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CAPITULO 3
SUELOS Y SUS PROPIEDADES
3.1 Generalidades.
En este capitulo, se iniciara con los fundamentos de la mecánica de suelos, ya que esta es una
de la rama principales que va de la mano en la construcción de una estructura de relleno sanitario,
si se pretende impermeabilizar con suelos naturales no permeables, es importantes conocer los
materiales arcillosos, con coeficientes de permeabilidades bajos, es por esto que se mencionaran
las principales características y propiedades de los suelos arcillosos, ya que por medios de estas
se determinaran las composiciones de estos, facilitando los criterios de elección y sus respectivos
análisis.
Se describirá la importancia de los estudios de los suelos en el área de la ingeniería civil en tal
caso de esta tesis la base de materiales impermeable para rellenos sanitarios con el objetivo de
impedir la filtración de los jugos de lixiviación de los desechos sólidos soportados por la base,
para ello se citaran las propiedades física y químicas de las arcillas altamente plástica como la
permeabilidad, límite de consistencias, granulometría al mismo tiempo se analizara la
importancia de las estructuras químicas que presentan las arcillas.
3.2 Importancia De Los Suelos en la Ingeniería Civil
En el campo de trabajo, el ingeniero civil constantemente se enfrenta a diversos problemas
surgidos por el tipo de suelo con el cual tratará, el suelo es lo que soportará el peso de una
estructura, y si este no cumple con ese objetivo, la estructura sufrirá problemas de agrietamiento,
hundimientos y otros que también dañaran la obra realizada.
Pero el suelo no sólo es utilizado como base para soportar las cargas, si no también en
taludes, como material para construcción de viviendas, y como el enunciado de esta investigación
lo dice como impermeabilizante para rellenos sanitarios; la diversidad de usos que ahora en día se
le da al suelo es el resultado de mucho tiempo de investigación.
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Esta demás discutir el papel fundamental que lleva a cabo el suelo en cualquier tipo de
construcción, es por eso que se han desarrollado métodos para determinar sus propiedades, y la
mejor manera en que se le puede sacar el mayor provecho a este.
3.3 Flujo de agua en los suelos.
Al tratar con el tema de permeabilidad de los suelos, es necesario mantener en mente los
conceptos más importantes referentes al estado energético del agua. Existen varios fenómenos
que tienen relación directa con la permeabilidad de los suelos; ya que la permeabilidad es un
valor altamente alterable que depende de la naturaleza del suelo, de sus características mecánicas
y de las fuerzas de la superficie cuando el tamaño de partículas principal es el correspondiente a
finos.
3.3.1 Fenómeno capilar en suelos.
El fenómeno capilar en suelos es la respuesta a las fuerzas de cohesión y adhesión que se
generan en los líquidos en la interfase con un cuerpo sólido.
3.3.2 Cohesión y adhesión.
Las fuerzas básicas responsables de la retención y movimiento del agua en el suelo, se define
como cohesión y adhesión. La fuerza de cohesión es la atracción entre moléculas de agua,
mientras la adhesión es la atracción de las moléculas con la superficie sólidas. La fuerza de
adhesión hace que algunas moléculas de agua estén rígidamente unidas a las partículas de suelo y
se llama agua absorbida; en cambio las moléculas unidas por fuerzas de cohesión sobre superficie
de los granos de suelo pueden ser fácilmente removidas. Las fuerzas de cohesión y adhesión
juntas regulan el movimiento de agua. En suelos arcillosos la adhesión y cohesión ejercen sus
fuerzas sobre sus propiedades de plasticidad.
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3.3.3 Permeabilidad en los Suelos.
Es la facilidad o dificultad que tiene un suelo de permitir que lo atraviese el agua a través de
sus vacíos. Esto permite clasificar los suelos en: suelos permeables y suelos impermeables, la
permeabilidad esta influenciada por el tamaño de las partículas, espacio de los vanos y la
estructura del suelo. La tabla 3.1 muestra los valores tipos de permeabilidad para diferentes tipos
de suelos.
Tabla de Coeficiente de Permeabilidad
Tipos de suelo Grado relativo
de
permeabilidad
Coeficiente de
permeabilidad
K (cm./seg.)
Propiedades de
drenajes
Grava limpia Alto 1x10-1 Buena
Arena limpia Medio 1x10-3 Buena
Grava arenosa Medio 1x10-3 Buena
Arena fina Bajo 1x10-3 a 1x10-5 Franca a pobre
Limos Bajo 1x10-3 a 1x10-5 Franca a pobre
Arena limo arcilloso Muy bajo 1x10-4 a 1x10-7 Pobre o prácticamente
imperceptible
Arcilla homogénea Muy bajo a
prácticamente
impermeable
<1x10-7
Prácticamente
imperceptible
Tabla Nº 3.1 Fuente: A. Casagrande (Mecánica de Suelo, Juárez Badillo Pág.198)
Para el diseño de un relleno sanitario la última clasificación es la más deseable, ya que el
movimiento de los jugos es retardado y así el proceso de removerlos tiene más tiempo de operar.
De otro lado los suelos que son casi impermeables como las arcillas no permiten que los
lixiviados percolen y pueden causar que se queden estancados. Suelos con permeabilidad rápida
son clasificados como peligrosos para las aguas subterráneas y subsuelos, debido a que los jugos
se infiltran rápidamente.
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Los factores más importantes que intervienen en la permeabilidad.
1. -La relación de vacíos del suelo.
El espacio de los vanos es proporcional al tamaño de la partícula. En otras palabras, a mayor
tamaño mayor cantidad de vanos.
2. -La estructura y estratificación del suelo
En un suelo se pueden encontrar diferentes permeabilidades en estado inalterado y
remoldeado, aun cuado la relación de vacíos sea la misma en ambos casos; esto puede ser debido
a los cambios en la estructura y estratificación del suelo inalterado o una combinación de los
factores.
La permeabilización sufre variaciones debido a que en el remoldeo quedan libres algunas
partículas del suelo y al fluir el agua, esta las mueve y las reacomoda, tapando los canales o
arrastrándolas a la superficie o al exterior de la muestra causando turbidez en el agua.
3. -Tamaño de las partículas.
La permeabilidad de un suelo será más baja cuando más pequeñas sean sus partículas y por
ende menor serán los vacíos que forman los canales de flujo.
La permeabilidad en algunos suelos es provocada por arrastre de sus finos, causando
filtración.
4. -Grado de saturación
Es la relación entre el volumen de agua y el volumen de vacíos de una muestra de suelo; cuan
mayor sea el grado de saturación mayor será la permeabilidad, debido a la reducción en los
canales disponibles al flujo del agua (Lambe, Pág. 309)
5. -Polaridad
Depende de la movilidad del flujo que rodea a las partículas de suelo y del movimiento del
fluido en dirección opuesta al flujo neto debido al potencial eléctrico generado por la filtración.
En el intercambio catiónico se produce procesos reversibles en las cuales las partículas
sólidas del suelo se unen a iones de la fase acuosa expulsando al mismo tiempo cantidades
iguales de otro catión generando así un equilibrio entre estos dos procesos y, una compensación
de cargas positivas por partes de los aniones que están presentes en la masa del suelo
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6-Densidad del suelo
La densidad relativa es una propiedad índice de los suelos y se emplea normalmente en
gravas y arenas, es decir, en suelos que contienen casi exclusivamente partículas mayores a 0.074
mm (malla #200).
La densidad relativa es una manera de indicar el grado de compacidad (compactación) de
un suelo y se puede emplear tanto para suelos en estado natural como para rellenos compactados
artificialmente.
7. -Peso especifico
En un suelo real es normal que los minerales de fracciones muy finas y coloidales tengan su
peso específico mayor que los minerales de la fracción más gruesa. (Juárez Badillo, 1980, Pág. 77
tomo 1)
A mayor peso específico será menor la permeabilidad
3.3.4 Métodos para medir el coeficiente de permeabilidad del suelo.
El coeficiente de permeabilidad es un dato cuya determinación correcta es de fundamental
importancia para la formación del criterio del proyectista y en algunos problemas de mecánica de
suelos como el diseño de base de un relleno sanitario con suelos naturales.
Hay varios procedimientos para la determinación de permeabilidad de los suelos: unos
"directos", así llamados porque se basan en pruebas cuyo objetivo fundamental es la medición de
tal coeficiente; otros "indirectos", proporcionados, en forma secundaria, por pruebas y técnicas
que primariamente persiguen otros fines y los métodos del terreno que permiten identificar la
conductividad hidráulica de un suelo en forma directa.
Estos métodos son los siguientes:
a) Directos:
1. Permeámetro de carga constante.
2. Permeámetro de carga variable.
3. Prueba directa de los suelos en el lugar.
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b) Indirectos:
1. Calculo a partir de la curva granulométrica.
2. Calculo a partir de la prueba de consolidación.
3. Calculo con la prueba horizontal de capilaridad.
c) Métodos de terrenos:
1. Infiltración estándar
2. Prueba de agotamiento y recuperación
• prueba de perforación entubada.
• Prueba de perforación no entubada.
3. Prueba de infiltración.
• Lagunas de infiltración
• Infiltrómetro de doble anillo.
• Método de Bouwer.
• Método de Porchet.
• Pruebas de inyección o extracción de agua (SlugTest).
A continuación se describe con cierto detalle algunos métodos directos e indirectos y de
terreno que se utilizaron en esta investigación para determinar el coeficiente de permeabilidad.
