Frost Heave - Cómo funciona el Frost Heaving
En la mayor parte del norte de los Estados Unidos, el suelo se congela durante los meses de invierno a una profundidad de varios pies. Tal congelación del suelo puede provocar el levantamiento de edificios ubicados encima o adyacentes a él. Las fuerzas involucradas pueden ser muy destructivas para estructuras con poca carga y causar serios problemas en las más importantes.
Cómo funciona Frost Heave
Al principio se pensó que el aumento de volumen que se produce cuando el agua cambia a hielo era la causa del levantamiento de las heladas, pero ahora se reconoce que el fenómeno conocido como segregación del hielo es el mecanismo básico.
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El agua se extrae del suelo no congelado a la zona de congelación donde se adhiere para formar capas de hielo, lo que separa las partículas del suelo y hace que la superficie del suelo se agite. Sin restricción física, no hay límite aparente para la cantidad de arcadas que pueden ocurrir. (Se han registrado movimientos de más de 4 pulgadas que se desarrollan debajo de los pisos del sótano en solo tres semanas).
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Cuando existe una restricción en forma de carga de construcción, las presiones elevadas pueden superar o no la restricción, pero pueden ser muy altas: se han medido 19 toneladas / pies cuadrados y se construye una estructura de hormigón armado de siete pisos sobre una balsa Se observó que la base se elevaba más de 2 pulg.
Una forma diferente de acción de las heladas, llamada 'congelación', ocurre cuando el suelo se congela en la superficie de una base. Las presiones de levantamiento que se desarrollan en la base de la zona de congelación se transmiten a través del enlace de congelación a la base, produciendo fuerzas de elevación capaces de desplazamientos verticales apreciables. Si se construye con bloques de concreto, una pared del sótano puede fallar bajo tensión y partirse en una junta de mortero horizontal cerca de la profundidad de penetración de la escarcha.
Factores de control
Para que ocurra la acción de las heladas se deben cumplir tres condiciones básicas: el suelo debe ser susceptible a las heladas, el agua debe estar disponible en cantidades suficientes y las condiciones de enfriamiento deben hacer que el suelo y el agua se congelen. Si se puede eliminar una de estas condiciones, no se producirá el levantamiento de escarcha.
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La susceptibilidad a las heladas está relacionada con la distribución del tamaño de las partículas del suelo. En general, los suelos de grano grueso como las arenas y las gravas no se agitan, mientras que las arcillas, los limos y las arenas muy finas favorecerán el crecimiento de lentes de hielo incluso cuando estén presentes en pequeñas proporciones en suelos gruesos. Si los suelos susceptibles a las heladas ubicados donde afectarán los cimientos se pueden quitar y reemplazar por material más grueso, no se producirá el levantamiento de las heladas.
El agua debe estar disponible en el suelo no congelado para moverse al plano de congelación donde ocurre el crecimiento de lentes de hielo. Por tanto, un nivel freático elevado con respecto a la ubicación de las lentes de hielo favorecerá la acción de las heladas. Cuando se prescribe un drenaje adecuado, se puede evitar que el agua llegue a la zona de congelación en suelos susceptibles a las heladas.
La profundidad de congelación está determinada en gran medida por la tasa de pérdida de calor de la superficie del suelo. Además de las propiedades térmicas del suelo, esta pérdida de calor depende de variables climáticas como la radiación solar, la capa de nieve, el viento y la temperatura del aire, que es la más significativa. Si se puede prevenir o reducir la pérdida de calor, es posible que los suelos susceptibles a las heladas no experimenten temperaturas bajo cero.
Índice de congelación y profundidad de la escarcha
Los registros de temperatura del aire se pueden usar para medir la severidad de la congelación del suelo usando el concepto de grado-día. (Si la temperatura media diaria del aire es de 31 ° F, será un grado-día). El 'Índice de congelación' es simplemente el total acumulado de grados-día de congelación para un invierno determinado.
Frost Action y Fundamentos
El enfoque convencional para el diseño de cimientos para evitar daños por heladas es colocar los cimientos más allá de la profundidad de la penetración máxima esperada de las heladas para que el suelo debajo de la superficie de apoyo no se congele. Sin embargo, esta medida por sí sola no evita necesariamente el daño por heladas. Si la excavación se rellena con suelo susceptible a las heladas, puede provocar daños por congelación. Las profundidades a las que se deben colocar los cimientos normalmente están determinadas por la experiencia local, como se incorpora en los estatutos de la construcción, pero en ausencia de dicha información, se puede utilizar la correlación que se muestra en el cuadro anterior.
Por su propia naturaleza, los suelos susceptibles a las heladas no drenan bien y, aunque puede evitarse la afluencia de agua subterránea, la cantidad de agua disponible en el suelo no congelado suele ser suficiente para producir un levantamiento significativo. Siempre que sea posible, es una buena práctica eliminar la tierra susceptible a las heladas y reemplazarla con material granular grueso que sea fácil de drenar. También se deben seguir buenas prácticas de drenaje, incluida la provisión de baldosas de drenaje alrededor del perímetro de los cimientos.
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Importancia del drenaje
Un buen drenaje es importante con cualquier base y FPSF no es una excepción. El aislamiento funciona mejor en suelos más secos.
Asegúrese de que el aislamiento del suelo esté adecuadamente protegido de la humedad excesiva mediante prácticas de drenaje sólidas, como inclinar la pendiente lejos del edificio. El aislamiento siempre debe colocarse por encima del nivel del nivel freático. Se recomienda una capa de grava, arena o material similar para mejorar el drenaje y para proporcionar una superficie lisa para la colocación de cualquier aislamiento de ala horizontal. Se requiere una capa de drenaje mínima de 6 pulgadas para los diseños FPSF sin calefacción. Más allá de la profundidad de cimentación mínima de 12 pulgadas requerida por los códigos de construcción, la profundidad de cimentación adicional requerida por un diseño FPSF puede estar compuesta de material de relleno compactado, no susceptible a las heladas, como grava, arena o roca triturada. Además, la adición de relleno de drenaje libre ayuda a minimizar o eliminar el potencial de levantamiento de escarcha.
