Diapositivas preparadas para la clase de Geotecnia en el Posgrado de Geotecnia de la UAQ.

1. Mejoramiento de Suelos
Expansivos y Cimentaciones
Ing. Rafael Ortiz Hernández
Geotecnia
División de Investigación y Posgrado Facultad de Ingeniería
Universidad Autónoma de Querétaro

2. Contenido:
1. Causas de daños a las estructuras por hinchamiento
1. Clasificación de potencial de suelos expansivos
2. Problemas asociados con suelos expansivos
2. Métodos generales de cimentaciones en suelos expansivos
1. Eliminación o reducción del hinchamiento
1. Reemplazo de suelo expansivo
2. Cambiar la naturaleza del suelo
3. Controlar el contenido de agua del suelo debajo de la cimentación
2. Uso de estructuras fuertes que resistirán el hinchamiento
1. Controlar la dirección de la expansión
2. Carga del suelo a una presión suficiente para equilibrar la presión de hinchamiento
3. Aislar la estructura del suelo propenso a hincharse

3. Causas de daños a las
estructuras por hinchamiento
Clasificación de potencial de suelos expansivos
Problemas asociados con suelos expansivos

4. Causas de daños a las estructuras por hinchamiento –
Clasificación de potencial de suelos expansivos
• Se considera que el potencial del cambio de volumen depende
de las propiedades de sus límites de Atterberg:
Potencial de cambios en el volumen del suelo relacionados con el índice de
plasticidad (IP) y el límite líquido (LL)
Potencial para el
cambio de
volumen
Índice de
Plasticidad
(PI %)
Índice de
contracción
(IC %)
Límite líquido
(LL %)
Bajo <18 >15 20-35
Medio 15-28 10-15 35-50
Alto 25-41 7-12 50-70
Muy alto >35 <11 >70
(Bowles, 1988 citando a Holtz, 1959 y a Daskshanamurthy et al, 1973)

5. Causas de daños a las estructuras por hinchamiento –
Problemas asociados con suelos expansivos
• Debido al cambio de volumen en suelos expansivos, ya sea
abajo o adyacente a cualquier tipo de cimentación las
estructuras pueden estar sujetas a varios tipos de daños:
• Alabeo de pavimentos
• Agrietamientos de losas
• Movimiento diferencial y agrietamientos de paredes
• Movimiento diferencial y agrietamientos de tuberías
• Agrietamientos de muros

6. Causas de daños a las estructuras por hinchamiento –
Problemas asociados con suelos expansivos – Alabeo de
pavimentos
• El problema ocurre en capas superiores de caminos o
carreteras. Ocurre por el potencial de expansión del sistema de
subsuelo (subrasante, sub-base y base)
Hinchamiento en el medio
Hinchamiento en los lados
(Kalantari, 2012)

7. Causas de daños a las estructuras por hinchamiento –
Problemas asociados con suelos expansivos – Agrietamientos
de losas
• Este tipo de daños son secuenciales y resultan en un tipo de
deformación progresivo.
Suelo expansivo
Losa en rasante
(Kalantari, 2012)

8. Causas de daños a las estructuras por hinchamiento –
Problemas asociados con suelos expansivos – Movimiento
diferencial y agrietamientos de paredes
• El agrietamiento ocurre en muros de sótanos y paredes del
edificio de forma lateral y vertical.
(Kalantari, 2012)

9. Causas de daños a las estructuras por hinchamiento –
Problemas asociados con suelos expansivos – Movimiento
diferencial y agrietamientos de tuberías
• El hinchamiento del suelo provoca que tuberías subterráneas
se rompan, especialmente si hay una fuente de agua cercana
al suelo expansivo cercano a las tuberías.
(Getty Images)

10. Causas de daños a las estructuras por hinchamiento –
Problemas asociados con suelos expansivos – Agrietamientos
de muros
• El muro se rompe debido al suelo expansivo en hinchamiento y
a la infiltración de agua.
(Kalantari, 2012)

