Ac era mayor que 1,25. Son las arcillas en el rango "activo" las que causan la mayor dificultad con respecto al hinchamiento (y la contracción). Nelson y Miller (1992) enumeraron valores típicos para la actividad de varios minerales arcillosos: caolinita, 0,33 a 0,46; illita, 0,9; Ca-montmorillonita, 1,5; Na-montmorillonita, 7,2. La Figura 5 utiliza la actividad del suelo y el porcentaje de partículas del tamaño de la arcilla para clasificar el potencial de hinchamiento de las arcillas compactadas (Seed et al, 1962). La cantidad de hinchamiento que se puede anticipar en suelos arcillosos puede variar desde menos del 1,5 % hasta más del 25 % dependiendo de la actividad del suelo y la cantidad de partículas del tamaño de la arcilla.

La tabla 1 fue propuesta por primera vez por Holtz y Gibbs (1956) y relaciona el contenido coloidal (donde los coloides se definen como partículas de menos de 0,001 mm de diámetro), el índice de plasticidad y el límite de contracción con el potencial de cambio de volumen. La tabla separa los suelos en categorías de "potencial de expansión" bajo, medio, alto y muy alto. Esta tabla no pretende usarse como base para predecir la expansión, sino más bien para proporcionar una evaluación preliminar del potencial de cambio de volumen. Es útil complementar el cuadro con observaciones de la experiencia local.

La Figura 6 ilustra el patrón general del porcentaje de hinchamiento para un suelo compactado y altamente plástico (Holtz y Gibbs, 1956). Si bien la cantidad de hinchamiento puede variar de un suelo a otro, el patrón de hinchamiento total al mojarse en diversas condiciones de densidad y contenido de agua debería mostrar la misma tendencia. Los resultados ilustran que la compactación de un suelo a alta densidad aumenta la cantidad de hinchamiento al mojarse. Además, la compactación con contenidos de agua por encima del contenido de agua óptimo da como resultado cantidades reducidas de hinchamiento al mojarse.

La capacidad de intercambio catiónico, CIC, es una medida de la cantidad de iones disueltos cargados positivamente necesarios para satisfacer el desequilibrio de carga negativa en la superficie de las partículas de arcilla, y comúnmente se expresa en términos de miliequivalentes por 100 gramos de suelo seco (Mitchell, 1993). La CIC está relacionada con la mineralogía de la arcilla y la cantidad de partículas del tamaño de la arcilla presentes en la fracción coloidal. Valores altos de CIC significan que existe una alta actividad superficial en la fracción de arcilla y, en consecuencia, un mayor potencial de cambio de volumen. Las mediciones de CIC están disponibles de forma rutinaria en la mayoría de los laboratorios de análisis de suelos agrícolas. Los valores típicos en meq/100g de suelo, para los tres minerales arcillosos básicos son; caolinita = 3 a 15; illita = 10 a 40; y montmorillonita (esmectita) = 80 a 150 (Mitchell, 1993).

Para un suelo con una CIC determinada, la expansión potencial durante la humectación también puede verse afectada por la valencia del catión adsorbido en los sitios intercambiables, así como por la química del fluido de los poros. La mayoría de los laboratorios de suelos agrícolas pueden medir la química de las sales presentes en la arcilla utilizando una técnica de "extracción por saturación" (Klute, 1986). Esto implica agregar agua a un suelo seco hasta que se observe que se forma agua libre en las arcillas. Luego se centrifuga la muestra y se mide la química del "extracto". La mayor expansión potencial ocurrirá cuando los cationes adsorbidos sean monovalentes (por ejemplo, Na+) y cuando el fluido de los poros esté diluido. La presencia de cationes divalentes y soluciones concentradas puede provocar que se suprima el cambio de volumen debido a la hinchazón (Mitchell, 1993).

Una propiedad del suelo llamada coeficiente de extensibilidad lineal, o COLE, ha sido medida de forma rutinaria por el Servicio de Conservación de Suelos de EE. UU., Laboratorio Nacional de Estudios de Suelos de los Estados Unidos. La prueba mide la deformación lineal de una muestra no perturbada y no confinada cuando se seca desde un tercio de una atmósfera de succión (es decir, 33 kPa) hasta condiciones de secado en horno. Las muestras se llevan al equilibrio a un tercio de atmósfera y se recubren con una resina plástica flexible. El valor COLE de muchos suelos se ha relacionado con las propiedades de hinchamiento de los suelos y se ha utilizado ampliamente en los Estados Unidos (McKeen y Neilsen, 1978; McKeen y Hamberg, 1981; Nelson y Miller, 1992).