H.9 — Condiciones geotécnicas especiales

H.9.1.1 — Generalidades

Como característica especial, todas las arcillas tienen, de una forma u otra, la propiedad de contraerse cuando pierden humedad y de expandirse cuando la ganan de nuevo según las condiciones ambientales. Como minerales activos se reconocen la montmorilonita, la vermiculita y algunas variedades de haloisita; la particularidad de éstos radica en que tienen la propiedad de "absorber" moléculas de agua dentro de su propia estructura molecular.

Los daños que presentan las edificaciones cimentadas superficialmente en estos suelos se manifiestan progresivamente mediante fisuramientos, agrietamientos y giros de conjunto de los muros y elementos estructurales, a causa de movimientos desiguales de sus cimientos, especialmente en los años de prolongados períodos de verano e invierno, como los causados por los fenómenos del Niño y de la Niña. En los artículos H-9.1.6 a H-9.1.8 se presentan algunas medidas para mitigar este fenómeno.

H.9.1.2 — Profundidad de la zona activa

Se identifica la zona activa, en relación con los suelos expansivos, como la máxima profundidad a la que se observan fluctuaciones estacionales de humedad. La zona activa y su extensión se presentan esquemáticamente en la figura H-9-1.

H.9.1.3 — Identificación de los suelos expansivos

Se debe observar el comportamiento de edificaciones vecinas, en cuanto a señales de asentamientos diferenciales, pérdida de verticalidad, fisuras, etc., como resultado de procesos de expansión y contracción volumétrica del subsuelo. Si el reconocimiento se realiza en verano, se debe verificar la existencia de grietas en la superficie del terreno, tanto en la dirección vertical como horizontal.

En los mapas e informes de suelos del Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC) es posible identificar áreas donde existan suelos potencialmente expansivos, los cuales se denominan “vertisoles” o suelos con “característica vérticas”. En la taxonomía agrológica se identifican con el sufijo “ert” o con la palabra “Vertic”. (por ejemplo: Udert, Haplustert; Vertic Paleoudult, etc):

Los mapas geológicos y geomorfológicos del área, y especialmente las fotografías aéreas estereoscópicas, son útiles para la identificación de paleocauces que se encuentran cubiertos por eventos naturales o antrópicos en los procesos urbanísticos. Estos paleocauces pueden ocasionar importantes incrementos en el contenido de agua del subsuelo durante las temporadas de lluvias, y por lo tanto altas expansiones y posteriores contracciones diferenciales en el terreno durante el verano. Se debe verificar y precisar su localización, profundidad, dimensiones y materiales, mediante técnicas de exploración directas o indirectas.

Se debe evaluar el régimen de las aguas subterráneas, el nivel freático y las probables fluctuaciones durante la vida útil del proyecto, dado que estas condiciones son muy importantes para definir la profundidad de la zona activa. Lentes o bolsas de materiales granulares pueden pertenecer a paleocauces y propiciar condiciones favorables para producir variaciones estacionales de la humedad en el subsuelo, incrementado considerablemente el espesor de la zona activa.

Se debe realizar la exploración de campo de acuerdo a los requisitos establecidos en el Capítulo H.3 de estas Normas. Por lo menos el 50 % de los sondeos deben reconocer suficientemente los materiales que se encuentran por debajo de la zona activa.

En la tabla H.9.1-1 se reproducen los criterios de laboratorio más aceptados para el reconocimiento de los suelos expansivos basados en altos valores del límite líquido, del índice de plasticidad, contenido de partículas coloidales y bajos valores del límite de contracción. Estos criterios deben verificarse en el laboratorio mediante ensayos de las propiedades índices correspondientes y de expansión en el consolidómetro.

H.9.1.4 — Humedad de equilibrio

Se ha definido la humedad de equilibrio como aquella que corresponde a la avidez natural del suelo por el agua; si la humedad natural es inferior, el suelo buscará satisfacerla, proceso en el cual tiene lugar la expansión.

En terrenos de intensa dinámica fluvial, los climas estacionales producen fluctuaciones del nivel freático que ocasionan cambios de humedad/succión desiguales en el subsuelo, y por lo tanto cambios volumétricos desiguales en el subsuelo. En las zonas donde hay evidencias que existen paleocauces en el subsuelo, la cabeza piezométrica en ellos se incrementa durante la temporada lluviosa, ocasionando expansiones desiguales del terreno.

