módulo de mecanica de suelos i
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Módulo de Mecanica de Suelos iTRANSCRIPT
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
DE INGENIERA CIVIL
MDULO
MECNICA DE SUELOS I
DOCENTE: Ing. Julio Csar Rivasplata Daz
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CONTENIDO
I UNIDAD: SUELOS, ORIGEN, TIPOS, FORMULAS USUALES. ..................................... 3
II UNIDAD: CARACTERISTICAS DE LAS PARTICULAS Y GRANULOMETRIA DE
LOS SUELOS. PLASTICIDAD. ................................................................................................. 26
III UNIDAD: FENMENO CAPILAR. PROPIEDADES HIDRAULICAS DE LOS
SUELOS. ......................................................................................................................................... 63
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I UNIDAD: SUELOS, ORIGEN, TIPOS,
FORMULAS USUALES.
I. ORIGEN, Y PRINCIPALES TIPOS DE SUELOS
1. SUELO
En principio, los suelos recubren siempre las rocas en capas
que pueden ser de escasos cm. de espesor como es el caso de
las montaas rocosas, o de centenares de metros como ocurren
en los lechos de los ros, en el fondo de los mares y lagos.
Una definicin de suelo que satisfaga plenamente a quienes
directa o indirectamente se dedican a suelos no existe, por
el contrario, cada quien define al suelo desde el punto de
vista de sus respectivas especialidades. As por el ejemplo
para el agrnomo, el suelo es el estrato superficial de la
corteza terrestre donde pueden desarrollarse las races de
las plantas; para el gelogo, es todo material
intemperizado in situ; para otros, suelo son agregados de
partculas minerales que recubren extensas porciones de la
superficie de la tierra.
Del punto de vista de la mecnica de suelos, se define al
suelo como un material terroso conformado por una mezcla de
partculas slidas, lquido y gases, pero en la practica el
lquido generalmente el agua y los gases al aire; los
espacios entre estar partculas slidas estn en unos casos
llenos de agua y en otros llenos de aire o de ambos.
Siendo el aire comprensible, y el agua susceptible de fluir
dentro o fuera del suelo, la proporcin relativa de sus
componentes, vale decir slidos, agua y gases, cambian con
el tiempo y la carga que se le imponga; tambin estos
componentes a menudo forman- la base de la descripcin
cuantitativa del comportamiento del suelo.
De otro lado, el suelo generalmente posee una organizacin
ms o menos definida (por ejemplo en estratos) y propiedades
que varan rpidamente en direccin vertical-que en la
horizontal.
2. ORIGEN DE LOS SUELOS Se atribuye que los suelos proceden de dos grandes fuentes:
suelos cuyo origen es fundamentalmente el resultado de la
erosin fsica y qumica de las rocas, y suelos cuyo origen
es esencialmente orgnico.
A. SUELOS ORIGINADOS POR LA EROSIN DE LAS ROCAS
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Segn cual sean las rocas, estas inevitablemente sufren un
proceso lento de erosiones fsicas y/o qumicas.
EROSIN FSICA
Produce un fraccionamiento masivo de la roca, sin alterar su
composicin. El fraccionamiento o desintegracin mecnica de
la roca son provocados por agentes fsicos, tales como,
cambios de temperatura bruscos, heladas, tensiones de la
corteza terrestre (Sismos), aludes, deslizamientos, accin
de los seres vivos (el hombre, las plantas, los
microorganismos), accin del agua corriente (ros), vientos,
etc.
Una vez que la roca ha sido fraccionada en trozos de tamaos
variados e irregulares, merced a la accin erosiva de los
agentes de transporte, estos trozos continan en su
desmenuzamiento hasta producir las arenas y limos (como
mximo grado de fineza). La caracterstica de estos trozos y
las partculas finas es la de conservar las propiedades de
la roca madre.
De los agentes erosivos mencionados, se puntualizan los
siguientes:
Cambios de temperatura El aumento de temperatura debida a las intensas insolaciones
produce cambios de volumen en la roca. Estos cambios
volumtricos que sufre la roca son diferentes en su
superficie que en su interior, adems depende de los
minerales de los que ella est compuesta.
La diferencia de temperatura entre la superficie y su
interior, origina en la roca el fenmeno de exfoliacin, es
decir con la excesiva insolacin la roca se dilata
exteriormente ms que en su interior que permanece fro;
esto provoca esfuerzos internos paralelos a la superficie
exterior de la roca, pudiendo a su vez invertirse estos
esfuerzos en las noches frias, y con ello sobreviene la
rotura denominada exfoliacin o sea rotura en lajas o
costras. Este fenmeno ocurre principalmente en las rocas
gneas.
Accin de las heladas Indudablemente se hacen ms ostensibles en las zonas de
glaciares. La repetida congelacin del agua en las grietas o
diaclasas de la roca va ensanchando estas grietas
paulatinamente hasta llegar a fragmentarlas. Tambin el agua
al penetrar en los poros de la roca aumenta de volumen con
la helada y pulveriza a la roca.
Accin de los seres vivos Las races de algunos rboles que durante su crecimiento
logren incrustarse en las grietas de las rocas, pueden
romperlas y desplazar bloques de estas. El hombre en su afn
de hacer construcciones, viene a ser un notable destructor
de las rocas. Tambin los gusanos de tierra y otros seres
vivos contribuyen a la erosin fsica de las rocas.
Tensiones de la corteza terrestre
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Generalmente los terremotos de fuertes intensidades,
provocan grandes erosiones fsicas. Cuando las tensiones
exceden la resistencia a los esfuerzos cortantes de las
rocas que la soportan, se producen roturas a travs de
determinadas superficies.
Los terremotos entre otras cosas, puede originar aludes como
el ocurrido en el nevado huascarn( terremoto de Ancash del
31 de mayo de 1970). Este ald que moviliz millones de
metros cbicos de bloques de hielo, origin a su vez una
avalancha que sepult en escasos minutos a la hermosa ciudad
de Yungay.
Accin de la gravedad En las montaas rocosas de pendiente abruptas sin soportes
laterales, por efectos de la fuerza de gravedad aparecen
esfuerzos horizontales de traccin que pueden provocar
grietas verticales (diaclasas) y finalmente desplumarse
grandes bloques de rocas.
EROSIN QUMICA
Es el proceso mediante el cual se forma un suelo de
constitucin mineralgica distinta de la que tena la roca
madre. El ejemplo tpico de estos suelos son las arcillas.
El principal agente de la erosin qumica, es el agua . Las
reacciones qumicas que se suscitan sueles ir acompaadas de
aumento de volumen y desprendimiento de calor , las
principales reacciones qumicas son :
HIDRATACIN Consiste en la adicin de agua a un compuesto qumico para
formar un nuevo compuesto qumico por ejemplo:
La transformacin de la anhidrita en yeso:
so4ca + 2h2o so4ca.2h2o el yeso resultante tiene un volumen igual 1.61 veces de la
anhidrita.
OXIDACIN Es el fenmeno que ocurre frecuentemente en las rocas que
contienes hierro. La oxidacin esta evidenciada en los
colores rojizos y amarillentos que presentan muchos suelos ,
debido a la presencia de oxido de hierro.
CARBONATACIN El anhdrido carbnico y el agua forman el acidocarbnico
,que pueden descomponer a los minerales que contengan hierro
, calcio ,magnesio sodio o potasio es decir casi todas las
rocas gneas pueden descomponerse de esta manera.
DISOLUCIN La roca caliza es poco soluble en el agua pura, pero en
presencia del anhdrido carbnico el carbonato clcico es
disuelto lentamente en forma de bicarbonato clcico.
co3ca + co2 + h2o (co3h2)ca
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De esta manera se da lugar a la formacin de grandes grietas
y cavernas.
Simplemente el yeso es poco soluble en agua destilada y aun
en aguas duras, pero si se tarta de aguas cloruradas aumenta
la disolucin.
B. SUELOS DE ORIGEN ORGNICO Son los que se han formado como consecuencia de la
descomposicin de vegetales o como acumulacin de fragmentos
de esqueletos y de conchas de ciertos organismos. Estos
suelos casi siempre se han formado in situ sin embargo la
expresin suelosorgnicostambin se le aplican a suelos
transportados que contienen alguna cantidad de materia
animal o vegetal.
3. GRUPOS DE SUELOS En la naturaleza los suelos independientes de sus orgenes
ya descritos, pueden ser agrupados en transportados y
residuales.
A. SUELOS RESIDUALES Cuando los productos de la descomposicin de rocas o de
materiales orgnicos, permanecen aun en el mismo lugar de
origen se denominan SUELOS RESIDUALES. El espesor de estos
suelos es muy variable, pudiendo ser desde escasos metros
hasta decenas de metros, sobre todo los mayores espesores se
encuentran en zonas llanas y en rocas muy meteorizadles por
ejemplo segn el Dr. J.A Jimnez Salas los granitos de
Transvaal estn alterados hasta casi 60m y en Hong Kong
hasta 90 m . La formacin de estos suelos depende de las
condiciones climticas y el tiempo de exposicin al
intemperismo.
B. SUELOS TRANSPOTADOS
Son aquellos que se han movido del lugar de formacin para
ser trasladados, por medios de agente de transporte a otros
lugares.
Los agentes pueden ser, el viento, los ros, los
glaciares,sismos, etc.
Los suelos transportados suelen ser blando como las arcillas
normalmente consolidadas o sueltos como los suelos desiertos
conformados por arenas tipo elicas, pero tambin los suelos
fluvial aluvionalessimilares al suelos de la Gran lima
son firmes y estables. El espesor de los suelos
transportados son variables y a veces potentes como el de
Lima que segn los gelogos tiene aproximadamente 500m de
espesor.
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Los vientos por arrastres sucesivos pueden depositar
partculas de arcilla, limo y arena en zonas distantes a
centenares de kilmetros del lugar de origen. (AEOLIANOS)
Los depsitos lacustres, son generalmente de grano muy fino,
a causa de la pequea velocidad con que las aguas fluyen en
los lagos.
Los mares, generalmente forman depsitos estratificados.
