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CAPITULO 1 Propiedades ndice del suelo

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CAPITULO UNO Propiedades ndice del suelo.

Desde hace ya mucho tiempo la humanidad ha construido diversos tipos de estructuras, como ser: presas, carreteras, acueductos y otros proyectos de ingeniera. Aunque el anlisis estructural de todos estos vara de acuerdo a cada caso todos tienen algo en comn, que se fundan sobre el suelo o la roca.

Por varios aos, los ingenieros de la antigedad desconocieron la importancia del estudio del comportamiento del suelo antes del diseo y construccin de estas estructuras, como consecuencia sus estructuras experimentaron los efectos del comportamiento del suelo, como el caso de la inclinacin de la torre de Pisa construida en 1173. Por lo general, en aquel tiempo para construir una estructura importante los ingenieros solan copiar a otra que haba dado resultados satisfactorios. A lo largo de los aos, diversos investigadores modernos han estudiado el suelo logrando significativos avances en cuanto a: clasificarlo, identificar sus propiedades y conocer su comportamiento. En la Figura 1.1, se muestra algunos tipos de estructuras que requieren un estudio previo del comportamiento del suelo antes de su diseo.

(c)

(a) (b)

(d)

Figura 1.1. Proyectos de ingeniera que requieren un anlisis del suelo. (a) Estribo de puente. (b) Muro de contencin. (c) Presa de concreto. (d) Talud.

Cuando se ignora el estudio del comportamiento del suelo, el suelo responde de madera inesperada originando condiciones no previstas en el diseo de la estructura, lo cual vulnera su estabilidad. El estudio del suelo, implica: determinar sus propiedades ndice, clasificarlo, conocer el comportamiento del agua en este, su resistencia a esfuerzos externos y los lmites respecto a su cambio de volumen. Una vez conocidas sus propiedades y comportamiento, pueden disearse estructuras que se ajusten a las condiciones especficas de cada suelo.

1. Definiciones.

Dentro el estudio de la mecnica de suelos, es importante definir algunos trminos tcnicos de uso comn que difieren del concepto o idea popular que se tiene acerca de ellos.

Fundamentos de mecnica de suelos

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Mineral.

Mineral es definido, como una sustancia inorgnica natural que tiene una composicin qumica en particular o una variacin de su composicin y una estructura atmica que guarda ntima relacin con su forma cristalina (Blyth & de Freitas, 1989).

Los minerales llegan a ser los principales constituyentes slidos de todas las rocas, que dan a las rocas propiedades fsicas, pticas y qumicas como ser: color, lustre, forma y dureza. El suelo por lo general, contiene algunas variedades comunes de minerales.

Roca.

Roca es definida, como un agregado natural slido con contenido mineral que tiene propiedades fsicas y qumicas. Desde un punto de vista ingenierl, puede ser definido como un material duro, durable que no puede ser excavado si no con explosiones. La roca es considerada como material casi impermeable (Blyth & de Freitas, 1989).

Las rocas son clasificadas de acuerdo a sus caractersticas fsicas y a la forma de su formacin, adems constituyen ser la materia prima del suelo.

Suelo.

Suelo, puede definirse desde dos puntos de pista el gelogo y el ingenierl. El suelo est clasificado de acuerdo a sus propiedades fsicas, como ser: la consistencia y el tamao de sus partculas.

Para el gelogo, el suelo describe capas de material suelto sin consolidar que se extienden desde la superficie hasta la roca slida y que se ha formado por meteorizacin y la desintegracin de las propias rocas. El punto de vista gelogo del suelo, permite conocer el origen del suelo ya que mediante la geologa se puede clasificar las rocas y comprender las transformaciones que tienen en su ciclo hasta convertirse en suelo (Whitlow, 1994).

Desde el punto de vista ingenierl, suelo es definido como un agregado natural no cementado de granos minerales y materia orgnica en descomposicin, con lquido y gas en los espacios vacos entre las partculas que lo constituyen. El ingeniero, compara al suelo como un material de construccin que tienen una importante influencia en el diseo y construccin de una obra de ingeniera (Das, 1999).

El suelo al igual que otros materiales posee propiedades ingenieriles, que estn gobernadas por el tamao de sus partculas y la forma en que estas interaccionan entre si. Los suelos por lo general, son materiales heterogneos y anisotrpicos, por lo que no estn compuestos de un mismo material en toda su masa, adems son materiales no conservativos, es decir que la masa de suelo al deformarse no recupera su forma original.

Mecnica de suelos.

