CAPITULO
CAPITULO
ffINTRODUCCIN
1.1 SUELOS: ORIGEN Y FORMACINDe acuerdo con las teoras geolgicas
generalmente aceptadas, la Tierra se form hace alrededor de 4.500
millones de aos, como producto de la condensacin de una gigantesca
bola de gases y escombros csmicos. El enfriamiento de esta masa dio
lugar a la formacin de la atmsfera, la hidrosfera y la litosfera.
La atmsfera es la envoltura gaseosa que rodea a la hidrosfera
(ocanos, mares y lagos) y ala litosfera (continentes e islas).
En un esquema simple el globo terrestre, Figura 1.1, est
constituido por un ncleo central metlico de aproximadamente 3500
Km. de dimetro, formado predominantemente por compuestos de hierro
y nquel, razn por la cual se lo ha denominado Nife. De conformidad
con los estudios realizados, se estima que el peso unitario de los
materiales que componen este ncleo es considerablemente superior al
de las capas ms superficiales, mayor a 10 g/cm3. Las altas
presiones y temperaturas a las que est sometido, as como la
ausencia de rigidez determinada en estudios ssmicos, han llevado a
la conclusin que se encuentra en estado fluido.
Rodeando al ncleo se encuentra otra capa fluida, la segunda de
adentro hacia afuera, denominada manto o magma, con un espesor de
aproximadamente 2900 Km. y con un peso unitario menor, que oscila
entre 3 y 8 g/cm3. Este material, a diferencia de aquel que
constituye la primera capa, puede ser observado a simple vista,
durante las erupciones volcnicas.
Al enfriarse y solidificarse la parte ms superficial del manto,
se form la tercera capa, la corteza terrestre, que flota sobre el
magma, ms denso. Est constituida por grandes masas heterogneas de
materia mineral slida llamada roca, con depresiones ocupadas por
mares y ocanos. Se aceptan para esta capa espesores entre 5 y 40
Km., en las plataformas continentales. El peso unitario es
decreciente hacia la superficie, con la mayor cantidad de valores
variando en un estrecho rango entre 2.5 y 3.0 g/cm3.
Finalmente, la accin de los agentes atmosfricos sobre la parte
ms superficial de la corteza terrestre, ha dado lugar a la formacin
de una delgada capa superficial llamada suelo. Este proceso
conocido como meteorizacin, ocasion la disgregacin y descomposicin
de la roca superficial produciendo una acumulacin de materiales sin
cementacin o muy poco cementados, cuyo espesor vara generalmente
entre 0 (roca aflorante) y 1000 m. Esta capa normalmente se
encuentra en estado slido, aun cuando conforme se describir ms
adelante, incluye lquidos y gases en su masa, y tiene pesos
unitarios menores, variables entre 1.1 y 2.4 g/cm3, con un promedio
de 1.7 g/cm3.En Geologa se clasifica las rocas en tres grupos
bsicos: gneas, sedi-mentarias y meta-mrficas. Las rocas gneas son
aquellas formadas por el enfriamiento del magma fundido. La
meteorizacin de la corteza terrestre dio lugar a la formacin de
productos sueltos que se sedimentaron en su superficie. Las rocas
sedimentarias, enton- ces, se originaron en dichos sedimentos
endurecidos ya sea por el peso de los sedimentos superiores, por la
cementacin, o por ambos. * Tiempo estimado antes del presente
(A.P.), en millones de aos.
Tabla 1.1
Escala del tiempo geolgico
Fuente: Bowles, 1982
La historia geolgica (Tabla 1.1) revela que la Tierra est
cambiando continuamente, de manera que levantamientos y otros
movimientos de la corteza permitieron sedimentacin adicional y
presiones que facilitaron el endurecimiento y consolidacin o por el
contrario expusieron los sedimentos, solos o con rocas gneas o
sedimentarias subyacentes, a un nuevo proceso de meteorizacin.En
los sitios en los cuales los movimientos de la corteza originaron
calor e incremento de presiones, se produjo la metamorfosis de
algunas rocas gneas o sedimentarias originando las rocas
metamrficas. Los movimientos posteriores de la corteza expusieron
estas rocas a una nueva meteorizacin o, en condiciones geolgicas
adecuadas y a suficiente profundidad, se transformaron nuevamente
en magma fundido para reiniciar el ciclo roca - suelo, Figura
1.2.
En conclusin, este ciclo roca suelo, constituye un constante
hacer y deshacer, proceso continuo sin puntos definidos de comienzo
y terminacin. Las obras de ingeniera son solo un proceso ms que se
suman al ciclo, insignificante dentro de la totalidad del conjunto,
pero que a veces, si no se aplican las tcnicas adecuadas, puede ser
localmente drstico o aun catastrfico.
En la Tierra, la corteza consta aproxima-damente de 95% de rocas
gneas y solo 5% de rocas sedimentarias y metamrficas. Sin embargo
de las rocas expuestas a la meteorizacin superficial, un 75% son
rocas sedimentarias y de stas alrededor del 22% corres-ponde a
calizas y dolomitas (Bowles, 1982), como puede verse en la Figura
1.3.
La evidencia geolgica disponible indica que el registro
sedimentario es del orden de 5000 a 6000 m de profundidad. Esto
significa que se ha desarrollado una meteorizacin suficiente para
depositar un espesor de sedimentos de similar magnitud sobre gran
parte de la superficie terrestre. Si no se hubieran producido
levantamientos y otros movimientos de la corteza, esta profundidad
hubiera reducido la superficie de la tierra en tal forma que una
capa de agua cubrira enteramente su superficie. Como gran parte de
los sedimentos primitivos se convirtieron en rocas sedimentarias
desde ya hace mucho tiempo, el material no consolidado es de mucho
menor espesor, con un mximo aproximado de 1000 m, y normalmente
bastante menos que ese valor (Bowles, 1982).
1.2 DEFINICIONES
1.2.1 Suelo
De conformidad con lo indicado en el numeral anterior se puede
definir al suelo como la capa superficial de la Tierra, formada por
la accin de los agentes atmosfricos que han provocado la
descomposicin de los niveles superiores de la corteza
terrestre.
Sin embargo la revisin de otras definiciones del suelo, que
constan en diferentes textos contribuir a un mejor conocimiento del
mismo.
JUREZ BADILLO Y RICO RODRGUEZ, Mecnica de Suelos, Tomo I
Suelo es todo tipo de material terroso, desde un relleno de
desperdicios hasta areniscas parcialmente cementadas o lutitas
suaves. Quedan excluidos las rocas sanas, gneas y metamrficas y los
depsitos sedimentarios altamente cementados, que no se ablanden o
desintegren rpidamente por la accin de la intemperie. Hacen ver los
autores la necesidad de considerar como suelo un relleno artificial
cualquiera, aun cuando contenga un porcentaje notable de
desperdicios, y adems ponen especial nfasis en la distincin entre
roca y suelo, que tantos diferendos provoca en la prctica de la
Ingeniera Civil. GEORGE B. SOWERS y GEORGE F. SOWERS, Introduccin a
la Mecnica de Suelos y Cimentaciones
Suelo es cualquier material no consolidado compuesto de
distintas partculas slidas con gases o lquidos incluidos. El tamao
mximo de las partculas que pueden calificarse como suelo no es
fijo, pero lo determina la funcin en que ellas estn implicadas. En
las excavaciones para cimientos y trincheras, que se ejecutan a
mano, y en la construccin de relleno por capas, el tamao mximo es
de 30 cm de dimetro (40 kg), que es el tamao mximo que un hombre
puede levantar. Cuando la excavacin se ejecuta mecnicamente el
lmite que a veces se fija es m (1 t aproximadamente). Los autores
se orientan hacia la composicin interna del suelo, partculas slidas
que dejan poros los cuales pueden estar ocupados por lquidos y
gases o por uno de ellos. En la segunda parte precisan el tamao
mximo de la partcula, aspecto que tambin constituye fuente de no
pocas controversias en la prctica profesional. Las diferentes
Instituciones que trabajan en este mbito, a menudo poseen sus
propias especificaciones, pero lo importante es que esos lmites
queden fijados claramente antes de acometer una obra.
BOWLES JOSEPH E., Propiedades Geofsicas de los Suelos.
Material no consolidado sobre la roca slida. Definicin semejante
a la primera.
RAL VALLE RODAS, Carreteras, Calles y Aeropistas
Todo material suelto, desintegrado, que se encuentra en la
corteza terrestre, como: guijarros, piedras, granzones, arenas,
limos, arcillas, materiales turbosos y mezclas de estos materiales.
Asigna nombres a los suelos en funcin del tamao de sus partculas y
hace ver que la materia orgnica no descompuesta o en descomposicin
(turba) es una parte constitutiva del suelo. ASCE (American Society
of Civil Engineers)
Sedimentos y otras acumulaciones de partculas slidas sin
consolidar, provenientes de la desintegracin fsica y qumica de la
roca, las cuales pueden o no contener materia orgnica. Puede
considerarse como un resumen de las anteriores definiciones.
1.2.2 Roca
En cuanto a la roca existe un mayor acuerdo en definirla como lo
hace la ASCE: Materia mineral slida, que se encuentra en estado
natural, en grandes masas o fragmentos. Cabe anotar sin embargo,
que la lnea divisoria entre suelo y roca no est rigurosamente
definida en todos los casos. Existe toda una serie de materiales,
desde el suelo ms blando o suelto, hasta la roca ms dura, de manera
que cualquier divisin entre las dos categoras es convencional. Por
esta razn en la preparacin de documentos para obras de Ingeniera,
tales como bases o especificaciones, el ingeniero debe definir los
lmites, con el fin de que todas las partes que intervengan en el
trabajo estn en completo acuerdo (Sowers,1972).
1.2.3 Mecnica de Suelos
La Mecnica de Suelos es la rama de la ciencia que estudia las
propiedades fsicas y el comportamiento de masas de suelos sometidas
a varios tipos de fuerzas. Se interesa por la estabilidad del
suelo, por su deformacin y por el flujo de agua, hacia adentro,
hacia fuera, o a travs de su masa, considerando siempre el aspecto
econmico de la obra.
Todo ingeniero civil, en algn momento de su ejercicio
profesional, estar involucrado con los conceptos de la Mecnica de
Suelos. Ello porque casi todo proyecto se relaciona con el
comportamiento del suelo, sea que se use como material de
construccin (el ms fcilmente disponible y de menor costo) o sea
porque la obra civil deba apoyarse sobre l. Pocos problemas de
ingeniera, la excavacin de tneles en roca por ejemplo, pueden ser
realizados sin encontrar algn tipo de suelo.1.2.4 Ingeniera de
Cimentaciones
La Ingeniera de Cimentaciones es la especialidad que se
relaciona con el comportamiento del suelo y la interrelacin entre
el suelo y la superestructura (la parte de la estructura que se
localiza por encima de la superficie del terreno) o la
subestructura (la parte de la estructura en contacto con el suelo).
Figura 1.19.
