Suelos metaestables (2): ensayos de laboratorio sobre suelos expansivos

Tema 7: Suelos metaestables: suelos expansivos y colapsables

7.4. Ensayos de laboratorio sobre suelos metaestables

La valoración del grado de peligrosidad de un suelo metaestable y de los efectos que el mismo puede causar sobre una construcción requiere, si se pretende un acercamiento riguroso a las variables más significativas que influyen en el caso, de la realización de ensayos que permitan la simulación en condiciones controladas de los procesos que se dan en la realidad, y especialmente de aquellos relacionados con las variaciones de la humedad del terreno.

Solo para el caso de suelos granulares colapsables, y especialmente suelos licuables, la realización de ensayos “in situ” puede aportar información suficiente y adecuada para sancionar la peligrosidad del terreno, y cuantificar sus propiedades a efecto de valorar los parámetros de diseño del edificio. En este sentido cabe mencionar la realización de ensayos de penetración estática (CPTu) o en su defecto y en términos más cualitativos, la de ensayos de penetración estándar (SPT), en base a los cuales existen clasificaciones empíricas que relacionan sus resultados con el potencial de licuación del terreno.

7.4.1.    Evaluación de la expansividad

Dado que la expansividad se produce exclusivamente en suelos arcillosos, y que es precisamente en este tipo de suelos en los que es factible la toma de muestras inalteradas de buena calidad, los procedimientos de estudio del fenómeno se basan en la realización de ensayos de laboratorio que reproducen el comportamiento del material ante las variaciones de la humedad.

Los ensayos de valoración de la expansividad más usuales consisten en la colocación de la muestra en una célula edométrica convencional (véase el capítulo 4.3. de este blog) y determinar bien el cambio de volumen, o bien la tensión de hinchamiento que manifiesta la muestra como resultado de la humectación de la misma, provocada por la inundación de la célula (debida a la cual el suelo cuenta con agua libre disponible.)

El ensayo denominado de “hinchamiento libre” consiste en la humectación del suelo permitiendo la expansión vertical de la probeta en la célula edometrica (recordemos que el confinamiento lateral de la misma impide deformaciones horizontales). El ensayo denominado de “determinación de la presión máxima de hinchamiento” impide precisamente esta expansión vertical, al aplicar la tensión vertical necesaria para compensar dicho hinchamiento.

Ambos ensayos se realizan sobre muestras inalteradas del terreno, partiendo de la humedad que se estime más adecuada, bien sea la humedad original del suelo (que frecuentemente se encontrará en la zona saturada, es decir, con una humedad superior al límite de retracción), o bien a una humedad inferior a la original, caso en el cual se evaluarán unas condiciones más desfavorables a las presentes en el terreno, si las mismas se consideran probables.

La siguiente tabla propone una gradación del riesgo potencial de hinchamiento en función de los resultados de los ensayos de hinchamiento libre y de la determinación de la tensión máxima de hinchamiento:

Riesgo potencial de hinchamiento

Hinchamiento libre %

Tensión máxima de hinchamiento kPa

Bajo

< 10

< 30

Medio

10 – 20

30 – 120

Alto

20 – 30

120 – 250

Muy alto

> 30

> 250

Un test específico similar a la determinación de la presión máxima de hinchamiento es el popular ensayo de Lambe, consistente en la preparación de una probeta de suelo recompactada en unas condiciones estandarizadas de humedad inicial. En este caso a la probeta también se la impide una expansión lateral, confinándola en un anillo. Una vez que se procede a la inundación de la célula se determina la tensión máxima de expansión mediante un anillo dinamométrico solidario con el bastidor que ejerce de reacción ante la fuerza de expansión que manifiesta la muestra al hinchar. El valor de esta tensión máxima de hinchamiento permite una clasificación cualitativa del material en función de unos ciertos grados de expansividad potencial.

Tanto dicho ensayo como la clasificación que el método lleva aparejada fueron ideados por T.W. Lambe como resultado (parece ser) de un encargo que recibió por parte de cierta compañía de seguros americana, con el fin de concebir un método sencillo y rápido de determinar la peligrosidad de una arcilla respecto a su potencial expansivo.

El test de Lambe es un ensayo de identificación, y bajo ningún concepto el valor de la tensión máxima de hinchamiento que se obtiene del mismo puede ser utilizado para predecir cuantitativamente la tensión máxima real que puede solicitar una cimentación por efecto de la expansión del suelo la sustenta, para lo cual deberán realizarse ensayos específicos sobre muestras inalteradas, tales como la determinación de la presión máxima de hinchamiento (recordemos que el ensayo Lambe parte de una muestra que se disgrega y se recompacta en condiciones preestablecidas.)

ensayos de laboratorio sobre suelos expansivos

Esquema del aparato de Lambe (ANEOR, norma UNE 103.600/93)

ensayos de laboratorio sobre suelos expansivos

Aparato de Lambe

ensayos de laboratorio sobre suelos expansivos

Gráfica de Lambe, de la que se obtiene la clasificación del suelo (No crítico, Marginal, Crítico o Muy Crítico) en función de la tensión de hinchamiento obtenida (en ordenadas), trasladando el resultado a la gráfica que corresponda (según cual sea la humedad de partida) (ANEOR, norma UNE 103.600/93)

Algunos ensayos de identificación, y en especial la valoración de la plasticidad, permiten también una aproximación cualitativa al potencial expansivo del suelo, pudiéndose, por ejemplo, descartar que en caso de arcillas exista un riesgo de expansividad para valores inferiores a un rango determinado del límite líquido, o considerando muy posible que el suelo sea expansivo para valores del límite líquido superiores a un valor de referencia. En cualquier caso, y al igual que lo expuesto para el ensayo Lambe, estas aproximaciones deben tomarse también como indicativas, y ser manejadas con prevención.

