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Suelos expansivos, el desastre silencioso

*Por el Ing. Justo V. Domé.
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EDITORIAL

*Por el Ing. Justo V. Domé.

El 20 de marzo pasado se presentó en la ciudad de Paraná, Entre Ríos el libro que lleva el título “Suelos Expansivos – El desastre silencioso”, el que ha sido el resultado final de una historia profesional en contacto con estos materiales  desde las primeras experiencias en obras viales afectadas por ese fenómeno, luego la participación sistemática en relevamientos geotécnicos de índole variada, y  la  actividad docente de la especialidad que obligaron a profundizar tempranamente el estudio de estos materiales incluidos en la denominación genérica de “suelos especiales”. Para ello fue esencial haber podido intervenir en un período breve – pero muy fructífero – en las investigaciones encaradas en la Universidad Tecnológica Nacional de Paraná.

El paso del tiempo, la decantación de la experiencia derivada de la elaboración de cientos de informes geotécnicos referidos a obras sobre esos suelos y el haber conocido innumerables patologías – muchas veces de muy  difícil solución – me   impulsaron a encarar esta revisión con el objeto de sintetizar en un volumen los antecedentes bibliográficos y de investigación regional, con el afán de ayudar a quienes cotidianamente tienen que enfrentarse a este desafío técnico que nos propone la Naturaleza, que es hacer inocuo para nuestros proyectos los fenómenos ligados al comportamiento cambiante de estos materiales en condiciones ambientales diversas.

La obra tuvo como primer lector al Presidente Honorario de la Academia Nacional de Ingeniería, Ing. Oscar Vardé, quien – para la presentación – hizo llegar palabras elogiosas sobre la utilidad práctica del libro.

En la Introducción se explica que la expansión o contracción volumétrica significativa experimentada por algunas arcillas debido a cambios de humedad representa uno de los problemas más serios en la Ingeniería de Fundaciones, y es causa de importantes daños estructurales en edificaciones de naturaleza diversa. La problemática de suelos expansivos se presenta en diversos países alrededor del mundo, tales como Angola, Argelia, Argentina, Australia, Brasil, Birmania, Canadá, Colombia, Cuba, Ecuador, España, Estados Unidos, Etiopía, Ghana, India, Israel, Irak, Irán, Kenia, Marruecos, Méjico, Mozambique, Perú, Rusia, Sudáfrica, Turquía y Venezuela.

En nuestro país, se hallan arcillas expansivas en dos tercios de la Provincia de Entre Ríos, Norte de Santa Fe, cercanías de La Plata, Gran Buenos Aires, Salta y Provincia del Chubut.

Los Ingenieros conocen los daños que generan los mismos sobre estructuras de baja carga, apoyadas en capas superficiales activas, como ocurre en caminos, ferrocarriles, aeropuertos, canales, conducciones, edificaciones con fundaciones  poco profundas. La afectación sobre esas estructuras requiere de medidas de rehabilitación muchas veces en una etapa temprana de uso, lo que implica una inversión adicional de peso para el propietario o el usuario.

No sólo se producen estos fenómenos en condiciones ambientales específicas como lo son suelos parcialmente saturados de zonas áridas o semi-áridas con una estación seca muy marcada, sino que en zonas con precipitaciones normales pueden presentarse más espaciadamente en coincidencia con una merma en las lluvias.

