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UNIVERSIDAD DE ORIENTE

NÚCLEO BOLÍVAR

ESCUELA DE CIENCIAS DE LA TIERRA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL

ANALISIS DE ALTERNATIVAS PARA ESTABILIZACION Y MODIFICACION DE

SUELOS DE ARCILLAS EXPANSIVAS PARA LA CONSTRUCCION.

TRABAJO FINAL DE GRADO

PRESENTADO POR LA BACHILLER

ALMIRNA SAAVEDRA PARA OPTAR AL

TÍTULO DE INGENIERÍA CIVIL

CIUDAD BOLÍVAR, NOVIEMBRE 2013

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CAPÍTULO I

LA PROBLEMÁTICA DE LOS SUELOS DE ARCILLAS EXPANSIVAS EN LAS

FUNDACIONES DE OBRAS CIVILES

1.1 Planteamiento del problema de los suelos de arcillas

expansivas en las fundaciones de obras civiles

En la realización de las actividades propias de la construcción

de obras públicas y de ingeniería civil, es de importancia

clave el control y aseguramiento de las fundaciones, cuya

utilidad principal, tal como lo señala Piana (2009), es

transmitir las cargas de la superestructura de manera

distribuida al suelo.

En ese sentido, uno de los requerimientos básicos de toda

fundación tiene que ver con la estabilidad de los suelos, es

decir un suficiente grado de seguridad contra una falla por

capacidad portante, donde se asegure que la cimentación de la

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construcción cuente con altos niveles de seguridad y favorezca

una superestructura de calidad, en el sentido de que dicha

superestructura responda a las demandas de estabilidad,

durabilidad y seguridad.

Por ello, si un suelo se encuentra compuesto por un material

cuya resistencia sea menor a la carga que se pretende

construir, se obtendrán resultados desfavorables ya que la

estructura puede fallar en cualquier momento de su vida útil,

generando daños, tales como los que señala

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el Colegio Oficial de Aparejadores y Arquitectos Técnicos de

Alicante, España en su Boletín N° 64:

- Deformación de pavimentos.

- Rotura de conducciones.

- Rotura de la cimentación, que puede comprender:

- Zapatas corridas o aisladas: Despegue de cimentaciones,

grietas inclinadas por asientos diferenciales y grietas

horizontales por empujes.

- Losas. Grietas de flexión que pueden desembocar en

giros y rotura.

- Muros de sótano. Grietas por empujes laterales.

- Pilotes. Rotura de pilastras por cambio de estado de

carga, roturas por flexión o cortante, hundimientos por

retracción del suelo, etc (p.25).

Una de las causas consideradas como la más determinante en las

fallas presentadas en la cimentación de las obras civiles,

tiene que ver con los llamados suelos arcillosos expansivos,

los cuales se caracterizan por presentar grandes alteraciones

de volumen “como consecuencia de cambios en los niveles de

humedad, generando daños de consideración en las

construcciones” (Crespo, 2004, p. 318).

Confirmando lo anteriormente señalado, la principal

característica presente en este tipo de suelos es la de

producir movimientos, los cuales surgen como consecuencia de

hinchamientos y retracciones del subsuelo sobre el cual apoya

la cimentación, debidos a cambios de humedad provocando en la

mayoría de los casos daños estructurales importantes (ASEFA).

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La concentración de arcillas expansivas en suelos de

fundaciones con propósitos de cimentación de obras civiles, es

un problema del cual se han realizado estudios a través de los

años, descubriéndose su incidencia a finales de la tercera

década del siglo XX. Patrone y Prefumo (2002) en las Primeras

Jornadas de Ingeniería de Cimentaciones de la Universidad de

Montevideo- Uruguay, señalan al respecto lo siguiente:

La incidencia del comportamiento de los materialesexpansivos en los daños experimentados por lasestructuras no fue identificada por los especialistasen el estudio de suelos y fundaciones como una de lascausas fundamentales de esos daños, prácticamentehasta fines de 1930. A partir de allí se comienza areconocer que muchas de las patologías de lasestructuras, que eran atribuidas a asentamientos delsuelo u otros problemas, se debían en realidad a unfenómeno de hinchamiento (p. 1).

Con relación a lo que reportan los autores citados, la

determinación de la incidencia de los suelos de arcillas

expansivas en los daños sufridos por estructura representó un

paso de importancia significativa con relación a un problema

relacionado con fundaciones de obras civiles, en el sentido de

que se pudieron detectar factores claramente localizados

relacionados con las patologías de las estructuras dichos

factores, se encuentran referidos a la naturaleza expansiva de

los suelos y no a otros problemas como los de asentamiento del

suelo.

