Cada plano de nivelación en Dallas-Fort Worth se dibuja suponiendo que el terreno se va a quedar quieto. Buena parte del terreno aquí no lo hace. La arcilla oscura bajo el Metroplex absorbe agua y se expande, la suelta y se contrae, y abre grietas tan anchas que en ellas cabe una bota. Quienes la llamaron black gumbo describían lo que le hacía a la rueda de una carreta. Un contratista de movimiento de tierras tiene que describir lo que le hace a una plataforma, a una cuneta y a un estacionamiento, y construir la rasante para que el comportamiento de la arcilla trabaje a favor del sitio y no en su contra.
Este artículo lee el terreno como nosotros lo leemos antes de cotizar: desde la roca de la que se formó por intemperismo, pasando por las series de suelo que el USDA ha cartografiado en la región, hasta los números de laboratorio que usa un ingeniero para decir cuánto se moverá un sitio determinado. Después explica qué cambia cada uno de esos números en la forma de nivelar el sitio.
De dónde viene la arcilla
La Blackland Prairie es una provincia de suelos antes que cualquier otra cosa. El Departamento de Parques y Vida Silvestre de Texas (Texas Parks and Wildlife) describe la región como asentada sobre cretas, margas, calizas y lutitas marinas del Cretácico Superior, que dieron origen a los característicos suelos arcillosos pesados, negros, calcáreos y alcalinos1. Estos suelos son lo que queda de un fondo marino después de cien millones de años de intemperismo, y su química, alta en carbonato de calcio y en minerales de arcilla expansiva, es la química de ese fondo marino.
El mapa del condado de Dallas muestra lo cerca de la superficie que está esa roca. Las unidades geológicas del Servicio Geológico de EE. UU. (USGS) para el condado son la Austin Chalk en el 41 por ciento de su superficie, la Formación Ozan en el 17 por ciento, aluvión del Holoceno en el 16 por ciento, depósitos de terraza del Pleistoceno y Holoceno en el 15 por ciento y la Formación Eagle Ford en el 11 por ciento, con la Formación Woodbine en una décima del uno por ciento a lo largo del borde occidental del condado2. El condado abarca 902 millas cuadradas de lo que el Handbook of Texas llama Blackland Prairie principalmente plana y de suelos pesados, entre 382 y 850 pies sobre el nivel del mar, con una precipitación promedio de treinta y seis pulgadas al año3. Cada una de esas cifras importa para una rasante: la creta es donde empieza la excavación en roca, el aluvión y las terrazas son donde están las arcillas de las vegas de los ríos y la arena y la grava, y la lluvia es lo que dejan entrar las grietas.
Vertisoles, el orden de suelos que se mueve
La ciencia del suelo tiene un nombre para el terreno que hace esto. Los Vertisoles son el orden de suelos definido por al menos 30 por ciento de arcilla en todos los horizontes hasta una profundidad de 50 centímetros, una capa de al menos 25 centímetros de espesor con slickensides (superficies de fricción pulidas) o agregados en forma de cuña, y grietas que se abren y se cierran periódicamente a medida que el suelo se seca y se moja4. La expansión y contracción de la arcilla levanta la superficie y forma las ondulaciones bajas llamadas gilgai, que un topógrafo ve en un sitio virgen del Blackland como un patrón de montículos y hondonadas poco profundos en un terreno que el plano marca como llano4.
Los Vertisoles ocupan cerca del 2.4 por ciento de la tierra libre de hielo del mundo y aproximadamente el 2 por ciento de Estados Unidos, donde se encuentran principalmente en Texas4. Ese es el dato más útil de este artículo para quien viene de otra parte a cotizar obra aquí: el terreno que en la mayor parte del país es una nota al pie es la norma en el norte de Texas.
Las series bajo un sitio de Dallas-Fort Worth
El Servicio de Conservación de Recursos Naturales (NRCS) del USDA cartografía los suelos por series y publica una Descripción Oficial de Series para cada una, que se lee como una especificación: el contenido de arcilla de la sección de control, qué tan anchas y profundas se abren las grietas, cuántos días al año permanecen abiertas, cómo drena el suelo y de qué material se formó. Las siete series siguientes abarcan la mayor parte de lo que nivelan nuestras cuadrillas entre el Red River y el Brazos. La tabla se toma directamente de las descripciones.
