Arcillas expansivas y suelos expansivos en edificación

INTRODUCCIÓN

Una problemática relevante a tener muy en cuenta en nuestro país, es la presencia de suelos arcillosos expansivos.

Las arcillas pueden presentar distintos grados de expansividad, dependiendo de su respuesta a las variaciones de humedad a las que se vean sometidas. Al ganar humedad, presentan un incremento de volumen o hinchamiento según su grado de expansividad; y al desecarse, justo lo contrario, el volumen disminuye produciéndose un agrietamiento del suelo.

Hay que tener en cuenta que las variaciones de humedad se producen en los primeros metros. A esto se le llama profundidad activa, y en España puede rondar los 3 m.

Todos los suelos arcillosos experimentan cambios de volumen cuando varía su grado de humedad. Este efecto depende de la cantidad de partículas inferiores a dos micras y del grado de actividad de la especie mineralógica que compone esa fracción del suelo.

En algunos casos es insignificante, pero en otros casos las variaciones de volumen son muy importantes y pueden provocar fuertes acciones irregulares sobre la cimentación.

Su principal característica es la de ocasionar movimientos, debidos a cambios de humedad, en forma de hinchamientos y retracciones del suelo sobre el que se apoyan las cimentaciones, y que provocan en la mayoría de los casos daños estructurales importantes.

En España un 32% de las formaciones geológicas existentes contienen arcillas expansivas, y un 67% del territorio se encuentra bajo climas en los que pueden producirse cambios de humedad representativos en el suelo, con periodos de sequía entre 2 y 8 meses.

Las denominadas arcillas «expansivas» entrañan un peligro para las cimentaciones en forma de asientos en periodos de sequía y levantamientos en periodos húmedos. Esta alternancia de asientos y levantamientos provoca daños en los muros de viviendas unifamiliares.

Los períodos de gran sequía conducen a una fuerte disminución del volumen en algunos suelos arcillosos.

En periodos de grandes sequías, como ocurrió en los años 1989-1990, estratos arcillosos relativamente profundos y hasta ese momento sin problemas, se encontraron de pronto afectados por movimientos diferenciales que agrietaron gravemente varios miles de construcciones.

La sequía dio lugar a que, en los suelos con fuerte retención de agua como son las arcillas con predominio de montmorillonita, se produjera una evaporación de gran intensidad hasta una profundidad de 2 a 4 m. Téngase en cuenta que, en la alternancia de una estación normal, las variaciones en el contenido de agua del suelo perturban su equilibrio hídrico en una profundidad no superior a 1 m.

Esta evaporación conduce a una fuerte disminución del volumen del suelo arcilloso por expulsión del agua (una decena de cm).

Este proceso puede agravarse localmente por la presencia, en las proximidades de edificaciones, de una vegetación con una significativa necesidad de agua como: robles, álamos, fresnos, etc.

Otro factor de gran importancia es que los movimientos del suelo no han sido uniformes bajo los edificios, ya que ellos mismos constituyen pantallas contra la evaporación. Como resultado se producen esfuerzos diferenciales importantes entre el centro del edificio y su periferia, llegando a observarse descalces de zapatas en las esquinas, que pueden alcanzar en los casos más graves 3 – 4 cm.

En algunos casos, los desperfectos afectan también a las instalaciones, e incluso, a los elementos exteriores a la propia edificación (aceras, calzadas, red de alcantarillado, redes de suministros, etc.).

Hay que señalar que, debido a la naturaleza de las arcillas afectadas, en un periodo lluvioso posterior, puede desarrollarse un efecto contrario de hinchamiento o dilatación. Así, cuando los suelos arcillosos recuperan el agua, su volumen aumenta y la cimentación se levanta.

Se puede observar, de forma general, lo siguiente:

• A corto plazo (en los primeros ciclos anuales), y sobre todo en los edificios construidos en período seco, se producen levantamientos en la periferia de las edificaciones provocados por la dilatación que acompaña a las primeras lluvias. Mientras que, el centro, al abrigo de las penetraciones de agua directas, queda estable.

• A largo plazo (tres a cinco años), se produce un aumento continuo del contenido de agua bajo el centro del edificio, sobre todo si el nivel freático es poco profundo. Mientras que su periferia (especialmente las esquinas) permanece más expuesta a las variaciones climáticas. El efecto global se traduce en una dilatación máxima en el centro, y una alternancia de levantamiento-asiento en la periferia.

Estos movimientos diferenciales dan lugar a esfuerzos alternos en las construcciones, muy particularmente en los muros de construcciones ligeras como las viviendas unifamiliares. Se producen grietas similares a las descritas anteriormente, a las que hay que añadir el efecto de fatiga debido a esta alternancia de esfuerzos, que son capaces de llevar al edificio a un estado de ruina.

DESCRIPCIÓN

Para el estudio de las patologías producidas por las arcillas expansivas, es importante conocer su origen, su naturaleza y su comportamiento frente a los cambios de humedad.

Las arcillas expansivas, pertenecen a un grupo mineralógico muy amplio de materiales de naturaleza química silícea denominados silicatos y, dentro de estos, a los Filosilicatos o silicatos laminares. Así, a grandes rasgos y en función del tipo de arcilla, entre lámina y lámina, se emplazarán en mayor o menor medida las moléculas de agua que producirán el hinchamiento.

