DISEÑO, TRATAMIENTO Y REMEDIACIÓN DE CIMIENTOS EN SUELOS EXPANSIVOS: ESTRATEGIAS Y SOLUCIONES EFECTIVAS

Existen tres alternativas generales de cimentación para suelos expansivos:

° zapatas poco profundas

° un sistema de pilares y vigas, o

° losa rigidizada sobre rasante

° Pilotes helicoidales

Las zapatas poco profundas son el tipo de cimentación más común para estructuras livianas. Generalmente hay poco diseño de ingeniería asociado con estos cimientos y, en consecuencia, estas estructuras sufren daños cuando se colocan en suelos expansivos. A menudo es difícil convencer a los propietarios de que inicialmente se deben invertir fondos adicionales en una base adecuada colocada en suelos expansivos. Generalmente, una inversión inicial en consultoría de ingeniería resultará una inversión inteligente después de unos años.

Las cimentaciones poco profundas pueden ser económicas y brindar un servicio adecuado para ciertas estructuras en suelos con un potencial de cambio de volumen de bajo a moderado en regiones húmedas a subhúmedas. Los cimientos deben reforzarse para minimizar los efectos de los movimientos estacionales de los bordes y las superficies de apoyo no uniformes, como las que se encuentran sobre zanjas de servicio. La cimentación de la zapata extendida debe funcionar satisfactoriamente siempre que no haya efectos profundamente arraigados o a largo plazo, como cambios importantes en el nivel freático (es decir, condiciones de presión del agua de los poros) o condiciones de la vegetación. Es probable que los cimientos de zapatas poco profundas no funcionen bien en condiciones ambientales severas.

Las buenas prácticas de diseño de ingeniería incluyen considerar las siguientes cuestiones:

Otras precauciones que vale la pena considerar como parte del diseño de la superestructura incluyen:

Además de las recomendaciones dadas anteriormente, los diseños de espacios de acceso requieren que se preste especial atención a las siguientes cuestiones:

La magnitud de los movimientos totales, diferenciales y de inclinación de cimentaciones poco profundas dependerá de muchos factores relacionados con la zona activa y la reactividad de los suelos del sitio. Incluso para suelos con un potencial de cambio de volumen relativamente bajo, se producirá algún movimiento diferencial de las unidades de zapata perimetrales en relación con las unidades centrales. Se debe anticipar el movimiento relativo y se deben tomar medidas para un ajuste conveniente de la longitud de las columnas que sostienen las vigas centrales y los pisos. No se recomiendan los tabiques centrales de carga colocados directamente sobre zapatas corridas a menos que se pueda incorporar un medio eficaz para ajustar la elevación de la superestructura por debajo del nivel del piso principal.

La magnitud de los movimientos totales y diferenciales que experimentan las estructuras sobre cimentaciones someras está influenciada por la descarga neta de los suelos. Este es el caso incluso en una excavación típica de sótano completo y en un edificio ligero de uno o dos pisos. Aunque las zapatas centrales pueden diseñarse para soportar cargas estructurales iguales y tener dimensiones similares para asegurar aumentos de esfuerzo similares en los suelos subyacentes, el efecto neto de descarga de área de la excavación tiene una influencia mucho más profunda. En consecuencia, los levantamientos profundos tienden a afectar las zapatas centrales mucho más que las perimetrales. La provisión de columnas ajustables es importante para estas situaciones.

Los diseñadores también deben prestar seria atención a las chimeneas, conductos de calefacción, hornos y otros equipos colocados en pisos de sótanos apoyados en el suelo. En suelos con cambios de volumen de moderados a altos, el levantamiento diferencial de los pisos del sótano probablemente se volverá excesivo y objetable para muchos ocupantes durante un período de unos pocos años después de la construcción. La mejor manera de abordar este problema es en la etapa de diseño proporcionando un sistema estructural de piso de sótano que se extienda entre los soportes de los cimientos. También es posible proporcionar un sistema de piso ajustable que el ocupante o propietario pueda mantener fácilmente. Todos los cimientos poco profundos pueden estar sujetos a deformaciones por inclinación o asentamientos localizados causados ​​por una reacción no uniforme del suelo a cambios de humedad o influencias localizadas, como raíces profundas de árboles, filtraciones u otras fuentes de agua localizadas.

