Construcción equipo dispersividad suelos arcillosos · ETAPAS DE DISEÑO Y ... constante presencia...

DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UN EQUIPO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA DISPERSIVIDAD DE SUELOS ARCILLOSOS

LUIS HERNANDO SUANCHA VERA

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C.

2014

DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UN EQUIPO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA DISPERSIVIDAD DE SUELOS ARCILLOSOS

LUIS HERNANDO SUANCHA VERA

Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Civil

Director JUAN CARLOS RUGE CÁRDENAS

Ingeniero Civil

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C.

2014

Nota de aceptación ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________

Director de Investigación Ing. Juan Carlos Ruge Cárdenas

______________________________________

Asesor Metodológico Ing. Saieth Cháves Pabón

______________________________________ Jurado Bogotá D.C., septiembre de 2014

CONTENIDO

pág. INTRODUCCIÓN 10 1. GENERALIDADES 11 1.1 ANTECEDENTES 11 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 11 1.2.1 Descripción del Problema 11 1.2.2 Formulación del Problema 11 1.3 OBJETIVOS 11 1.3.1 Objetivo General 11 1.3.2 Objetivos Específicos 12 1.4 JUSTIFICACIÓN 12 1.5 DELIMITACIÓN 12 1.5.1 Espacio 12 1.5.2 Tiempo 12 1.5.3 Contenido 12 1.5.4 Alcance 13 2. MARCO REFERENCIAL 14 2.1 MARCO TEÓRICO 14 2.1.1 Descripción de las arcillas dispersivas 14 2.1.2 Origen de las arcillas dispersivas 14 2.1.3 Importancia del comportamiento de las arcillas dispersivas ante

presencia de agua 15 2.2 METODOLOGÍA 15 2.2.1 Tipo de estudio 15 2.2.2 Fuentes de información 16 2.3 MARCO CONCEPTUAL 16 2.3.1 Dispersividad en las arcillas 16 2.3.1 Dispersividad en las arcillas 16 2.3.2 Tipos de erosión 17 2.3.3 Tubificación 17 2.3.4 Tubificación retrógrada 18 2.3.5 Fractura hidráulica 18 2.3.6 Pozos o sumideros 19 2.3.7 Tubificaciones dispersivas en los cimientos 19 3. PROBLEMAS DE INGENIERÍA ASOCIADOS A LA

DISPERSIVIDAD DE LAS ARCILLAS 21 3.1 MEDIDAS DE DISEÑO PARA ARCILLAS EXPANSIVAS 21 3.2 PRUEBAS DE LABORATORIO PARA IDENTIFICAR ARCILLAS

DISPERSIVAS 22

pág. 3.2.1 Prueba Crumb 22 3.2.2 Prueba del doble hidrómetro 23 3.2.3 Prueba del Pinhole 24 3.2.4 SAR – Relación de absorción de sodio 25 3.2.5 ESP 26 4. ETAPAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN EQUIPO 27 4.1 CILINDRO EN ACRÍLICO PARA EL ESPÉCIMEN 27 4.2 BASE DEL EQUIPO 28 4.3 PIEZÓMETRO 29 4.4 SISTEMA HIDRÁULICO 29 5. PROCEDIMIENTO PARA EL ENSAYO PINHOLE –

DETERMINACIÓN DISPERSIVIDAD EN SUELOS ARCILLOSOS 31 5.1 MATERIALES A UTILIZAR PARA EL ENSAYO 31 5.2 PROCEDIMIENTO PARA EL ENSAYO 32 5.2.1 Preparación muestra 32 5.2.2 Alistado de cilindro de espécimen 32 5.2.3 Alistado de las cabezas hidráulicas 33 5.2.4 Paso a paso para el ensayo 33 5.2.6 Pruebas, ajustes y análisis de los resultados 35 5.2.6.1 Etapa 1. Revisión y ajuste del equipo 35 5.2.6.2 Etapa 2. Análisis de resultados 36 6. CONCLUSIONES 37 BIBLIOGRAFÍA 38 ANEXOS xxx

LISTA DE TABLAS

pág. Tabla 1. Tabla clasificación de dispersividad arcillas método doble

hidrómetro 24 Tabla 2. Descripción de dispersividad arcillas 24 Tabla 3. Tabla clasificación arcillas método Pinhole 25 Tabla 4. Tabla clasificación dispersividad arcillas método ESP 26

LISTA DE FIGURAS

pág. Figura 1. Proceso de floculación 18 Figura 2. Tubificación retrógrada 18 Figura 3. Fractura hidráulica 19 Figura 4. Tubificaciones dispersivas en los cimientos 20 Figura 5. Filtro de arena tipo chimenea 22 Figura 6. Test Crumb 23 Figura 7. Cilindro del espécimen finalizado 27 Figura 8. Diseño del cilindro del espécimen tal como lo indica la norma 28 Figura 9. Soporte y baúl de compartimento en acrílico 28 Figura 10. Piezómetro de escala milimétrica 29 Figura 11. Sistema hidráulico 29 Figura 12. Tanque de alimentación piezómetro 30 Figura 13. Preparación muestra 32 Figura 14. Alistado de cilindro de espécimen 33 Figura 15. Alistado de las cabezas hidráulicas 33 Figura 16. Paso a paso para el ensayo 34

LISTA DE ANEXOS

pág. Anexo A. Tabla de Clasificación de Arcillas Dispersivas según Norma

ASTM D4647 39 Anexo B. Tabla de para el registro de datos para el ensayo Pinhole 40 Anexo C. Manual de Equipo para Determinación de dispersividad

arcillas 41 Anexo D. Manual de equipo para determinación de dispersividad arcillas 47

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INTRODUCCIÓN Es importante conocer la capacidad de dispersión los suelos de arcilla; debido a la constante presencia de agua en terraplenes, canales y otras estructuras estos suelos son altamente erosionables; con baja capacidad de resistencia al deslizamiento y altas tasas de permeabilidad. El desarrollo de herramientas tecnológicas propias del estudiante como el diseño montaje y puesta en funcionamiento de un equipo para la determinación de la dispersividad en arcillas permitirá profundizar y ampliar el campo de conocimiento en el área de suelos granulares en los espacios académicos de la universidad. Se pueden así formar nuevos conocimientos y herramientas que permitan al estudiantado y a la universidad Católica de Colombia, ser reconocidos como líderes y promotores en los campos de investigación a nivel nacional. El equipo fue construido basado en el ensayo que está basado en la metodología ASTM D 4647, donde se describe el procedimiento para determinar la capacidad de dispersión y de los suelos de arcilla. Este método es ampliamente aceptado a nivel mundial, y que complementado con otros métodos como el Crumb test, prueba del doble hidrómetro, SAR y ESP, permiten obtener una información más amplia y confiable acerca del suelo arcilloso en estudio.

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1. GENERALIDADES 1.1 ANTECEDENTES La erosión de suelos es un fenómeno de impredecibles consecuencias para estructuras hidráulicas, presas de tierra, terraplenes para carreteras, entre otras. Particularmente, cuando dicho fenómeno se asocia al uso inapropiado de arcillas dispersivas. Por lo anterior, este es un aspecto de vital importancia y que debe ser tenido en cuenta durante el diseño y construcción de los mencionados tipos de estructuras. El chequeo del potencial dispersivo de una arcilla se hace contando iones disueltos de Na+, Mg++, Ca++ y K+ y comparando, con el total de sales, en términos de concentración 2. Para esto los cinco ensayos comúnmente utilizados son Ensayo de Crumb, Ensayo de Doble Hidrómetro, Ensayo de Pinhole, Ensayo de las Sales Disueltas en Poros de Agua y el ESP (Porcentaje de sodio alterable). El contenido de este documento contribuirá con el diseño y puesta en marcha del equipo para la determinación de la dispersividad de las arcillas mediante el método de ensayo Pinhole. El cual contribuirá en una gran parte al desarrollo y entendimiento de este fenómeno en los suelos. 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.2.1 Descripción del problema. Teniendo en cuenta que la universidad carece de los recursos para el estudio práctico de la dispersividad en las arcillas se hace necesario que los egresados retribuyan a la institución aportes al nuevo conocimiento, que favorecen al crecimiento y la consolidación de la universidad como pionera del conocimiento; a través de sus investigaciones en diversos campos que permitan igualmente al estudiante generar mayores fortalezas académicas y un compromiso con la sociedad. 1.2.2 Formulación del problema. ¿Se requiere en la universidad de equipo para la determinación de la dispersividad en suelos arcillosos? Teniendo en cuenta al cuerpo estudiantil del Programa de Ingeniería Civil, se considera necesario implementar el equipo de dispersividad; como herramienta que permita ampliar los campos no solo del conocimiento de los estudiantes sino fomentar e incentivar la investigación; lo cual permitirá a futuro a los estudiantes un mejor crecimiento y desarrollo que redunden en una mayor competitividad. 1.3 OBJETIVOS 1.3.1 Objetivo general. Diseñar, construir y poner en marcha un equipo para la determinación de la dispersividad de suelos arcillosos; que permita ampliar y

