VIII CCG 2000 – Sociedad Colombiana de Geotecnia

CIMENTACIONES EN SUELOS EXPANSIVOS: PRÁCTICA LOCAL.

GERMAN A. VILLAFAÑE R., IC, ME.Profesor Universidad del Valle, Cali.CARLOS ARTURO CORONADO R., ICProfesor Universidad Javeriana, Cali.

LUIS CARLOS RÍOS G., ICGerente de SAYA Ltda, Cali.

RESUMEN: Se hace una descripción del subsuelo y del clima de la ciudad de Cali. Se recomiendan los aspectos quedebe contemplar el programa de exploración geotécnica del subsuelo y se concluye que tanto el ensayo decontracción de las muestras por secado lento, como el de succión por el método del papel de filtro, son sencillos,económicos y confiables para la determinación de las relaciones humedad/succión -cambio volumétrico del terreno.Se recomiendan las medidas preventivas que deben tomarse al iniciar el proceso de construcción, con el fin dealterar lo menos posible el equilibrio dinámico del subsuelo y reducir los potenciales cambios de humedad/succión,y por tanto reducir las expansiones/contracciones del subsuelo. Se discute el efecto negativo de la “rocamuerta”como material de relleno. Se presentan algunas recomendaciones para el diseño estructural de las soluciones decimentación mas utilizadas.

1. INTRODUCCIÓN

El acelerado crecimiento de la ciudad de Santiago deCali en los últimos 50 años, ha ocasionado una grandemanda de vivienda en edificaciones livianas (1 a 5pisos), la mayor parte de ellas en la zona plana y enterrenos cuyos estratos superiores están constituidospor arcillas de medio a alto potencial contractoexpansivo. Los daños que se han venido presentandoen las edificaciones cimentadas superficialmente enestos terrenos, se manifiestan progresivamentemediante fisuramientos, agrietamientos y giros deconjunto de los muros y elementos estructurales, a causade movimientos diesiguales de sus cimientos,especialmente en los años de prolongados períodos deverano e invierno, como los causados por losfenómenos del Niño y de la Niña, ocasionandoconsiderables pérdidas económicas aún nocuantificadas, litigios y en algunos casos la demolicióntotal de la edificación.

En los países desarrollados también se pierdengrandes cantidades de dinero a causa de estefenómeno, ya que de una parte la práctica del diseño yconstrucción está limitada por la falta de entendimientodel comportamiento de los suelos expansivos,especialmente la interacción suelo estructura, y por otrael costo de las soluciones de cimentación seincrementa considerablemente. El fenómeno es de talmagnitud y afecta a tantos países, que ya se hanrealizado ocho (8) conferencias internacionalesexclusivamente sobre el tema, y muchas naciones haninvertido recursos importantes en trabajos deinvestigación, que han conducido a la adopción deguías de diseño para las cimentaciones deedificaciones livianas en suelos expansivos (BRAB-

USA, 1968; US Army COE, 1983; BRGM-France, 1986,ACI 360R, 1992).

El propósito de este artículo es compartir la experienciade los autores en la práctica de la mecánica de suelosno saturados y dar algunas recomendaciones para eldiseño y construcción de cimentaciones para lasedificaciones livianas en los suelos expansivos locales,parcialmente saturados, con el fin de mejorar sucomportamiento y reducir las pérdidas económicas poreste concepto.

2. EL SUBSUELO LOCALY EL CLIMA

En la mayor parte de los lotes disponibles paraprogramas de vivienda a corto y mediano plazo, en lazona plana del área metropolitana de la ciudad de Cali(Figura 1), los estratos superiores del subsuelo (3.0 m a6.0 m) están constituidos de arcillas y limos arcillosos(CH, MH-CH, MH), de origen aluvial y en algunos sitiosde deposición lacustre, de edad Cuaternaria,pertenecientes a la llanura de inundación de los ríosCauca y sus afluentes. Donde estos suelos seencuentran parcialmente saturados su potencialexpansivo es medio a alto.

En las zonas donde se han presentado los mayoresdaños a las edificaciones, especialmente en el norte dela ciudad, se ha comprobado que los suelos contienenaltos porcentajes de montmorilonita, con minerales dealuminio, magnesio y en menor proporción hierro ycalcio. La humedad, antes de cubrir los lotes con lasedificaciones, está próxima al límite plástico o conalgunos puntos porcentuales por debajo. Es normal unrango de humedades entre 25 % y 35%, con laexcepción de algunos sitios (en el metro superior del

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subsuelo) que pueden haber sido sometidos aprocesos intensos de evapotranspiración.

