EXPANSIBILIDAD EN SUELOS CONGELADOS: ESTRATEGIAS DE MITIGACIÓN EN CIMENTACIONES

El levantamiento o expansión de suelos congelados es el desplazamiento hacia arriba del suelo y las rocas debido a la acción de las heladas; ocurre donde el clima es lo suficientemente frío como para permitir que las temperaturas bajo cero se propaguen debajo de la superficie del suelo, donde hay un suministro adecuado de agua en el suelo para alimentar la formación de lentes de hielo y donde los suelos son susceptibles a las heladas (Washburn, 1956).

Los suelos que se consideran susceptibles a las heladas tienen texturas de grano fino con alto contenido de limo (por ejemplo, arcillas limosas, limos y arena fina limosa). El levantamiento de las heladas se produce debido a la formación de lentes de hielo en la columna del suelo y selectivamente debajo de clastos más grandes. La naturaleza y el tamaño de una lente de hielo varían con dos variables; primero, la cantidad de agua libre disponible en la matriz del suelo; y segundo, la tasa de congelación. A medida que la escarcha penetra en el perfil del suelo, el agua libre en los espacios porosos se convierte en hielo y se expande; si el suelo está saturado, la elevación de las heladas será proporcional al 9% del volumen del espacio poroso.

Si la congelación es rápida, el agua de los poros forma cristales de hielo en los espacios porosos y una capa de hielo sobre las partículas individuales, esto se llama hielo poroso. Si la velocidad de congelación es lenta, el agua del suelo es atraída hacia el frente de congelación y tenderá a formarse una lente horizontal de hielo. Una vez iniciada, una lente de hielo seguirá creciendo mientras haya disponible un suministro de agua libre. El agua migra desde el suelo adyacente no congelado hacia la lente de hielo por acción capilar. La distancia que recorre el agua puede ser significativa; en condiciones ideales, el agua puede migrar hasta 1 a 2 m. Este tipo de formación mejorada de hielo se llama segregación de hielo y puede dar como resultado la formación no solo de lentes de hielo, sino también de gruesas capas de hielo casi puro (Pollard, 2018).

En este caso, el volumen de hielo puede ser varias veces el volumen del espacio poroso disponible; el volumen de hielo que excede la saturación se llama exceso de hielo. Este patrón de segregación del hielo puede provocar una tremenda elevación en las heladas. Los suelos limosos son susceptibles a las heladas porque su pequeño tamaño de partículas y su alta porosidad soportan altos contenidos de humedad, mientras que su naturaleza permeable y su alta conductividad hidráulica fomentan la acción capilar. Así, los suelos con un alto contenido de limo favorecen la formación de cristales de hielo segregados y la formación de escarcha.

El movimiento por escarcha se refiere a un proceso de levantamiento de escarcha que implica el desplazamiento hacia arriba de un objeto incrustado en un suelo helado. Cuando se produce un levantamiento como se describe anteriormente, un objeto o estructura incrustado en el suelo que no está anclado adecuadamente será forzado hacia arriba cuando se forma preferentemente una lente de hielo debajo del objeto. En la mayoría de los casos, la estructura no vuelve a su posición original cuando el suelo congelado se descongela estacionalmente. El movimiento neto ascendente se llama "jacking". Este fenómeno puede ocurrir dondequiera que haya congelación y descongelación estacional de una capa superficial y no se limita a áreas de permafrost.

Dondequiera que se produzcan heladas, el asentamiento se produce durante la fase de descongelación del ciclo. La superficie del suelo, así como los objetos o estructuras construidos sobre permafrost "inestable al deshielo", se asentarán si se derrite el exceso de hielo. La fusión suele ser causada por el calor de la estructura o por cambios en las condiciones térmicas naturales. El levantamiento cíclico preferencial durante la congelación de clastos más grandes en un suelo heterogéneo y la fluidización de la matriz de grano fino da como resultado la clasificación de materiales finos y gruesos. La mezcla y clasificación de suelos por la acción de las heladas es un proceso muy dinámico y ampliamente observado en ambientes periglaciares como suelos modelados.

El riesgo de heladas se puede evitar de varias formas. Una es tener cimientos lo suficientemente profundos como para estar por debajo de la profundidad de penetración de las heladas. Por lo tanto, no son necesarios procedimientos de diseño especiales para las heladas en edificios con sótanos que se extienden más que la profundidad de penetración de las heladas por debajo del nivel del suelo (excepto para garantizar el uso de material de relleno adecuado que no se congele en la pared del sótano).