De lo primero se trataron los permeámetros y de los mencionados en segundo lugar el
infiltrómetro de doble anillo, los pozos a cielo abierto y prueba de consolidación.
3.3.4.1 Permeámetro de carga variable y de carga constante
El permeámetro de carga constante ofrece el método mas simple para determinar el
coeficiente de permeabilidad de un suelo y se recomienda ser utilizado en sedimentos no
cohesivos tales como arenas y rocas; en el caso de sedimentos cohesivos y de baja permeabilidad
se utiliza un permeámetro de carga variable, para fines de esta investigación se utilizara el
permeámetro de carga variable.
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1*2
aL hkAt h
⎛ ⎞ ⎛ ⎞= ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
En este tipo de permeámetro se mide la cantidad de agua que atraviesa una muestra de suelo,
por diferencia de niveles en un tubo alimentador. Este permeámetro puede ser utilizado en suelos
finos y gruesos variando el diámetro del tubo alimentador, pero lo más común es utilizarlo con
los suelos finos poco permeables. Al ejecutar la prueba se llena de agua el tubo vertical del
permeámetro, observándose su descenso a medida que el agua atraviesa la muestra.
Con referencia a la figura ilustrativa:
a = Área del tubo vertical de carga.
A = Área de la muestra.
L = Longitud de la muestra.
h1 = Carga hidráulica al principio de la prueba.
h2 = Carga hidráulica al final de la prueba.
hc = Altura de ascensión capilar, que debe deducirse
de la lectura total del tubo de carga.
t = Tiempo requerido para que la carga Figura 3.1 Permeametro de carga variable
hidráulica pase de h1 a h2.
Realizando un análisis de los datos anteriores en el permeámetro, deducimos la fórmula para
calcular el coeficiente de permeabilidad del suelo:
3.3.4.2 Infiltrómetro de doble anillo.
El propósito de esta pruebas es determina la proporción en que el agua penetra en el suelo. La
filtración mide cuan fácilmente el agua se mueve verticalmente hacia el suelo. El equipo
necesario para desarrollar esta metodología consiste en un cilindro de metal que se entierra
cuidadosamente en el suelo a una profundidad de aproximada de 2 a 5 cm. Los diámetros de este
tipo de cilindro varían entre 5 a 10 cm. Para evitar una sobre estimación de la conductividad
hidráulica a causa de los flujos divergentes, se considera colocar otro cilindro concéntrico de 10 a
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20 cm. de diámetro, a una profundidad de 2 a 5 cm. El cilindro exterior se mantiene parcialmente
lleno durante toda la prueba.
Materiales y Herramientas:
• Dos anillos de metal, siendo el más pequeño de un diámetro de 10-20 cm y el otro de un
diámetro de 5-10 cm más que el anterior.
• Baldes u otros recipientes para transportar un total de por lo menos 8 litros de agua por
prueba hacia el lugar.
• Regla.
• Marcador a prueba de agua.
• Cronómetro o reloj con segundero.
• Bloque de madera.
• Martillo o Almádana.
• Machete.
Preparación de equipo: Construcción de un Infiltró metro de Doble Anillo.
1. Se corta la base de las latas que servirán como anillos.
2. Con un marcador indeleble, a prueba de agua, se pinta parcialmente un anillo o banda en
el interior de la lata más pequeña, que se utiliza como marca de referencia para la
medición del tiempo. El ancho de la banda o anillo debe corresponder a 20-40 mm. y
centrarse aproximadamente 9 cm. del fondo de la lata.
3. Se mide y se registra el ancho de la banda de referencia (en mm.)
4. Se miden y registran los anchos de los anillos interiores y exteriores (en cm.)
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En la figura 3.2 se muestra esquemáticamente este tipo de instalación.
Figura 3.2 Infiltrómetro de doble anillo
La tasa de infiltración se determina midiendo el tiempo que toma el nivel del agua que se
vierte en los anillos en disminuir cierta distancia. Esta tasa cambia con el tiempo, a medidas que
los poros de la tierra se llene con agua y alcanza una tasa fija, característica del flujo de agua a
través del suelo cuando esta saturado
Detalle de la disposición de los anillos de infiltración
Selección del lugar de la prueba
La selección de la prueba se procura en un lugar libre de intervención humana, de tal manera
que el suelo no haya sido alterado de su estado natural de humedad, compacidad, integridad, etc.,
de preferencia que posea vegetación, con el objeto de emular con la prueba, la infiltración natural
del terreno.
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Tiempo
Se utiliza un cronómetro para tomar el tiempo en el que el flujo de agua penetra en el suelo.
La activación del cronómetro se inicia al momento en que se vierte el agua en el anillo interno y
se lee el tiempo que transcurre desde cada inicio y finalización.
Medición de la Infiltración
1) Se remueve cualquier vegetación (hierba) a nivel de la superficie y se retira toda la cubierta
orgánica suelta dentro de un área un poco más grande que la del anillo externo que se utiliza.
Es necesario tener el cuidado de no alterar el suelo.
2) Se hacen girar las latas hasta enterrar el borde inferior de 2 a 5 cm. en el suelo, comenzando
con la lata más pequeña. Se utiliza un martillo para empotrar la lata en la tierra junto con una
tabla de madera encima de la lata para distribuir la fuerza del martillazo, procurando no
martillar tan fuerte para evitar que la lata se tuerza o deforme. Seguidamente se hinca el anillo
externo procurando dejarlo de manera concéntrica al anillo externo.
3) Se mide la altura sobre el nivel del piso y al tope de la marca hecha dentro de la lata más
pequeña.
4) Tan pronto como es posible, se hace lo siguiente:
a) Se vierte agua en ambos anillos y se mantiene el anillo externo a un nivel
aproximadamente igual al nivel en el anillo interior, debido a que el nivel del agua en el
anillo externo tiende a disminuir más rápidamente que el agua del anillo interno.
b) Al verter agua en el anillo interior, se debe llegar apenas por sobre la marca de referencia
(1 cm).
c) Se inicia el cronometraje y los datos se registran en el formato de medición de infiltración
de la Tabla 3.2
5) A medida que el nivel del agua en el anillo interior alcanza la marca de referencia superior, se
registra el tiempo que transcurre desde que comenzó el ensayo.
6) Durante el transcurso de la prueba, se mantiene el nivel de agua en el anillo exterior
aproximadamente igual al nivel del anillo interior, este procedimiento se realiza con cuidado
para que no se derrame agua en el anillo interior (el uso de un embudo puede ayudar a
evitarlo), procurando no permitir que ninguno de los dos anillos se seque.
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7) Al alcanzar el nivel de agua de la lata interna, la marca de referencia inferior:
a) Se registra el tiempo al terminar la operación.
b) Se calcula el intervalo tomando la diferencia entre el tiempo de inicio y final.
c) Se vierte agua en el anillo interior justo por sobre la marca de referencia superior. Al
mismo tiempo se eleva también el nivel de agua del anillo exterior de manera que se
encuentren aproximadamente iguales.
8) Se continúa repitiendo los pasos 5-7 durante 45 minutos o hasta cuando los dos intervalos
consecutivos de tiempo correspondan a 10 segundos entre uno y otro.
9) Se realizan mediciones adicionales de infiltración dentro de un área de 5 m de diámetro, ya
sea al mismo tiempo, o a lo largo de varios días (si es que no llueve y cambia la capa
superficial y su contenido de agua).
Análisis y Presentación de Datos
La tasa de infiltración corresponde a la distancia que disminuyó el nivel del agua dividida por
el tiempo requerido para que esta disminución se dé. Para el caso, esto es igual al ancho de la
banda de referencia dividida por la diferencia entre los tiempos de inicio y finalización, para
obtener un intervalo.
Se utiliza el formato de la Tabla 3.2 para registrar y posteriormente calcular los valores que se
precisan para obtener los resultados.
Cambio en el nivel del agua: 20 mm.
Tiempo 1 2 3 4 5
Inicio Final Intervalo Punto medio Acumulado Tasa de infiltración Min. Seg. min. Seg. min. min. min. mm./min. Tabla Nº 3.2 Formato para medir la infiltración
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Para llevar a cabo el registro de la tabla anterior se debe realizar el siguiente procedimiento:
Columna 1: Se toma el tiempo en el cual el nivel del agua llega a la marca de referencia
superior.
Columna 2: Cuando el nivel del agua llega a la marca de referencia inferior se registra el
tiempo en el cual ocurrió.
Columna 3: El registro de esta columna se determina mediante la diferencia entre la columna
2 (Final) y la columna 1 (Inicio), debe expresarse en minutos.
Columna 4: Esta columna se determina de la siguiente manera:
Inicio + final
2
Columna 5: El proceso para su registro consiste en restar de la columna 4, el primer dato
correspondiente a la columna 1.
Tasa de infiltración: Esta se determina dividiendo la columna 3 por el cambio en el nivel del
agua (ancho de la banda de referencia).
Al Final la infiltración media en el lugar de la prueba es el promedio de los tres valores
menores de la prueba.
3.3.4.3 Infiltración estándar
Las pruebas de infiltración son básicas para determinar la aceptación del sitio donde se
realizara el diseño del relleno sanitario manual. Los periodos necesarios para las pruebas de
infiltración varían con los diferentes tipos de suelos; el método mas seguro es verificar las
pruebas en agujeros que se han mantenidos llenos de agua por no menos de 4 horas y, de
preferencia, durante la noche y es mas deseable si las pruebas quedan al cuidado de una persona
con experiencia y aun así se pueden presentar casos difíciles como es el de aquellos suelos que se
distienden al humedecerse.
