arcillas expansivas y a la vez… colapsables

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en nuestro quehacer diario, y en esto de la geotecnia, tendemos (o nos vemos obligados… por razones del maldito presupuesto o de los malditos plazos) a realizar simplificaciones que en general presumimos no penalizan el coste de la obra;

[ lo malo viene cuando estas simplificaciones penalizan (y mucho) el coste de la obra… pero esto ya ha sido objeto de no sé cuantos posts y hoy no viene a cuento… allá cada cual ]

una simplificación habitual es considerar que los suelos metaestables (aquellos que, en resumidas cuentas, pueden sufrir una variación de volumen o una modificación de su estado de cargas por efecto de la mera variación de su humedad) o bien son expansivos o bien son colapsables; en función de esta calificación, abordamos la problemática con tal o cual enfoque, y aplicando unos medios específicos de estudio en cada caso.

que todo arcilla que se precie de tal es potencialmente expansiva es un tanto de perogrullo… cualquier suelo que tiene la capacidad de aumentar su humedad más allá del punto de saturación, en alguna parte deberá meter el agua (ergo, incrementará su volumen, o bien generará una tensión de hinchamiento sin cambio de volumen), y dado que el límite de retracción de un suelo (arcilloso, se entiende) se define precisamente como la humedad de saturación de una arcilla, toda aquella (arcilla) cuya humedad supere el límite de retracción, habrá hinchado o habrá generado una tensión de hinchamiento sin cambio de volumen.

otra cosa, obviamente, es que el grado de expansividad sea tal que constituya un problema… ya sabemos que las caolinitas (por poner un ejemplo) tienen un potencial expansivo que no va más allá de generar patologías en la caseta del gato (y con lo tranquilos que son los gatos, puedes contar…), mientras que toparnos en el camino de una esmectita es un verdadero chollo si te vas a dedicar a fabricar aditivos para la industria vinícola, pero un mal negocio en esto de apoyar cimentos encima.

San Adnrés de Rasines, en el valle de Ansón (Cantabria)… por lo que se ve, también pasto de las arcillas expansivas…

ahora bien… que una arcilla sea expansiva ¿implica la ausencia del riesgo de colapso?, pues quizás bien al contrario, como amablemente nos ilustran J.L de Justo, P. Durand y E. Justo en un acertado artículo publicado en la revista de obras públicas, allá por el año 2002.

http://ropdigital.ciccp.es/pdf/publico/2002/2002_junio_3422_04.pdf

en realidad, los únicos suelos realmente no colapsables son aquellos de naturaleza estrictamente granular, y cuya compacidad está en el orden de una densidad relativa de cero (término que desafortunadamente en hispano hacemos ambivalente a specific gravity y a relative density, que NO son sinónimos, y que debiéramos haber traducido desde el primer día como índice de densidad y punto, tal como hacía J.A. Jiménez Salas), o sea, que por mucho que lo deseemos no vamos a compactarlos más, salvo que seamos tan brutos como para machacar los granos y modificar el huso granulométrico a base de pasar un rodillo compactador (razón por la cual siempre me ha parecido que exigir un grado de compactación del 100 % del PM en zahorras es una barbaridad, ya que lo único que consigues es romper las gravas, generar finos y disminuir la calidad del material)… mmm… ya se me fue la olla… ¿por dónde iba? ah… sí… lo de los suelos colapsables…

ya que no hace mucho, en este blog comentamos algunas cosas sobre el celebérrimo ensayo de Lambe (usos, desusos y sobreusos) hablemos hoy un poco sobre la interpretación de los ensayos de consolidación en edómetro, y su aplicación en la valoración del potencial expansivo y de colapso.

bien… sea pues una arcilla que tenemos debajo de nuestro edificio, y para la cual hemos definido una tensión máxima de hinchamiento de, por decir algo, 2 kg/cm2… siguiendo las “normas” de buena práctica, procederemos a “cargar” el terreno con una tensión de servicio (en la base de la cimentación) como mínimo de esos 2 kg/cm2, y teniendo en consideración que no estaría de más valorar esa tensión en base a la carga axil definida por la suma del peso propio y las cargas permanentes del edificio (excluyendo las solicitaciones no permanentes)…

con la dimensión de la cimentación resultante, estudiaremos finalmente una tensión de servicio máxima (resultado de añadir el resto de las sobrecargas) que con un poco de suerte comportará un asiento tolerable para la estructura… y digo “con un poco de suerte” porque no será la primera vez que no tengamos tanta fortuna… especialmente si la solicitación de la estructura es importante, así como de más de 250 Tn por pilar… cargas axiles para las que resulta que no puedes adoptar una tensión menor porque el suelo hincha… ni mayor porque asienta más de lo que desearía el proyectista…

¿qué pasa, pues, si una vez construimos nuestro edificio, cargamos el terreno, aplicamos la tensión máxima de servicio y observamos que efectivamente el asiento es más o menos el que habíamos estimado (y no diez veces menos, caso en el cual habremos hecho el pardillo)? ahhhh… lo primero que pensaremos es que somos unos megacracks… pero… ¿no nos dejamos algo en el camino?