Figura 1. Lotes para programas de vivienda (Fuente: POT1999, Alcaldía de Cali, Plano No 8-26)

El límite líquido varía entre 60 y 110, el índice deplasticidad entre 30 y 60 (Figura 2), y el de contracciónentre 5 y 10.

Figura 2. Ubicación de suelos del norte de Cali en la cartade plasticidad .

La expansión en el edómetro a la humedad natural, quese mide inundando la muestra después de colocarleuna carga igual a la presión que tenía en el terreno(ASTM D 4546), varía entre 3 % y más de 10 %. Lapresión de expansión, o presión requerida para llevarlas muestra saturada a la posición que tenía antes deinundarla, está en el rango entre 0.5 Kg/cm² y 6.0Kg/cm², para condiciones extremas de desecación. Elíndice de penetración estándar (SPT) varía entre 10 y30.

En los años que no se presentan los fenómenos delNiño o de la Niña, en el norte de la ciudad laprecipitación promedia anual es alrededor de 1000 mm,mientras que en el sur es de 1400 mm. En los mesesde enero, febrero, julio y agosto se registran las lluviasmínimas, y la evapotranspiración generalmente excedea la precipitación, ocasionando una notoria desecacióndel subsuelo.

3. EXPLORACIÓN GEOTÉCNICA

Se recomienda que el programa de exploracióngeotécnica para el estudio de las cimentaciones en lossuelos expansivos locales contemple los siguientesaspectos:

3.1 Reconocimiento del área

Se recomienda observar el comportamiento deedificaciones similares en las zonas aledañas, encuanto a señales de asentamientos diferenciales,pérdida de verticalidad, fisuras, etc, como resultado deprocesos de expansión y contracción volumétrica delsubsuelo. Si el reconocimiento se realiza en verano, serecomienda verificar la existencia de grietas en lasuperficie del terreno, tanto en el sentido vertical comohorizontal.

Los mapas geológicos y geomorfológicos del área, yespecialmente las fotografías aéreas estereoscópicasde años anteriores, son útiles para la identificación depaleodrenajes que se encuentran cubiertos por eventosnaturales o antrópicos en los procesos urbanísticos(Figura 3). Estos paleodrenajes pueden ocasionarimportantes incrementos en el contenido de agua delsubsuelo durante las temporadas de lluvias, y por lotanto altas expansiones y posteriores contraccionesdiferenciales en el terreno durante el verano.

CARTA DE PLASTICIDAD

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40

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60

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110Limite Liquido (LL %)

Indi

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%)

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Figura 3. Fotografía aérea del norte de Cali y restitución depaleodrenajes

Se recomienda verificar y precisar su localización,profundidad, dimensiones y materiales, mediantetécnicas de exploración directas o indirectas. La técnicaindirecta denominada Bristow-Type Surveys (USDepartment of the Army, 1995), basada en perfileshorizontales de resistividad eléctrica, parece ser unaherramienta útil para éstos propósitos. Los autores hanobtenido buenos resultados utilizando las antiguastécnicas de la radiestesia.

3.2 Exploración de campo

Se recomienda realizar la exploración de campo deacuerdo a los requisitos establecidos en los capítulosH.3, H.6 y H.7 de las normas NSR-98 (AIS, 1997). Serecomienda que por lo menos el 50 % de los sondeosreconozcan suficientemente los materiales que seencuentran por debajo de la zona potencialmenteactiva del subsuelo, o sea por debajo de la zona desuelos expansivos en la cual se estima que puedanocurrir fluctuaciones de la humedad durante la vida útildel proyecto.

Dado que el índice de liquidez de estos suelosgeneralmente es cercano a cero, o negativo, laresistencia a la penetración de los tubos muestreadoreses alta, por lo que se recomienda que el sistemahidráulico de los taladros de perforación tenga lasuficiente capacidad para penetrarlos a presión sin

tener que recurrir a los golpes, debido a que estapráctica altera la estructura de las muestras.