Las vigas de nivelación y los muros de sótano, que también sirven como muros de contención para rellenos de arcilla con un potencial de hinchamiento de moderado a alto, deben diseñarse para resistir presiones horizontales del suelo de acuerdo con una presión de fluido equivalente.

Un sistema de cimentación de pilotes y vigas generalmente proporciona una cimentación superior a la de un sistema de zapata extendida. Los pilotes son generalmente del tipo concreto colado in situ pero también se pueden utilizar otros tipos de pilotes. Los pilotes deben extenderse por debajo de la profundidad del movimiento estacional del suelo. Un sistema de vigas a nivel soporta las cargas entre los pilares. Un sistema de losa de piso estructural unido a la viga de nivelación generalmente funciona bien. Sin embargo, una losa flotante apoyada sobre las vigas de nivelación también puede resultar un sistema satisfactorio. La arena o grava compactada generalmente se coloca debajo de la losa del piso, pero a veces la losa flotante se coloca directamente sobre el suelo.

Las buenas prácticas de diseño de ingeniería incluyen considerar las siguientes cuestiones:

En situaciones en las que una losa rígida a nivel del suelo podría considerarse como un posible tipo de cimentación, se debe contratar a un ingeniero estructural y geotécnico competente para diseñar un sistema del que se pueda garantizar un rendimiento satisfactorio.

Las recomendaciones del Consejo Asesor de Investigación de Construcción para el diseño de losas rígidas residenciales tienen en cuenta las condiciones de movimiento del suelo amontonado y hundido. Se debe contratar a un ingeniero estructural calificado para diseñar el refuerzo necesario que debe incluirse en la losa.

Los pilotes helicoidales se atornillan en el suelo hasta alcanzar una profundidad donde el suelo es más estable y menos afectado por cambios estacionales de humedad. Esto ayuda a evitar los problemas de hinchamiento y contracción que son característicos de los suelos expansivos. Distribuyen la carga de la estructura sobre una superficie más amplia a través de las hélices, lo que reduce la presión sobre el suelo expansivo y minimiza el riesgo de movimiento diferencial. Además, se pueden ajustar en longitud y diámetro según las necesidades específicas del proyecto, proporcionando una solución personalizada para cada situación de suelo expansivo.

Las buenas prácticas de diseño de ingeniería para pilotes helicoidales son esenciales para garantizar la estabilidad, durabilidad y efectividad del sistema de cimentación. A continuación, se describen algunas de estas prácticas:

Las medidas que aseguren un control del movimiento de la humedad dentro y fuera de los suelos de los cimientos deben formar parte del diseño de los cimientos. Se han utilizado numerosos procedimientos en diversas partes del mundo. Algunos de los procedimientos han demostrado ser exitosos en algunos países, pero no han proporcionado una solución exitosa en otros. Es importante contratar a un ingeniero geotécnico calificado para garantizar que las técnicas de control de humedad y estabilización del suelo se evalúen y apliquen de manera adecuada para la situación en cuestión. Hay una serie de detalles que se pueden agregar al diseño para garantizar el desempeño exitoso del sistema de cimentación. La Figura 3 muestra una plataforma de concreto colocada alrededor de una base, unida al sistema de base. Se ha descubierto que las plataformas de baja permeabilidad funcionan bastante bien para reducir el levantamiento diferencial en suelos expansivos.

Algunas otras posibles técnicas de estabilización del suelo son las siguientes:

Estabilización del suelo: Muchos suelos expansivos pueden volverse esencialmente inertes mediante la adición de cal. Se pueden considerar diseños de estabilización con cal; sin embargo, en la mayoría de las situaciones será suficiente utilizar un procedimiento de modificación con cal. La modificación con cal generalmente requiere que solo se mezcle con el suelo entre un 6 y un 8 por ciento de cal. Se requieren pruebas de suelo en cada situación para determinar la cantidad de cal que se debe agregar. La decisión sobre la cantidad apropiada de cal a agregar se puede basar en la reducción del índice de plasticidad como resultado de la adición de cal. Cabe señalar que agregar cal al suelo puede no ser una opción potencial en muchas situaciones debido a la naturaleza tóxica de la cal.

