El problema potencial

Una capa de suelo no expansiva sobre un suelo expansivo no siempre puede detener la expansión del suelo expansivo subyacente o los efectos dañinos resultantes en los cimientos y estructuras construidas sobre la capa de suelo. Sin embargo, si los cimientos construidos sobre la capa de suelo están diseñados para ser lo suficientemente rígidos como para soportar movimientos verticales diferenciales entre los muros perimetrales y los pisos interiores, el problema no será estructural. El problema puede ser un costo mayor.

¿Por qué debería preocuparse por este problema?

Al colocar una capa de suelo no expansiva sobre un suelo expansivo, (1) los parámetros del suelo expansivo subyacente deben conocerse por completo, (2) el rendimiento a largo plazo de la capa de suelo no expansiva en la parte superior del suelo expansivo subyacente debe debe determinarse con precisión, (3) se debe evaluar el desempeño estructural de la cimentación a largo plazo, y (4) se debe calcular el aumento en el costo de construcción de la cimentación causado por el uso de una capa de suelo no expansiva. Puede terminar gastando mucho dinero en una capa de suelo no expansiva que no mitiga adecuadamente los efectos del suelo expansivo subyacente, o que puede no ser necesario si se utiliza un sistema de cimentación alternativo.

¿Qué sucede con los diseños de cimientos tradicionales que se colocan directamente en suelo expansivo?

Tres de los diseños de cimentaciones más comunes: losa nervada (RS), losa de espesor uniforme (UTS) y muro de vástago con zapata continua (SW), no mitigan los efectos del suelo expansivo. Las cimentaciones RS y UTS están siempre en pleno contacto con el suelo. Si el suelo cambia de volumen debido a cambios en el contenido de humedad, estos dos tipos de cimientos se moverán. La base SW permite la expansión del suelo en el área del espacio de aire debajo del piso elevado, pero las bases aún pueden estar sujetas a las fuerzas de elevación de la arcilla en expansión profunda.

 

 

¿Qué sucede con los diseños de cimientos tradicionales cuando se colocan directamente sobre una capa de suelo no expansiva que se coloca sobre un suelo expansivo?

La capa de suelo no expansivo transmitirá la fuerza hacia arriba del suelo expansivo subyacente, si esa fuerza hacia arriba excede el peso combinado de la capa, la base y la estructura del suelo no expansivo. También puede haber movimientos verticales diferenciales entre los muros perimetrales y los pisos, debido a las diferencias en las cargas de gravedad y rigideces de los cimientos.

La losa reforzada hawaiana (HRS) es un ejemplo de un diseño de cimentación que utiliza una capa de suelo no expansiva sobre suelo expansivo, superpuesta por una losa de piso de espesor medio con vigas perimetrales más profundas para la cimentación. Se ha comprobado que este diseño de cimentación funciona cuando se coloca sobre una capa de suelo no expansiva correctamente diseñada. Pero puede ser una solución de cimentación costosa cuando el costo de la capa de suelo se suma al costo total de la cimentación.

 

¿Por qué se usa una capa de suelo no expansiva?

Los diseñadores de cimientos a menudo asumen que una capa de suelo no expansiva es la mejor solución para muchos de sus problemas de suelo expansivos. Tal suposición no siempre es correcta. Dependiendo de las características del suelo expansivo y su profundidad, el uso de una capa de suelo no expansiva puede o no ser la respuesta.

Suelo expansivo con una capa de suelo no expansiva: construir directamente sobre suelos expansivos

¿Qué sucede con una base tradicional colocada directamente sobre un suelo expansivo?

Un ejemplo de esto es el diseño de cimientos comúnmente utilizado en viviendas para personas de bajos ingresos en México. La mayoría de los constructores de casas no hacen que se analice el suelo para determinar sus características expansivas; por lo general, solo se preocupan por la presión de soporte del suelo permitida (ASBP). La cimentación está diseñada usando solo el ASBP y construida directamente sobre el suelo expansivo, sin engrosar significativamente las vigas perimetrales y losa del piso, y sin agregar refuerzo estructural a la losa del piso. Por lo general, la losa del piso solo tiene tela metálica soldada liviana (WWF), que es muy flexible y se usa solo para minimizar el agrietamiento por temperatura en el concreto. Durante el proceso de construcción, se camina sobre el WWF y termina tirado en el suelo en la parte inferior de los cimientos cuando se coloca el concreto, lo que lo vuelve inútil. Después de varias estaciones húmedas y secas, la base comienza a levantarse, lo que eventualmente conduce al agrietamiento estructural del concreto.