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facilitar el aprendizaje de los estudiantes de la facultad de ingenierías del programa de ingeniería civil. 1.3.2 Objetivos específicos. • Diseñar y Construir el equipo para la determinación del coeficiente de dispersividad de un suelo arcilloso, a través del método del ensayo Pinhole, según normatividad vigente ASTM D4647. • Realizar un número considerable de ensayos que permitan calibrar el equipo principalmente y realizar los ajustes mecánicos y funcionales al equipo. • Comparar y analizar los registros obtenidos; con el fin de evaluar la efectividad del equipo según la normatividad propuesta. 1.4 JUSTIFICACIÓN El trabajo de investigación está enfocado en el diseño y construcción de un equipo “para la determinación de la dispersividad en suelos arcillosos”, que será de gran ayuda como instrumento que permite determinar el grado de dispersividad de las arcillas, ya que los métodos manuales y visuales, como los límites de Atterberg, granulometría entre otros no permiten determinar dicha característica de los suelos. Este instrumento pretende ser de apoyo académico mediante las prácticas, para dar una profundización en el proceso del aprendizaje teórico y para optimizar competitivamente en la investigación, de tal manera que nuestro claustro consolide el estatus ya adquirido. 1.5 DELIMITACIÓN 1.5.1 Espacio. No se contó con ningún tipo de restricción, ya que las actividades fueron desarrolladas dentro del perímetro de la ciudad y no requerían trabajo de campo. 1.5.2 Tiempo. El factor tiempo en el desarrollo tanto del equipo como del trabajo fue limitado, debido a solo se dispuso de tiempo los fines de semana durante el periodo académico por motivos de naturaleza laboral. 1.5.3 Contenido. El estudio se limitó a una descripción general de las arcillas dispersivas y la importancia de las mismas. Así mismo se describe la metodología desarrollada para el diseño y puesta en marcha del equipo de determinación de dispersividad en arcillas.

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1.5.1 Alcance. Este proyecto permite contar con un equipo que contribuya a la formación profesional de los estudiantes. Además contribuye al área investigativa de la Universidad demostrando así mayor fortaleza en estas áreas del conocimiento posicionando al plantel como pionero.

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2. MARCO REFERENCIAL 2.1 MARCO TEÓRICO 2.1.1 Descripción de las arcillas dispersivas. En el pasado, los suelos de arcilla se consideraban ser altamente resistentes a la erosión por efectos del agua, sin embargo, en los últimos años, se ha reconocido que existen suelos arcillosos altamente erosionables en la naturaleza. Algunos suelos naturales de arcilla se dispersan o des floculan en la presencia de agua relativamente pura y son, por lo tanto, altamente susceptibles a la erosión y la tubificación. La tendencia de la erosión de dispersión en un suelo dado depende de variables tales como la mineralogía y la química de la arcilla, así como las sales disueltas en el agua en los poros del suelo y en el agua que los erosiona.1 Estas arcillas se erosionan rápidamente por el agua de movimiento lento, incluso si se comparan a suelos no cohesivos como arenas y limos; presentan un comportamiento similar. Cuando el suelo de arcilla se sumerge en agua, las fracciones de arcilla se comportan como partículas de un solo grano, es decir, las partículas de arcilla tienen un mínimo de atracción electroquímica y se deshacen o pierden adherencia a otras partículas del suelo. Por lo tanto, y en consecuencia las partículas del suelo de arcilla, presencia de un flujo de agua; son transportadas separadamente; originando así varios tipos de erosión como grietas que se contraen al secado, grietas que generan asentamientos, grieta hidráulicas que transportan algún tipo de flujo y cualquier otro tipo de canal de alta permeabilidad en la masa de suelo. La diferencia principal entre las arcillas dispersivas y arcillas ordinarias parece ser la naturaleza de los cationes en el agua de los poros de la masa de arcilla. Las arcillas dispersivas tienen una mayor cantidad de cationes de sodio, mientras que las arcillas ordinarias tienen una mayor cantidad de cationes de calcio, potasio y magnesio en el agua de los poros.2 2.1.2 Origen de las arcillas dispersivas. Las arcillas dispersivas no han sido definitivamente asociadas con un origen geológico específico pero la mayoría ha sido encontrada como arcillas de origen aluvial. Igualmente, en algunas áreas, rocas arcillo litas y lutitas tienen las mismas sales en el agua de poros que las arcillas dispersivas y, por lo tanto, sus suelos residuales son dispersivos. Estudios recientes indican que las arcillas dispersivas se encuentran asociadas solo con suelos formados en climas áridos y semiáridos de suelos alcalinos.

1 SHERARD, James L. y DECKER Rey S. Dispersive Clays, Related Piping, and Erosion in Geotechnical Projects: A Symposium Presented at the Seventy-ninth Annual Meeting, American Society for Testing and Materials. Chicago: ASTM, 1976. p. 46. 2 Ibíd., p. 49.

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Las arcillas dispersivas pueden ser de color rojo, marrón, gris, amarillo, o varias combinaciones de estos colores. Suelos negros indican alto contenido orgánico los cuales no son dispersivos, (Steele, 1976). Casi todos los suelos de grano finos, se sabe que son derivados de la meteorización en situ de las rocas ígneas y metamórficas lo cual no son dispersivos, así como todos los suelos derivados de piedra caliza.3 Los primeros estudios indican que las arcillas dispersivas se asocian únicamente con suelos formados en zonas áridas o semiáridas climas y en zonas de suelos alcalinos. Recientemente se han encontrado los mismos suelos y los problemas de erosión en climas húmedos en diversas ubicaciones geográficas. Australia, Tasmania, México, Trinidad, Vietnam, Sur África, Tailandia, Israel, Ghana, Brasil, Venezuela, y en muchas partes del sur de los Estados Unidos tienen problemas experimentados con arcillas dispersivas en proyectos de agua. 2.1.3 Importancia del comportamiento de las arcillas dispersivas ante presencia de agua. La falla por tubificación en terraplenes o presas de tierra ocurre cuando se concentran filtraciones que emergen aguas abajo de la estructura causadas por el flujo de agua a través de los poros del suelo. La erosión empieza en la descarga de la filtración, causando una concentración local del flujo y de las fuerzas de erosión, lo cual genera, en pocas horas, la propagación hacia aguas arriba formando un túnel que al alcanzar la fuente de agua ocasiona la falla repentina de la estructura. La erosión superficial en masas de suelos cohesivos, a menudo ocurre en suelos dispersivos cuando entran en contacto con el agua lluvia. La separación de los gránulos de suelo facilita el arrastre de las partículas contribuyendo a la erosión superficial y, adicionalmente, puede ser un factor que influya en la erosión interna de la masa de suelo. Este es un problema común en terraplenes para carreteras o túneles. 2.2 METODOLOGÍA 2.2.1 Tipo de estudio. El tipo de investigación a utilizar durante el desarrollo del proyecto será la descriptiva, en el transcurso de varias etapas en la investigación; se describen paso a paso las actividades a desarrollar. Mediante la recolección de información, como resultado de ensayo y error; y posteriormente del análisis de los resultados; se obtendrán los datos más relevantes para ser correlacionados; y permitan el cumplimiento de los objetivos expuestos anteriormente; como parte fundamental para establecer la viabilidad del proyecto.