Existen valoraciones de esos costos millonarios de reparación de daños generados anualmente por estos suelos en diversos territorios. Y la conclusión es que las cifras involucradas superan largamente a la que producen terremotos, huracanes, inundaciones o deslizamientos pero al generarse de manera “silenciosa” no se le otorga tanta trascendencia pese a la onerosidad del problema, por cuanto se distribuye en el tiempo y en el espacio y no genera  víctimas [el título del ya clásico trabajo “Arcillas expansivas: el desastre oculto”, de Jones & Holtz (1973) sintetiza esta situación].Una encuesta realizada en Estados Unidos en  1972 por los departamentos de carreteras de los 50 Estados, el Distrito de Columbia y Puerto Rico indicó que 36 de esos Estados tienen suelos expansivos en su jurisdicción geográfica (se ha estimado que la cuarta parte de la superficie terrestre de los Estados Unidos está cubierta por suelos que pueden plantear problemas de retracción – hinchamiento – Holtz, 1980).El coste anual de los daños causados a las carreteras y autopistas por el material expansivo se estimó de forma conservadora en 1973 en más de 1.000 millones de dólares, mientras que datos más recientes y precisos (de 2.019) los ponderan en 1.500 Millones de Dólares anuales. Otros países han efectuado esas mismas cuantificaciones también con cifras millonarias.

Desde el año 1.936 existen antecedentes del análisis del problema por autores reconocidos refiriendo a las condiciones ambientales y mineralógicas que influyen sobre el comportamiento de los suelos con hinchamiento y retracción. A partir de esas primeras observaciones, se han encarado diversos estudios para la caracterización de los suelos expansivos, así como investigaciones sobre metodologías para disminuir los daños por la expansión y construir de forma apropiada sobre este tipo de material.  En 1953 se inició en Zeitlen, Israel, una profunda investigación pues se presentaron serios problemas con el comportamiento de las fundaciones de edificios, muros de sostenimiento, conducciones y pavimentos, que estuvieron asociados con las arcillas expansivas. Los grupos de investigación sobre el tema fueron  desarrollando diversos Congresos específicos en el ámbito de la Geotecnia, iniciándose con el Primer Coloquio Internacional de Suelos Expansivos en Haifa (Israel) en 1.961, en el que participó  un pequeño grupo de investigadores de diversos países del mundo (India, Estados Unidos, España, Canadá, Australia, Sudáfrica, y Reino Unido). Posteriormente se intensificaron las reuniones en la Universidad de Texas A&M en 1965 y 1969; Haifa, Israel, en 1973; Denver, Colorado, en 1980; y Adelaida, Australia, en 1985.

La preocupación por las pérdidas de serviciabilidad de las obras viales en Estados Unidos de América, llevó a la FHA (Federal Highway Administration – Administración Federal de Carreteras) a planificar y solventar una investigación de cuatro años que encomendó  a la Estación Experimental de Vías Navegables (WES) del Ejército de los EE.UU., en Vicksburg, Mississippi. El Dr. Donald R. Snethen fue el responsable de ese programa desde el Laboratorio Geotécnico de la Entidad, se inició en 1.974 y comprendió la elaboración de una gran cartografía del país con sus áreas de peligrosidad expansiva y las recomendaciones para mitigar daños.

Contemporáneamente con esos eventos al haberse tomado conciencia de la problemática que se enfrentaba en la Provincia de Entre Ríos, y siguiendo esas líneas de investigación, se dio un paso trascendente en los inicios de la década del ´70 con la conformación del “Centro de Investigaciones Tecnológicas de Entre Ríos (CITER)” en el que confluyeron el Instituto Autárquico Provincial de la Vivienda, el Colegio de Profesionales de la Ingeniería de Entre Ríos y la Universidad Tecnológica Nacional. Como hecho significativo se concretó la visita a Paraná de uno de los investigadores internacionales destacados (George W. Donaldson de Sudáfrica ) , pero luego no tuvo una vigencia significativa por avatares políticos de la época, aunque sentó las bases para que en la Facultad Regional Paraná de la UTN  surgiera un grupo de investigación de Suelos que efectuó aportes de mucho interés, al igual que ha ocurrido en la Facultad Regional Concordia y luego en la de Concepción del Uruguay  de la misma Universidad. Estos trabajos han sido compilados e incluidos en forma sintética en el libro.