El agua migra fácilmente debajo de la viga de borde poco profundo y luego debajo de la losa delgada de este diseño de cimentación, porque hay poco para detenerla. El resultado es que la expansión del suelo se produce más allá del borde de la losa.

Algunos constructores de casas han usado un refuerzo más pesado en la losa del piso delgado, pero toda el área de la losa del piso todavía está en contacto con el suelo en expansión. El resultado sigue siendo el mismo: movimiento de la losa y agrietamiento estructural.

Capa de suelo fina y expansiva

Si la capa superior de suelo en el sitio de construcción es expansiva, y si no es muy gruesa, algunos ingenieros geotécnicos pueden recomendar que la capa se elimine por completo y se reemplace con suelo no expansivo. Esta solución resuelve todos los problemas del suelo expansivo, porque elimina por completo cualquier potencial de expansión del suelo y el impacto negativo resultante que dicha expansión puede tener en los cimientos y la estructura. Sin embargo, también requiere un costo sustancial para remover, desechar y reemplazar el suelo expansivo con suelo no expansivo importado.

Capa de suelo espesa y expansiva

Si la capa superior de suelo es expansiva y profunda, eliminar todo el suelo expansivo sobre la profundidad sujeta a la variación de humedad en esta capa puede no ser una solución económicamente viable. Para eliminar por completo el potencial de expansión del suelo expansivo, es posible que deba eliminarse una profundidad significativa de ese suelo y reemplazarse con una capa de suelo no expansiva, una empresa muy costosa. En tales casos, algunos diseños de cimientos asumen incorrectamente que si quita solo una parte de la capa superior de suelo expansivo que está sujeto a variaciones de humedad, se evitarán los efectos de la expansión del suelo.

A veces, ese enfoque funciona, pero la mayoría de las veces, con el tiempo, falla.

¿Por qué falla? Las capas de suelo no expansivas están hechas de suelos que tienen una mayor permeabilidad que los suelos expansivos. El agua superficial y subterránea fluirá mucho más rápidamente a través del material de la capa del suelo no expansivo y migrará hacia abajo por gravedad hasta la parte superior del suelo expansivo. El agua inunda la zona superior del suelo expansivo. El suelo expansivo en esa zona superior eventualmente se moja debajo de su interfaz con la capa de suelo no expansivo y se expande.

¿Dónde se expande? Se expande hacia arriba contra la parte inferior de la capa de suelo no expansiva en la interfaz de las dos capas de suelo diferentes. Si la fuerza ascendente del suelo expansivo excede las cargas de gravedad combinadas de la capa del suelo, la base y la estructura, la base se moverá hacia arriba.

Ejemplo de falla de la capa de suelo

En un gran desarrollo de viviendas en el norte de México, donde el suelo es muy expansivo, se probó la presión de expansión del suelo utilizando ASTM D 4546 (Método B) y se encontró que era de 32 psi (2.25 kg / cm4608 / XNUMX psf). Esta prueba se realizó como parte de una investigación forense posterior a la construcción y un análisis de las fallas de los cimientos en ese sitio. Las recomendaciones en el estudio de suelo original incluyeron colocar una capa de suelo no expansiva de un metro de espesor sobre el suelo profundo y altamente expansivo. La capa de suelo estaba hecha de material diseñado para mitigar la expansión del suelo. Se utilizó un pilar de hormigón perforado y una cimentación de vigas de grado. Se incorporó un UTS delgado que se colocó encima de la capa de tierra no expansiva y se vertió monolíticamente con las vigas de grado, que descansaban sobre los pilares.