Las arcillas provienen de la alteración físico-química de minerales que forman parte de otras rocas preexistentes. En función de qué roca se altera y en qué grado, se originan una serie de minerales denominados “minerales de la arcilla”.

Los materiales arcillosos susceptibles de sufrir hinchamiento o procesos de expansividad, y que permiten una entrada muy grande de agua entre las láminas de su estructura, son principalmente los pertenecientes al grupo de las esmectitas. Hay que indicar que, cuando el catión interlaminar es el sodio, las esmectitas tienen una gran capacidad de hinchamiento, pudiendo llegar a producirse la completa disociación o separación de las láminas, y teniendo como resultado un alto grado de dispersión y un máximo desarrollo de propiedades coloidales, que dan lugar a propiedades especiales como las de los lodos estabilizadores tixotrópicos o bentonitas. Si tienen Ca o Mg como cationes de cambio, su capacidad de hinchamiento será mucho más reducida.

El origen de las patologías por arcillas expansivas, depende directamente de tres factores que pueden interaccionar entre sí, y que son:

• La naturaleza geológica y geotécnica del suelo, en concreto, su contenido en finos.

• El grado de expansividad del suelo.

• Los cambios de humedad. Debido a la estación en la que nos encontremos o por otros factores externos tales como rotura de tuberías de abastecimiento de agua, de saneamiento, zonas de riego abundante, existencia de árboles de crecimiento rápido y hoja caduca próximos al edificio, etc., se produce la hidratación y deshidratación del terreno.

La determinación del espesor de la capa activa es un problema no del todo resuelto, tanto por la complejidad matemática de los modelos como por la dificultad para determinar los parámetros del suelo, agravado por cuestiones difícilmente cuantificables como la fisuración y su influencia en la transmisión de humedad, la infiltración y la evaporación por la superficie. Como consecuencia, en la práctica se utilizan procedimientos empíricos, generalmente la experiencia en la zona.

Dada la permeabilidad de las arcillas, la variación debida a factores climáticos difícilmente podría ir más allá de 1 ó 2 m, pero la fisuración en épocas secas, mayor cuanto más expansiva es la arcilla, supone una penetración mayor. En España hay documentadas profundidades de hasta 4 m. Al cerrarse las grietas en temporada de lluvias, dejan una capa freática colgada fácilmente detectable que queda un poco por encima de la profundidad activa.

Ahora bien, no siempre la causa de los cambios de humedad son los cambios climáticos. La propia edificación, al impedir la evaporación de agua, varía el equilibrio de humedad del terreno.

IDENTIFICACIÓN DE LA EXPANSIVIDAD

Cuando la obra a proyectar se encuentra en una zona construida, la observación de las construcciones existentes es la mejor fuente de información. Si en la zona hay arcillas expansivas, habrá obras con patologías con casi total seguridad.

La expansividad del terreno se puede identificar a simple vista por las siguientes características:

• El suelo humedecido es muy plástico, pegajoso y moldeable. También es resbaladizo y se adhiere fuertemente al calzado y a las ruedas de los vehículos. Las huellas dejadas en él quedan muy marcadas y son duraderas.

• Si el terreno está seco, es duro y aparece fisurado, pudiéndose partir con cierta dificultad con las manos. En los taludes se desprenden trocitos muy duros.

• En estado seco se agrieta en la superficie. La profundidad de las grietas dependerá del grado de expansividad.

• Parten con rapidez las vallas de fábrica y las aceras.

• En invierno no suelen existir hormigueros en terrenos expansivos, porque al hincharse el terreno termina comprimiéndolos y cerrándolos.

Si no tenemos indicios visibles habrá que recurrir a ensayos, preferiblemente empezando por ensayos sencillos y baratos que permitan aumentar su número, ya que la expansividad de los suelos es muy heterogénea (puede verse afectada por vetas de terreno o diferencias de humedad).

A priori, un solo ensayo no garantiza identificar o no un suelo expansivo, sólo la coincidencia de resultados de varios ensayos supone cierta fiabilidad. Entre los ensayos más básicos que nos permiten deducir el peligro de expansividad de una arcilla están los límites de Atterberg.

Desde el punto de vista geotécnico, los suelos plásticos o arcillosos, son aquellos capaces de deformarse sin agrietarse, cambiando su consistencia al variar el contenido de agua. En función de los cambios de contenido de humedad se dan diferentes estados físicos, siendo los límites para cada estado de consistencia los conocidos como límites de Atterberg: límite líquido (LL), límite plástico (LP) e índice de plasticidad (IP), que son el punto de partida para la estimación de la expansividad de un suelo.

Holtz y Gibbs propusieron, ya en los años 50, una relación entre el índice de plasticidad (IP) y el potencial de hinchamiento. Un IP menor de 15 implica un potencial de hinchamiento bajo; entre 10 y 35 un potencial de hinchamiento medio; entre 20 y 55 un potencial de hinchamiento alto; y a partir de 35 el potencial de hinchamiento es muy alto. Es curioso que lo autores solaparan valores para resaltar la imprecisión del método, que debe apoyarse en otros ensayos.