1.2.5 Ingeniera Geotcnica
Todos los temas de la Mecnica de Suelos y de la Ingeniera de
Cimentaciones, y muchos aspectos de la Ingeniera Geolgica, pueden
agruparse bajo el trmino de Ingeniera Geotcnica, de manera que sta
puede definirse como la ciencia y la prctica de aquella parte de la
Ingeniera Civil que involucra la interrelacin entre el medio
ambiente geolgico y los trabajos del hombre (Bowles, 1982).
1.3 AGENTES GENERADORES DE SUELO Y MECANISMOS DE GENERACIN
Los principales agentes generadores de suelo son el agua, el
aire, la temperatura y sus cambios, y en menor proporcin los
movimientos tectnicos y la accin del hombre.
Los medios de accin son sumamente variados, pero en ltimo trmino
todos los mecanismos de generacin del suelo pueden incluirse en dos
grandes grupos:
Desintegracin mecnica
Descomposicin qumica
1.3.1 Desintegracin Mecnica.
Es un proceso de intemperizacin de la roca por medio de agentes
fsicos los cuales provocan cambios en la forma, el tamao y la
textura de las partculas, pero no en la composicin qumica de la
roca madre. El tamao de las partculas producidas por la
desintegracin mecnica no llega a ser muy pequeo (arenas y limos).
Los principales mecanismos de generacin del suelo por desintegracin
mecnica son:
Efectos climticos (cambios de temperatura)
Efecto cua (accin de la congelacin del agua en las grietas de la
roca)
Exfoliacin
Erosin (por viento y lluvia)
Abrasin
Actividad orgnica (animales y plantas)
1.3.2 Descomposicin Qumica.
Es la accin de agentes que atacan a las rocas, modificando su
constitucin mineralgica o qumica. Los principales agentes son el
agua y las altas temperaturas. Las partculas formadas por
descomposicin qumica pueden tener tamaos tan pequeos como el de la
molcula (la arcilla es un producto tpico). Los mecanismos de ataque
ms importantes son:
Oxidacin (el principal)
Hidratacin
Solucin
Lixiviacin
Sulfatacin
Carbonatacin
Hidrlisis (formacin de iones H+)
Por las razones expuestas es frecuente encontrar formaciones
arcillosas en zonas hmedas y clidas como en la Costa de nuestro
pas.
Por el contrario las formaciones limosas o arenosas, ms gruesas,
en su mayora provenientes de la desintegracin mecnica, son tpicas
de zonas ms fras, como la Sierra ecuatoriana y las zonas templadas
del planeta.
Caben, sin embargo, ciertas excepciones: en los desiertos clidos
del norte del Per por ejemplo, la falta de agua impide el
desarrollo de los procesos de descomposicin, prevaleciendo los
suelos arenosos; en zonas lacustres de la Sierra y de otras
latitudes del planeta pueden desarrollarse condiciones favorables
para generar formaciones arcillosas de importancia. A este respecto
concluyen Jurez y Rico (2): No debe creerse, sin embargo, que las
reglas anteriores son inmutables; la naturaleza suele actuar con
una complejidad que desafa cualquier regulacin Los suelos deben
pues, su origen a una tal variedad de causas que excede todo poder
de descripcin detallada. El resultado de ese conjunto de causas es
una inmensa variedad de tipos de suelos. Tambin debe notarse que su
formacin ha ocurrido a travs de las eras geolgicas, tal como sigue
ocurriendo hoy; en consecuencia, el hombre es completamente ajeno a
la gnesis del suelo: solo le toca manejarlo, tal como la naturaleza
se lo presenta.En un esquema simplista, sin embargo, y para una
mejor comprensin de los temas que se tratan en los primeros
captulos, se puede dividir a los suelos en dos grandes grupos segn
que sus partculas individuales puedan o no ser observadas a simple
vista; en el primer caso se trata de suelos gruesos y en el
segundo, de suelos finos. Se tienen dos principales categoras de
suelos gruesos y dos de suelos finos, conforme se indica en la
Tabla 1.2.
GruesosGrava: partculas visibles de tamao mayor a 0.5 cm
Arena: partculas visibles de tamao menor a 0.5 cm
Suelos
Finos
Limo : partculas no visibles, poco o nada plstico
Arcilla: partculas no visibles, plstico
A los suelos gruesos tambin se les denomina granulares y a los
suelos finos especialmente a los plsticos se les llama
cohesivos.
1.4 SUELOS RESIDUALES Y SUELOS TRANSPORTADOS
1.4.1 Suelos residuales
Son aquellos que se forman en un cierto sitio y permanecen en el
mismo, directamente sobre la roca de la cual proceden. Generalmente
estn relacionados con los suelos provenientes de la descomposicin
qumica (Figura 1.4).
1.4.2 Suelos transportados
Son los que fueron removidos de su lugar de formacin por los
mismos agentes de generacin o por otros, y redepositados en un
sitio diferente. Yacen por lo tanto, sobre suelos o rocas con los
cuales no tienen relacin directa. Generalmente estn relacionados
con los suelos provenientes de la desintegracin mecnica.
Los principales agentes de transporte son: Agua
Viento
Accin de la gravedad
Movimientos tectnicos
Accin del hombre
ACCIN DE LA GRAVEDADCOLUVIAL
VIENTOELICOSDUNA
LOESS
VIENTO + ACCIN VOLCNICAELICO- VOLCNICOSTOBA (CANGAHUA)
AGUAROALUVIAL
LAGOLACUSTRE
HIELOGLACIAR, MORRENA
MARMARINO
AGUA + ACCIN VOLCNICALAHARTICO
AGUA + GRAVEDADALUVIONAL
ACCIN VOLCNICAPIROCLSTICO
HOMBRERELLENO ARTIFICIAL
Dependiendo de los mecanismos de transporte, que a menudo actan
en forma combinada, estos depsitos toman diferentes nombres
conforme se indica en la Tabla 1.3.
1.4.2.1 Suelo Transportado por la Accin de la Gravedad
Se lo denomina Coluvial, Figura 1.5. Debido al efecto cua, las
laderas de las montaas se fisuran. La masa resultante pierde
estabilidad, lo cual ocasiona el deslizamiento por la ladera
inclinada, de grandes fragmentos que acarrean otros ms pequeos. Se
depositan en la falda o al pie de la ladera dando origen a una
formacin heterognea en el tamao de las partculas (predominando los
tamaos grandes) pero relativamente homognea en su constitucin
mineralgica, Los fragmentos tienen forma angulosa y la masa una
compacidad ligera a mediana, razn por la cual su respuesta mecnica
es regular a buena. Sin embargo debe considerarse siempre la
posible presencia de fragmentos grandes que pueden ocasionar
notables dificultades en los trabajos de excavacin.1.4.2.2 Suelo
Transportado por Accin del Viento
En general se le denomina Elico, Figura 1.6. El tamao de las
partculas transportadas es relativamente pequeo, arenas y limos. Si
el depsito es arenoso recibe el nombre de Duna. Si es ms fino,
limoso, se le denomina Loess. Al perder fuerza el viento, las
partculas se depositan a muy baja velocidad originando un depsito
de escasa compacidad y por consiguiente de pobres caractersticas
mecnicas, desfavorables para los objetivos de la Ingeniera Civil.
Inclusive en algunas zonas del planeta (Argentina, Ucrania, USA),
el Loess puede experimentar un fenmeno especial llamado
Colapsibilidad, que se caracteriza por una falla violenta del
suelo, cuando sufre un sbito aumento del contenido de agua, que
destruye la frgil estructura interna del suelo. En el Ecuador no es
frecuente este fenmeno, aun cuando no se lo puede descartar
totalmente en los depsitos elico-volcnicos que veremos a
continuacin, especialmente en aquellos menos plsticos y menos
compactos.
Suelo Elico Volcnico, Figura 1.7. Es el producto de una de las
fases de la erupcin del volcn, asociada con la expulsin de ceniza,
material muy fino y pocas veces del tamao de la arena. Emerge
verticalmente, luego es transportado por el viento y depositado
cuando este ltimo pierde su fuerza. En nuestro pas suele
encontrarse en extensas reas de la zona centro norte, aquella en
donde existen volcanes, como puede verse en la Figura 1.8. Las
especiales condiciones geoqumicas de la depositacin y el peso de
los depsitos superiores hacen que esta masa normalmente adquiera
una gran consistencia, razn por la cual sus caractersticas mecnicas
son generalmente buenas, favorables para la construccin de obras
civiles. El trmino ecuatoriano con el cual se lo conoce, cangahua,
hace alusin a su dureza. Sin embargo debe considerarse tambin la
descomposicin que el depsito ha debido experimentar desde su
deposicin, debido al ambiente climtico (humedad ambiental, grandes
fluctuaciones de temperatura, altas precipitaciones pluviales).
Ello hace que la respuesta mecnica de un suelo de este tipo sea muy
distinta, si comparamos por ejemplo la cangahua de la ciudad de
Quito o sus alrededores, con un elico-volcnico de la zona de Santo
Domingo de Los Colorados en el Ecuador, o de la ciudad de Mxico, en
dicho pas.
Fig 1.8
Cobertura de Cenizas Volcnicas
Fuente: Puebla, 19881.4.2.3 Suelos Transportados por el Agua
El agua corriente superficial tiene muchas formas de actuar: ro,
glaciar, lago, mar.
El suelo depositado por los ros se conoce con el nombre de
Aluvial, Figura 1.9. El ro acarrea materiales de muy diverso tamao,
los cuales se sitan a lo largo de su perfil, conforme disminuye la
velocidad de su curso, que a su vez es funcin de la pendiente
longitudinal de la geografa que atraviesa. Al disminuir estos
factores la capacidad de acarreo de la corriente se hace menor y se
depositan los materiales ms gruesos (grava y tamaos mayores), y
cada vez los de menor tamao (arena), hasta llegar a los suelos ms
finos (limo, arcilla) que yacen en las zonas planas, cerca de la
desembocadura. Debe, por esta razn, hacerse una diferenciacin muy
clara entre un Aluvial Grueso y un Aluvial fino. En efecto el
primero tendr partculas grandes y una masa densificada por la
fuerza de la depositacin, dando como consecuencia mejores
propiedades mecnicas, mientras que el segundo estar constituido por
partculas pequeas, sedimentadas a muy baja velocidad, por lo cual
se tendr una masa de suelo fino poco compacto, de inferiores
propiedades mecnicas. La inobservancia de estas caractersticas
tambin puede ser fuente de numerosos problemas a la hora de evaluar
el costo de trabajos realizados en suelos aluviales. El desgaste
que sufren las partculas ms grandes durante el arrastre del ro,
hace que su forma final sea muy semejante a la redondeada (canto
rodado), caracterstica de los depsitos mencionados.
El suelo transportado y depositado por lagos y lagunas toma el
nombre de Lacustre, Figura 1.10. Sus partculas son finas: limo y
arcilla, o arena como mximo. La velocidad de las aguas es muy
pequea, dando origen a formaciones poco compactas, con
desfavorables propiedades mecnicas. Casi siempre est asociado con
la presencia de materia orgnica, descompuesta o en proceso de
descomposicin, la que le confiere su olor (orgnico) y color (negro
o con tonalidad oscura) caractersticos y es factor predominante
para la menor calidad de sus caractersticas mecnicas.