Dentro de los dos años posteriores a la finalización del desarrollo de viviendas, la mayoría de las casas experimentaron un levantamiento significativo de los pisos de concreto dentro de la casa. El suelo expansivo ejerció una presión de elevación sobre la capa de suelo no expansiva, que a su vez transmitió la presión de elevación a los cimientos y la estructura de hormigón. El UTS delgado no fue diseñado para estas fuerzas ascendentes, lo que resultó en un movimiento vertical significativo y agrietamiento de la losa.

La capa de suelo no expansiva, con todo el tiempo y los gastos que implicaba colocarla sobre todo el sitio del proyecto, permitió que la lluvia y el agua subterránea se filtraran hasta el suelo expansivo debajo de la capa de suelo.

Además, el suelo expansivo por debajo del nivel de la interfaz con la capa del suelo probablemente no estaba condicionado por la humedad antes de que se colocara la capa del suelo, lo que resultó en presiones de expansión dañinas aún mayores en la base de la capa del suelo. Esas presiones fueron transmitidas por la capa de suelo a los cimientos. La capa de tierra no expansiva, con un pilar de concreto y una base de vigas de grado, no fue la solución correcta para este sitio del proyecto, porque no previno daños a la base por el suelo expansivo.

¿Cómo funcionan los diseños de cimientos en una capa de suelo?

Los cimientos UTS, RS y HRS no mitigan la fuerza de expansión hacia arriba en el suelo. Se mueven con el suelo en expansión. La cimentación SW (y las cimentaciones que utilizan pilares perforados con vigas de grado), donde los pisos se elevan por encima del nivel del suelo, pueden evitar esta fuerza de expansión hacia arriba, pero a un costo significativamente mayor. También tienen otros problemas, como mantener seca la zona abierta debajo de la casa durante la temporada de lluvias. Por lo general, se requieren desagües perimetrales alrededor de los cimientos, así como ventilaciones perimetrales de los cimientos, para garantizar que el área abierta debajo de la casa se mantenga seca y ventilada, y libre de moho.

Un sistema de cimentación que está diseñado para usarse directamente en suelos expansivos es el sistema Wafflemat ™. El sistema Wafflemat utiliza formas plásticas de sacrificio para crear huecos en la parte inferior de la losa de cimentación. La base de Wafflemat se asienta directamente sobre el suelo, por lo general sin tratamiento del suelo u otra preparación del suelo requerida, aparte de nivelar una plataforma de construcción plana adecuada.

El sistema Wafflemat se ha utilizado con éxito desde principios de la década de 1990. Funciona simplemente absorbiendo el suelo arcilloso en expansión en los huecos. Una cuadrícula de vigas reforzadas estrechas contacta con el suelo, presentando así un área de contacto significativamente menor sobre la cual el suelo expansivo puede ejercer su fuerza de elevación, pero manteniendo el ASBP. La base de Wafflemat también crea una matriz de vigas mucho más rígida que resiste las fuerzas de flexión ejercidas sobre la base por el suelo que se expande hacia arriba. El espaciado más estrecho de las vigas permite que las losas delgadas que se extienden sobre las cajas de gofres entre las vigas proporcionen una sección transversal estructural general con la rigidez requerida. Las deflexiones de la losa del piso son mínimas y el agrietamiento estructural es casi inexistente.

¿Qué aspecto tiene una base Wafflemat? Imagínese que está parado en un moderno estacionamiento de concreto. Mira hacia arriba. Lo más probable es que el sistema de piso estructural que vea se vea como un gofre. El piso tendrá vigas rígidas que se ejecutan en direcciones perpendiculares entre sí, con huecos entre las vigas. Si ese piso se colocara sobre una plataforma de construcción preparada, sería muy similar al sistema Wafflemat.

¿Qué le sucede al suelo debajo del sistema Wafflemat? Cuando el suelo expansivo se moja, se expande hacia arriba. Hace contacto con las vigas estrechas del Wafflemat y luego se desliza hacia afuera y hacia arriba alrededor de los bordes de las vigas y hacia los vacíos creados por las Waffleboxes. La energía expansiva del suelo se disipa parcialmente en esos vacíos. El resultado es que se transmite mucha menos fuerza ascendente de expansión del suelo a la parte inferior de la base Wafflemat. Por el contrario, los cimientos RS y UTS sentirán todo el peso de la fuerza de expansión del suelo.