11. Métodos generales de
cimentaciones en suelos
expansivos
Eliminación o reducción del hinchamiento
Uso de estructuras fuertes que resistirán el hinchamiento

12. Eliminación o reducción del
hinchamiento
1. Reemplazo de suelo expansivo
2. Cambiar la naturaleza del suelo
3. Controlar el contenido de agua del suelo debajo de la cimentación

13. Eliminación o reducción del hinchamiento – Cambiar la
naturaleza del suelo – Reemplazo de suelo expansivo
• Cuando se tienen suelos medianamente expansivos con poco
espesor y cercanos al nivel de desplate de cimentaciones, se
pueden reemplazar con suelos no expansivos y compactados
apropiadamente.
• Se podría en vez de hacer un reemplazo completo por uno
parcial, mezclando el suelo problemático con uno que no lo sea
(suelos granulares).
• El reemplazo del suelo puede ser únicamente en la zona activa
o en donde haya problemas significativos a la cimentación.
• Colocar una cama granular y cubierta alrededor de la
cimentación puede ayudar a combatir los efectos del
hinchamiento del suelo circundante a la cimentación.

14. Eliminación o reducción del hinchamiento – Cambiar la
naturaleza del suelo – Reemplazo de suelo expansivo
(Roma Sol Ingeniería, 2021)

15. Eliminación o reducción del hinchamiento – Cambiar la
naturaleza del suelo
• Se puede cambiar la naturaleza o comportamiento del suelo
por medio de las siguientes técnicas:
• Control de compactación
• Estabilización química
• Prehumedecimiento

16. Eliminación o reducción del hinchamiento – Cambiar la
naturaleza del suelo – Control de compactación
• Un método práctico y económico de controlar la expansión.
• Cuando un suelo se compacta a un peso volumétrico a un peso
volumétrico menor del lado derecho de la curva de
compactación, 3-4% del contenido de agua óptimo, se
decrementa su contenido de humedad.
• No se recomienda en losas de cimentación donde el
hinchamiento pueda alcanzar los 35 mm.
• Se puede utilizar en cimentaciones superficiales en conjunto
con subrasantes de agregados y la losa de piso es
independiente de las trabes de liga, columnas, muros y la
presión admisible esta cerca de la resistencia admisible del
suelo de cimentación.

17. Eliminación o reducción del hinchamiento – Cambiar la
naturaleza del suelo – Control de compactación
(Gromko, 1974)
(Leonard, 1989)
Drenaje de control subterráneo
Suelo hinchado
Subrasante de materiales
de granulometría abierta y
con drenaje libre
Losa libre de trabes de liga,
columnas y muros
Drenaje fuera de
la estructura

18. Eliminación o reducción del hinchamiento – Cambiar la
naturaleza del suelo – Estabilización química
• Se estabiliza el suelo mediante sustancias como la cal, la
ceniza volante o cemento, que se conoce que reducen el
hinchamiento.
• La estabilización por cal es la más usada que las otras, aunque
tiene sus limitaciones.
• Mezclar del 4 al 8% de cal con la arcilla hace que su índice
plástico se reduzca e incremente su capacidad de carga.
• Se realizan mezclas de la arcilla con porcentajes de 1% a 10%
y se determina el pH de cada mezcla hasta alcanzar un valor
establecido como estabilizado (pH = 12).

19. Eliminación o reducción del hinchamiento – Cambiar la
naturaleza del suelo – Estabilización química - Cal
• La sílice y la alúmina del suelo son solubles y reaccionan con
los cationes del calcio, formando compuestos conglomerantes
(reacciones puzolánicas), que aumentan considerablemente la
resistencia del suelo y mejoran algunas propiedades
geotécnicas del suelo.
• Esta reacción continua a largo plazo, incrementando
permanentemente la resistencia y la estabilidad del suelo.