Los suelos transportados y depositados por el agua en estado
slido, los glaciares, se denominas Glaciares o Glaciricos, Figura
1.11. La gran masa de hielo que se desprende en lo alto de las
montaas, desciende con elevada energa y arrasa con lo que encuentra
a su paso, por lo cual acarrea fragmentos grandes de forma angulosa
debido a la fracturacin. Se deposita en cualquier sitio en donde
disminuya su fuerza, al convertirse en agua lquida por el aumento
de temperatura. El depsito puede, por tanto, localizarse en la
ladera, al pie de la montaa o en el valle. Est constituido por una
masa heterognea tanto en el tamao de las partculas (predominando
los tamaos grandes) como en su constitucin mineralgica; normalmente
tiene una compacidad alta, debido a la energa de deposicin. Por
consiguiente presenta propiedades mecnicas favorables para la
construccin de obras civiles. A este grupo pertenecen las
formaciones conocidas en geologa como Morrenas. Cabe, sin embargo,
indicar que en sectores localizados, en los cuales la deposicin
ocurre en aguas relativamente tranquilas, se encontrarn suelos de
menor calidad, semejantes a los Lacustres.
Los suelos formados por el mar se denominan Marinos, Figura
1.12. Suelen ser estratificados, de acuerdo con las caractersticas
de las rocas que constituyen la costa sobre la cual actan. Se
pueden dividir en dos grupos: depsitos en la costa y a corta
distancia de la costa. Los primeros son regularmente muy complejos
debido a la mezcla y transporte que producen las olas. Los
materiales llevados al mar por los ros y sacados del mar por las
olas se depositan en forma de bancos en lugares en donde se reduce
la velocidad de la corriente. Los depsitos se mueven continuamente
a lo largo de la costa como un cordn litoral. Generalmente se
componen de suelos gruesos: grava y arenas sueltas y fragmentos de
concha. Los bancos pueden formar barreras que llegan a separar las
playas del mar, formando lagunas de costa y marismas. Los depsitos
a corta distancia de la costa tienen condiciones semejantes a los
Lacustres ya que la deposicin se produce en aguas relativamente
tranquilas, por debajo de la zona de accin de las olas. El grado de
floculacin puede ser muy grande, a causa de la salinidad del agua y
del carbonato de calcio proveniente de las conchas. Consisten en
estratos horizontales de limo y arcilla con estructura fuertemente
floculada o estratos de concha o arena calcrea con limo y arcilla,
cementados en cierto grado, denominados margas. Las gravas y arenas
cementadas constituyen excelente apoyo para cimentaciones, mientras
que los depsitos de suelos gruesos sueltos y ms aun los de suelos
finos blandos tienen propiedades mecnicas desfavorables.
1.4.2.4 Suelos Transportados por la Accin Volcnica ms el
Agua
Cuando se produce la erupcin de un volcn con hielo y nieve
permanentes en su cumbre, el incremento de temperatura ocasiona la
fusin de aquellos, dando lugar a una gran cantidad de agua que al
descender forma un flujo de lodos, conocido geolgicamente como
lahar, el cual est compuesto principalmente de piroclastos y
fragmentos de rocas volcnicas. Este flujo discurre principalmente
por las depresiones naturales existentes y se deposita con gran
energa en las zonas en que la pendiente longitudinal disminuye. El
depsito as formado se denomina Lahartico, Figura 1.13, y en general
presenta propiedades mecnicas aceptables, aun cuando, como ocurre
en el depsito glaciar, las zonas marginales extremas o laterales
pueden tener menor calidad.
Fig 1.13 Depsitos Laharticos Fuente: Diario El Comercio,
1999
1.4.2.5 Suelos Transportados por la Accin Volcnica
Los productos slidos de la erupcin (piroclastos) se depositan en
el radio de influencia de la misma, formando depsitos Piroclsticos,
Figura 1.13. Generalmente tienen partculas gruesas, con presencia
de fragmentos de roca volcnica muy porosa y ligera, conocida como
pmez. La compacidad de estos depsitos generalmente no es elevada,
razn por la cual presenta propiedades mecnicas regulares.
1.4.2.6 Suelos Transportados por el Agua ms la Gravedad
Cuando se producen precipitaciones pluviales muy intensas en
zonas montaosas con laderas de alta pendiente, las aguas que
escurren erosionan los suelos superficiales y transportan las
partculas hacia abajo, sedimentando las del tamao de la arena o
mayores al pie del talud y lavando, generalmente, las partculas
finas. El depsito as formado se denomina Aluvional, Figura 1.15, y
presenta propiedades mecnicas poco favorables debido a la forma de
la deposicin.
Fig 1.15
Depsitos Aluvionales Fuente: Bowles, 1982
1.4.2.7 Suelos Transportados por el Hombre
Para finalizar esta rpida revisin de los suelos transportados,
haremos referencia a los depsitos producidos por accin antrpica, es
decir fabricados por el hombre, Se los conoce como Rellenos
Artificiales, Figura 1.16, y tienen calidad muy variable, as como
partculas de diferente tamao. Pueden tener excelente calidad si son
fabricados bajo especificaciones (presas de tierra, por ejemplo),
pero en general presentan condiciones mecnicas deficientes pues en
su gran mayora constituyen una acumulacin de suelos, desperdicios,
basura y escombros, colocados sin ningn tratamiento.
Relleno sin compactar
Relleno bien compactado
1.5 EL SUELO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL
Tradicionalmente se ha acostumbrado creer que el suelo es un
agregado de partculas slidas inorgnicas y orgnicas, que no tienen
ninguna organizacin. Sin embargo en los captulos que se desarrollan
a continuacin se comprobar que este material tiene una organizacin
definida, adquirida a travs del tiempo, y propiedades mecnicas que
varan vectorialmente o sea en las tres dimensiones del espacio,
siendo la direccin vertical (eje z), aquella en la cual varan mucho
ms rpidamente.
Es necesario tener en mente que al afrontar problemas de diseo
relacionados con el suelo, se est tratando con un material
complejo, con numerosas variables, las cuales algunas veces parecen
desafiar todas las leyes de la naturaleza. Pero con un estudio
cuidadoso basado en un anlisis cientfico y en un sano juicio se
pueden analizar an los problemas ms difciles. La exactitud de los
resultados numricos, en general, no exceder de una o dos cifras
significativas, pero en la mayora de los casos sta resultar tan
buena como la que se obtiene al calcular los esfuerzos producidos
en una estructura bajo las hiptesis que usualmente se adoptan.
El registro del primer uso del suelo como material estructural
se perdi en la antigedad. La construccin en suelos y los problemas
asociados con ella han coexistido con la humanidad desde cuando el
hombre abandon las cavernas y empez a construir viviendas para
abrigo o canales para uso agrcola. Durante mucho tiempo el arte de
la ingeniera de suelos se bas nicamente en la experiencia; sin
embargo el avance de la ciencia y la tecnologa y la necesidad de
mejores y ms econmicos diseos, condujo a un estudio detallado de la
naturaleza y propiedades del suelo en relacin a la Ingeniera. La
publicacin de Erdbaumechanik auf bodenphysikalischer Grundlage por
Karl Terzaghi en el ao 1925, se suele considerar como el inicio de
la moderna Mecnica de Suelos. Por esta razn y por sus numerosas
contribuciones posteriores, se acostumbra considerar a dicho autor,
como el Padre de la Mecnica de Suelos.
La utilizacin del suelo para la construccin de obras civiles ha
tomado las ms diversas formas, las mismas que pueden agruparse en
dos categoras principales:
Como material de construccin (materia prima para la obra)
Como material de soporte para la construccin de obras
civiles.
En el primer caso resulta evidente que constituye el material ms
fcilmente disponible en cualquier lugar y, por consiguiente, el de
menor costo. Una pared soportante construida con adobes, un tapial,
un relleno o un terrapln de una carretera, un dique de contencin de
aguas, una presa de tierra, constituyen ejemplos de esta categora.
Cada una de aquellas obras debe ser diseada considerando las
propiedades mecnicas de los suelos que las constituyan y el estado
final en que reposen. As, inicialmente el suelo se extrae de una
cierta fuente, actividad en la cual pierde sus propiedades mecnicas
originales, luego se transporta hasta el sitio de la obra y por
ltimo se coloca utilizando una tcnica previamente establecida. El
suelo por lo tanto quedar remoldeado, condicin en la cual debern
establecerse sus propiedades mecnicas.
En el segundo caso, el suelo sustenta la nueva obra, para lo
cual dispone de propiedades mecnicas preexistentes. Estas deben
determinarse a partir de muestras del suelo obtenidas en su estado
natural, o sea inalterado. En una forma rpida esta segunda categora
de utilizacin puede ser clasificada en tres tipos:
1.5.1 Obras a travs del Suelo
O sea en su interior, Figura 1.17. Es el caso de un tnel
fabricado dentro de la masa del suelo, atravesndola con algn fin
especfico (conduccin de agua, alcantarillado, vas de comunicacin,
obras hidroelctricas). La estructura deber ser diseada considerando
las propiedades mecnicas del suelo que rodea al tnel y las del
recubrimiento que se coloque en la periferia del mismo, y no
solamente las de ste ltimo.
1.5.2 Obras en el Suelo
Es decir en su superficie, Figura 1.18. El ejemplo tpico est
constituido por un talud artificial en corte que se realice para
una carretera. En este caso la estructura ser el mismo talud que se
disear para que permanezca estable durante el perodo de vida til de
la obra, con base en las propiedades mecnicas del suelo. As un
talud diseado en un suelo ms resistente podr tener una mayor
inclinacin, tendiendo hacia los 90, mientras que un suelo menos
resistente requerir una inclinacin menor, a menos que sea ayudado
por otra estructura, un muro por ejemplo, solucin que redundar en
una elevacin del costo de la obra y que, por tanto, debe ser
implementada muy selectivamente.
1.5.3 Obras sobre el Suelo
Sobre su superficie, Figura 1.19. La tpica obra es la cimentacin
de una estructura (edificio, puente, silo, tanque, presa). Se
acostumbra confundir aquel trmino con la subestructura, cuando en
realidad el buen funcionamiento de una cimentacin depende tanto del
correcto diseo de la subestructura cuanto de una certera evaluacin
de las propiedades mecnicas del suelo que se encuentra debajo, las
mismas que permitirn la determinacin de su capacidad de
soporte.
Fig 1.19
Obras sobre el sueloFuente: Autor
REFERENCIAS
Bowles, J. (1982). Propiedades Geofsicas de los Suelos, Bogot:
Editorial McGraw-Hill.
Das, B. (2001). Fundamentos de Ingeniera Geotcnica, Mxico:
International Thomson Learning.
Lancellotta, R. (1987). Geotecnica, Bologna: Incola Zanichelli
Editore.