La tasa de infiltración se calcula partiendo de los datos de las pruebas obtenidos después que
se haya dado a los suelos la oportunidad de humedecerse o saturarse y para distenderse, por lo
menos por 24 horas.
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Estos principios han quedado incorporados en la prueba de infiltración, formulada por el
Centro de Ingeniería Sanitaria Robert A. Taft, y su aplicación se recomienda muy particularmente
cuando es limitado el conocimiento de los tipos y estructuras de los suelos.
Procedimiento Para Las Pruebas De Infiltración, Formulado Por El Centro De
Ingeniería Sanitaria Robert A. Taft.
1. Numero y localización de las pruebas
Se han de verificar 6 o mas pruebas en el sitio propuesto; el número de perforaciones
dependerá también del área superficial del sitio donde se planea la construcción del relleno
sanitario así como también de la homogeneidad de los tipos de suelos que se encuentran en el
sitio. El agujero que ha de excavarse previo al orificio donde se realizara la prueba deberá ser
lo suficientemente amplio para facilitar la obtención de datos y lo suficientemente profundo
de tal manera que permita garantizar que se ha llegado a los estratos mas impermeables; las
dimensiones sugeridas cuando la estratigrafía del suelo lo permita, será un cuadrado de 1.0
metros en la superficie del suelo y de 2 metros de profundidad .ver Fig.3.3
Figura Nº 3.3: detalle de pozo a cielo abierto para prueba de permeabilidad.
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2. Tipo de la perforación de prueba
Se perfora o se excava un agujero, con dimensiones horizontales de 10 a 30 cms. y
paredes verticales hasta alcanzar la profundidad necesaria para hacer un pie cúbico de
volumen total ver Fig. 3.4
Figura Nº 3.4: Secciones de agujero de prueba del ensaye de permeabilidad.
3. Preparación del agujero de prueba
Con todo cuidado se raspa el fondo y las paredes del agujero con una hoja de cuchilla o
con un instrumento puntiagudo, para eliminar las superficies sucias y para proporcionar caras
naturales de contacto, por las que puede infiltrarse el agua. Se extrae todo el material suelto y
se forma una capa de unos 5 cm. con arena gruesa o gravilla fina en el fondo del agujero, para
protegerlo de los sedimentos.
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4. Saturación y distensión del suelo.
Es importante distinguir entre saturación y distensión (o hinchazón); la saturación implica
que todos los espacios vacíos entre las partículas de tierra se encuentran llenos de agua, lo que
se puede lograr en breve tiempo, mientras que la distensión se produce al penetrar el agua en
las partículas individuales de tierra y es un proceso lento, en particular en suelos arcillosos,
razón por la cual necesita un periodo mas prolongado de empapado.
Para el desarrollo de la prueba, se llena cuidadosamente el agujero con agua clara, hasta
una profundidad mínima de 30 cm sobre la grava; en la mayor parte de las tierras es necesario
rellenar el agujero con agua, posiblemente por medio de un sifón automático, para que el
nivel del agua se conserve en el agujero por no menos de 4 horas y, de preferencia, durante la
noche, determinándose la tasa de infiltración después de 24 horas de que se haya agregado la
primera agua al agujero. Con este procedimiento se tiene la seguridad de proporcionar al
suelo una amplia oportunidad para distenderse y para aproximarse a la condición en que se
encontrara en la estación mas húmeda del año y, con esto la prueba ha de dar resultados
comparables en el mismo suelo, sea que se verifique en el estiaje o durante las lluvias. En
suelos arenosos que contengan poca o ninguna arcilla, no es esencial el procedimiento de
distensión.
5. Obtención de la velocidad de infiltración
Con la excepción de los suelos arenosos, la medición de la velocidad de infiltración debe
verificarse al día siguiente del paso inicial del proceso, descrito en el anterior inciso 4.
A. Si se mantiene el agua en el agujero, después del periodo nocturno de distensión, se ajusta
la profundidad hasta unos 15 cm aproximadamente sobre la grava y desde un punto fijo
de referencia se mide el abatimiento en su nivel en un periodo de 30 minutos, abatimiento
que se utiliza para calcular la velocidad de infiltración.
B. Si no se conserva el agua en agujero después del periodo nocturno de distensión, se llena
con agua clara hasta una profundidad aproximada de 15 cm sobre la grava y, desde un
punto fijo de referencia se mide el abatimiento en el nivel del agua, a intervalos
aproximados de 30 minutos, durante un periodo de 4 horas, rellenando hasta un nivel de
15 cm si fuera necesario. El abatimiento que se observa en el periodo final de 30 minutos
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se usa para calcular la velocidad de infiltración, aunque las lecturas que se hagan en los
periodos precedentes proporcionan informe para posibles modificaciones al
procedimiento, que permita ajustarse a las condiciones locales.
En suelos arenosos (o en otros en que los primeros 15 cm de agua se infiltren en menos de 30
minutos, después del periodo nocturno de distensión), las mediciones se toman cada 10 minutos
durante el periodo de prueba de 1 hora. El abatimiento que se observa durante los 10 minutos
finales se usa para calcular la velocidad de precolación.
3.3.4.4 Prueba De Consolidación.
Teoría:
Los suelos como todos los materiales en la contracción, sufren de deformaciones al aplicar
cargas en el caso de suelos saturados esta no es inmediata en este caso se produce un retraso de la
deformación con respecto al esfuerzo, y por lo tanto tiene se tiene una relación esfuerzo –
deformación –tiempo.
Cuando un suelo saturado se somete a un incremento de carga, la acción de ésta se transmite,
en principio al agua que llena los poros del material por ser el líquido incompresible comparado
con la estructura que forman las partículas del suelo. Debido a la presión que de este modo se
induce en el agua, ésta fluye hacia las fronteras en las cuales dicha presión se disipa,
produciéndose variaciones en el volumen del material y la transferencia de la carga a la estructura
sólida, La velocidad con que se produce este fenómeno, conocido en mecánica de suelos como
consolidación, depende de la permeabilidad del suelo, al igual que de otras condiciones
geométricas y de frontera (drenes). En las arcillas francas que representan un caso límite, el
proceso es muy lento; mientras que en una capa de arena limpia, que resulta ser el límite opuesto,
el retardo hidrodinámico con que se transfieren los esfuerzos aplicados a la estructura sólida, es
muy pequeño. Tratándose de grandes masas de arena y de cargas aplicadas rápidamente, el
fenómeno debe tomarse en consideración.
La prueba de consolidación estándar consiste en comprimir verticalmente un espécimen del
material que se estudia, confinando en un anillo rígido siguiendo una secuela de cargas
establecida de antemano. En todos los casos y para cada incremento de carga, el espécimen sufre
una primera deformación correspondiente al retraso hidrodinámico que se llama consolidación
primaria, y también sufre una deformación adicional, debida a un fenómeno secundario, que en
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las arcillas se llama retraso plástico y en las arenas retraso friccional. En general el suelo se
deformará siempre una cantidad mayor que la correspondiente al retraso hidrodinámico
exclusivamente. Sin embargo, el retraso hidrodinámico es el único que toma en cuenta la teoría
de la consolidación. Según la teoría, sólo es posible un fenómeno de consolidación cuando existe
escape de agua hacia el exterior de la masa de suelo. En la práctica se admite que también genera
un proceso similar en masas de suelos que no están 100% saturadas. En estos casos se aplica
también la teoría de la consolidación, teniendo presente que se trata sólo de una interpretación
aproximada.
Simultáneamente con el proceso de consolidación se puede efectuar o no, según se juzgue
conveniente, una prueba de permeabilidad de carga variable; o bien, reproducir una condición
hidrodinámica adicional, como la que originaria una presión artesiana.
De la prueba de consolidación se obtienen los coeficientes que se mencionan:
1.- El coeficiente de compresibilidad av que representa la relación deformación-esfuerzo del
suelo, sin tomar en cuenta el tiempo, y que geométricamente, es igual a la pendiente de la curva
relaciones de vacíos - presiones dibujada en rallado aritmético.
La expresión matemática es:
av = - (De/Dp) = - ( e2 - e1)-(p2-p1)
En una etapa (2).
donde e1, p1 , son la relación de vacíos y la presión en una etapa (1) y e2, p2,
El coeficiente de consolidación Cv, que es una relación teórica establecida para simplificar la
ecuación diferencial del proceso de consolidación y cuya expresión simplificada es:
Cv = (0.197 Hm)/t50 cm2/seg.
En donde:
Hm: la longitud de la trayectoria del dren más corta en cm.
t50: tiempo en segundos, correspondiente al 50% de consolidación primaria para el incremento
de carga considerado.
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El coeficiente calculado de permeabilidad km que es igual a:
km = (av Cv gw)/ ((1+em)1000) cm/seg.
En donde:
av y Cv, ya se definieron.
gw : peso volumétrico del agua en gr./cm3.
em : relación media de vacíos.
La relación de consolidación primaria r que expresa la relación entre la deformación debida a la
consolidación primaria y la deformación total que sufrió el espécimen en cada incremento de
carga. La expresión es:
r = (ds - d100)/ (d0 - df)
En donde:
ds: deformación en el 0% de consolidación primaria.
d100: deformación en el 100% de consolidación primaria.
d0: deformación inicial del espécimen.
df : deformación final del espécimen
Equipo:
Consolidómetro compuesto de:
Anillo, base con piedra porosa, piezómetro calibrado, placa con puente para apoyar micrómetro,
balín, piedra porosa y micrómetro con soporte.