(ALUVIALES)
Los glaciares, son movimientos de grandes masas de hielo que
a su paso trituran y arrastran cuanto material encuentran a
su paso. (Glaciares)
Los ros, transportan materiales de diferentes tamaos
depositndolos a lo largo de su recorrido; desde piedras
gigantes hasta materiales gruesos es frecuente encontrar en
los ros torrentosos (como los ros de la costa peruana),
mientras que los ros de pendiente suave abundan los
materiales finos (como los de la selva del Per y otro
pases)
4. PRINCIPALES TIPOS DE SUELOS
Los suelos que interesa a la Ingeniera Civil, en trminos
generales, podemos agruparlos en suelos friccionantes,
cohesivos, mixtos:
a) SUELOS FRICCIONANTES.-Provienen de la erosin fsica de las rocas, por tanto conservan las propiedades de la
roca que les dio origen. Estos suelos, al estado limpio
y puro no poseen cohesin solamente friccionan entre si,
a estos suelos en orden de tamao decreciente se les
clasifica como: rocas sueltas, boleos, cantos rodados,
gravas, arenas y limos.
ROCAS SUELTAS.-No existe una frontera definida entre rocas
y suelos sin embargo, el trnsito de roca al suelo es un
proceso, se considera a las rocas sueltas como suelo.
En general estos suelos provienen del acarreo de bloques
de rocas sueltas por las aguas de los ros y glaciares. La
intensidad del erosin mecnica sufrida en el arrastre
determina la forma de estas piedras, que pueden ser
angulares, redondeadas, cbicas o en lajas. Sus
dimensiones son variables (aproximadamente de 1/2 m a
mas). Estos suelos son inestables sobre todo cuando son
acumulaciones de grandes trozos de piedras y depositados
en laderas abruptas. Este tipo de suelos es frecuente
encontrar en algunos valles interandinos de nuestro pas,
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tal es el caso de las laderas del valle Sayn Churn -
Oyn.
BOLEOS Y BLOQUES.-Son suelos conformados por piedras de
forma de variables, desde los redondeados hasta los
angulosos. Sus dimensiones pueden oscilar desde los 30.5
cm a ms.
CANTOS RODADOS.-Son suelos que provienen de pequeas
piedras que han sido rodados por accin de las aguas de
los ros o por el oleaje de las aguas del mar sus
dimensiones varan entre 7.6 cm y 30.5 cm.
GRAVAS.-Denominados tambin de ripios, son agregados sin
cohesin de fragmentos angulares o redondeados. Estos
suelos son tpicamente arrastrados por los ros y en su
avance se van desmenuzando por abrasin, pulindose
parcialmente. Sus dimensiones varan entre 4.76 mm y 7.6
cm.
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ARENAS.-Todo suelo sin cohesin, cuando provienen de un
transporte fluvial son generalmente de granulometra
heterognea. En la prctica de la ingeniera civil se
conocen como agregados finos. Al tacto son frecuentemente
rugosos salvo las arenas muy finas que tienen rugosidad a
apenas perceptible. Sus dimensiones oscilan entre 0.074 mm
y 4.76 mm.
SUELOS SALINOS.-Son aquellos que poseen una elevada
proporcin de sales, tales como el sodio, calcio, magnesio
y aluminio, que tiene la propiedad de ser absorbidos en la
superficie de las partculas del suelo. Los suelos salinos
son muy plsticos y pesados por sus arcillas sdicas. Son
impermeables y muy comprensibles. Generalmente estos
suelos estn formados por sedimentacin en aguas salinas.
SUELOS YESOSOS.-Slo aquellos que tienen elevada
proporcin de yeso. Estos suelos son plsticos y
susceptibles de disolver el agua. Son agresivos al
hormign, al extremo que pueden destruir las estructuras
de ste por absorcin del agua que el hormign contiene.
SUELOS SULFATADOS.-En este tipo de suelos los sulfatos que
se encuentran son de calcio, sodio y magnesio. Los
sulfatos solubles en el agua pueden desintegrar, tuberas
de hormign y aun producir la corrosin de tuberas
metlicas que estn en contacto con este tipo de suelo. En
la naturaleza en sulfato de calcio es ms abundante pero
menos soluble, en cambio los sulfatos de estudio y
magnesio se encuentran en menor proporcin pero tambin
son ms peligrosos Por su gran solubilidad.
TABLA N 9
TAMAOS DE AGREGADOS SEGN A.S.T.M - A.S.C.E
Nombre
Tamao
Boleo 12 pulg. (30.48 cm.) ms.
Canto rodado 3 pulg. (7.6 cm) a 12 pulg.
(30.48 cm).
Grava gruesa pulg. (1.9 cm) a 3 pulg.
(7.6 cm).
Grava fina T. N4 (4.76 cm) a pulg.
(1.9cm).
Arena gruesa T. N10 (2 mm) a T. N4 (4.76
cm).
Arena media T. N40 (0.42 mm) a T. N10
(2 mm).
Arena fina T. N200 (0.074 mm) a T. N40
(0.42 mm).
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LIMOS.-Son suelos de grano con poca o nada de plasticidad.
Al tacto dan la sensacin de talco o harina. Se distinguen
dos tipos de limos: Inorgnico y orgnico.
Limos Inorgnicos, generalmente no tienen plasticidad , pero si los tuviera es debido a que contienen un
porcentaje apreciable de partculas en forma de
escamas, por lo que, algunas veces se confunden con
arcillas de baja plasticidad, pero se puede determinar
fcilmente, segn Terzagui, por el ensayo de
sacudimiento que consiste en vibrar en la palma de
la mano una pasta de limo inorgnico saturado, la pasta
expele suficiente agua como para producir una
superficie brillante y si la pasta es posteriormente
remoldeado entre los dedos, se vuelve nuevamente opaca.
Los limos al estado denso son relativamente
impermeables. Tienen el aspecto de polvo, por eso se
le conoce tambin como polvo de roca o suelo
pulverulento como lo denominan los franceses. Una
pasta de limo inorgnico despus del secado es frgil.
Los limos son difciles de compactar. Son susceptibles
de licuefactarse y tambin hincharse por la helada.
Limos Orgnicos, son suelos ligeramente plsticos. Generalmente las partculas de material orgnico estn
finamente divididas, pero a veces tambin presenta
fragmentos visibles de material vegetal parcialmente
descompuesto o de otros elementos orgnicos. Estos
limos tienen colores que varan de gris a gris muy
oscuro, y pueden contener cantidades apreciables de
sulfuro de hidrogeno (H2S), anhdrido carbnico (CO2) y
de otros producto gaseosos originados de la
descomposicin de la materia orgnica, lo que les da un
olor caracterstico. Los limos orgnicos tienen baja
permeabilidad y alta compresibilidad.
b) SUELOS COHESIVOS.-Como se dijo anteriormente, estos suelos previenen de la descomposicin qumica de las
rocas y tambin devienen de rigen orgnico. Este tipo de
suelo est caracterizado por una gama de arcillas.
Arcillas: Son suelos de partculas microscpicas y ultramicroscpicas. Las arcillas son raras y la mayora
de las veces estn mezcladas en especial con limos muy
finos. La composicin qumica de las arcillas es muy
variada, por lo que es preferible dedicar un capitulo
que aparte para tratar sobre la fsica-qumica de las
arcillas. En su estado hmedo la arcilla se pega a las
manos y tambin al tacto de una sensacin jabonosa. La
permeabilidad es muy baja. Entre las caractersticas
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ms saltantes de las arcillas, se consignan las
siguientes:
Son difciles de compactar cuando estn hmedas.
Cuando las arcillas son duras o rgidas no pueden ser moldeadas con los dedos y no pueden excavarse sin la
ayuda de un pico o barreta, pues estas arcillas han
sido comprimidas hasta tener un bajo contenido de
humedad.
Son llamadas arcillas suaves o blandas cuando pueden ser fcilmente moldeadas con los dedos y pueden
excavarse simplemente con palos, adems su esfuerzo al
corte es bajo.
Son caractersticas de algunas arcillas, las grandes expansiones y contracciones que sufren en funcin de su
contenido de humedad. Cuando mayos sea el Limite de
liquido (L.L.) de una arcila ser mayor de su
compresibilidad. Para el caso de arcillas que tienen el
mismo limite liquido, mientras mas alto sea el ndice
plsticos (1p), la arcillas ser cohesiva.
En las arcillas de alta sensibilidad, segn sowers la humedad excede su lmite de lquido (L.L).
Las arcillas orgnicas, son bastantes ms comprensibles y menos estables que las arcillas inorgnicas.
Las arcillas lacustres son originalmente muy blandas y comprensibles, adems difciles de manejar.
Las arcillas esquistosas, son una transicin de arcilla a pizarra, razn por la que se les considera como roca,
pero cuando es expuesta al aire o tiene ocasin de
recibir agua, se descompone rpidamente.
Marga: Esta denominacin se suele dar a las arcillas marinas y lacustres mezcladas con carbonato de clcico
ntimamente repartidos. La proporcin de estos
componentes son variables. Generalmente estas arcillas
son compactas y de color verdoso
Bentonita: Son arcillas del tipo coloidal con un alto
contenido de motmorillonita. Las bentonitas provienen
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generalmente de la alteracin qumica de cenizas
volcnicas. En contacto con el agua las bentonitas se
expanden considerablemente.Como aplicacin de trabajos
en ingeniera civil, las bentonitas mezcladas con agua
forman el denominado el lodo bentonitico. Este lodo
previamente diseado, se utiliza para la excavacin de
zanjas, perforacin de pozos petrolferos, etc.
Caoln: Es una arcilla blanca o rozada de baja
plasticidad, est compuesta en gran porcentaje de
minerales de la familia caolinita. Se utiliza en la
fabricacin de la porcelana.
c) SUELOS MIXTOS.- Al margen de la existencia de los suelos descritos. Sin cohesin (friccionantes) y
cohesivos, existen tambin otros tipos de suelos que
participan a la ves de las propiedades friccionantes y
cohesivas. De estos suelos se mencionan los siguientes.
Morrenas: Son depsitos glaciares no estratificados y estn compuestas de una mezcla heterognea de arcillas,
limos, arenas, gravas, cantos rodados y piedra de
diferentes tamaos. Las morrenas terminales son
colinas bajas irregulares formadas por el empuje de las
capas de hielo. El suelo morrenico abunda en la tierra
peruana, generalmente por encima de los 3,500 m.s.n.m.