Sowers, G. (1972). Introduccin a la Mecnica de Suelos y
Cimentaciones, Mxico: Editorial Limusa.CAPITULO
COMPONENTES DEL SUELO Y SUS RELACIONES VOLUMTRICAS Y
GRAVIMTRICAS
2.1 FASES EN EL SUELO: SMBOLOS Y DEFINICIONES
Como qued establecido en el primer captulo, el suelo es una masa
compuesta por partculas que forman un esqueleto estructural. Entre
las partculas slidas que constituyen dicho esqueleto existen poros
que estn interconectados (no burbujas), los cuales estn ocupados
por agua u otros lquidos y aire u otros gases, o solamente por uno
de aquellos, Figura 2.1. Se presenta entonces el caso de un
material slido en cuya masa se incluyen los otros dos principales
estados de la materia.
Para facilitar el anlisis de las propiedades del suelo se ha
desarrollado el Diagrama de Fases que consiste en un prisma de
profundidad unitaria en el que, en forma ideal, se han separado las
tres fases, de manera que toda la fase slida se concentra en la
parte inferior, toda la fase lquida, en la parte media y toda la
fase gaseosa en la parte superior, Figura 2.2.
Si los diferentes volmenes se representan en el lado izquierdo
del Diagrama de Fases y los diferentes pesos en el lado derecho, el
significado de los smbolos que all constan es el siguiente.
V = Volumen total de la muestra de suelo o volumen de la masa
(volumen de suelo)
Vs = Volumen de la fase slida de la muestra (volumen de
slidos)
Vv = Volumen de los vacos de la muestra (volumen de vacos)
Vw = Volumen de la fase lquida de la muestra (volumen de
agua)
Va = Volumen de la fase gaseosa de la muestra (volumen de
aire)
Fig 2.2
Diagrama de Fases Fuente: Autor
W = Peso total de la muestra de suelo o peso de la masa (peso de
suelo)
Ws = Peso de la fase slida de la muestra (peso de slidos)
Ww = Peso de la fase lquida de la muestra (peso de agua)
Wa = Peso de la fase gaseosa de la muestra (peso de aire) (Wa =
0)
En las anteriores definiciones, vaco tiene el significado de
espacio no ocupado por slido y por tanto es sinnimo de poro. La
fase slida est conformada por las partculas minerales y la materia
orgnica, descompuesta o no; la fase lquida, por el agua libre
(aquella que se puede remover) o cualquier otro lquido existente en
los poros; la fase gaseosa, por el aire o cualquier otro gas
existente en los poros.
No debe confundirse el volumen de vacos con el volumen de aire,
ya que tanto la fase lquida como la fase gaseosa ocupan los poros
del suelo. Se tiene entonces las siguientes expresiones:
Ec. 2.1
Ec. 2.2
Ec. 2.3
Por otro lado, dentro de la masa de suelo el volumen de aire es
significativo pero su peso tiene valores muy pequeos si se compara
con los pesos de slidos y del agua; por esta razn en Mecnica de
Suelos se lo considera convencionalmente nulo. En consecuencia:
Ec. 2.4
En el Laboratorio de Mecnica de Suelos pueden medirse fcilmente
el peso y volumen de la muestra de suelo, pero la determinacin del
peso de la muestra seca, que numricamente ser igual al peso de
slidos, requiere la eliminacin de la fase lquida. El problema
radica en que a ms del agua libre, y rodeando a la partcula, existe
una pelcula de agua adsorbida (Ver 3.10) que no desaparece
totalmente cuando el suelo se somete a un proceso de evaporacin, en
un horno funcionando a temperaturas prcticas. Por otro lado, a
varios centenares de grados centgrados el suelo se volver ladrillo
o cermica, proceso en el cual se calcina la materia slida, pero
antes habr perdido otro tipo de agua, que es la de constitucin
molecular de los minerales presentes en las partculas slidas.
La Mecnica de Suelos, resuelve este problema definiendo el
estado seco de un suelo, como aquel que se obtiene al someterlo a
un proceso de evaporacin en un horno, con temperatura de 105C a
110C, durante un tiempo suficiente para llegar a peso constante. En
trminos prcticos, ello se logra en un tiempo mximo de 24 horas.
Determinado as el peso de los slidos y conociendo el peso
unitario de la fase slida, que se definir en el siguiente numeral,
se puede proceder a establecer todos los otros valores del Diagrama
de Fases. Cabe recalcar que tanto el volumen como el peso de los
slidos pueden considerarse como constantes dentro de la masa del
suelo, lo cual se cumple siempre y cuando no se calcinen las
partculas slidas.2.2 RELACIONES ENTRE PESOS Y VOLMENES
Peso y volumen se relacionan mediante el concepto de peso
unitario, es decir el peso por unidad de volumen. En Mecnica de
Suelos, y dada la presencia de tres fases, se utilizan los
siguientes pesos unitarios.
2.2.1 Peso unitario del agua destiladaA 4 C de temperatura y a
la presin atmosfrica correspondiente al nivel del mar. En el
sistema mtrico o en derivados del mismo, es igual a la unidad o a
una potencia entera de 10.
o = 1000 kg / m3 = 1 t / m3 = 1 g / cm3 (9.807 kN/m, en el
sistema SI).
2.2.2 Peso unitario del agua a cualquier presin y temperatura.
Es el cociente entre el peso del agua y su volumen. En los trabajos
prcticos de suelos su valor difiere poco del anterior y por lo
mismo se asumir igual, salvo casos especiales.
Ec. 2.5Ntese que, como consecuencia de lo anterior, el peso y el
volumen del agua son numricamente iguales.
2.2.3 Peso unitario de la fase slida
Es el cociente entre el peso de slidos y su volumen.
Ec. 2.6
La fase slida est constituida principalmente por partculas
minerales provenientes de la desintegracin de la roca, por lo cual
normalmente sus valores varan en un estrecho rango entre 2.5 y 3.0
g/ cm. Solo en el caso de que exista materia orgnica, tambin
constitutiva de la fase slida, el peso unitario de slidos tendr
valores menores, con un lmite inferior del orden de 2.0 g/cm. Por
el contrario, si los valores fueren mayores a 3.0 g/cm, se tendra
una evidencia de que el suelo proviene de una roca
mineralizada.2.2.4 Peso unitario total del suelo (o de la masa). Es
el cociente entre el peso total del suelo (slidos ms agua) y el
volumen total del suelo (slidos ms vacos).
Ec. 2.7
El peso unitario del suelo vara en un rango ms amplio
dependiendo de la cantidad de vacos que tenga el suelo. Se aceptan,
a nivel internacional, valores extremos entre 1.1 g/cm (casi tan
liviano como el agua) y 2.3 g/cm (casi tan pesado como el hormign
fresco). Conforme se ver ms adelante en nuestro pas se pueden
encontrar valores extremos como los antes indicados, siendo mayores
en la Sierra (aproximadamente entre 1.5 y 2.3 g/cm), menores en la
costa (aproximadamente entre 1.4 y 2.0 g/cm) y an menores en las
zonas subtropicales occidental y oriental (aproximadamente entre
1.1 y 1.5 g/cm).
2.2.5 Peso especfico (o peso especfico relativo) del suelo. Es
el cociente entre el peso unitario del suelo y el peso unitario del
agua a 4 C y una atmsfera de presin. En el sistema mtrico, por
tanto, peso unitario y peso especfico son numricamente iguales,
pero ste ltimo carece de unidades.
Ec. 2.8
2.2.6 Peso especfico (o peso especfico relativo) de slidos. Es
el cociente entre el peso unitario de slidos y el peso unitario del
agua a 4 C y una atmsfera de presin. Tambin es numricamente igual
al peso unitario de slidos, pero carece de unidades.Ec. 2.9
2.3 RELACIONES FUNDAMENTALES
Son relaciones sencillas y prcticas que, sin embargo,
proporcionan informacin muy importante respecto a las propiedades
fsicas del suelo, y permiten el manejo comprensible de sus
propiedades mecnicas.
Son de tipo volumtrico y gravimtrico y su dominio es
indispensable para la comprensin de los temas que se abordan en los
siguientes captulos.
Para cada relacin se proporcionarn valores mximos y mnimos tanto
a nivel internacional como nacional, haciendo nfasis en la
relatividad de esa informacin y. por consiguiente, en la prudencia
con que debe entenderse.
2.3.1 Contenido de Agua o Humedad (W)Es la relacin por cociente
entre el peso del agua contenida en un suelo y el peso de los
slidos del mismo, expresada siempre en porcentaje. Es por tanto una
relacin gravimtrica.
Ec. 2.10
Tericamente sus valores extremos son 0 (ausencia de agua) e
(solo agua). El valor mnimo se puede encontrar en condiciones
excepcionales (desiertos) o se puede alcanzar en un laboratorio. El
valor mximo hallado es de alrededor de 1400% en arcillas japonesas.
En el Ecuador los valores extremos oscilan entre 1% y 500 - 600%.
En la Sierra ecuatoriana prevalecen valores entre 10 y 50%, en la
Costa entre 20 y 120%, y en las zonas subtropicales, occidente y
oriente, entre 40 y 600%. Es conocido que mientras mayor sea la
humedad del suelo, ms complejos resultan los trabajos de cimentacin
a causa de sus desfavorables propiedades mecnicas.
2.3.2 Relacin de Vacos (e)
Tambin conocida como ndice de Poros o ndice de huecos. Es la
relacin por cociente entre el volumen de vacos y el volumen de
slidos, expresada siempre en forma decimal. Por consiguiente es una
relacin volumtrica.
Ec. 2.11
Sus lmites matemticos son tambin 0 (solo fase slida) e (espacio
vaco). En la naturaleza no existen suelos sin poros (hasta la roca
los tiene), siendo 0.25 el mnimo valor encontrado y 15 el mximo. En
el Ecuador los valores oscilan entre 0.25 y 6 a 7. A manera de
comparacin el valor que se obtiene en una piedra pmez es del orden
de 2.4 y en una esponja es 47. Los suelos muy compactos que
presentan mejores propiedades mecnicas, tienen pocos vacos y en
consecuencia su relacin de vacos ser pequea. A medida que aumenta
el valor de e, el suelo tendr ms vacos y por consiguiente sus
propiedades mecnicas sern ms desfavorables, especialmente la
compresibilidad, que tender a ser muy alta.
2.3.3 Porosidad (n)
Es la relacin por cociente entre el volumen de vacos y el
volumen total. Se puede expresar como porcentaje o en forma
decimal. Tambin es una relacin volumtrica.
Ec. 2.12
Matemticamente sus lmites son 0 (solo fase slida) y 100%
(espacio vaco). En la naturaleza los lmites encontrados son 20% y
94%. En Ecuador son 20% y 88%. La relacin cualitativa entre la
porosidad y el comportamiento mecnico del suelo, es semejante a la
expuesta en el numeral anterior.2.3.4 Grado de Saturacin (Sr)
Tambin conocida simplemente como Saturacin. Es la relacin por
cociente entre el volumen del agua y el volumen de vacos, expresada
siempre en porcentaje. Es otra relacin volumtrica.