Complementando lo anterior, es importante destacar lo que

señalan Camacho, Reyes y Mayorga (2008) cuando afirman lo

siguiente acerca de los suelos expansivos.

Los suelos expansivos tienen un comportamientoperjudicial para cualquier estructura construidasobre los mismos, puesto que se expanden y contraenante la presencia y posterior pérdida de agua. Laactividad eléctrica de los cationes que los componeny que crean un enlace electroquímico arcilla-agua,forman una capa de agua en el entorno de cadapartícula del material, que ocasiona

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variaciones volumétricas que inducen esfuerzosadicionales a las estructuras construidas sobre estetipo de arcillas (p. 49).

Lo señalado indica que la relación electroquímica que se

establece entre la arcilla y agua genera alteraciones de

carácter volumétrico que, a su vez, incitan un sobre trabajo a

las estructuras de las construcciones, generando con ello

movimientos y desequilibrios que terminan por manifestarse en

patologías de significativo impacto en la obra civil realizada.

Otro planteamiento relacionado con la problemática de los

suelos de arcillas expansivas, lo realiza López-Lara y Otros

(2010) cuando señalan que:

Las arcillas expansivas sufren cambios de volumendebido a las variaciones en su humedad, adquirida porcapilaridad y/o por infiltración. Cualquierconstrucción ligera asentada sobre este tipo desuelos experimentará deformaciones causadas por laexpansión de la arcilla, dichos movimientos setraducen en grietas sobre muros y el levantamiento depisos (p. 159).

El efecto de las arcillas expansivas se expresa en

deformaciones de las obras civiles, que pueden expresarse en

patologías como las ya señaladas, lo que vendría a constituirse

en un problema de implicaciones importantes, tanto para los

ciudadanos usuarios de edificaciones, casas, carreteras o

cualquier otra obra civil, como para las inversiones realizadas

por parte de entes del sector público o privado.

Con relación a lo anterior, es importante destacar lo que

expresan diversos autores con relación al impacto en cuanto a

daños ocasionados por suelos expansivos en construcciones

civiles:

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- En Estados Unidos, una de cada cinco personas se ve afectada

por los suelos expansivos, y de los 250.000 nuevos hogares

construidos anualmente sobre suelos expansivos, alrededor del

60% experimentarán daños menores, y alrededor de un 10%

experimentarán daños significativos, algunos de ellos más allá

de cualquier reparación posible (Ballinas, 2006)

- Castro (1998) indica que en Querétaro, México, las

estimaciones realizadas revelan que aproximadamente el 60% de

las casas nuevas presentan daños, principalmente agrietamiento

en paredes en el primer año de construcción.

- López y otros revelan que el monto anual de los daños

causados en México por la acción de las arcillas expansivas

sobre edificaciones, vías de comunicación, aeropuertos y todo

tipo de construcciones, es superior a la sumatoria de los

causados en el mismo período por inundaciones, terremotos,

huracanes y otros fenómenos naturales (referido en Márquez,

2006).

- Patrone y Prefumo (2002) afirman lo siguiente: “se estima que

las pérdidas anuales a nivel mundial por daños en las

construcciones sobre los suelos expansivos superan los dos

billones de dólares” (Op. Cit.).

Los datos expuestos vienen a reflejar la naturaleza e

implicaciones relacionadas con los suelos de arcillas

expansivas respecto a las condiciones de seguridad y

estabilidad de las cimentaciones para obras civiles,

evidenciando la existencia de problemas significativos en lo

que se refiere a pérdidas financieras y materiales, así como en

lo relativo a la calidad de vida de las personas en lo que

compete a habitabilidad y bajo riesgo en las casas, edificios y

vías de comunicación terrestre, entre otros.

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Ante esta situación, se hace necesario profundizar no sólo en

la forma como este tipo de suelos afecta las construcciones y

obras civiles en general, sino también en generar alternativas

de solución que garanticen el mejoramiento de la calidad y

estabilidad de estos suelos y con ello contribuir al

mejoramiento sustancial de las obras civiles, de tal forma que

se logren disminuir las situaciones de riesgos que

eventualmente pueden producirse, afectando a personas e

inversiones realizadas por entes públicos y/o privados.