3 Ibíd., p. 76.

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2.2.2 Fuentes de información. El origen de la información recopilada para la investigación proviene principalmente de artículos científicos publicados en internet por prestigiosas universidad y reconocidos autores en materia de suelos. Para los diseños del equipo se realizó en dos formas para el cilindro testigo de la muestra se siguieron los pasos según la norma ASTM D4647, y para el resto del equipo como partes para ubicar la cabeza hidráulica, piezómetros, y cuerpo del mismo; son origen y creación exclusiva del autor del presente trabajo. 2.3 MARCO CONCEPTUAL 2.3.1 Dispersividad en las arcillas. En el pasado, los suelos de arcilla se consideraban ser altamente resistentes a la erosión por efectos del agua, sin embargo, en los últimos años, se ha reconocido que existen suelos arcillosos altamente erosionables en la naturaleza. Algunos suelos naturales de arcilla se dispersan o des floculan en la presencia de agua relativamente pura y son, por lo tanto, altamente susceptibles a la erosión y la tubificación.4 La tendencia de la erosión de dispersión en un suelo dado depende de variables tales como la mineralogía y la química de la arcilla, así como las sales disueltas en el agua en los poros del suelo y en el agua que los erosiona. Estas arcillas se erosionan rápidamente por el agua de movimiento lento, incluso si se comparan a suelos no cohesivos como arenas y limos; presentan un comportamiento similar. Las partículas de arcilla son elementos laminares muy pequeños, con cargas negativas en su superficie. Sobre estas partículas actúan fuerzas que tienden a flocularlas y otras que tienden a separarlas. Las primeras se deben a la atracción entre átomos de partículas adyacentes y son inversamente proporcionales a la 7ma potencia de la distancia entre las mismas, siendo independientes de las características químicas del medio que rodea a las partículas de arcilla. Las segundas se deben a la repulsión electrostática generada por las cargas negativas superficiales, y son considerablemente mayores a las anteriores. Si estas cargas negativas no son neutralizadas, las partículas se mantienen en suspensión comportándose como coloides. Según Mitchell5, la floculación se logra cuando se incorporan a la estructura de la arcilla elementos con cargas positivas denominados cationes, que neutralizan las cargas negativas. Los mismos provienen de la solución en la que se encuentra la partícula de arcilla (agua de poro).

4 U.S. DEPARTMEN OF INTERIOR. Reserch and Laboratory Services Division Materials Engineering Branch. Washington: USDI, 1991. p. 7. 5 MITCHELL, J. K. Fundamentals of Soil Behavior. 2 ed. New York: John Wiley & Sons, 1993. p. 37.

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Los cationes frecuentes son el calcio, el magnesio, el sodio y el potasio. En torno a cada catión se forma una esfera de solvatación con moléculas de agua, y es el conjunto el que se adhiere a la partícula de arcilla. Esto se debe al campo eléctrico que generan los cationes y a las características dipolares de las moléculas de agua. El tamaño de la esfera de solvatación disminuye al aumentar la concentración de cationes en la solución y viceversa. Según Holmgren6 la tendencia a una erosión por dispersión depende fundamentalmente del tipo de catión predominante en la estructura de la arcilla, siendo los suelos sódicos más dispersivos que los que contienen calcio y magnesio, aunque también influyen en menor medida el pH del suelo y el tipo de mineral arcilloso. La diferencia principal entre las arcillas dispersivas y arcillas ordinarias parece ser la naturaleza de los cationes en el agua de los poros de la masa de arcilla. Las arcillas dispersivas tienen una mayor cantidad de cationes de sodio, mientras que las arcillas ordinarias tienen una mayor cantidad de cationes de calcio, potasio y magnesio en el agua de los poros. Las arcillas dispersivas pueden ser de color rojo, marrón, gris, amarillo, o varias combinaciones de estos colores. Suelos negros indican alto contenido orgánico los cuales no son dispersivos. Casi todos los suelos de grano finos, se sabe que son derivados de la meteorización en situ de las rocas ígneas y metamórficas lo cual no son dispersivos, así como todos los suelos derivados de piedra caliza Los primeros estudios indican que las arcillas dispersivas se asocian únicamente con suelos formados en zonas áridas o semiáridas climas y en zonas de suelos alcalinos. Recientemente se han encontrado los mismos suelos y los problemas de erosión en climas húmedos en diversas ubicaciones geográficas. Australia, Tasmania, México, Trinidad, Vietnam, Sur África, Tailandia, Israel, Ghana, Brasil, Venezuela, y en muchas partes del sur de los Estados Unidos tienen problemas experimentados con arcillas dispersivas en proyectos de agua. 2.3.2 Tipos de erosión. La erosión en los suelos dispersivos suelen darse de dos formas o mecanismos. La primera tiene que ver con las fuerzas externas que se ejercen al aumentar la velocidad del fluido o la degradación de las fuerzas internas como la disolución química de cementos naturales o dispersión de las arcillas. 2.3.3 Tubificación. Este fenómeno se presenta cuando las fuerzas resistentes a la erosión son menores que las fuerzas del flujo de agua que tiende a producirla, de manera que las partículas son removidas por la corriente. Se origina en cualquier

6 HOLMGREN, G.G.S. y FLANAGAN, C.P. Factors Affecting Spontaneous Dispersion of Soil Materials as Evidenced by Crumb Test. En: Proceedings of American Society for Testing and Materials. 1976, no. 623, p. 218-239.

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grieta sin importar su tamaño o su causa como asentamientos diferenciales, sismos, grietas de tensión. Pueden aparecer en cualquier momento de la vida útil de la presa, ya sea desde su construcción y mucho tiempo después. Figura 1. Proceso de floculación.

Fuente: UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MÉXICO. Tubificación [en línea]. México D.F.: UNAM [Citado 15 mayo ,2014]. Disponible en Internet: <URL: http://www.revista.unam.mx/vol.12/num2/art14/art14.pdf>.

2.3.4 Tubificación retrógrada. La tubificación retrógrada se puede producir en prácticamente todos los suelos (en los no cohesivos si algún estrato o estructura impide el desmoronamiento del túnel), desde aguas abajo hacia aguas arriba, siguiendo preferentemente el camino de concentración de las líneas de filtración. El conducto se forma por las zonas geológicamente más débiles, por planos de estratificaciones permeables, o en cualquier otra zona de concentración del flujo donde la energía llega sin sufrir grandes pérdidas debidas a la fricción. Figura 2. Tubificación Retrograda

Fuente: UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE. Tubificación [en línea]. El Chaco (Argentina): UNNE. [Citado 3 mayo, 2014]. Disponible en Internet: <URL: http://www.unne.edu.ar/unnevieja/Web/cyt/cyt/2001/7-Tecnologicas/T-035.pdf>.

2.3.5 Fractura hidráulica. Consiste en la brusca irrupción del agua a través de las grietas de los terraplenes, bajo los efectos de la carga hidráulica, ejerciendo subpresiones (fuerzas dirigidas de abajo hacia arriba) y presiones en todas

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direcciones, principalmente durante el primer llenado del embalse o al producirse alguna variación brusca de su nivel. A las contracciones y secado como el origen de fisuras pueden agregarse diferencias en compactación producidas por el paso de los rodillos. Estas grietas internas pueden estar cerradas, pero, cuando el nivel del reservorio alcanza algunos metros sobre ellas, la presión hidrostática puede ser superior a la presión total. El agua ejerce presión sobre la fisura abriéndola progresivamente. Figura 3. Fractura hidráulica.

Fuente: UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE. Tubificación [en línea]. El Chaco (Argentina): UNNE. [Citado 3 mayo, 2014]. Disponible en Internet: <URL: http://www.unne.edu.ar/unnevieja/Web/cyt/cyt/2001/7-Tecnologicas/T-035.pdf>. 2.3.6 Pozos o sumideros. La morfología de los túneles, que al inicio son verticales y luego se desarrollan horizontalmente, sugiere la forma de “jarras” (sink holes). Se producen porque el agua de lluvia penetra (y erosiona) por pequeñas fisuras abiertas por contracción o raíces de plantas. Son característicos de las arcillas dispersivas. 2.3.7 Tubificaciones dispersivas en los cimientos. En general las tubificaciones (debidas a suelos dispersivos) se presentan en el cuerpo de la presa: en sus paramentos, en contactos con la fundación o con los conductos. Hay muy pocos casos por debajo de sus cimientos. Aún el mismo peso de la presa puede cerrar las incipientes. Al parecer las aguas subterráneas con altos contenidos de sales impiden el lavado de los iones sodio en las arcillas dispersivas, y el reemplazo gradual por aguas más limpias procedentes del reservorio permite que los suelos disminuyan su contenido de sodio en el agua de poro.