| Serie | Ubicación | Arcilla en la sección de control | Grietas en seco | Días con grietas abiertas | Drenaje | Material de origen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Houston Black | Tierras altas de las Blackland Prairies (MLRA 86A y 86B) y el este de la Grand Prairie; pendientes principalmente de 1 a 3 por ciento5 | 40 a 60 por ciento5 | De 0.5 a 4 pulgadas de ancho, desde la superficie hasta 12 pulgadas de profundidad5 | De 90 a 150 días acumulados en la mayoría de los años5 | Moderadamente bien drenado5 | Residuo arcilloso de lodolita calcárea del Cretácico Superior5 |
| Heiden | Centro-este de Texas, MLRA 86A; pendientes de 0.5 a 20 por ciento6 | 40 a 60 por ciento6 | De 0.5 a 3 pulgadas de ancho, a 12 pulgadas o más de profundidad6 | De 90 a 150 días acumulados6 | Bien drenado, con permeabilidad muy lenta6 | Residuo arcilloso de lodolita; contacto dénsico entre 40 y 80 pulgadas6 |
| Branyon | Superficies de terrazas fluviales en valles de ríos; pendientes de 0 a 3 por ciento7 | 40 a 60 por ciento7 | De 1 a 3 pulgadas de ancho, hasta 20 pulgadas o más de profundidad7 | De 90 a 150 días en la mayoría de los años7 | Moderadamente bien drenado, permeabilidad muy lenta7 | Aluvión arcilloso calcáreo de lodolita del Pleistoceno7 |
| Ferris | Centro-este de Texas, MLRA 86A; pendientes de 1 a 20 por ciento, la mayoría de las áreas antes cultivadas y erosionadas8 | 40 a 60 por ciento8 | De 0.5 a 3 pulgadas de ancho, a lo largo de 12 pulgadas o más de profundidad8 | De 120 a 150 días acumulados8 | Bien drenado, permeabilidad muy lenta8 | Residuo arcilloso de lodolita calcárea8 |
| Trinity | Planicies de inundación de valles de ríos, MLRA 86A; pendientes principalmente menores de 1 por ciento; inundación ocasional a frecuente9 | 60 a 80 por ciento9 | Hasta más de 1 pulgada de ancho, hasta 20 pulgadas o más de profundidad9 | Menos de 90 días acumulados9 | Moderadamente bien drenado9 | Aluvión arcilloso calcáreo de lodolita9 |
| Austin | Blackland Prairies, MLRA 86A; pendientes de 0 a 8 por ciento10 | 35 a 55 por ciento, con un equivalente de carbonato de calcio de 40 a 70 por ciento10 | Ninguna descrita10 | No aplica | Bien drenado, permeabilidad moderadamente lenta10 | Residuo de creta, principalmente de la Formación Austin; creta laminar entre 29 y 30 pulgadas10 |
| Eddy | Una franja angosta a lo largo del borde occidental de la Blackland Prairie; pendientes de 1 a 20 por ciento11 | Franco arcilloso muy gravoso, de 35 a 60 por ciento de fragmentos de caliza cretosa en volumen11 | Ninguna descrita11 | No aplica | Bien drenado, permeabilidad moderadamente lenta11 | Residuo de creta intemperizada de la Austin Chalk; roca madre entre 3 y 14 pulgadas11 |
Al leer las filas, el problema de nivelación se divide por sí solo en tres tipos de terreno. Las primeras cuatro series son la arcilla clásica del Blackland: Houston Black, Heiden, Branyon y Ferris tienen de 40 a 60 por ciento de arcilla y todas se agrietan durante tres a cinco meses de un año normal5678. Trinity es la vega del río, con 60 a 80 por ciento de arcilla y una frecuencia de inundación escrita en su descripción, lo cual es un problema de planicie de inundación antes que un problema de suelo9. Austin y Eddy son la zona de creta a lo largo del borde occidental de la pradera: suelos someros y bien drenados, con roca a 30 pulgadas en Austin y a tan solo 3 pulgadas en Eddy, de modo que el corte que era arcilla en el lado este de un sitio puede ser creta ripeable en el oeste1011. Una sola huella comercial en el condado de Dallas o de Collin puede cruzar dos de estos límites, y el estudio de suelos del condado, publicado por el NRCS a través del Web Soil Survey, muestra dónde caen antes de perforar un solo sondeo12.