No obstante, el ensayo más común relacionado directamente con la expansividad es el Lambe (UNE 103600:1996), que consiste en valorar la expansividad que experimenta una probeta de suelo compactado en unas condiciones de humedad establecidas. El cambio de volumen potencial de un suelo queda comprendido en uno de los siguientes grupos: no crítico, marginal, crítico y muy crítico. Esta asignación se realiza a partir de un valor denominado índice de hinchamiento, que se define como la presión necesaria para reducir el hinchamiento de la muestra a un valor muy pequeño en las condiciones que se fijan en la propia UNE. Se trata de un ensayo relativamente barato y rápido, que se puede realizar con muestras alteradas.

Por último, el ensayo más aceptado desde el punto de vista cuantitativo, aunque también el más costoso, es el Ensayo de Presión de Hinchamiento en Edómetro. Se denomina presión de hinchamiento a la presión efectiva que evita la expansión de un suelo durante su saturación.

La presión de hinchamiento se puede estimar en laboratorio, a partir de muestras inalteradas, con el ensayo de hinchamiento nulo en edómetro (UNE 103602:1996). Las condiciones de este ensayo difieren de las reales, por lo que se complementa con el ensayo de hinchamiento libre en edómetro (UNE 103601:1996), que permite corregir los datos del primero.

La diferencia fundamental entre un ensayo Lambe y un ensayo de Presión de hinchamiento en edómetro es el tiempo del ensayo. El Lambe es un ensayo de 2 h de duración, por lo que el tiempo para que el agua penetre en una muestra de baja permeabilidad es muy escaso, y lo que mediríamos en realidad es el inicio de la presión de hinchamiento. Sin embargo, en el ensayo de Presión de hinchamiento en edómetro (UNE 103602:1996) 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.

En este último ensayo, cuando se monta la muestra en el edómetro con la presión de ajuste de 3 kPa, debe dejarse sin cargar el tiempo necesario para que la muestra expanda. Si la cargamos inmediatamente, estaremos impidiendo el acceso del agua a la muestra. Cuando la muestra esté hinchada, se la cargará progresivamente hasta llegar a la deformación de +/- 0.01 mm que pide la Norma. La carga total aplicada para llegar a esa deformación, será el valor de la Presión de hinchamiento de la muestra.

La presión que efectivamente se puede desarrollar sobre el edificio depende de la humedad existente en el suelo cuando se construye la cimentación. Se ha verificado que la intensidad e incluso el tipo de los daños varían según la época de construcción. Los mayores daños se observan en edificaciones construidas al final de la estación seca y consisten en levantamientos de las esquinas, ya en el primer invierno. En las casas construidas en primavera las esquinas bajan.

Algunos índices relacionados con la expansividad serían:

• Actividad coloidal del suelo: A = IP / (%<2μ)

Si la actividad coloidal A > 1.25, implica que son suelos altamente expansivos.

Si la actividad coloidal A = 0.6, implica que son suelos bastante expansivos.

• Si w/LL < 0.25, se trata de suelos con potencial expansivo muy alto.

• Si el índice de desecación: w/LP < 0.6, se trata de suelos muy peligrosos.

• Según Sowers, las arcillas de alta plasticidad no entumecen si su contenido inicial de humedad corresponde a un índice de fluidez: (w-LP) / IP ≥ 0.2

En general y de forma orientativa, el grado de expansividad se puede determinar en función de las propiedades geotécnicas de los suelos según las siguientes Tablas:

Otra forma de determinar el grado de expansividad sería mediante el gráfico de VIJAYVERGIYA Y GHAZZALHY (1973):

MEDIDAS CORRECTORAS

Una vez caracterizado el grado de expansividad, hay que actuar en consecuencia no sólo con el diseño de la cimentación, sino con el de la propia estructura y su entorno.

Hay que tener en cuenta que pueden obtenerse presiones de hinchamiento superiores a 0.25 MPa (2.5 kg/cm²), lo que hace que el terreno al aumentar de volumen no sea capaz de levantar únicamente los elementos estructurales y no estructurales que cargan poco (correas de atado, soleras, etc.), sino también puede producir el levantamiento de la propia cimentación al superar la tensión transmitida.

Para evitar la aparición de patologías, deberán seguirse una serie de recomendaciones generales, de las cuales deberán elegirse todas o algunas en función del caso particular:

• Profundidad de apoyo. Realizar el apoyo de la cimentación lo más alejada posible de la capa activa. Si se trata de una estructura de edificación, mejor con sótano que sin él. La solución de cimentación a adoptar (zapatas, pozos de hormigón pobre, pilotes, etc.), deberá apoyar a una profundidad suficiente sobre las zonas del sustrato menos expuestas a los cambios de humedad y oscilaciones del nivel freático, intentando evitar así la capa activa. Generalmente en nuestro país, por debajo de 3,00 – 3,50 m no hay a priori problemas por cambios de humedad, siempre y cuando no exista un nivel de agua o actuaciones antrópicas que produzcan dichos cambios.