Cuando se interviene el terreno, se altera el equilibrio que la naturaleza establece entre el suelo, la vegetación y el clima. Al retirar la capa vegetal, la cual debido a su baja permeabilidad protege al subsuelo de la evaporación excesiva y de la infiltración de las aguas lluvias, se deja al terreno en condiciones más críticas para el control de los cambios de humedad, pues la evaporación se aumenta en el verano y la infiltración de las aguas lluvias se incrementa en el invierno. Si esta se reemplaza por materiales granulares de alta permeabilidad, la condición también es crítica.

Al edificar, o simplemente cubrir el terreno, se interrumpe su equilibrio pues se altera el gradiente térmico existente en el subsuelo y se producen fenómenos de migración de agua y acción capilar. Esto ocasiona un aumento desigual de la humedad en la zona activa, el cual es considerablemente mayor en el centro del área cubierta, y por lo tanto se produce una expansión desigual del terreno. Si las fugas de las redes del acueducto y alcantarillado se acumulan en el relleno de materiales muy permeables, también se incrementan las expansiones diferenciales de la zona activa.

La vegetación y especialmente las raíces de los árboles ornamentales que se siembran al urbanizar los terrenos, al extraer el agua que necesitan para su supervivencia también afectan el equilibrio dinámico del subsuelo. En los meses del año en que la evapotranspiración excede a la precipitación se reduce desigualmente la humedad de la zona activa. Se presenta mayor reducción de humedad en las áreas descubiertas y con mayor vegetación, mayor succión y por lo tanto se produce una mayor contracción del terreno en estas áreas. La substitución selectiva de los árboles restablece el equilibrio dinámico del subsuelo y detiene el proceso de desecación y asentamiento (véase el artículo H.9.4).

H.9.1.5 — Modelos geotécnicos

Para desarrollar los modelos geotécnicos de la mecánica de suelos no saturados, relacionados con los cambios volumétricos, flujo de agua y resistencia al esfuerzo cortante, se ha propuesto el uso de las curvas de laboratorio que relacionan humedad-succión (curva característica suelo-agua), permeabilidad–succión y resistencia al esfuerzo cortante-succión. Estas relaciones se pueden determinar en el laboratorio mediante mediciones directas. Las investigaciones actuales están encaminadas a encontrar métodos indirectos que permitan obtener la curva característica suelo-agua a partir de las propiedades básicas del suelo, como la relación de vacíos, saturación, gravedad específica, límite líquido, granulometría y densidad seca.

Las formas de aproximarse al fenómeno de los suelos expansivos citadas en este Reglamento no son excluyentes, ni pretenden reemplazar otros métodos presentes o futuros; su uso a plena conciencia es respetado y alentado y está cubierto dentro de la responsabilidad propia del ejercicio de la ingeniería geotécnica.

H.9.1.6 — Medidas preventivas

Con el fin de alterar lo menos posible el equilibrio dinámico del subsuelo y reducir los potenciales cambios de humedad/succión, y por tanto las expansiones/contracciones del subsuelo las siguientes acciones preventivas son útiles:

• (a) Cubrir el terreno sobre el cual se proyectan las edificaciones con membranas impermeables que impidan la filtración de agua hacia el suelo expansivo.
• (b) Barreras de humedad — Colocadas perimetralmente a la estructura pueden coadyuvar al equilibrio; debe evitarse sin embargo, que se establezcan canales de humedecimiento como fenómenos termo-osmóticos que hagan inútil la precaución.
• (c) Drenaje de las aguas de escorrentía — Debe proveerse un adecuado drenaje alrededor de las estructuras por medio de pendientados perimetrales (2-10%), cunetas revestidas, áreas pavimentadas y canalizaciones de las aguas lluvias.
• (d) Sub-drenajes — para interceptar los flujos de aguas subterráneas, así como para disipar las presiones artesianas de los paleocauces existentes.
• (e) Alcantarillados y rellenos — Los alcantarillados en suelos expansivos, deben ser estancos; así mismo los rellenos deben hacerse con materiales inertes de baja permeabilidad y compactados según la especificación compatible.
• (f) Paisajismo e irrigación — Separar convenientemente las actividades de paisajismo, relacionadas con irrigación de plantas y jardines, de las estructuras adyacentes.

