TÉCNICAS DE MITIGACIÓN Y SOLUCIONES PARA LOS DESAFÍOS DE LOS SUELOS EXPANSIVOS EN CIMENTACIONES

Los suelos expansivos se consideran suelos problemáticos debido a la ocurrencia de cambios volumétricos debido a las variaciones del contenido de humedad. Dichos suelos se hinchan vertical y lateralmente a medida que aumenta el contenido de humedad, lo que induce presiones de hinchamiento y deformaciones que dañan las estructuras y provocan problemas en las carreteras. Se reportan pérdidas financieras anuales debido a los extensos daños al suelo. Hung (2003) informó que el daño del suelo expansivo en los EE. UU. condujo a una pérdida económica anual de 5.500 millones de dólares en 1984, que aumentó a 7.000 millones de dólares en 2003. Se estima que estos suelos cubren del 20% al 25% del área de los EE. UU. Ruwaih (1987) informó pérdidas de millones de dólares debido a daños en edificios y pavimentos causados por suelos en expansión en el Reino de Arabia Saudita, ya que los suelos en expansión cubren alrededor de 800 000 km2. En Egipto, se observan daños severos de los suelos expansivos que se encuentran en las nuevas ciudades del desierto, ya que el aumento de la población y el crecimiento económico impulsan el desarrollo de tales áreas áridas para la expansión urbana.

El comportamiento de los suelos expansivos puede variar según diferentes factores, pero algunos de los efectos más comunes incluyen:

Para evitar o mitigar los problemas asociados con suelos expansivos, es esencial llevar a cabo una adecuada caracterización del suelo antes de la construcción. Si se identifica un suelo expansivo, se pueden implementar técnicas de mejoramiento de suelos, las más utilizadas se describen a continuación.

Este método se especifica para profundidades de tratamiento poco profundas al mezclar el suelo expansivo con el aditivo determinado, como cemento Portland ordinario, cenizas volantes (Fly ash), cal, fibras y cenizas volantes de cal. El objetivo de la técnica de tratamiento de mezcla es la reducción del potencial de expansión y el esfuerzo de expansión mediante la modificación de la química del suelo.

Zha et al. (2008) realizaron un estudio experimental para investigar el efecto de varios contenidos de cenizas volantes 0, 3, 6, 9, 12 y 15 % en peso del suelo seco y el tiempo de curado sobre el hinchamiento libre, el potencial de hinchamiento y la presión de hinchamiento del suelo expansivo. Los resultados mostraron que a medida que aumentaba el contenido de cenizas volantes, disminuía el límite líquido, el índice de plasticidad y la actividad, esto se debe al aumento de la fracción de tamaño de limo y arena y la disminución de la fracción de tamaño de arcilla, lo que reduce la superficie específica del suelo y, en consecuencia. disminuye la absorción de agua del suelo.

Se reportó una disminución significativa en el hinchamiento libre de alrededor del 55 % con un porcentaje de cenizas volantes del 0 % a alrededor del 31 % con un porcentaje de cenizas volantes del 15 %, mientras que el potencial de hinchamiento disminuyó del 11,4 % con un porcentaje de cenizas volantes del 0 % a alrededor del 7,2 % con un contenido de cenizas volantes del 15 %. La presión de hinchamiento disminuyó de 240 kPa a 150 kPa al aumentar el porcentaje de cenizas volantes al 15%.

El tiempo de curado redujo significativamente la presión de hinchamiento donde se alcanzó un valor de 63 kPa después de 7 días de curado en comparación con 150 kPa sin curar con un contenido de cenizas volantes del 15%. Se indicó una disminución en el contenido de humedad óptimo y la densidad seca máxima a medida que aumentaba el porcentaje de cenizas volantes. Esto se atribuye a las disminuciones en el espesor de la doble capa eléctrica como resultado del intercambio catiónico entre las cenizas volantes y los suelos expansivos que avanzan la floculación de las partículas del suelo dando la capacidad de compactar la mezcla con un menor contenido de agua y por lo tanto alcanzando menor contenido óptimo de humedad.

Hayder A. Hasan (2012), realizó un estudio experimental en muestras recolectadas de la ciudad de Karbala, al sur de Bagdad, para investigar el efecto de varios contenidos de cenizas volantes en el potencial de expansión del suelo. Se observó que a medida que aumentaba el contenido de cenizas volantes aumentaba la presión de hinchamiento y disminuía el esfuerzo de hinchamiento. La Figura 1 presenta una correlación entre el contenido de cenizas volantes con el esfuerzo de expansión y la presión de expansión.