La mecnica de suelos, estudia el comportamiento y las propiedades fsicas del suelo cuando fuerzas y agentes externos actan en la masa de suelo. Esta rama de la geotecnia considera la estructura del suelo, la forma de las partculas que lo constituyen y las fases que ste presenta, concentrndose en las propiedades ingenierles (Das, 1999).

Ingeniera de suelos.

Ingeniera de suelos, es la aplicacin de los principios de la mecnica de suelos a problemas prcticos, donde la experiencia y la teora se complementan (Das, 1999).


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Geotecnia.

Es una ciencia, que combina los conocimientos de la ingeniera geotcnica y la ingeniera geolgica al estudio del comportamiento y la clasificacin de los elementos encontrados en la corteza terrestre, como ser: suelo, roca y agua subterrnea (Coduto, 1998).

Ingeniera geotcnica.

Ingeniera geotcnica, es una rama de la ingeniera civil que aplica los conocimientos de la mecnica de suelos y de la ingeniera civil a algunos aspectos de la corteza terrestre. Generalmente, se concentra slo en los materiales encontrados cerca de la superficie de la tierra como: la roca, suelo y el agua subterrnea. Determina relaciones matemticas y empricas, tiles para conocer el comportamiento de estos materiales y disear estructuras relacionadas a estas (Coduto, 1998).

Propiedades ndice del suelo.

Existe una gran variedad de suelos con caractersticas diferentes, por lo que se los clasifica en diferentes categoras y tipos. Las propiedades ndice del suelo, se refiere a las caractersticas particulares que identifican a un suelo de una misma categora, estas son: granulometra, consistencia, cohesin y estructura. Conociendo toda esta informacin del suelo, se puede anticipar su comportamiento y la metodologa que se seguir al tratar con aquel tipo de suelo.

2. Origen del suelo y ciclo de la roca.

El suelo tiene su origen en la roca a travs de la meteorizacin y otros procesos geolgicos que experimentan las rocas que se encuentran cerca de la superficie terrestre, es decir la desintegracin de estas en pedazos cada vez ms pequeos, que en contacto con el medio ambiente (agua y aire) se concentran formando el suelo. Las rocas tienen su origen a partir de varios procesos geolgicos, los ms importantes que dan origen a una variedad de rocas son: la cristalizacin de los minerales que la componen durante la solidificacin del magma, la cementacin de las partculas del suelo de un depsito y el metamorfismo. Las diversas variedades de roca que se encuentran en la corteza terrestre, estn clasificadas en tres grandes categoras, que son: rocas gneas, sedimentarias y metamrficas.

2.1. Meteorizacin.

La meteorizacin generalmente es el resultado de procesos atmosfricos como: la lluvia y los cambios de temperatura, estos son responsables de la destruccin gradual de las masas de roca slida durante largos periodos de tiempo, donde se altera la composicin y estructura de las rocas por medios fsicos y qumicos. El producto del proceso de meteorizacin de las rocas y suelos corresponde a varios tamaos de partculas cada vez ms pequeas con una nueva composicin y forma.

Meteorizacin fsica o mecnica.

La meteorizacin fsica o mecnica, causa la desintegracin de las rocas en partculas ms pequeas ya sea por: accin de la temperatura, por impacto de un agente externo o por la abrasin de las mismas partculas minerales acarreadas por el viento. Entre los principales procesos que ocasionan la meteorizacin mecnica se pueden mencionar la: descarga y carga


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mecnica, expansin y contraccin trmica, acumulacin de sales, desprendimiento coloidal, actividad orgnica y carga neumtica.

Meteorizacin qumica.

El agua por lo general ataca qumicamente a los minerales que componen la roca, por lo que todo proceso de meteorizacin qumica depende de la presencia del agua. El agua que es adsorbida y la que se encuentra sobre la superficie de la roca causa algunos procesos qumicos importantes. La meteorizacin qumica descompone los minerales de la roca por: oxidacin, reduccin, carbonizacin y otros procesos qumicos. Generalmente la meteorizacin qumica, es mucho ms importante que la fsica en la formacin del suelo. Algunos procesos que a menudo ocurren en la meteorizacin qumica son:

Hidrlisis.- Es un proceso qumico importante que consiste en la reaccin del mineral el hidrgeno (H+) y el oxidrilo (OH-) del agua, donde el PH del agua juega un papel importante. El resultado de estos procesos son minerales arcillosos, donde los iones de hidrgeno del agua percolante reemplazan a los cationes, lo que no da lugar al proceso de oxido-reduccin.