• Cargas. La presión de hinchamiento no superará nunca la tensión de trabajo de la cimentación. Se podrá disminuir la acción de las arcillas expansivas siempre y cuando la tensión transmitida por cada zapata, pozo o pilote sea regular y constante, no debiendo aparecer diferencias importantes de carga de unas a otras. Deberá calcularse los posibles movimientos diferenciales y distorsiones angulares, estimando si es necesario profundizar la cimentación para evitar posibles daños.

Si se trata de zapatas, no hay que ser generosos con el tamaño de la zapata. Imaginemos que tenemos una tensión admisible de 0.2 MPa. Cuando dimensionemos las zapatas a hundimiento lo haremos precisamente con esa tensión admisible (no algo menos de forma que la zapata sea más grande y dotemos a la cimentación de más seguridad, ya que en este caso ocurriría justo lo contrario). Consideraremos la estructura con la menor carga posible (sólo con permanentes) y comprobaremos que, con la tensión transmitida en estas condiciones, superaremos la presión de hinchamiento.

En el caso de no conseguir encajar las zapatas y tener que recurrir a losa (contraproducente en el caso que nos ocupa, ya que minimizamos la tensión transmitida), la dimensionaremos con exigentes criterios de rigidez, para prevenir movimientos diferenciales.

En los dos casos anteriores de cimentación superficial, podemos minimizar aún más los efectos de la expansividad:

1. Disponiendo una capa de grava (encachado de grava) bajo la cimentación, de forma que cuando las arcillas se hinchen “fluyan” entre los espacios de la grava que hará de “colchón” y evitará los empujes directos sobre la base de la cimentación.
2. No hay que olvidarse de los laterales. Si la superficie lateral del cimiento es importante, las arcillas pueden crear una tensión superficial ascendente nada despreciable. Se recomienda interponer en los laterales de la zapata o losa un material (como puede ser una lámina de poliestireno) que impida que las arcillas produzcan ese empuje ascensional sobre el canto.

Los pilotes también pueden dar buen resultado, pero hay que tener en cuenta que pueden funcionar como tirantes si el terreno “tira” hacia arriba de ellos. Lo que haremos es anclarlos lo suficiente en la zona inferior a la activa. Para mejorar el efecto podemos hacer algo similar a lo anterior, es decir, en la zona activa interponer un elemento de baja rugosidad (por ejemplo, un tubo de PVC o de acero) de forma que las arcillas no se peguen y produzcan un empuje hacia arriba sobre el fuste. Evidentemente, en la zona superior donde dispongamos la camisa permanente, no consideraremos resistencia por fuste en los cálculos a hundimiento. Bajo el encepado, puede recurrirse a la capa de gravas citada anteriormente de forma que el terreno no produzca presiones elevadas sobre su base al expandirse.

Respecto a la estructura, lo más recomendable es hacerla lo más isostática posible de forma que admita los movimientos derivados del terreno sin crear esfuerzos adicionales.

• Sistema de cimentación. Los pozos, zapatas, pilotes, etc., deberán en todos los casos estar perfectamente arriostradas en dos direcciones, con vigas de atado adecuadamente armadas. Tanto la cimentación como las vigas riostras deberán separarse del terreno en todas sus caras (en pozos perimetralmente) con una capa de zahorra de unos 15 cm que amortigüe los posibles empujes del suelo sobre las mismas. Deberá evitarse en todos los casos el apoyo directo de soleras sobre el sustrato expansivo, recomendándose la ejecución de forjados sanitarios con una correcta ventilación y debidamente calculados.

En la ejecución de la cimentación, deberá evitarse la exposición prolongada del sustrato de apoyo a la intemperie, excavándose y hormigonándose en el menor tiempo posible.

Zapata sobre pozo de hormigón pobre armado.

• Sistemas constructivos que soporten o amortigüen los cambios de volumen:

1. Empujes horizontales:

• Si tenemos un sótano, no rellenar el trasdós con arcillas expansivas.
• Es recomendable forrar la cimentación con un material compresible (por ejemplo, poliestireno expandido) con un espesor entre 6 y 9 cm, que absorba gran parte de los esfuerzos laterales del suelo al deformarse (ver figura).

• Empujes verticales:

• Cimentación por debajo de la zona activa.
• Emplear cimentaciones profundas. Por ejemplo, pilotes que atraviesen el estrato del suelo expansivo. Esta solución debe considerar el rozamiento entre el pilote y el suelo expansivo como rozamiento negativo.
• En el caso de cimentaciones superficiales, tenemos que transmitirle al terreno presiones mayores que las de hinchamiento del suelo. Por este motivo evitaremos el empleo de losas de cimentación, ya que estas generan menores presiones al repartir las cargas. Por tanto, utilizaremos zapatas siempre y cuando el terreno nos lo permita.
• Plantearemos una estructura más rígida que en condiciones normales, con zuncho de coronación.

• Conducciones subterráneas. Deberán controlarse todas las conducciones subterráneas, saneamientos, canalizaciones y tuberías, para evitar roturas o fugas de agua que alteren el estado de humedad del suelo. Siempre que sea posible mediante colectores colgados. Se recomienda mantener vistos los conductos de fontanería y saneamiento para que, en el caso de rotura o fugas, puedan detectarse y repararse con rapidez. Cuanto menor sea la longitud enterrada mejor. Tubos de saneamiento de PVC preferiblemente y con uniones pegadas o con junta tórica. Utilizar arquetas prefabricadas y registrables.