El aditivo de cenizas volantes mejora la floculación de la arcilla y enriquece la agregación de las partículas de arcilla. Además, el aditivo de cenizas volantes redujo la fracción de tamaño de arcilla en el suelo en vista de la floculación de las partículas de arcilla por cementación. En consecuencia, la inclusión de cenizas volantes hizo que el suelo fuera más granular.

Mohammed y Elsharief (2015) realizaron un estudio experimental en tres tipos de suelos expansivos recolectados en diferentes lugares de Sudán mezclados con contenidos variables de cal hidratada para la construcción. Los resultados mostraron que la adición de cal a las muestras naturales disminuyó su límite líquido, aumentó su límite plástico y, en consecuencia, redujo su índice de plasticidad.

Se concluyó que la adición de cal al suelo redujo con éxito la plasticidad. Debido a la variabilidad en la composición mineralógica y contenido de finos del suelo, estos mostraron una respuesta diferente a la adición de cal. Los resultados revelaron que la cal tuvo un gran efecto en la reducción de la plasticidad de las arcillas montmorillonitas, a diferencia de las arcillas caolinitas.

Dash y Hussain (2012) realizaron un estudio experimental para investigar el efecto de los aditivos de cal con contenidos variables de 1, 3, 5, 9 y 13 % en peso de suelo seco sobre la forma de expansión y las características de plasticidad del suelo. Los resultados obtenidos de la prueba del edómetro unidimensional mostraron una reducción escalonada en la deformación por hinchamiento a medida que aumentaba el contenido de cal hasta alcanzar un contenido de cal del 5%.

La reducción de la deformación por hinchamiento fue de hasta aproximadamente un 99 % con un contenido de cal del 5 %. Esta reducción se debió a la disminución del espesor de la doble capa difundida debido al aumento de la concentración de electrolitos. Al aumentar el contenido de cal por encima del 5%, la deformación por hinchamiento comenzó a aumentar nuevamente, esto se atribuye a la formación de gel de sílice que cambió la naturaleza del suelo no expansivo a un suelo moderadamente hinchable que induce una deformación por hinchamiento de 5,5% a 13 % contenido de cal. Se observó un aumento significativo en la deformación por hinchamiento con un contenido de cal del 9 % para suelos que contenían una porción de suelo no expansiva del 40 % y más, mientras que para contenidos más bajos de una fracción no expansiva del 5 % se demostró una deformación por hinchamiento significativa. La Tabla 1 presenta un resumen del potencial de expansión para diferentes suelos.

Mahamedi Abdelkrim y, K hemissa Mohamed, (2013), realizaron un estudio de laboratorio sobre arcilla limosa expansiva obtenida de un sitio ubicado en la ciudad de Sidi -Aissa (wilaya de M'sila, Argelia) para evaluar la eficiencia del aditivo de cemento Portland en la mitigación de la potencial de hinchamiento del suelo. Se utilizaron contenidos de cemento Portland, a saber: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 y 8% en peso. El suelo seco finamente triturado se mezcló con el contenido de cemento en condiciones secas y luego se agregó agua al contenido de agua óptimo.

Los resultados obtenidos mostraron que la presión de hinchamiento y su correspondiente hinchamiento libre disminuyeron significativamente con la adición de cemento. Esto se debe al efecto cementante que provoca la estabilización del suelo, ya que parece que el contenido de cemento superior al 3% hace que la arcilla sea insensible al hinchamiento. La Figura 2 presenta la presión de hinchamiento versus el contenido de cemento.

Se determinó el índice de hinchamiento libre (FSI) para las muestras curadas, ya que las muestras se empaparon en agua destilada y queroseno durante 24 horas, después de lo cual se registró la altura de las columnas de sedimentos en agua (Vw) y en queroseno (Vk). La ecuación siguiente presenta el cálculo del Índice de Hinchamiento Libre:

FSI = (VW – Vk) / Vk

Se observó que los períodos de curado tuvieron un efecto decreciente evidente en el (FSI) para todos los contenidos de polvo de cemento excepto el contenido de cemento del 8%. Se detectó una reducción significativa en la presión de hinchamiento a medida que aumentaba el contenido de cemento, que alcanzó el 43%.

Puppala y Musenda (2007) informaron que el refuerzo de fibra de polipropileno discreto y orientado al azar redujo la presión de expansión vertical del suelo expansivo.