Carbonizacin.- El agua en combinacin del dixido de carbono de la atmsfera, forman sobre la superficie de la roca cido carbnico (H2CO3), este reacciona con los minerales que contiene la roca ocasionando un proceso de disociacin de minerales en iones, que aumenta considerablemente por la presencia de CO2. En consecuencia se forman minerales arcillosos, sales solubles y hasta cidos orgnicos, ocasionando la descomposicin de materia orgnica lo que causa la meteorizacin qumica.

Oxidacin.- Es producida por el contacto del oxigeno del aire con ciertos componentes qumicos-mineralgicos de las rocas particularmente favorables para combinarse con l (compuestos frricos, carbonatos, sulfuros, etc.). Durante este proceso, existe una transformacin qumica de estos en xidos ocasionando un cambio en la composicin de la superficie externa de los afloramientos, haciendo variar su coloracin a color rojizo u ocre oscuro, pero sin penetrar ms all de unos milmetros la superficie exterior de la roca.

Reduccin.- Mediante reacciones qumicas, se lleva a cabo un proceso complementario a la oxidacin donde se libera el oxgeno de los minerales que pasa a formar parte del ambiente circuncidante, el oxgeno deja la estructura del mineral a medida que la oxidacin disminuye el nmero de elementos reducidos.

Hidratacin.- Se refiere a la absorcin de molculas de agua dentro de la estructura interna de un mineral. Este fenmeno provoca una expansin y acelera los procesos de la carbonizacin, oxidacin, reduccin e hidrlisis.

Lixiviacin.- Se refiere a la migracin de iones alentada por los procesos antes citados, la movilidad de los iones depende de su potencial inico. El Ca, Mg, Na y el K, son fcilmente lixiviados por las aguas circulantes. El Fe, es el ms resistente. El Si, es difcil de lixiviar y el Al, es casi inamovible.

Cambio de cationes.- Es la absorcin de cationes en solucin cargados positivamente en un mineral arcilloso cargado negativamente, especialmente: Ca, H, K y Mg.

2.2. Transporte y deposicin.


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Los arroyos, corrientes ocenicas, olas, viento, aguas subterrneas, glaciales y la gravedad continuamente erosionan y transportan suelo, fragmentos de rocas y sedimento, a lugares de deposicin donde se meteorizan. Generalmente, estos agentes transportadores ocasionan cambios fsicos en las partculas que son transportadas. Erosin incluye todo proceso de desintegracin, principalmente el desgaste de la superficie terrestre por accin mecnica. Cuando las partculas son levantadas o arrastradas por alguno de estos agentes estas se erosionan, sufren un decremento en su tamao lo cual hace ms fcil su transporte. Los diferentes tipos de depsitos de suelo, estn clasificados segn al modo de transportacin de estos materiales.

Depsitos eolticos.

El viento a diferencia de otros solo puede mover sedimento compuesto de pequeas partculas a diferentes lugares. El depsito ocurre cuando la velocidad del viento disminuye, consecuentemente las partculas se acumulan a lo largo del camino, el viento llega a clasificarla ya que deja las partculas ms grandes y se lleva las partculas ms pequeas. El trabajo de denudacin del viento, se puede observar en forma ms destacada en las regiones que tienen un clima seco y caliente.

Depsitos glaciales.

Un glaciar transporta rocas de todo tamao y una variedad de sedimentos, los cuales caen sobre su superficie provenientes de las laderas de los valles circundantes, la confluencia de dos glaciales trae como consecuencia la formacin de las morrenas. Las morrenas llegan a transportar material de todo tamao. Los materiales de los depsitos glaciales varan mucho en sus propiedades fsicas.

Depsitos aluviales.

La accin mecnica de la cada de la lluvia en forma continua sobre la superficie terrestre, desprende partculas sueltas del suelo y polvo de las rocas. Los depsitos aluviales son el resultado de deposicin pluvial (lluvia) y fluvial (ros) de estas partculas. Estas partculas son transportadas por una corriente de agua, la deposicin se realiza debido a una disminucin en la pendiente de la corriente, ocasionando la prdida de velocidad. En esta forma de transporte las partculas de todo tamao estn en contacto colisionando constantemente entre si, por lo que generalmente estas tienen los bordes redondeados.

Depsitos lacustres.

La deposicin lacustre o la de lagos tanto en agua dulce como salada, consiste de la deposicin de sedimento generalmente de material diminuto en el fondo del lago. En el caso de agua salada la floculacin de las partculas de tamao coloidal es acelerada, lo que ocasiona una rpida precipitacin al fondo.

Depsitos marinos.