• Urbanización exterior. Aceras amplias e impermeables dispuestas de forma perimetral, que mantengan el grado de humedad constante en el terreno, con pendiente hacia el exterior de forma que no se acumule agua, y cuneta en el borde exterior. Pavimentaciones extensas impermeables debidamente armadas para evitar roturas.

Evitar la construcción de piscinas debido al riesgo de posibles pérdidas de agua.

Con grados medios-altos y altos de expansividad, evitar el riego excesivo de las zonas ajardinadas que deberán disponer de un sistema adecuado de drenaje que impida cambios de humedad del suelo y donde se evitará la plantación de especies caducifolias y de ribera (chopos, alisos, sauces, olmos, etc.) próximos a los edificios y sus cimentaciones.

• Drenaje. Sistemas de drenaje perimetral efectivos, con tubos dren profundos y sistemas que eviten la colmatación de los mismos (geotextiles, etc.) y permitan la correcta evacuación de las aguas superficiales.

• Actuaciones sobre terrenos expansivos. Otra opción consiste en evitar la expansividad mediante métodos como la sustitución del suelo expansivo o el cambio de su naturaleza (compactación controlada, estabilización química, barreras, etc.). A continuación, se muestran las alternativas más aceptadas en cuanto a actuaciones sobre los terrenos expansivos:

1. Eliminación del terreno expansivo. Si el edificio tiene sótanos, sólo habrá que verificar que sobreasan la profundidad de la capa activa. Si el edificio no tiene sótano, habrá que efectuar un relleno controlado y cimentar sobre él, proceso delicado pero conocido. En ocasiones, el coste de la sustitución puede conducir a optar por añadir un sótano y dejarlo sin uso o con él.

• Cambio en la naturaleza de un suelo expansivo. Existen varios métodos:

• Compactación: Compactando el terreno bajo ciertas condiciones de densidad específica y humedad se puede reducir su potencial expansivo. La efectividad de esta solución depende de las condiciones climáticas, pero en general es poco utilizada.

• Prehumedecimiento: Consiste en humedecer la arcilla antes de la construcción, de modo que quede ya expandida y cualquier alteración de su volumen se encamine a la reducción de éste y no a su aumento. Es un procedimiento artesanal demasiado lento.

• Instalación de barreras de agua: Consiste en zanjas rellenas de hormigón o alguna membrana impermeable rodeando el perímetro hasta una profundidad de alrededor de 1.5 m, de modo que se eviten las variaciones de humedad bajo la construcción.

• Estabilización del suelo: Consiste en la mezcla de cal y cemento con la capa superior del suelo (entre 1 y 2 m) y su posterior compactación. La cal o el cemento disminuyen el límite líquido, el índice de plasticidad y, con ello, la capacidad de expansión del suelo.

• Inyecciones: Las inyecciones tradicionales en esta aplicación son las lechadas de cal o de cal y ceniza volátil hasta una profundidad de unos 4 ó 5 m, incluso más si la capa activa lo requiere.

CONSIDERACIONES SOBRE CIMENTACIONES SUPERFICIALES

Una manera de abordar la construcción sobre arcillas expansivas es asumir su empuje y diseñar la estructura de manera que sea capaz de resistir esos empujes. Generalmente, la distribución de empujes es de dos tipos: grandes empujes en el centro y pequeños en los bordes, o grandes empujes en los bordes y pequeños en el centro; no obstante, pueden darse situaciones menos regulares.

Si el edificio es lo bastante rígido, no se deformará ante estos empujes. Para conseguir esta rigidez hay dos vías fundamentales: hacer muy rígida toda la estructura o hacer muy rígida la cimentación.

El primer planteamiento es más económico, pero conlleva estrictas servidumbres arquitectónicas, la estructura será muy robusta y tendrá gran presencia.

El segundo planteamiento supone un mayor coste porque dispone de menos altura para conseguir la rigidez. Puede concretarse en vigas de cimentación (preferiblemente con forjado sanitario, ya que las soleras sufren mucho la expansión de las arcillas) o en losas de cimentación.

Cuando se produce el hinchamiento del terreno en la periferia del edificio, la losa, muy rígida, tiende a apoyarse en esas zonas y a quedar en vacío en el interior.

Cuando se produce en hinchamiento del terreno en el interior del edificio (o la retracción del terreno en la periferia) la losa tiende a apoyarse en esa zona central y trabajar en vuelo. Los esfuerzos son enormes.

Las losas no son una buena solución sobre terrenos expansivos ya que hay que dotarlas de una rigidez muy grande, y los esfuerzos que aparecen debidos a empujes ascendentes obligan a armar estas losas de forma poco económica.

En el caso de no poder atravesar la capa activa con cimentaciones superficiales, es preciso hacer un cálculo de tensiones sobre el terreno en dos estados de carga del edificio:

• La mínima tensión transmitida por cualquier elemento de cimentación al terreno considerado, debe ser superior a la presión de hinchamiento del terreno.
• La tensión transmitida al terreno con el edificio en servicio no debe superar la tensión admisible de éste.