La siguiente tabla presenta una propuesta de valoración cualitativa del potencial de expansión en función de los ensayos de identificación básicos (plasticidad y porcentaje de arcillas determinado mediante granulometría por sedimentación):

Potencial de expansión

Límite líquido wl

Límite de retracción wr

Índice de plasticidad Ip

% partículas D < 1 micra

Muy alto

> 63

< 10

> 32

> 37

Alto

50 – 63

6 – 12

23 – 45

18 – 37

Medio

39 – 50

8 – 18

12 – 34

12 – 27

Bajo

< 39

> 13

< 20

< 17

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11 Respuestas a Suelos metaestables (2): ensayos de laboratorio sobre suelos expansivos

  1. DIANA dijo:

    ESTA SUPER MEGA BIEN LA INFORMACION Y LO MEJOR DE TODO ES QUE YA ESTA MAS RESUMIDO Y MAS FACIL SE PUEDE OBTENER UN ENSAYO

  2. daniel escalante mariño dijo:

    me gusto mucho esta publicaciones espero que me puedan ayudar con un Excel para hacer un ensayo de laboratorio muchas gracias de antemano

  3. Roberto Matias Santos dijo:

    Estimados Saludos coordiales
    Hay algun ensayo quimico que clasifique una muestra de suelo si es:

    1.- Arcillas Caolinitas (Estables)-
    2.- Arcillas illitas (colapsables)-
    3.- Arcillas motmorillonitas (expansivas)-

    Saludos

    • frankie dijo:

      Estimado Roberto

      no hay, que yo sepa, más ensayos que la difracción de RX para diferenciar especies minerales (el análisis de microscopio electrónico no lo considero un ensayo, vamos)

      por otro lado, humildemente, no comparto la asimilación que haces entre el tipo de arcillas y su comportamiento respecto a la expansividad o potencial de colapso… en sentido estricto todas las arcillas son expansivas o colapsables dependiendo de cuál sea su humedad y estado tensional de partida.

      una arcilla “expansiva” cuya tensión de expansividad (partiendo de una humedad baja) sea de, pongamos, 200 KPa puede comportarse como colapsable al ser humectadaa si se encuentra sometida a una tensión de 300 kPa y su humedad de partida es muy baja, cercana al límite de retracción

      una arcilla “estable” puede hinchar (y seguro que lo hará) al ser humectada si la tensión a la que se encuentra es muy baja y su humedad de partida también lo es

      en cualquer caso, sí que es cierto que las montmorillonitas (o las esmectitas) se llevan la peor fama en cuanto a la expansividad, y que las illitas y las caolinitas tienen mejor reputación… pero tanto como para calificarlas de estables en cualquier situación, me parece un poco optimista…. lo de colapsables, la verdad, no lo comparto… salvo en situaciones excepcionales (como la comentada anteriormente) es extaño un colapso en arcillas que formen parte de un depósito natural (con un vertido antrópico puede pasar cualquier cosa, claro…)

      gracias por tu aportación

      frankie

  4. Hugo Ramos Vedia dijo:

    Relativo a las arcillas no está muy clara la gráfica de la relación Densidad Compactada Vrs. Expansión, seria bueno investigar esta situación.

  5. Frankie dijo:

    hay un ensayo en el que se estudia de forma sistemática el comportamiento expansivo del terreno en función de su compactación, y es algo tan sencillo como el CBR sumergido; en general y en arcillas la gráfica de hinchamientos siempre es ascendiente de menor a mayor compactación (cuanto menos lo que yo he visto hasta ahora…)

  6. Anónimo dijo:

    PARA SUELOS ROCOSOS QUE ENSAYO SE REALIZA

  7. Omar Cano dijo:

    Hola!

    Excelente resumen y comentarios.

    Saludos,

  8. walesk dijo:

    se le agradece que me diga los ensayos de laboratorio de geotecnia

    • frankie dijo:

      Alexandra, a poco que repases el contenido de este blog encontrarás muchas entradas con una descriptiva de parámetros geotécnicos y de qué ensayos se obtienen… si te es más sencillo, clica por la tag “ensayos” http://www.estudiosgeotecnicos.info/index.php/tag/ensayos-de-laboratorio/ … desde luego no es ni tan exhaustivo ni elaborado como un manual de geotecnia, en cualquiera de los cuales encontrarás un contenido que te ayudará más y mejor en la realización de tu ejercicio.

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