Se recomienda evaluar el régimen de las aguassubterráneas, el nivel freático y las probablesfluctuaciones durante la vida útil del proyecto, dado queestas condiciones son muy importantes para definir laprofundidad de la zona potencialmente activa delsubsuelo. Lentes o bolsas de materiales granularespueden pertenecer a paleodrenajes y propiciarcondiciones favorables para variar estacionalmente lahumedad en el subsuelo, incrementadoconsiderablemente la zona potencialmente activa.

3.3 Ensayos de laboratorio

Existen muchos criterios para identificar y clasificar lossuelos expansivos, basados principalmente en el valordel límite líquido, el índice de plasticidad, el límite decontracción y el contenido de partículas coloidales(Tabla H.6.1 de las NSR-98). Tradicionalmente laexpansión del suelo se ha medido en el laboratoriomediante el ensayo de expansión-consolidación (ASTMD 4546), en el cual se mide el porcentaje de expansiónde la muestra al saturarse, y seguidamente la presiónrequerida para regresarla a su volumen inicial (presiónde expansión). Algunos investigadores han encontradoque el diámetro de las muestras (3”), el confinamiento yla rigidez del edómetro imponen serias limitaciones alos resultados de estos ensayos, ya que tienden asobre-estimar el porcentaje de expansión, enmagnitudes hasta del 100 %, y la presión de expansiónen mayor grado, especialmente en arcillas fisuradas(Abduljauwad, S. N. y otros, 1998).

Desde 1985 los autores han venido realizandorutinariamente un ensayo de laboratorio para evaluar elpotencial de contracción de las muestras al secarse alaire, el cual han denominado “ensayo de contracciónpor secado lento” (Villafañe, 1988; 1991; Villafañe yotros, 1998). La prueba es de fácil ejecución yeconómica pues no requiere de equipos especiales.Consiste en registrar el proceso de contracción de lasmuestras de los tubos Shelby al secarse al airelentamente. Diariamente se miden sus dimensiones y lapérdida de peso, hasta el límite de contracción. En laFigura 4 se muestran los resultados de la deformaciónvertical ∆e (%), medida en algunas muestras del nortede la ciudad de Cali, para una pérdida de humedad ∆w(en puntos porcentuales) entre 0 % y 25 %. Las curvasmuestran que para ∆w = 15 %, ∆e varía entre 5.5 % y6.5 % (use ∆e = 6 %). El valor del índice promedio decontracción lineal del subsuelo, por cada punto

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porcentual de pérdida de humedad es: ∆e/∆w =6%/15% = 0.40. Este valor es característico de lossuelos de la zona e indica un potencial contractoexpansivo muy alto.

En la última década se han realizado muchasinvestigaciones que demuestran la confiabilidad de losensayos de succión (los cuales miden la presión de porosnegativa en el suelo parcialmente saturado), parapredecir el potencial de expansión-contracción delterreno al cambiar su humedad (Wray, 1984; Wray, 1987;McKeen, 1992; Lee y Wray, 1995; Wray, 1997). Estasinvestigaciones concluyen que el método del papel defiltro (ASTM D 5298, 1993) es el más sencillo yeconómico para medir la succión del suelo en la prácticade la mecánica de suelos no saturados, pues suprecisión es adecuada y el costo es aproximadamente elmismo del de un ensayo estándar de humedad. Sinembargo, en el ámbito mundial, aún son muy pocos losconsultores que utilizan esta tecnología para laevaluación de casos reales (Thomson y McKeen, 1995;Reed y Kelly, 1995). En la ciudad de Cali, los autores hanrealizado unos cuantos ensayos académicos para medirla succión del suelo por el método del papel de filtro(Jaramillo, 1995). Se espera que esta técnica se utiliceen un futuro cercano para el análisis geotécnico de lascimentaciones en los suelos expansivos locales, encombinación con los ensayos de contracción porsecado lento.

Figura 4. Deformación vertical de muestras del norte de Calien ensayos de secado lento.

Para desarrollar los modelos constitutivos deproblemas de la mecánica de suelos no saturados,

relacionados con los cambios volumétricos, flujo deagua y resistencia al esfuerzo cortante, en el últimolustro se ha propuesto el uso de las curvas delaboratorio que relacionan humedad-succión (curvacaracterística suelo agua), permeabilidad–succión yresistencia al esfuerzo cortante-succión. Estasrelaciones se pueden determinar en el laboratoriomediante mediciones directas, pero su costo esrelativamente alto. Las investigaciones actuales estánencaminadas a encontrar métodos indirectos quepermitan obtener la curva característica suelo agua, aun bajo costo, a partir de las propiedades básicas delsuelo, como la relación de vacíos, saturación, gravedadespecífica, límite líquido, granulometría y densidadseca (Fredlund, 1998, Leong y Rahardjo, 1997;Fredlund, Wilson y Fredlund, 1997a; Fredlund, Wilson yFredlund, 1997b; Reddi y Poduri, 1997; Fredlund, 1995;Fredlund y Xing, 1994).