Las olas del mar continuamente rompen en una costa, erosionando la margen terrestre por la fuerza del impacto y en especial durante las tormentas. Los fragmentos de roca disgregados, llegan a redondearse reducindose de tamao por el golpeo que reciben de las olas, y en


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conjunto forman los depsitos que se encuentran en la playa. Existen tres variedades importantes de depsitos marinos:

Litgenos.- Son de origen terrestre, volcnico o csmico. Bigenos.- Estn constituidos de los restos de organismos marinos. Hidrgenos.- Proveniente de las precipitaciones y los afluentes que

desembocan en el ocano.

Suelos residuales.

Se llama residual, al suelo formado producto de la meteorizacin que se mantiene en el mismo lugar de origen. A diferencia de los suelos producto del transporte y deposicin, estos estn relacionados con los materiales del lugar, clima y topografa. Se caracterizan por tener un orden en el tamao de las partculas que lo constituyen, aumentado su tamao con la profundidad. Por lo general los suelos residuales estn compuestos de materiales altamente compresibles, su estudio entre en otra categora de la mecnica de suelos. 2.3. Rocas gneas.

Se llaman as a las rocas formadas por la solidificacin del magma a diferentes profundidades. El material rocoso fundido (magma), se enfra lentamente y se solidifica dentro o debajo de la corteza terrestre. Debido a movimientos tcnicos o erosin, estas rocas salen a la superficie terrestre. Los tipos de rocas gneas formadas por el enfriamiento del magma depende de factores como: la composicin del magma y el grado de enfriamiento asociado con l. Se estima que las rocas gneas componen el 98% de la corteza terrestre, estas se clasifican segn su: forma de solidificacin y composicin qumica.

Clasificacin de las rocas gneas segn a su forma de solidificacin.

De acuerdo a su forma de solidificacin, existen dos tipos de rocas gneas: rocas gneas extrusivas e intrusivas.

El magma que es expulsado hacia la superficie de la tierra por medio de erupciones o fisuras volcnicas (lava), con el tiempo se solidifica y los diferentes minerales se unen para formar cristales silicatados como las: piroxenas, las anfbolas, los feldespatos y xidos como la magnetita. Estos minerales llegan a cristalizar consumiendo parte del slice, magnesio y hierro del magma, de acuerdo a su composicin se llaman ferromagnesianos o mficos (mezcla de magnesio y hierro) y minerales flsicos que dan color a la roca dando lugar a la formacin de una variedad de rocas gneas extrusivas. Las rocas gneas extrusivas son generalmente de lustre vtreo, tienen granos finos y una superficie suave, con una textura anmica a porfirtica o tambin de textura brechoide.

En ocasiones el magma se eleva a diferentes niveles sin alcanzar la superficie terrestre, donde al cesar su movilidad se enfra y la cristalizacin de sus minerales constituyentes forma variedades de roca gnea intrusiva, llamadas tambin rocas plutnicas debido a su gran tamao. Segn al tamao de estas rocas se las clasifican en dos tipos:

Intrusiva menor.- Cuando el magma se eleva, llena fracturas y otras aberturas en las rocas encajonadas donde se forman las intrusiones menores, es decir cuerpos gneos pequeos como ser: los diques que son semejantes a un muro muy empinado o vertical cuyos lados son aproximadamente paralelos y tambin se forman los mantos que son hojas de roca cuya extensin es mas o menos horizontal. Las rocas gneas intrusivas, por lo general tienen una textura fina a moderadamente gruesa.


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Intrusiva mayor.- Se llama as a una masa grande de magma de muchos kilmetros cbicos de volumen, que se enfra lentamente debido a su tamao. Entre las intrusiones mayores se encuentran: el plutn, que es un cuerpo de magma moderadamente grande con varias formas pero comnmente tiene una seccin transversal casi circular. El tronco, es un cuerpo cilndrico casi vertical con una seccin transversal que ocupa unos 100 km2. Un batolito es una masa gnea que no tiene base, que se eleva como una proyeccin irregular dentro de las rocas de la corteza, por lo cual puede decirse que es un conjunto de plutones separados que generalmente ocupan una superficie de hasta 1000 km2. Estas rocas gneas son generalmente cristalinas y de textura gruesa.

Clasificacin de rocas gneas segn a su composicin qumica.

De acuerdo a su composicin qumica de los minerales constituyentes de la cristalizacin, estas rocas gneas se clasifican en:

cidas.- Son rocas intrusivas mayores, que contienen una gran cantidad de slice que le da un color claro, adems de mica biotita, ortoclasa, plaglioclasa, hornblenda y en ocasiones magnetita. Estas rocas presentan una textura de grano grueso.