Ec. 2.13
Sus lmites tericos son 0% y 100% y, en este caso, s existen en
la naturaleza suelos que pueden alcanzar esos valores extremos. Al
primero (Sr=0%) se le denomina suelo seco y al segundo (Sr=100%),
suelo saturado. En los suelos superficiales de los desiertos puede
tenerse el primer caso, mientras que los suelos saturados son mucho
ms frecuentes, ya sea por capilaridad o porque yacen bajo el nivel
fretico (Captulo 4). Naturalmente, otro caso muy frecuente es el
del suelo semisaturado, aquel cuyo grado de saturacin oscila entre
los valores antes indicados. Conforme se ver ms adelante. el grado
de saturacin tiene decisiva importancia en el comportamiento
mecnico del suelo. En general, mientras mayor sea este valor, ms
desfavorables sern sus propiedades mecnicas.
2.3.5 Correlacin entre Relacin de Vacos y PorosidadA primera
vista pudiera parecer redundante que se hayan definido dos
relaciones para analizar una misma caracterstica, la cantidad de
poros en un suelo. Sin embargo, la porosidad, concepto comn para
sta y otras ciencias, relaciona dos parmetros que son variables
cuando se analizan las propiedades mecnicas del suelo, la
compresibilidad por ejemplo. Ello hizo necesario que la Mecnica de
Suelos defina otra relacin con un parmetro, el volumen de slidos,
que se mantiene constante cuando se realiza el anlisis antes
indicado. Lo anterior hace necesario encontrar una correlacin entre
la relacin de vacos y la porosidad.
En efecto, si en el diagrama de fases se asume unitario el valor
del volumen de slidos, entonces el volumen de vacos vale e y el
volumen total (1+ e) y en consecuencia:
Ec. 2.14
Despejando e tendremos la relacin inversa. Cabe aclarar que en
este caso n debe ser utilizado en su forma decimal.
Ec. 2.15
2.4 PESO UNITARIO SECO Y SATURADO
Son dos valores caractersticos del peso unitario de todo suelo:
cuando no tiene agua (Sr= 0%) el primero, y cuando el agua llena
todos sus poros (Sr =100%), el segundo.
2.4.1 Peso Unitario Seco ((d )
Si observamos el diagrama de fases de la Figura 2.3, se verifica
que en este caso el suelo tiene solamente dos fases: slida y
gaseosa. La fase gaseosa ocupa todo el volumen de vacos. Por tanto,
el peso unitario del suelo en estado seco ser:
Ec. 2.16
2.4.2 Peso Unitario Saturado ((sat)
En este caso tambin se tienen dos fases: slida y lquida. La fase
lquida ocupa todo el volumen de vacos. El peso unitario del suelo
en estado saturado ser (Figura 2.4):
Fig 2.4 Diagrama de Fases: Suelo SaturadoFuente: Autor
Ec. 2.17
Entendiendo que el peso de agua Ww ser el necesario para que
todo su volumen de vacos est ocupado por agua.
Si se considera constante la relacin de vacos, el peso unitario
del suelo en estado natural oscila entre el peso unitario seco y el
peso unitario saturado, segn su grado de saturacin ((d ( ( ( (sat).
Por esta, razn tambin se lo conoce como peso unitario hmedo.
2.5 PESO UNITARIO SUMERGIDO (( )
Un suelo que se encuentra bajo el nivel fretico puede
considerarse que est saturado, hiptesis razonable para la gran
mayora de casos. Sin embargo tambin est sumergido, por lo cual
sufre un empuje ascendente que, de acuerdo con el principio de
Arqumedes, es igual al peso del volumen de lquido desalojado (Ww).
Su peso total ser menor (peso aparente = W) y por consiguiente
tambin su peso unitario, al cual se conoce como peso unitario
sumergido.
Se tiene entonces que:
Como el volumen no cambia, V = V = Vw
Y en consecuencia:
Ec. 2.18
Si (w = 1
Ec. 2.19
En la Tabla 2.1 se presenta el peso especfico de slidos de
algunos de los minerales que constituyen la fase slida del suelo.
En la Tabla 2.2, el rango de valores de las propiedades ndice para
diferentes suelos, y en la Tabla 2.3, varias relaciones entre las
diferentes propiedades estudiadas. Como ejercicio se sugiere
utilizar el diagrama de fases para comprobar dichas
relaciones.MineralPeso especfico de slidos (s
(g/cm3)
Cuarzo2.65
Caolinita2.60
Ilita2.80
Montmorillonita2.65 2.80
Haloisita2.00 2.55
Feldespato de potasio2.57
Feldespato de sodio y calcio2.62 2.76
Clorita2.60 2.90
Biotita2.80 3.20
Moscovita2.76 -3.10
Hornablenda3.00 3.47
Limonita3.60 4.00
Olivita3.27 - 3.37
Tabla 2.1 Peso especfico slidos de algunos minerales Fuente:
Das, 2001
Terreno
(-)n (%)e (-) w (%)(d (kN/m3)( (kN/m3)
Grava25 -400.3 0.67-14 -2118 -23
Arena25 -500.3 1.0-13 -1816 -21
Limo35 -500.5 1.0-13 -1916 -21
Arcilla blanda40 -700.7 2.340-10007 -1314 -18
Arcilla dura 30 -500.4 1.020-4014 -1818 -21
Turba75 -953.0 19200-60001 -0510 -13
Tabla 2.2 Rango de valores de propiedades ndice de algunos
suelos Fuente: Lancellotta, 1987
Tabla 2.3 Relaciones entre propiedades ndice Fuente:
Lancellotta, 1987
2.6 VALORES EN SUELOS ECUATORIANOS TPICOS
La Tabla 2.4 resume las propiedades ndice (nombre genrico para
todas las propiedades vistas en este Captulo) de unos pocos suelos
provenientes de las diferentes regiones del pas. El anlisis de la
misma permitir un acercamiento hacia el refuerzo de los conceptos
estudiados, as como al conocimiento de los valores que se pueden
esperar en la prctica profesional y a la prediccin de la
problemtica a resolver en cada caso.No.
SueloLugar(s (g/cm3)( (g/cm3)ew
(%)Sr
(%)
1CangahuaU. Central Quito2.611.640.791550
2LimoAv. Coln Quito2.551.870.6324100
3Limo orgnicoUrb. Jipijapa Quito2.451.581.305796
4Arcilla limosaSuburbio Guayaquil2.771.473.00105100
5Limo trpico andinoMontfar - Prov. Carchi2.581.303.6814390
6Limo trpico andinoEl Carmen Manab2.621.226.55250100
7Limo orgnicoEl Beaterio Quito2.491.223.8613889
8ArcillaCalceta Manab2.651.891.526075
9Limo arcillosoMera - Prov. Pastaza2.601.146.2527390
10Limo arcillosoBloque 7 - Prov. Orellana2.651.651.545898
Tabla 2.4 Relaciones fundamentales: Valores en suelos
ecuatorianos tpicos Fuente: Autor
Analizando la Tabla anterior, por columnas, se puede llegar a
las siguientes conclusiones:
El peso unitario de los slidos vara en un estrecho rango entre
2.55 y 2.77 g/cm. Solo se exceptan los suelos 3 y 7, los cuales,
por ser lacustres, tienen materia orgnica.
Por el contrario el peso unitario total del suelo, vara en un
rango mucho mayor, entre 1.14 y 1.89 g/cm. Ntese que esta variacin
es inversamente proporcional al valor de la relacin de vacos. As
los suelos con mayor relacin de vacos (5, 6, 7, 9) tienen los
menores pesos unitarios, y los suelos con menor relacin de vacos
(1, 2, 3, 8) tienen los mayores pesos unitarios.
En suelos saturados o con grado de saturacin cercano a 100%,
existe una relacin directa entre la relacin de vacos y la humedad.
As, suelos con alta relacin de vacos (5, 6, 7, 9) tienen una gran
cantidad de poros en donde se puede almacenar mayor cantidad de
agua (w = 138 273%).
No existe una relacin directa entre humedad y grado de
saturacin. Un suelo con bajo valor de humedad (2) puede estar
saturado, y uno con alto valor de humedad (9) puede no estarlo. La
razn de ello se encuentra en el valor de la relacin de vacos. El
suelo 2 se puede saturar con un bajo valor de humedad, porque tiene
baja relacin de vacos (e = 0.63). El suelo 9, a pesar del alto
valor de humedad que posee, no est saturado porque su cantidad de
vacos es muy grande (e = 6.25). Tericamente tampoco existe una razn
para que humedad y grado de saturacin estn directamente
relacionadas. En efecto, la primera es una relacin gravimtrica y la
segunda es volumtrica.
Si ahora analizamos la Tabla 2.4, por filas, se puede llegar a
las siguientes conclusiones:
En la Sierra ecuatoriana predominan los suelos de desintegracin
mecnica, en su mayora transportados, con propiedades generalmente
favorables: alto peso unitario, baja relacin de vacos y baja
humedad. Los suelos 1 y 2, son ejemplos tpicos.
La excepcin generalmente se tiene en los depsitos lacustres
orgnicos, cuyas propiedades son inferiores. As, no solo disminuye
el peso unitario de los slidos, sino tambin el peso unitario total,
a la vez que aumentan la relacin de vacos y la humedad. Es el caso
de los suelos 3 y 7.
En la Costa y Oriente ecuatorianos, los suelos han sido
originados en su mayora por procesos de descomposicin qumica, y
pueden ser residuales o transportados. Las propiedades tienden a
desmejorar: menos peso unitario total, ms relacin de vacos, ms
humedad; pero son generalmente mejores en los residuales (suelos 8
y 10) que en los transportados (suelo 4).
Sin embargo, los suelos que presentan peores propiedades ndice y
por consiguiente mayores problemas para el diseo y construccin de
obras de Ingeniera, son los llamados suelos de subtrpico o trpico
andinos, que se localizan en las laderas occidental y oriental de
la cordillera de los Andes. En esas regiones a travs del tiempo
siempre se han tenido condiciones climticas adversas: altas
precipitaciones pluviales, alta humedad ambiental, acusadas
variaciones de temperatura, todo lo cual ha devenido en una intensa
meteorizacin del suelo, y en consecuencia, en propiedades
desfavorables: elevada relacin de vacos, alta humedad, elevado
grado de saturacin y bajo peso unitario. Es el caso de los suelos
5, 6 y 9.
2.7 EJERCICIOS1. Un bloque de suelo pesa 20400 g y tiene un
volumen de 12000 cm3. Luego de secado al horno pesa 18200 g. El
peso unitario de los slidos es 2.67 g/cm. Calcular las relaciones
fundamentales.
Para resolver el problema se utiliza el diagrama de fases. En el
que se muestra a continuacin, se ha incluido directamente los
valores de W, V y Ws (numricamente igual al peso del suelo seco).
Los pesos estn expresados en gramos y los volmenes en cm.