4. EXPANSIÓN/CONTRACCIÓN DEL TERRENO

4.1 Factores que desequilibran el terreno.

Cuando el hombre interviene el terreno, altera elequilibrio que la naturaleza establece entre el suelo, lavegetación y el clima. Al edificar, o simplemente cubrirel terreno, se interrumpe su equilibrio pues se altera elgradiente térmico existente en el subsuelo y seproducen fenómenos de migración de agua y accióncapilar. Esto ocasiona un aumento desigual de lahumedad en la zona activa, el cual esconsiderablemente mayor en el centro del áreacubierta, y por lo tanto se produce una expansióndesigual del terreno.

En terrenos de intensa dinámica fluvial, como son los dela ciudad de Cali, los climas estacionales producenfluctuaciones del nivel freático que también ocasionancambios de humedad/succión desiguales en el subsuelo.En las zonas donde hay evidencias que existenpaleodrenajes en el subsuelo, la cabeza hidráulica enellos es más alta y la humedad del terreno se incrementadurante la temporada lluviosa, ocasionando expansionesdesiguales del terreno.

En la Figura 5 se muestran los perfiles de variación dela humedad en un terreno al norte de la ciudad de Cali,en diferentes años, hasta 7.0 m de profundidad. Losincrementos en la humedad se deben a la construcciónde un conjunto de casas que cubrió el terreno en el añode 1993. También se cubrieron las zonas verdes conpisos de concreto. Con base en las fotografías aéreasde años anteriores, en los sondeos exploratorios y en la

y = 0.4408x

y = 0.4202x

y = 0.4193x

y = 0.3502x

y = 0.3726x

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2.0

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0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0

Humedad (punto porcentual)

Def

orm

ació

n (%

)

S2 - M3: 3.70 - 4.70 m (USCS: MH-CH)

S2 - M4: 5.20 - 6.20 m (USCS: CH)

S2 - SH1: 3.20 - 3.70 m (USCS: MH-CH)

S2 - M2: 2.20 - 3.20 m (USCS: CH)

S2 - SH2: 4.70 - 5.20 m (USCS: CH)

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radiestesia, se comprobó la existencia depaleodrenajes en el lote. Los primeros registros de lahumedad del subsuelo que se presentan en la Figura 5se obtuvieron en diciembre de 1992, cuando el terrenoestaba descubierto, y los últimos en noviembre de1997. Se deduce que los mayores incrementos dehumedad (∆w) se han presentado a 2.0 m deprofundidad, y han sido de unos 20 puntosporcentuales. En promedio, la humedad ha aumentadode 25 % a 40 % en la zona activa del subsuelo (15puntos porcentuales), la cual se deduce que llega hastaunos 5.0 m de profundidad.

Figura 5. Variación de la humedad de un terreno edificadoal norte de Cali alterado por paleodrenajes.

La vegetación y especialmente las raíces de losárboles ornamentales que se siembran al urbanizar losterrenos, al extraer el agua que necesitan para susupervivencia también afectan el equilibrio dinámico delsubsuelo. En los meses del año en que laevapotranspiración excede a la precipitación se reducedesigualmente la humedad de la zona activa. Sepresenta mayor reducción de humedad en las áreas

descubiertas y con mayor vegetación, mayor succión ypor lo tanto se produce una mayor contracción delterreno en estas áreas. En la Figura 6 se muestran losperfiles de variación de la humedad de un terrenourbanizado en el norte de Cali, en el cual es evidente laalteración que ha ocasionado la vegetación. De loscuatro sondeos mostrados, los sondeos S-3 y S-4fueron realizados en la zona en la cual la vegetaciónestá en etapa de crecimiento. Se deduce que, enpromedio, la vegetación ha ocasionado una reducciónde humedad (∆w) en unos 7 puntos porcentuales, yque la zona activa del subsuelo llega también hastaunos 5.0 m de profundidad. Los autores han atendidoun buen número de casos de asentamientosproducidos por árboles cuando han sido sembrados enlas cercanías de las edificaciones, y el suministro deagua es deficiente ya sea por el clima o por reducciónexcesiva del área descubierta expuesta a la lluvia. Lasubstitución selectiva de los árboles ha restablecido elequilibrio dinámico del subsuelo y ha detenido elproceso de desecación y asentamiento.

