Expansión libre y controlada

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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS

CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

MECÁNICA DE SUELOS 2

PRÁCTICA No. 6

TEMA: “EXPANSIÓN LIBRE Y CONTROLADA”

GRUPO No. 7

INTEGRANTES:[pic 2]

SEMESTRE: QUINTO               PARALELO: IC5-006

DOCENTE: ING. SANTIAGO MALDONADO MSc.

FECHA DE ELABORACIÓN: 8/07/2022

FECHA DE ENTREGA: 15/08/2022

PERIODO ACADÉMICO: 2022 – 2022

1. INTRODUCCIÓN:

En el presente documento se detalla y se muestran los resultados del ensayo realizado en el laboratorio de mecánica de suelos en la Facultad de Ingeniería en la Universidad Central del Ecuador  en el cual se pudo evidenciar la expansión libre y controlada de una muestra de suelo cuando esta haya incrementado su volumen producto de un exceso de agua es decir cuando dicha muestra se encuentre saturada; así también es importante mencionar que dicha práctica de laboratorio se efectúa siguiendo los lineamientos establecidos en la norma ASTM D 4546.

Los suelos expansivos son aquellos que sufren procesos de expansión y contracción, adicionalmente presentan ciertas características las cuales generan dificultades a las estructuras asentadas sobre los mismos. En estos suelos se producen cambios considerables en su volumen debido a que en los poros el contenido de agua es variable; por consiguiente, al sufrir un aumento en su contenido de agua estos se hinchan y se originan presiones de expansión, en ocasiones estas llegan a niveles tan elevados que pueden incluso llegar a levantar estructuras; al contrario, cuando se produce el efecto inverso y se genera perdida de humedad los suelos sufren contracciones que resultan ser dañinas para las estructuras. Sin embargo, existen ciertas metodologías que permiten controlar este comportamiento en suelos expansivos (Bravo & Daza, 2019).

Los suelos expansivos son aquellos que sufren procesos de expansión y contracción, adicionalmente presentan ciertas características las cuales generan dificultades a las estructuras asentadas sobre los mismos. En estos suelos se producen cambios considerables en su volumen debido a que en los poros el contenido de agua es variable; por consiguiente, al sufrir un aumento en su contenido de agua estos se hinchan y se originan presiones de expansión, en ocasiones estas llegan a niveles tan elevados que pueden incluso llegar a levantar estructuras; al contrario, cuando se produce el efecto inverso y se genera perdida de humedad los suelos sufren contracciones que resultan ser dañinas para las estructuras. Sin embargo, existen ciertas metodologías que permiten controlar este comportamiento en suelos expansivos (Bravo & Daza, 2019).

Los suelos expansivos son aquellos que sufren procesos de expansión y contracción, adicionalmente presentan ciertas características las cuales generan dificultades a las estructuras asentadas sobre los mismos. En estos suelos se producen cambios considerables en su volumen debido a que en los poros el contenido de agua es variable; por consiguiente, al sufrir un aumento en su contenido de agua estos se hinchan y se originan presiones de expansión, en ocasiones estas llegan a niveles tan elevados que pueden incluso llegar a levantar estructuras; al contrario, cuando se produce el efecto inverso y se genera perdida de humedad los suelos sufren contracciones que resultan ser dañinas para las estructuras. Sin embargo, existen ciertas metodologías que permiten controlar este comportamiento en suelos expansivos (Bravo & Daza, 2019).

Los suelos arcillosos debido a su estructura poseen la capacidad de absorber una gran cantidad de agua y retenerla, esta agua produce el incremento del volumen en dicho material y también la disminución del volumen cuando el agua se seca. Por lo mencionado anteriormente los suelos expansivos representan un gran problema para la construcción, debido a que el incremento del volumen no se genera de forma uniforme, sino todo lo contrario al ocasionarse dichos incrementos en distintas zonas y al contraerse generan asentamientos, que pueden deteriorar gravemente las estructuras (Preciado, 2012).

Bravo & Daza menciona que los suelos expansivos son una problemática que se evidencia mayormente en un suelo de tipo arcilloso con presencia del mineral montmorillonita y que en condiciones ambientales determinadas dan origen a la reducción de humedad ya sea por evaporación o evapotranspiración de la vegetación.

1. OBJETIVOS:

1. OBJETIVO GENERAL:

• Determinar en una muestra de arcilla expansiva saturada el esfuerzo de expansión aplicando el proceso de expansión libre y controlada que puede establecerse en este tipo de suelos.

1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

• Conocer la funcionalidad del ensayo de expansión en la ingeniería civil estudiando el comportamiento de las arcillas expansivas.
• Identificar la carga máxima que resiste el suelo y el tiempo en el que se va a expandir
• Determinar la curva (deformación vs tiempo) referente a la expansión libre por medio de cálculos obtenidos en la tabla de codificación de datos.