La obra apunta a efectuar inicialmente una revisión de las cuestiones teóricas ligadas a la comprensión del fenómeno de la expansión, de los métodos de identificación de los suelos que se tornan peligrosos para las obras de Ingeniería y Arquitectura mediante su descripción mineralógica,  un sumario de los métodos en uso para su clasificación y las técnicas a aplicar para mitigar las consecuencias de sus acciones en construcciones de diferentes tipologías, haciendo hincapié en las experiencias regionales específicas, y finalmente en la visión actual sobre criterios de diseño para obras de naturaleza diversa y las líneas de experimentación e  investigación a profundizar.

El fenómeno de la Expansividad y Retracción de algunos suelos, está ligada a la presencia de minerales arcillosos peculiares que admiten la retención y posterior pérdida de cantidades importantes de agua. Esta propiedad de algunas arcillas se explica detalladamente en el libro, y a manera de síntesis, puede indicarse que la superposición en láminas de Tetraedros de Sílice y Octaedros de Alúmina , dan lugar, según su acomodamiento, a diversos tipos de arcillas, entre las que las Montmorillonitas  resultan ser las más activas por la  superficie específica elevada y capacidad de intercambio de cationes atraídos a su superficie cargada negativamente, a la que se adhieren también dipolos de agua, generando una capa adsorbida seguida por un sector de cationes y agua con menor atracción desde  la partícula arcillosa, denominada “doble capa ligada o difusa”       

Con la reducción progresiva de la humedad de una suspensión electrolítica de arcilla, se alcanzará una fase en la que el espesor de la película de agua será inferior al de la Doble Capa Difusa. Esto puede ocurrir por la eliminación de la humedad por evaporación o por drenaje bajo una tensión aplicada. Las arcillas expansivas son entonces un fenómeno que se origina en la conjugación de un terreno arcilloso con ciertas condiciones ambientales que provoquen cambios apreciables de humedad.

La determinación del potencial de hinchamiento de un suelo problemático sólo puede hacerse posible mediante el uso de métodos sistemáticos de identificación, ensayo y evaluación de dicho potencial. Se analizan en la obra las diversas alternativas de ponderación de la naturaleza de los materiales en verificación, desde las metodologías más simples a las más complejas, haciendo hincapié en la posibilidad de obtener una calificación consistente, a partir de ensayos de rutina en un laboratorio de suelos, como lo son las Constantes Físicas o Límites de Atterberg. En base al Límite Líquido y al Índice de Plasticidad se pueden ajustar rangos de Expansividad Potencial que ayudarán a diseños sustentables, si se adoptan las medidas de mitigación aconsejadas, reduciendo así los daños físicos y económicos ligados a las acciones de cambios volumétricos de los suelos.

Un concepto importante ligado a la Actividad de las Arcillas es el de profundidad activa. Como una conclusión de diferentes perfiles encontrados, Kassiff et al (1969), indican que se puede dividir el perfil de humedad del suelo en una zona superior, «activa», hasta una profundidad entre 2.0 m y 2.5 m, y una zona inferior, «inactiva», con cambios muy pequeños durante todo el año. Sin embargo, debido a que las características de humedad de un perfil dependen de factores tales como la distribución de la evaporación y precipitación (ciclo climático y vegetación de superficie), la plasticidad, la permeabilidad, y la profundidad del nivel freático regional, se deben esperar variaciones notables en diferentes sitios del mundo.

En un sitio descubierto se puede asumir que la humedad de cualquier punta dentro de un perfil de suelo parcialmente saturado se encuentra generalmente en equilibrio con las condiciones impuestas por los esfuerzos aplicados en ese punto, las fuerzas debidas a evaporación y transpiración actuantes sobre la superficie, y las fuerzas de capilaridad que deben existir por encima de la napa de agua, generándose el concepto de “Humedad de Equilibrio”). Cuando se interviene un terreno, se altera el equilibrio que se establece entre el suelo, la vegetación y el clima.

Al edificar o simplemente cubrir el suelo, se interrumpe ese equilibrio, puesto que se altera el gradiente térmico que existe en el subsuelo, y se produce la migración de agua y cambios en la acción capilar. La presencia de una edificación sobre esa superficie elimina casi completamente las fuerzas causadas por evaporación y transpiración, y en consecuencia, se produce un nuevo conjunto de condiciones cuando la edificación (incluida una obra vial) se levanta en el sitio previamente descubierto.