Figura 6. Variaciónl de la humedad de un terreno al norte deCali alterado por árboles ornamentales.

Otro de los factores que desequilibra lahumedad/succión de los terrenos de la ciudad de Cali,es el movimiento de tierra que se realiza previo a laconstrucción de las edificaciones. Primero se retira lacapa vegetal, la cual debido a su baja permeabilidadprotege al subsuelo de la evaporación excesiva y de lainfiltración de las aguas lluvias. Seguidamente secoloca una o varias capas de un material granular

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Humedad (%)

Pro

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(m)

Septiembre de 1997

Noviembre de 1997

Septiembre de 1997

Dicembre de 1992

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Humedad (%)

Pro

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did

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m)

S-1 (2000)

S-2 (2000)

S-3 (2000)

S-4 (2000)

1987

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meteorizado, permeable, de origen residual,denominado “rocamuerta”, el cual se explota en losCerros Occidentales de la ciudad, en los perfiles demeteorización de la roca diabásica (FormaciónVolcánica, Kv). En muchos casos se reemplaza la capavegetal por la “rocamuerta” mas gruesa que se explotaen las canteras, dejando al terreno en condiciones mascríticas para el control de los cambios de humedad,pues la evaporación se aumenta en el verano y lainfiltración de las aguas lluvias se incrementa en elinvierno. Las fugas de las redes del acueducto yalcantarillado se acumulan en el relleno y tambiénincrementan las expansiones diferenciales de la zonaactiva.

En los barrios construidos en el norte de Cali durantelos años 70, los rellenos se conformaban con suelosresiduales de baja permeabilidad, provenientes de losCerros de Menga y Arroyohondo, de los perfiles demeteorización de la rocas Terciarias de la FormaciónGuachinte (areniscas, limolitas, lutitas, shales ycarbones). Estos materiales, mucho menos permeablesque la “rocamuerta”, a los cuales se les denominaba enaquella época “tierra amarilla”, actuaban como capasprotectoras de la humedad del subsuelo, y, por razonesobvias, las expansiones y contracciones del terreno enestos barrios, y los daños a las edificaciones, han sidode menor magnitud.

4.2 Predicción de expansiones/contracciones.

A pesar de la cantidad de factores que desequilibran lahumedad/succión del terreno durante la vida útil de lasedificaciones, lo cual hace muy complejo predecirconfiablemente los cambios diferenciales de humedadque ocurrirán en las diferentes capas de la zona activadel subsuelo (∆wi), los cálculos para estimar lasexpansiones/contracciones totales esperadas en elterreno (∆HT) deben realizarse con base en los valoresestimados de ∆wi . Por los motivos enunciados en elTítulo 3.3 de este artículo, los autores aún prefierencalcular ∆HT en función de los cambios de humedad(∆wi), en lugar de los cambios en la succión del suelo,mediante la siguiente ecuación:

∆HT = Σ ∆wi (∆ei/ ∆wi) ∆ti (1)donde:∆wi = cambio estimado de la humedad de la capa i

(en puntos porcentuales).∆ei/ ∆wi = índice de contracción lineal de la capa i.∆ti = espesor de la capa i ( m ).

Como ejemplo de aplicación de la ecuación (1) para losterrenos del norte de la ciudad de Cali, con cinco

capas en la zona activa (i = 5), cada una con espesor(∆ti) de 1.0 m, para las cuales se estima un cambio enla humedad (∆wi) de 10 %, y se mide en el laboratorioun índice de contracción lineal de las capas (∆ei/∆wi)de 0.40, las expansiones/contracciones totalescalculadas (∆HT) son de 0.20 m.

5. CIMENTACIONES

Para fines del análisis geotécnico de las cimentaciones,se recomienda clasificar el terreno, de acuerdo a laexpansión/contracción total esperada, tal como seindica en la Tabla 1.