Conociendo el peso total y el peso de los slidos
Ww = W Ws = 20400 18200 = 2200
El volumen de agua es numricamente igual al peso del agua, Vw =
2200
El volumen de slidos ser:
Vs = Ws/(s = 18200/2.67 = 6816.48 Por tanto el volumen de vacos
es:
Vv = V Vs = 12200 6816.48 = 5383.52
Y, finalmente el volumen de aire:
Va = Vv Vw = 5383.52 2200 = 3183.52Con lo cual se completan los
valores del diagrama de fases. Para determinar las relaciones
fundamentales, simplemente se aplica cada una de las
correspondientes ecuaciones.
w = (Ww/Ws) * 100 = (2200/18200) * 100 = 12.1%
e = Vv/Vs = 5383.52/6816.48 = 0.790
n = (Vv/V) * 100 = (5382.52/12200) * 100 = 44.1%
Sr = (Vw/Vv) * 100 = (2200/5383.52) * 100 = 40.9%
Se recomienda expresar los resultados con una cifra decimal
cuando se trate de porcentajes, y con tres cifras decimales en caso
contrario. 2. El peso unitario de un suelo saturado es 2.05 g/cm y
su humedad 23%. Calcular el peso unitario de slidos.
An cuando en este caso no existe ningn valor del diagrama de
fases, siempre es posible recurrir al mismo para facilitar la
resolucin del problema. Para ello asumimos unitario un valor del
diagrama y encontramos todos los dems, en relacin con esta
hiptesis. Ntese que en este ejercicio solo se tiene dos fases
porque el suelo est saturado.
Fig 2.6 Diagrama para Ejercicio 2
Fuente: Autor
Si Ws = 1 y w = (Ww/Ws) * 100
Ww = (w/100) * Ws = 0.23 * 1 = 0.23 y Vw = Vv = Ww = 0.23;
W = Ww+Ws = 1 + 0.23 = 1.23
Como ( = 2.05 g/cm
V = W/( = 1.23/2.05 = 0.60
y por consiguiente, Vs = V Vv = 0.60 0.23 = 0.37
Finalmente, (s = Ws/Vs = 1/0.37 = 2.703 g/cm.
Es recomendable hacer unitario un valor de volumen si existen
datos respecto a relaciones volumtricas. Si los datos se refieren a
relaciones gravimtricas, entonces se escoge unitario un peso. Si
los datos se refieren a pesos unitarios se puede hacer unitario
indistintamente un peso o un volumen. Cabe anotar que siempre
existirn varias maneras de resolver un mismo ejercicio.
3. Un suelo tiene una relacin de vacos de 0.600, un peso
unitario de slidos de 2.75 g/cm y un grado de saturacin de 70%.
Determinar la humedad, el peso unitario del suelo, el peso unitario
seco y el peso unitario saturado.
En el diagrama de fases asumimos Vs = 1, en consecuencia Ws =
2.75. Los pesos estn expresados en gramos y los volmenes en cm.
Si e = 0.6 y e = Vv/Vs, entonces Vv = 0.6; V = Vv + Vs = 1+ 0.6
= 1.6
Sr = (Vw/Vv) * 100, por tanto, Vw = (Sr/100) * Vv = (70/100) *
0.6 = 0.42Fig 2.7
Diagrama para Ejercicio 3
Fuente: Autor
Va = Vv - Vw = 0.6 0.42 = 0.18, yWw = Vw = 0.42; W = Ws + Ww =
2.75 + 0.42 = 3.17. Se completa el diagrama de fases.w =
(0.42/2.75) * 100 = 15.3%
( = (3.17/1.6) = 1.981 g/cm
( d = Ws/V = 2.75/1.6 = 1.719 g/cm
( sat = (Ws + Ww)/V = (2.75 + 0.6)/1.6 = 2.094 g/cm
Ntese que Ww = 0.6, es el peso de agua necesario para que el
agua ocupe todos los vacos.
Se comprueba que (d ( ( ( (sat (1.719 g/cm ( 1.981 g/cm( 2.091
g/cm)
4. Un suelo saturado tiene un contenido de agua de 47% y su
relacin de vacos es 1.31. Calcular el peso por m y el peso unitario
de slidos.
En el diagrama de fases asumimos Ws=1 y en consecuencia Ww=0.47
y W =1+ 0.47 =1.47
En este caso los pesos estn expresados en toneladas y los
volmenes en m.
Como el suelo est saturado: Vw = Vv = 0.47 ; Vs = Vv/e =
0.47/1.31 = 0.359
y V = 0.47 + 0.359 = 0.829
Fig 2.8 Diagrama para Ejercicio 4
Fuente: Autor
( = (1.47/0.829) = 1.773 g/cm
(s = 1/0.359 = 2.786 g/cm.
5. Un suelo tiene un peso unitario de 1 745 kg/m y un contenido
de agua de 6%. Cuantos litros de agua debe aadirse a cada m de
suelo, para que la humedad suba a 15% suponiendo que la relacin de
vacos permanece constante?
Como el peso unitario est dado en kg/m, los pesos estn
expresados en kilogramos y los volmenes en m. Para que la respuesta
sea directa, asumimos V = 1 y por tanto W = 1 745
Fig 2.9 Diagrama para Ejercicio 5
Fuente: Autor
Ws = W/{1 + (w/100)} Ws = 1745/{1+(6/100)} = 1646.23.Para que la
humedad llegue al 15% se debe aumentar el 9%. Utilizando la frmula
de humedad:
Ww = (w/100) * Ws = (9/100) * 1646.23 = 148.16 kg
Como (w = 1000 kg/m, Vw = 0.148 m = 148.16 lt
Este ejercicio ilustra la importancia de hacer compatibles las
unidades. Por otro lado, aunque el diagrama de fases ha quedado
incompleto, se lo pudo utilizar para resolver el
problema.REFERENCIAS
Das, B. (2001). Fundamentos de Ingeniera Geotcnica, Mxico:
International Thomson Learning.
Lancellotta, R. (1987). Geotcnica, Bologna: Incola Zanichelli
Editore.CAPITULO
LOS SLIDOS EN EL SUELO
La fase slida contribuye, en buena medida, en la determinacin
del comportamiento mecnico del suelo, y como ya se ha visto est
constituida por granos o partculas minerales y en menor grado por
materia orgnica. Por consiguiente, el anlisis de la influencia de
los slidos en el suelo debe considerar las caractersticas de la
partcula, y de stas las que ms interesan en el presente caso:
forma, tamao y composicin mineralgica.
3.1 FORMA DE LA PARTCULA
Tiene mucha importancia en el comportamiento mecnico del suelo.
Sin embargo, medirla o describirla cualitativamente resulta difcil,
dado que en la naturaleza muy rara vez se encuentran partculas con
las formas regulares conocidas. Por esta razn se agrupa la forma de
los granos en tres clases: equidimensional, laminar y acicular,
siendo las dos primeras las ms importantes.
Por otro lado la forma de las partculas es diferente en los
suelos gruesos con respecto a la de los suelos finos, conforme se
indica a continuacin.
3.1.1 Forma en los suelos gruesos
En estos suelos predomina la forma equidimensional, aquella en
la cual las tres dimensiones del espacio, largo, ancho y espesor,
son del mismo orden de magnitud, o sea que esas dimensiones son
comparables o semejantes. Estas partculas se forman principalmente
por la desintegracin mecnica de la roca y rara vez son menores que
0.001 mm de dimetro.
La angulosidad o redondez de las partculas es muy difcil de
medir, razn por la cual se la describe de manera cualitativa,
conforme se indica en la Figura 3.1. Con referencia a la misma:
3.1.1.1 Partculas angulosasSon aquellas que tienen aristas (lados)
y vrtices (puntas) definidos, formadas principalmente por la
trituracin de las rocas.
3.1.1.2 Partculas subangulosasSe tienen cuando los vrtices estn
desgastados y las aristas ms afiladas se han suavizado.
3.1.1.3 Partculas subredondeadasSon aquellas en que tanto las
aristas, como los vrtices se han desgastado.
3.1.1.4 Partculas redondeadasSi adems de no tener aristas ni
vrtices, tienden a la forma esfrica se tiene una partcula
redondeada.
Las partculas pequeas de arena cuando estn cerca de su lugar de
origen tienden a ser muy angulosas, mientras que las gravas y
cantos del mismo lugar son subangulosas a subredondeadas y las que
se depositan a mayor distancia son redondeadas. Las partculas de
arena de playa, batidas por las olas y el viento, tienen formas
entre subangulosas y redondeadas, segn el mineral y la distancia a
la que se encuentren respecto a su lugar de origen. Las arenas
transportadas por el viento, que ruedan y se depositan en mdanos,
se vuelven muy redondeadas, mientras que las mismas arenas
depositadas en agua son ms angulosas.
3.1.2 Forma en los suelos finos
Fig 3.2
Forma de las Partculas en Suelos Finos Fuente: Bowles, 1982
En estos suelos predominan las partculas de forma laminar,
aquella en la cual dos dimensiones prevalecen sobre la tercera, o
sea que la tercera dimensin tiene una magnitud insignificante
respecto a las otras dos, como sucede con una hoja de papel (Figura
3.2). Se originan preponderantemente en la descomposicin qumica de
la roca y actan como muelles separando los granos equidimensionales
del suelo, hacindolo elstico. Si estn orientadas al azar pueden
resistir los desplazamientos. Si estn empaquetadas paralelamente,
resisten los desplazamientos perpendiculares, pero se pueden
desplazar fcilmente en la direccin paralela a sus superficies.
En menor cantidad puede encontrarse en los suelos finos,
partculas de forma acicular o sea aquella en la cual una sola
dimensin prevalece sobre las otras dos, es decir que dos
dimensiones tienen una magnitud insignificante respecto a la
primera. Es el caso de una aguja, de donde proviene su nombre.
Estas partculas se encuentran principalmente en algunos depsitos de
coral y en las arcillas atapulgticas (Ver 3.9.3.3).
3.2 INFLUENCIA DE LA FORMA EN EL COMPORTAMIENTO MECNICO
3.2.1. Si comparamos dos suelos gruesos, gravas por ejemplo, el
uno constituido por partculas de forma angulosa y el otro por
partculas de forma redondeada, manteniendo constante el tamao de
las partculas y su constitucin mineralgica, el comportamiento
mecnico de los dos suelos ser bastante distinto.
En efecto, la masa de partculas angulosas tendr ms resistencia
al corte y menos deformacin que la masa de partculas redondeadas.
Ello debido a la trabazn entre los granos de la masa con partculas
angulosas. Recurdese que este principio es bsico para preferir
agregados triturados como material de construccin: hormign o bases
y subbases para carreteras.
Sin embargo, la masa de partculas angulosas tendr falla frgil,
es decir una ruptura violenta de su estructura con prdida de su
capacidad para resistir cargas. El diseo con este material requerir
por tanto un mayor factor de seguridad para alejarse del valor en
donde se producir ese colapso.
Por el contrario, la masa de partculas redondeadas experimentar
una falla plstica que implica una gran deformacin pero sin prdida
total de su capacidad de resistir cargas.
