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IDENTIFICACION Y ENSAYOS EN SUELOS DISPERSIVOS





Hilda Garay Porteros (1)

Jorge E. Alva Hurtado (1)






RESUMEN



En el pasado, los suelos arcillosos fueron considerados altamente resistentes a la erosión al

fluir el agua, pero en los últimos años tiende a ser más claramente sobreentendido que en la

naturaleza existen ciertas arcillas que son altamente erosionables. Estos suelos son

conocidos como suelos formados por arcillas dispersivas.



La dispersión es un proceso por el cual un suelo deflocula espontáneamente cuando está

expuesto al agua que tenga poco o nada de velocidad hidráulica. Se piensa que la dispersión

generalmente es causada por la repulsión electrostática entre las partículas de la arcilla,

resultando en la formación de una suspensión coloidal estable del suelo.



Los suelos dispersivos no pueden ser identificados con una clasificación visual del suelo o con

índice de normas de ensayos, tales como el análisis granulométrico o los límites de Atterberg.

Por lo tanto, a causa de ésto, han sido ideados otros ensayos. Las arcillas deben ser

ensayadas por características dispersivas como un procedimiento de rutina realizable durante

los estudios para presas de tierra y otras estructuras hidráulicas en las cuales éstas puedan

ser empleadas.



El trabajo desarrollado se inicia presentando brevemente conceptos de los factores que

implican la dispersión de un suelo arcilloso, para luego indicar los ensayos desarrollados para

identificar la arcilla dispersiva y finalmente, sobre la base de los resultados obtenidos de los

ensayos, señalar la mejor forma de identificar estos suelos.





1. INTRODUCCION



El presente trabajo surge de la inquietud por investigar más sobre los suelos dispersivos. Este

tipo de suelo de arcilla dispersiva fue conocido primero por los ingenieros agrónomos hace

100 años, y su naturaleza fundamental fue bien entendida por los científicos de suelos e

ingenieros agricultores hace casi 50 años. La importancia del tema en la práctica de la

Ingeniería Civil ha sido reconocida aproximadamente desde 1940, pero no fue ampliamente


(1) Laboratorio Geotécnico CISMID – FIC - UNI

Ponencia presentada en el XII Congreso Nacional de Ingeniería Civil, 16 al 20 de Noviembre de 1999, Huánuco.

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apreciada sino hasta comienzos de 1960. Se inicia en Australia cuando, se investiga las fallas
de socavación en presas de tierra y se observa el comportamiento de la arcilla dispersiva en
presas pequeñas de arcilla. Desde este tiempo, muchas investigaciones han sido ejecutadas
a fin de mejorar los procedimientos para identificar a las arcillas dispersivas.

En nuestro país se desarrolló una Tesis de Grado por el Ing. Marcelo Perla León en la
Pontificia Universidad Católica del Perú en 1985. El trabajo que se presenta ahora desarrolla
los métodos físicos más empleados que existen actualmente para identificar los suelos
dispersivos, y busca dar a conocer más sobre este tipo de suelo no muy conocido en nuestro
medio.

La tendencia a la erosión dispersiva en un suelo dado depende de muchas variables, tales
como la mineralogía, la química de la arcilla y las sales disueltas en el agua de los poros del
suelo y la erosión del agua. Para una mejor compresión de ésta, es necesario conocer estas
variables para identificar mejor a este tipo de suelo.

El reconocimiento de las arcillas dispersivas en años recientes da a los ingenieros más
perspicacia para el diseño de las estructura usando las arcillas erosivas. Alrededor de 1976,
muchos científicos de suelos e ingenieros comenzaron a incluir al “estado de dispersión” de
los suelos arcillosos en sus prácticas para el diseño de estructuras sujetas al daño potencial
de la erosión. El reconocimiento de que existen ciertas arcillas dispersivas en la naturaleza es
una contribución importante y fundamental para la Ingeniería Geotécnica, y particularmente
para el arte de la construcción de terraplenes y presas.