El problema se plantea cuando los valores de presión de hinchamiento y tensión admisible están muy próximos o se encuentran invertidos (la tensión admisible es inferior a la presión de hinchamiento), en estos casos, la cimentación superficial no es viable y es preciso actuar con pozos de cimentación, cimentación profunda o sistemas de cambio de la naturaleza del terreno.

CONSIDERACIONES SOBRE CIMENTACIONES SEMIPROFUNDAS

Otra forma de abordar la problemática de cimentar sobre arcillas expansivas es a través de un diseño de cimentaciones en consonancia con el efecto de la expansividad. La característica fundamental de un terreno expansivo es su capacidad de cambiar de volumen con la aparición de agua. Así pues, nuestro objetivo será realizar cimentaciones que atraviesen la capa activa de las arcillas expansivas y resistan cualquier transmisión de esfuerzos debidos a la expansividad de dicha zona activa.

La forma más fácil y económica de hacerlo es a través de pozos de cimentación. Estas cimentaciones permiten cimentar a cotas del orden de la capa activa sin problemas, aunque hay que prever el efecto de las arcillas sobre las paredes del pozo ya que puede elevarlo.

Al realizar el pozo de cimentación conseguimos, por un lado, aumentar el peso de la cimentación, con lo que el terreno encontrará más oposición para levantar la cimentación (esta solución es recomendable sobre todo en edificios pequeños donde se transmite poca carga a la cimentación) y, por otro lado, al realizar el pozo salvamos los primeros metros de arcillas que son los más activos, ya que es donde se producen los cambios de humedad.

No obstante, como se ha comentado anteriormente, cuando se realizan pozos en arcillas expansivas hay que tener en cuenta el posible rozamiento negativo que se produce en el fuste del pozo, sobre todo en los tres primeros metros de acillas que son los más activos. Para paliar este efecto se pueden adoptar soluciones como la de colocar láminas de porexpan, previo a su hormigonado, en las paredes del pozo de cimentación, de esta forma se crea una superficie que permite el deslizamiento entre el terreno y el pozo.

CONSIDERACIONES SOBRE CIMENTACIONES PROFUNDAS

Construir pilotes hasta alcanzar terreno estable es un método muy oneroso, pero eficaz, por lo que se utiliza cuando se trata de edificios donde su repercusión sea asumible (generalmente edificios altos, donde la cimentación repercute poco) o donde no es suficiente otra solución, como es el caso de edificios delicados que exigen deformaciones mínimas o de suelos muy expansivos donde otras soluciones no funcionarían.

Cuando las arcillas se expanden, tienden a levantar los pilotes, que deben anclarse suficientemente en terreno estable y resistir la consiguiente tracción. Pueden producirse también esfuerzos laterales.

Una manera de reducir los esfuerzos sobre los pilotes es utilizar encamisados en forma de tubos metálicos que permitan el deslizamiento entre terreno y pilote, en este caso se puede negligir los efectos adversos de la capa activa, si bien tampoco se puede contabilizar esta longitud para el cálculo de la resistencia por fuste.

Ya en los años sesenta Mohan y Chandra ofrecieron una estimación muy simple de la fuerza ascendente como el producto del área del fuste incluido en la capa activa por la mitad de la resistencia a corte de la arcilla. Mariotti y Khalid matizaron que este valor de la resistencia a corte debía medirse en estado desecado, antes de hinchar. Los esfuerzos de tracción sobre el pilote dependen de la época de construcción, si se construye al final del verano son mucho mayores.

Así pues, en los pilotes (y micropilotes) que atraviesen la capa activa de un estrato expansivo aparece una fuerza que tiende a elevar el pilote debido al rozamiento terreno-pilote, lo que nos obliga a anclarlo en la zona estable para no ser arrancados, además las armaduras han de ser suficientes (en diámetro y longitud) para resistir la tracción.

Un método sencillo de cálculo de dicho esfuerzo ascendente es a través de la siguiente fórmula:

F = r . h . a . P₀

Donde:

r es el perímetro del pilote (m)

h es la profundidad activa de las arcillas (m)

a es el factor de adherencia cuyo valor se aproxima a 0.15

P₀ es la presión de hinchamiento del terreno (kN/m²)

Este esfuerzo debe sumarse a cualquiera de las cargas que actúan sobre el pilote en caso de estar traccionado. Para pilotes comprimidos es preciso comprobar que la presión de trabajo del pilote no sea inferior a la ascendente ya que, en ese caso pasaría a estar traccionado.

Para compensar la fuerza de tracción F, no es necesario que la armadura alcance la totalidad del pilote, ya que los esfuerzos a tracción se compensan con el peso propio de los pilotes y con el rozamiento por fuste en la zona estable:

F = P_p/ml . L + R_f (L – h)

Donde:

F es la fuerza tracción (kN)

P_p/ml es el peso propio del pilote por metro lineal (kN/m)

R_f es la resistencia por fuste del terreno por metro lineal de pilote (kN/m)

H es la profundidad activa de las arcillas (m)

L es la longitud de las armaduras: incógnita a despejar en esta expresión (m)

EJEMPLOS DE PATOLOGÍAS PROVOCADAS POR LA EXPANSIVIDAD

• Construcción ejecutada en época de sequía. Grietas producidas en una fachada de muro de carga, al elevarse las esquinas en la época húmeda.