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Caliche: Son suelos predominantes friccionantes finos
cementados con carbonato calcreos. El caliche se
encuentra hacia la superficie en capas moderadamente
pequeas, que pueden varan de centmetros hasta
algunos metros. Su formacin es en zonas ridas y
semiridas. Segn Sowers el carbonato calcreo se
deposita por la evaporacin del agua subterrnea que
llega hacia la superficie por accin capilar. En
nuestro pas, se encuentra generalmente en zonas
desrticas de la costa.
Turba: Son suelos fibrosos procedentes de la
descomposicin de los materiales orgnicos y tambin
producto de transicin entre los vegetales y carbn de
hulla. En general la turba es de color castao oscuro a
negro. Es sumamente compresible, por tanto, inadecuada
para todo propsito de ingeniera civil. Su
comportamiento, tal vez exagerando un poco, es similar
a la de una esponja, ya que a la accin de esfuerzos
aplicados se deforma considerablemente y cuando se les
libera de estos esfuerzos se recupera parcialmente. La
turba en nuestro pas, se presenta en zonas pantanosas
de la costa, sierra y selva. En lengua quechua se le
conoce bajo el nombre de champa, cuando estn secas
flotan y a menudo el campesino de la sierra peruana
utiliza como combustible y tambin para construir sus
viviendas precarias.
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Suelos de Diatomeas: Son depsitos de limos que
contienen gran cantidad de diatomeas, que son
esqueletos silcicos de organismos diminutos. Las
diatomeas son un grupo de algas unicelulares
microscpicas de origen marino o de agua dulce. Los
suelos de diatomeas, llamados tambin diatomceas, son
generalmente de color blanco. Este tipo de suelo se
presenta en la margen izquierda del Rio Pisco, prximo
a la carretera Panamericana sur (inmediatamente
Huamani).
Tufos: Son depsitos de agregados finos de minerales y fragmentos de roca muy pequea, arrojadas por los
volcanes durante las erupciones y que han sido
transportados por el viento o por el agua,
constituyendo as las cenizas volcnicas. Este suelo de
cenizas volcnicas se encuentra desparramados en los
cerros que circundan a la gran campia arequipea.Estas
cenizas volcnicas en los climas hmedos o en zonas en
las que las cenizas sedepositan en el agua se cementan
formando una roca blanda y porosa, tomando en este caso
el nombre de toba.
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Lateritas: Son suelos residuales formados en regiones
tropicales. La accin cementante de los xidos de
hierro y de los xidos de aluminio hidratados, hacen
que las lateritas sean fuertemente duras. El color
caracterstico de las lateritas es rojizo-ladrillo,
generalmente este tipo de suelo se encuentra en la
selva peruana por ejemplo en Iquitos.
Loess: son suelos arenosos o limosos elicos uniformes
y cohesivos. Posee cohesin debido a la presencia de un
cementante como el carbonato de calcio u xido de
hierro. Tiene una estructura floja con numerosos
agujeros de races extinguidas que producen una
exfoliacin vertical y una permeabilidad alta en
sentido vertical. El cementante no llega a rellenar
todos los poros de este suelo loesico, por eso es
erosionable aun por el viento y con mucha mayor razn
por el agua que al saturarla, el cementante que
mantiene la adherencia entre las partculas se
disuelve, entonces este suelo se vuelve blando y
compresible. Al estado natural los loess pueden
mantenerse con taludes muy empinados. En estos
depsitos la erosin puede tallar tajos profundos de 30
metros a mas, cuyas paredes se mantienen casi vertical
debido a la cohesin y a su poco peso volumtrico. Este
suelo se encuentra en la China y Argentina; en nuestro
pas no, no se ha detectado. Su color predominantemente
pardo claro.
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II. RELACIONES VOLUMETRICAS Y GRANULOMETRICAS DE LOS SUELOS
SUELO
El suelo es un material constituido por el esqueleto de
partculas slidas rodeado por espacios libres (vacos), en
general ocupados por agua y aire. Para poder describir
completamente las caractersticas de un depsito de suelo es
necesario expresar las distintas composiciones de slido,
lquido y aire, en trminos de algunas propiedades fsicas.
Fases del suelo
En un suelo se distinguen tres fases constituyentes: la
slida, la lquida y la gaseosa.
La fase slida est formada por las partculas minerales del
suelo (incluyendo la capa slida adsorbida).
La lquida por el agua (libre, especficamente), aunque en
los suelos pueden existir otros lquidos de menos
significacin.
La fase gaseosa comprende sobre todo el aire, si bien pueden
estar presentes otros gases (vapores sulfurosos, anhdrido
carbnico, etc.).
-
Vm = Volumen total de la muestra de suelo
Vs = Volumen de la fase slida de la muestra
Vv = Volumen de los vacos de la muestra de suelo
Vw = Volumen de la fase slida contenida en la muestra
Va = Volumen de la fase gaseosa de la muestra
Wm = Peso total de la muestra del suelo
Ws = Peso de la fase slida de la muestra de suelo
Ww = Peso de la fase lquida de la muestra
Wa = Peso de la fase gaseosa de la muestra. RELACIONES DE PESOS Y VOLUMENES
En el curso se relaciona el peso de las distintas fases con
sus volmenes correspondientes, por medio del concepto de
peso especfico, es decir de la relacin entre el peso de la
sustancia y su volumen.
=
Se distinguen los siguientes pesos especficos:
1. Peso especfico de la masa del suelo. Por definicin se
tiene:
=
= +
2. Peso especfico de la fase slida del suelo.
=
El peso especfico relativo se define como la relacin entre
el peso especfico de una sustancia y el peso especfico del
agua, destilada y sujeta a una atmsfera de presin.
-
3. Peso especfico relativo de la masa del suelo. Por
definicin:
=
=
4. Peso especfico relativo de la fase slida del suelo, para
el cual se tiene
=
=
Peso Especfico relativo de las partculas ms importantes de
los suelos
Aragonito 2.94
Atapulgita 2.3
Augita 3.20-3.4
Biotita 2.80-3.2
Calcita 3.72
Caolinita 2.60-2.64
Clorita 2.60-3.00
Cuarzo 2.64-2.65
Dolomita 2.80-290
Mematica
hidratada 4.3
Hornablenda 3.20-3.50
Lilita 2.60-2.86
Limonita 3.60-4.00
Magnetita 4.97-5.18
Montmorillonita 2.65-2.84
Moscovita 2.70-3.10
Ortosa 2.50-2.62
Serpentina 2.10-2.70
Talco 2.70-2.80
Turba 1.10-2.70
Hematitas 5.20-5.30
Yeso 2.31-2.3
RELACIONES FUNDAMENTALES
Las relaciones que se dan son importantes, para el manejo
comprensible de las propiedades mecnicas de los suelos y un
completo dominio de su significado y sentido fsico; es
-
imprescindible para poder expresar en forma asequible los
datos y conclusiones de la Mecnica de suelos.
a) RELACIN DE VACOS, Oquedad o ndice de poros a la
relacin entre el volumen de los vacos y el de los slidos
de un suelo:
=
En la prctica no suelen hallarse valores menores de 0.25
(arenas muy compactas con finos) ni mayores de 15, en el caso
de algunas arcillas altamente comprensibles.
b) POROSIDAD de un suelo a la relacin entre su volumen de
vacos y el volumen de su masa. Se expresa como porcentaje:
(%) =
100
Esta relacin puede variar de 0 (en un suelo ideal con slo
fase slida) a 100 (espacio vaco). Los valores reales suelen
oscilar entre 20% y 95%.
c) GRADO DE SATURACIN de un suelo a la relacin entre su
volumen de agua y el volumen de sus vacos. Suele expresarse
tambin como un porcentaje:
(%) =
100
Vara de 0 (suelo seco) a 100% (suelo totalmente saturado).
d) CONTENIDO DE AGUA O HUMEDAD a un suelo, la relacin entre
el peso de agua contenida en el mismo y el peso de fase
slida. Suele expresarse como un porcentaje:
(%) =
100
CORRELACIN ENTRE LA RELACIN DE VACOS Y LA POROSIDAD
=
1 +
=
1
-
PESO ESPECIFICO SECO Y SATURADO
El primero es un valor particular de para el cas en que el grado de saturacin del suelo sea nulo:
=
El peso especifico saturado es el valor de cuando =100%
. = +
SUELOS SATURADOS
Se dice que un suelo es totalmente saturado cuando todos sus
vacos estn ocupados por agua. Un suelo en tal circunstancia
consta, como caso particular, de slo dos fases, la slida y
la lquida. Muchos suelos yacentes bajo el nivel fretico son
totalmente saturados.
-
RELACIONADO CON LA PROPORCIN DE VACIOS
e =Vv
Vs ; hacemos Vs=1
Entonces: Vv=e
Ss =s
o=
Ws
Vso ; donde: Ws=VsSso = Sso
-
Hallando las relaciones importantes:
A) PESO ESPECFICO DE LA MUESTRA:
= +
1 + = (
+
1 + )
B) PESO ESPECIFICO RELATIVO DE LA MUESTRA:
=
= +
1 +
C) CONTENIDO DE HUMEDAD:
=
=
=
RELACIONADO CON LA PROPORCIN DE VACIOS
=
;hacemos = 1
Donde: =
=
=
;entonces = (1 )
Hallando las relaciones importantes:
A) PESO ESPECFICO DE LA MUESTRA:
= + (1 )
1= [ + (1 )]
-
B) PESO ESPECIFICO RELATIVO DE LA MUESTRA:
=
= + (1 )
C) CONTENIDO DE HUMEDAD:
=
=
(1 )
=
(1 )
RELACIONADO CON EL CONTENIDO DE HUMEDAD:
=WW
WSHacemos: WS =
Donde: =
=
=
entonces =
1
Hallando las relaciones importantes:
A) PESO ESPECFICO DE LA MUESTRA:
= + 1 (+1)
=(1 + )
1 +
B) PESO ESPECIFICO RELATIVO DE LA MUESTRA:
=
=(1 + )
1 +
C) PESO ESPECIFICIO APARENTE:
-
=1
(+1)
=
+1
SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS
* RELACIONADOS CON LA PROPORCIN DE VACIOS:
=
; hacemos =1
Entonces: =e
=
=
; donde: = =
=WW
WS=
WW
; donde: WW =
Hallando las relaciones importantes:
A) PESO ESPECFICO DE LA MUESTRA:
= +
1 + = (
1 +
1 + )
B) PESO ESPECIFICO RELATIVO DE LA MUESTRA:
=
= (1 +
1 + )
C)GRADO DE SATURACIN:
=
=
SUELOS SUMERGIDOS
Atencin especial debe darse al calculo de pesos
especficos de suelos situados bajo el nivel fretico. En
tal caso, el empuje hidrosttico ejerce influencia en los
pesos, tanto especficos como especficos relativos.