2. DESCRIPCION DE LOS SUELOS DISPERSIVOS


Las arcillas dispersivas son fácilmente erosionables debido al estado físico-químico de la
fracción de la arcilla de un suelo que causa a las partículas individuales de la arcilla a
deflocularse (dispersarse) y se rechazan en la presencia del agua relativamente pura. Las
arcillas en este estado son altamente erosivas por los bajos gradientes hidráulicos del flujo del
agua y en algunos casos por el agua en reposo. Cuando el suelo de arcilla dispersiva es
sumergido en agua, la fracción de arcilla tiende a comportarse de manera semejante a las
partículas granulares, es decir las partículas de arcilla tienen una atracción mínima de electro-
química y fallan hasta adherirse cercanamente o enlazarse con otras partículas de suelo. Así,
el suelo de arcilla dispersiva erosiona con la presencia del agua que fluye cuando las
plaquetas individuales de la arcilla son partidas y transportadas. Tal erosión puede ser
provocada por una filtración inicial a través de la presa, por ejemplo, en las áreas de suelos
con alta permeabilidad, especialmente alrededor de los conductos, contra las estructuras de
concreto y en los contactos de las cimentaciones, el secado de grietas, el asentamiento
diferencial de las fisuras, la saturación del asentamiento de las fisuras, y/o el fracturamiento
hidráulico. La principal diferencia entre las arcillas dispersivas y las ordinarias es su
resistencia a la erosión; las arcillas aparecen en la naturaleza de los cationes en los poros del
agua de la masa de arcilla. Las arcillas dispersivas tienen una preponderancia de cationes de

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c) El Ensayo de Pinhole

La clasificación de dispersión de Pinhole, conocido también como Ensayo de Pinhole,

o Ensayo de Pinhole Sherard (Norma de la Asociación de Australia, 1980).



Este ensayo fue desarrollado por Sherard et al (1976). Un hueco de 1.0 mm de

diámetro es perforado en el suelo a ser ensayado, y a través del agujero se pasa agua

bajo diferentes cargas y duraciones variables. El suelo es tamizado a través del tamiz

de 2.36 mm y compactado aproximadamente en el límite plástico a una proporción de

densidad del 95% (las condiciones a simular en un terraplén de presa con una fisura o

agujero en el suelo). En la Figura 3 se presenta el ensayo de pinhole.



































Figura 3. Ensayo de Pinhole



4. MUESTRAS Y ENSAYOS REALIZADOS


Los ensayos se realizaron en el Laboratorio Geotécnico del CISMID de la FIC-UNI. La

realización de estos ensayos se basa en las Normas ASTM, excepto para el ensayo de

Crumb que se rige en una Norma del USBR. En el caso del ensayo de Pinhole, fue

necesario la adquisición de equipo. Se programó ensayos de clasificación de suelos

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para determinar la composición granulométrica y la plasticidad de las muestras. Luego
se realizaron los ensayos de dispersión.

A continuación se indican las muestras ensayadas:

a) Muestras de la Laguna de Oxidación de San José-Chiclayo (Muestras Nº 1 y 2).

b) Muestra de la Cantera de UNICON en Jicamarca-Lima (Muestra Nº 3).


c) Muestra del Proyecto Rehabilitación de la Carretera Ilo-Desaguadero en Puno

(Muestras Nº 4 y 5).


d) Muestra de la Presa Tinajones en Lambayeque (Muestra Nº 6).


e) Muestra de la Presa Cuchoquesera en Ayacucho (Muestra Nº 7)


Los ensayos de dispersión de suelos realizados para determinar las características
dispersivas fueron:


- Ensayo de Crumb,
- Ensayo del Doble Hidrómetro,
- Ensayo del Pinhole.

4.1. Ensayo de Crumb (USBR 5400-89)

El ensayo consiste en preparar un especímen cúbico de 15 mm de lado o eligiendo un
suelo Crumb secado al aire de igual volumen (sería preferible usar un suelo Crumb con su
humedad natural). El especímen es colocado cuidadosamente en alrededor de 250 ml de
agua destilada. Mientras el suelo Crumb se comienza a hidratar, se observa la tendencia
de las partículas coloidales para deflocularse y entrar en suspensión.

La tendencia para que las partículas de arcilla entren en suspensión coloidal es observada
después de 5-10 minutos de inmersión, usando la siguiente guía de interpretación:

Grado 1.

Ninguna reacción: El desmenuzado puede desmoronarse y esparcirse en el fondo del
cubilete en amontonamiento plano, sin ningún signo de agua nublada causada por
coloidales en suspensión.

Grado 2.

Reacción ligera: Simple insinuación de nubosidad en agua en la superficie del Crumb (si la
nubosidad es fácilmente visible, use el grado 3).

Grado 3.