La problemática de los suelos de arcillas expansivas también

tiene presencia significativa en el ámbito del territorio

venezolano. A ese respecto, es importante destacar que estudios

realizados en 1972 por Ugas reportan que “aproximadamente la

mitad de los estados que constituyen el territorio nacional

contienen extensas áreas conformadas por suelos de esta

naturaleza” (referido en Márquez, Ibídem, p. 23).

En ese sentido, los procesos y productos relacionados con la

realización de obras civiles estarían afectados en las regiones

del país donde prevalece esta modalidad de suelos y a ese

respecto Márquez señala lo siguiente:

Esta particular circunstancia geomorfológica se tornaaún más crítica si consideramos la casi exactasuperposición de las mencionadas áreas de suelosexpansivos con las zonas de mayor índice deaceleración sísmica en el país, así como con lasregiones de mayor densidad poblacional, como lo sonla centro-norte-costera y la andina (Ibídem, p. 24).

En relación con lo señalado, los suelos de arcillas expansivas

en Venezuela tienen una presencia significativa en el

territorio nacional, que se hace especialmente compleja y

delicada, en el sentido de que la mayor concentración de los

mismos se ubica en las zonas que

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presentan el mayor índice de riesgo sísmico y en las que se

muestra una mayor concentración poblacional, como son las

regiones centro-norte-costera y la andina.

Confirmando lo antes señalado, es importante destacar que

estudios recientes sobre la prevalencia de este tipo de suelos

en las regiones de Venezuela reportan que las zonas geográficas

donde se presenta una mayor concentración de los suelos

expansivos se ubican en los estados Falcón, Carabobo, zona sur

del estado Aragua, zona de los Valles del Tuy en el estado

Miranda y en la zona norte y sur del estado Anzoátegui

(Hernández, 2006; Ministerio del Poder Popular del Ambiente,

2010; Guevara y López, 2012).

El impacto de la naturaleza de los suelos de arcillas

expansivas en las construcciones y obras civiles en general

constituye un problema, en el sentido de que este tipo de

suelos se encuentra presente en zonas de alta concentración

poblacional, afectando de manera significativa el desarrollo

planes habitacionales y de otras obras civiles (carreteras,

edificaciones para actividades comerciales e instalaciones

deportivas y culturales, entre otras), debido a los daños que

eventualmente se pueden generar como consecuencia de las

cimentaciones en este tipo de suelos.

Al respecto, es pertinente destacar lo que refiere Márquez (Op.

Cit.) en lo que se refiere a los problemas relacionados con

viviendas, cuando señala lo siguiente:

Según cifras del Fondo Nacional de Desarrollo Urbano(FONDUR), de las 62.000 viviendas unifamiliares ybifamiliares que se estiman fueron construidas en elpaís bajo el patrocinio de esta institución duranteel período 2000-2002, aproximadamente 10% (6.200unidades) sufrieron daños graves atribuibles a suinteracción con los suelos de fundación, además deotros factores

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concomitantes, estimándose para el momento los costosde reparación en veinticinco millardos de bolívares(Bs. 25.000.000.000), lo cual representa un costosocial de sustitución equivalente a haber dejado deconstruir 2.500 unidades de 55 m2 a razón de10.000.000 de bolívares cada una, lo cual se ajustabaperfectamente a los precios y regulacionesgubernamentales de la época. Esto sin contar costosindirectos como demoliciones, indemnizaciones,reubicaciones, infraestructura urbana dañada y otros,que en su conjunto, sobrepasan con creces la cifraestimada para reparaciones (p. 25).

Los datos reportados vienen a evidenciar que la prevalencia de

arcillas expansivas en terrenos a ser usados para la

cimentación de cualquier obra civil, constituye un problema que

debe ser abordado, por una parte, con el propósito de

profundizar en la naturaleza de este tipo de suelos, las

consecuencias y daños ocasionados en las obras de ingeniería

civil; y por otra, con la intención de señalar alternativas de

solución a través de las cuales se pueda garantizar el

mejoramiento de sus niveles de estabilidad.

Con base a lo antes expuesto, se consideró pertinente llevar a

cabo una investigación que se orienta por las siguientes

interrogantes:

- ¿Qué características presentan los suelos de arcillas

expansivas?

- ¿Cuáles son los parámetros para la estimación del grado de

expansividad del suelo?

- ¿Qué tipo de patologías experimentan las estructuras y

pavimentos en presencia de suelos expansivos?

- ¿Cuáles son las soluciones de fundaciones aplicar en suelos

de arcillas expansivas?

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- ¿Qué métodos de estabilización física, química y térmica se

utilizan para estabilizar suelos expansivos?