Soğancı (2015) realizó un estudio experimental para investigar el efecto de la fibra de polipropileno en suelos expansivos. Los contenidos de fibra utilizados en el estudio fueron 0, 0,5, 0,75 y 1% de suelo secado al aire. Los resultados mostraron que el hinchamiento libre expresado como porcentaje de hinchamiento disminuyó a medida que aumentó el contenido de fibra, donde la reducción en el porcentaje de hinchamiento fue de aproximadamente 37.5, 43.1 y 54.1% al usar 0.5, 0.75 y 1% de contenido de fibra respectivamente.

Ikizler et al. (2009) investigaron el efecto de las fibras sobre las características de hinchamiento y las propiedades índice del suelo expansivo. En el estudio se utilizaron dos tipos de fibras de polipropileno (fibra de polipropileno fibrilada (F) y fibra multifilamento (M) con varios contenidos de mezcla de 0,2, 0,3, 0,4 y 0,5 % por peso seco del suelo. La presión de hinchamiento se redujo mediante el uso de un multifilamento aditivo de fibra (M) con un contenido de mezcla de 0,2 %, a pesar de aumentar el contenido de aditivo, el porcentaje de reducción disminuyó sin mostrar efecto al 0,5 % de contenido de fibra.

Para el aditivo de fibra de polipropileno fibrilado (F), la presión de hinchamiento siguió disminuyendo a medida que aumentaba el contenido de fibra. Al comparar los dos tipos de fibra, la fibra multifilamento (M) es más eficaz para reducir la presión de hinchamiento que la fibra de polipropileno fibrilado (F). Los valores de presión de hinchamiento se presentan en la Figura 3.

La técnica de inserción de inclusiones dentro de la masa expansiva del suelo se utiliza para el tratamiento de mayores profundidades. Esto se logra mediante la instalación de columnas reforzadas con geomalla, columnas de arena dentro del suelo expansivo o pilotes helicoidales. La técnica de inclusión de refuerzo se puede aplicar a poca profundidad mediante la incrustación de geomallas dentro del suelo expansivo.

Zornberg y Gupta (2009) informaron que en 1996 la carretera FM 1915 ubicada en el condado de Milam, Texas sufrió grietas longitudinales debido a la existencia de arcilla de alta plasticidad. Se trataron dos secciones con espesores de capa base de 0,2 y 0,127 m incrustando una capa de geomalla en la interfaz entre la subrasante y la capa base. Estas secciones se compararon con una sección de control con un espesor de capa base de 0,2 m. Las observaciones indicaron que las secciones reforzadas con geomalla no sufrieron grietas longitudinales, mientras que la sección de control mostró grietas longitudinales significativas.

Stalin et al. (2010) realizaron un estudio experimental para investigar el efecto de la geomalla, las geomembranas y los geotextiles incrustados para mitigar las características de expansión de los suelos expansivos.

Para el caso del empotramiento de una capa, los resultados de la relación tiempo-hinchamiento mostraron que a los 4000 min la reducción del hinchamiento fue del 38 % para la geomembrana, 17 % para la geomalla, 8 % para el geocompuesto y 6 % para el geotextil.

Esta reducción se atribuye a la resistencia pasiva. El mismo orden se observó para el caso de utilizar dos capas horizontales donde se alcanzó una reducción del 52%, 28% y 10% en el hinchamiento al utilizar geomembrana, geomalla, geocompuesto y geotextil respectivamente.

Se ve que el uso de dos capas horizontales de geosintéticos es más eficiente para reducir el porcentaje de hinchamiento. Esto se debe a la fricción movilizada entre el suelo y el material geosintético.

Se descubrió que la geomembrana controla en gran medida la hinchazón de la arcilla en comparación con la geomalla, el geotextil y el geocompuesto. Esto puede estar relacionado con el mecanismo de resistencia pasiva desarrollado debajo de la capa de geomembrana debido al hinchamiento de la arcilla subyacente. La reducción de la expansión porcentual fue del orden de geomembrana < geomalla < geotextil < geocompuesto.

Zornberg (2010) informó que a medida que el esfuerzo de corte alcanza cierto valor, se desarrolla una banda de corte cerca de la superficie entre el suelo y los geosintéticos. El mecanismo de refuerzo se basa en el efecto antideslizante creado en la interfaz suelo-refuerzo.