-
El peso especifico relativo de la materia slida sumergida
vale
= 1
Pues el empuje hidrosttico neto es el peso en agua del
volumen desalojado por los solidos.
= 1
Los pesos especficos correspondientes son :
= =
= =
Puede obtenerse, teniendo en cuenta las formulas
anteriores, que:
= 1
1 + =
1
1 +
Y tambin
= 1
-
II UNIDAD: CARACTERISTICAS DE LAS
PARTICULAS Y GRANULOMETRIA DE LOS
SUELOS. PLASTICIDAD.
III. ESTRUCTURACION Y GRANULOMETRIA DE SUELOS.
1. FORMA
La forma de las partculas de los minerales de un suelo es de
importancia para el comportamiento mecnico de ste.
Un suelo grueso presenta una forma equidimensional, en la
cual las tres dimensiones son de magnitud comparable. Se
origina por la accin de los agentes mecnicos
desintegradores y slo excepcionalmente corresponde a
partculas que han sufrido ataque qumico. Segn su
intensidad y lapso con que los agentes mecnicos han actuado,
producen variedades en la forma equidimensional, las cuales
son las redondeadas, las subrendondeadas, las subangulosas y
angulosas, en escala decreciente por el efecto de ataques de
agentes desintegradores. La forma redonda es prcticamente la
esfrica, la angulosa presenta aristas y vrtices aduzos
(ejemplo la piedra triturada). Cuando los vrtices y aristas
estn redondeados por l efecto del rodado y abrasin mecnica
se presenta la forma subangulosa y ste por el efecto ms
intenso de la erosin deviene las subredondeada final. La
forma angulosa se encuentra en las arenas residuales y en las
arenas volcnicas como partculas cristalizadas. La arena
marina tambin forma parte de las angulosas. La forma
redondeada se ubica en arena de ro y en algunas formaciones
de las playas. La arena elica es de grano fino y redondeado.
En los suelos finos las formas de las partculas tienden a
ser aplastadas, los minerales de arcillas, en su mayora son
de forma laminar; como excepcin en algunos minerales son de
forma acicular. A cada una de las mencionadas les corresponde
una diferente relacin de volumen y rea, y por lo tanto una
distinta actividad superficial, en lo que se refiere a la
absorcin. La partcula de forma laminar tiene dos
dimensiones mucho ms que la tercera; en la forma acicular
una de las dimensiones es mucho ms que las otras dos.
La forma laminar es mucho ms frecuentes en las arcillas. La
forma acicular es ms rara en otros minerales.
-
2. ESTRUCTURA DE LOS SUELOS
Estas son las disposiciones que adoptan las partculas
minerales para dar lugar al conjunto llamado suelo. Cabe
resaltar que un suelo no es un agregado desprovisto de
organizacin, al contrario sus partculas se disponen siempre
en forma organizada, siguiendo algunas leyes fijas y segn la
accin de fuerzas naturales susceptibles de anlisis.
En los suelos formados por partculas relativamente grandes
(gravas y arenas) las fuerzas que intervienen para formar la
estructura son conocidas y sus efectos son relativamente
simples de calificar, adems de ser verificable a simple
vista. Lo contrario ocurre en los suelos formados por
partculas muy pequeas (limos y arcillas), las fuerzas que
intervienen en los procesos de estructuracin son de un
carcter complejo y las estructuras resultantes son
parcialmente verificables por mtodos indirectos,
relativamente complicados y aun en plena etapa de desarrollo.
a) Estructura simple:
Es aquella producida cuando las fuerzas debidas al campo
gravitacional terrestre son claramente predominantes en
la disposicin de las partculas. Esta es tpica en
suelos de grano grueso (gravas y arenas limpias). Las
partculas se disponen apoyndose directamente unas a
otras y cada partcula posee varios puntos de apoyo.
El comportamiento mecnico e hidrulico de un suelo de
estructura simple est definido por su compacidad del
manto y la orientacin de sus partculas.
La compacidad refiere al grado de acomodo alcanzado por
las partculas del suelo, dejando ms o menos vacos
entre ellas. El suelo ms compacto y el ms denso tiene
las siguientes caractersticas:
Estado ms compacto n=26% ; e=0.35
Estado ms suelto n=47.6% ; e=0.91
(%) =
.
= Relacin de vacos correspondiente al estado ms suelto del suelo.
= relacin de vacos correspondiente al estado ms compacto del mismo
-
= relacin de vacos de la muestra en estado natural.
b) Estructura panaloide:
Estructura tpica en granos de pequeo tamao (0.002 mm
de dimetro o algo menos), que se depositan en un medio
continuo, normalmente agua y, en ocasiones aire.
La gravitacin ejerce un efecto que hace que tiendan a
sedimentarse, pero dada su pequea masa, otras fuerzas
naturales pueden hacerse de magnitud comparable; si la
partcula antes de llegar del depsito, toca a otra
partcula ya depositada, la fuerza de adherencia
desarrollada entre ambas, puede neutralizar al peso,
haciendo que la partcula quede detenida antes de
completar su carrera; otra partcula puede aadirse
ahora y el conjunto de ellas podr llegar a formar una
celda, con cantidad importante de vacos, a modo de
panal.
c) Estructura floculenta:
Se da cuando dos partculas de dimetros menores de 0.02
mm llegan a tocarse, se adhieren con fuerza y se
sedimentan juntas, otras partculas pueden unirse al
grupo, formando un grumo, con la estructura tambin
similar a un panal. Cuando estos grumos llegan al fondo
forma a su vez panales, cuyas bvedas no estn ya
formadas por partculas individuales, sino por los
grumos mencionados. El mecanismo anterior produce una
estructura muy blanda y suelta, con gran volumen de
vacos, la cual es llamada floculenta y a veces
panaloide de orden superior.
-
d) Estructura compuesta:
En estas formaciones se define un esqueleto constituido
por los granos gruesos y por masas coloidales de
flculos que proporcionan nexo entre ellos.
Esta estructura se ha formado en condiciones que
permiten la sedimentacin de partculas gruesas y finas
simultneamente; esto ocurre frecuentemente en agua de
mar o lagos, con contenido de sales apreciable, donde el
efecto floculante de las sales coexiste con el arrastre
de vientos, corrientes de agua, etc.
e) Estructura de castillo de naipes :
Si bien la partcula de suelo posee carga negativa,
parece cierto que en sus aristas
existe una concentracin de carga
positiva que hace que esa zona
localizada se atraiga con la
superficie de cualquier partcula
vecina. Considerando esto, los
investigadores han puesto para las
arcillas una estructura denominada
en castillo de naipes o
floculada.
f) Estructura dispersa: Las perturbaciones que existe, como deformaciones por
esfuerzos cortantes, tienden a disminuir los ngulos
entre las diferentes laminas del material, debido a
esto actan entre las partculas presiones osmticas
inversamente proporcionales al espaciamiento entre
ellas. Estas presiones tienden a hacer que las
partculas se separen y adopten una posicin tal como
la mostrada en la figura.
-
IV. GRANULOMETRA EN SUELOS
En los comienzos de la investigacin de las propiedades de
los suelos se crey que las propiedades mecnicas dependan
directamente de la distribucin de las partculas
constituyentes segn sus tamaos; por ello era preocupacin
especial de los ingenieros la bsqueda de mtodos adecuados
para obtener tal distribucin. An hoy, tal parece que todo
tcnico interesado en suelos debe pasar a modo de etapa de
iniciacin, por una poca en que se siente obligado a creer
que, con suficiente experiencia, es posible deducir las
propiedades mecnicas de los suelos a partir de su
distribucin granulomtrica o descripcin por tamao; es
comn, sin embargo, que una no muy dilatada experiencia
haga que tal sueo se desvanezca.
Solamente en suelos gruesos, cuya granulometra puede
determinarse por mallas, la distribucin por tamaos puede
revelar algo de lo referente a las propiedades fsicas del
material; en efecto, la experiencia indica que los suelos
gruesos bien graduados, o sea con amplia gama de tamaos,
tienen comportamiento ingenieril ms favorable, en lo que
atae a algunas propiedades importantes, que los suelos de
granulometra muy uniforme; en captulos posteriores, habr
ocasin de resaltar este punto.
Ms aun en esos suelos gruesos, ha de sealarse, segn ya
se dijo, que el comportamiento mecnico e hidrulico esta
principalmente definido por la compacidad de los granos y
su orientacin, caractersticas que destruye, por la misma
manera de realizarse, la prueba de granulometra, de modo
que en sus resultados finales se ha tenido que perder toda
huella de aquellas propiedades tan decisivas. De esto se
desprende lo muy deseable sera poder hacer una
investigacin granulomtrica con un mtodo tal que
respetara la estructuracin inalterada del material; este
mtodo sin embargo, hasta hoy no se ha encontrado y todo
parece indicar que no se podr desarrollar jams.
En suelos finos en estado inalterado, las propiedades
mecnicas e hidrulicas dependen en tal grado de su
estructuracin e historia geolgica, que el conocimiento de
su granulometra, resulta totalmente intil.
Sim embargo, el ingeniero interesado en suelos debe estar
suficientemente familiarizado con los criterios tcnicos
basados en la distribucin granulomtrica y con los mtodos
ms importantes para su determinacin, pues estos temas
ocupan an un espacio apreciable dentro de la literatura
tcnica y se hace necesario al ingeniero moderno estar ms
informado sobre esta materia que aquellos que, sin la
conveniente meditacin de sus ideas, aplican normas
simplistas, conducentes a conclusiones inaceptables.
-
2 0.6 0.2 0.06 0.02 0.006 0.002 0.0006 0.0002
1. SISTEMAS DE CLASIFICACIN DE SUELOS BASADOS EN CRITERIOS DE GRANULOMETRA
Los lmites de tamao de las partculas que constituyen un
suelo, ofrecen un criterio obvio para una clasificacin
descriptiva del mismo.
Tal criterio fue usado en Mecnica de suelos desde un
principio e incluso antes de la etapa moderna de esta
ciencia. Originalmente, el suelo se divida nicamente en
tres o cuatro fracciones debido a lo engorroso de los
procedimientos disponibles de separacin por tamaos.