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Figura 4. Tubificaciones dispersivas en los cimientos.

Fuente: UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE. Tubificación [en línea]. El Chaco (Argentina): UNNE. [Citado 3 mayo, 2014]. Disponible en Internet: <URL: http://www.unne.edu.ar/unnevieja/Web/cyt/cyt/2001/7-Tecnologicas/T-035.pdf>.

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3. PROBLEMAS DE INGENIERÍA ASOCIADOS A LA DISPERSIVIDAD DE LAS ARCILLAS

Los suelos arcillosos dispersivos han contribuido al fracaso de muchos proyectos en ingeniería, estos problemas van desde la rotura total de un terraplén, grandes erosiones en terraplenes de tierra y en excavaciones. Los problemas pueden ser colocados en dos grandes categorías: • Erosión externa del suelo de las laderas: por precipitaciones la escorrentía en exceso causa erosión severa en las arcillas expuestas. Puede originar corte en taludes, grandes surcos y cárcavas en las laderas. • Erosión interna del suelo: muchas presas que han sido construidas con arcillas dispersivas han fracasado debido a la erosión interna a través de grietas u otras aberturas en el relleno. El agua fluye a través de una grieta hasta la creación de un túnel de forma irregular a través del relleno son contracción arcillas por secado, asentamientos diferenciales, y baja compactación del suelo alrededor de los conductos. 3.1 MEDIDAS DE DISEÑO PARA ARCILLAS EXPANSIVAS7 Cuando se detectan arcillas dispersivas en una investigación del sitio y se ha verificado mediante pruebas, se deben tomar medidas de defensa que deben incorporarse al diseño. Algunas de estas medidas se resumen a continuación. • Terraplenes: en lo posible se deben construir terraplenes con suelos no dispersivos; sin embargo si el prestamos lateral de material no es suficiente para construir todo el terraplén; se debe colocar una manta de espesor de 12 pulgadas con el fin de proteger las arcillas dispersivas subyacentes; con el fin de evitar que se presenten grietas por contracción por secado o erosión por lluvia. Para el tema de erosión interna se hacen filtros de arena tipo chimenea. • Se pueden incorporar al suelo mezclas de químicos que permitan estabilizar la composición química del suelo, con cal hidratada, alumbre, cenizas volantes, yeso, y cloruro de magnesio. 7 NATURAL RESOURCES CONSERVATION SERVICE. Problems with dispersive clays [en línea] U.S.A.: USDA. [Citado 20 mayo, 2014]. Disponible en Internet: <URL:http://www.nrcs.usda.gov/Internet/FSE_DOCUMENTS/nrcs142p2_024606.pdf>.

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Figura 5. Filtro de arena tipo chimenea.

Fuente: INDUSTRIAL FABRICS ASSOCIATION INTERNATIONAL. Sandchimneydrain [en línea]. U.S.A.: IFAI [Citado 20 mayo, 2014]. Disponible eninternet:<URL:http://geosyntheticsmagazine.com/articles/0411_f5_dam_repair.html>. 3.2 PRUEBAS DE LABORATORIO PARA IDENTIFICAR ARCILLAS DISPERSIVAS Entre las pruebas más utilizadas para la identificación de arcillas dispersivas tenemos: prueba Crumb, prueba de doble hidrómetro, prueba del Pinhole, prueba tasa de absorción de sodio SAR, y porcentaje de sodio intercambiable ESP. 3.2.1 Prueba Crumb. La prueba consiste en ya sea preparar una muestra cúbica de 15 mm, en un lado en el contenido de agua natural o la selección de una muestra de suelo al contenido natural de agua de aproximadamente el mismo volumen. La muestra se coloca cuidadosamente en unos 250 ml de agua destilada. Como la muestra del suelo comienza a hidratar, la tendencia de las partículas-coloidales de tamaño a flocular y entrar en suspensión se observa. Los resultados se interpretan a intervalos cronometrados y cuatro grados de reacción son discernibles: sin reacción; leve reacción; reacción moderada; y fuerte reacción (nube coloidal que cubre todo el fondo del recipiente). • No hay reacción: no hay ninguna señal de agua turbia causada por coloides en suspensión. • Leve reacción moderada: existe una mera insinuación de nube fácilmente reconocible de los coloides en suspensión. Los coloides pueden ser sólo en la superficie de la muestra o difundir en finas rayas en la parte inferior del vaso de precipitados. • Fuerte reacción: la nube coloide cubre casi toda la parte inferior del vaso de precipitados, por lo general en una capa muy delgada. En casos extremos, toda el agua en el vaso de precipitados se vuelve turbia.

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La prueba de la muestra da una buena indicación de la erosionabilidad potencial de los suelos de arcilla, sin embargo, un suelo dispersivo a veces puede dar una reacción no dispersiva en la prueba de la muestra. Si la prueba indica la dispersión de la muestra, es más probable dispersivo del suelo. Figura 6. Test Crumb.

Fuente: CIVIL GEEKS. El problema de los suelos dispersivos [en línea]. México: Civil Geeks [Citado 20 mayo, 2014]. Disponible en Internet: <URL: http://civilgeeks.com/2011/10/13/el-problema-de-los-suelos-dispersivos>.

3.2.2 Prueba del doble hidrómetro. La muestra debe ser enviada al laboratorio en un recipiente hermético para evitar la pérdida de humedad. Las muestras deben ser ensayadas en contenido de agua natural. La distribución del tamaño de partícula se determina primero mediante la prueba del hidrómetro estándar en el que el suelo espécimen se dispersa en agua destilada con fuerte agitación mecánica y un dispersante químico. La prueba del hidrómetro en paralelo se hace a continuación, en una muestra de suelo duplicados, pero sin agitación mecánica y sin un dispersante químico. La "dispersión por ciento" es la relación de la masa seca de partículas más pequeñas de 0,005 mm de diámetro de la segunda prueba para la primera expresado como un porcentaje. Los criterios para evaluar el grado de dispersión usando los resultados de la prueba del hidrómetro doble son:

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Tabla 1. Tabla clasificación de dispersividad arcillas.

Fuente: U.S. DEPARTMENT OF INTERIOR. Bureau of Reclamation, Denver Office Reserch and Laboratory Services Division Materials Engineering Branch. October 1991. Tabla 2. Descripción de dispersividad arcillas.

Fuente: CIVIL GEEKS. El problema de los suelos dispersivos [en línea]. México: Civil Geeks [Citado 20 mayo, 2014]. Disponible en Internet: <URL: http://civilgeeks.com/2011/10/13/el-problema-de-los-suelos-dispersivos>. 3.2.3 Prueba del Pinhole. La prueba Pinhole se elaboró para medir directamente la capacidad de dispersión de los suelos de grano fino compactados en el que el agua se hace fluir a través de un pequeño agujero en una muestra de suelo, donde el flujo de agua a través del agujero de alfiler simula el flujo de agua a través de una grieta u otro canal de fuga concentrada en el núcleo impermeable de una presa u otra estructura. Un agujero de 1,0 mm de diámetro se perfora o taladra a través de un 25 - mm- Longitud por35 mm de diámetro muestra cilíndrica de suelo. El agua se percola a través del agujero bajo las cabezas de 50, 180, y 380 mm (gradientes hidráulicos de aproximadamente 2 , 7 , y 15 ) , y la tasa de flujo y el efluente turbidez se registran . Los 50 - , 180 - , y 380 mm de cabeza resultan en velocidades de flujo que van desde aproximadamente de 30 a 160 cm / s en gradientes hidráulicos que van desde aproximadamente 2 a 15.