Tabla 1. Clasificación del terreno en función de laexpansión total (BRGM).Expansión total

(m)Grupo

Menor que 0.0050.005 – 0.0150.015 – 0.0500.050 – 0.100

Mayor que 0.100

12345

5.1 Medidas preventivas.

Para edificaciones de la ciudad de Cali proyectadas enterrenos clasificados en los grupos 3, 4 y 5, con el finde alterar lo menos posible el equilibrio dinámico delsubsuelo y reducir los potenciales cambios dehumedad/succión, y por tanto lasexpansiones/contracciones del subsuelo, los autoresrecomiendan que se tomen las siguientes medidasindependientemente de la solución de cimentación quese adopte: a) cubrir el terreno, sobre el cual se hanproyectado las edificaciones, con membranasimpermeables, tal como lo recomienda el Cuerpo deIngenieros de Norteamérica (US Army, 1983) y laBRGM de Francia (1986); b) conformar los rellenos con“tierra amarilla” de baja plasticidad y bajapermeabilidad, adecuadamente compactada, en lugarde la “rocamuerta” ; c) cubrir las áreas perimetrales conandenes (barreras horizontales) y/o barreras verticales; d) diseñar drenajes para las aguas de escorrentía, ysubdrenajes interceptores de los paleodrenajes ydemás flujos de aguas subterráneas; e) utilizaralcantarillados estancos y rellenos compactados con“tierra amarilla”, de baja permeabilidad, resistentes alos movimientos desiguales del subsuelo; y f) separarlas edificaciones de los árboles ornamentales y lairrigación de plantas y jardines.

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Debido a que el uso de geomembranas aún no se hapopularizado en la construcción de edificaciones, losautores han experimentado con polietilenos de altadensidad y geotextiles no tejidos punzonados poragujas, con el fin de reducir los cambios de humedadbajo las áreas cubiertas, especialmente en lospavimentos de concreto asfáltico. Los movimientosregistrados en la subrasante han sido menores alutilizar los geotextiles, si se comparan con los casos enque estos no se utilizan (Villafañe y Paz, 1993). Losautores también han experimentado con subdrenajesinstalados perimetralmente y por debajo de lasedificaciones construidas ya hace algunos años, y losresultados también han sido alentadores como paracontinuar experimentando con este tipo de solucionesque conducen a restablecer el equilibrio dinámico delsubsuelo.

El prehumedecimiento ha sido poco utilizado, ya que seestima que se requiere mucho tiempo (años) para queel agua penetre en la zona activa del subsueloexpansivo antes de iniciar la construcción de lasedificaciones. Adicionalmente, la pérdida de capacidadde soporte del terreno dificulta las operaciones deconstrucción.

Aunque se ha demostrado que la cal es un efectivo yconfiable estabilizador químico de suelos expansivos,los autores no conocen buenas experiencias alrespecto en la ciudad de Cali. Los constructores nodisponen de equipos adecuados para pulverizar elsuelo en el sitio del tratamiento, o para realizarinyecciones a presión, y no se consigue en la región calhidratada de alta pureza a precios razonables.

5.2 Soluciones de cimentación.

Diseñar los cimientos de las edificaciones livianas aprofundidades donde la expansión no es tan severa, hasido una de los métodos universalmente utilizadosdesde el siglo XIX para reducir los movimientos de lasedificaciones en suelos arcillosos. La BSI (BritishStandard Institution, 1986) exige una profundidad decimentación como mínimo de 0.90 m para cualquieredificación cimentada en arcilla, y mayoresprofundidades donde hay árboles cerca.Desafortunadamente la práctica de profundizar loscimientos desapareció en la ciudad de Cali desde losaños de 1980, y fue reemplaza por la de diseñarcimientos sobre los rellenos en “rocamuerta”, aprofundidad cero o negativa, con base en mallas devigas de concreto reforzado, de muy poca rigidez parasoportar las expansiones/contracciones diferencialesdel terreno, aun cuando cumplan los requisitos del

CCCSR-84 y las NSR-98 (Título E). Los autores hantenido que atender un gran número de casos depatología de edificaciones diseñadas con estos criteriosen terrenos de los grupos 3, 4 y 5, ya que las capassuperiores del subsuelo son muy vulnerables a loscambios de humedad, y ocasionan distorsionesangulares de sus cimientos de magnitudes entre 1/100y 1/200. Algunas edificaciones de 5 pisos del norte dela ciudad, con estructura de muros de concretoreforzado, han presentado giros hasta magnitudes de1/250.