3.2.2. Si comparamos una masa constituida con partculas
equidimensionales y otra con partculas laminares, un suelo grueso
frente a un suelo fino por ejemplo, veremos que la primera soporta
cargas estticas de consideracin con pequea deformacin,
especialmente si los granos son angulosos. Por el contrario la masa
de partculas laminares se comprime y deforma fcilmente, como lo
hacen las hojas secas de los rboles o los papeles sueltos en un
cesto.3.2.3 El comportamiento se invierte si se aplica carga
dinmica: vibracin o sismo, por ejemplo. As, la masa de partculas
equidimensionales experimentar mayor desplazamiento entre granos,
lo cual se reflejar en una mayor deformacin, mientras que la masa
de partculas laminares ser relativamente estable. Observe que en la
prctica el hormign se compacta por vibracin y los suelos finos con
rodillos pesados.
3.2.4 Finalmente, otro importante efecto de la forma de las
partculas es su influencia sobre la superficie especfica (Se) en
los suelos. Se denomina superficie especfica a la relacin entre el
rea superficial de un material y su volumen o masa.
Ec. 3.1
En donde:
S = rea superficial, y
V = volumen
Se comprueba que la forma laminar da lugar a una superficie
especfica mucho mayor que la forma equidimensional. Para
demostrarlo calculemos la superficie especfica de una hoja de
papel, suponiendo que sus dimensiones son 30 cm de largo, 20 cm de
ancho y 0.01 cm de espesor. Entonces:
S = 2*20*30 = 1.200 cm
V = 20*30*0.01 = 6 cm
Se = 1200/6 = 200 cm/cm
Si ahora determinamos el dimetro de una esfera de igual volumen,
llamado dimetro equivalente (De).De = (6V/1/3 = (6*6/)1/3 = 2.25
cm
La superficie de esa esfera ser:
S = D2 = 15.9 cm
Y entonces:
Se = 15.9/6 = 2.65 cm/cm
La hoja de papel tiene, por tanto, 75 veces ms superficie
especfica que la esfera de volumen equivalente.
En fsica se comprueba que si un material tiene ms masa (y
volumen) que superficie, su comportamiento mecnico ser determinado
por las fuerzas gravitacionales. En cambio, si tiene ms superficie
que masa (mayor superficie especfica) su comportamiento mecnico ser
determinado por las fuerzas superficiales (electroqumicas, por
ejemplo).
Como conclusin final, el comportamiento mecnico del suelo grueso
(menor superficie especfica) ser gobernado por las fuerzas
gravitacionales, y el de los suelos finos, por las fuerzas
superficiales.
3.3 TAMAO DE LAS PARTCULAS
En la naturaleza se puede encontrar la ms completa variedad de
tamaos de partculas de suelos, desde el tamao mximo que puede
considerarse como partcula de suelo (Ver 1.2.2) hasta el tamao ms
pequeo, del orden de 1x10-6 mm o sea en una escala de 1 a 1 billn
aproximadamente. La gran magnitud de esta escala puede apreciarse
teniendo en cuenta, que es una relacin semejante a la existente
entre una canica y el globo terrqueo.
Ante tal diversidad, y con el objeto de racionalizar el
conocimiento, la Mecnica de Suelos divide toda la escala de tamaos
en unos ciertos rangos o secciones. Se asigna un nombre a la
partcula cuyo tamao se encuentre dentro de esos rangos, como se
indica en la Tabla 3.1. En las Tablas 3.2 y 3.3 se exponen los
criterios de la American Society for Testing of Materials (ASTM) y
del M.I.T. respecto al mismo tema.
NombreTamaoTamiz
Desde ( mm )Hasta ( mm )
Bloque o Boleo305En adelante> 12
Canto76 cC > 3GPGrava mal gradada
Grava sucia: ms del 12 % de finosSi los finos son ML o MHGMGrava
limosa
Si los finos son CL o CHGCGrava arcillosa
Arena: 50 % o ms de la fraccin gruesa pasa el tamiz N 4Arena
limpia: menos del 5 % de finosCU 6 y 1 cC 3SWArena bien gradada
CU < 6 y/o 1 > cC > 3SPArena mal gradada
Arena sucia: ms del 12 % de finosSi los finos son ML o MHSMArena
limosa
Si los finos son CL o CHSCArena arcillosa
SUELOS FINOS: 50 % o ms pasa el tamiz N 200Limos y arcillas con
lmite lquido menor que 50%InorgnicoIP > 7; en o sobre lnea
"A"CLArcilla
IP < 4; bajo la lnea "A"MLLimo
OrgnicoOLArcilla orgnica o limo orgnico
Limos y arcillas con lmite lquido igual o mayor que
50%InorgnicoIP en o sobre la lnea "A"CHArcilla
IP bajo la lnea "A"MHLimo
OrgnicoOHArcilla orgnica o limo orgnico
SUELOS ALTAMENTE ORGNICOMateria orgnica abundante, color oscuro,
olor orgnicoPTTurba
Tabla 5.1
Sistema de clasificacin SUCSFuente: Norma ASTM D 2487-98Para
separar los suelos gruesos de los finos el SUCS utiliza un criterio
granulomtrico y una evaluacin de la cantidad. Si ms del 50% de las
partculas del suelo se retienen en el tamiz N 200, es un suelo
grueso. Si el 50% o un porcentaje mayor de las partculas del suelo
pasan el tamiz N 200, es un suelo fino.
Los suelos gruesos a su vez se dividen en dos grandes grupos:
gravas (prefijo G, de gravel) y arenas (prefijo S, de sand). El
criterio para separarlos es otra vez granulomtrico: si ms del 50%
de la fraccin gruesa (solo de esa fraccin) se retiene en el tamiz N
4, es una grava y si el 50% o un porcentaje mayor de la fraccin
gruesa pasa el tamiz N 4, es una arena.
Los suelos finos, atendiendo a sus condiciones de plasticidad
(directamente relacionada con las propiedades mecnicas del suelo
fino, conforme se detall en el Captulo 4) y a su contenido orgnico
(tambin influyente en su comportamiento) se dividen en otros tres
grandes grupos. El primero est constituido por los suelos no
plsticos o poco plsticos llamados limos (prefijo M, del sueco mo a
mjala); el segundo incluye los suelos plsticos denominados arcillas
(prefijo C, de clay), y el tercero corresponde a los suelos
orgnicos, (prefijo O, de organic). Ntese que el smbolo de limo es
el nico que no proviene de la inicial en idioma ingls pues se
hubiese confundido con la arena (limo: silt).Establecidos as los
seis grandes grupos: gravas, arenas, limos, arcillas, orgnicos y
muy orgnicos, pasamos a detallar la conformacin de los diferentes
grupos.
5.4.1 Clasificacin de las Gravas
Durante la ejecucin de la investigacin previa al establecimiento
del SUCS se encontr que en todo suelo grueso la cantidad de finos
existente influye en su comportamiento mecnico, a menos que sea
menor al 5%,. Si la fraccin fina es mayor que el 12% la influencia
es decisiva. Nacen entonces los grupos de gravas limpias (fraccin
fina menor que 5%) y de gravas sucias (fraccin fina mayor que el
12%).
Tampoco todas las gravas limpias tienen un comportamiento
similar, sino que ste puede variar de conformidad con la buena o
mala gradacin de sus partculas (Ver 3.7). Se llega as a los grupos
de gravas bien gradadas (CU 4, 1 ( cC ( 3) y gravas mal gradadas,
si no cumplen con estos requisitos.
Para denotar este calificativo el SUCS establece un sufijo que
hace relacin al mismo. As se tiene los dos primeros smbolos SUCS,
correspondientes a las gravas bien gradadas, GW (sufijo W: well
graded) y las gravas mal gradadas, GP (sufijo P: poor graded).
Advirtase que hasta aqu toda la clasificacin se ha hecho con base
en criterios granulomtricos conforme puede verse en la Tabla
5.1.
En las gravas sucias tambin se tienen diferencias en el
comportamiento mecnico segn la plasticidad de los finos (arcillosos
o limosos). De esta caracterstica derivan los grupos de gravas
arcillosas, GC (sufijo C) y gravas limosas, GM (sufijo, M). Esta
ltima diferenciacin se har aplicando en la fraccin fina del suelo
grueso los criterios de plasticidad que se detallan ms adelante,
cuando se aluda a la clasificacin de los suelos finos.
Los cuatro smbolos antes mencionados son los nicos con los
cuales puede clasificarse una grava. Conforme lo especifica el
SUCS, solo cabe un doble smbolo para los casos especficos de
frontera que se indican a continuacin.
Si los finos son arcillo-limosos la clasificacin ser:
GC-GM, grava arcillo - limosa.
Para el caso en que el contenido de finos sea igual o mayor que
el 5% y menor o igual al 12%, se puede tener cuatro posibles dobles
smbolos:
GW-GM, grava bien gradada con limo.
GW-GC, grava bien gradada con arcilla.
GP-GM, grava mal gradada con limo.
GP-GC, grava mal gradada con arcilla.
Los correspondientes ensayos de granulometra y plasticidad
permitirn definir cual de estos doble smbolos es el correcto para
un cierto suelo analizado.
5.4.2 Clasificacin de las Arenas
Se sigue un procedimiento anlogo al de las gravas. As, si la
fraccin fina es del 5% o menos, sta ya no tiene influencia, pero si
es mayor al 12%, la influencia es decisiva. Nacen los grupos de
arenas limpias (fraccin fina menor que el 5%) y de las arenas
sucias (fraccin fina mayor que el 12%).
Tampoco todas las arenas limpias tienen un comportamiento
similar, sino que ste puede variar de conformidad con la buena o
mala gradacin de sus partculas (Ver 3.7). Se llega entonces a los
grupos de arenas bien gradadas (CU 6, 1 (cC( 3) y arenas mal
gradadas, si no cumplen con estos requisitos.
En este caso la segunda letra mayscula tambin proviene de la
buena o mala gradacin de sus partculas. Se tiene entonces los
smbolos SUCS correspondientes a las arenas bien gradadas, SW y las
arenas mal gradadas, SP.
En las arenas sucias tambin se tienen diferencias en el
comportamiento mecnico segn que los finos sean ms plsticos
(arcillosos) o menos plsticos (limosos). De esta forma nacen los
grupos de arenas arcillosas, SC y arenas limosas, SM.
De igual manera que en las gravas, los cuatro smbolos antes
mencionados son los nicos con los cuales puede clasificarse una
arena. Los casos de frontera que se especifican a continuacin se
resuelven mediante un doble smbolo.
Si los finos son arcillo - limosos la clasificacin ser:
SC-SM, arena arcillo - limosa.
Para el caso de que el contenido de finos sea igual o mayor al
5% y menor o igual al 12%, se puede tener cuatro posibles dobles
smbolos:
SW-SM, arena bien gradada con limo.
SW-SC, arena bien gradada con arcilla.
SP-SM, arena mal gradada con limo.
SP-SC, arena mal gradada con arcilla.
Igualmente, los ensayos de granulometra y plasticidad ejecutados
sobre la fraccin fina del suelo analizado permitirn definir cual de
estos doble smbolos es el correcto para cada caso.
5.4.3 Clasificacin de los Suelos Finos: La Carta de Plasticidad
de Casagrande
Como ya se vio, Atterberg estableci que la plasticidad de un
suelo fino quedaba determinada completamente si se conocen dos
parmetros: el lmite lquido y el ndice de plasticidad (Ver
4.8.1).