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Es importante que se haga la prueba en el suelo en su contenido de agua natural, ya que el secado puede afectar los resultados de algunos suelos. Si el material contienearena o grava partículas gruesas, deberán ser eliminados mediante el trabajo de la muestra a través de un tamiz de 2 mm(Estándar de EE.UU. N º 10). El contenido natural de agua debe ser determinada y el contenido de aguadeseadopara la compactación lograda por la adición de la cantidad requerida de agua (o por gradualmente aire de secado, si es demasiado húmedo). Tabla 3. Tabla clasificación dispersividad arcillas método Pinhole.

Fuente: U.S. DEPARTMENT OF INTERIOR. Bureau of Reclamation, Denver Office Reserch and Laboratory Services Division Materials Engineering Branch. October 1991. 3.2.4 SAR – Relación de absorción de sodio. Se realiza para evaluar y cuantificar el papel de sodio con respecto a la dispersión cuando sales libres están presentes es la (relación de absorción de sodio) SAR del agua de los poros donde: El uso de la SAR se basa en el hecho de que suelos en la naturaleza están en equilibrio con su entorno. En particular, existe una relación entreconcentración de electrolitos del agua de los poros del suelo y los iones intercambiables en la capa de arcilla absorbida.

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3.2.5 ESP. Esta prueba fue creada por investigadores australianos en la década de los años sesenta; reconociendo así que la presencia de sodio en el agua influían en el comportamiento químico de la arcilla dispersiva.

Tabla 4. Tabla clasificación dispersividad arcillas método ESP.

Fuente: U.S. DEPARTMENT OF INTERIOR. Bureau of Reclamation, Denver Office Reserch and Laboratory Services Division Materials Engineering Branch. October 1991.

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4. ETAPAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN EQUIPO Las etapas se discriminan en: • Recopilación de información del diseño de los equipos ya construidos. • Diseño de Equipo de determinación de la dispersividad de los suelos arcillosos, el diseño cumplirá las exigencias de la norma, ASTMD 4647. El equipo será portátil, para trabajo en campo. • Construcción del Equipo, se realizara bajo norma ASTMD 4647 propone un montaje de: 4.1 CILINDRO EN ACRÍLICO PARA EL ESPÉCIMEN De diámetro interno de 38 mm y 100 mm de largo. Enlos extremos estará provisto de dos cabezas para el cierre hechas en acero inoxidable con empaques en su interior para mayor hermeticidad. Se hace en este material con el fin de evitar deterioro por el agua. Estos tres elementos irán unidos por tres tornillos también en acero inoxidable. El cilindro del espécimen cuenta también con un registro en una de sus juntas con el fin de servir como purga para un mejor llenado al momento del ensayo. Figura 7. Cilindro del espécimen finalizado.

Fuente: Autor.

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Figura 8. Diseño del cilindro del espécimen tal como lo indica la norma.

Fuente: CIVIL GEEKS. El problema de los suelos dispersivos [en línea]. México: Civil Geeks [Citado 20 mayo, 2014]. Disponible en Internet: <URL: http://civilgeeks.com/2011/10/13/el-problema-de-los-suelos-dispersivos>. 4.2 BASE DEL EQUIPO La base donde va el espécimen es del mismo material (espesor 10 mm) con diámetro, de 0.80m x 0.50m x 0.10m, conectado mediante mangueras de pared gruesa (evitar estrangulación) a cada uno de los piezómetro. Así mismo se apoya en una caja del mismo material. Con el fin de evitar derrames, inestabilidad al momento de realizar el ensayo. Con la función adicional de servir como baúl para guardar los elementos del equipo lo cual hace fácil transportarlo. Figura 9. Soporte y baúl de compartimento en acrílico.

Fuente: Autor.

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4.3 PIEZÓMETRO El piezómetro de medición de la cabeza hidráulica de agua se construye en acrílico con una altura total de 110 mm, con una escala milimétrica en vinilo resistente al agua que permita la obtención de datos seguros. Figura 10. Piezómetro de escala milimétrica.

Fuente: Autor. 4.4 SISTEMA HIDRÁULICO Estará interconectado por válvulas de conexión rápida en acero inoxidable de 3/8" que faciliten el mantenimiento del equipo, válvulas de paso en broce de 3/8" que permitan la entrada o salida del fluido. Tendrá un taque de almacenamiento aproximado de 1 litros con un desagüe y un rebosadero que permita una carga o caudal constate, el sistema se ajustara con un tornillo sin fin que ayudara a variar la altura para tener diferentes muestras en el laboratorio, adicionalmente contara con un Sistema de purga para desairar el sistema. Figura 11. Sistema hidráulico.

Fuente: Autor.

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Figura 12. Tanque de alimentación piezómetro.

Fuente: Autor.

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5. PROCEDIMIENTO PARA EL ENSAYO PINHOLE – DETERMINACIÓN DISPERSIVIDAD EN SUELOS ARCILLOSOS8

Para la clasificación de las arcillas dispersivas la norma ASTM D4647, referencia tres formas de realizar de realizar el ensayo. Para este caso se decidió tomar el método A, ya que es más completo. Esta es la clasificación de arcillas según el método: • DI-D2: Arcillas dispersivas que fallan rápidamente bajo un cabeza hidráulica de 50 mm. • ND4 – ND3: arcillas con características bajas o moderadas de dispersión, con cabezas hidráulicas entre 50 mm y 180 mm. • ND1 – ND2: Arcilla no dispersiva con baja erosión, cabeza hidráulica entre 180 mm y 1020 mm de dispersión. 5.1 MATERIALES A UTILIZAR PARA EL ENSAYO • Cilindro acrílico de 100 mm de largo 38 mm de diámetro interno provisto con dos cabezas conjuntas y dos tornillos de cierre. • Cono acrílico de diámetro de 10 mm en la base inferior y 3.8 mm en la superior, altura de 12.7 mm, perforado por su eje longitudinal con un orificio de 1.58 mm de diámetro. • Seis mallas metálicas n° 14 de forma cilíndricas ajustadas al diámetro interior del cilindro. • Base y soporte en acrílico; debe contar con un tablero que indique el nivel piezométrico. • Agujas de 1.00 mm de grosor para la perforación muestra. • Compactador Tipo Harvard, de masa de 0.5 kg y una altura de caída de 230 mm. Consiste en un émbolo con la pesa; dispositivo compuesto de dos anillos, un falso fondo y un cilindro acrílico. • Beaker de 50 y 100 ml y 1 probeta graduada, cronómetro, espátula, gravilla n° 10. Llaves para ajustar tornillos.

8 ASTM INTERNATIONAL. Standard Test Methods for Identification and Classification of Dispersive Clay Soils by the Pinhole Test. Washington: ASTM, 2014. p. 11.

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• Tanque de reserva de agua con rebosadero y mangueras de alimentación y descarga. 5.2 PROCEDIMIENTO PARA EL ENSAYO 5.2.1 Preparación muestra. Se compacta la muestra con el compactador tipo Harvard; colocando la muestra en el cilindro acrílico sobre el falso fondo, se ajustan los tornillos tipo mariposa. Luego se procede a realizar la compactación dejando caer 12 veces el martillo. Al quedar compactada la muestra se desmonta el acrílico quedando la muestra en su interior, se desmonta el armazón y se procede a enrasar. Figura 13. Preparación muestra.

Fuente: Autor. 5.2.2 Alistado de cilindro de espécimen. Se procede al armado de los elementos restante así: • Se instala el cono cilíndrico por un lado de la muestra, insertándolo con la uña hasta quedar al nivel de la parte externa de la muestra. • Se pasa la aguja por el centro del cono 5 veces, procurando que esta salga sin rastro de arcilla. • Se procede a la instalación de las mallas así: Dos a cada lado de la muestra y una a cada lado en el borde después de la gravilla. • Se instalan los empaques respectivos de acero inoxidable, haciendo que coincidan con el cilindro acrílico y luego se procede a ajustar el dispositivo, procurando no apretar en exceso.

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Figura 14. Alistado de cilindro de espécimen.