Cuando en terrenos del Grupo 5 se han proyectadoedificaciones que requieren un nivel de calidad 1(excelente), los autores han diseñado micropilotespreexcavados y placas aéreas, de 0.30 m de diámetropara reducir la fricción del fuste en la zona activa. Laprofundidad para llevar al pilote hasta donde lahumedad del subsuelo es estable (por debajo de lazona activa), ha sido del orden de 6.0 m. En cambio,cuando se han utilizado “caissons” de 0.80 m dediámetro y 2.0 m de profundidad, estos no se hancomportado adecuadamente.

Si en terrenos del Grupo 5 se requieren menoresniveles de calidad (2 y 3), se recomienda el uso delosas de cimentación rigidizadas con vigas de peraltespoco usuales (mayores de 0.50 m). Existen variosmétodos de diseño que consideran las condiciones delclima, los parámetros del suelo (expansión, distanciade variación de la humedad y rigidez), las condicionesde las cargas de la estructura, y las dimensiones yrigidez de la losa (Brab, 1968; Lytton, 1972; Walsh,1978; Swinburne y otros, 1980; PTI, 1980; ACI, 1992).Los autores están investigando la aplicabilidad de losmodelos numéricos de interacción suelo-estructuradesarrollados para losas de cimentación en terrenos delos grupos 1 y 2 (Villafañe y otros, 1989), al análisis delosas de cimentación en terrenos del Grupo 5.

6. AGRADECIMIENTO

Los autores agradecen al Departamento de Mecánicade Sólidos de la Universidad del Valle, a la UniversidadJaveriana – Seccional Cali y a la firma SAYA Ltda porel apoyo recibido para la realización de este trabajo.

7. REFERENCIAS

Abduljauwad, S.N., Al-Sulaimani, G.J., Basunbul, I.A.and Al-Buraim, I. (1998). “Laboratory and Field Studies

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of Response of Structures to Heave of Expansive Clay”.Geotechnique 48, No 1, 103-121.

Alcaldía de Santiago de Cali (1999). “Plan deOrdenamiento Territorial (POT)”, Santiago de Cali.

American Concrete Institute – ACI (1992). “ Design ofSlabs on Grade,” ACI 360R-92.

Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica (1997).“Normas Colombianas de Diseño y Construcción SismoResistente, Ley 400 de 1997, Decretos 33 y 34 de 1998y 1999”. Bogotá.

ASTM D 4546. “Test Methods for One DimensionalSwell or Settlement Potential of Cohesive Soils.”

ASTM D 5298 (1993). “Standard Test Method forMeasurement of Soil Potential (Suction) Using FilterPaper,” Annual Book of ASTM Standards, 04.08 (4).

BRAB - Building Research Advisory Board (1968).“Criteria for Selection and Design of Residential Slabs-on-Ground,” Publ. 1571, National Academy of SciencesRep. No 33 to Federal Housing Administration, USA.

BRGM-France (1986). “La Construction EconomiqueSur Sols Gonflants,” Sous la Direction de P. Mouroux àla Demande du Plan Construction et Habitat.

BSI – British Standard Institution (1986). “BS 8004,Foundations,” London.

Fredlund, M.D. (1998). “Unsaturated Seepage ModelingMade Easy,” Geotechnical News, ASCE GEOSPEC,June.

Fredlund, M. D., Wilson, G. W. and Fredlund, D.G.(1997ª). “Indirect Procedures to DeterminateUnsaturated Soil Property Functions”, Proceedings ofthe 50th Canadian Geotechnical Conference, Ottawa,Canada, October.

Fredlund, M. D., Wilson, G. W. and Fredlund, D.G.(1997b). “Prediction of the Soil-Water CharacteristicCurve from the Grain-Size Distribution Curve,”Proceedings of the 3rd Symposium on UnsaturatedSoils, Rio de Janeiro, Brazil, April.

Fredlund, D.G. and Xing, A. (1994). “ Equations for theSoil Water Characteristic Curve,” CanadianGeotechnical Jour., Vol. 31, 521-532.

Jaramillo, J. N. (1995). “Método del Papel de Filtro paradeterminar la Succión del Suelo”. Trabajo de Gradopara Optar el Título de Ingeniero Civil, Universidad delValle, Cali.