En el caso de las superficies pavimentadas las fallas habituales generadas a partir de cambios en los contenidos de humedad, se dan por la aparición de fisuras longitudinales en la calzada, especialmente cuando no se han impermeabilizado las banquinas. Es lo que se conoce como el “Efecto de Borde”, puesto que existe una diferencia manifiesta en el comportamiento de los bordes respecto al centro de la calzada en relación a los cambios de humedad con saturación diferencial.

Este esquema se ve reflejado en situaciones concretas de obras con pérdidas marcadas en su serviciabilidad, siendo una de las fallas más comunes   la formación de grietas longitudinales que discurren paralelas a la línea central del pavimento, las que se desarrollan porque la impermeabilidad de la superficie del pavimento hace que el suelo de la subrasante bajo la zona central se mantenga húmedo, mientras en la banquina fluctúa estacionalmente.

También se generan ondas o desniveles a lo largo de un tramo de pavimento, normalmente sin grietas visibles en la superficie ni deficiencias en la resistencia del subsuelo. Estas ondas se producen hasta que se alcanza el equilibrio de humedad en el suelo y, a continuación, permanecen prácticamente inalteradas.

Otra cuestión que pareciera menor, pero tiene influencia sobre las obras es la cercanía de árboles, por la acción de las raíces por el secado del suelo. Legget y Crawford (1.967), han establecido una escala de peligrosidad de las especies ubicadas en cercanías de las obras, la que se ha resumido en el libro. Por otra parte, el Estado de Texas es ampliamente conocido por la presencia de suelos expansivos [un cuarto del presupuesto anual del TDOT (Texas Department of Transportation), se gasta en rehabilitación y mantenimiento de daños por suelos expansivos]. Ha realizado estudios específicos   en obras donde existe una frondosa vegetación de árboles adyacentes a la calzada, y se ha podido comprobar la influencia de los mismos en las condiciones superficiales. Mediante sensores especiales colocados en la Ruta SH 342, en cercanías de Dallas, se controló la variación de humedad bajo el pavimento. Se detectó que las raíces de los árboles del borde del pavimento pueden desplazarse por debajo del paquete en busca de agua. Esto se observó en dos de las perforaciones con una disminución del contenido máximo de humedad. Por lo tanto, los árboles pueden ser considerados como uno de los factores que contribuyen al agrietamiento del pavimento.

Los trabajos de investigación realizados en la Región Litoral, en los aspectos de interés para las obras viales, apuntaron a verificar variaciones en los parámetros mecánicos de los suelos activos frente a diferencias de densidad y humedad, revisando criterios ampliamente extendidos en lo que se refiere a grados de compactación y contenidos de humedad: Humedades en la óptima del ensayo de compactación o mejor aún supriores a ellas, generan menores presiones de expansión aunque con menor resistencia mecánica.Por otra parte, se comprobó en obras civiles la importancia de un drenaje superficial adecuadamente conducido lejos de las cimentaciones, y a la par la extensión de la cubierta de los suelos circundantes [veredas perimetrales con inclinación adecuada (equivalente a banquinas impermeables con pendiente acusada)], como herramienta para trasladar el “efecto de borde”.

Otra conclusión trascendente se verificó al analizar las elevaciones de un bloque de hormigón cimentado directamente en suelos de elevada plasticidad, verificándose a través de fórmulas de uso extendido, que el 84% de la elevación es consecuencia del hinchamiento del manto superior de 1.-m. Esta conclusión es congruente con lo especificado por diversos manuales de diseño vial, que apuntan a un alejamiento de las subrasantes a no menos de 1.-m de los suelos activos.

