CARACTERIZACIÓN Y ENSAYOS EN SUELOS COLAPSABLES

Estos suelos en condiciones de no saturación o saturación parcial  presentan continuamente un reacomodo radical de las partículas y una gran pérdida de volumen por «remojo», osea al entrar al estado de saturación completa. La existencia de estos suelos en el mundo y las dificultades ocasionadas a las edificaciones cimentadas sobre ellos han sido reconocidos ampliamente. Los depósitos más extensos de suelos colapsables son eólicos o depósitos transportados de arena y limos (loess).Se puenden encontrar comúnmente en las márgenes fluviales.

En la naturaleza las llanuras de avenidas aluviales, abanicos, flujos de lodo, depósitos coluviales, suelos residuales y tufos volcánicos que pueden producir suelos colapsables. En la mayoría de los casos los depósitos se caracterizan por ser estructuras sueltas de granos gruesos, frecuentes en tamaño de limos a arena, en la figura anterior se presentaron se presentan estructuras típicas de suelos colapsables.

Depósitos eólicos: Estos depósitos consisten en materiales transportados por el viento, el cual forma dunas, depósitos tipo loess, playas eólicas y grandes depósitos de ceniza volcánica.

Depósitos transportados por agua :Consisten principalmente de depósitos de sedimentos sueltos a carreados por el agua, los cuales forman abanicos fluviales y flujos deslizantes. Estos materiales pueden ser depositados por una avenida repentina o flujo de lodo derivado de pequeñas cuencas colectoras, sujetas a aguaceros poco frecuentes.

Suelos residuales: Estos suelos son producto del intemperismo y la desintegración y alteración mecánica de rocas madres. Las partículas de material residual pueden variar de tamaño, de grandes fragmentos de gravas a arenas, limos, coloides y en algunos casos material orgánico.

La estructura del grano colapsable se ha desarrollado como producto de la acción disolvente sobre el material soluble y coloidal. La lixiviación del material soluble y del material fino conduce a una alta relación de vacíos y a una estructura inestable. Otro tipo de suelo que muestra colapso al remojo son aquellos derivados de tufo volcánico,
sulfato de calcio, arenas sueltas cementadas por sal soluble, arcillas dispersivas y arcillas montmorilloníticas ricas en sodio.

CAUSAS QUE GENERARÍAN DICHO COMPORTAMIENTO:

– Estructura parcialmente saturada potencialmente inestable.

– Una componente de esfuerzo aplicado o existente, lo suficientemente alta para desarrollar una condición metaestable.

– Un ligante resistente o un agente cementante para estabilizar contactos intergranulares, el cual se reduce por remojo ocasionando el colapso. La mayoría de suelos colapsables involucra la acción de partículas arcillosas en los enlaces entre los granos gruesos de arena.

-Agentes cementantes tales como: óxido de hierro, carbonato de calcio, o la soldadura de granos en contacto, proporcionan esfuerzos resistentes para muchos suelos colapsables. La acción de este cementante es frecuentemente el agente principal de colapso en loess. El grado al cual el agente cementante pierde su efectividad depende del grado de contaminación, del ingreso del agua y del grado de disolución del agente cementante involucrado.

– Un incremento en la carga podría aumentar este efecto; también una elevación en la presión sobre el suelo incrementaría el grado de disolución, el cual podría producir un incremento retardado en la consolidación. Sin embargo, cualquiera que sea la base física del esfuerzo ligante, todos los suelos colapsables son debilitados por la adición de agua. Un colapso es más inminente cuando los granos son mantenidos juntos por succión capilar, siendo lento en el caso de cementante químico y mucho más lento en el caso de arcillas.

RECONOCIMIENTO IN SITU

Un ingeniero debe saber identificar fácilmente los suelos que pudieran colapsar y determinar la cantidad de colapso que puede ocurrir. Los depósitos de suelos más probables a colapsar son:
a) Terraplenes o rellenos sueltos.
b) Arenas alteradas transportadas por el viento.
c) Lavado de colinas de consistencia suelta.
d) Granito descompuesto u otra roca ígnea ácida.

ENSAYOS E INSTRUMENTACIÓN

Los aparatos serán de acuerdo a los requerimientos del ensayo de consolidación unidimensional ASTM D2435. Los discos porosos y papel filtro que cumpla el requerimiento del ensayo de consolidación. La muestra debe ser relativamente inalterada. Para determinar el potencial de colapso (Ic), las muestras deben ser tomadas utilizando método secos como son: el barreno de doble y bloques extraídos manualmente.

