DESAFÍOS Y SOLUCIONES DE LOS SUELOS COLAPSABLES EN CIMENTACIONES

Los suelos estructuralmente inestables o metaestables se definen como suelos cuyo comportamiento no sólo está en relación directa con las solicitaciones mecánicas, sino que también está controlado por factores externos al suelo, por ejemplo, factores químicos, variaciones ambientales, etc. (Redolfi, 2007).

Los suelos con respuesta metaestable poseen generalmente coincidencias en su formación geológica; relación de vacíos alta, presencia de cementación, baja consolidación, entre otras. Esto hace que su comportamiento, en la mayoría de los casos, esté gobernado por una respuesta no saturada, de manera que la afectación de la succión es un factor importante para caracterizar a un suelo con estas características (Vela et al., 2018). Dentro de este contexto, los suelos metaestables son: los suelos expansivos y los suelos colapsables, en este blog nos enfocaremos en los suelos colapsables (en el blog anterior “Técnicas de mitigación y soluciones para los desafíos de los suelos expansivos en cimentaciones” puedes consultar la información referente a suelos expansivos).

Los suelos colapsables se encuentran en todo el mundo en depósitos de suelo que son rellenos eólicos, loesiales, subaéreos, coluviales, de flujo de lodo, aluviales, residuales o hechos por el hombre. Los suelos colapsables se definen como cualquier suelo no saturado que pasa por un reagrupamiento radical de partículas y disminuye mucho en volumen al humedecerse, con carga adicional, o ambos. Por lo general, estos suelos se encuentran en regiones áridas o semiáridas y tienen una estructura de suelo suelto, una gran relación de vacíos y un contenido de agua mucho menor que la saturación. Por lo general, la estructura de estos sedimentos no consolidados de bajo peso unitario consiste en partículas más gruesas unidas en sus puntos de contacto por la fracción más fina de limo y/o arcilla, o posiblemente por la tensión superficial en el agua en las interfases aire-agua.

La adición de agua es una explicación ampliamente utilizada para desencadenar el colapso del suelo. El colapso también puede ocurrir, sin embargo, como resultado de la aplicación de carga, o de la humectación, o de ambos. Por lo tanto, el colapso puede ocurrir ya sea aumentando el esfuerzo por encima de la resistencia del suelo o reduciendo la resistencia del suelo. Cualquiera que sea la base física de la fuerza de unión, todos los suelos colapsables se debilitan al agregar agua. La disminución de la resistencia es más inmediata en los casos en que los granos se mantienen unidos por succión capilar, lenta en el caso de la cementación química y mucho más lenta en el caso de los contrafuertes de arcilla. Por lo tanto, pueden pasar largos períodos de tiempo, incluso años, para que se produzca el colapso total. Las estructuras de suelo colapsables típicas: se muestra en la figura 1.

Una variedad de factores y condiciones están presentes en los suelos colapsados. Se han encontrado cualidades específicas para suelos colapsables específicos en un área determinada, pero con frecuencia estas cualidades no se aplican a otros suelos colapsables. Dado que la cantidad de asentamiento que será destructivo varía de una instalación o estructura a otra, es necesario determinar la cantidad de asentamiento posible para promover un diseño eficiente en un sitio específico o para un proyecto determinado. Entonces podrían aplicarse las siguientes conclusiones generales (USBR, 1992):

Un ingeniero geotécnico debe poder identificar fácilmente los suelos que podrían colapsar y determinar la cantidad de colapso que podría ocurrir. Los depósitos de suelo más propensos a colapsar son:

1. Rellenos sueltos.

2. Arenas alteradas arrastradas por el viento.

3. Hillwash o abanicos aluviales de bajo peso unitario.

4. Granito descompuesto u otras rocas ígneas ácidas.

En algunos casos, al ingeniero geotécnico le preocupa el tiempo requerido para que ocurra el colapso, especialmente si puede causar un asentamiento diferencial debajo de una estructura.