Posteriormente, con el advenimiento de la tcnica del
cribado, fue posible efectuar el trazo de curvas
granulomtricas, contando con agrupaciones de las
partculas del suelo en mayor nmero de tamaos diferentes.
Actualmente se pueden ampliar notablemente las curvas en
los tamaos finos, gracias a la aplicacin de tcnicas de
anlisis de suspensiones.
Algunas clasificaciones granulomtricas de los suelos segn
sus tamaos, son las siguientes:
a) Clasificacin Internacional
Basada en otra desarrollada en Suecia.
Tamao en mm
2 0.2 0.02 0.002 0.0002
Arena
Gruesa
Arena Fina Limo Arcilla Ultra-
Arcilla
(Coloides)
b) Clasificacin M.I.T.
Fue propuesta por G. Gilboy y adoptada por el
Massachusetts Institute of Technology.
Tamao en mm
C) La siguiente clasificacin, utilizada a partir de 1936
en Alemania, est basada en una proposicin original de
kopecky.
Gruesa Media Fina Grueso Medio Fino Gruesa Media Fina
ARENA LIMO ARCILLA
-
Debajo de 0.00002 mm las partculas constituyen disoluciones
verdaderas y ya no se depositan.
Con frecuencia se han usado otros tipos de clasificacin,
destacando el mtodo grfico del PublicRoadsAdministration de
los
Estados Unidos, pero su inters es hoy menor cada vez, por lo
cual se considera que las clasificaciones sealadas son
suficientes para dar idea del mecanismo utilizado en su
elaboracin.
Puede notarse que las clasificaciones anteriores y otras
existentes se contradicen en ocasiones, y a un intervalo que
se nombra de una manera en una clasificacin, le corresponde
otra palabra en otro sistema. Pero sin duda, la objecin ms
importante que puede hacerse a estos sistemas es el uso que
hacen de las palabras limo y arcilla para designar fracciones
de suelo definidas; la razn por la que estos nombres se
introdujeron para ciertas fracciones de tamaos fue la idea
errnea de que tales tamaos eran la causa de aquellas
caractersticas tpicas.
Sin embargo, hoy se sabe que las caractersticas de una
arcilla tpica se deben en forma muy preponderante a las
propiedades de su fraccin ms fina.
Un suelo formado por partculas de cuarzo del tamao de las
arcillas o un depsito sito natural de harina de roca de la
misma graduacin, tendra que clasificarse como 100% de
arcilla, a pesar de que el conjunto no presenta ninguna de
las propiedades que definen el comportamiento de ese
material, Por otra parte, un suelo de comportamiento
MATERIAL CARACTERSTICA TAMAO (mm)
Piedra - - - - - -
Mayor de 70 mm
Grava
Gruesa 30 a 70
Media 5 a 30
Fina 2 a 5
Arena
Gruesa 1 a 2
Media 0.2 a 1
Fina 0.1 a 0.2
Polvo Grueso 0.05 a 0.1
Fino 0.02 a 0.05
Limo Grueso 0.006 a 0.02
Fino 0.002 a 0.006
Arcilla Gruesa 0.0006 a 0.002
Fina 0.0002 a 0.0006
Ultra
Arcilla
- - - - - -
0.00002 a 0.002
-
tpicamente arcilloso, de un 20% de arcilla, segn el
criterio granulomtrico.
En lo sucedido, los trminos limo y arcilla se emplearn
nicamente para designar tipos de suelo, recurriendo a la
mencin especfica de un tamao de partcula cuando se
requiera designar cierta fraccin granulomtrica.
3. REPRESENTACIN DE LA DISTRIBUCIN GRANULOMTRICA
Siempre que se cuente con suficiente nmero de puntos, la
representacin grfica de la distribucin granulomtrica debe
estimarse preferible a la numrica en tablas.
A) Arena muy uniforme, de Ciudad Cuauhtmoc, Mxico. B) Suelo bien graduado, Puebla, Mxico. C) Arcilla del Valle de Mxico (curva obtenida con
hidrmetro).
D) Arcilla del Valle de Mxico (curva obtenida con hidrmetro).
La grfica granulomtrica suele dibujarse con porcentajes
como ordenadas y tamaos de las partculas como abscisas. Las
ordenadas se refieren a porcentaje, en peso, de las
partculas menores que el tamao correspondiente. La
representacin en escala semilogartmica (el eje de abscisas
en escala logartmica) resulta preferible a la simple
representacin natural, pues en la primera se dispone de
mayor amplitud en los tamaos finos y muy finos, que en la
escala natural resultan muy comprimidos, usando en mdulo
prctico de escala.
La forma de la curva da inmediata idea de la distribucin
granulomtrica del suelo; un suelo constituido por partculas
de un solo tamao, estar representado por una lnea vertical
(pues el 100 % de sus partculas, en peso, es de menor tamao
que cualquiera mayor que el que el suelo posea una curva muy
-
tendida indica gran variedad en tamaos (suelo bien
graduado).
En la fig. V.1 se muestran algunas curvas granulomtricas
reales. Como una medida simple de la uniformidad de un suelo,
Allen Hazen propuso el coeficiente de uniformidad.
=6010
Donde:
60 : Tamao tal, que el 60%, en peso, del suelo, sea igual o menor.
10 : Llamado por Hazen dimetro efectivo; es el tamao tal que sea igual o mayor que el 10%, en peso, del suelo.
En realidad, la relacin anterior es un coeficiente de no
uniformidad, pues su valor numrico decrece cuando la
uniformidad aumenta. Los suelos con
-
El rea bajo
el
Histograma es 100, por representar la totalidad de las
partculas del suelo. En la figura anterior aparece un
histograma de un suelo en el que predominan partculas de
tamao prximo a 1mm.
Los valores ms altos del histograma corresponden a zonas muy
verticales de la curva acumulativa primeramente vista y los
valores ms bajos a zonas con tendencia a la horizontalidad.
Actualmente el uso de histogramas no est muy extendido en
los laboratorios.
Tambin se han representado las curvas granulomtricas en la
escala doblemente logartmica, con la ventaja, para algunos
usos, de que en este caso la forma de las curvas se acerca
notablemente a una lnea recta, en muchos suelos naturales.
4. ANLISIS MECNICO
Bajo este ttulo general se comprenden todos los mtodos para
la separacin de un suelo en diferentes fracciones, segn sus
tamaos. De tales mtodos existen dos que merecen atencin
especial: el cribado por mallas y el anlisis de una
suspensin del suelo con hidrmetro (densmetro).
El primero se usa para obtener fracciones correspondientes a
los tamaos mayores del suelo; generalmente se llega as
hasta el tamao correspondiente a la malla N 200 (0.074 mm).
La muestra de suelo se hace pasar sucesivamente a travs de
un juego de tamices de aberturas descendientes, hasta la
malla N 200; los retenidos en cada malla se pesan y el
porcentaje que representan con respecto al peso de la muestra
total se suma a los porcentajes que representan retenidos en
todas las mallas de mayor tamao; el complemento a 100% de
esa cantidad da el porcentaje de suelo que es mayor que el
tamao representado por la malla en cuestin.
-
As puede tenerse un punto de la curva acumulativa
correspondiendo a cada abertura. El mtodo se dificulta
cuando aberturas son pequeas y por ejemplo, el calibrado a
travs de las mallas N 100(0.149 mm) y N 200(0.074 mm)
suele requerir agua para ayudar el paso de la muestra
(procediendo de lavado).
Los tamaos menores del suelo exigen una investigacin en
estos principios. El mtodo del hidrmetro (densmetro) es
hoy, quiz, el de uso ms extendido y el nico que se ver
con cierto grado de detalle. Como todos los de este grupo, el
mtodo se basa en el hecho de que la velocidad de
sedimentacin de partculas de un lquido es funcin de su
tamao. El mtodo fue propuesto independientemente por
Goldschmidt en Noruega (1926) y por Bouyoucos en los Estados
Unidos (1927).
La ley fundamental de que se hace uso en el procedimiento de
hidrmetro es debida a Stokes y proporciona una relacin
entre la velocidad de sedimentacin de las partculas del
suelo en un fluido y el tamao de esas partculas.
-
Esta relacin puede establecerse empricamente, haciendo
observaciones con microscopio o bien por procedimientos
tericos. Siguiendo estos ltimos G. G. Stokes, en 1850,
obtuvo una relacin aplicable a una esfera que caiga en un
fluido homogneo de extensin infinita. Aun con esta
limitacin importante (pues las partculas reales de suelo se
apartan muchsimo de la forma esfrica) la ley de Stokes es
preferible a las observaciones empricas. Aplicando esa ley
se obtiene el dimetro equivalente de la partcula, que es
dimetro de una esfera, del mismo Ss que el suelo, que se
sedimenta con la misma velocidad que la partcula real; en
partculas equidimencionales, este dimetro es
aproximadamente igual al medio dimetro real, pero en
partculas laminares el dimetro real puede ser hasta el
cudruple del equivalente; cabe anotar que en partculas muy
finas, esta forma es la ms frecuente. Esta es una razn ms
para que dos curvas granulomtricas iguales, correspondientes
a dos suelos diferentes, no indiquen necesariamente la
similitud de ambos.
Uno podra ser arcilla muy franca con estructura floculenta y
el otro una harina de roca, de comportamiento similar al de
una arena.
La ley de Stokes esta dad por la expresin:
= 2
9
(
2)2
(5 3)
En la que:
v= velocidad de sedimentacin de la esfera, en cm/ seg. = Peso especifico de la esfera, en g/cm3. = Peso especifico del fluido, en g/cm3 (varia con la
temperatura).
= Viscosidad del fluido, en g.seg/cm2 (varia con la temperatura).
D = Dimetro de la esfera, en cm.
De la formula anterior, si D se expresa en mm, resulta
= (1,800
) . (5 4)
La ley de Stokes aplicada a particular de suelo real, que se
sedimentan en agua, es vlida solamente en tamaos menores de
0.2 mm, aproximadamente (en mayores tamaos, las turbulencias
-
provocadas por el movimiento de la partcula alteran
apreciablemente la ley de sedimentacin). Ntese que por
anlisis de tamices puede llegarse a tamaos de 0.074 mm, que
caen dentro del campo de aplicabilidad de la ley de Stokes;
este hecho afortunado permite obtener ininterrumpidamente.