20. Eliminación o reducción del hinchamiento – Cambiar la
naturaleza del suelo – Estabilización química - Cal
(Calidra, 2022)

21. Eliminación o reducción del hinchamiento – Cambiar la
naturaleza del suelo – Estabilización química - Cal
(Calidra, 2022)

22. Eliminación o reducción del hinchamiento – Cambiar la
naturaleza del suelo – Estabilización química - Cal
(Calidra, 2022)

23. Eliminación o reducción del hinchamiento – Cambiar la
naturaleza del suelo – Estabilización química - Cal
(Calidra, 2022)

24. Eliminación o reducción del hinchamiento – Cambiar la
naturaleza del suelo – Estabilización química - Cal
(Calidra, 2022)

25. Eliminación o reducción del hinchamiento – Cambiar la
naturaleza del suelo – Estabilización química - Cal
(Calidra, 2022)

26. Eliminación o reducción del hinchamiento – Cambiar la
naturaleza del suelo – Estabilización química - Cal
(Calidra, 2022)

27. Eliminación o reducción del hinchamiento – Cambiar la
naturaleza del suelo – Estabilización química - Cal
(Calidra, 2020)

28. Eliminación o reducción del hinchamiento – Cambiar la
naturaleza del suelo – Prehumedecimiento
• Se incrementa el contenido de humedad del suelo al sumergirlo
en agua.
• La sumersión logra hacer que el suelo alcance el hinchamiento
esperado antes de la construcción (estructuras ligeras 1 nivel).
• Sin embargo, este proceso requiere de mucho tiempo, en
especial en suelos altamente plásticos.
• Se recomienda colocar una plataforma de 10 a 15 cm de
espesor de grava durante y después del humedecimiento para
reducir la evaporación, una sobrecarga de consolidación y una
plataforma de trabajo.

29. Eliminación o reducción del hinchamiento – Cambiar la
naturaleza del suelo – Prehumedecimiento
(Gonzalez, 2017)

30. Eliminación o reducción del hinchamiento – Controlar el
contenido de agua del suelo debajo de la cimentación
• Es el método más efectivo para controlar el potencial de
hinchamiento del suelo.
• La mayoría de los controles de humedad se aplican en el
perímetro de las estructuras para evitar el humedecimiento de
bordes.
• La instalación de barreras impermeables, muros de retención o
geotextiles y sistemas de drenaje y control de cobertura de
vegetación.

31. Eliminación o reducción del hinchamiento – Controlar el
contenido de agua del suelo debajo de la cimentación
Material granular
Sello impermeable
Barrera de humedad
impermeable
Tubería perforada
Zanja de drenaje con
material granular
Barrera de humedad
impermeable con pendiente
Tierra protectora con
pendiente
Zapata corrida
(Dhowian, 1990)

32. Eliminación o reducción del hinchamiento – Controlar el
contenido de agua del suelo debajo de la cimentación
(D S Brody & Associate)

33. Uso de estructuras fuertes
que resistirán el hinchamiento
1. Controlar la dirección de la expansión
2. Carga del suelo a una presión suficiente para equilibrar la presión de hinchamiento
3. Aislar la estructura del suelo propenso a hincharse

34. Uso de estructuras fuertes que resistirán el hinchamiento –
Controlar la dirección de la expansión
• Permite que el suelo se expanda en cavidades colocadas en la
cimentaciones para que el movimiento del suelo se reduzca a
una cantidad tolerable.
• Las losas reticuladas son un ejemplo, los nervios de concreto
reforzado sostienen la carga estructural del edificio y los
huecos permiten la expansión del suelo.
• Se recomienda en suelos con expansividad baja, y media.
• El refuerzo se puede sustituir con cables postensionados para
presiones de expansión mayores.

35. Uso de estructuras fuertes que resistirán el hinchamiento –
Controlar la dirección de la expansión
(Cornell Engineers, 2014)

36. Uso de estructuras fuertes que resistirán el hinchamiento –
Carga del suelo a una presión suficiente para equilibrar la
presión de hinchamiento
• Se usa en sitios con rellenos donde el peso del relleno se
equilibra con la presión de hinchamiento.
• Se puede usar debajo de edificios ya sea al usar zapatas de
alta presión o excavar varios metros de suelos expansivos y
rellenar con material granular.
• Una combinación de relleno y la presión de la cimentación
puede contener el hinchamiento.
• El método no es práctico para edificios de un solo nivel
(residenciales o comerciales) debido a su baja presión.

