Expansividad. Pistas que dan los laboratorios

Los laboratorios, son sitios especiales. Sitios donde se hace magia, también llamada ciencia.

Imaginemos que nos toca diseñar, construir, dirigir o controlar la ejecución de una estructura, o tal vez somos consultores de geotecnia, y la cuestión que se nos plantea es saber si los terrenos son expansivos. Podemos tener información de que históricamente las estructuras de la zona han estado afectadas por procesos de expansividad, pero esto en realidad no aporta nada, salvo la sospecha de que nuestro emplazamiento pueda estar compuesto por arcillas expansivas.

No es objetivo hacer un análisis técnico del origen y fundamentos científicos de las arcillas expansivas. Me limitaré a decir que son arcillas que ante cambios de humedad (grado de saturación del suelo), sufren variaciones volumétricas. Mucho cuidado con esto, un suelo puede tener una capacidad de hincharse, pero si no existen cambios de humedad, el proceso de expansión nunca tendrá lugar.

El objetivo es marcar los pasos que se deben seguir para evaluar si el suelo que será el soporte de la cimentación tiene esa capacidad o no de expandirse, y cuál es su presión de hinchamiento, en última instancia. La cuestión es que, cuando recibimos un informe geotécnico, podamos estar seguros que se han realizado los suficientes y, sobretodo, adecuados ensayos para aseverar o descartar procesos de expansividad.

Son tres los ensayos que, progresivamente, dan más información:

1º Límites de Atterberg. Nos ponen en la pista del problema.

2º Ensayo Lambe. Dan una valoración cualitativa.

3º Ensayo de Presión de hinchamiento. Dan una valoración cuantitativa.

 

LÍMITES DE ATTERBERG (UNE-103103/4-1994)

También llamados límites de consistencia, y se basan en que un suelo de grano fino (arcillas y limos) solo pueden existir cuatro estados de consistencia según su humedad (sólido, semi-sólido, plástico y líquido). Los contenidos de humedad en los puntos de transición de un estado al otro son los denominados límites de Atterberg.

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Son ensayos de identificación básicos para la clasificación de suelos, por lo que siempre tendremos la seguridad de que se van a realizar.

Nos interesará conocer el Límite Líquido y el Índice de Plasticidad (que se calcula con el Límite Líquido y el Límite Plástico). Estos dos valores nos indican la capacidad que tiene un suelo de absorber agua sin cambiar de estado de consistencia. Ese volumen puede estar provocando un aumento del volumen de la masa de suelo, algo que no vemos cuando hacemos los ensayos para calcular los Límites. Bien es cierto que las moléculas de agua se pueden acomodar en la estructura de los minerales, por lo que no es un ensayo definitivo.

La siguiente tabla nos da el  “potencial de expansividad” según varios parámetros, entre otros el IP y el LL.

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Debemos seguir en nuestras investigaciones si nuestro suelo tiene un potencial de expansividad marginal o superior.

ENSAYO LAMBE (UNE-103600-1996)

Atención que con este ensayo sólo podemos emitir conclusiones cualitativas. Es decir si el suelo tiene o no capacidad de expandirse, pero en ningún caso podemos saber cuál es la presión de hinchamiento.

El ensayo consiste en alojar en una célula de suelo seca (o en condiciones de humedad del LP) remoldeada y convenientemente compactada, e inundarla completamente de agua y se mantiene ahí durante 2 horas.

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Obviamente, si el suelo es expansivo producirá una presión sobre el anillo que se deformará, y la medida de la deformación podrá ser leída en el medidor.

A partir de esa medida podemos calcular el Índice de Hinchamiento (ojo, “índice”, que no “presión”), y entrando en la gráfica y usando la curva correspondiente, nos dará el “cambio de volumen potencial”:

  • No crítico
  • Marginal
  • Crítico.
  • Muy crítico.

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En mi opinión, un resultado crítico o muy crítico exigiría conocer la presión de hinchamiento del suelo. Para uno marginal entiendo que habría que contextualizarlo. Habría que hacer consideraciones acerca de su representatividad, fiabilidad, historial expansivo de la zona, estructura a construir, grado de “marginalidad”, etc. El ensayo para conocer la presión de hinchamiento es más caro y nuestro carácter técnico nos exige ser cuidadosos con los costes.

ENSAYO PRESIÓN DE HINCHAMIENTO EN EDÓMETRO (UNE-103602-1996)

Bueno, pues llegados a este punto podemos aseverar que con muchísima seguridad que el terreno es expansivo. Hemos seguido los pasos correctos para llegar a esta conclusión. Lo que tenemos que determinar ahora es la presión de hinchamiento que podrá generar el suelo sobre la cimentación y sobre otras estructuras como pueden ser muros de contención si se producen determinados cambios de humedad.