El mtodo del hidrmetro esta, en su origen, afectado por las
siguientes hiptesis:
a) La ley de Stokes es aplicable a una suspensin del suelo.
b) Al comienzo de la prueba la suspensin es uniforme y de concentracin suficientemente baja para que las
partculas no se interfieran al sedimentarse. (En
general es apropiada una concentracin de unos 50
g/litro.)
c) El rea de la seccin recta del bulbo del hidrmetro es despreciable en comparacin a la de la probeta donde la
sedimentacin tiene lugar, de manera que dicho bulbo no
interfiere en la sedimentacin de las partculas en el
instante de efectuarse una medicin.
La hiptesis a) ya fue discutida
La b) implica que todas las partculas de un mismo
dimetro D estn uniformemente distribuidas en toda la
suspensin, al principio de la prueba; todas estas
partculas se sedimentan a la misma velocidad, calculada
segn (5-3). Al pesar un tiempo t, todas las partculas
del mismo dimetro habrn recorrido la distancia H= vt.
Arriba de esa altura, no habr partculas del dimetro
correspondiente a esa velocidad, mientras que de ese nivel
hacia abajo, las partculas de ese tamao estarn en la
concentracin original, pues al bajar con la misma
velocidad, tales partculas habrn conservado sus
posiciones relativas. Las partculas de tamao mayor que
D, correspondientes a la velocidad antes mencionada,
habrn descendido a una profundidad mayor, pues se
sedimentan a mayor velocidad, por lo que, a la profundidad
H solo habr partculas de dimetro equivalente igual o
menor que D, a la concentracin original. Por lo tanto el
peso especifico relativo de la suspensin a la profundidad
H y en tiempo t, es una medida de la cantidad de
partculas de igual o menor tamao que D contenidas en la
muestra de suelo.
Midiendo el peso especfico relativo de una suspensin de
suelo, a una misma profundidad, en distintos tiempos,
puede obtenerse cualquier nmero de puntos para la curva
granulomtrica; igualmente pueden obtenerse esos puntos
midiendo, al mismo tiempo el peso especfico relativo de
la suspensin a diferentes profundidades. La distribucin
de los pesos especficos relativos representa, en forma
-
implcita la distribucin granulomtrica .Puede
determinarse esa distribucin, tambin midiendo los pesos
especficos relativos a diferentes tiempos y a distintas
profundidades y este es el procedimiento en que se basa la
prueba del hidrmetro, pues en la prctica del bulbo
alcanza niveles ms bajos en cada lectura, ya que la
concentracin de la suspensin a una cierta profundidad
disminuye con el tiempo.
-
V. PLASTICIDAD DE LOS SUELOS
El contenido de agua con que se produce el cambio entre
estados vara de un suelo a otro y en mecnica de suelos
interesa fundamentalmente conocer el rango de humedades para
el cual el suelo presenta un comportamiento plstico, es
decir, acepta deformaciones sin romperse (plasticidad). Se
trata de la propiedad que presentan los suelos hasta cierto
lmite.
Existen suelos que al ser remoldeados, cambiando su contenido
de agua si es necesario, adoptan una consistencia
caracterstica, que desde pocas antiguas se ha denominado
plasticidad. Estos suelos han sido llamados arcillas,
originalmente, por los hombres dedicados a la cermica.
La plasticidad es, en este sentido, una propiedad tan
evidente que ha servido para clasificar suelos en forma
puramente descriptiva.
La plasticidad es un fenmeno inherente a los suelos de
partculas muy finas, limos y arcillas. En la periferia de
las partculas tiene efecto un fenmeno elctrico
superficial, ya que sta posee carga negativa y por tanto,
atrae los iones positivos del agua. Debido a estas fuerzas
electrostticas, el fenmeno produce una interaccin de las
partculas, por lo que tienden a permanecer y moverse unidas.
La plasticidad es, pues, una consecuencia directa se estos
fenmenos.
Por lo tanto la plasticidad puede definirse como la propiedad
de un material por la cual es capaz de soportar deformaciones
rpidas, sin rebote elstico, sin variacin volumtrica
apreciable y sin desmoronarse ni agrietarse. Con esta
definicin se logra circunscribir la propiedad a las arcillas
en ciertas circunstancias.
PLASTICIDAD
I.DEFINICIN
En Mecnica de Suelos puede definirse la plasticidad como la
propiedad de un material por la cual es capaz de soportar
deformaciones rpidas, sin rebote elstico, sin variacin
volumtrica apreciable y sin desmoronarse ni agrietarse.
Plasticidad es la propiedad que presentan los suelos de poder
deformarse, hasta cierto lmite, sin romperse. Por medio de
ella se mide el comportamiento de los suelos en todas las
pocas. Albert Atterberg defini como plasticidad la
capacidad que tena un suelo de ser deformado sin agrietarse,
ni producir rebote elstico. A su vez observ que los suelos
arcillosos en condiciones hmedas son plsticos y se vuelven
-
muy duros en condiciones secas, que los limos no son
necesariamente plsticos y se vuelven menos duros con el
secado, y que las arenas son desmenuzables en condiciones
sueltas y secas. Tambin observ que existan arcillas
altamente plsticas y otras de baja plasticidad.
La plasticidad de un suelo se atribuye a la deformacin de la
capa de agua adsorbida alrededor de los minerales;
desplazndose como sustancia viscosa a lo largo de la
superficie mineral, controlada por la atraccin inica. La
plasticidad en las arcillas, por su forma aplanada (lentejas)
y pequeo tamao, es alta. La plasticidad del suelo, depende
del contenido de arcilla. Esta propiedad de evidencia cuando
en un suelo de grano fino existen minerales de arcilla, este
puede ser remodelado en presencia de alguna humedad sin
desmoronarse. Esta naturaleza cohesiva es debida al agua
absorbida que rodea a las partculas de arcilla.
II. ESTADOS DE CONSISTENCIA. LMITES DE PLASTICIDAD
Atterberg hizo ver que, en primer lugar, la plasticidad no
era una propiedad permanente de las arcillas, sino
circunstancial y dependiente de su contenido de agua. Una
arcilla muy seca puede tener la consistencia de un ladrillo,
con plasticidad nula, y esa misma, con gran contenido de agua
en que la arcilla se comporta plsticamente. En segundo
lugar, Atterberg hizo ver que la plasticidad de un suelo
exige, para ser expresada en forma conveniente , la
utilizacin de dos parmetros en lugar de uno solo, como
hasta su poca se haba credo; adems, seal esos
parmetros y un modo tentativo, hoy perfeccionado de
valuarlos.
Segn su contenido de agua en orden decreciente, un suelo
susceptible de ser plstico puede estar en cualquiera de los
siguientes estados de consistencia, definidos por Atterberg:
1. Estado lquido, con las propiedades y apariencia de una suspensin.
2. Estado semilquido, con las propiedades de un fluido viscoso.
3. Estado plstico, en que el suelo se comporta plsticamente.
4. Estado semislido, en el que el suelo tiene la apariencia de un slido, pero an disminuye de volumen
al estar sujeto a secado.
5. Estado slido, en que el volumen del suelo no vara con el secado.
-
Un
suelo est en estado lquido (arcilla o limo muy hmedos)
cuando se comporta como un fluido viscoso, deformndose por
su propio peso. Al perder agua, ese suelo pierde su fluidez,
pero contina deformndose plsticamente; dado que pierde su
forma, sin agrietarse. Si se contina con el proceso de
secado (de la arcilla o limo), el suelo alcanza el estado
semi-slido, si al intentar el remoldeo se desmorona. Si se
saca ms agua, a un punto en el cual su volumen ya no se
reduce por la prdida de agua, y el color toma un tono ms
claro, el estado del suelo se define como slido.
El volumen es un aspecto muy importante al ser observado en
cuanto a la diferenciacin de los estados del suelo segn
Atterberg, por ejemplo la siguiente grfica muestra la
trayectoria humedad-volumen de un suelo amasado:
-
Los anteriores estados son fases generales por las que pasa
el suelo al irse secando, y no existen criterios estrictos
para distinguir sus fronteras. El establecimiento de stas ha
de hacerse en forma puramente convencional. Atterberg
estableci las primeras convenciones para ello, bajo el
nombre general de lmites de consistencia.
La frontera convencional entre los
estados semilquido y plstico fue llamada por Atterberg
lmite lquido, nombre que hoy se conserva. Atterberg lo
defini en trminos de una cierta tcnica de laboratorio que
consista en colocar el suelo remoldeado en una cpsula,
formando en l una ranura, segn se muestra en la fig., y en
hacer cerrar la ranura golpeando secamente la cpsula contra
una superficie dura; el suelo tena el contenido de agua
correspondiente al lmite lquido, segn Atterberg, cuando
los bordes inferiores de la ranura se tocaban, sin mezclarse,
al cabo de un cierto nmero de golpes.
La frontera convencional entre los estados plstico y
semislido fue llamada por Atterberg lmite plstico y
definida tambin en trminos de una manipulacin de
laboratorio. Atterberg rolaba un fragmento de suelo hasta
convertirlo en un cilindro de espesor no especificado; el
agrietamiento y desmoronamiento del rollito, en un cierto
momento, indicaba que se haba alcanzado el lmite plstico y
el contenido de agua en tal momento era la frontera deseada.
-
A estas fronteras, que definen el intervalo plstico del
suelo se les ha llamado lmites de plasticidad. Atterberg
consideraba que la plasticidad del suelo quedaba determinada
por el lmite lquido y por la cantidad mxima de una cierta
arena, que poda ser agregada al suelo, estando ste con el
contenido de agua correspondiente al lmite lquido, sin que
perdiera por completo su plasticidad. Adems consider que la
diferencia entre los valores del lmite lquido y plstico,
llamado ndice de plasticidad, se relacionaba fcilmente con
la capacidad de arena aadida, siendo de ms fcil
determinacin, por lo que sugiri su uso, en lugar de la
arena, como segundo parmetro para definir la plasticidad.
Ip = LL - LP
Adems de los lmites de plasticidad (lquido y plstico) ya
sealados, Atterberg defini otros lmites de consistencia:
1. El lmite de adhesin, definido como el contenido de agua con el que la arcilla pierde sus propiedades de
adherencia con una hoja metlica, por ejemplo, una
esptula. Es de importancia en la agricultura.