Quitar y reemplazar: en algunas situaciones donde el suelo expansivo es relativamente poco profundo, es posible excavar y reemplazar el suelo expansivo. La rentabilidad de esta opción generalmente determinará si es una opción que debe considerarse o no.

Mezcla para homogeneización: Es la naturaleza altamente heterogénea de los depósitos de suelos expansivos lo que da lugar a movimientos diferenciales del suelo que son esencialmente iguales a los movimientos totales del suelo. Sin embargo, la excavación de un depósito de suelo seguida de la posterior recompactación de los suelos dará como resultado movimientos del suelo reducidos y más uniformes. El uso del mezclado y recompactación de un depósito de suelo debe realizarse bajo la supervisión de un ingeniero geotécnico calificado. Se debe llevar a cabo un programa de pruebas de laboratorio para verificar que la excavación y la recompactación producirán los resultados previstos.

Prehumedecimiento: En teoría, el potencial de hinchamiento de un suelo se puede eliminar remojando el suelo antes de la construcción. Sin embargo, esta práctica puede no producir resultados satisfactorios. Parecería que esta práctica se ha utilizado con éxito en algunas partes del mundo, pero probablemente hay más situaciones en las que no ha tenido éxito. El problema parece surgir de la dificultad de obtener una humectación uniforme del suelo. Si el suelo está agrietado cerca de la superficie del suelo, parece que los suelos expansivos en la parte superior del perfil se hinchan y luego no es posible que se produzca más humectación en un período de tiempo razonable.

Una vez finalizada la construcción, la humedad del suelo suele sufrir un lento proceso de redistribución con el resultado de que la estructura sufre deterioro. La técnica de prehumedecimiento sólo debe utilizarse después de un estudio exhaustivo bajo la supervisión de un ingeniero geotécnico calificado.

Estabilización química: existen productos químicos distintos de la cal que se pueden utilizar para estabilizar un suelo expansivo. Estos químicos pueden ser sales, enzimas u otros químicos. Es importante que un ingeniero geotécnico calificado estudie y evalúe minuciosamente el efecto de la adición de cualquier producto químico en particular sobre el comportamiento del suelo antes de su uso.

Recarga: Colocar una carga, como un relleno inerte, sobre un suelo expansivo puede reducir significativamente el potencial de cambio de volumen. La cantidad de carga aplicada dependerá de la presión de hinchamiento del suelo. La mayor cantidad de hinchazón generalmente ocurre cerca de la superficie del suelo. En consecuencia, un relleno inerte puede ser bastante eficaz para reducir la hinchazón aunque probablemente no elimine la cantidad total de hinchazón. Un ingeniero geotécnico calificado debe evaluar la cantidad de carga que sería necesario aplicar para una situación particular.

Barreras capilares: una barrera capilar es un material de grano más grueso, como limo, arena o grava, colocado sobre el suelo expansivo. Normalmente, un material de grano grueso se considera un material altamente permeable que simplemente permitirá que el agua alcance el suelo expansivo, con el resultado de que se producirá hinchazón. Sin embargo, el coeficiente de permeabilidad puede ser extremadamente bajo cuando un material de grano grueso tiene un bajo grado de saturación. La capacidad de almacenamiento de agua de una serie de capas de suelo más finas o más gruesas puede hacerse bastante grande. Esta forma de barrera capilar puede ser extremadamente efectiva para reducir la cantidad de agua que llega al suelo expansivo al almacenar la humedad infiltrante cerca de la superficie, donde puede liberarse nuevamente a la atmósfera por evapotranspiración. La barrera capilar debe diseñarse de manera que tenga el valor de entrada de aire y las propiedades de almacenamiento adecuados para la situación en cuestión. El diseño de la barrera capilar debe ser consistente con las condiciones climáticas y de drenaje del sitio. Los barreradores capilares se han utilizado eficazmente alrededor de estructuras de ingeniería ligera para reducir la cantidad de estrés en la estructura.