Con base en este criterio Casagrande elabor un sistema de ejes
coordenados en el cual coloc en ordenadas el ndice de Plasticidad y
en abscisas el Lmite Lquido. Luego represent en dicho sistema los
puntos correspondientes a un alto nmero de ensayos realizados en
suelos finos y lo que obtuvo fue una nube de puntos inclinada
respecto a la horizontal (Figura 5.1). As Casagrande estableci que
los suelos de un mismo depsito fino, generalmente no adoptan una
posicin caprichosa, obra del azar, sino que se agrupan de modo
especfico en lneas o bandas inclinadas respondiendo a sus
caractersticas de plasticidad. La inclinacin confirm el hecho de
que la plasticidad depende de esos dos parmetros y revel que la
lnea de frontera entre los suelos plsticos y los no plsticos o poco
plsticos, tambin deba se una lnea inclinada. Usando mtodos
estadsticos estableci que esa lnea inclinada era una recta a la que
llam Lnea A. Esta lnea dividi el grfico en dos campos: el superior
(sobre la lnea A) ocupado por los suelos ms plsticos (arcillas,
prefijo C) y el inferior (bajo la lnea A) ocupado por los suelos
menos plsticos o no plsticos (limos, prefijo M).
Fig 5.1
Representacin grfica ndice de Plasticidad Lmite LquidoFuente:
AutorPor otro lado, en 4.9 se estableci que el lmite lquido era una
medida directa de la compresibilidad relativa de un suelo fino, de
manera que en el grfico en anlisis los suelos ms compresibles
(limos y arcillas) deben ubicarse hacia la derecha, en
correspondencia con los mayores valores de lmite lquido, y los
menos compresibles hacia la izquierda, o sea en la zona con menores
valores de lmite lquido. Como la gran mayora de suelos de que
dispuso Casagrande para su investigacin no tenan valores de lmite
lquido mayores a 100%, concluy que una lnea vertical que pasase por
la abscisa 50%, a la que denomin Lnea B, era la mejor frontera
entre los suelos ms compresibles (wL > 50%) y los menos
compresibles (wL < 50%). Consider entonces que este factor deba
ser el calificativo o sufijo para la clasificacin de suelos finos y
le asign como smbolos las letras H (high compressibility) y L (low
compressibility).
Queda as dividido el grfico en cuatro grandes campos: el
superior izquierdo correspondiente a las arcillas de baja a mediana
compresibilidad, CL, el superior derecho de las arcillas de alta
compresibilidad, CH, el inferior izquierdo de los limos de baja a
mediana compresibilidad, ML, y el inferior derecho de los limos de
alta compresibilidad, MH. El lector debe recordar que los smbolos H
y L califican la compresibilidad del suelo fino y nunca su
plasticidad, ya que sta queda definida en el nombre del suelo:
arcilla (plstica) o limo (no plstico o poco plstico). Es
absolutamente contradictorio referirse a un limo de alta
plasticidad o a una arcilla de baja plasticidad.
Para conocer en forma numrica los lmites entre esos cuatro
campos se deben definir las caractersticas geomtricas de las lneas
mencionadas. As la Lnea B tiene la ecuacin:
Ec. 5.1La Lnea A pasa por los puntos P1 (20,0), interseccin con
las abscisas y P2 (50,22), interseccin con la Lnea B. Aplicando
principios bsicos de geometra analtica se determina que la ecuacin
de la Lnea A es:
Ec. 5.2
Casagrande tambin propuso la Lnea U que constituye el lmite
superior encontrado en todos los ensayos realizados. Ello quiere
decir que la representacin grfica de ningn suelo puede caer por
encima de esa lnea y si lo hace se tendr una duda razonable que
justificar la repeticin de los ensayos. La ecuacin de la lnea U
es:
Ec. 5.3Si en el proceso de descripcin del suelo fino (ver 5.4.6)
se ha percibido el olor orgnico (a metano) se debe comprobar si se
trata de un suelo orgnico. Las investigaciones en suelos orgnicos
(limos y arcillas) demostraron que el desecamiento produce un
cambio irreversible en el constituyente orgnico del suelo y
disminuye el valor de su lmite lquido. Se estableci entonces que si
el valor del lmite lquido del suelo secado al horno era menor que
el 75% del valor del lmite lquido realizado en la muestra no
secada, el suelo es orgnico [wL (secado al horno)/wL (sin secar)
< 0.75]. Se constituyen as los grupos de las arcillas y limos
orgnicos de alta compresibilidad, OH, ubicados a la derecha de la
lnea B, y los grupos de las arcillas y limos orgnicos de baja
compresibilidad, OL, que se localizan a la izquierda de la lnea
B.
En el grfico elaborado en la Figura 5.1 quedan algunas zonas
incongruentes. Por ejemplo, para valores de lmite lquido inferiores
a 20%, un ndice de plasticidad 0% (representativo de un suelo no
plstico) quedara sobre la Lnea A, lo cual obligara a clasificarlo
como arcilla (arcilla no plstica?). Para superar esas
incongruencias se ha establecido que la lnea A cambia a una recta
paralela al eje horizontal en la ordenada IP = 4%, de manera que
todo suelo que caiga bajo esta parte de la lnea A sigue siendo un
limo de baja compresibilidad, ML, a menos que se compruebe que es
orgnico, OL. Debido a que cualquier suelo con IP entre 4% y 7% no
presenta caractersticas tan plsticas como la arcilla, ni tan poco
plsticas como el limo, se crea otra lnea recta paralela a la
horizontal en la ordenada IP = 7% que genera una zona sombreada
entre esas dos rectas en la que se tiene otro caso de frontera. Los
suelos que caigan en esa zona se clasifican como limos arcillosos
de baja compresibilidad, ML-CL (el nico doble smbolo existente en
suelos finos). Con estas modificaciones el grfico construido toma
el nombre de Carta de Plasticidad, Figura 5.2, y constituye un
valioso auxiliar para la clasificacin de suelos finos.
Fig 5.2
Carta de Plasticidad
Fuente: ASTM D 2487-98En conclusin, para clasificar suelos finos
se determinan su lmite lquido e ndice de Plasticidad y estos
valores se representan grficamente en la Carta de Plasticidad. El
campo en que se ubique proporcionar directamente la clasificacin
del suelo fino, limo o arcilla, en caso de ser inorgnico. Si se ha
detectado olor orgnico, se repetir el lmite lquido en una muestra
secada al horno y ese resultado se comparar con el lmite lquido
inicial (sin secar) a fin de establecer definitivamente si se trata
de un suelo orgnico, ya sea limo o arcilla.
Si en la clasificacin realizada se observa que el suelo se
encuentra muy cercano a otro grupo, la condicin de frontera puede
ser indicada con dos smbolos separados por un guin inclinado
(slash). El primer smbolo deber ser el que resulte del proceso de
clasificacin ejecutado, por ejemplo: CL/CH, GM/SM, CH/MH.
Si un suelo grueso, grava o arena, tiene una fraccin fina cuyo
porcentaje oscile entre 5 y 12%, y si adems los ensayos indican que
esta fraccin fina cae en la zona sombreada (ML-CL), el segundo
smbolo ser el de una arcilla (GC o SC), y la condicin de frontera
se indicar en el nombre. Por ejemplo una arena mal gradada con 10%
de finos, cuyo lmite lquido es 20% y su ndice de Plasticidad es 6%,
se clasificar como SP-SC y se llamar arena mal gradada con arcilla
limosa. Recurdese siempre que en el SUCS no existe triple smbolo ni
otros dobles smbolos aparte de los ya indicados.
5.4.4 Clasificacin de los Suelos Muy Orgnicos
Los suelos muy orgnicos se identifican, durante el proceso de
descripcin, por un elevado contenido de materia orgnica en
diferentes grados de descomposicin. A esta caracterstica se suman
otras: olor orgnico, color negro u oscuro, textura fibrosa, elevada
compresibilidad y consistencia blanda y esponjosa. En definitiva
tienen las peores propiedades mecnicas, casi incompatibles con los
propsitos de la Ingeniera Civil. Por esta razn se renen, sin
ninguna otra consideracin, en un grupo aparte, denominado turba
(smbolo PT). Las siglas corresponden a la palabra equivalente en
idioma ingls (peat). Se conservan ambas letras para mantener el
esquema de prefijo y sufijo, ya que en este caso no es necesario
ningn calificativo adicional (turba ya significa el suelo de peor
calidad para la Ingeniera Civil). En algunos textos aparece el
smbolo Pt, pero preferimos el anotado en primer lugar debido a que
mantiene el esquema de dos letras maysculas en cada smbolo. Debe
diferenciarse la turba de origen rocoso, que corresponde a materia
orgnica fosilizada y que por su dureza no es considerada un suelo.
Las turbas solo pueden formarse en sitios pantanosos, en los que la
humedad protege la materia orgnica de su total descomposicin.
5.4.5 Secuencia de Agrupacin
En las Tablas 5.2, 5.3 y 5.4 se proporcionan diagramas de
clasificacin que sintetizan toda la informacin contenida en los
numerales anteriores y la amplan respecto a la precisin del nombre
de cada grupo. Constituyen por tanto valiosos auxiliares para
llegar a la clasificacin y nombre correctos.
El mtodo siempre consiste en eliminar paulatinamente los smbolos
no adecuados hasta llegar al nico smbolo correcto. As, luego de
realizado el proceso de descripcin, y descartado que se trate de
una turba, el anlisis del porcentaje de partculas que pasa el tamiz
N 200 permitir establecer si se trata de un suelo fino o grueso.
Este paso, por tanto, elimina aproximadamente un 50% de smbolos no
correctos.
Si se tratase de un suelo grueso, el examen del porcentaje de la
fraccin gruesa que pasa o se retiene en el tamiz N 4 posibilitar
clasificarlo como grava o arena.
A continuacin se examina el contenido de finos del suelo grueso
a fin de establecer si es limpio o sucio. En el caso que sea
limpio, el anlisis del coeficiente de uniformidad y del coeficiente
de curvatura permitir establecer la buena o mala gradacin del suelo
y llegar ya a la clasificacin correcta. Si es sucio, se deber
obtener el lmite lquido e ndice de plasticidad de la fraccin fina,
datos con los cuales se lo representar grficamente en la Carta de
Plasticidad, a efectos de comprobar si cae sobre la lnea A (finos
arcillosos) o bajo esa lnea (finos limosos). Advirtase que en este
caso no tiene ninguna relevancia el que se encuentre a derecha o
izquierda de la lnea B.
Si el contenido de finos oscila entre 5 y 12%, caso en el que
debe clasificarse con doble smbolo, se examinar la buena o mala
gradacin mediante los coeficientes de uniformidad y curvatura para
establecer la primera parte del smbolo correcto; luego se
representarn las caractersticas de plasticidad en la Carta, a
efectos de encontrar la segunda parte del smbolo correcto.
Smbolo de GrupoNombre de Grupo
GRAVA % grava > % arena< 5 % de finosCU 4 y 1 cC 3GW cC
> 3GP