Los números que usa un ingeniero para decir cuánto se moverá
La descripción de un suelo dice que una serie tiene un alto potencial de expansión y contracción. Un estudio geotécnico tiene que decir cuántas pulgadas, y llega a esa cifra mediante una breve secuencia de pruebas de laboratorio que todo contratista de movimiento de tierras de esta región debería saber leer.
Los límites de Atterberg y el índice de plasticidad. El límite líquido es el contenido de humedad en el que un suelo pasa de plástico a líquido, el límite plástico es donde pasa de plástico a semisólido, y el índice de plasticidad es el rango entre ambos: el ancho de la ventana de humedad en la que la arcilla se comporta como plastilina13. La ASTM D4318 es la prueba, y su propio alcance dice que los límites se usan, junto con otras propiedades del suelo, para correlacionarlos con comportamientos de ingeniería como la compresibilidad, la permeabilidad, la compactabilidad, la expansión y contracción y la resistencia al corte13. Un IP alto es la primera señal de un suelo que se va a mover.
La clasificación. El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, ASTM D2487, grafica el límite líquido contra el índice de plasticidad y asigna un símbolo de grupo; la frontera entre plasticidad baja y alta está en un límite líquido de 50, así que una arcilla del Blackland se reporta como CH, arcilla de alta plasticidad, y una arcilla más magra como CL14. Las letras en un registro de sondeo son la forma más rápida de ver qué parte de un sitio es arcilla grasa.
La definición del código de construcción. El Código Internacional de Construcción (International Building Code) define el suelo expansivo con cuatro criterios, y un suelo que cumple los cuatro se trata como expansivo: un índice de plasticidad de 15 o más según ASTM D4318, más del 10 por ciento de las partículas que pasan la malla No. 200, más del 10 por ciento de partículas menores de 5 micrómetros y un índice de expansión mayor de 20 según ASTM D482915. El código permite al ingeniero omitir las tres primeras pruebas si se realiza la del índice de expansión15. La prueba del índice de expansión sumerge en agua destilada un espécimen compactado y lee su expansión como un número índice, que la ASTM describe como una forma sencilla y sensible de evaluar el potencial de expansión para uso práctico en ingeniería16. Cuando el ingeniero quiere pulgadas en lugar de un índice, la ASTM D4546 mide la expansión o el colapso unidimensional de un espécimen al humedecerse, ya sea en un espécimen reconstituido que simula relleno compactado o en un espécimen inalterado del depósito natural, y el resultado se usa para estimar el levantamiento o el asentamiento del perfil del suelo17.
Elevación vertical potencial. En Texas, el número es el PVR. El procedimiento de prueba Tex-124-E de TxDOT define la elevación vertical potencial como el potencial de los suelos de expandirse en dirección vertical a una densidad, humedad y condición de carga dadas al exponerse al agua capilar del subsuelo o al agua superficial, elevando la superficie superior junto con todo lo que descansa sobre ella, y se expresa en pulgadas18. El procedimiento muestrea el horizonte del suelo por capas, con mayor énfasis en las capas superiores hasta una profundidad de 15 pies en la mayoría de los casos y hasta 20 pies cuando hay arcillas altamente expansivas, analiza el perfil en incrementos de 2 pies y estima la elevación a partir del límite líquido, el contenido de humedad, el porcentaje de aglutinante del suelo y el índice de plasticidad de cada capa bajo la carga del suelo que tiene encima18. Cuando un estudio geotécnico para una plataforma en el norte de Texas indica un PVR y una meta, ese es el cálculo que lo respalda, y la plataforma se construye para bajar ese número.
Lo que cada una de esas propiedades le hace a una rasante
Las grietas deciden a dónde va el agua. Un perfil Houston Black abre grietas de media pulgada a cuatro pulgadas de ancho desde la superficie hasta un pie de profundidad, y las mantiene abiertas de 90 a 150 días en la mayoría de los años5. La lluvia que escurriría de una plataforma nivelada, en cambio, se mete en las grietas, satura la arcilla de arriba hacia abajo y la hincha hasta cerrarlas. La primera pulgada de lluvia después de un agosto seco afecta más a una subrasante terminada que una semana de llovizna en febrero. Por eso la rasante tiene que sacar el agua de la arcilla rápidamente, con pendiente positiva y sin lugar donde estancarse, y la superficie tiene que cerrarse con una capa compactada antes de que llegue la lluvia.