Fuente: Autor. 5.2.3 Alistado de las cabezas hidráulicas. Se procede con el llenado del tanque de agua hasta el rebose, se gradúa a la altura que se desea hacer el ensayo; se conectan las respectivas mangueras al dispositivo acrílico. Es importante abrir el registro de purga del cilindro y proceder al llenado del mismo antes de iniciar el ensayo. Figura 15. Alistado de las cabezas hidráulicas.

Fuente: Autor. 5.2.4 Paso a paso para el ensayo. Teniendo armado el equipo totalmente, se procede a realizar el ensayo como tal, se comienza con una cabeza hidráulica de 50 mm de presión. Se registran los volúmenes de agua a los 4, 6, 8, 10 minutos; así como la descripción del estado de turbidez del agua que sale. Son etapas importantes para la correcta lectura y determinación del tipo de arcilla:

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• Etapa 1: Si durante 5 minutos el efluente que sale es oscuro y el caudal esta entre el rango de 1.0 a 1.4 ml/s la prueba está completa. Si no se cumple esta condición siga al Etapa 2. Se desmonta el cilindro, se hace un corte transversal a la muestra y si el diámetro del orificio es mayor en 2 veces al diámetro de la aguja se considera como arcilla Altamente dispersivo D-1. Figura 16. Paso a paso para el ensayo.

Fuente: Autor. • Etapa 2: Si durante 5 minutos el afluente que sale es claramente oscuro y el caudal no varía de 1.0 ml/s , agregue 5 minutos más si la condición no varía. La prueba está completa. Si no se cumple esta condición siga al Etapa 3.Se desmonta el cilindro, se hace un corte transversal a la muestra y si el diámetro del orificio es mayor en 1.5 veces al diámetro de la aguja se considera como Arcilla dispersivo D-2. • Etapa 3: Se aumenta la cabeza hidráulica a 180 mm de presión. Si durante el tiempo el afluente que sale es claramente oscuro y el caudal esta entre el rango de 1.4 a 2.7 ml/s la prueba está completa. Si no se cumple esta condición siga al Etapa 4. Se desmonta el cilindro, se hace un corte transversal a la muestra y si el diámetro del orificio esta entre 1.5 y 2 veces al diámetro de la aguja se considera como Arcilla moderadamente dispersiva ND-4.

Etapa 4: Si durante 5 minutos el afluente que sale es claro o con partículas y el caudal esta entre 0.4 y 0.8 ml/s, Se aumenta la cabeza hidráulica a 380 mm de presión. Si el afluente se ha oscurecido y aumentado su caudal esta entre 1.8 y 3.2 ml/s. La prueba está completa. Si no se cumple esta condición siga al Etapa 5. se considera como Arcilla ligeramente dispersivo ND-3. • Etapa 5: Si durante 5 minutos el afluente que sale es claro y el caudal esta entre 1.0 y 1.8 ml/s, Se aumenta la cabeza hidráulica a 1020 mm de presión. Si después de 5 minutos el afluente se ligeramente oscuro y su caudal es mayor a 3.0 ml/s. La prueba está completa. Si no se cumple esta condición siga al Etapa 6. se considera como Suelo NO dispersivo ND-2.

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• Etapa 6: Si durante 5 minutos el afluente que sale es muy claro el caudal es menor a 3.0 ml/s, La prueba está completa. Y el orificio no ha sido alargamiento importante. se considera como Suelo NO dispersivo ND-1. 5.2.6 Pruebas, ajustes y análisis de los resultados. Después de tener armado el equipo para la determinación de la dispersividad en arcillas, se procedió a realizar una serie de ensayos que permitiera establecer la fidelidad de los resultados, para lo cual se evaluaron varios tipos de arcillas. Este proceso de validación se dio en dos etapas, en la primera se evaluó la funcionalidad de los diseños planteados y las reformas a las partes que componen el equipo como tal. Y la segunda, teniendo el equipo en óptimas condiciones; se evaluaron 2 muestras, realizando 2 testigos de cada una de ellas con el fin de dar fidelidad al funcionamiento del equipo. 5.2.6.1 Etapa 1. Revisión y ajuste del equipo. En el momento del montaje y puesta en marcha del equipo algunas partes tuvieron que ser modificadas para que funcionaran o mejorar su funcionamiento. Entre los ajustes más relevantes están: • Ajuste al sistema hidráulico: al momento del llenado del tanque de agua que alimenta al piezómetro y al cilindro del espécimen, ocurrían frecuentes reboses de agua, lo cual se solucionaba abriendo y cerrando el grifo de alimentación. Lo cual fue superado abriendo agujeros en la pared del rebosadero, lo cual permitía tener constante flujo de líquido tanto ingresando como saliendo, lo cual se traduce en una cabeza hidráulica constante lo cual permite hacer el ensayo de forma continua. • Ajuste al cilindro del espécimen: Al momento de realizar el ensayo, el líquido que ingresaba al cilindro no llenaba este, por lo cual el flujo no tomaba toda la muestra sino solo hasta el nivel a la altura del tubo de alimentación. Se le agregaron dos válvulas una a la entrada y otra a la salida. A la entrada permite purgar el sistema (no queden burbujas de aire). Y a la salida; para que al momento del llenado se cierre, y se abra la válvula de purga del cilindro, permitiendo así un llenado completo del cilindro. • Ajuste al sistema de mangueras: Se tenían dos problemas, el sistema se descargaba si se cerraba el grifo de alimentación al momento de probar otra arcilla teniendo que se cargado de nuevo y el segundo, no había forma de purgar el sistema de aire. Para corregir esto además de las válvulas en el cilindro del espécimen se agregaron dos más en las tuberías de entrada y salida de agua. Lo cual permitió

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que no se descargara el sistema, y además se pudo purgar cualquier manguera de forma independiente. Durante el proceso de pruebas del equipo en una primera etapa se ensayaron muestras de arcilla desconocidas, con el fin de asegurar el buen funcionamiento del cilindro del espécimen en total se realizaron cerca de 25 pruebas. Entre los defectos más relevantes se registraron los siguientes: • Se aseguró la hermeticidad del cilindro, lo cual incide negativamente con el ensayo ya que no debe haber fugas. • Se comprobó que las partes internas en el cilindro se comportaran de forma estable (no presentaran movimientos o alteraciones) al momento de realizar el ensayo. Lo cual se pudo verificar durante las pruebas. • Se corroboró que no hubo taponamientos a lo largo del espécimen, lo cual corrobora que en el momento del armado de la muestra en el cilindro no hubo errores. • Caudal constante a diferentes cabezas hidráulicas y diferentes tiempos de referencia para las mismas. 5.2.6.2 Etapa 2. Análisis de resultados. Posteriormente y comprobando el buen funcionamiento del equipo se procedió a realizar las pruebas formales del mismo. Se ensayaron dos muestras de diferente procedencia (Ver anexos C.). • Muestra uno: Arcilla procedente de la vereda Río Grande del municipio de Cajicá Cundinamarca. (COL) Resultado: Arcilla tipo ND3 – Arcilla ligeramente dispersiva. • Muestra dos: Arcilla procedente de la ciudad de Brasilia (BRA). Resultado: Arcilla tipo ND2- Suelo no dispersivo. Para la comprobación de los resultados se tomaron 3 testigos por cada muestra, sin embargo se dejaron registro de tan solo dos. Debido a la escasez de la arcilla procedente del Brasil fue necesario este procedimiento.

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6. CONCLUSIONES • La primer cabeza hidráulica que se toma 50 mm de presión; se corroboro que es muy baja; lo cual se reflejó en un mínimo de caudal del afluente. • Se logró diseñar, y construir el equipo para la determinación de la dispersividad en arcillas, logrando que este sea, funcional, práctico y fiable en sus resultados. • Es recomendable realizar de forma complementaria otros ensayos. (Crumb, doble hidrómetro, SAR y ESP) obtener resultados más acertados y confiables. • El equipo para la determinación de las arcillas dispersivas servirá como herramienta pedagógica para la ampliación de los conocimientos en los estudiantes de ingeniería civil.