1. EQUIPOS, HERRAMIENTAS Y MATERIALES

Tabla N°1. Equipos

Fuente: Grupo 7, (2022)

Tabla N°2. Herramientas

Fuente: Grupo 7, (2022)

Tabla N°3. Materiales.

Fuente: Grupo 7, (2022)

1. PROCEDIMIENTO
   

1. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA

1. Preparar la muestra del suelo a ensayar, en las condiciones de humedad requerida.
2. Inmediatamente después de preparada la muestra, pesarla con el anillo.
3. Se registra el valor en la hoja de registro entregada por los ayudantes de laboratorio.

1. PROCEDIMIENTO PARA EL ENSAYO DE EXPANSIÓN CONTROLADA

1. Se coloca la muestra en el anillo de consolidación
2. Una vez el consolidómetro encerado, se procede a saturar el material, incrementando cargas de tal forma que la deformación sea cero.
3. A medida que se va expandiendo se va agregando cargas.
4. Una vez transcurrido el tiempo en el que la deformación es cero, se pesa todo el material y las cargas que se colocaron.
5. Determinar el contenido de agua de la muestra total.
6. Realizar los respectivos cálculos correspondientes.

1. PROCEDIMIENTO PARA EL ENSAYO DE EXPANSIÓN LIBRE

1. Se coloca una carga de 6.9 kPa, de tal manera que se garantice el contacto entre las piedras porosas el cabezal del tipo de consolidación.
2. Se mide la deformación y se registra este valor.
3. Después de un lapso de 10 minutos se procede a humedecer para que se genere la expansión.
4. Una vez estabilizada la deformación, se toma la lectura final.
5. Se empieza los tiempos para el conteo de las deformaciones producto de la expansión, tiempos similares a los realizados en el ensayo de consolidación.
6. La muestra empieza a saturarse, y la deformación producida debido a la carga que se aplicó comienza a disminuir.
7. Las lecturas de expansión siguen incrementando, esto incrementa en cuestión de tiempo.
8. El ensayo se debe realizar por al menos 24h.
9. Determinar el contenido de agua de la muestra total.
10. Realizar los respectivos cálculos correspondientes.

1. CODIFICACIÓN DE DATOS
2. CALCULOS TÍPICOS

1. ANÁLISIS DE RESULTADOS

• Con el ensayo de expansión libre. Partiendo de una altura inicial de la muestra equivalente a  y llegando a determinar una altura final del espécimen de suelo equivalente a ; se puede realizar una comparación con la altura del espécimen, determinando un porcentaje de hinchamiento del . Con este resultado se puede establecer que este corresponde a un suelo con muy bajo potencial expansivo ya que oscila entre 0 y 20%.[pic 3][pic 4][pic 5]
• De acuerdo con las alturas de las muestras de los suelos, el porcentaje de expansión y además el grado de saturación inicial  y el grado de saturación final . Se puede determinar que al aumentar el contenido de humedad (en el caso del ensayo ), es suficiente para que alcance la máxima capacidad de retención, presentando cambios en sus secciones y su volumen de manera considerable.[pic 6][pic 7][pic 8]
• Para el ensayo de expansión controlada, se puede verificar que el contenido de humedad promedio se muestra en dos escenarios (condiciones iniciales y condiciones finales), obteniéndose los valores de 16.34% y 37.23% respectivamente. Se puede evidenciar entonces un aumento del 20.89% entre estos dos escenarios. Conociendo que la variación en el contenido de humedad en el suelo puede provocar cambios volumétricos y en efecto un hinchamiento de la muestra demostrando así una característica muy importante en el tema de expansión de suelos.
• Tras saturar la muestra y realizar el respectivo cálculo en el ensayo de expansión controlada, se puede evidenciar que los cambios presentes en cuanto a volúmenes de sólidos y vacíos son mínimos con valores de  y  al presentar un grado de saturación de . Y   con un grado de saturación de . Demostrando que, al alcanzar un grado de saturación completa, la muestra no sufra cambios volumétricos gracias al esfuerzo de expansión.[pic 9][pic 10][pic 11][pic 12][pic 13][pic 14]

1.  CONCLUSIONES

1.  (Referente a la práctica)