Reacción moderada: Nubosidad de coloides fácilmente reconocible en suspensión.
Usualmente diseminado en trazas delgadas en el fondo del cubilete.

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Luego de estos resultados, podemos concluir:

- Las muestras 2 y 7 no son dispersivas
- La dispersión del resto de las muestras varía de ligera a alta
- El tiempo de curado en el estado compactado de los especímenes influye en los

resultados del ensayo de Pinhole. A un mayor tiempo de curado, el suelo tiende a ser
menos dispersivo.





6. CONCLUSIONES


* El propósito principal de los ensayos presentados es la identificación real de las arcillas

dispersivas, que son la causa de fallas en presas de tierra y serias erosiones en otras
estructuras de tierra.


* Es recomendable utilizar más de un ensayo para comprobar la dispersividad de un

suelo. La opción más simple y económica sería emplear los ensayos de Crumb y de
Pinhole. Otros ensayos que también ayudan a identificar las arcillas dispersivas son los
ensayos químicos del Análisis de las Sales Disueltas en el Agua de Poros del Suelo
(SAR) y el Ensayo del Porcentaje de Sodio Cambiable (ESP).

<
* De los tres ensayos físicos analizados, comprueba que con frecuencia los resultados

no concuerdan, y que el ensayo de Pinhole es el más fiable, por ser un ensayo
cuantitativo y cualitativo; por lo tanto, es el ensayo físico que modela las condiciones
de servicio y evalúa la dispersión.


* Las arcillas dispersivas son altamente susceptibles a la tubificación por los procesos de

erosión coloidal. Estas arcillas tienen un predominio de cationes de sodio disueltos en
el agua de poros, mientras que las arcillas ordinarias, resistentes a la erosión, tienen al
calcio y al magnesio como los cationes disueltos dominantes.


* De los ensayos físicos realizados, se observa que existe una buena correlación entre

los ensayos de Pinhole y de Crumb.

* Un suelo con muchas sales hace al suelo dispersarse mas fácilmente.

* El Ensayo de Pinhole se sugiere para las situaciones donde el agua estaría fluyendo

(por ejemplo: en el caso de una presa) y el Ensayo de Emerson Crumb para las
condiciones quietas, (por ejemplo en reservorios).

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* Es importante para el ingeniero ser capaz de identificar las arcillas dispersivas en un
proyecto dado, teniendo especial cuidado y atención durante el diseño y construcción
en las áreas criticas en las que estos materiales fueran a ser usados.



7. REFERENCIAS



- Sherard, J.L., Dunnigan L.P. y Decker, R.S. (1976), “Identification and Nature of
Dispersive Soils”, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 102, GT4, Abril, pp
287-301.


- Sherard, J.L., Dunnigan L.P. Decker, R.S. y Steel E.F. (1976), “Pinhole Test for

Identifying Dispersive Soils”, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol 102, Nº
GT-1, pp. 69-85.


- Bulletin of Committee on Materials for Fill dams by USCOLD under the guidance of

L.O. Timblin, Jr., “Dispersive Soils in Embankment Dams”, Commission Internationale
des Grands Barrages-151, bd Haussmann, 75008 Paris.


- Sherard, J.L., y Decker, R.S., (1977), eds., “Dispersive Clays, Related Piping, and

Erosion n Geotechnical Projects”, STP 623, ASTM, Philadelphia, Pensylvania.


- Perla León M. (1985) Tesis de Grado - Pontificia Universidad Católica del Perú
- Stapledon, F.M., (1992), “Geotchnical Engineering of Embankment Dams”, pp. 288-

317.


- Tosun, H., (1997), “Comparative Study on Physical Test of Dispersibility of Soils Used
for Earthfill Dams in Turkey”, Geotechnical Testing Journal, GTJODJ, Vol. 20, Nº 2,
June.


- Ingles D.G. y Metcalf M. (1972), “Soil Stabilization”, Butterworsths, Sydney, Australia.


- Sherard, J.L. y Decker, R.S. (1977), “Some Engineering Problems with Dispersive

Clays”, Proc. Symposium on Dispersive Clays, Related Piping, Erosion in Geotechnical
Projects, ASTM SPT G23, pp. 3-12.


- Emersson W.W. (1977), “A Classification of Soils Aggregates Base on their Coherence

in Water”, Australian Journal of Soil Research, Vol. 2., pp 211-217.

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