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Procedimiento: Se prepara la muestra.
Figura Nº 3.5 Esquema de muestra a ensayar
Saturación:
La muestra puede saturarse estando completamente exenta de carga o bien con una carga
prefijada, según el problema que se tenga, siguiendo en ambos casos el mismo procedimiento:
1.-Se cubre con agua destilada hasta la altura de la piedra porosa superior, procurando no
mezclarle más aire del que ordinariamente puede tener.
2.-Después de 10 segundos de estar la muestra en contacto con el agua, si la manecilla del
micrómetro no se ha movido, se echará a andar el cronómetro. Si la manecilla ya se había
empezado a mover antes, se contará el tiempo a partir de cuando se inició el movimiento.
3.-Se tomará una serie de lecturas de tiempo y micrómetro, las suficientes para definir
completamente la curva de tiempo-deformación. Se dará por terminada esta etapa y se pasará a la
siguiente cuando a criterio del operador se considere saturada la muestra. Si el hinchamiento, en
caso de que lo haya, excede a 50 micras se enrasará nuevamente el anillo (esto si la carga durante
la saturación es nula), antes de aplicar cualquier carga.
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Figura Nº 3.6 Equipo de consolidación
La aplicación de las cargas en el dispositivo de consolidación se efectúa de acuerdo con el
problema que debe resolverse.
Dichas cargas se transforman en presión (T) sobre la pastilla.
El método de aplicación de carga es el siguiente.
1.-Se anotan la lectura inicial del micrómetro, la temperatura del agua contenida en el recipiente
del banco de consolidación, la fecha y hora del principio de la prueba. La prueba ha principiado
cuando uno de los aperadores, haciendo retirando los tanques de madera, pone cuidadosamente
en contacto el marco con el balín. En el mismo instante otro operador pone en marcha el
cronómetro y toma lecturas simultáneas en el micrómetro y en el cronómetro, de acuerdo con los
datos que aparecen en la columna del tiempo transcurrido del registro de carga.
Este primer paso ha concluido cuando, con los puntos obtenidos durante el mismo, es posible
definir la curva de formación- tiempo, de acuerdo con las láminas.
2.-Se aplica el siguiente incremento de carga, que, sumado al precedente, origina nueva presión
sobre la pastilla. Se anotan los datos correspondientes a estas etapas tal como se indicó para la
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anterior en el paso 1: Un operador coloca en el dispositivo, la carga correspondiente y
simultáneamente otro pone en marcha el cronómetro registrando las lecturas Tiempo-micrómetro.
3.-Se repite el paso 2 incrementando la presión sobre la pastilla hasta llegar a tener una presión
sobre la muestra similar a la del problema por resolver.
Descarga.
El proceso de la descarga se efectúa, generalmente, en forma inversa al de la carga, o sea que la
carga máxima aplicada se reduce a la mitad y así sucesivamente hasta obtener una presión nula
sobre la pastilla. En ocasiones y de acuerdo con el problema que se estudia, la descarga se puede
llevar a cabo en otra forma. Se anota al el registro de descarga, la presión, fecha, hora y lectura
inicial del micrómetro. Al tiempo que un operador quita la carga del dispositivo, otro pone en
marcha el cronómetro y principia a tomar lecturas simultáneas para tiempo y recuperación hasta
definir la curva. Cuando se ha descargado totalmente, se deja que la pastilla se recupere hasta
observar que la diferencia de lecturas del micrómetro sea pequeña.
3.4 Consistencia de las arcillas y límite de Atterberg.
3.4.1 Plasticidad.
En la mecánica de suelos podemos definir la plasticidad como la propiedad de un material por
el cual es capaz de soportar deformaciones rápidas, sin rebote elástico, sin variación volumétrica
apreciable y sin desmoronarse ni agrietarse.
La plasticidad de los suelos se debe a la carga eléctrica de las partículas laminares, que
generan campos, que actúan como condensadores e influyen en las moléculas bipolares del agua
produciendo intercambio catiónicos, el grado de interacción de estas moléculas del suelos con las
de agua determinan su plasticidad. (Juárez Badillo-Rico Rodríguez Mecánica de suelos tomo1)
La magnitud de la plasticidad que presenta una arcilla natural depende de su composición
mineralógica y contenido de humedad. Además, la consistencia de una arcilla natural varia de
acuerdo con el contenido de humedad, desde un estado sólido en condición seca, pasando por un
estado semisólido para bajos contenidos de humedad en que el suelo se desmorona y no presenta
59
plasticidad, pasando también por un estado plástico para altos contenidos de humedad, hasta
llegar finalmente a un estado esencialmente liquido para contenidos de humedad muy altos.
El contenido de humedad para el cual la consistencia cambia de un estado a otro varia de una
arcilla a otra, dependiendo de la cantidad y del tipo de mineral de arcilla presente. Puesto que la
humedad es una propiedad que se mide fácilmente, se desarrollo un método de clasificación de
las arcillas basado en estos contenidos de humedad limites.
Como el cambio de un estado de consistencia a otro es gradual, para satisfacer los
requerimientos de un sistema de clasificación estándar fue necesario establecer límites arbitrarios
entre los diferentes estados. Estos se denominan límites de Atterberg (por el científico sueco que
los ideó) que se muestran en la figura 3.4 y consiste en lo siguiente:
Incremento de humedad
EstadoSolido
Estado Semisolidoo sin Plasticidad
EstadoPlastico
EstadoLiquido
Ws Wp Wl
Figura Nº 3.7. Estado de consistencia de un suelo arcilloso.
a) El limite de retracción, ws o SL, que define como el cambio del estado sólido al estado
semisólido o estado no platico;
b) El limite plástico, wp o PL, que redefine el cambio entre el estado no plástico y el estado
plástico; y
c) El límite liquido, wl o LL, que se define como el cambio del estado plástico al estado
liquido.
Es importante anotar que los límites de Atterberg son simplemente contenidos de humedad.
Índice plástico
El rango de variación de contenidos de humedad en el que la arcilla presenta plasticidad se
denominan índice de plasticidad, IP o PI, y esta dado por:
60
− −= =
−p p
Ll p p
w w w wI
w w I
IpA% de arcilla
=
IP = wl – wp
Índice liquido
El contenido de humedad natural, w, que presenta una arcilla en el campo puede compararse
con sus límites líquidos y plásticos mediante el índice de liquides, IL o LI, que se define como:
El índice de liquidez se expresa por lo general en porcentajes, de tal modo que un valor de IL
próximo al 100 % indica que la arcilla natural presenta en el campo una consistencia próxima a la
que corresponde a su límite liquido, en tanto que un valor de IL próximo al 0% indica que esta
presenta una consistencia propia a la correspondiente a su limite plástico. La mayor parte de
arcillas naturales se presentan en el terreno en un estado platico y por eso el valor de IL están
normalmente en el rango de 0 – 100% .Sin embargo, es necesario destacar que el valor de IL
puede ser negativo.
Grado de plasticidad
La plasticidad se atribuye a la deformación de la capa de agua absorbida alrededor de las
partículas de mineral de arcilla. Por tanto, el grado de plasticidad que presenta un suelo esta
relacionado con el tipo y las cantidades de minerales arcillosos presentes. Skempton (1953)
expreso esta relación.
En donde la arcilla se toma como el porcentaje en masa de las partículas las inferiores a 2
mm. Los valores de actividades más bajos son los correspondientes a la caolinita, los de las ilitas
son superiores, y los más altos corresponden a las montmorillonitas.
Los límites de Atterberg se determinan en laboratorio mediante ensayos empíricos realizados
sobre muestras de material que pasa el tamiz de 425 μ.m. Los métodos estándar para determinar
el limite liquido se describe completamente en ASTM D–423-66, y para le limite plástico en
ASTM D-424-59.
61
Debe recalcarse que cundo los resultados de ensayos de laboratorios sobre muestras de suelo
se utilizan en el diseño de trabajos de ingeniería, las muestras deberán ser representativas e
inalteradas de tal manera que los parámetros de diseño medidos reflejen el comportamiento
ingenieríl del deposito en el terreno. Las pruebas de limite liquido y plástico, sin embargo, se
realizan sobre muestras remoldeadas de suelo y por tanto no puede esperarse que reflejen las
características del comportamiento ingenieríl, que dependa de la macroestructura natural del
suelo arcilloso en el terreno. La función principal de estas pruebas es proporcionar una base para
la clasificación de los suelos arcillosos y no es la de proporcionar criterios para hacer
predicciones acerca de su comportamiento ingenieríl.
2.5 Propiedades de los suelos arcillosos.
2.5.1 Propiedades electroquímicas de los minerales arcillosos.
Los minerales arcillosos son producto de la meteorización química y esta compuesto en su
mayor parte por silicatos de aluminio hidratado. Las partícula que lo constituye son muy
pequeñas y su comportamiento esta dominado principalmente por la actividad electrolítica. En
general tiene una carga negativa neta y presenta afinidad por el agua.