• Conforme con los resultados en sus etapas de expansión o hinchamiento y consolidación o asentamiento de la masa de suelo, se evidenció que esta metodología brinda información certera en cuanto a valores de esfuerzo en términos de presión del suelo respecto a su relación de vacíos; con información de este tipo en los proyectos de construcciones livianas, (como por ejemplo los proyectos viales), es posible determinar la presión en términos de empuje del suelo a la estructura. (Cobos, K. 2022)
• Se concluye que el efecto perjudicial de la expansión en cualquier estructura puede reducirse en cierto grado, pero de ninguna manera se podrá eliminar ya que dicha reducción puede efectuarse en principio de tres maneras: humedeciendo el terreno previamente hasta que la humedad tenga un valor igual al del equilibrio, tratando que las cargas hacia abajo sean iguales o excedan las presiones producidas por la expansión o bien, impidiendo la expansión química. (Cobos, K. 2022)
• En el ensayo de expansión libre se puede observar que la masa presentó una expansión moderado a leve, es decir la mayoría de la expansión ya se ha dado con su humedad inicial, por lo que se espera que se produzcan un hinchamiento leve en campo, es decir no existirán daños significativos a la estructura que se construya sobre esta, para reducir este hinchamiento y tener mayor seguridad en la estructura se puede realizar trabajos de compactación, bajo un correcta supervisión, dado que, de acuerdo a los resultados de laboratorio no requiere mayor tratamiento, por lo que se había mencionado de acuerdo a su humedad inicial y porcentaje de expansión (Vásconez, F, 2022).
• Concluimos que la expansión de un suelo fino está relacionada con el contenido de humedad que se encuentre en su naturaleza, esto quiere decir que el volumen del suelo cambiará a medida que cambie el contenido de agua, y se puede evidenciar gracias a este ensayo que este cambio de volumen llamado expansión aumenta con rapidez en un porcentaje menor de agua, luego tendrá cambios de volumen menores (Vásconez, F, 2022).
• Al finalizar el ensayo de expansión libre y controlado se pudo identificar varios factores que influyen en este tipo de ensayos que son; el tiempo y la carga que se le aplique a este tipo de suelos, ya que por el agua ocupada en los espacios vacíos tendrá un determinado grado de expansión, presiones de elevación por consecuencia pérdida de estabilidad, por ello el ingeniero debe saber identificar y caracterizar adecuadamente dichos suelos. Esto, a su vez, ayudará en la gestión de recursos materiales, de tiempo y económicos (Pozo J, 2022).

• En conclusión, el ensayo de expansión nos permite determinar si el tipo de suelo fino sufre cambios volumétricos y asimismo determina hasta que valor puede llegar a deformarse el suelo en condiciones de humedad, de la misma manera con este ensayo podemos determinar cuanta carga soporta el suelo hasta que empiece el proceso de expansión, identificándolo en la expansión controlada que debe aumentar carga dependiendo el caso para así, finalmente poder realizar una mejora reduciendo el grado de expansión, pero no eliminándolo del todo (Pozo J, 2022).
• Con las muestras analizadas se logró determinar la expansión del suelo causados por la humedad inicial, esto ocurre debido a la alta plasticidad del suelo y se expanden de gran manera cuando entran en contacto con el agua, dentro de la ingeniería es importante conocer estas propiedades debido a que las cimentaciones que se construidas sobre esta clase de suelos están sujetas a eventuales levantamientos ocasionados por las fuerzas expansivas. (Gordillo, J. 2022).
• Con los ensayos hemos podido observar los suelos expansivos tienden a tener variaciones en su volumen, dependiendo de las cargas que son aplicadas, es por esto que como ingeniero civil se debe tener siempre en cuenta que tipo de cimentaciones serán las adecuadas para cada proyecto a ejecutar con el fin de evitar daños que pueden perjudicar la obra. Como también se puede tener en cuenta el peso de la edificación el cual puede ser el esfuerzo de expansión que no permita los cambios volumétricos, como se especificó en el análisis de resultados para la expansión controlada. (Gordillo, J. 2022).

1. (Referente a la Ingeniería Civil)