Intermedias.- Por lo general son rocas intrusivas menores, contienen poco o nada de cuarzo y una pequea cantidad de biotita o piroxena y en ocasiones ortoclasa, sin embargo contienen una gran cantidad de plaglioclasa y hornblenda, lo que le da un color castao. Estas rocas son de textura de grano grueso a mediano y rara vez porfirtica.

Bsicas.- Estas rocas contienen poco slice, olivino y clorita, pero mayor cantidad de xidos metlicos, minerales ferromagnesianos y un gran contenido mfico, los cuales dan a la roca una apariencia oscura. Algunas de estas rocas, son importantes como material de agregado en la construccin de carreteras. Los minerales esenciales son la plaglioclasa, augita y dialaga, estas rocas tienen una cristalizacin gruesa, rara vez porfirtica y algunas son de grano fino a mediano.

Ultra bsicas.- Estas rocas contienen principalmente minerales mficos, olivino y augita, contienen poco o nada de feldespatos por lo que tienen un color oscuro, adems suelen contener piroxena, biotita y xidos de hierro. Estas rocas son de textura de grano grueso.

La Tabla 1.1 muestra ejemplos de algunas variedades de roca gnea.

Tabla 1.1. Ejemplos de rocas gneas (Blyth & de Freitas, 1989).

cidas Intermedias Bsicas Ultrabsicas

Gabro Perdorita

Felsia Porfirita Dolerita Picrita

ROCAS IGNEASClasificacin segn a la

forma de su solidificacin

Intr

usiv

as MENORES

MAYORES

EXTRUSIVAS

Fina a casi gruesaGruesa a cristalinaGranito Diorita

TexturaClasificacin segn a su composicin qumica

Riolita Andesita Basalto Picrita Vitrea con grano fino

2.4. Rocas sedimentarias.


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Por lo general, los sedimentos producto de la meteorizacin, el transporte y deposicin, forman una capa superficial relativamente delgada de la corteza terrestre. Los componentes de los sedimentos se endurecen formando rocas sedimentarias, en un proceso llamado cementacin. En este proceso de cementacin algunos agentes cementadores como el: oxido de hierro, calcita, dolomita y cuarzo, son llevados por aguas subterrneas que percola por los espacios vacos entre partculas del suelo, donde llena esos espacios y acta como un cemento que los une. Los factores que influyen en la formacin de rocas sedimentarias son: el tiempo, la sobrecarga (que constituye el peso propio) y la consolidacin (precipitacin de las sustancias disueltas por el agua). Las rocas sedimentarias, se clasifican segn al origen y tipo de sedimentos que la componen, en clsticas, qumicas y biolgicas.

Rocas sedimentarias clsticas.

Tambin llamadas Detrticas, son rocas formadas con sedimentos que provienen del rompimiento de rocas preexistentes en diferentes tamaos de granos. Este grupo de rocas sedimentarias, se clasifica segn el origen del sedimento en:

Terrgenos.- Son producto de la meteorizacin y erosin de rocas. Este grupo est dividido de acuerdo al tamao de las partculas componentes, como ser: rudceos (que significa guijarroso), arenaceo (que significa arenoso) y argilceo o lutceo (que significa arcilloso o limoso respectivamente). Las rocas ms comunes encontradas formadas con estos tipos de sedimentos, son: los conglomerados, las areniscas, coloditas y lutitas.

Piroclsticos.- Los sedimentos que componen estas rocas provienen de las erupciones volcnicas, la ceniza y detrtos expulsados de un volcn activo, que llueven sobre el rea circundante formando una cubierta de depsitos piroclsticos que con el tiempo se cementan.

Calcreos.- Estas rocas, son formadas principalmente por sedimentos compuestos de partculas calcreas que han sido clasificadas como si fueran detritos. Las rocas comnmente encontradas de este tipo son las variedades de caliza, como la caliza conchfera y la greda (que es una caliza suave).

Rocas sedimentarias qumicas.

Algunas rocas son formadas por procesos qumicos, los depsitos de aguas salinas y carbonadas al evaporarse van cementndose dando lugar a la formacin de estas rocas. Algunas de las rocas formadas por estos procesos son: las calizas, piedra yesera, dolomitas, yeso, anhidrita y otras.

Rocas sedimentarias biolgicas.

Estas rocas estn constituidas enteramente o en parte por despojo mineral o de seres microscpicos o plantas que vivieron en los antiguos ocanos. Estos seres al morir son cubiertos por capas de sedimento compuesto de material fino, que con el paso del tiempo se cementa donde la materia orgnica es reemplazada por minerales constituyndose as en roca. Estas se clasifican segn al tipo de material orgnico en: litgenos (origen vegetal) y bigenos (origen animal). La Tabla 1.2 muestra ejemplos de algunas variedades de roca sedimentaria.

