Tema 7: Suelos metaestables: expansivos y colapsables
7.1. Introducción
Se denominan con el apelativo de metaestables a los suelos que son susceptibles de manifestar una variación en su estado de tensiones o en su estructura (provocando una deformación) sin que para ello sea necesaria la aplicación de una fuerza externa. Las condiciones de contorno que varían, en tal caso, se asocian a la humedad del terreno, bien por pérdida o por incremento de la misma.
7.2. Suelos expansivos
Se considera expansivo un suelo que manifiesta, ante una modificación de su estado (de tensiones, de humedad, o ambos conjuntamente), un incremento de volumen (caso de que el estado de tensiones así lo permita) como consecuencia de la generación de una tensión vertical en el seno de su estructura interna (tensión llamada de hinchamiento.)
Si el estado de tensiones es tal que la tensión a la que está sometido el suelo iguala o supera la llamada tensión de hinchamiento, la presencia de agua en el medio no induce una variación de volumen, aunque conlleva una modificación en la situación de tensiones del suelo respecto los materiales o estructuras con que está en relación (zapatas que apoyen en el mismo, base de un terraplén, un firme, por ejemplo.)
El agente causante que da lugar a este proceso es el agua. Los componentes del suelo que son susceptibles de manifestar procesos de expansividad son determinados tipos de minerales del grupo de las arcillas.
Una arcilla es un mineral (un silicato para ser más precisos) que presenta una estructura molecular definida por una organización laminar. Aunque la carga eléctrica interna de cada lámina molecular está bien compensada (los enlaces entre aniones y cationes son de tipo covalente, muy difícilmente disociables) la tipología de los enlaces que unen las láminas entre sí (puentes de Hidrógeno y fuerzas de Van der Waals) representa una fuerza de unión relativamente débil. Esta característica permite el acceso de moléculas de agua al seno de la estructura cristalina, pues la distancia entre láminas es (a escala molecular) muy grande.
Cuando el agua accede a la estructura entre capas, el carácter dipolar de su molécula descompensa el equilibrio de cargas eléctricas del sistema molecular de la arcilla, que como consecuencia incrementa el espaciado entre las capas (por efecto repulsión eléctrica). Como efecto final del fenómeno se produce un incremento neto del volumen total del suelo, superior al volumen del agua que accede al mismo.
En muchas ocasiones se asume que todo problema del terreno que afecta a una estructura y producido por un fenómeno de expansividad tiene relación con el acceso de aguas subterráneas o con la rotura de tuberías que aportan agua al terreno. Sin embargo, existen otros mecanismos que conducen a una modificación del estado de humedad del suelo, y que en muchas ocasiones pasan desapercibidos.
El proceso más inmediato a la construcción de un edificio que ocupa una parcela (hasta ese momento libre), es la modificación de la humedad natural del terreno situado inmediatamente bajo la cota de cimentación. El suelo que se sitúa a poco menos de 1 m bajo la rasante de terreno natural (una cota habitual de cimentación) inicialmente se encuentra sometido a variaciones estacionales de humedad bajo la influencia del régimen climático y pluviométrico local. En este estadio, durante la mayor parte del año se produce una migración ascendente de agua por fenómeno de capilaridad (ascendente desde la zona saturada permanentemente) que es compensada por las pérdidas debidas a la evapotranspiración.
Al ocupar el terreno con una edificación, un terraplén o un firme se elimina casi siempre la posibilidad de evapotranspiración de la capa superficial del terreno, provocando en poco tiempo un aumento de humedad en la misma (pues el gradiente ascendente por capilaridad desde la capa saturada se mantiene hasta alcanzar un nuevo equilibrio.)
Este efecto es más notable en las cimentaciones situadas en el interior del perímetro edificado, dando lugar a la aparición de daños en forma de grietas que se distribuyen por los cerramientos y tabiques “a quebranto”.
En otros casos, las zonas ajardinadas o no pavimentadas del perímetro de la vivienda contribuyen a una aportación continua de agua (para el riego de plantaciones de césped, por ejemplo) que puede afectar al estado de humedad del terreno sobre el que se apoyan cimentaciones del contorno del edificio. En este caso los daños apreciados se corresponden con la aparición de grietas en los cerramientos y tabiques en geometría “de arrufo”.
Existen otros procesos susceptibles de dar lugar al hinchamiento del terreno: la helada de determinadas tipologías de suelos (sedimentos lacustres o “varvas”) en zonas de climatología severa (frío intenso y en presencia de humedad alta), las modificaciones en la estructura cristalina de minerales deshidratados al tomar agua (anhidrita transformada en yeso), y de otros fenómenos más o menos exóticos que en ocasiones pueden confundirse con procesos expansivos (pavimentos hinchados y deformados por el crecimiento de raíces, p.e.).
7.3. Suelos colapsables
Determinados tipos de suelos pueden sufrir una disminución de volumen a la que se asocia un asentamiento sin necesidad de que les sea aplicada ninguna carga vertical, siendo debido el proceso a una saturación sobrevenida.
Este fenómeno puede estar originado por diversas causas:
- Composición mineralógica con presencia de elementos solubles en agua: el acceso de agua a la estructura del material supondrá un proceso de disolución de parte de la estructura, colapsando el resto para reordenarse hasta alcanzar un grado de empaquetado conforme al estado de tensiones en que se encuentre el terreno. Se han descrito riesgos y patologías asociadas a procesos de colapso inducidos por disolución en formaciones que alternan arcillas y yesos.
- Textura granular con una estructura soportada por la matriz, en la cual los elementos de la fracción gruesa se encuentran separados y unidos entre ellos por elementos de granulometría fina (puentes o agregados de limos o arcillas) que pueden verse alterados por la saturación del material.
Texturas potencialmente colapsables (Dudley, 1970, Maswoswe, 1985)
- Falta de compacidad de determinados suelos, de granulometría muy fina y baja plasticidad (limos): algunas formaciones de limos sedimentados en régimen eólico y bajo clima árido pueden sufrir un proceso de colapso si su humedad supera un determinado límite, por encima del cual las tensiones capilares (que juegan un papel esencial en el mantenimiento del estructura) se desequilibran. Este mismo fenómeno es común al asiento por colapso que manifiesta un relleno antrópico no compactado.
- Fenómenos asociados a procesos de pérdidas de la granulometría más fina (limo, arcilla) por erosión interna o por lavado inducido por un gradiente hidráulico sobrevenido (por bombeo de un pozo, por ejemplo.)
Hundimiento por colapso inducido por disolución y lavado de finos (Guatemala). La profundidad del sinkhole es del orden de 100 m. Fuente: http://www.geodiendo.com.
Un caso específico del fenómeno de colapso se manifiesta en suelos potencialmente licuables, es decir, susceptibles de sufrir un asiento súbito bajo una carga dinámica (por lo general de tipo sísmico) por modificación de las presiones intersticiales. Este fenómeno afecta esencialmente a suelos granulares de grano medio a fino (arenas finas), de compacidad media a floja y saturadas.