Otra posibilidad es eliminar la tierra susceptible a las heladas hasta una profundidad por debajo de la profundidad de penetración de las heladas. y reemplácelo con material no susceptible a las heladas antes de construir los cimientos.

Una tercera opción es aislar los cimientos para evitar que las heladas penetren debajo de los cimientos. Esta última opción es frecuentemente la más económica en climas fríos al permitir cimientos menos profundos. En los edificios sin calefacción, el calor disponible en el propio edificio es menor que en los edificios con calefacción, y se necesita más aislamiento para proteger los cimientos.

La mayor profundidad de penetración de las heladas en terrenos no perturbados (es decir, terrenos no protegidos por edificios, capa de nieve o vegetación) depende del clima (índice de congelación y temperatura media anual del aire) y de las propiedades térmicas del suelo. Los valores de diseño de profundidad máxima de escarcha en terrenos homogéneos, no perturbados y susceptibles a las heladas sin capa de nieve, Ho>, se pueden encontrar para diferentes ubicaciones en mapas o tablas. Si no se conoce HO, se puede calcular un valor aproximado a partir de la siguiente fórmula de acuerdo con la ISO 13793 (1994):

Si Fd = 30 000 Kxh, no se requiere aislamiento a tierra.

Para valores mayores de Fd, la profundidad de los cimientos debe ser al menos Hf en todo el edificio, y se debe utilizar aislamiento del suelo cerca de las esquinas y en partes limitadas sin calefacción a una distancia Lc de estos lugares, donde los valores de Hf y Le son dado en la tabla 1.

La resistencia térmica del aislamiento del suelo debe ser de al menos 1,0 m2xK/W, y su ancho debe ser Dgc, donde los valores de Dgc se dan en la tabla 1. Véase también la figura 1.

Para valores mayores de Fd, la profundidad de los cimientos se puede reducir a no menos de 0,4 m colocando aislamiento alrededor del edificio. Si Fd > 30000 Kxh, el aislamiento es necesario cerca de las esquinas y en partes limitadas sin calefacción. para una distancia Lc desde estos lugares como se indica en la tabla 2. Seleccione una combinación adecuada de resistencia térmica. Rgc y ancho, Dgc del aislamiento del suelo cerca de las esquinas usando la figura 2, según el valor de Fd Si Fd > 37 500 Kxh, el aislamiento del suelo también es necesario a lo largo de las paredes.

Seleccione una combinación adecuada de resistencia térmica Rgc y ancho, Dgw del aislamiento del suelo a lo largo de las paredes usando la figura 3. según el valor de Fd. Luego use la figura 2 para determinar el mayor aislamiento de tierra necesario cerca de las esquinas y las partes sin calefacción. El aislamiento de las esquinas se aplica a una distancia Le cómo se indica en la tabla 2.

La profundidad de los cimientos se puede reducir teniendo una capa de aislamiento continua debajo de los cimientos y que se extiende hasta un ancho Og a cada lado de los cimientos. Si las heladas dañan el suelo, la capa aislante debe continuar bajo todo el suelo. Ver figura 4. El aislamiento se continúa debajo de los cimientos para evitar que actúen como puente térmico.

Proteja la capa aislante de la siguiente manera:

a) colocar debajo del aislamiento una capa de material bien drenado y resistente a las heladas de al menos 150 mm de espesor;

b) encima del aislamiento, disponer una cubierta protectora compuesta por:

- bajo los cimientos y dentro del edificio, al menos 50 mm de concreto armado o similar;

- en el exterior del edificio, al menos 300 mm de suelo, a menos que esté cubierto por un pavimento, en cuyo caso el espesor del suelo podrá reducirse a 200 mm;

c) colocar el aislamiento por encima del nivel máximo del nivel freático. La resistencia térmica necesaria, Rg. y el ancho, Dg, del aislamiento depende de:

- el índice de congelación de diseño. Fd.

- la temperatura media anual del aire exterior. Te.

- la profundidad de los cimientos.

Determine el ancho mínimo Dg de la tabla 3 de acuerdo con el índice de congelación de diseño. Fd Se puede utilizar la interpolación lineal para valores intermedios de Fd.

Determine la resistencia térmica mínima del aislamiento Rg de la tabla 4 para cimentaciones de al menos 0,4 m de profundidad, o de la tabla 5 para cimentaciones de al menos 1,0 m de profundidad. Se puede usar interpolación lineal en estas tablas para valores intermedios, y también se puede usar interpolación lineal entre las tablas 4 y 5 para profundidades de cimentación intermedias entre 0,4 my 1,0 m.