Acción de la helada sobre el terreno

Deformaciones del suelo debidas a la acción de la helada

Bajo la acción de la helada, el agua libre sin flujo se congela a 0°C y, al hacerlo, aumenta su volumen en 9%. Sin embargo, el agua en tubos capilares estrechos no se congela a 0°C, sino a temperaturas más bajas, que oscilan entre -1°C y -78°C. Esta última temperatura de congelación fue determinada mediante ensayos de laboratorio en América. Cuanto más estrecho es el tubo capilar, menor es la temperatura de congelación.

En el suelo existen poros conectados entre sí en todas direcciones y que forman capilares. En la arena los poros son grandes y forman capilares anchos, en los que el agua se congela a 0°C o a una temperatura algo inferior. El agua se congela de manera uniforme, formándose en los poros cristales de hielo, cuyo aumento de volumen de 9% no provoca deformaciones significativas del suelo. En los suelos de grano fino los poros son más pequeños y forman capilares estrechos en los que el agua se congela a temperaturas inferiores a 0°C. Sin embargo, en la capa superficial el suelo es siempre más suelto, con poros más grandes, en los que el agua se congela a 0°C y forma cristales de hielo. Estos cristales atraen hacia sí el agua enfriada desde los poros estrechos con gran fuerza, la llamada fuerza de cristalización. Cuando el agua así atraída entra en contacto con los cristales de hielo y se congela también, aumentando el volumen de los cristales de hielo, estos se convierten en lentes de hielo, cuyo espesor puede ser de unos 0,1 a 10 mm. Las lentes de hielo formadas provocan una deformación considerable del suelo durante la acción de las heladas, que en circunstancias especialmente desfavorables puede llegar a 30 y 50 cm.

La aparición y la magnitud de la deformación del suelo debida a la acción de las heladas depende principalmente de los siguientes 3 factores:

1. Composición granulométrica del suelo

2. Nivel freático

3. Tiempo de duración de la helada.

Ad 1) En cuanto a la composición granulométrica, el mayor efecto de las heladas se da en el suelo de grano fino, cuyos poros son lo bastante pequeños como para formar finos capilares, y al mismo tiempo presenta una permeabilidad suficientemente alta, que permite una rápida circulación del agua durante la acción de las heladas. Este tipo de suelo es el más sensible a las heladas, tanto en cuanto a la rapidez de aparición como en cuanto a la magnitud de las deformaciones. Se trata de suelos limosos, compuestos principalmente por granos de tamaño 0,02-0,002 mm. Los granos de tamaño >0,02 mm tienen una baja altura de ascenso capilar, mientras que los granos de tamaño < 0,002 mm tienen un ascenso capilar lento, de modo que en ambos casos, durante la duración de las heladas, solo puede llegar una pequeña cantidad de agua a la zona de acción de la helada. Si el suelo arcilloso contiene más de 25% partículas de tamaño < 0,002 mm, la permeabilidad del suelo es muy baja y la circulación del agua en los poros es tan lenta que allí se congela antes de que puedan atraerla las lentes de hielo.

Ad 2) Además de la condición relativa a la composición granulométrica del suelo, debe cumplirse otra condición para que se produzcan deformaciones del suelo por heladas. Esta consiste en que exista la posibilidad de aportación de agua a la zona de acción de las heladas. Si esta condición no se cumpliera, es decir, si los capilares del suelo no estuvieran en comunicación con el agua que fluirá continuamente por ellos durante la acción de las heladas, no se producirán deformaciones por heladas, sea cual sea la composición granulométrica del suelo.

Cuanto más alto sea el nivel del agua subterránea, mayor será la posibilidad de deformaciones del suelo debidas a la acción de las heladas. Si el nivel del agua subterránea está a una mayor profundidad que la altura de la ascensión capilar del agua de un suelo dado, las deformaciones por heladas son insignificantes.

Ad 3) Cuanto más largo sea el período de duración continua de la helada, tanto mayores serán las deformaciones debidas a la helada, debido a la formación de lentes de hielo más grandes y numerosas. Una helada intensa y de corta duración provoca menores deformaciones, porque en ese caso se produce la congelación brusca del agua en los poros y la interrupción del flujo capilar del agua. Por el contrario, una helada media y prolongada provoca mayores deformaciones debido a la formación sin obstáculos de lentes de hielo.

Efecto del descalce

Durante el deshielo, primero se derriten las lentes de hielo en la parte superior del suelo superficial, mientras que inmediatamente debajo queda la capa congelada y, por tanto, impermeable. Como las lentes de hielo derretidas generan una gran cantidad de agua, que no puede infiltrarse a través de la capa inferior congelada, esta mayor cantidad de agua en la capa superficial sobresatura el suelo y lo convierte en una masa líquida, que no tiene ninguna consistencia, sino que se expulsa lateralmente bajo presión. Las deformaciones del suelo debidas al deshielo pueden ser considerables y, en ciertos casos, peligrosas. Estas deformaciones son frecuentes en los cortes de las líneas férreas y de las carreteras, donde en primavera se produce un deslizamiento parcial de los taludes debido a la sobresaturación del suelo con el agua procedente de las lentes de hielo derretidas, así como en las carreteras, cuyos firmes se deforman bajo el tráfico sobre un terreno que ha perdido su capacidad portante por la sobresaturación de agua.