H.9.1.7 — Alteración del suelo expansivo

Puede lograrse por cualquiera de los siguientes métodos:

• (a) Reemplazo — Consiste en la excavación y el reemplazo de la capa expansiva, cuando su espesor y profundidad no lo hacen prohibitivamente costoso.
• (b) Tratamiento con cal — La mezcla superficial de cal con el suelo potencialmente expansivo o su inyección a presión es benéfica, según el estado del suelo (agrietado o no) y el método de aplicación (inyección a presión o mezcla mecánica). Se debe disponer del equipo adecuado para pulverizar el suelo en el sitio del tratamiento, o para realizar inyecciones a presión.
• (c) Pre humedecimiento — El pre humedecimiento supone la expansión previa a la colocación de la estructura y el mantenimiento de esa humedad bajo una placa o un recubrimiento impermeable. Se debe tener presente que generalmente se requiere mucho tiempo para lograr que el agua penetre en la zona activa. Adicionalmente, la pérdida de capacidad de soporte dificulta las operaciones de construcción.

H.9.1.8 — Elusión de los suelos expansivos

Se puede intentar por los siguientes procedimientos:

• (a) Profundizar los cimientos — Hasta pasar, al menos parcialmente, la profundidad de la zona crítica donde la expansión es más severa.
• (b) Pilotes pre excavados — A la profundidad necesaria para desarrollar la carga; puede completarse con el aislamiento del fuste del pilote en la zona activa. También puede considerarse el uso de micropilotes para reducir la fricción del fuste en la zona activa
• (c) Placas aéreas — Para evitar el contacto de los pisos con el suelo potencialmente expansivo y mantener el gradiente térmico existente en el subsuelo.

H.9.1.9 — Mitigación de tipo estructural

Este tipo de solución se logra por los siguientes caminos mutuamente excluyentes:

• (a) Cimentación rígida — Rigidización de los elementos de la cimentación de manera que la estructura se mueva como un todo. Está acompañada a menudo de concentración de la carga en ciertos puntos y liberación en otros, para permitir el alivio de las presiones de expansión bajo losas huecas, tipo artesonado. Los métodos convencionales de diseño de estas losas consideran las condiciones del clima, los parámetros del suelo (expansión, distancia de variación de la humedad, y rigidez), las condiciones de carga de la estructura, y las dimensiones y rigidez de la losa. También se han desarrollo modelos numéricos de interacción suelo-estructura. La estructura debe diseñarse en consecuencia.
• (b) Construcción flexible — Que permita el movimiento sin daño de ciertos elementos de la estructura. Los elementos no estructurales deben estar concebidos para acomodarse a estos ajustes.

H.9.2.1 — Generalidades

Se identifican como suelos erodables, las arenas muy finas o los limos no cohesivos que exhiben una manifiesta vulnerabilidad ante la presencia de agua.

H.9.2.2 — Tipos de suelos erodables

Se distinguen dos tipos de suelos muy sensibles a la presencia de agua; éstos son:

• (a) Suelos dispersivos — Arcillas cuya concentración de sales de sodio (Na) en el agua intersticial pasa de 40% o 60% del total de sales disueltas.
• (b) Suelos erodables — Arenas finas, polvo de roca, limos no cohesivos y depósitos eólicos, propios de ambientes aluviales tranquilos y constantes que resultan en una granulometría relativamente homogénea.

H.9.2.3 — Características de su comportamiento

Los suelos dispersivos entran de manera espontánea en solución en presencia de agua, primero como una nube de materia en suspensión, y luego como una extensión generalizada del fenómeno. Los suelos erodables, en cambio, no se disuelven pero sí son afectados por corrientes de agua de menor caudal, inclusive a bajos niveles del gradiente hidráulico, formando carcavamientos, tubificación y erosión retrogresiva o remontante.