Tabla 1.2. Ejemplos de rocas sedimentarias (Blyth & de Freitas, 1989).


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Terrigeneas Areniscas Limolita Lutita Tilita BrechasPiroclsticas Brecha vol.

Calcareas Greda Arenisca Conglomerado brechaGrava de Carbonato

Limos de Carbonato

QUMICAS (meteorizacin) Lomonita Dolomita Anidrita Yeso CalizasLithgenas Turba Lignita Antracita Lodos organ. LufitaBigenas

ROCAS SEDIMENTARIASOrgen y Tipo de sedimento

DETRTICAS

BIOLGICAS Rocas con fsiles en general

Toba

2.5. Rocas metamrficas.

Se llaman as a las rocas que han sufrido un proceso de transformacin denominado metamorfismo, que da lugar a la formacin de nuevas rocas que anteriormente pudieran haber sido gneas o sedimentarias. El calor y la presin son los agentes del metamorfismo que ocasionan cambios en la estructura de los minerales, recristalizndolos cambiando as su textura, forma y composicin de la que originalmente posean. Existen tres tipos de metamorfismo:

Termal o de contacto.- En este tipo de metamorfismo interviene el calor en la recristalizacin de algunos o todos los componentes a temperaturas comprendidas entre 500 a 800 C, formndose nuevas variedades de minerales en la roca.

Dinmico.- En este tipo de metamorfismo el esfuerzo principal es el agente que ocasiona la transformacin de la roca y la temperatura no tiene una influencia significativa. Generalmente estos esfuerzos que causan la transformacin de la roca son por cizalla.

Regional.- Cuando el esfuerzo y la temperatura son influyentes esenciales en la recristalizacin, se trata de un metamorfismo regional, lo que da como resultado la recristalizacin de los minerales existentes en la roca que transforman la roca.

Con el paso del tiempo, consecuencia de la deposicin de sedimento compuesto de ceniza y material fino, las rocas gneas y sedimentarias son sepultadas gradualmente por una capa de suelo y vegetacin. Una nueva erupcin volcnica puede incluso cubrir la superficie superior de lava que se solidifica rpidamente, formando as una capa rocosa, donde esas rocas que inicialmente estaban sobre la superficie terrestre pueden encontrarse por debajo, lo que da lugar a que sufran metamorfismo. Los procesos de metamorfismo influyen en el comportamiento mecnico de las rocas, aumentando su dureza y resistencia.

La Tabla 1.3 muestra algunos ejemplos de roca metamrfica encontradas comnmente en la corteza terrestre.

Tabla 1.3. Ejemplos de rocas metamrficas (Blyth & de Freitas, 1989).

Granito Diorita Andalusita Marmol CuarzitaMilonita Grafito Silimanita Cianita GranatePizarra Filita Esquisto Migmatita Granulita

DinmicoRegional

ROCAS METAMRFICASTipo de metamorfsmoTermal o de contacto

2.6. Ciclo de la roca.

Se llama ciclo de la roca a un proceso geolgico extremadamente lento, donde la roca va transformndose en tres categoras diferentes de roca, que son las: gneas, sedimentarias y


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metamrficas. En la Figura 1.2 se muestra un esquema de todos los procesos en el ciclo geolgico de la roca.

El ciclo empieza cuando el magma sale a la superficie terrestre debido a una erupcin volcnica, donde este se enfra en la superficie de la corteza terrestre o dentro de ella, formando as rocas gneas extrusivas o intrusivas respectivamente. Estas rocas pueden fundirse nuevamente en una futura erupcin y convertirse en parte del magma, o de lo contrario sufrir un proceso de metamorfismo debido a presin y temperatura convirtindose as en roca metamrfica. Durante una erupcin el material piroclstico expulsado se esparce por la superficie terrestre, en contacto con el medio ambiente se meteoriza formando de esta manera el suelo. Si es compactado por presin y sobrecarga, se forma nuevamente la roca metamrfica. La roca metamrfica puede nuevamente fundirse y ser parte del magma o sufrir un proceso de meteorizacin convirtindose en suelo, al igual que el caso de la roca gnea el sedimento producto de la meteorizacin puede nuevamente cementarse y convertirse en roca sedimentaria. La roca sedimentaria puede sufrir tambin un proceso de metamorfismo recristalizndose y convertirse en roca metamrfica, o de lo contrario sufrir meteorizacin convirtindose en sedimento que formar parte del suelo, donde todos los procesos del ciclo nuevamente se repiten.