La humedad es la variable, no la resistencia. Como el cambio de volumen lo provocan el humedecimiento y el secado, una arcilla colocada seca y luego humedecida se levantará, y una arcilla colocada húmeda y luego secada se contraerá y se asentará. Las tres respuestas del código al suelo expansivo lo dicen en una frase: una cimentación diseñada para resistir el cambio de volumen diferencial, la remoción del suelo hasta una profundidad suficiente para asegurar un contenido de humedad constante en lo que queda, o la estabilización por métodos químicos, abatimiento del nivel freático, presaturación o técnicas equivalentes19. Dos de las tres son movimiento de tierras. La remoción y sustitución es la sobreexcavación y el relleno selecto de una plataforma; la presaturación es el acondicionamiento de humedad, que lleva la arcilla a su humedad óptima o ligeramente por encima antes de compactarla, para que ya esté cerca de su estado expandido cuando se coloque la losa.
El tratamiento químico lo elige el suelo, y primero se revisan los sulfatos. Las guías de TxDOT para modificar y estabilizar suelos establecen el orden: clasificar el suelo y obtener los límites de Atterberg, medir el contenido de sulfatos con Tex-145-E y, si los sulfatos superan las 3,000 partes por millón, detenerse y usar las guías separadas para suelos ricos en sulfatos, porque esos suelos pueden levantarse cuando se les agrega cal20. Por debajo de ese umbral, el aditivo depende del índice de plasticidad. Para una subrasante en la que 25 por ciento o más pasa la malla No. 200, las guías indican cemento, cal con ceniza volante y asfalto para un IP menor de 15; cal, cal con cemento, cal con ceniza volante, ceniza volante y cemento para un IP de 15 a menos de 35; y cal, cal con cemento y cal con ceniza volante para un IP de 35 o más20. La cal está en todas las listas para las arcillas grasas porque reacciona con los minerales de la arcilla, pero es un aditivo entre varios, el diseño de mezcla fija la dosificación y la prueba de sulfatos va antes que todo eso.
La creta somera cambia la maquinaria. En las series Austin y Eddy el problema se invierte. La creta laminar está entre 29 y 30 pulgadas bajo un perfil Austin, y la caliza cretosa parcialmente cementada entre 3 y 14 pulgadas bajo Eddy1011. Un corte que era trabajo de mototraílla en el lado Houston Black del sitio se vuelve trabajo de ripeo y, a mayor profundidad, de martillo hidráulico, y el material que sale es creta que no se compacta como la arcilla. El registro de sondeo y el estudio de suelos del condado le indican dónde está esa línea; la cotización ya tiene que haberla tomado en cuenta.
Cómo nivelamos sobre ella
Nada de lo anterior hace que no se pueda construir sobre la arcilla del Blackland. La convierte en un suelo con un procedimiento. El nuestro empieza con el estudio de suelos del condado y el estudio geotécnico antes de la cuantificación, para que la estimación se base en el terreno que realmente existe. El relleno se coloca con humedad controlada, en capas que se prueban conforme a la curva de laboratorio que especifica el estudio. La subrasante terminada se recorre en busca de agua estancada antes de entregarla, porque un punto bajo en Houston Black es un problema de expansión en cuanto llueve. Y cuando un sitio pasa de arcilla a creta, el corte se cotiza y se programa como dos tipos de excavación, no como uno.
El campo confirma los números. Nuestras cuadrillas han nivelado sitios en Frisco donde el estudio geotécnico situó el índice de plasticidad entre 50 y 59, muy por encima del umbral de 15 del código y más allá del punto en el que las guías de TxDOT llevan toda elección de aditivo a la familia de la cal1520. No es una cifra inusual en el norte de Texas. Es la razón por la que el estudio geotécnico, y no el plano, define cómo se construye aquí una plataforma.
Tres preguntas que hay que resolver antes de nivelar sobre arcilla
- ¿Qué serie está bajo la huella y dónde cambia? El Web Soil Survey lo responde gratis antes de perforar un sondeo12, y la respuesta decide si el corte es arcilla, creta o vega de río.
- ¿Cuál es el PVR y cuál es la meta? Tex-124-E da las pulgadas18; la diferencia entre ambos es la sobreexcavación, el acondicionamiento de humedad y el tratamiento que necesitará la plataforma.
- ¿Cuál es el contenido de sulfatos? Por encima de 3,000 partes por millón, el plan de tratamiento cambia antes de empezar20, y la prueba es el concepto más pequeño de la lista.
Envíenos el estudio geotécnico y la dirección del sitio, y leeremos el terreno con usted antes de armar la cuantificación.