Las respuestas a estas interrogantes forman parte de la

estructura de una investigación documental en la cual se

plantea la realización de un análisis de las alternativas

funcionales para estabilizar suelos de arcillas expansivas.

1.2 Justificación de la investigación

Los procesos relacionados con la cimentación para la

construcción de edificaciones y otras obras de ingeniería civil

exigen un control riguroso de las condiciones de los suelos, de

tal forma que se aseguren los niveles más óptimos de

estabilidad en las obras a construir y se prevean situaciones

de accidentalidad en la población y/o eventuales pérdidas

materiales, financieras.

En ese sentido, la realización de una investigación relacionada

con la problemática relativa a los daños ocasionados por los

suelos de arcillas expansivas en las obras civiles y con la

búsqueda de alternativas dirigidas a mejorar la estabilidad de

dichos suelos y, por lo tanto, la calidad de las

construcciones, constituye un estudio que tiene plena

justificación, por el hecho de que aborda una realidad propia

de la Ingeniería Civil, para la cual se requieren los mayores

aportes de solución posible.

Es importante señalar que en el marco de las actividades

relacionadas con la gestión en materia de construcción de obras

civiles, el manejo de los criterios de calidad incluye el

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aseguramiento de la estabilidad de los suelos de tal manera que

se logren garantizar fundaciones adecuadas para la estabilidad

de las superestructuras. En ese sentido, la realización de esta

investigación contribuye con el aporte de informaciones y datos

de importancia sobre las estrategias y alternativas dirigidas a

mejorar la estabilidad de los suelos de arcillas expansivas y,

por lo tanto, el mejoramiento de la calidad de las

cimentaciones de las obras civiles.

Desde el punto de vista metodológico, el estudio representa una

referencia de importancia para la realización de futuras

investigaciones donde se utilice el diseño de investigación

documental y bibliográfica, estableciendo y aportando las

orientaciones y estrategias a desarrollar para la búsqueda,

organización, procesamiento, análisis e interpretación de los

datos e información de fuentes secundarias (libros, revistas,

informes y reportes estadísticos, entre otros).

En lo que se refiere a la importancia y justificación práctica

de esta investigación, es pertinente señalar que los resultados

del estudio constituyen insumos que pueden servir a estudiantes

y profesionales de la Ingeniería Civil, en cuanto al desarrollo

de procesos teóricos y prácticos dirigidos a mejorar la calidad

de las edificaciones y demás obras civiles, a través de la

aplicación de métodos de estabilización física, química y

térmica que logren garantizar la estabilidad de los suelos

expansivos.

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1.3 Objetivos de la investigación

1.3.1 Objetivo General

Analizar alternativas funcionales para estabilizar y/o

modificar suelos de arcillas expansivas.

1.3.2 Objetivos Específicos

1) Describir los suelos expansivos.

2) Identificar los parámetros para la estimación del grado de

expansividad del suelo.

3) Describir las patologías que experimentan las estructuras

y pavimentos en presencia de suelos expansivos.

4) Analizar soluciones de fundaciones en suelos expansivos.

5) Analizar métodos de estabilización física, química y

térmica para estabilizar suelos expansivos.

1.4 Alcances de la investigación

La realización de este estudio abarca los aspectos

relacionados con los suelos de arcillas expansivas,

considerando los aspectos correspondientes a sus

características, composición e incidencia en los daños y

patologías producidas en casas, edificaciones y demás obras de

construcción civil. Así mismo, en el trabajo se abordan las

diferentes alternativas relacionadas con fundaciones para este

tipo de suelos, así como los métodos de naturaleza física,

química y térmica a utilizar para la estabilización de suelos

expansivos.

1.5 Limitaciones de la investigación

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La ejecución de este estudio presenta como una de sus

limitaciones la dificultad para hallar estudios previos en el

estado Bolívar relacionados con el tema de los suelos de

arcillas expansivas, dado el hecho de que en la región es muy

poca la presencia de este tipo de suelos, generando la escasez

del dominio de información referente a esta problemática.

Igualmente, se considera una limitante a esta investigación, la

falta de fuentes bibliográficas en la Universidad de Oriente,

Núcleo Bolívar, donde se pudiera consultar sobre el tema, lo

que hizo necesario acudir a otros centros y fuentes de

información, tales como la Universidad Central de Venezuela

(UCV), Universidad de Los Andes (ULA) y Universidad Centro

Occidental Lisandro Alvarado (UCLA), entre otra instituciones.

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REFERENCIAS

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