Empuje horizontal desde el interior, por estar el terreno húmedo y desecarse el exterior. Pierde apoyo el cimiento y se produce el vuelco del mismo, apareciendo grietas.

Las zanjas corridas son contraproducentes, ya que suelen ser muy superficiales, le transmiten poca presión al terreno, presentan grandes superficies laterales y quedan afectadas por los empujes horizontales.

Para una mejor comprensión, ver la siguiente figura, donde el terreno exterior está desecado y agrietado, haciendo que la cimentación pierda apoyo. El terreno interior está húmedo y ejerce un empuje lateral sobre la cimentación.

• La elevación de una zapata por expansividad se puede confundir con el asiento de dos zapatas, y aunque existe gran diferencia se expone un ejemplo para evitar confusiones.

En el supuesto de la elevación de una zapata por expansividad lo primero en partir son los cerramientos, con grietas en diagonal que se alejan de forma ascendente de la zapata que se ha elevado.

Si la elevación es muy pronunciada rompen los zunchos y las vigas, con fisuras abiertas por su cara superior en la unión con el pilar que se ha elevado. En el otro extremo de la viga, la rotura se produce por la cara inferior.

• En una zapata que se ha construido en terreno expansivo saturado de agua, no existe presión de hinchamiento, ya que el terreno está expandido. Lo que si existirá cuando se quede sin agua será una desecación y una retracción.

En este caso, los zunchos y vigas parten por la cara inferior, junto a la unión del pilar o zapata que asienta, y también por el extremo más alejado de la cara superior.

• Cuando se trata de la elevación de dos zapatas extremas, las grietas se alejan de ellas de forma ascendente. Y para no confundirlas con el asiento de una zapata central, se deben observar los pórticos transversales que son los que nos confirman con su forma de romper que es lo que sucede. En este caso rompería también el cerramiento del pórtico central.

Aunque muchas veces hay parecido entre los distintos tipos de grietas y causas que la originan, lo importante es aprender a leerlas, y ello se consigue en base a la experiencia, recopilación de información, y conociendo cómo se deforman los elementos.

• Cuando sólo es expansiva la capa superior del terreno y la cimentación apoya sobre suelo firme, no quedará la edificación afectada por el hinchamiento o las contracciones del terreno, pero sí le afectará a la cimentación perimetral el empuje lateral.

Lo elementos muy superficiales como aceras, vallas, farolas, pilastras, casetillas de contadores, etc., quedan más afectados por la expansividad.

• Si el terreno es expansivo y el nivel freático se encuentra a un nivel superior de la base de la cimentación, la edificación quedará afectada como en el caso anterior.

Pero aquí el problema puede ser más perjudicial debido a que el nivel freático puede descender por cualquier causa, como pudiera ser un achique de agua en el solar medianero u otro cercano, o en épocas de gran sequía. Entonces aparecerán grietas en la edificación al descender la cimentación.

• Cuando una acera se ha realizado en época de sequía, al saturarse de agua el terreno en una época posterior, se hincha y eleva el extremo de ésta, apareciendo en su cara superior una fisura cerrada en sentido longitudinal; no pudiéndose observar la grieta abierta que parte la acera por quedar bajo ella.

• En los casos de desecación o contracción, las grietas que se forman suelen llegar hasta una profundidad de 3 a 4 m, que es donde el terreno tiene una humedad más constante, llamada profundidad activa o nivel isohidrático, y que es la profundidad adecuada para realizar la cimentación.

La desecación será mas acentuada en épocas de grandes sequías, donde surgen fisuras en edificios que anteriormente no habían tenido, a causa de la fuerte desecación del terreno. El período más crítico de una construcción es después de una prolongada sequía y justo antes de un período de grandes lluvias.

En terrenos expansivos con fuerte pendiente, al mojarse y reblandecerse por la lluvia, puede producirse un deslizamiento superficial del terreno en forma de flujo, como si se tratase de una lava viscosa.

Las edificaciones de muros de carga y zanjas corridas son las más afectadas, especialmente cuando la cimentación se realiza muy superficial en época húmeda. En este caso, las grietas aparecen en las esquinas de fachada por el asiento debido a la retracción del terreno, al faltarle humedad.

• Cuando se produce el asiento de las esquinas, si el material de agarre es menos resistente que la fábrica, entonces las grietas se ubican en las llagas de los ladrillos.

• Cuando la estructura está formada por pórticos, con cimentación muy superficial ejecutada sobre terreno húmedo, lo más probable es que en época de sequía, al desecarse el terreno exterior se retraiga, y se origine un descenso de las zapatas del perímetro, ocasionando grietas en los cerramientos de fachada. Las esquinas son las más afectadas por quedar en voladizo.

Es conveniente no confundir esta patología con los daños causados con una retracción de la estructura pues, aunque las grietas tienen el mismo sentido, en la retracción de la estructura se ubican en los pórticos más altos, mientras que en un asiento por desecación se sitúan en los pórticos más bajos.