Respecto a las medidas de mitigación, muchos investigadores como Peck et al. (1974), Kalantari (1991) y Murphy (2010), proponen tres métodos generales para prevenir los daños estructurales que generan los suelos expansivos en estructuras de nueva construcción:

i) Eliminación o reducción del hinchamiento; ii) Utilización de estructuras suficientemente resistentes que permanezcan a pesar del hinchamiento y iii) Aislar la estructura del suelo hinchado.

Cada uno de los métodos mencionados también puede describir una o varias técnicas que se explicitan con más detalle a continuación. Los métodos de mitigación aplicables a obras diversas pueden agruparse en:

A. Remoción y reemplazo de suelo.

B. Acondicionamiento de la humedad y control de la compactación.

C. Pre-humectación.

D. Incorporación de aditivos químicos.

E. Alternativas de control de la humedad (drenaje y/o barreras).

F. Control de la dirección de las expansiones.

G. Cuidado del entorno (árboles, vegetación).

H. Control de las presiones de hinchamiento con sobrecarga.

I. Uso de geo-grillas.

J. Métodos innovadores.

K. Diseño especial del proyecto.

Una vez comprobada la factibilidad del tratamiento del suelo para controlar la elevación, la elección de la técnica debe evaluarse con respecto a los siguientes aspectos: – Factores económicos; – Control relativo de los cambios de volumen esperados mediante la aplicación de diferentes alternativas de tratamiento; – Condiciones específicas del lugar, tales como potencial de cambio de volumen, variaciones de humedad, grado de fisuración y permeabilidad;     – Naturaleza del proyecto; – Resistencia necesaria de los suelos de cimentación; – Movimiento tolerable de la cimentación;  -Tiempo disponible para el tratamiento.

La selección del método de mitigación requiere una comprensión detallada del grado de expansividad del suelo; tipología de la obra (aspectos funcionales y mecánicos de la estructura soportada); tipo de daños esperables, extensión de los daños, aspectos económicos y constructivos relacionados con el método de mitigación.

Los criterios expuestos anteriormente deben ser complementados desde un punto de vista cualitativo, con la respuesta a posteriori de los suelos y las estructuras. Sin embargo, existen soluciones probadas ampliamente, a saber:

-Sustitución de suelos, con espesor mínimo de 1.-m; – Humedades de compactación entre la óptima y la rama húmeda del ensayo Proctor Standard, aunque al generarse una merma en el CBR de la capa obliga a mayores espesores de paquete estructural; – Tratamiento de suelos con Cal o aditivos químicos; – Drenajes mediante zanjas perimetrales en construcciones junto a laderas o taludes; – Drenajes transversales en terrenos sometidos al agua en su superficie (calzadas); – Colocación de geomembranas impermeables verticales  bajo banquinas pavimentadas;        – Adición de Geogrillas al paquete estructural, – Cuidar el entorno, especialmente la cercanías de árboles, o vegetación con raíces de elevado desarrollo.   

Dentro de los Métodos Innovadores, la mezcla de arena y geo-espuma de poliestireno expandido (EPS) se han evaluado como estabilizadores potenciales para mejorar el comportamiento de hinchamiento de las capas expansivas. Varios espesores de capas de arena, capa de geo-espuma y la combinación de arena y geo-espuma se han mostrado eficaces para mitigar la presión de hinchamiento.

Existen numerosas investigaciones aún en marcha, para comprobar las posibilidades de uso de estabilizadores no tradicionales en base a desechos (esencialmente residuos industriales): lignina (subproducto de la industria papelera y maderera), cenizas de cáscara de arroz (RHA), residuos plásticos, fibras sintéticas, cenizas de bagazo de caña de azúcar (SCBA), cenizas de estiércol de vaca (CDA), apuntando a tratamientos sostenibles con baja emisión de CO2. Estas pruebas en marcha apuntan a bajar costos, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y simultáneamente reducir los volúmenes de la disposición final de desechos.