Los minerales arcillosos tienen forma cristalina y están constituidos por dos unidades
estructurales: la unidad tetraédrica, en la cual cuatro moléculas oxigeno encierran un átomo de
silicio como se muestra en la figura 3.5a, y la unida octaédrica, en la cual un átomo de aluminio o
magnesio esta encerrado por seis grupos hidróxidos, como se muestra en la figura 3.5b. De
acuerdo con la organización de estas unidades estructurales en la red cristalinas, los minerales
arcillosos se dividen en tres grupos principales:
1. Las caolinitas.
2. Las ilitas.
3. Las montmorilonitas.
62
unidad tetraedrica
silicio
Oxigeno a) Representacion de una capa tetraedrica
b) representacion de una capa octaedrica
Unidad octaedrica
Hidroxido
Aluminio o magnesio
7 A
Enlace por hidrogeno relativamente fuerte
c)
d)
Enlases por iones de potasio relativamenta debil
10 A
Enlace muy debil por moleculas de agua absorbida e iones metalicos
e)
9.6
A
Figura Nº 3.8 a, b, c. Estructura molecular de los tipos de arcilla
63
2.5.2 Grupos de las caolinitas
El bloque estructural de este grupo de minerales tiene un espesor de 7A y esta formado por
una capa de unidades tetraédrica y una capa de unidades octaédrica. Un gran números de estos
bloques se unen entre si para formar partículas 500-1,000A de espesor, como se muestra en la
figurar 3.5c, y con una relación típica diámetro/espesor de 10-20. Los enlaces iónicos de
hidrógenos entre bloques crean una estructura relativamente estable en la que no penetra en agua
con facilidad.
Estas caolinitas presentan una baja absorción de agua y una baja susceptibilidad a la
retracción y a la expansión al ser sometida a variaciones de humedad.
2.5.3Grupos de las ilitas:
El bloque estructural de este grupo tiene un espesor de 10A, y esta formado por una capa de
unidades octaédricas en medio de dos capas de unidades tetraédricas orientadas en forma opuesta.
Sin embargo, algunos de los silicios (Si4+) localizados en las unidades tetraédricas son
reemplazados por aluminio (Al3+). Esto implica que un ion de menor valencia reemplaza a otro
de mayor valencia, lo cual hace que se adhieran iones potasio (K+) entre los bloques en un intento
por compensar el déficit de cargas. La adherencia entre las capas de vida a los iones de potasio
permite la unión entre bloques como se muestra en la figura 3.5d, pero la adherencia es menos
estable que la creada por los enlaces de hidrogeno en las partículas de caolinita, por ello las
partículas de ilita solo alcanza un espesor de 200-300A y tiene una relación típica
diámetro/espesor del orden 20-50. Las ilitas presenta mayor tendencia a la absorción de agua que
las caolinitas, mayor susceptibilidad a la retracción y a la expansión.
3.5.4 Grupo de las montmorillonitas:
Este tiene un bloque estructural similar al de las ilitas, pero adicionalmente a la sustitución
del silicio (Si4+) por aluminio (Al3+) en la unidad tetraédricas, algunos de los iones de aluminio
(Al3+) en la unidades octaédricas se remplazas por magnesio (Mg2+) y hierro (Fe2+). De estos
cambios resulta una gran carga negativa neta que atrae a las moléculas de agua y de cualquier
64
otro catión disponible hacia el cristal, como se muestra en la figura 3.5e. Este enlace entre las
capas creado por el agua es muy débil e inestable comparado con el enlace de iones de potasio de
las ilitas. Las montmorillonitas son por tanto fácilmente divisibles en partículas muy pequeñas,
con un espesor aproximado de 10-30A y con una relación típica diámetro/espesor del orden de
200-400. Además las montmorilonitas presentan una muy alta absorción de agua y muy alta
características de retracción y expansión.
Referencia de texto: Juárez-Badillo Mecánica de Suelos.
3.6 Arcilla Definición:
Arcilla: suelo o roca sedimentaria, plástica y tenaz cuando se humedece. Se endurece
permanentemente cuando se cuece o calcina. De gran importancia en la industria, la arcilla se
compone de un grupo de minerales aluminosilicatos formados por la meteorización de rocas
feldespáticas, como el granito. El grano es de tamaño microscópico 2 mm. y con forma de
escamas. Esto hace que la superficie de agregación sea mucho mayor que su espesor, lo que
permite un gran almacenamiento de agua por adherencia, dando plasticidad a la arcilla y
provocando la hinchazón de algunas variedades
Por tanto, el término arcilla no sólo tiene connotaciones mineralógicas, sino también de
tamaño de partícula, en este sentido se consideran arcillas todas las fracciones con un tamaño de
grano inferior a 2 mm. Según esto todos los filosilicatos pueden considerarse verdaderas arcillas
si se encuentran dentro de dicho rango de tamaños, incluso minerales no pertenecientes al grupo
de los filosilicatos (cuarzo, feldespatos, etc.) pueden ser considerados partículas arcillosas cuando
están incluidos en un sedimento arcilloso y sus tamaños no superan los 2 mm. Las arcillas son
constituyentes esenciales de gran parte de los suelos y sedimentos debido a que son, en su mayor
parte, productos finales de la meteorización de los silicatos que, formados a mayores presiones y
temperaturas, en el medio exógeno se hidrolizan.
65
3.6.1 Origen de la arcilla
Los factores formadores del suelo determinan acciones físicas y químicas que transforman la
roca original. Las primeras desmenuzan el material, originando arenas, quien mantiene sin
mayores modificaciones las características del material parental. La arena gruesa está constituida
por trozos de roca en los cuales persiste gran parte de los minerales originales. La arena fina
contiene, sin embargo, separados o individualizados los constituyentes de la roca madre, con
excepción de aquellos muy susceptibles al ataque químico. Es raro, por ejemplo, encontrar
olivinos, piroxenos ni o anfíboles en la arena fina luego de acciones de meteorización
relativamente intensas.
Mineralogicámente, el limo es una fracción menos definida ya que está constituido por
productos provenientes de la desintegración física y de la alteración química. Aunque en su
constitución domina el cuarzo y los feldespatos, éstos están en menor proporción que en la arena;
además, contiene generalmente una pequeña cantidad de minerales secundarios, hidróxidos de
hierro y productos intermediarios de la alteración de los minerales primarios originales.
La arcilla los suelos está constituida por productos derivados de la meteorización química,
minerales amorfos o cristalinos, principalmente de neosíntesis o secundarios, con alguno o
ninguna semejanza al material original. También puede ser heredada directamente del material
parental como cierta transformación. La fracción gruesa de la arcilla (Ф=2.0μ a 0.2 μ) contiene,
generalmente, algunos minerales primarios (cuarzo, feldespato, mica).
3.6.2 Esfuerzos en los suelos arcillosos.
Los esfuerzos en una masa de suelos arcillosos están influenciados por diferentes factores,
tales como: compacidad del suelo, contenido de humedad, plasticidad, permeabilidad, etc., que
hace el análisis más complejo de lo que, se utiliza en otros materiales homogéneos , como los
metales, donde los esfuerzos dependen directamente de la carga aplicada, pudiendo ser estos
esfuerzos, de comprensión o flexión.
66
En los suelos se definen dos tipos de esfuerzos, primero los esfuerzos que son producto de la
aplicación de cargas a una porción de suelo y segundo, los esfuerzos internos o esfuerzos de
contacto que son esfuerzos en los puntos de contacto entre partículas, siendo estos de tipo
microscópicos.
3.6.3 Resistencia al corte en los suelos arcillosos
Los suelos bajo la acción de las cargas tienden a ser como los materiales elásticos, aun que,
en algunos casos se producen deformaciones mayores que las normales, teniendo que recurrir
entonces a cálculos que tengan en cuenta la plasticidad del suelo. Una muestra de suelo sometida
a un esfuerzo cortante (τ), tiende a producir un desplazamiento de las partículas entre sí o de una
parte de la masa del suelo con respecto al resto del mismo. Se aceptan, que la resistencia al corte
(τ) de un suelo viene dada por la ecuación de Coulomb como sigue:
τ = c +Pi (tan φ.)
En la que:
- τ = Resistencia al corte del suelo, en Kg./cm2.
- c = Cohesión del suelo, en Kg./cm2.
- Pi = Presión interna, en Kg./cm2.
- φ = Angulo de fricción interna, el cual se supone que es constante.
En general, los suelos poseen al mismo tiempo cohesión y fricción interna; existen dos casos
límites:
a) Las arenas lavadas y secas no poseen cohesión, la carga de ruptura se produce para un
valor de:
τ = Pi (tan φ.)
Pasando por el origen la envolvente del círculo de mohr, como se puede ver en la Fig.3.9.
67
σ1
σ3
σ3
σ3
τ
ϕ σ
σ1
σ3
Figura 3.9 Circulo de Mohr
b) Las arcillas blandas, se consideran como si φ fuese igual a cero, resultando la carga de
ruptura constante e igual a la cohesión del suelo, como se indica en la fig. 3.10; por lo tanto:
σ1
σ3=0
σ3
σ3=0
τ
σ
σ1
τ = (σ1)/2 = (qu)/2
τ = c
Figura Nº 3.10 Gráfica de esfuerzo y cortante
σ1 y σ3 son esfuerzos principales y qu es el esfuerzo unitario de ruptura a compresión no
confinada.
La cohesión se puede definir como la adherencia entre las partículas del suelo debido a la
atracción entre ellas en virtud de las fuerzas moleculares internas.