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BIBLIOGRAFÍA ASTM INTERNATIONAL. Standard Test Methods for Identification and Classification of Dispersive Clay Soils by the Pinhole Test. Washington: ASTM, 2014. 11 p. CIVIL GEEKS. El problema de los suelos dispersivos [en línea]. México: Civil Geeks [Citado 20 mayo, 2014]. Disponible en Internet: <URL: http://civilgeeks.com/2011/10/13/el-problema-de-los-suelos-dispersivos>. HOLMGREN, G.G.S. y FLANAGAN, C.P. Factors Affecting Spontaneous Dispersion of SoilMaterials as Evidenced by Crumb Test. En: Proceedings of American Society for Testing and Materials. 1976, no. 623, p. 218-239. INDUSTRIAL FABRICS ASSOCIATION INTERNATIONAL. Sandchimneydrain [en línea]. U.S.A.: IFAI [Citado 20 mayo, 2014]. Disponible eninternet:<URL:http://geosyntheticsmagazine.com/articles/0411_f5_dam_repair.html>. MITCHELL, J. K. Fundamentals of Soil Behavior. 2 ed. New York: John Wiley & Sons, 1993. 437 p. NATURAL RESOURCES CONSERVATION SERVICE. Problems with dispersive clays [en línea] U.S.A.: USDA. [Citado 20 mayo, 2014]. Disponible en Internet: <URL:http://www.nrcs.usda.gov/Internet/FSE_DOCUMENTS/nrcs142p2_024606.pdf>. SHERARD, James L. y DECKER Rey S. Dispersive Clays, Related Piping, and Erosion in Geotechnical Projects: A Symposium Presented at the Seventy-ninth Annual Meeting, American Society for Testing and Materials. Chicago: ASTM, 1976. 486 p. U.S. DEPARTMEN OF INTERIOR. Reserch and Laboratory Services Division Materials Engineering Branch. Washington: USDI, 1991. 77 p. ----------. Bureau of Reclamation, Denver Office Reserch and Laboratory Services Division Materials Engineering Branch. October 1991. UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MÉXICO. Tubificación [en línea]. México D.F.: UNAM [Citado 15 mayo ,2014]. Disponible en Internet: <URL: http://www.revista.unam.mx/vol.12/num2/art14/art14.pdf>. UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE. Tubificación [en línea]. El Chaco (Argentina): UNNE. [Citado 3 mayo, 2014]. Disponible en Internet: <URL: http://www.unne.edu.ar/unnevieja/Web/cyt/cyt/2001/7-Tecnologicas/T-035.pdf>.

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Anexo A. Tabla de Clasificación de Arcillas Dispersivas según Norma ASTM D4647

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Anexo B. Tabla de para el registro de datos para el ensayo Pinhole

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Anexo C. Cuadros de resultados pruebas realizadas. • Muestra 1

DATOS Y RESULTADOS PRUEBAS EQUIPO DISPERSIVIDAD DE ARCILLAS

Fecha 27/03/2014 Prueba 1Hora 18:00Lugar Instalaciones laboratorio piso 2 ‐ UCCMuestra Arcilla procedente Brasil ‐ Ing. JCR

Humedad De la muestra

Peso Molde 422,5 grPeso Molde + Muestra 539,6 grPeso Muestra 117,1 gr% humedad 7% 8,20 gr/agua

Peso Específico Unitario(Muestra húmeda + apisonada)Peso Molde 51,75 grPeso molde + Muestra 160,14 grPeso Muestra 108,39 grVólumen Molde 0,0000454 mm3Peso Unitario 23415 N/m3

flow rate

ml seg ml/seg Muy oscuro oscuro Ligeramente oscuro Apenas visible claro

10 12 0,83 x10 12 0,83 x25 24 1,04 x

25 19 1,32 x25 21 1,19 x25 21 1,19 x25 20 1,25 x

25 16 1,56 x50 28 1,79 x50 33 1,52 x50 33 1,52 x

50 10 5,00 x50 11 4,55 x100 18 5,56 x100 19 5,26 x100 19 5,26 x100 19 5,26 x

Tabla 1 ‐ Criteria for Evaluating Pinhole Test Results

Final Head (mm) 1020Final Flow Rate (ml/s) 5,26 > 3,0From side ClearFrom Top BarelyHole size after test (mm) 1,0 <1,5

Dispersive Clasification ND2

Presión (mm)

Turbidez

Observaciones

Caudal

50

180

380

1020

42


Fecha 12/04/2014 Prueba 2Hora 14:00Lugar Instalaciones laboratorio piso 2 ‐ UCCMuestra Arcilla procedente Brasil ‐ Ing. Juan Carlos Ruge


Peso Molde 422,5 grPeso Molde + Muestra 517,5 grPeso Muestra 95 gr% humedad 7% 6,65 gr/agua


flow rate


9 11 0,82 x10 11 0,91 x26 25 1,04 x

25 19 1,32 x25 20 1,25 x25 20 1,25 x25 20 1,25 x

25 18 1,39 x50 31 1,61 x50 34 1,4750 34 1,47 x

x50 10 5,00 x50 12 4,17 x100 19 5,26 x100 20 5,00 x100 20 5,00 x100 22 4,55 x


Final Head (mm) 1020Final Flow Rate (ml/s) 4,55 > 3,0From side ClearFrom Top BarelyHole size after test (mm) 1,0 <1,5


1020

380

180

Presión (mm)

Caudal Turbidez

Observaciones

50

43

• Muestra 2. Procedencia: Vereda Rìo Grande - Cajica Cundinamarca. Caracterización de la muestra.

RECIPIENTE # 10 PESO RECIPIENTE (g) 115,2 PESO RECIPIENTE + SUELO SECO (g) 214,5 PESO SUELO SECO + SOLUCION 104,3 PESO SUELO SECO W0 99,3

HIDROMETRO

DEFLOCULANTE HEXAMETAFOSFATO DE SODIO TAMAÑO MAXIMO PASA 10 CILINDRO 1000ml

FECHA HORA TIEMPO TEMP R´ T´ Ct Cd R R-Cd+Ct L K D PASA

dd/mm/aa hh:mm min ºC g/l g/l g/l g/l g/l g/l cm mm % 27/05/2014 10:00 0 100 1 20 36 9 0 10 37 27 8,30 0,013 0,038 37,261 2 20 33 9 0 10 34 24 8,90 0,013 0,028 34,240 5 20 30 9 0 10 31 21 9,70 0,013 0,019 31,219 15 20 28 9 0 10 29 19 10,60 0,013 0,011 29,204 30 20 26 9 0 10 27 17 10,70 0,013 0,008 27,190

60 20 24 9 0 10 25 15 11,10 0,013 0,006 25,176

120 20 23 9 0 10 24 14 11,40 0,013 0,004 24,169

240 20 22 9 0 10 23 13 11,50 0,013 0,003 23,162

1440 20 20 9 0 10 21 11 12,50 0,013 0,001 21,148

Cm 1

Gs 2,7

ALFA 1,000

W0 99,3

GRAVEDAD ESPECÍFICA

TEMPERATURA WPICNOMETR+AGUA 19 647,66

25 646,8

30 645,64

35 645,23

40 644,2

44

PESO PICNOMETRO + AGUA 646,8 g

TEMPERATURA 25°C

PESO PICNOMETRO + AGUA + SUELO 709,7g

PESO RECIPIENTE 112g

PESO RECIPIENTE + SUELO 211,8

PESO SUELO SECO 99,8

GRAVEDAD ESPECIFICA 2,7

Arcilla de color gris claro, consistencia blanda, humedad y plasticidad alta. LIMITES DE ATTERBERG LIMITE LIQUIDO LIMITE PLASTICO NUMERO DE GOLPES 34 25 16 PRUEBA 1 PRUEBA 2 RECIPIENTE 8 9 10 11 12 PESO RECIPIENTE 10,42 14,05 16 10,69 11,01 PESO RECIPIENTE + SUELO HUMEDO 27,2 29,13 27,9 18,9 19,8 PESO RECIPIENTE + SUELO SECO 21,7 24 23,7 17,21 17,98 CONTENIDO DE HUMEDAD 48,76 51,56 54,55 25,92 26,11 LIMITE LIQUIDO 51,2 CLASIFICACION LIMITE PLASTICO 26,0 U.S.C.S A.A.S.H.T.O