En relación al Punto K. Diseño especial del Proyecto, más allá del uso de suelos seleccionados de yacimientos para reemplazo de los suelos montmorilloníticos, lo que implica introducir a veces daños ambientales con cavas  no tratadas adecuadamente, y transporte de grandes volúmenes de material, incrementando la huella de Carbono, existen técnicas de diseño de los núcleos de terraplenes compartiendo materiales activos en el interior, pero  intercalando capas inertes y protecciones exteriores de suelos seleccionados. Son los que se denominan “núcleos no homogéneos”, que constituyen una estructura heterogénea, en la que cada capa cumple una misión concreta.

 Se trata de estructuras mixtas (tipo “sandwich”), generadas por la intercalación de distintas capas, que mezclan a su vez tanto materiales térreos naturales, como otros no naturales, como son los suelos tratados con cal, rigidizando el comportamiento global de la estructura terrosa creada con la utilización de arcillas plásticas húmedas. Pero los suelos expansivos no deben usarse en el coronamiento ni en los espaldones, y se deben compactar del lado húmedo. Solo se proscriben si la expansión libre supera el 5 %. 

Cabe acotar que algunas fallas observadas en diseños rígidos implantados en suelos expansivos (por ejm. Ruta Nac. 127 en la Prov. de Entre Ríos), pusieron en  evidencia que la concepción de los proyectos debe contemplar todos los elementos que hacen a la perduración de las mejores condiciones de servicio por el mayor tiempo posible, y realizar una evaluación económica sustentable al momento de comparar los diseños más apropiados, ya que en ese caso analizado, de haberse efectuado esa ponderación  detallada en el contexto de las recomendaciones volcadas  anteriormente,   se debería  haber incluido: i)  la elevación de la rasante respecto al terreno en zonas que no mostraban pendientes naturales acusadas; ii), distanciando el coronamiento de las cunetas y atenuando la pendiente de los taludes de los espaldones; iii) el alejamiento transversal de la obra básica respecto del drenaje longitudinal de los excedentes hídricos superficiales; iv) barreras horizontales a través de banquinas pavimentadas indispensables para cualquiera de los diseños en análisis (rígido o flexible); v) barreras verticales y drenes para mantener a los suelos plásticos del núcleo con un entorno de humedad relativamente constante, vi) posibilidad de ejecutar la obra básica con intercalación de materiales o capas modificadas para reducir la potencia de los estratos activos, utilizando el criterio de “núcleos no homogéneos”.

Como comentario final, cabe destacar que cada año la retracción o hinchamiento de los suelos provoca daños por miles de millones de dólares en casas, edificios, carreteras y tuberías, más del doble de los daños causados por inundaciones, huracanes, tornados y terremotos. Aun así, se siguen gastando cifras millonarias para controlar las inundaciones, pero no se aplican esfuerzos similares para reducir los daños causados por los suelos expansivos. La mayor parte de las fallas atribuibles a las arcillas activas se desarrollan en estructuras livianas que no oponen presiones significativas en sus fundaciones respecto a las derivadas del hinchamiento, como tampoco están preparadas para resistir los esfuerzos de retracción. Los daños graves durante su vida útil, podrían ser evitados, si toman medias de previsión del problema, lo que puede hacerse con un buen grado de aproximación mediante las metodologías empíricas que no requieren de estudios complejos y costosos. Simplemente la utilización adecuada de los datos geotécnicos básicos de cualquier relevamiento, permite arribar a medidas adecuadas de mitigación, apoyándose en las conclusiones obtenidas hace décadas por un sinnúmero de investigadores a lo largo del mundo, experimentadas en suelos diversos.  

Lo que se requiere en estos casos es complementar esas técnicas ya probadas con métodos de atenuación basados en la interacción de nuevos materiales y tecnologías con aquellas soluciones probadas en el tiempo, lo que – en su complementación – puedan ayudar a acotar los daños que puedan ocasionar estos suelos especiales a rangos mínimos,  con costos cada vez más bajos, y con reducción de la “Huella de Carbono”, aplicando el concepto de “Economía Circular” , vale decir, recurrir a la re-utilización de materiales residuales.