68
El ángulo de fricción interna es en valor que depende de la uniformidad de las partículas del
suelo, del tamaño y la forma de los granos y de la presión normal, se considera constante
3.6.4 Deformaciones en los suelos arcillosos.
Las deformaciones en los suelos, están ligadas al concepto de esfuerzos que pueden ser
inducidos por cargas aplicadas. Los movimientos de las partículas en una masa de suelos son
difíciles de explicar ya que, dependen de factores propios del tipo de suelo y sus propiedades a
analizar, tales como la plasticidad, granulometría, cohesión, compacidad; además de las
condiciones a que estén sometidos tales como el contenido de humedad del suelo; pero su análisis
por modelos sencillos sirven para explicar los procesos complejos que se dan en una masa de
suelo real.
Las deformaciones experimentadas por un elemento de suelos son el resultado de las
deformaciones internas y los movimientos relativos entre las numerosas partículas que componen
dichos suelo. Existen dos mecanismos, en suelos granulares, que son responsables de la
deformación bajo carga: la distorsión y fracturas de las partículas y el movimiento relativo de las
partículas como el resultado del deslizamiento y fractura.
Generalmente estos mecanismos se efectúan al mismo tiempo; las partículas tienden a
fracturarse aumentando el número de vacíos, los cuales son ocupados por los fragmentos
pequeños, acomodándose en la masa de suelo, ocasionando una disminución de volumen.
3.6.5 Influencias del agua sobre las arcillas.
La estructuras de las moléculas de arcillas está formada por tetraedros y octaedros que posee
en su centro iones de silicio y aluminio y en los vértices cargas negativas de iones "O" u "OH".
Esta actividad electroquímica es lo que hace inestable las propiedades de las arcillas cuando
son expuestas a la humedad. Así, cuando una arcilla es sometida al contacto del agua, las cargas
69
electroquímica negativas superficiales de los granos atraen el hidrógeno de las moléculas de agua
orientando los definitivamente, a este fenómeno se le llama atracción de superficie. Esta atracción
forma una película de agua alrededor de cada partícula. Debido a su diminuto tamaño y por
consiguiente al valor elevado de la superficie específica de estos suelos, el grueso de esta película
es tal, que el agua actúa como un lubricante separando las partículas del material, con el
consecuente aumento de volumen y plasticidad (que es la características de un suelo de
deformarse sin agrietarse ni aumentar su volumen significativamente, y no recuperar su forma
original al aplicarle y retirarle una carga externa).
3.6.6 Variación granulométrica de las arcillas.
Los cambios de humedad influye en la estabilidad de los suelos, expandiéndolos o
contrayéndolos, esto es perjudicial para cuando soportan pesos de estructuras, principalmente;
debido a la reducción de los esfuerzos generados al incrementarse la humedad o el agrietamiento
por pérdidas de humedad, ya que en ambos casos puede ocasionar deterioro.
3.7 Clasificaciones De Los Suelos.
Los sistemas de clasificación de los suelos son tan antiguos como la misma mecánica de
suelos, en un principio esta se basaba más que todo, una descripción visual (olor, color, textura,
etc.), posteriormente se introdujo el análisis por tamizado o granulométrico que ofreció un medio
más sencillo para clasificarlo. Sin embargo, todavía hay criterios de clasificación poco
apropiados, porque la correlación de la distribución granulométrica con las propiedades
fundamentales (resistencia, compresibilidad, permeabilidad), resultan demasiado inseguras.
El objeto de la clasificación de los suelos es aportar una base sobre la cual pueden agruparse
los suelos dependiendo de sus propiedades físicas y de su apariencia, con el propósito de
comparar diferentes suelos, describir sus propiedades y estimar su conveniencia para la
utilización en un trabajo de ingeniería específico.
Las características físicas y la apariencia de un suelo granular dependen principalmente de la
70
distribución del tamaño de las partículas en el depósito de suelo. En un suelo arcilloso ellas
dependen de la adherencia del tipo stiction y la plasticidad, propiedades que están asociadas con
su composición mineralógica y su contenido de humedad, y también de su textura natural o
macro estructura. Por tanto, la fracción glandular de un depósito de suelo se clasifica de acuerdo
con su distribución de tamaños de las partículas, en tanto que la fracción arcillosa se clasifica de
acuerdo con sus características de plasticidad con los parámetros conocidos como límites de
Atterberg.
Existen varios métodos de clasificación de los suelos entre ellos están:
• Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS),
• Asociación Americana de Agencias Oficiales de Carretera y Transporte (AASTHO),
• Sistema del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA),
• Sistema de la Agencia Federal de Aviación (FFA).
Actualmente, los departamentos estatales de trasporte (antiguo departamento de carretera)
utilizan el sistema de clasificación de la AASTHO. El ingeniero de fundaciones acostumbra hacer
una inspección visual como base primaria de clasificaciones, pero su terminología, la cual no
debe considerarse aquí, es muy similar ala del Sistema Unificado de Suelos.
Todos los sistemas de clasificación de interés primordial para el ingeniero geotécnico utilizan
los límites de Atterberg (por los métodos los límites líquidos y plásticos) con un análisis parcial o
total de granulometría, y el proceso de eliminación para la clasificación de un suelo.
3.7.1 Clasificación De Suelos AASHTO M-145
La AASHTO, que representa a todos los departamentos de carreteras de los Estados Unidos
de Norte América, ha adoptado esta clasificación. Designaremos esta clasificación como
“Clasificación de Suelos AASHTO”
Los suelos se clasifican en siete grupos basándose en la composición granulométrica, en él
límite liquido y el índice de plasticidad de un suelo la evaluación de cada grupo, se hace por
medio de su “Índice de Grupo”.
71
Esta clasificación divide los suelos en dos clases: una formada por suelos granulares y otra
por suelos de granulometría fina, limo-arcillosos.
A continuación, indicamos cada una de estas clases con sus correspondientes grupos y
subgrupos.
Suelos granulares
Son aquellos que tienen 35%, o menos, del material fino que pasa el tamiz Nº 200(0.075
mm). Estos suelos forman los grupos A-1, A-2, A-3.
Grupo A-1: Comprende las mezcla bien graduadas, compuestas de fragmentos de piedra,
gravas, arena y material ligante poco plástico. Se incluyen también a aquellas mezclas bien
graduadas que no tienen material ligante.
Subgrupo A-1a; Comprenden a aquellos materiales formados predominantemente por arena
gruesa y con, o sin, material ligante bien graduado.
Grupo A-2: Incluye una gran variedad de material granular que contiene menos del 35% de
material fino.
Subgrupos A-2-4 Y A-2-5: pertenecen a estos subgrupos aquellos materiales cuyo contenido
de material fino es igual o menor del 35% y cuya fracción que pasa el tamiz Nº 40 tiene las
mismas características de los suelos A-4, A-5 respectivamente.
Estos grupos incluyen aquellos suelos gravosos y arenosos (arena gruesa), que tengan un
contenido de limo, o índices de grupo, en exceso a los indicados para el grupo A-1. Así mismo
incluyen aquellas arenas finas con un contenido de limo no plástico en exceso al indicado para el
grupo A-3.
Subgrupos: A-2-6 Y A-2-7: Los materiales de estos subgrupos son semejantes a los
anteriores, pero la fracción que pasa el tamiz número 40 tiene las mismas características de los
suelos A-6 y A-7, respectivamente.
Grupo: A-3: En este grupo se hallan incluidas las arenas finas, de playa y aquellas con poca
cantidad de limo que no contenga plasticidad. Este grupo incluye además, las arenas de rió que
contengan poca grava y arena gruesa. Suelos finos limo arcillosos. Contienen mas del 35% del
material fino que pasa el tamiz numero 200.
Estos suelos constituyen los grupos A-4, A-5, A-6, A-7.
72
Grupo A-4: Pertenecen a este grupo los suelos limosos poco o nada plásticos, que tienen un
75% o más del material fino que pasa el tamiz numero 200. Además, se incluyen en este grupo
las mezclas de limo con grava y arena hasta en un 64%.
Grupo A-5: Los suelos comprendidos en este grupo son semejantes a los del anterior, pero
contienen material micáceo o diatomáceo. Son elásticos y tienen un límite líquido elevado.
Grupo A-6: Los suelos de este grupo son semejantes a los del A-5, pero son elásticos. Sus
límites líquidos son elevados.
Subgrupos A-7-6: Comprende aquellos suelos cuyos índices de plasticidad son muy altos con
respecto a sus límites líquidos y además experimentan cambios de volumen muy grandes entre
sus estados “seco” y “húmedo”.
Índice de Grupo: Aquellos suelos que tienen un comportamiento similar se hallan dentro de
un mismo grupo, y están representados por un determinado índice. La clasificación de un suelo
en un determinado grupo se basa en su límite líquido, grado de plasticidad y porcentaje de
material fino que pasa el tamiz nº 200. los índices de grupo de los suelos granulares está
generalmente comprendidos entre 0 y 4; los suelos limosos, entre 8 y 12 y los suelos arcillosos,
entre 11 y 20, o mas.
El Índice de grupo puede determinarse mediante la siguiente formula;
Índice de Grupo = IG = (F-35) ((0.2+0.005 (Ll-40))+0.01 (F-15) (Ip-10)
Donde:
F = Porcentaje que pasa el tamiz numero 200.
Ll = Limite liquido.
Ip = Índice de plasticidad.
En tabla 3.5 se resume la información anteriormente descrita.