Expu

lsin

pi

rocl

stic

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Expu

lsin

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aEnfriam

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Magma

Fundicin Fun

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Rocasedimetaria

Endurecimiento

MetamorfsmoRocagnea

Met

eoriz

acin

Met

amor

fsm

o

Rocametamrfica

MeteorizacinMeteo

rizacin

Suelo

Figura 1.2. Ciclo geolgico de la roca (Coduto, 1999).

3. Composicin mineralgica del suelo.

Se pueden identificar ms de 2000 diferentes minerales en la corteza terrestre y muchos de ellos estn presentes en las rocas.

Existe una distincin entre los minerales que son constituyentes esenciales de las rocas que dan el nombre a estas y los que son accesorios que se encuentran en pequeas cantidades, pero su presencia o ausencia no influye en el nombre del la roca. Las rocas tambin contienen minerales secundarios, que son aquellos que resultan de la descomposicin


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de los minerales esenciales por accin del agua. Como resultado de la meteorizacin y el proceso de la deposicin, estos minerales que poseen las rocas llegan a formar parte del suelo. Los minerales ms comunes que pueden encontrarse en el suelo son:

Feldespatos.- Los feldespatos forman un grupo grande de minerales monoclnicos, triclnicos y son un componente importante de algunos tipos de rocas. La Ortoclasa es un feldespato que contiene potasio (KAlSi3O8) abundante en granitos y sienitas, generalmente su color vara de blanco a rosado. La Plaglioclasa es otro feldespato que contiene sodio (NaAlSi3O8), calcio (CaAl2Si2O8) o ambos encontrados en abundancia en rocas gneas y tiene color blanco a gris o negro. El feldespato se considera un material moderadamente duro.

Cuarzo.- Es un mineral muy comn, un constituyente esencial de los granitos y otras rocas. Este es un silicato (SiO2) y comnmente tiene un color translucido a blanco lechoso. El cuarzo es ms duro que la mayora de los minerales y es uno de los ms resistentes a la meteorizacin, se encuentra en abundancia en rocas metamrficas.

Minerales ferromagnesianos.- Corresponden al grupo de los silicatos que contienen tanto hierro como magnesio. Este grupo contiene las variedades de: piroxena, anfbola, hornblenda y olivino. Estos minerales abundan en las rocas gneas bsicas y utrabsicas, tienen un color oscuro y una moderada dureza.

Mica.- Son un grupo de minerales monoclnicos en forma de hojuelas o lminas delgadas translucidas, generalmente est presente en los granitos y rocas cidas. Entre las variedades de mica se encuentran: la moscovita que tiene lminas plateadas y la biotita que tiene hojuelas gris oscuro o negro.

xidos de hierro.- Constituyen minerales accesorios de las rocas, son minerales que contienen hierro (Fe2O3), entre los cuales se encuentran la limonita y magnetita. Aunque se presentan en menor cantidad estos minerales dan un distintivo color rustico a las rocas y suelos.

Minerales secundarios.- Tienen su origen en la alteracin de minerales preexistentes, entre los cuales estn: los minerales de arcilla, la calcita, dolomita, clorita y otros.

Estructura de los minerales de Arcilla.

Los minerales arcillosos son formados principalmente por la meteorizacin qumica de las rocas, es decir que estos minerales son producto de la alteracin de minerales preexistentes en la roca. Estos minerales son tan diminutos que slo pueden ser vistos utilizando un microscopio electrnico.

Los principales elementos qumicos constituyentes de estos minerales son tomos de: silicio, aluminio, hierro, magnesio, hidrgeno y oxgeno. Estos elementos atmicos se combinan formando estructuras atmicas bsicas, que combinndose entre si forman lminas, la que al agruparse forman estructuras laminares que finalmente al unirse por medio de un enlace forman un mineral de arcilla.


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Forma simplificada(a)

Forma simplificada(b)

Slice

Hidrxido

Oxgeno

AluminioMagnesio

Figura 1.3. Estructuras atmicas bsicas de los minerales de arcilla (Whitlow, 1994). (a) Unidad tetradrica. (b) Unidad octadrica.

La Figura 1.3 muestra las dos unidades estructurales bsicas de los minerales de arcilla, que son: la unidad tetradrica constituida por un in de silicio rodeado por cuatro tomos de oxgeno (Figura 1.3a) y la unidad octadrica formada por un in central de aluminio o magnesio rodeado por seis iones de oxidrilo (Figura 1.3b). En ambos casos el metal con valencia positiva est situado en el interior, mientras que los iones no metlicos con valencia negativa forman el exterior.