INDICE DE PLASTICIDAD 25,2 CH DE ACUERDO A LA CARTA DE PLASTICIDAD ES (CH) ARCILLA DE ALTA PLASTICIDAD

45


Fecha 10/05/2014 Prueba 3Hora 14:00Lugar Instalaciones laboratorio piso 2 ‐ UCCMuestra Arcilla procedente Cajicà Cundinamarca ‐ Vereda Materiales




flow rate


10 15 0,67 x10 16 0,63 x25 15 1,67 x

25 23 1,09 x25 24 1,04 x25 24 1,04 x25 23 1,09 x

25 16 1,56 x50 28 1,79 x50 33 1,52 x50 33 1,52 x


Final Head (mm) 380Final Flow Rate (ml/s) 1,52 1,8 <1,5<3,2From side Barely VisibleFrom Top Slightly darkHole size after test (mm) 1,6 <1,5


1020

380

180

Presión (mm)

Caudal Turbidez

Observaciones

50

46


Fecha 28/05/2014 Prueba 4Hora 15:00Lugar Instalaciones laboratorio piso 2 ‐ UCCMuestra Arcilla procedente Cajicà Cundinamarca ‐ Vereda Materiales




flow rate


10 14 0,71 x10 15 0,67 x25 15 1,67 x

25 20 1,25 x25 22 1,14 x25 24 1,04 x25 22 1,14 x

25 15 1,67 x50 26 1,92 x50 31 1,61 x50 31 1,61 x


Final Head (mm) 380Final Flow Rate (ml/s) 1,61 1,8 <1,61<3,2From side Barely VisibleFrom Top Slightly darkHole size after test (mm) 1,5 >1,5


1020

380

180

Presión (mm)

Caudal Turbidez

Observaciones

50

47

Anexo D. Manual de equipo para determinación de dispersividad arcillas.

MANUAL EQUIPO DETERMINACION DISPERSIVIDAD

EN SUELOS ARCILLOSOS

ENSAYO PIN HOLE – DETERMINACION DISPERSIVIDAD EN SUELOS

ARCILLOSOS

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Para la clasificación de las arcillas dispersivas la norma ASTM D4647, referencia tres formas de realizar de realizar el ensayo. Para este caso se decidió tomar el método A; ya que es más completo.

• Clasificación de arcillas según el método:

DI-D2 : Arcillas dispersivas que fallan rápidamente bajo un cabeza hidráulica de 50 mm. ND4 – ND3: arcillas con características bajas o moderadas de dispersión, con cabezas hidráulicas entre 50 mm y 180 mm. ND1 – ND2: Arcilla no dispersiva con baja erosión, cabeza hidráulica entre 180 mm y 1020 mm de dispersión. Materiales a utilizas para el ensayo

Cilindro acrílico de 100 mm de largo 38 mm de diámetro interno provisto con dos cabezas conjuntas y dos

tornillos de cierre.

Cono metálico de diámetro de 10 mm en la base inferior y 3.8

mm en la superior, altura de 12.7 mm, perforado por su eje longitudinal con un orificio de

1.58 mm de diámetro.

Seis mallas metálicas n° 14 de forma cilíndricas ajustadas al diámetro interior del cilindro.

Base y soporte en acrílico; debe contar con un tablero que indique el nivel piezométrico.

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Agujas de 1.00 mm de grosor para la perforación muestra.

Compactador Tipo Harvard, de masa de 0.5 kg y un altura de caída de 230 mm. Consiste en

un embolo con la pesa; dispositivo compuesto de dos

anillos, un falso fondo y un cilindro acrílico.

Beaker de 50 y 100 ml y 1

probeta graduada, Cronómetro, espátula, gravilla N° 10.Llaves

para ajustar tornillos.

Tanque de reserva de agua con rebosadero y mangueras de alimentación y descarga.

50

Procedimiento para el ensayo 1. Preparación muestra: Se compacta la muestra con el compactador tipo Harvard;

colocando la muestra en el cilindro acrílico sobre el falso fondo, se ajustan los tornillos tipo mariposa. Luego se procede a realizar la compactación dejando caer 12 veces el martillo. Al quedar compactada la muestra se desmonta el acrílico quedando la muestra en su interior, se desmonta el armazón y se procede a enrasar.

2. Alistado de cilindro: Se procede al armado de los elementos restante así: Se instala el cono cilíndrico por un lado de la muestra, insertándolo con la uña hasta quedar al nivel de la parte externa de la muestra.

Se pasa el aguja por el centro del cono 5 veces, procurando que esta salga sin rastro de arcilla.

Se procede a la instalación de las mallas así: Dos a cada lado de la muestra y una a cada lado en el borde después de la gravilla.

Se instalan los empaques respectivos de acero inoxidable, haciendo que coincidan con el cilindro acrílico y luego se procede a ajustar el dispositivo, procurando no apretar en exceso.

51

3. Alistado de las cabezas hidráulicas: Se procede con el llenado del tanque de agua hasta el rebose, se gradua a la altura que se desea hacer el ensayo; se conectan las respectivas mangueras al dispositivo acrílico. Es importante abrir el registro de purga del cilindro y proceder al llenado del mismo antes de iniciar el ensayo.

4. Inicio del ensayo: Teniendo armado el equipo totalmente, se procede a realizar el ensayo como tal, se comienza con una cabeza hidráulica de 50 mm de presión. Se registran los volúmenes de agua a los 4, 6, 8, 10 minutos; así como la descripción del estado de turbidez del agua que sale. Etapas importantes para la correcta lectura y determinación del tipo de arcilla:

Etapa 1: Si durante 5 minutos el efluente que sale es oscuro y el caudal esta entre el rango de 1.0 a 1.4 ml/s la prueba está completa. Si no se cumple esta condición siga al Etapa 2. Se desmonta el cilindro, se hace un corte transversal a la muestra y si el diámetro del orificio es mayor en 2 veces al diámetro de la aguja se considera como arcilla Altamente dispersivo D‐1.

Etapa 2: Si durante 5 minutos el afluente que sale es claramente oscuro y el caudal no varía de 1.0 ml/s , agregue 5 minutos más si la condición no varía. La prueba está completa. Si no se cumple esta condición siga al Etapa3.Se desmonta el cilindro, se hace

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un corte transversal a la muestra y si el diámetro del orificio es mayor en 1.5 veces al diámetro de la aguja se considera como Arcilla dispersivo D‐2.

Etapa 3: Se aumenta la cabeza hidráulica a 180 mm de presión. Si durante el tiempo el afluente que sale es claramente oscuro y el caudal esta entre el rango de 1.4 a 2.7 ml/s la prueba está completa. Si no se cumple esta condición siga al Etapa4. Se desmonta el cilindro, se hace un corte transversal a la muestra y si el diámetro del orificio esta entre 1.5 y 2 veces al diámetro de la aguja se considera como Arcilla moderadamente dispersivaND‐4.

Etapa 4: Si durante 5 minutos el afluente que sale es claro o con partículas y el caudal esta entre 0.4 y 0.8 ml/s, Se aumenta la cabeza hidráulica a 380 mm de presión. Si el afluente se ha oscurecido y aumentado su caudal esta entre 1.8 y 3.2 ml/s. La prueba está completa. Si no se cumple esta condición siga al Etapa5. se considera como Arcilla ligeramente dispersivo ND‐3.

Etapa 5: Si durante 5 minutos el afluente que sale es claro y el caudal esta entre 1.0 y 1.8 ml/s. Se aumenta la cabeza hidráulica a 1020 mm de presión. Si después de 5 minutos el afluente se ligeramente oscuro y su caudal es mayor a 3.0 ml/s. La prueba está completa. Si no se cumple esta condición siga al Etapa6. se considera como Suelo NO dispersivo ND‐2.

Etapa 6: Si durante 5 minutos el afluente que sale es muy claro el caudales menor a 3.0 ml/s, La prueba está completa. Y el orificio no ha sido alargamiento importante. se considera como como Suelo NO dispersivo ND‐1.

TABLA DE CLASIFICIACION DISPERSIVIDAD ARCILLA SEGÚN ASTM D4647

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PLANILLA DE REGISTRO

Construcción equipo dispersividad suelos arcillosos · ETAPAS DE DISEÑO Y ... constante presencia...

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