• El ensayo de expansión controlada nos permite determinar el esfuerzo con el que el suelo es capaz de expandirse. Mismo valor que nos servirá y será de gran utilidad para diseñar futuras cimentaciones sin producir fallas en el suelo, desplazamientos o deformaciones superficiales, siempre tomando en consideración que los peores escenarios se darían en el caso inusual de una inundación, por este motivo evaluar la ubicación de la obra es muy importante. (Cobos, K. 2022)
• El ensayo de expansión libre y controlada demuestran que la expansión de los suelos dependen directamente del agua que entra en contacto con la muestra, ya que el suelo al absorber agua empieza a expandirse y muchas veces este proceso produce daños en las estructuras civiles y es por este motivo que el Ingeniero Civil debe realizar estos ensayos para conocer el porcentaje de expansividad que presenta el suelo para así mismo tomar las precauciones necesarias antes de realizar una construcción civil sobre un suelo. (Cobos, K. 2022)
• El estudio de las arcillas expansivas es muy importante ya que este tipo de suelo trae futuras fallas en cualquier tipo de estructuras que se requieran hacer, como por ejemplo carreteras o casas pequeñas ya que por su peso menor la arcilla puede levantar tranquilamente a la estructura produciendo fracturas. Por ello se requiere un análisis y un adecuado proceso según la norma requerida para este tipo de ensayos (Pozo J, 2022).
• Se puede concluir que el suelo arcilloso expansivo tiende a tener comportamientos diferentes según sea la cantidad de contenido de humedad que exista en los espacios vacíos, ya sea producto de presencia del nivel freático en el suelo o por simples lluvias. En sí el suelo tiene que ser el óptimo para que no se produzca ningún tipo de falla de cualquier índole en el proyecto que se quiera poner en marcha (Pozo J, 2022).
• Este ensayo nos permite determinar si el tipo de suelo fino sufre cambios volumétricos y hasta que valor puede llegar a defórmese el suelo en condiciones de humedad, y así poder realizar una mejora reduciendo el grado de expansión, pero no eliminándolo, podemos reducirlo humedeciendo previamente el terreno haciendo que las cargas de cimentaciones aplicadas sobre este suelo sean las mismas presiones producidas por la expansión y llegar a un equilibrio o también podemos realizar una mejora químicamente (Vásconez, F, 2022).
• Ya llevado a obra y basándome en consultas para reducir o eliminar la expansión de un suelo se puede inundar el suelo en el sitio de manera que se produzca una expansión antes de la construcción, o reducir la densidad del mismo mediante una adecuada compactación, y si no funciona finalmente se reemplaza el suelo por otro que no sea expansivo (Vásconez, F, 2022).
• La información obtenida tras un ensayo de expansión permite conocer mejor las características mecánicas del suelo en donde se desee realizar alguna cimentación para proyectos varios, como lo es el caso de la presión por hinchamiento, lo cual el ingeniero encargado del proyecto conocerá los esfuerzos presentes del suelo insitu, de modo que se tomará en consideración previo a la construcción de la obra. (Gordillo, J. 2022).
• Tras el contenido teórico por parte del docente de cátedra y el presente ensayo se puede concluir que la composición mineralógica del suelo ensayado es un factor de gran importancia y que determina la capacidad de hinchamiento, además de los cambios de humedad a los que se somete el suelo mismas que dependen en campo de variaciones climáticas, vegetación presente en la zona, la presencia del nivel freático entre otros factores (Gordillo, J. 2022).

1. RECOMENDACIONES

• Asegurarse que la carga aplicada al inicio del ensayo se la necesaria para generar un correcto acople entre la muestra y el equipo a utilizar con la finalidad de que la misma no genere efectos adversos que puedan derivar en valores de deformación incorrectos. (Cobos, K. 2022)
• Para que el ensayo de expansión controlada sea realizado de forma eficiente el usuario debe aumentar correctamente las cargas en el brazo de palanca del consolidómetro y en el tiempo adecuado para que la deformación se mantenga lo más precisa en cero, evitando que la muestra de suelo se expanda de forma libre. (Cobos, K. 2022)
• Se recomienda tener en cuenta las unidades de medida que nos indican los instrumentos para el desarrollo de la práctica ya que al momento de realizar los cálculos se debe obtener las unidades correctas para los datos solicitados en la Tabla de codificación de datos. (Pozo J, 2022).
• Llevar la vestimenta adecuada para trabajar en el ensayo de laboratorio ya que los equipos son muy pesados y una mala manipulación es muy peligroso que se caigan en los pies y producir accidentes a los estudiantes por ello se recomiendo ocupar zapatos de punta de acero y guantes (Pozo J, 2022).
• Se recomienda que la expansión de suelos sea una de las propiedades prioritarias para que de esta manera sea evaluada y considerada dentro del diseño de una obra estructural y no cuando sea evidente algún indicio del problema a futuro. (Gordillo, J. 2022).

• Es recomendable estar preparados teóricamente previo a realizar la práctica, ya que de esta manera se logrará optimizar el tiempo y se podrá entender mejor durante el desarrollo de la misma. (Gordillo, J. 2022).
• Se recomienda que al momento de leer en el deformímetro se lo haga con cuidado ya que puede provocar un cálculo erróneo y va causar que todo lo realizado en la hoja del informe no este de manera correcta (Vásconez, F,2022).
• Tener cuidado al realizar las gráficas para establecer una escala correcta que permita apreciar los datos obtenidos (Vásconez, F,2022).

1. BIBLIOGRAFÍA

Bravo , P., & Daza, P. (17 de 04 de 2019). Métodos para controlar el potencial expansivo en suelos arcillosos de la ciudad de Cuenca (ECUADOR). https://dspace.ucuenca.edu.ec/bitstream/123456789/32443/1/Trabajo%20de%20titulaci%C3%B3n.pdf

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