2. El lmite de cohesin, definido como el contenido de con el que los grumos de arcilla ya no se adhieren entre s.
3. El lmite de contraccin, frontera entre los estados de consistencia semislido y slido, definido con el
contenido de agua con el que el suelo ya no disminuye su
volumen al seguirse secando.
De estos lmites, solo el de contraccin presenta un inters
definido en algunas importantes aplicaciones de la Mecnica
de suelos. Este lmite se manifiesta visualmente por un
caracterstico cambio de tono oscuro a ms claro que el suelo
presenta en su proximidad, al irse secando gradualmente.
Atterberg lo determinaba efectuando mediciones durante el
proceso de contraccin.
-
En este grfico se representa la relacin del lmite lquido
(abscisas) con el ndice de plasticidad (ordenadas).
Casagrande defini que los suelos con LL>50 son de alta
plasticidad (pueden admitir un mayor contenido de agua y por
tanto pueden experimentar deformaciones plsticas mayores).
Los suelos con LL
-
laboratorios de Mecnica del Suelo. Su utilidad deriva de
que, gracias a la experiencia acumulada en miles de
determinaciones, es suficiente conocer sus valores para
poderse dar una idea bastante clara del tipo de suelo y sus
propiedades. Como, por otra parte, se trata de
determinaciones sencillas y rpidas, permiten una pronta
identificacin de los suelos y la seleccin adecuada de
muestras tpicas para ser sometidas a ensayos ms
complicados.
Los lmites de Atterberg pertenecen, junto al anlisis
granulomtrico, al tipo de ensayos de identificacin. Pero,
si el anlisis granulomtrico nos permite conocer la magnitud
cuantitativa de la fraccin fina, los lmites de Atterberg
nos indican su calidad, completando as el conocimiento del
suelo. Frecuentemente se utilizan los lmites directamente en
las especificaciones para controlar los suelos a utilizar en
terraplenes.
LMITE LQUIDO
Es el contenido de humedad que corresponde a la frontera
entre los estados de consistencia semilquido y plstico de
un suelo.
El lmite lquido es el contenido de humedad expresado en
porcentaje, respecto del peso seco de la muestra con el cual
es suelo cambia del estado lquido, al estado plstico. El
mtodo que actualmente se utiliza para determinar el lmite
lquido, es el que ide Casagrande. El lmite lquido debe
determinarse, con muestras del suelo que hayan cruzado la
malla No. 40, si el espcimen es arcilloso, es preciso que
nunca haya sido secado a humedades menores que su lmite
plstico.
III. DETERMINACIN ACTUAL DEL LMITE LQUIDO
Cuando la plasticidad se convirti en una propiedad ndice
fundamental, a partir de la utilizacin que Terzaghi y
Casagrande hicieron de ella, la determinacin de los lmites
de plasticidad se transform en prueba de rutina en todos
los laboratorios; en este caso, los mtodos de Atterberg se
revelaron se revelaron ambiguos, dado que la influencia del
operador es grande y que muchos detalles, al no estar
especificados, quedaban a su eleccin. En vista de lo cual,
Terzaghi sugiri a Casagrande la tarea de elaborar un mtodo
de prueba para la determinacin del lmite lquido
estandarizando todas sus etapas, de modo que operadores
diferentes en laboratorios distintos obtuviesen los mismos
valores.
-
Como resultado de tal investigacin naci la tcnica basada
en el uso de la Copa Casagrande que es un recipiente de
bronce o latn con un tacn solidario del mismo material; el
tacn y la copa giran en torno a un eje fijo unido a la base.
Una excntrica hace que la copa caiga peridicamente,
golpendose contra la base del dispositivo, que es de hule
duro.
La copa es esfrica, con radio interior de 54mm, espesor 2mm
y peso 200 20g incluyendo el tacn.
Sobre la copa se coloca el suelo y se procede a hacerle una
ranura trapecial con las dimensiones mostradas:
Para hacer la ranura debe usarse el ranurador laminar que
aparece en la fig. de abajo. La copa se sostiene con la mano
izquierda, con el tacn hacia arriba y el ranurador se pasa a
travs de la muestra, mantenindolo normal a su superficie, a
lo largo del meridiano que pasa por el centro del tacn, con
un movimiento de arriba hacia abajo.
En poco tiempo se adquiere la soltura necesaria para hacer
una ranura apropiada, con una sola pasada suave del
ranurador, en una arcilla bien mezclado, sin partculas
gruesas. En mezclas no uniformes o con partculas gruesas,
los bordes de la ranura tienden a rasgarse, cuando esto
suceda el suelo ha de volver a remoldearse con la esptula,
colocndolo de nuevo y formando otra vez la ranura. En los
suelos con arena o con materia orgnica no se puede formar la
ranura con el ranurador, debiendo usarse entonces la
esptula, utilizando el ranurador solo para verificar las
dimensiones.
En ocasiones se ha usado otro tipo de ranurador, curvo con
seccin trapecial, que no rebana el suelo al ser introducido
en l, sino que forma la ranura desplazndolo, lo cual hace
-
que se rompa la adherencia entre el suelo y la copa,
especialmente en suelos arenosos; en tal caso los golpes
hacen que el suelo deslice, cerrndose ms pronto la ranura
por la falta de aquella adherencia; por tal causa este
ranurador no es aconsejable.
La prueba se ejecuta en un ambiente hmedo. Un ambiente seco
afecta la exactitud de la prueba debido a la evaporacin
durante el remoldeo y manipulacin en la copa; esto es
suficiente para que el nmero de golpes muestre un incremento
demasiado rpido.
A partir de extensas investigaciones sobre los resultados
obtenidos por Atterberg con su mtodo original ya descrito y
usando determinaciones efectuadas por diferentes operadores
en varios laboratorios, se estableci que el lmite lquido
obtenido por medio de la Copa de Casagrande corresponde al de
Atterberg, si se define como el contenido de agua del suelo
para el que la ranura se cierra a lo largo de 1.27cm (1/2),
con 25 golpes en la copa.
De hecho, el lmite lquido se determina conociendo 3 4
contenidos de agua diferentes en su vecindad, con los
correspondientes nmeros de golpes y trazando la curva
Contenido de agua-Nm. de golpes. La ordenada de esa curva
correspondiente a la abscisa de 25 golpes es el contenido de
agua correspondiente al lmite lquido. Se encontr
experimentalmente que usando papel semilogartmico (con
contenidos de agua en escala aritmtica y el nmero de golpes
en escala logartmica), la curva llamada de fluidez, es una
recta cerca del lmite lquido.
La ecuacin de la curva de flujo es:
= +
= Contenido de agua, como porcentaje del peso seco. F2 = ndice de fluidez, pendiente de la curva de fluidez,
igual a la variacin del contenido de agua
correspondiente a un ciclo de la escala logartmica.
N = Nmero de golpes. Si N es menor que 10, aproxmese a
medio golpe; por ejemplo, si en el 6 golpe se cerr la
ranura 0.63cm (1/4) y en el 7 se cerr 1.9cm (3/4),
reprtense 6.5 golpes.
C = Constante que representa la ordenada en la abscisa 1
golpe; se calcula prolongado el trazo de la curva de
fluidez.
Para construir la curva de fluidez sin salirse del intervalo
en que puede considerarse recta, A. Casagrande recomienda
registrar valores entre los 6 y 35 golpes, determinando 6
puntos, tres entre 6 y 15 golpes y tres entre 23 y 32. Para
-
consistencias correspondientes a menos de 6 golpes se hace ya
muy difcil discernir el momento del cierre de la ranura y si
sta se cierra con ms de 35 golpes, la gran duracin de la
prueba causa excesiva evaporacin.
La fuerza que se opone a la fluencia de los lados de la
ranura proviene de la resistencia al esfuerzo cortante del
suelo, por lo que el nmero de golpes requerido para cerrar
la ranura es una medida de esa resistencia, al
correspondiente contenido de agua. De lo anterior puede
deducirse que la resistencia de todos los suelos en el lmite
lquido debe ser la misma, siempre y cuando el impacto sirva
solamente para deformar el suelo, como es el caso de los
suelos plsticos; pero en el caso de los suelos no plsticos
(arenosos), de mayor permeabilidad que las arcillas, las
fuerzas de impacto producen un flujo del agua hacia la
ranura, con la consecuencia de que el suelo se reblandece en
las proximidades de aquella, disminuyendo su resistencia al
esfuerzo cortante; por ello en esos suelos, el lmite lquido
ya no representa un contenido de agua para el cual el suelo
presente una resistencia al corte definida.
IV. DETERMINACIN ACTUAL DEL LMITE PLSTICO
La prueba para la determinacin del lmite plstico, tal como
Atterberg la defini, no especifica el dimetro a que debe
llegarse al formar el cilindro del suelo requerido. Terzaghi
agrego la condicin de que el dimetro sea de 3mm (1/8). La
formacin de los rollitos se hace usualmente sobre una hoja
de papel totalmente seca, para acelerar la perdida de humedad
del material; tambin es frecuente efectuar el rolado sobre
una placa de vidrio. Cuando los rollitos llegan a los 3 mm se
doblan y presionan, formando una pastilla que vuelve a
rolarse, hasta que en los 3mm justos ocurra el
desmoronamiento y agrietamiento, en tal momento se
determinara rpidamente su contenido de agua, que es lmite
plstico.
Se han hecho varios intentos para sustituir el rolado manual
por la accin mecnica de algn aparato, pero sin resultados
satisfactorios, debido en primer lugar a que la experiencia
ha demostrado que en esta prueba la influencia del operador
no es importante y, en segundo, a que, hasta la fecha, no ha
podido desarrollarse ningn aparato en que la presin
ejercida se ajuste a la tenacidad de los diferentes suelos;
en el rolado manual, el operador, guiado por el tacto, hace
el ajuste automticamente.
-
V. CONDICIONES SOBRE LOS LMITES DE PLASTICIDAD.
ndice de Tenacidad
Atterberg demostr que la plasticidad de una arcilla puede
describirse en trminos de 2 parmetros: el lmite lquido y
el ndice plstico, este numricamente igual a la diferencia
del lmite lquido y el plstico.
El lmite lquido segn se dijo, indica el contenido de agua
para el cual el suelo tiene una cierta consistencia, con una
resistencia al corte de 25g/cm2. Por el contrario, la
resistencia de diferentes suelos arcillosos en el lmite
plstico no es constante, sino que puede variar ampliamente.