Lee, H.C. y Wray, W.K, (1995). “Techniques toEvaluate Soil Suction-A Vital Unsaturated Soil WaterVariable,” Proceedings 1st Int. Conf. On UnsaturatedSoils, Paris, Vol II, 615-622.

Leong, E.C. y Rahardjo, H., (1997). “Review of Soil-Water Characteristic Curve Equation,” ASCE Jour. ofGeotech. and Geoenvir. Eng., Vol. 123 No 12.

Lytton, R.L. (1972). “ Design Criteria for Concrete Matson Unstable Soils”, Third Internatinal American Conf.Materials Tech., Rio de Janeiro Brazil, 171-177.

McKeen, R.G. (1992). “A Model for PredictingExpansive Soil Behaviour,” Proceedings of the 7thInternational Conference on Expansive Soils, Dallas,Tx, Vol. I, 438-442.

Post-Tensioning Institute, PTI (1980). “Design andConstruction of Postensioned Slabs-on-Ground”,Phoenix, Arizona.

Redi, L.N. y Poduri, R. (1997). “Use of Liquid LimitState to Generalize Water Retention Properties of Fine-Grained Soils,” Technical Note, Geotechnique 47, No 5,1043-1049.

Reed, R. F. y Kelly, M. (1995). “ Application of SoilSuction in Dallas Fort Worth, “ASCE Soil SuctionsAplications in Geotechnical Engineering Practice,Geotechnical Special Publication No 48.

Thomson, R. W. and McKeen, R. G. (1995). “HeavePrediction Using Soil Suction, a Case History,” ASCESoil Suctions Aplications in Geotechnical EngineeringPractice, Geotechnical Special Publication No 48.

US Army Corps of Engineers (1995). “GeophysicalExplorations for Engineering and EnvironmentalInvestigations”, Deparment of the Army, EM1110-1-1802, August.

US Army Corps of Engineers (1983). “Foundations inExpansive Soils,” Department of the Army, TechnicalManual TM 5-818-7.

Villafañe, G., (1988). “Asentamientos Diferenciales enEdificaciones sobre Suelos Arcillosos: Podemos Seguir

VIII CCG 2000 – Sociedad Colombiana de GeotecniaGERMAN A. VILLAFAÑE R., CARLOS A. CORONADO R. Y LUIS CARLOS RÍOS G.CIMENTACIONES EN SUELOS EXPANSIVOS: PRÁCTICA LOCAL.

Ignorándolos?”, Quintas Jornadas Geotécnicas,Sociedad Colombiana de Ingenieros, Bogotá.

Villafañe, G., Gómez, G. y García, J., (1989). “InteracciónEstática Suelo-Estructura de Cimientos Superficiales,”Informe Final de Investigación, Universidad del Valle,Cali, Marzo

Villafañe, G., (1991). “Patología de las Edificaciones enSuelos Expansivos,” Primer Encuentro de Ingenieros deSuelos y Estructuras, Bogotá.

Villafañe, G., y Paz, J., (1993). “Patología de losPavimentos en los Suelos Expansivos de la Ciudad deCali,” IX Simposio Colombiano sobre Ingeniería dePavimentos, Bucaramanga, noviembre.

Villafañe, G., Ríos, L. C. y Coronado, C. A., (1998).“Cimentaciones en Suelos Expansivos: Comentarios a laNorma NSR-98,” CPC 1ER Seminario, Secretaría deCoordinación y Control, Gobernación del Valle, Cali.

Walsh, P. R. (1978). “The Analysis of Sttiffened Rafts onExpansive Clays”, Tech. Paper No 122, CSIRO, Divisionthe Building Research, Australia.

Wray, W. K. (1984). “ The Principle of Soil Suction andits Geotechnical Engineering Applications,”Proceedings 5th International Conference on ExpansiveSoils, South Australia, Vol I, 114-118.

Wray, W. K. (1987). “Evaluation of Static EquilibriumSoil Suction Envolopes for Predicting Climate-InducedSoil Suction Changes Ocurring Beneath CoveredSurfaces,” Proceedings 6th International Conference onExpansive Soils, New Delhi, Vol I, 235-240.

Wray, W. K. (1997). “ Using Soil Suction to EstimateDifferential Soil Shrink or Heave,” ASCE UnsaturatedSoil Engineering Practice, Geotechnical SpecialPublication No 68.