haciendo caso a J.L. de Justo y colegas, nos tememos que sí, que precisamente nos dejamos el colapso que debería calcularse para el caso en que, una vez aplicada la carga, se produjese una hipotética y ulterior humectación de la arcilla, tal como muestra el siguiente gráfico:

para los suelos que están representados en el mismo (y yo creo que podemos extrapolar bastante a cualquier arcilla), podremos deducir algunas cosillas que vienen bien a la hora de interpretar gráficos de consolidación en arcillas expansivas…

primero: si para la realización del ensayo de consolidación, inundamos la célula bajo una tensión vertical inferior a la tensión que sería necesaria para mantener el volumen constante (lo que generalmente se entiende como tensión máxima de hinchamiento), el punto en el que la rama de compresión corta con el eje que indica el índice de huecos inicial de la muestra, representa una tensión superior a la tensión máxima de hinchamiento. La valoración de la presión de hinchamiento mediante un procedimiento u otro no concluye, pues, con resultados análogos.

segundo: determinar la presión de preconsolidación (a partir de la clásica resolución gráfica de Casagrande) es misión imposible con tales gráficas, salvo que la tensión máxima de hinchamiento sea muy leve respecto a la de preconsolidación; si se mantiene la probeta a volumen constante hasta la tensión máxima de hinchamiento, la interpretación de la inflexión de la gráfica resulta del todo incierta; si se permite el hinchamiento bajo carga, el punto de mayor curvatura se desplaza hacia la izquierda, resultando pues un valor de la presión de preconsolidación muy inferior al real.

tercero: parece que existe un rango en las presiones en las cuales se inicia la humectación de la muestra, para las cuales las rectas de compresión noval convergen, mientras que para el caso en que la humectación se realice antes, las curvas de compresión quedan por encima; no tengo fundamentos para aventurar una explicación convincente al respecto, pero teniendo en cuenta este hecho, parecerá más adecuado valorar la compresibilidad (más allá de la tensión de preconsolidación) mediante ensayos realizados impidiendo el hinchamiento de la probeta, y cargando en secuencia normal más allá de la tensión máxima de hinchamiento.

cuarto: si bien las curvas de descarga no son convergentes, los ensayos realizados permitiendo poca expansión inicial de la probeta muestran un buen paralelismo; parece válido, por tanto, utilizar la curva de descarga para establecer los parámetros de consolidación en recarga como representativa del tramo precedente a la tensión de preconsolidación (cosa que se ha hecho desde siempre), considerando que no es posible establecerlos a partir de la rama de compresión previa a la tensión de preconsolidación por los impedimentos comentados anteriormente y que derivan del comportamiento expansivo del suelo.

quinto (importante, y aquí quería llegar): los ensayos realizados sin aportar agua a la célula de consolidación (dichos “a humedad natural”, cosa que no es del todo cierta, pues la humedad varía en cada escalón de carga por el drenaje de la arcilla)… esos ensayos, digo, indican que el asiento resulta inferior al obtenido al de los ensayos en los que sí se ha aportado agua al terreno; no obstante, en caso de una ulterior inundación de la muestra (o en su caso, del terreno) sobrepasada la tensión máxima de hinchamiento comportaría un colapso, el cual no supera el valor del asiento que se corresponde con las ramas de compresión que se obtienen de muestras que sí se habían humectado antes de llegar de la presión máxima de hinchamiento.

el corolario que podríamos establecer de este detalle (bastante significativo, a mi entender) es que resulta más acorde con los requerimientos de seguridad del proyecto valorar de los asientos de consolidación para tensiones de servicio superiores a la presión máxima de hinchamiento adoptando los parámetros de compresión que se deducen de ensayos con inundación de la probeta (no a “humedad natural”), puesto que el asiento deducido de los mismos incorporaría el riesgo de colapso asociado a la humectación del terreno… salvo que tengamos la certeza de que el terreno nunca va a recibir agua adicional, claro… que no es pedir poco.

es una lástima que en la gráfica del artículo que cito no se aprecie con claridad la diferencia entre la curva de descarga de la muestra ensayada a humedad natural respecto a las muestras humectadas… pero parece intuirse que sean paralelas y concordantes; si esto es cierto, la estimación de los parámetros del terreno para la compresión bajo tensiones no superiores a la tensión de preconsolidación sería independiente al procedimiento de ensayos (humectando o no las probetas) si adoptamos (como es habitual) la rama de descarga como equivalente a la rama de compresión previa a la tensión de preconsolidación.

pero, a este respecto… me surge una duda… hay algo en las gráficas que no acaba de encajarme… por lo que yo he podido experimentar, en arcillas expansivas ensayadas con humectación durante la carga, la gráfica de descarga presenta una inflexión (reversa y ascendente) muy apreciable cuando la tensión vertical es inferior a la presión máxima de hinchamiento, y no es extraño que a partir de este punto lleguen a cortar la rama de carga previa a la tensión de preconsolidación (es decir, que el índice de huecos final del ensayo sea superior al inicial).… por esta razón he preferido siempre determinar aquellos parámetros que interesen de la rama de descarga en el tramo comprendido entre la carga máxima y la tensión máxima de hinchamiento… pero las ramas de descarga del artículo de Justo et. al. son perfectamente… rectas… demasiado y todo… tratándose de arcillas con una tensión máxima de hinchamiento del orden de 2 kg/cm2, me resulta un tanto … raro…

bien, en cualquier caso, lo que se deduce del mismo tiene su utilidad… ¿no?

… y acabo hoy con una reflexión (esta sí, profunda) sobre la actualidad del país (que no es otra que la de La Roja, claro está), de la mano del maestro Forges

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Una respuesta a arcillas expansivas y a la vez… colapsables

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