73
Clasificación general
Grupos A-1 A-3* A-2 A-4 A-5 A-6 A-7
Índice de Grupo 0 0 4 max. 8 max. 12 max. 16 max. 20 max.Terreno de Fundación Excelente a bueno Regular a malo
40 max. 11 min.
41 min. 11 min.
* La colocación de A-3 antes de A-2, se hace únicamente por razones de ordenamiento de
Clasificación de suelos y mezcla de suelo-agregado
N.P.40 max. 10 max.
41 min. 10 max.
Características del material que pasa el tamiz Nº 40(0,425 mm): Limite liquido Índice de Plasticidad 6 max.
Materiales granulares (35%, o menos, pasa el
tamiz Nº 200)
Materiales limo-arcillosos (Mas del 35% pasa el tamiz Nº 200)
Porcentaje que pasa el tamiz: Nº 10(2,00 mm) Nº 40(0,425 mm) Nº200(0,075 mm)
50 max. 25 max
51 max. 10 max 35 max. 36 min. 36 min. 36 min. 36 min.
Clasificación general
Grupos A-1 A-7
Sub-grupos A-1-a A-3* A-2-4 A-2-5 A-2-6 A-2-7A-7-5 A-7-6
Índice de Grupo 0 0 0 0 0 4 max. 4 max. 8 max. 12 max. 16 max. 20 max.
Tipo de material Arena fina
Terreno de Fundación Excelente a bueno
* El índice de plasticidad del subgrupo A-7-5, es igual, o menor , a Ll -30El índice de plasticidad del subgrupo A-7-6, es mayor que Ll -30
Suelos arcillosos
Excelente a bueno Excelente a bueno Regular a malo
36 min. 36 min.
Gravas y arenas limosas y arcillosas Suelos limosos
A-4
Fragmentos de piedra grava y arena
A-5 A-6
6 max.
35 max.
41 min. 11 min.
A-1-b
A-2
50 max. 25 max
Características del material que pasa el tamiz Nº
40(0,425 mm): Limite liquido Índice
de Plasticidad N.P.40 min. 10 max.
41 min. 10 max.
40 max. 11 min.
40 max. 11 min.
41 min. 11 min.*.
40 max. 10 max.
41 max. 10 max.
Clasificación de suelos y mezcla de suelo-agregado
Materiales granulares (35%, o menos, pasa el tamiz Nº 200) Materiales limo-arcillosos (Mas del 35% pasa el tamiz Nº 200)
Porcentaje que pasa el tamiz: Nº 10(2,00 mm) Nº
40(0,425 mm) Nº200(0,075 mm)
50 max. 30 max. 15 max
51 max. 10 max 35 max. 36 min. 36 min. 36 min.
Tabla Nº 3.3 Clasificación de Suelos AASHTO M-145
Fuente: AASHTO
Tabla Nº 3.4 Clasificación de suelos; Fuente: AASHTO
74
3.7.2 Sistema De Clasificación Unificada De Los Suelos
Los elementos esenciales de sistema de clasificación fueron propuestos inicialmente por
Arturo Casagrande (1942) y adoptados por el cuerpo de ingenieros de los Estados Unidos para la
construcción de los aeropuertos. El sistema es ampliamente utilizado por organizaciones tales
como el cuerpo de ingenieros, la oficina de reclamos, y con pequeñas modificaciones por la
mayoría de las firmas consultoras.
La siguiente tabla presenta los factores a considerar en la clasificación de un suelo de acuerdo
con el Sistema unificado de clasificación de los suelos. Básicamente un suelo es:
El material se considera grueso si seretiene mas del 50 %
No 200El material se considera fino sipasamas del 50 %
Es Retenido 0.075 mm Pasa
Grava Arena Limo o Arcilla
Si mas del 50 % dela fraccion gruesaqueda retenida en eltamiz No 4
Si mas del 50 % de lafraccion gruesa pasapor el tamiz No 4
El suelo fino es:Limo (M)Arcilla (C)Organico (O)
Figura Nº 3.11 Clasificación de suelos según porcentaje retenido
En el primer grupo, se hallan las gravas, arenas y suelos gravosos o arenosos, con pequeña
cantidad de material fino (limo o arcilla). Estos suelos corresponden, en líneas generales, a los
clasificados como A-1, A-2, A-3, por la AASHTO y son designados en la siguiente forma:
Gravas, o suelos gravosos: GW. GC, GP Y GM.
Arenas, o suelos arenosos: SW, SC, SP Y SM.
Las siglas representan:
G = Grava o suelo gravoso.
S = Arena o suelo arenoso.
W = Bien graduado.
C = Arcilla inorgánica.
P = Mal graduado.
M = Limo inorgánico o arena muy fina.
75
Así por ejemplo, SM significa suelos arenosos con cierto contenido de limo.
En el siguiente grupo se hallan los materiales finos, limosos o arcillosos, de baja o alta
comprensibilidad, y son designados en la siguiente forma:
Suelos de baja o mediana comprensibilidad. ML, CL Y OL.
Suelos de alta comprensibilidad. MH, CH Y OH.
Las siglas representan:
M = Limo inorgánico o arena muy fina.
C = arcilla.
O = Limos, arcillas y mezclas limo arcillosas con alto contenido de materia orgánica.
L = Baja a mediana comprensibilidad.
H = Alta comprensibilidad.
Así, CH será un suelo arcilloso de alta comprensibilidad.
En la tabla 3.5 se resume la información anteriormente descrita
Además en el cuadro3 se hace una comparación de los materiales en base a su clasificación y
su empleo como material de fundación.
76
Tabla Nº 3.5 Clasificación Unificada de Suelos. Clasificacion Unificada de Suelos.
GW
GP
GM
GC
SW
SP
SM
SC
Arenas con material fino no plastico.
Arenas con material fino plastico.
PROCEDIMIENTOS PARA LA IDENTIFICACION DE CAMPO ( SE EXCLUYEN LAS PARTICULAS MAYORES DE 3".LAS FRACCIONES DEL
MATERIAL SE LAS REFIERE A LOS
GR
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Nº4
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Arenas con varios tamaños de particulas y apresiables cantidades de particulas de tamaños intermedios.
Arenas con particulas de un solo tamaño, pero con ausencia de tamaños intermedios.
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GRUPOS SIMBOLOS NOMBRE TIPICOS
INFORMACION REQUERIDA PARA LA IDENTIFICACION DE
SUELOS
Indique el nombre tipico; indique aproximadamente los porcentajes de arena y grava, tamaño maximo y angularidad de las particulas, condicion superficial y dureza de las particulas gruesas; nombre local o nombre geologico y otras informaciones descriptivas
Gravas bien graduadas; mezclas de grava y arena, con poco o nada de material fino
Gravas bien graduadas; mezclas de grava y arena, con poco o nada de material fino
Gravas limosas; mezclas mal graduadas de grava, arena y limos.
Gravas arcillosas; mezclas mal graduadas de grava, arena y arcilla.
Arenas bien graduadas;arenas gravosas con poco o nada de material fino.
Arenas mal graduadas;arenas gravosas con poco o nada de material fino.
Arenas limosas; mezclas mal graduadas de arena y limo.
Arenas arcillosas; mezclas mal graduadas de arena y arcilla.
Para suelos inalterados añadir informacion sobre estratificacion, grado de compactacion, cementacion condicion de humedad y caracteristicas de drenaje.
Ejemplo: arena limosa, con grava , cerca del 20% de particulas duras y angulares de grava de 1/2" de tamaño maximo.
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Procedimiento de identificacion para la fraccion que pasa el tamiz Nº4
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Gravas con varios tamaños de particulas y cantidades apreciables de particulas de tamaño intermedio.
Gravas con particulas de un solo tamaño o con varios tamaños, pero con ausencia de tamaños intermedios.
Gravas con material fino no plastico.
Gravas con material fino plastico.
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Nula a pequeña.
Mediana a grande.
Pequeña a mediana.
Resistencia del material (caracteristicas a la trituracion)
Grande a muy grande
Dilatancia (Reaccion al sacudimiento).
Dureza (consistencia cerca al limite plastico).
Rapida a lenta. Nula. ML
Baja.
Ninguna a muy lenta.
Lenta a ninguna.
Pequeña a mediana. Baja a mediana
Alta.
Baja a mediana
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Ninguna.
Ninguna a muy lenta.
Mediana.
MH
CH
OH
Limos Inorganicos y arenas muy finas, polvo de roca; arenas muy finas limosas o arcillosas, con baja plastisidad
Arcillas Inorganicas de baja a mediana plastisidad; arcillas gravosas, arcillas arenosas, arcillas limosas, arcillas poco plasticas.
Limos Inorganicos y arcillas limosas organicas de baja plastisidad.
Limos Inorganicos; suelos limosos y arenas finas, micaceos y diatonaceos, limos elasticos.
Arcilla Inorganica muy plastica.
CL
OL
Arcilla Inorganica de media a elevada plastisidad.
Indique el nombretipico, indique las caracteristicas plasticas, cantidad , tamaño Color en estado Humedo, olor nombre local o nombre Geologico, otras informaciones descriptivas pertinentes y el simbolo del suelo entre parentesis.
Para suelos inalterados añadir informacion sobre estratificacion, consistencia en los estados "inalterados" y "remoldeado"; condiciones de humedad y drenaje.
Ejemplo: Limo Arcilloso color marron, ligeramente plastico; pequeño porcentaje de arena fina numerosos Cavidades verticales
dejadas por las raices.