37. Uso de estructuras fuertes que resistirán el hinchamiento –
Carga del suelo a una presión suficiente para equilibrar la
presión de hinchamiento
Presión de hinchamiento:
Presión de relleno:
𝛾𝑚 ∙ ℎ = 1.7
𝑡
𝑚3 ∙ 0.3 𝑚 = 0.51 𝑡/𝑚2
0.50
𝑡
𝑚2
Estructura
Mexicali: Plataformas de Tucuruguay (arena limo-arcillosa)

38. Uso de estructuras fuertes que resistirán el hinchamiento - Aislar
la estructura del suelo propenso a hincharse
• Uso de cimentaciones profundas con una losa de suelo
suspendida donde la estructura estará separada del
movimiento.
• El uso de cimentaciones de profundas en suelos de
cimentación es una técnica muy común.
• Los suelos hinchados tienen una estructura rígida y no
contienen agua libre, por lo que son suelos son buenos para
hacer perforaciones a una profundidad mayor que la zona
activa.

39. Uso de estructuras fuertes que resistirán el hinchamiento - Aislar
la estructura del suelo propenso a hincharse
• Las pilas pueden colocarse a una profundidad suficiente y dejar
una zona de expansión entre la superficie y el edificio.
• Este procedimiento puede usar pilas con puntas campana con
profundidad suficiente para que las fuerzas de hinchamiento no
empujen a la pila y el cambio de volumen en la zona activa
levanten todo el sistema.
• Se recomienda que las pilas tengan un diámetro pequeño para
evitar esfuerzos de tensión grandes debido a la presión de
expansión.
• A veces se pueden colocar materiales flexibles entre la pared
del suelo expansible y la pila como un material “búfer”.

40. Uso de estructuras fuertes que resistirán el hinchamiento - Aislar
la estructura del suelo propenso a hincharse
Trabe de liga
Carga muerta
Carga muerta
Refuerzo por tensión
Espacio de aire debajo trabe de liga
Zona inestable
Zona estable
Fricción de fuste
Fuerza resistente
Presión de levantamiento
Punta de campana
Presión de
levantamiento
Longitud
de
pila (Chen, 1988)

41. Uso de estructuras fuertes que resistirán el hinchamiento - Aislar
la estructura del suelo propenso a hincharse
Profundidad del
suelo
expandido
Agujero con holgura
con paja, aserrín o
materiales
granulares sueltos
Punta de campana
en la pila para
resistir tensiones
Superficie de
terreno
Estrato
resistente (Bowles, 1988)

42. Referencias:
• Kalantari, B. (2012). Foundations on expansive soils: a
review. Research journal of applied sciences, engineering and
technology, 4(18), 3231-3237.
• Bowles, J.E., 1988. Foundation analysis and design. McGraw-
Hills Inc., U.S.A., pp: 312-316.
• Gromko, G.J., 1974. Review of expansive soils. J. Geotechnical
Eng. Division. June ASCE, pp: 667-689.
• Leonard, R.J., 1989. Expansive Soils. Shallow Foundation.
Regent Centre. University of Kansas.
• Calidra (2021). Guía de Aplicación Estabilical.

43. Referencias:
• Calidra (2020). Supervisión y control de calidad de suelos
estabilizados con cal.
• Luis, G. R. J., & Omar, C. A. (2021). Evaluación de la expansión
en suelos presaturados Expansion evaluation of presaturated
soils. IngenIería InvestIgacIón y tecnología, 22(4), 1-14.
• Dhowian, A. W. (1990). Heave prediction techniques and design
consideration on expansive soils. Journal of King Saud
University-Engineering Sciences, 2(2), 355-376.
• https://cornellengineers.com.au/beware-waffle-slabs/
• Chen, Y.L., 1988. Foundations on Expansive Soils. Elsevier
Science Publishing Company Inc., New York, pp:714-728.