 

Ventajas de usar una capa de suelo no expansiva

· Si la capa de suelo expansivo es delgada, remover todo el suelo expansivo y reemplazarlo con una capa de suelo no expansiva elimina completamente el problema de expansión del suelo. Dependiendo del grosor de la capa de suelo expansiva, esta puede ser la mejor solución de costo total.

· Las propiedades de la capa del suelo pueden ser diseñadas por el ingeniero geotécnico.

¿Desventajas de usar una capa de suelo no expansiva?

· Una capa de suelo no expansiva en un suelo expansivo profundo a menudo no eliminará los problemas de expansión del suelo expansivo subyacente, especialmente cuando la profundidad del suelo expansivo con contenido de humedad inestable es profunda y cuando es liviano de uno o dos pisos. las casas con estructura de madera se construyen sobre los cimientos.

· Los costos de (1) excavar, retirar y eliminar el suelo expansivo, (2) comprar el suelo no expansivo de reemplazo y (3) importar y volver a compactar el suelo no expansivo pueden ser muy altos.

· El suelo in situ puede consolidarse bajo el aumento de carga de la capa no expansiva.

· La huella de carbono se incrementa sustancialmente debido al transporte adicional requerido para la exportación e importación del suelo, y debido al equipo pesado de construcción requerido para el movimiento de tierras necesario.

· El agua subterránea y el agua de lluvia aún se filtrarán a través de la capa de suelo permeable no expansivo y migrarán hacia el suelo expansivo subyacente, donde la expansión de ese suelo puede tener lugar con el tiempo.

· Un ingeniero geotécnico deberá probar la capa de suelo después de la colocación y compactación, para asegurarse de que los parámetros de suelo de la capa de suelo cumplan con las especificaciones de diseño geotécnico.

Conclusiones

Los cimientos UTS, RS y HRS no absorberán ninguna de las fuerzas ascendentes generadas por el suelo expansivo que exceda la carga de gravedad total de la capa del suelo, los cimientos y la estructura. Estos cimientos están en pleno contacto con el suelo. Por encima del punto de equilibrio para todas las cargas verticales, estos cimientos se moverán hacia arriba. Estos cimientos solo resisten los efectos de flexión y agrietamiento de las fuerzas ascendentes por sus rigideces de diseño estructural. Sin embargo, los cimientos RS y HRS también requieren la excavación de la capa de suelo para las nervaduras enterradas que se utilizan para proporcionar rigidez a sus losas. La excavación requiere tiempo y costos adicionales.

La cimentación SW (y las cimentaciones que utilizan pilares perforados con vigas de grado elevado y un piso elevado) generalmente evitarán las fuerzas de la expansión del suelo, siempre que los fondos de las partes enterradas de la cimentación descansen sobre un suelo expansivo que no experimente variaciones de humedad o en suelo que no sea expansivo. La tierra en expansión también puede ejercer una fuerza ascendente sobre las superficies enterradas de los pilares perforados y las paredes de los troncos. La cimentación SW también requiere un gasto y tiempo considerables para excavar, formar y verter los soportes de concreto, remover y desechar el suelo y enmarcar el piso elevado.

El Wafflemat está diseñado específicamente para absorber las presiones del suelo en expansión. Se construye directamente sobre el suelo expansivo de la plataforma de construcción preparada de la misma manera que el UTS. No se requiere excavación e importación de suelo adicionales con el sistema Wafflemat, al igual que no se requiere con el UTS. El tiempo de construcción del sistema Wafflemat es comparable al tiempo de construcción del UTS. Sin embargo, la losa de Wafflemat es más rígida por yarda cúbica de concreto y absorberá el suelo en expansión y disipará parcialmente las presiones de expansión del suelo. Además, el sistema Wafflemat tiene una huella de carbono muy baja, ya que no requiere excavación y / o importación de suelo como se requiere para los cimientos RS, HRS y SW; y también utiliza plástico reciclado en la fabricación de las Waffleboxes que forman los huecos en la base del Sistema Wafflemat.