Se procede a cortar el suelo de acuerdo con las dimensiones del anillo del ensayo de consolidación unidimensional. Determinar sus propiedades físicas, tales como humedad natural, peso, volumen, gravedad específica de sólidos, límites de consistencia, distribución granulométrica, según las normas.

Se instala  la muestra en el anillo del consolidómetro después de haber determinado el peso inicial de la masa húmeda y altura de la muestra y fijar el conjunto anillo-muestra en el consolidómetro. Aplicar una carga de contacto 0.05 kg/cm2 (5 Kpa), después de 5 min tomar lectura del deformímetro, aplicar incrementos de carga a cada hora, hasta que se aplique la presión vertical apropiada. Los incrementos de carga serán 0.12, 0.25, 0.50, 1.00, 2.00, etc Kg/cm2. (12, 25, 50, 100, 200, etc) o cargas de acuerdo al método de ensayo ASTM D2435, registrar la deformación antes de incrementar una nueva carga.

El esfuerzo que se aplicará al suelo para evaluar el colapso dependerá de que si el potencial de colapso (Ic) o índice de colapso (Ie) determinado es apropiado para el caso estudiado.

El potencial de colapso (Ic) es la magnitud de colapso relativa del suelo, determinado para cualquier presión vertical. El índice de colapso (Ie) es la magnitud de colapso relativa del suelo determinado bajo una presión de 2 kg/cm2 (200 Kpa). Después de aplicar la carga vertical apropiada, por el tiempo de 1 hora, inundar la muestra con agua desairada y destilada, registrar las deformaciones vs tiempo para un ciclo de lecturas de 0.1, 0.25, 0.50, 1, 2, 4, 8, 15 y 30 min, 1, 2, 4, 8, 24 h. o según el ensayo ASTM D2435.

Se continúa el ensayo según procedimiento del método de ensayo de consolidación unidmensional D2435. La duración de cada incremento de carga en el estado inundado será de 24 h o hasta que la consolidación primaria sea completa.

Determinación del potencial de colapso:

donde:

di = lectura del dial con el esfuerzo adecuado antes de la saturación (mm.)

df = lectura del dial bajo el esfuerzo adecuado después del humedecimiento (mm.)

ho = altura inicial de la muestra (mm.)

Tmbién se puede evalua en términos de relación de vacíos:

donde:

Δe = cambio de relación de vacíos bajo el esfuerzo adecuado antes y después de la inundación.

eo = relación de vacío inicial

La evaluación de un suelo colapsable será de acuerdo a la siguiente tabla:

Con todo lo epxlicado , concluimos que el colapso de los suelos es la disminución moderada de volumen cuando está con bajo contenido de humedad y una gran pérdida cuando está sumergido, y la magnitud de asentamiento depende del contenido de humedad del suelo. En estado sumergido y bajo la aplicación de cargas verticales los suelos colapsables presentan un mayor asentamiento. Los suelos colapsables existen en todo el mundo principalmente en la regiones áridas y semiáridas, nuevamente comentando que los depósitos eólicos, coluviales, residuales, tubos volcánicos, etc. son suelos que pueden ser colapsables.

Para finalizar este post, recalco que en muchos casos los suelos colapsables no son detectados durante la inicial investigación, es por eso que se debería dar una profunda investigación sobre la existencia de estos suelos y los métodos de tratamiento son necesarios.

ALGUNAS RECOMENDACIONES EN TRABAJOS CON SUELOS COLAPSABLES

-Corte y relleno compactado de capas superficiales

-Impermeabilización y drenaje superficial.

-Estabilizacion química

-Uso de geomembranas de HDPE

-Pre-colapso mediante: Inundacion previa (1-2 metros) ó Apisonamiento Dinámico  (3-5 metros)

REFERENCIAS

— ASTM D5333-92 (Reaprobado 1996) «Measurement of Collapse Potential of Soils»

— Carlos Crespo Villalaz. Mecánica de suelos y cimentaciones

— Alfonso Rico Rodríguez,Hermillo del Castillo. La Ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres

— Journal of the Geotechnical Engineering Division, 1980 «Design Considerations for Collapsible Soils».