En las arcillas muy plsticas, la tenacidad en el lmite
plstico es alta, debindose aplicar con las manos
considerable presin para formar los rollitos, por el
contrario las arcillas de baja plasticidad son poco tenaces
en el lmite plstico.
Algunos suelos finos y arenosos pueden, en apariencia, ser
similares a las arcillas, pero al tratar de determinar su
lmite plstico se nota la imposibilidad de forma los
rollitos, revelndose as la falta de plasticidad del
material; en estos suelos el limite liquido resulta
prcticamente igual al plstico y aun menor, resultando
entonces un ndice plstico negativo; las determinaciones de
plasticidad no conducen a ningn resultado de inters y los
limites lquido y plstico carecen de sentido fsico.
Cuando dos suelos plsticos tienen los mismos lmites de
plasticidad o el mismo ndice plstico, pero diferentes
curvas de flujo, el suelo cuya curva sea ms tendida, es
decir, el de menor ndice de fluidez, tendr mayor
resistencia en el lmite plstico; la resistencia al esfuerzo
cortante de una arcilla en el lmite plstico es una medida
de su tenacidad, por lo cual puede decirse que la tenacidad
de las arcillas de igual ndice plstico crece a menor ndice
de fluidez. En efecto, sea:
LL=limite liquido
LP=limite plstico
Ip= ndice plstico (LL-LP)
F10=ndice de fluidez
S1=25g/cm2, resistencia al esfuerzo cortante de los suelos
plsticos, en el lmite lquido.
S2=resistencia al esfuerzo cortante correspondiente al
lmite plstico, cuyo valor puede usarse al medir la
tenacidad de una arcilla.
Segn (6-1), poniendo en lugar de N su equivalente Cs, donde
C representa la relacin entre el nmero de golpes y la
correspondiente resistencia, puede escribirse:
LL=-F10logCs1+C1 (a)
LP=-F10logCs2+C1 (b)
-
Restando (a) y (b), se obtiene:
Ip= LL LP= F10(LogCs2 LogCs1)
Ip=F10(Log (s2 / s1 ))
De donde:
T10= Ip/ F10 = Log (s2 /s1 )
Para tener una medida relativa de la tenacidad basta definir
a T10 como ndice de tenacidad evitando resolver en cada caso
la ecuacin (6-2) para calcular S2.
El ndice de tenacidad conjuntamente con el de fluidez, es
til para establecer una diferencia adicional en lo que se
refiere a las caractersticas de plasticidad de las arcillas.
El ndice de tenacidad generalmente vara entre 1 y 3 y rara
vez alcanza valores de 5 o menores que 1; un alto valor de
T10 , no implica que los lmites de plasticidad sean altos.
Entre los diversos mtodos posibles para representar y
comparar las propiedades de plasticidad de los suelos, es
preferible uno debido a A. Casagrande, en el que se dibujan
como abscisas los limites lquidos y como ordenadas los
ndices plsticos. En la Fig. VI-8, aparece una
representacin de varios suelos tpicos.
Cada lnea gruesa representa los datos obtenidos por A.
Casagrande en una serie de muestras de la misma localidad y
de la misma formacin geolgica; los puntos aislados se
determinaron con un solo material. Los puntos conectados con
lnea discontinua son datos obtenidos de una sola muestra;
los puntos superiores son pruebas hechas al suelo en estado
natural y los inferiores son resultados referentes a esa
muestra secada al horno. En la grfica resaltan ciertas
caractersticas generales. Por ejemplo, se encontr que
cuanto ms altos estn los puntos de la grfica, tanto ms
tenaces son las arcillas. En las arcillas inorgnicas que no
sean de origen volcnico ,es poco frecuente un lmite liquido
mayor de 100;sin embargo, en arcillas volcnicas u orgnicas
son relativamente frecuentes valores sobre ese nmero; las
bentonitas ,por ejemplo, alcanza valores hasta de 600,siendo
significativo que su contenido de partculas laminares
coloidales sea de 70% aproximadamente, mientras que el de las
arcillas ordinarias de alta plasticidad es de alrededor de
30%.los datos obtenidos en una experimentacin sistemtica
realizada por el mismo A. Casagrande originalmente, sobre
mezclas de arena y arcilla, quedan sealados en la grfica
por lneas cuya tendencia general coincide con las lneas
gruesas de la Fig.VI-8;esto indica que en la mayora de los
casos ,las muestras de la misma zona y del mismo origen
geolgico difieren esencialmente en su contenido de
partculas gruesas ,mientras que el carcter de la fraccin
coloidal permanece esencialmente invariable.
-
Los puntos correspondientes al caoln y a polvos de mica
indican que tales suelos y otros polvos artificiales
constituidos parcial o totalmente de partculas laminares
relativamente gruesas en comparacin con las partculas
coloidales de las arcillas plsticas, poseen menor
plasticidad que las arcillas ordinarias; por lo tanto, un
ndice plstico bajo no indica necesariamente un contenido de
materia orgnica.
El secado, segn se desprende de los experimentos anteriores
produce cambios irreversibles en las caractersticas de la
fraccin coloidal orgnica de un suelo; a falta de otros
medios, se podran diferenciar los suelos orgnicos de los
inorgnicos de bajo ndice plstico, repitiendo
Figura VI-8.Grafica mostrando la relacin entre el lmite
lquido y el ndice plstico
Las determinaciones de los lmites con el material secado al
horno; ese secado causa invariablemente una apreciable
disminucin de los lmites del suelo orgnico (vanse los
suelos de Cambridge, New London o Turqua, en la Fig.VI-
8).los lmites de los suelos inorgnicos tambin se afectan
por el secado al horno, pero en mucho menor escala; adems,
en este caso los limites pueden aumentar o disminuir,
dependiendo del suelo.
-
Los lmites de algunas arcillas se afectan tambin por la
intensidad del mezclado; el lmite plstico vara normalmente
en la misma direccin del lquido, pero sus variaciones
suelen ser solo del orden de un tercio de las del lmite
lquido.
A. Casagrande, para mostrar la influencia de los conceptos
anteriores sobre el lmite de algunas arcillas inorgnicas,
presento la tabla (6-1) mostrada en la pgina anterior.
En lo referente al valle de Mxico, merecen citarse los datos
que sobre la influencia del secado
en los valores de los lmites de
plasticidad, han obtenido Marsal y
Mazari.
FiguraVI-9.influencia del secado
en los lmites lquido y plstico
de una arcilla del valle de
Mxico.
Segn estos investigadores, la influencia del secado en los
materiales arcillosos del valle de Mxico es importante segn
muestra la Fig.VI-9.esta grafica presenta las variaciones en
los lmites lquidos y plstico por secado gradual en el
medio ambiente. Como se observa, la deshidratacin no afecta
al valor de los limites, cuando el contenido del agua con que
-
se inician las pruebas est comprendido entre su valor
natural y 150%; en cambio, los limites disminuyen muy
rpidamente cuando las muestras se secan con mayor
intensidad, previamente a las determinaciones. Cuando el
secado se hace al horno, llegando a contenido de agua muy
pequeos, los lmites disminuyen muy apreciablemente al ser
determinados aadiendo agua a las muestras a partir de esas
bajas humedades. En el caso que se cita, el limite llego a
valer 80% cuando se sec en el horno por completo, mientras
que fue del orden de 450%, cuando se determin a partir de un
contenido de agua mayor de 150%.
A. Warlam clasifico las arcillas en cuatro grupos, segn la
variacin de su lmite liquido por efecto del secado:
1. LL no se afecta prcticamente por secado.
2. LL aumenta por secado al aire y en horno.
3. LL disminuye por secado al aire y en horno.
4. LL aumenta por secado al aire y disminuye por secado
al horno.
Los grupos 1 y 4 son muy poco frecuentes, mientras los 2 y 3
se presentan normalmente.
Uno de los materiales investigados por Warlam exhibi la
propiedad muy peculiar de que el lmite lquido no vario por
secado al aire o en horno, pero el lmite plstico disminuyo
fuertemente.
Los valores de los lmites tambin se ven influidos por el
tiempo que se deje transcurrir entre la preparacin de la
pasta de suelo y la ejecucin de la prueba.
En estudios de estabilizacin de suelos se ha investigados el
efecto que sobre los limites ejercen diversas sustancias
adicionales, encontrndose que las que ms los afectan son
las de base sdica, que hacen aumentar los limites
considerablemente, en la mayora de los casos; sin embargo,
la sal comn (NaCI)produce frecuentemente disminucin del
lmite lquido. Algunas sustancias pueden afectar en sentido
contrario a suelos muy similares en apariencia.
El hecho de que la plasticidad de las arcillas sea una
propiedad tan sensible que pueda disminuir o aumentar con
pequeos cambios en el procedimiento, es desafortunado desde
el punto de vista de las pruebas de rutina, pero muy
ventajoso para diferenciar arcillas de apariencia similar;
desde este punto de vista puede decirse que apenas comienza
la utilizacin de las pruebas.
Siempre deber sealarse el procedimiento para la ejecucin
de las pruebas de limite lquido, especialmente en lo que se
-
refiere a si la muestra se manej a partir de su humedad
natural o si fue secada al aire o en horno. Sera muy
deseable realizar las pruebas de los limites remoldeando y
mezclando el suelo inalterado hasta lograr, aadiendo agua si
es preciso, una pasta uniforme, que deber dejarse en reposo
por lo menos 24horas,bien protegida contra la evaporacin; de
agua, por secado al aire, hasta la consistencia apropiada
para las pruebas.
-
VI. CLASIFICACIN E IDENTFICACIN DE SUELOS
Generalidades:
Dada la complejidad y prcticamente la infinita variedad con
que los suelos se presentan en la naturaleza, cualquier
intento de sistematizacin cientfica, debe ir precedido por
otro de clasificacin completa. Es evidente que un sistema de
clasificacin que pretenda cubrir hoy las necesidades
correspondientes, debe de estar basado en las propiedades
mecnicas de los suelos, por ser estas lo fundamental para
las aplicaciones ingenieriles.
Entre los diversos estudios tendientes a encontrar un sistema
de clasificacin que satisfaga los distintos campos de
aplicacin a Mecnica de Suelos, destacan los efectuados por
el doctor A. Casagrande en la Universida