Criterio para evaluar el efecto de la helada sobre el suelo

Estudiando la acción de las heladas sobre distintos tipos de suelo, se llegó a la conclusión de que, en cuanto al comportamiento frente a las heladas, deben distinguirse dos tipos de suelo: seguros y sensibles a las heladas.

Los suelos seguros frente a la helada son aquellos en los que no se forman lentes de hielo, por mucho que dure el periodo de helada. En este tipo de suelo solo se congela el agua de sus poros y se forman cristales de hielo, con deformaciones insignificantes bajo la acción de la helada. A este grupo pertenecen la grava, la arena y suelos similares.

Los suelos peligrosos por heladas son aquellos en los que se forman lentes de hielo, como consecuencia de lo cual pueden producirse deformaciones mayores. El agua acumulada en la capa superficial en forma de lentes de hielo, durante la acción de las heladas, produce también un efecto de deshielo. A este grupo pertenecen ciertos suelos limoso-arcillosos y, en particular, los suelos limosos.

Existen varios criterios para evaluar la resistencia del suelo a las heladas, entre los cuales los más conocidos son los criterios de Arthur Casagrande y de Rukli, que describiremos aquí.

Criterio A. de Casagrande

Este criterio se basa en la composición granulométrica del suelo y dice:

a) En el caso de suelos de composición uniforme, cuyo grado de uniformidad U < 5, el suelo es sensible a la helada si contiene más del 10% de granos de tamaño inferior a 0,02 mm.

b) En suelos de composición heterogénea, cuyo grado de heterogeneidad U > 15, el suelo es peligroso frente a la helada si contiene más de 3% de granos de tamaño inferior a 0,02 mm.

Aunque este criterio se aplicó durante mucho tiempo y siempre dio resultados fiables, su desventaja es que se basa sólo en la granulometría del suelo y no tiene en cuenta otros factores que influyen en la acción de la helada en el suelo. Por eso hoy se considera que este criterio es demasiado estricto y antieconómico.

Criterio de Rukliev

Según este método, el suelo se divide en dos fracciones según la dureza de las partículas sólidas: una fracción gruesa, con granos de diámetro d > 2 mm, y una fracción fina, con granos de diámetro d < 2 mm. Para evaluar la resistencia del suelo a las heladas, se establece la relación de la cantidad de fracción fina con la cantidad de fracción gruesa, y esta relación se da mediante un límite inferior y uno superior (fig. 1).

El límite inferior representa el mayor porcentaje admisible de partículas sólidas de diámetro d < 0,02 mm respecto al peso seco del relleno, es decir, la fracción 0-2 mm, en la cual prácticamente no se producen daños por heladas en condiciones desfavorables, como un nivel alto de aguas subterráneas, condiciones climáticas desfavorables (heladas prolongadas) y elevada humedad natural del suelo.

El límite superior representa el porcentaje máximo permitido de partículas d < 0,02 mm del peso seco de la fracción de grano fino, con el cual no se producen prácticamente daños por helada en condiciones favorables, como un nivel freático bajo, condiciones climáticas favorables (heladas de corta duración) y una baja humedad natural del suelo.

Fig. 1 Límites inferior y superior para la evaluación del peligro de heladicidad del suelo según el criterio de Ruklie

Protección contra la acción de la helada en el suelo

La profundidad de acción de la helada en el suelo depende de las condiciones climáticas de la región. En nuestro país, por lo general es de 0,8 a 1,0 m por debajo de la superficie del terreno. Por consiguiente, las construcciones cimentadas a una profundidad igual o superior a 1,0 m no estarán sometidas a la acción de la helada.

Las construcciones de cimentación superficial, como los pavimentos de las carreteras, están expuestas a la acción de las heladas, que puede producir mayores deformaciones y daños en el pavimento, tanto durante la congelación como durante el deshielo. Por ello, al ejecutar pavimentos en carreteras y pistas de aterrizaje en aeropuertos, es necesario examinar el terreno en cuanto a la acción de las heladas y, en caso de que el terreno de cimentación sea susceptible a la helada, deben adoptarse medidas de protección. En los pavimentos de carreteras y aeropuertos, la medida más eficaz es la ejecución de una capa de base, cuyo espesor se determina de modo que el espesor total del pavimento y de la capa de base sea 0,80 m para tráfico pesado hasta 0,60 m para tráfico ligero. Por lo general, un espesor de la capa de base de 0,30 m bajo el pavimento constituye una protección suficiente contra la acción de las heladas.

El material para la capa de base es por lo general arena o grava arenosa, que debe cumplir los siguientes requisitos:

Índice de plasticidad IP < 5

Contenido de la fracción d < 0,02 mm menor que 3%

Grado de irregularidad U > 7.

La parte superior de la capa de base, con un espesor de 20 cm, no debe ser arena uniforme y de grano fino debido a su compactación insuficiente y a su capacidad portante limitada. En esta zona, la capa de base debe ser grava arenosa con 30-70% de tamaño de grano 2-30 mm. No se recomiendan granos mayores de 30 mm.

Los muros de cerramiento de cimentación superficial también están sometidos a la acción de la helada en el terreno, a causa de lo cual se inclinan, lo que con la acción repetida de la helada con el tiempo conduce a su vuelco y derrumbe. Por ello, estos muros deben cimentarse a 1,0 m de profundidad, si el terreno es sensible a la helada.