El Swelling o hinchazón (expansión de la matriz rocosa) es debido a un incremento de volumen debido a la absorción de agua, así también este fenómeno induce tensiones y los cambios del material pueden llevar a una fluencia (“yielding”) dependiente del tiempo.
En general se asocia a la presencia de suelos o rocas arcillosas, también puede producirse en rocas con anhidrita o una mezcla de anhidrita-arcillas, lo cual es menos frecuente pero puede causar grandes problemas.
El Swelling es una combinación de una reacción Fisicoquímica que envuelve agua y una disminución del esfuerzo (stress relief). La reacción del agua es el principal contribuyente a este mecanismo, es decir, el incremento de volumen con el tiempo, sin embargo, solo puede llevarse a cabo simultáneamente o seguido de una caída del estado de esfuerzo (stress relief). Los principales mecanismos fisicoquímicos que están involucrados en el agua son:.
• - Con minerales de arcilla:.
El agua es absorbida en la superficie exterior de los minerales de arcilla y es llevada a las superficies internas de esta que tienen capas expansibles. La presión debida a la “expansión” (swell pressure) depende de la distancia inter-partículas de las partículas de arcilla y la distancia intrapartícula entre las capas expansibles. Entonces aquellas rocas con capas de partículas expansibles se hinchan más que aquellas con partículas que absorben agua solo externamente, lo cual se traduce en una mayor presión debido a este efecto.
• - Con anhidrita-yeso:.
El proceso de hidratación del mineral anhidrita (CaSO4 + 2H2O CaSO4 * 2H2O) produce yeso, este proceso conlleva un aumento de volumen de hasta un 60 %. En general esta transformación se lleva a cabo debido a la disolución acuosa de anhidrita seguida de un proceso de precipitación (debido a la saturación de la solución), el % de incremento de volumen dependerá de la variación porcentual de agua contenida en el mineral inicial y final, sujeto ello a la disponibilidad de agua y que cantidad de anhidrita es llevada a yeso. En general Anhidritas masivas con pocas fisuras se hinchan (swell) menos que aquellas divididas (fisuradas) finamente, es decir, con mayor superficie específica.
También es posible la coexistencia de ambos casos en la roca por ejemplo la presencia de granos de anhidrita en lutitas o esquistos.
• - Con pirita-marcasita: esencialmente en rocas sedimentarias con presencia de estos minerales, en donde la oxidación de los sulfuros produce sulfatos, estos pueden reacción con minerales como las calcitas, precipitando yeso, además la oxidación de pirita no requiere de agua.
Todos estos procesos físico-químicos solo tienen lugar con una disminución del stress (stress relief) puesto que:
- Causa presión de poros negativa lo cual permite el flujo de agua. Si esta circulación de agua ocurre, el volumen de agua drenado aumenta y también el volumen del material.
- Puede causar fisuras (permeabilidad secundaria) lo cual facilita el flujo de agua y lleva a un incremento de volumen a través de alguno de los mecanismos mencionados anteriormente
Otros efectos que pueden causar Swelling indirectamente son:
- Cizalle y grietas de tensión, lo que incrementa el área expuesta a swelling.
- Meteorización y alteración de minerales por ejemplo en aluminosilicatos que inicialmente no dan lugar a swelling pero su alteración produce minerales de arcilla susceptibles a este mecanismo.
- Swelling de salbandas y relleno de diaclasas o fallas menores.
El swelling se expresa por un incremento de volumen y en materiales isotrópicos o anisótropos las deformaciones son en todas las direcciones que no estén restringidas a desplazarse. Si existe alguna limitante esto causará un aumento del stress en esa dirección, en caso de no existir la posibilidad de expandirse el stress será el máximo posible.
Las excavaciones llevan a una reducción del esfuerzo radial (si se observan los esfuerzos en coordenadas polares) y a una variación del tangencial cercano a la periferia del túnel. Entonces al cambiar el estado de esfuerzos, alguno de sus componentes se reducirá permitiendo las condiciones necesarias para el swelling. Un buen indicador de la condición de stress relevante para el swelling es el Primer invariante de esfuerzos. Para reducir la posibilidad de swelling es de considerar mantener el Invariante cercano a la condición inicial previo a la excavación.