Al-Omari et al. (2016) realizaron un estudio experimental usando un edómetro a gran escala y un molde CBR para investigar el efecto de columnas cilíndricas empotradas reforzadas con geomalla con diámetros variables (20, 30 y 50 mm) y diferente rigidez (120, 40 kN/m) en la potencial expansivo del suelo.

Los resultados mostraron que la reducción en la proporción de vacíos y la altura de las muestras tratadas fue menor que la de las muestras no tratadas durante la carga; además, se observó que la tasa de reducción fue alta para las muestras no tratadas y pequeña para las muestras tratadas.

Esto se atribuye al efecto de refuerzo de la geomalla que fortalece el suelo, donde se desarrolla la unión de tracción en la interfaz suelo-refuerzo, lo que restringe el movimiento de las partículas del suelo. Esta unión podría deberse a la adhesión, el empotramiento o la fricción.

Se observó que la expansión libre se redujo significativamente al usar las columnas de geomalla. La rigidez de la geomalla tiene una pequeña participación en la reducción del hinchamiento libre, mientras que los resultados indicaron que el diámetro de la geomalla tiene un efecto pronunciado en la reducción del hinchamiento libre, esto se debe a que a medida que aumenta el diámetro, aumenta el área de la superficie de la columna, lo que mejora la interconexión entre el suelo y la geomalla.

Aparna, et al., (2014) realizaron un estudio experimental para investigar el efecto de la instalación de columnas de arena dentro de la masa de suelo expansiva sobre el esfuerzo de expansión. En la investigación se utilizó suelo Black Cotton y arena fina de río.

Los resultados mostraron una reducción gradual en el hinchamiento al aumentar el diámetro de la columna de arena. Se observó una gran reducción al probar el suelo con el contenido de humedad de mezcla más bajo (14%), donde se alcanzó una reducción del 11,5, 23 y 42% al usar columnas de arena de 25, 37,5 y 50 mm de diámetro, respectivamente. Esto se atribuye a la sustitución del suelo expansivo por suelo no expansivo. Se observó que a medida que aumentaba el contenido de humedad, disminuía la deformación por hinchamiento.

Muhannd W. Majeed et al., (2018) realizaron una investigación para demostrar la influencia del refuerzo de la columna de arena en las características de expansión y los límites de consistencia del suelo expansivo. La columna de arena tenía tres diámetros que eran de 1, 1,5 y 2 cm, con tres tamaños de arena de 0,850, 1,18 y 2,36 mm.

Los resultados mostraron una reducción gradual en el valor de hinchamiento libre a medida que aumentaba el diámetro de la columna de arena, de manera similar a medida que aumentaba el tamaño de las partículas de arena para cada diámetro de columna de arena, el valor de hinchamiento libre disminuía. Se puede observar que el porcentaje de mejora en la supresión del hinchamiento libre osciló entre 10,0 y 68,7% lo que se considera significativo.

Los pilotes helicoidales se pueden utilizar tanto para aplicaciones residenciales como comerciales. A menudo se utilizan en cajones, minipilotes y pilotes hincados. También son útiles cuando hay daños estructurales en las cimentaciones o la estructura está construida en un suelo expansivo, como en los casos en que el suelo tiene un contenido de agua muy alto.

Los pilotes helicoidales se introducen en el suelo hasta que se alcanza la capacidad de carga predeterminada. Están espaciados a intervalos predeterminados para distribuir el peso de la estructura. Cuando se utiliza para reparaciones de cimentaciones, se fijan ménsulas a la base de las paredes para transferir el peso al pilote (figura 4). Por lo general, se instalan entre diez y treinta pies por debajo del nivel del suelo, pero pueden extenderse más profundamente si no cumplen con el torque requerido. Pueden soportar cualquier peso hasta más de quinientas toneladas o hasta un edificio de diez pisos. Los pilares helicoidales están hechos de acero galvanizado para evitar la oxidación. Generalmente se estima que duran más de ciento veinte años. Sin embargo, esto puede ser más corto o más largo dependiendo de las condiciones del suelo.

Para recimentaciones, se debe excavar el suelo alrededor de los cimientos para exponer la base en cada ubicación de los pilares. Para una instalación interior, será necesario quitar una sección de su piso de losa para exponer la base. La losa se restaura después de la instalación. Se cortará una sección de la zapata para que el soporte de acero conectado al pilote sostenga la pared directamente. Este enfoque brindará un soporte más efectivo para levantar la sección de la cimentación actual que se extiende más allá de las paredes.