El ensayo consiste en preparar una pastilla de terreno inalterada o remoldeada que se dispone en el edómetro, que únicamente permite movimientos en vertical, ya que está confinada lateralmente. La pastilla se inunda completamente con agua y esta empieza a deformarse verticalmente. El fundamento del ensayo reside en ir añadiendo carga sobre la muestra que impida la deformación. Cuando el proceso se estabiliza y el suelo deja de hincharse, podemos dar por finalizado el ensayo y proceder al cálculo de la presión de hinchamiento.

Expansividad, Atterberg, Lambe, presión hinchamiento, edómetro

 

El valor de la presión de hinchamiento (ph), se obtiene dividiendo la carga aplicada en el momento de equilibrio, Q expresada en Newton, por la sección recta de la probeta, S en mm2, mediante la siguiente expresión:

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Este post ha intentado ser eminentemente práctico. Es el método que muchos especialistas de la geotecnia usamos para analizar esta problemática y creo que era interesante escribir un poco sobre el tema. Espero que os haya resultado interesante, y sobretodo, que os sea útil.

Hasta pronto.

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7 Comentarios

  1. Desdeelmurete
    octubre 01, 21:55 Reply
    Hola a todos, por el LinkedIn hay quien comenta que le gusta el ensayo de hinchamiento libre para hacer valoraciones, al menos cualitativas, sobre la expansividad. A mí particularmente no termina de convencerme. Con sus limitaciones, prefiero el Lambe. ¿Qué opináis? Saludos
  2. Glicerio
    septiembre 29, 16:19 Reply
    Hola, mi experiencia me lleva a fiarme poco del Lambe, se trata de un ensayo realizado con una muestra alterada, a la cual se le modifica la humedad. Cuando hacemos un Lambe y no hincha, entonces sabemos que ese material SEGURO que no es expansivo. Pero si sale expansivo, puede que no lo sea tanto. Por ello, siempre realizamos la presión máxima de hinchamiento, los precios ya no son tan caros como antes y no existe tanta diferencia de coste entre ambos ensayos. Si bien, es necesario tomar muestra inalterada y a veces es complicado (sobretodo en catas). En Sudamérica llegan hasta a analizar la mineralogía de la arcilla, sobretodo en zonas selváticas. Buen aporte, enhorabuena por el blog.
    • Desdeelmurete
      octubre 01, 21:51 Reply
      Hola Glicerio, estoy contigo en una cosa. Tampoco me gusta en Lambe, pero hay que reconocer que es un ensayo muy rápido para "descartar" expansividad. Saludos
  3. Bran
    septiembre 29, 09:32 Reply
    Hola, un par de puntualizaciones... Del Lambe sí que se puede sacar "una presión de hinchamiento", de hecho está en el eje Y (MPa) desde donde entras para clasificar el suelo. Lo que no puedes es obtener "La Presión de hinchamiento", es decir según la UNE 103602. ¿Cuál es la diferencia real entonces entre estos ensayos? Evidentemente el plazo de tiempo en el que mides esa presión de hinchamiento. El Lambe es un ensayo de 2 h de duración por lo que el tiempo para que el agua penetre en una muestra a la que se le supone baja permeabilidad es escaso a todas luces. Por tanto, hay que considerar que estamos midiendo con el Lambe el "inicio de la presión de hinchamiento" Al realizar el ensayo de Presión de Hinchamiento según UNE 103602, disponemos de todo el tiempo que sea necesario para permitir que el agua penetre en la muestra y ésta desarrolle todo su potencial de expansividad. Llegados a este punto me gustaría indicar un error que suele cometerse al realizar el ensayo según UNE 103602 y que se debe a una poco clara redacción de la norma. Cuando se monta la muestra en el edómetro, debe dejarse con la denominada "presión de ajuste de 3 kPa" el tiempo necesario para que se expanda la muestra, algo parecido a hacer un "ensayo de hinchamiento libre". Es decir, no debemos cargar inmediatamente el edómetro cuando el medidor de deformaciones se mueva 0.01 mm porque estamos impidiendo el acceso de agua a la muestra. Cuando la muestra esté hinchada entonces la cargamos, y lo haremos progresivamente hasta llegar a deformación 0+/- 0.01 mm... que es lo que pide la norma. Además, es la única manera de obtener la curva de deformación que pide la norma y que podemos consultar en cualquier libro. Saludos
    • Desdeelmurete
      octubre 01, 21:49 Reply
      Gracias por tus interesantes puntualizaciones. Ójala podamos contar con tus comentarios en el futuro. Saludos
  4. Javier Pérez
    septiembre 25, 07:26 Reply
    La granulometría del suelos es también determinante, ya que, la proporción de fracción fina juega un papel crucial. No le parece?
    • Desdeelmurete
      septiembre 25, 18:31 Reply
      Hola Javier, yo que en el terreno predomine la fracción fina lo considero condición necesaria, pero no suficiente. Si el terreno no es es al menos limoso, es imposible "hacerles" los límites. Dos granometrías idénticas pueden dar resultados de LL y IP distintos, por eso entiendo que los límites son los ensayos que nos pueden poner en alerta...gracias por comentar!!

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