La prevención o minimización del daño debido a los suelos colapsables se puede categorizar de la siguiente manera:

1. Inducir el colapso humedeciendo antes de la construcción o la carga de los cimientos, a menudo llamado hidrocompactación: Para las estructuras de conducción de agua en las que es inevitable humedecer los cimientos después de la construcción, el método más efectivo para colapsar los suelos antes de la construcción es estanques superficiales de agua a lo largo de la alineación. Se deben usar pozos de infiltración con este método para asegurar que los suelos se humedezcan en profundidad y para acelerar el proceso de colapso. El prehumedecimiento por encharcamiento, junto con la sobrecarga, puede disminuir el tiempo total requerido para que ocurra el colapso. El rociado de superficies también se ha usado para prehumedecer, pero nuevamente, se deben usar pozos de infiltración para acelerar el proceso. Con la aspersión, sin embargo, no hay carga hidráulica o carga de terraplén como ocurre cuando se usan estanques. En las regiones áridas, la humectación previa por cualquier método brinda el beneficio adicional de aumentar el contenido de agua del suelo para facilitar la excavación de la construcción y mejorar la compactación del suelo.

2. Disminuya los esfuerzos en las cimentaciones: Este método solo es efectivo para sitios de estructuras concentradas, como plantas de bombeo o estructuras de canales, pero no puede usarse para el canal en sí. Las técnicas más utilizadas para disminuir la carga de la cimentación son el uso de cimentaciones flotantes, para disminuir las cargas del suelo mediante la eliminación de material equivalente al peso de la estructura, o el uso de pilotes o cajones.

3. Solidifique el suelo para que no se vea afectado por la adición de agua y no pierda resistencia al corte: Se han investigado varias técnicas de estabilización química para mitigar el colapso de los suelos; sin embargo, ninguno de estos ha demostrado ser práctico para estructuras lineales como canales. También se han estudiado los procesos termoquímicos, pero solo en el laboratorio. El uso de cal o cemento portland estabilizará los suelos susceptibles al colapso, pero deben mezclarse íntimamente con el suelo y luego compactarse hasta alcanzar un contenido de agua óptimo. Esencialmente, se puede lograr el mismo efecto estabilizador para minimizar el potencial de colapso con solo la compactación del suelo, pero sin el aditivo. La solidificación del suelo con aditivos no es práctica para los proyectos de recursos hídricos.

4. Retire los suelos colapsables: La remoción y recompactación de suelos colapsables es económica solo si se encuentran a poca profundidad y solo para sitios estructurales concentrados.

5. Densificar suelos colapsables por métodos distintos a la hidrocompactación: uno de los métodos más utilizados para la densificación del suelo es el uso de columnas de grava compactada, antes de la colocación de las columnas de grava, el suelo debe ser inundado para provocar el colapso previo y después densificarlo mediante las columnas de grava compactada. Durante la construcción se emplea alta energía vertical de impacto sobre capas de agregado de calidad logrando una alta densificación del suelo matriz y creando elementos de gran rigidez. Es un proceso invasivo, el cual desplaza lateralmente el suelo donde estamos trabajando con lo cual se obtienen los siguientes resultados: Incremento inmediato de los esfuerzos horizontales efectivos, incremento de la resistencia al corte, incremento de la capacidad de carga, incremento de la rigidez del suelo y disminución de la compresibilidad.

6. Otros métodos, incluidos pilotes, cajones, voladuras profundas combinadas con prehumedecimiento, etc. Se puede efectuar cierta densificación en los suelos superficiales mediante arado profundo o rasgado, y luego humedeciendo los suelos hasta un contenido de agua por encima del óptimo antes de compactarlos con un rodillo vibratorio pesado. El arado o rasgado se puede hacer a una profundidad de aproximadamente 3 pies (1 m), por lo que la profundidad efectiva total del tratamiento con este método es de aproximadamente 6 pies (2 m). Se pueden usar pilotes o cajones para estructuras concentradas si los suelos colapsables no se extienden a gran profundidad. El uso de pilotes de desplazamiento junto con el prehumedecimiento de los cimientos antes del hincado tiene claras ventajas sobre otros tipos de pilotes. A medida que se hinca un pilote de desplazamiento, desplaza y compacta el suelo suelto que lo rodea y proporciona una base más densa. Cuando se utilicen pilotes o cajones, es importante que se coloquen a una profundidad suficiente para soportar suelos que no estén sujetos a colapso.