Suelos metaestables (2): ensayos de laboratorio sobre suelos expansivos

7: Suelos metaestables: suelos expansivos y colapsables

7.4. Ensayos de laboratorio sobre suelos metaestables

La valoración del grado de peligrosidad de un suelo metaestable y de los efectos que el mismo puede causar sobre una construcción requiere, si se pretende un acercamiento riguroso a las variables más significativas que influyen en el caso, de la realización de ensayos que permitan la simulación en condiciones controladas de los procesos que se dan en la realidad, y especialmente de aquellos relacionados con las variaciones de la humedad del terreno.

Solo para el caso de suelos granulares colapsables, y especialmente suelos licuables, la realización de ensayos «in situ» puede aportar información suficiente y adecuada para sancionar la peligrosidad del terreno, y cuantificar sus propiedades a efecto de valorar los parámetros de diseño del edificio. En este sentido cabe mencionar la realización de ensayos de penetración estática (CPT_u) o en su defecto y en términos más cualitativos, la de ensayos de penetración estándar (SPT), en base a los cuales existen clasificaciones empíricas que relacionan sus resultados con el potencial de licuación del terreno.

7.4.1.    Evaluación de la expansividad

Dado que la expansividad se produce exclusivamente en suelos arcillosos, y que es precisamente en este tipo de suelos en los que es factible la toma de muestras inalteradas de buena calidad, los procedimientos de estudio del fenómeno se basan en la realización de ensayos de laboratorio que reproducen el comportamiento del material ante las variaciones de la humedad.

Los ensayos de valoración de la expansividad más usuales consisten en la colocación de la muestra en una célula edométrica convencional (véase el capítulo 4.3. de este blog) y determinar bien el cambio de volumen, o bien la tensión de hinchamiento que manifiesta la muestra como resultado de la humectación de la misma, provocada por la inundación de la célula (debida a la cual el suelo cuenta con agua libre disponible.)

El ensayo denominado de «hinchamiento libre» consiste en la humectación del suelo permitiendo la expansión vertical de la probeta en la célula edometrica (recordemos que el confinamiento lateral de la misma impide deformaciones horizontales). El ensayo denominado de «determinación de la presión máxima de hinchamiento» impide precisamente esta expansión vertical, al aplicar la tensión vertical necesaria para compensar dicho hinchamiento.

Ambos ensayos se realizan sobre muestras inalteradas del terreno, partiendo de la humedad que se estime más adecuada, bien sea la humedad original del suelo (que frecuentemente se encontrará en la zona saturada, es decir, con una humedad superior al límite de retracción), o bien a una humedad inferior a la original, caso en el cual se evaluarán unas condiciones más desfavorables a las presentes en el terreno, si las mismas se consideran probables.

La siguiente tabla [adaptada de I. González Vallejo et al: Ingeniería Geológica (p. 109)] propone una gradación del riesgo potencial de hinchamiento en función de los resultados de los ensayos de hinchamiento libre y de la determinación de la tensión máxima de hinchamiento:

Un test específico similar a la determinación de la presión máxima de hinchamiento es el popular ensayo de Lambe, consistente en la preparación de una probeta de suelo recompactada en unas condiciones estandarizadas de humedad inicial. En este caso a la probeta también se la impide una expansión lateral, confinándola en un anillo. Una vez que se procede a la inundación de la célula se determina la tensión máxima de expansión mediante un anillo dinamométrico solidario con el bastidor que ejerce de reacción ante la fuerza de expansión que manifiesta la muestra al hinchar. El valor de esta tensión máxima de hinchamiento permite una clasificación cualitativa del material en función de unos ciertos grados de expansividad potencial.

Tanto dicho ensayo como la clasificación que el método lleva aparejada fueron ideados por T.W. Lambe como resultado (parece ser) de un encargo que recibió por parte de cierta compañía de seguros americana, con el fin de concebir un método sencillo y rápido de determinar la peligrosidad de una arcilla respecto a su potencial expansivo.

El test de Lambe es un ensayo de identificación, y bajo ningún concepto el valor de la tensión máxima de hinchamiento que se obtiene del mismo puede ser utilizado para predecir cuantitativamente la tensión máxima real que puede solicitar una cimentación por efecto de la expansión del suelo la sustenta, para lo cual deberán realizarse ensayos específicos sobre muestras inalteradas, tales como la determinación de la presión máxima de hinchamiento (recordemos que el ensayo Lambe parte de una muestra que se disgrega y se recompacta en condiciones preestablecidas.)

Esquema del aparato de Lambe (ANEOR, norma UNE 103.600/93)

Aparato de Lambe

Gráfica de Lambe, de la que se obtiene la clasificación del suelo (No crítico, Marginal, Crítico o Muy Crítico) en función de la tensión de hinchamiento obtenida (en ordenadas), trasladando el resultado a la gráfica que corresponda (según cual sea la humedad de partida) (ANEOR, norma UNE 103.600/93)

Algunos ensayos de identificación, y en especial la valoración de la plasticidad, permiten también una aproximación cualitativa al potencial expansivo del suelo, pudiéndose, por ejemplo, descartar que en caso de arcillas exista un riesgo de expansividad para valores inferiores a un rango determinado del límite líquido, o considerando muy posible que el suelo sea expansivo para valores del límite líquido superiores a un valor de referencia. En cualquier caso, y al igual que lo expuesto para el ensayo Lambe, estas aproximaciones deben tomarse también como indicativas, y ser manejadas con prevención.

La siguiente tabla (compendio de varias fuentes) presenta una propuesta de valoración cualitativa del potencial de expansión en función de los ensayos de identificación básicos (plasticidad y porcentaje de arcillas determinado mediante granulometría por sedimentación):

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