77
Tabla Nº 3.6 Características y Propiedades de los suelos. Clasificacion de suelo AASHTO Propiedades y caracteristicas
Grupos Descripcion Sub Grupos Descripcion Capilaridad Elasticidad Cambios ( 2 ) para ( 3 ) para ( 1 ) como Para del Material del Material de Volumen Sub base Base terreno de terraplenes
fundacion
A-1Mezclar bien graduadas compuestasde fracmentacion de piedra, grava,arena y material ligante pocoplastico. Se incluye tambienaquellas mesclas bien graduadasque no tienen material ligante
A-1-a A-1-b Mezclas de piedra o grava, con o sin
material fino ligante bien graduado.----------------------------- Mezcla de arena gruesa con o sinmaterial fino ligante bien graduado
Baja Baja Muy baja Muy pequeños Bueno a excelente Bueno a excelente Bueno a excelente Bueno a excelente
A-2 Mezclas mal proporcionadas de grava, arena, limo y arcilla. Tienen material fino ( Limo y arcilla) en exceso a los limites establecidos por los suelos A-1 y A-3
A-2-4 A-2-5 A-2-6 A-2-7
Suelos A-2 cuya fracción que pasadel tamiz Nª 40, tiene lascaracterísticas de un suelo A-6 o A-7respectivamente. ---------------------------Suelos A-2, Cuya fracción quepasa del tamiz Nª 40 tiene lacaracterísticas de un suelo A-4 o A-5respect
Baja a mediana Mediana a veces perjudicial baja
Baja a elevada para A-2-4 a A-2-6 Elevada a veces
perjudicial para A-2-5 a A-2-7
Medianos a elevados Regular Malo a regular Bueno a excelente Regular a bueno
A-3 Arenas finas de playa y arena con poco o nada de material fino ( Limo y arcilla ) Además mezclas de arena fina mal graduada, con cantidades limitadas de arena gruesa y grava
___ ___ Mediana a elevada Baja ___ Muy pequeños Regular a excelente Regular a excelente Bueno a excelente Regular a bueno
A-4Suelos limosos sin plasticidad en los cuales el 75 % o mas pasa el Tamiz nº 200. Además suelos finos limosos que contengan hasta un 64% de arena y grava
___ ___ Baja a mediana Elevada a veces perjudicial Baja a mediana
Pequeños a elevados Perjudiciales en época
de heladasMalo a regular Malo a regular Malo a regular Malo a bueno
A-5 material limoso, semejante al A-4, generalmente de carácter mecaceo o diatonaceo. Tienen mayor elasticidad.
___ ___ Baja a mediana Regular a elevada a veces perjudicial Mediana a elevada Regulares a elevados Malo Pésimo Malo a pésimo Malo a pésimo
A-6 Arcillas plásticas en las cuales el 75 % o mas pasa del tamiz Nª 200 además, suelos finos arcillosos que contengan hasta un 64% de arena y grava. Presentan generalmente grandes cambios de volumen cuando absorben agua.
___ ___Baja a
prácticamente impermeable
Regular a elevada Pequeña a mediana Medianos a elevados Regular a pésimo Malo a pésimo Regular a bueno Malo a regular
A-7Terrenos arcillosos semejantes a
los A-6 pero posee limites líquidos elevados como los del grupo A-5
A-7-5 -- A-
7-6
Suelos A-7 con índice de plasticidad relativamente bajos en relación a sus limites líquidos pueden ser muy elásticos y experimentar grandes cambios de volumen.-------------------------- Suelos A-7 con índices de plasticidad elevados en rela
Baja Regular a elevada Mediana a elevada Medianos a elevados Regular a pésimo Malo a pésimo Regular a bueno Malo a pésimo
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Permeabilidad
78
Tabla Nº 3.7 Características y Propiedades de los Suelos Clasificacion de suelo AASHTO Compactacion y tipos de pavimentos
Grupos Descripcion del Material Sub Grupos Descripcion del
Material
Comportamiento del terreno despues de
compactado
Equipo recomendado para la compactacion
Fallas que se registran comunmente
Precedimientos aconsejables para mejorar el terreno
Tipo de pavimento recomendado
A-1
Mesclar bien graduadascompuestas defracmentacion de piedra,grava, arena y materialligante poco plastico. Seincluye tambien aquellasmesclas bien graduadasque no tienen materialligante
A-1-a A-1-b
Mesclas de piedra o grava,con o sin material finoligante bien graduado.Mescla de arena gruesacon o sin material finoligante bien graduado
Excelente . Estable en tiempo seco y
humedo
Rodillos " Pata de cabra" , aplanadoras
tamdem de tres rodillos o de rodillos
de caucho.
Ninguna
Debidamente compactado solo requiere superficie de desgaste aplicaciones
superficialees de mesclas bituminosas dan buenos
resultados
A-2
Mesclas mal proporcionadas de grava, arena, limo y arcilla. Tienen material fino ( Limo y arcilla) en eceso a los limites establecidos por los suelos A-1 y A-3
A-2-4 y A-2-5 -- A-2-6 y A-2-7
Suelos A 2 cuya fraccionque pasa del tamis Nª 40,tiene las caracteristicas deun suelo A-6 o A-7respectivamente. Suelos A-2, Cuya fraccion que pasadel tamis Nª 40 tiene lacaracteristicas de un sueloA-4 o A-5 respectivamente
Bueno a excelente . Estable en tiempo
seco. A veces polvoriemto . Se
reblandece cuando humedo
Igual que A-1
Se reblandece cuando humedo se vuelve suelto
y polvoriento cuando seco
Si el terreno presenta cambios perejudiciales de volumen, capilaridad o
elasticidad, añadase area o piedra triturada en proporciones convenientes. Mejorese el drenaje del suelo añaniendo
material granular
Si el terreno ha sido mejorado se comportara como A-1 . En
caso contrario empleese pavimentos delgados de concreto o pavimentos
flexibles de espesor regular
A-3
Arenas finas de playa y arena con poco o nada de material fino ( Limo y arcilla ) Ademas mezclas de arena fina mal graduada, con cantidades limitadas de arena gruesa y grava
___ ___
Bueno a excelente . Es mas establa bajo cientas conciciones
de humedad .
Aplanadora tamdem de tres rodillos y con
rodillos de caucho
Inestable cuando seco. Tiende a deslisarse
cuando no esta confinado
Añadase arcilla si se desea aumenta su poder ligante.
Procurese que el material se encuentre devidamente
"Confinado " a fin de que no se deslice bajo la acccion de las
cargas aplicadas.
Lo mismo que para el caso anterios del suelo A-2
A-4
Suelos limosos sin plasticidad en los cuales el 75 % o mas pasa el Tamis nº 200. Ademas suelos finos limosos que contengan hasta un 64% de arena y grava
___ ___Regular cuando seco
inestable cuando humedo
Rodillos " pata de cabra " aplanadora
tamdem de tres rodillos o rodillos de
caucho
Absorbe agua rapidamente perdiendo estabilidad. Suceptible
de reacciones y deslabes en epocas lluviosas.durante heladas aumentan de volumen rajando los
pavimentos construidos sobre ellos
Coloquese denes para drenar las aguas subterraneas y
material granular bajo la sub rasante
Si hay drenaje adecuado pueden construirse
pavimentos de concreto o de asfalto de espesor regular. Si el drenaje no es bueno debera
emplearse pavimentos de concreto de buen espesor
A-5
material limoso, semejante al A-4, generalmente de carácter mecaceo o diatonaceo. Tienen mayor elasticidad.
___ ___ Malo a pesimo Igual que para el grupo A-4
Semejante al A-4 presenta ademas una
elasticidad perjudicial que impide una buena
compactacion
Igual que para el suelo A-4
Si hay drenaje adecuado y el suelo ha sido estabilizado
puede emplearse una superficie bituminosa. En caso
contrario debera enplearse pavimento de concreto sobre
base granular
A-6
Arcillas plasticas en las cuales el 75 % o mas pasa del tamis Nª 200 ademas, suelos finos arcillosos que contengan hasta un 64% de arena y grava. Presentan generalmente grandes cambios de volumen cuando absorben
___ ___Regular a bueno
cuando seco . Malo cuando esta lluvioso
Igual que para el grupo A-4
En epoca lluviosa se pone resbaladiso los pavimentos fallan por falta de bases firmes. Cuando se humedecen o se seca sufren inchamientos y contracciones
perjudiciales
Se recomientya la adicion de material granular y ademas un
buen sistema de drenaje
Si hay drenaje adecuado y el suelo ha sido estabilizado
puede emplearse una superficie bituminosa. En caso
contrario debera enplearse pavimento de concreto sobre
base granular
A-7
Terrenos arcillosos semejantes a los A-6 pero posee limites liquidos elevados como los del grupo A-5
A-7-5 --A-7-6
Suelos A 7 con indice de plasticidad relativamente bajos en relacion a sus limites liquidos pueden ser muy elastiocos y experimentar grandes cambios de volumen. Suelos A-7 con indices de plasticidad elevados en
Regular a bueno cuando esta seco . Malo cuando est
humedo
Igual que para el grupo A-4
Los mismos inconvenientes que el A-6, presentan
ademas una elasticidad perjudicial que impiden una
buena compactacion
Se recomieda procedimientos analogos a los indicados para
el terreno formado por material A-6
Lo mismo que para el caso anterios del suelo A-6
Suel
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35%
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Compactacion