Si la acera se ejecuta en época húmeda, al retraer el terreno que no está protegido, baja de altura, cediendo el borde de la acera y quedando en voladizo. Aparece una grieta abierta por flexión en el sentido longitudinal que se denomina “efecto de borde”.

• En el terreno no sólo se originan empujes ascendentes y descendentes, también se producen empujes laterales que afectan normalmente a los elementos que confinan el terreno y no lo dejan expandirse. En la figura se indica cómo al hincharse el terreno, produce un empuje lateral y desplaza hacia el exterior la valla de fábrica apoyada sobre el zuncho, quedando ésta en un plano más saliente.

A continuación, se indica un resumen de los daños más frecuentes que suelen producirse en terrenos expansivos sobre las edificaciones:

• Movimientos en las edificaciones por cimentar muy superficialmente, sin llegar a la profundidad activa.
• Elevación de la edificación, por ejecutar la cimentación sobre terreno desecado o retraído.
• Elevación de las aceras y vallas por hinchamiento del terreno.
• Rotura a flexión en zunchos de cimentación ejecutados sobre terreno seco.
• Descenso de la edificación por cimentar sobre terreno húmedo o expandido.
• Descenso de vallas, aceras y tabiques por retracción del terreno.
• Giro y asiento en cimentaciones superficiales.
• Movimientos de losas de cimentación cuando son superficiales.
• Rotura en las redes de saneamiento.

REPARACIÓN DE DAÑOS

Las actuaciones a llevar a cabo para la reparación de los daños producidos por procesos de expansividad son complejas y de elevado coste. Los principales métodos de reparación son:

• Recalces en cimentación, mediante bataches o micropilotaje.

• Zunchados horizontales y refuerzos en la estructura, tales como zócalos armados y atados a la cimentación rodeando el edificio, vigas de atado a nivel de cubierta y forjados intermedios, rigidización de marcos de puertas y ventanas, empleo de contrafuertes, etc.

DIFERENCIAS ENTRE ENCACHADO DE GRAVAS O BOLOS Y ZAHORRA

Al hablar de las cargas, dentro de las Medidas Correctoras, se ha hecho mención a los encachados de gravas como una forma de minimizar los efectos de la expansividad en las cimentaciones superficiales. Creo oportuno incluir una breve explicación en este apartado, para que quede claro a qué tipo de material nos estamos refiriendo.

Se denominan bolos al árido grueso, o lo que es lo mismo, a la grava. Mientras que zahorra, se denomina al material granular de granulometría continua, utilizado como capa de firme, y definida por el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para obras de carreteras y puentes (PG-3), donde se incluyen unas tablas con la granulometría de los distintos tipos de zahorra.

Zahorra:

La zahorra, definida por el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para obras de carreteras y puentes (PG-3), incluye áridos finos y se puede compactar. De hecho, se debe humedecer y compactar por tongadas a la hora de crear un firme, que es precisamente su cometido.

A continuación, se incluyen las granulometrías de los distintos tipos de zahorras, según PG-3:

Encachado de gravas o bolos:

Las funciones principales del encachado de gravas o bolos son las siguientes:

• Evitar la humedad por capilaridad.

Puesto que el encachado es un árido grueso, existirán grandes huecos entre unas “piedras” y otras. Estos huecos imposibilitarán la ascensión del agua procedente del terreno por capilaridad (capacidad que tiene el agua de ascender) hasta el elemento que tengamos encima de nuestro encachado.

Para evitar la mezcla del hormigón de la solera con el encachado, se dispone sobre el encachado una lámina de polietileno impermeable o lienzo de plástico.

• Actuar como colchón para la solera.

El encachado de gravas o bolos, al ser “piedras” sueltas no lo podemos compactar (para compactar hacen falta áridos finos), así que no lo podemos utilizar como una mejora del firme existente. Al no estar compactado, las gravas o bolos se pueden mover y esta característica es la que nos permite utilizar el encachado de gravas o bolos como un colchón para el elemento constructivo que tenemos encima, aislando a este de los pequeños movimientos que se puedan producir en el terreno.

Si no tuviésemos el encachado, si el terreno se mueve, el elemento constructivo que estaría apoyado sobre este terreno se partiría (en la figura se representa con una solera):

RECOMENDACIONES GENERALES

Las patologías en la cimentación de edificaciones provocada por la presencia de arcillas expansivas no es un fenómeno imprevisible. Las consecuencias, en caso de sequía prolongada, pueden ser calamitosas.

Toda capa arcillosa debería ser objeto de una investigación mínima sobre su capacidad o potencial de expansividad.

La cimentación sobre arcillas expansivas es posible siempre y cuando se cuantifique con exactitud el grado de expansividad y se tomen las medidas adecuadas a cada situación, siempre por supuesto del lado de la seguridad.

Será estrictamente necesario tomar las precauciones necesarias para no producir cambios de humedad durante la ejecución, así como verificar un saneamiento estanco y una red de drenaje que impida la llegada de agua a la cota de apoyo.

Juan Pablo Guzmán Franco

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