H.9.2.4 — Medidas preventivas

Las principales medidas preventivas cuyo análisis debe llevarse a cabo son:

• (a) Remoción del suelo erosionable — Cuando la operación es económicamente factible, y cuando se ha identificado con antelación la extensión y profundidad de la zona vulnerable.
• (b) Restricción severa del humedecimiento — Por medio de una combinación de drenajes, sub-drenajes, pavimentos impermeables y reglamentación del uso de agua.
• (c) Recubrimiento impermeable — Terraplén debidamente gradado, colocado sobre una capa doble de geotextil impermeable, debajo, y geotextil no tejido encima.
• (d) Recubrimiento vegetativo — Aplicable en las laderas de poca pendiente (< 20%), consiste en sembrar especies vegetales sobre geomalla, diseñada para el efecto, con restricciones laterales en maderas o cañas colocadas paralelamente a la curva de nivel, para evitar el transporte longitudinal del material a lo largo del plano de la pendiente.

H.9.2.5 — Precaución

No deben utilizarse por ningún motivo materiales identificados como dispersivos o erodables, como materia prima para rellenos o terraplenes. Tampoco se deben utilizar materiales sospechosos de serlo, hasta tanto no se compruebe su naturaleza por medio de ensayos apropiados.

H.9.3.1 — Generalidades

Se identifican como suelos colapsables aquellos depósitos formados por arenas y limos, en algunos casos cementados por arcillas y sales (carbonato de calcio), que si bien resisten cargas considerables en su estado seco, sufren pérdidas de su conformación estructural, acompañadas de severas reducciones en el volumen exterior cuando se aumenta su humedad o se saturan

H.9.3.2 — Tipos de suelos colapsables

Se distinguen cuatro tipos principales de suelos colapsables, a saber:

• (a) Suelos aluviales y coluviales — Depositados en ambientes semi-desérticos por flujos más o menos torrenciales, tienen con frecuencia una estructura inestable (suelos metastables).
• (b) Suelos eólicos — Depositados por el viento, son arenas y limos arenosos con escaso cemento arcilloso en una estructura suelta o inestable. Reciben el nombre genérico de "loess" en las zonas templadas.
• (c) Cenizas volcánicas — Provenientes de cenizas arrojadas al aire por eventos recientes de actividad volcánica explosiva, conforman planicies de suelos limosos y limo-arcillosos con manifiesto carácter metastable.
• (d) Suelos residuales — Derivados de la descomposición in-situ de minerales de ciertas rocas, son luego lixiviados por el agua y pierden su cemento y su sustento por lo cual también terminan con una estructura inestable.

H.9.3.3 — Identificación de colapsabilidad

Se identifica la colapsabilidad de estos depósitos, cuando el volumen de vacíos iguala la cantidad de agua en el punto del límite líquido. Para mayor cantidad de agua o menor volumen de vacíos el depósito es inestable. La evaluación se puede hacer mediante la siguiente formulación:

H.9.3.4 — Clasificación de grado de colapsibilidad

Se define la deformación del hidrocolapso potencial como dependiente del coeficiente de hidroconsolidación y de la relación de esfuerzos entre el presente y el umbral de colapso, así:

donde:

De acuerdo con la anterior definición de términos, la clasificación se presenta en la tabla H.9.3-1.

H.9.3.5 — Cálculo de asentamientos por colapso

El cálculo de asentamientos por colapso de los suelos puede hacerse por medio de la siguiente formulación (Es posible utilizar otras expresiones de reconocida validez en la literatura):

donde α = (S − So) / (1 − So) equivale a una saturación relativa o a un coeficiente de humedecimiento.

H.9.3.6 — Medidas preventivas

Las principales medidas preventivas se enuncian enseguida:

• (a) Remoción del suelo colapsable — Cuando su profundidad y espesor lo hacen factible.
• (b) Restricción o minimización del humedecimiento — Por medio de drenaje, pavimentos impermeables y reglamentación del uso del agua.
• (c) Transferencia de las cargas a suelos inertes — Mediante cimentaciones profundas o semiprofundas, cuando la profundidad de estos suelos inertes es razonable. Debe tenerse en cuenta sobre los pilotes la posible fricción negativa originada en el fenómeno del colapso.
• (d) Estabilización por inyección de agentes químicos — Puede aplicarse localmente o en reparación de estructuras dañadas. Su costo lo hace prohibitivo en grandes extensiones.
• (e) Pre humedecimiento — Se recomienda el procedimiento en combinación con algún tipo de sobrecarga de manera que se logre el colapso anticipado del material defectuoso; es importante verificar el destino del agua agregada, porque es factible que a causa de la estratificación natural, su flujo se efectúe más horizontalmente que en forma vertical y no se logre el efecto esperado.
• (f) Compactación — Puede lograrse con cilindros o compactadores vibratorias convencionales, en combinación con humedecimiento moderado. También debe considerarse la factibilidad de instalar pilotes de desplazamiento por hincado, o pilotes de grava, hasta la profundidad requerida para pasar la capa potencialmente problemática. En algunos casos, a prudente distancia de estructuras existentes, debe considerarse la aplicación de la técnica de la compactación dinámica profunda, consistente en dejar caer un peso considerable, desde una cierta altura, repetitivamente sobre una serie de puntos distribuidos en un patrón predeterminado.
• (g) Vibroflotación — Esta técnica, consiste en la introducción dentro del suelo, mediante chorros de agua, de un cabezote vibratorio; ha demostrado su utilidad. Las perforaciones hechas con la herramienta citada, son luego rellenadas con gravas.
• (h) Voladuras controladas a profundidad — Esta técnica, aún en estado experimental consiste en detonar cargas explosivas a profundidad, con un cierto patrón de localización y en presencia de agua.
• (i) Diseño estructural tolerante — En los casos donde se demuestra que el asentamiento resultante del colapso no es inadmisible, debe diseñarse la estructura para resistir dicho movimiento sin distorsión ni daño aparente.

H.9.4.1 — Definición del problema

Las raíces propias de la vegetación tienen la capacidad de extraer agua del suelo para garantizar su supervivencia. En consecuencia, la humedad natural del mismo suelo se altera en relación con el estado que tendría si no existieran tales raíces; la alteración de la humedad causa, a su vez, cambios en el volumen del suelo en relación inversa con su permeabilidad, por lo cual son afectados mayormente los suelos de carácter arcilloso, Así, las cimentaciones situadas en la vecindad, o apoyadas sobre los suelos afectados, pueden sufrir movimientos verticales y, eventualmente, también horizontales. La sección H.9.4 se relaciona con los movimientos del suelo originados en la acción de la vegetación.

H.9.4.2 — Definición de succión

La presión del agua dentro del suelo puede expresarse como:

donde la fracción de presión total (αp) es siempre positiva, y la succión (s) es siempre negativa. La succión puede expresarse en términos de la escala logarítmica pF como función de la altura negativa del agua en cm, así:

H.9.4.3 — Equilibrio dinámico

Sin la intervención del hombre, la naturaleza establece un equilibrio dinámico entre el tipo de suelo, la vegetación y el clima. Cuando este equilibrio se altera se inducen cambios en el suelo que pueden acarrear asentamientos, expansiones o levantamientos, colapsos y otros cambios que es preciso controlar. (Véase la Figura H.9.4-1.)

H.9.4.4 — Características de la vegetación

H.9.4.5 — Relación con los suelos

H.9.4.5.1 — Humedad de equilibrio

Se define, en este contexto, como la humedad de equilibrio aquella que adopta el suelo como respuesta a una succión determinada.

H.9.4.5.2 — Tipo de suelos

La humedad de equilibrio depende del tipo de suelo expresado en términos del límite líquido. Se calcula así:

weq = B LL

(H.9.4-3)

Para diferentes succiones, B adopta diferentes valores, en concordancia con lo expresado en la ecuación H.2.4-1 (véase la figura H.9.4-3), así:

Para pF = 2,	entonces B = 0.5
y para pF = 3,	entonces B = 0.4

H.9.4.6 — Relación con las edificaciones

H.9.4.7 — Relación de la vegetación con las laderas

Mientras las especies mencionadas en H.9.4.6.2a) pueden ser nocivas para las edificaciones, en las laderas el efecto es contrario y pueden ser muy benéficas, pues:

• (a) Con la interceptación de la lluvia con el follaje reducen la energía de las gotas y regulan la escorrentía reduciendo la erosión en la ladera
• (b) El sistema radicular provee refuerzo al suelo, minimizando la posibilidad de deslizamientos someros
• (c) La extracción del agua subterránea reduce las presiones de poros incrementando la estabilidad de la ladera.