Las estructuras laminares mostradas en la Figura 1.4 se forman cuando varias unidades atmicas bsicas se enlazan covalentemente mediante los iones de oxgeno u oxidrilo. Entre las estructuras laminares se tiene la lmina tetradrica y octadrica.


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(a)

(b)

(c)

G

B

Smbolo

Smbolo

Smbolo

Figura 1.4. Lminas formadas por estructuras atmicas bsicas (Whitlow, 1994). (a) Lmina de slice. (b) Lmina de gibsita. (c) Lmina de brucita.

En la Figura 1.4a se muestra una lmina tetradrica llamada slice, que est formada por tetraedros enlazados que comparten dos tomos de oxgeno, la forma simblica de representar esta lmina es por medio de un trapecio. La Figura 1.4b muestra una lmina octadrica formada por octaedros de aluminio enlazados que forman una estructura dioctadrica llamada alumina o gibsita, simblicamente est representada por un rectngulo con letra G. La lmina de la Figura 1.4c, corresponde a una lmina formada por octaedros de magnesio que forman una estructura trioctadrica llamada brucita, simblicamente est representada por un rectngulo con letra B.

La separacin entre los iones externos de las lminas de tetradricas y octadricas es suficiente para que ambas lminas puedan unirse por medio de iones oxgeno u oxidrilo mutuamente; esto hace posible la formacin de estructuras laminares de dos o de tres lminas. En la Figura 1.5 se muestra estas estructuras.

En la estructura de dos lminas mostrada en la Figura 1.5a, las lminas tetradricas y octadricas estn alternadas, mientras que la de tres lminas mostrada en la Figura 1.5b consiste de una lmina octadrica emparedada entre dos lminas tetradricas, estas dos formas de estructuras laminares son generales para formar las distintas variedades de minerales de arcilla.

G

Dioctadrico

B G B

Dioctadrico TrioctadricoTrioctadrico(a) (b)

Figura 1.5. Estructuras laminares (Whitlow, 1994). (a) Estructura de dos lminas. (b) Estructura de tres lminas.


14

La variedad de los minerales de arcilla, depende de la distribucin de apilacin de estas estructuras laminares, as como del tipo de iones que proveen el enlace de las mismas. La Figura 1.6 muestra los minerales de arcilla ms comunes.

G

Caolinita

G

IlitaHalosita

G

G

GG

Montmorilonita

G

G

Vermiculita

B

B

K Mg

(a) (b) (c) (d) (e)

K Mg Mg Mg

H O2 H O2 H O2 H O2

Figura 1.6. Minerales de arcilla (Whitlow, 1994). (a) Caolinita. (b) Halosita. (c) Ilita. (d) Montmorilonita. (e) Vermiculita.

La abundante variedad de minerales de arcilla, est bastante relacionada a la estructura de los minerales que se muestran en la Figura 1.6, por lo que se pueden identificar a cuatro grupos de minerales arcillosos que son:

Grupo de la caolinita.- La caolinita (Al4Si4O10(OH)8) es el principal constituyente del caoln y las arcillas para porcelana. Las caolinitas son producto de la meteorizacin del feldespato ortoclasa proveniente del granito y comnmente se encuentran en suelos compuestos de sedimento. La caolinita se presenta en hojuelas hexagonales de tamao pequeo, su estructura consiste en una distribucin de dos lminas de slice y gibsita fuertemente enlazadas (Figura 1.6a). Algunos minerales de arcilla que pertenecen a este grupo son: la dickita que tiene la misma composicin de la caolinita pero con un orden diferente en sus lminas y la halosita que generalmente aparece en algunos suelos tropicales, cuyas lminas en forma tubular estn enlazadas por molculas de agua (Figura 1.6b).

Grupo de la ilita.- La ilita es el resultado de la meteorizacin de las micas, es similar en muchos aspectos a la mica blanca pero tiene menos potasio y ms agua en su composicin. Se presenta en forma de hojuelas y su estructura consiste en arreglos de tres lminas de gibsita con los iones de K proporcionando el enlace entre lminas adyacentes de slice como muestra la Figura 1.6c. Debido a que el enlace es ms dbil que el de la caolinita sus partculas son ms pequeas y delgadas.

Grupo de la montmorilonita.- La montmorilonita es el constituyente principal de la bentonita y otras variedades similares de arcilla. Las montmorilonitas suelen ser el resultado de la meteorizacin del feldespato plaglioclasa en los depsitos de ceniza volcnica. Su estructura fundamental consiste de distribuciones de tres lminas, cuya lmina octadrica intermedia es casi siempre gibsita o en otro caso brucita. Diversos enlaces metlicos adems del potasio (K) forman enlaces dbiles entre las lminas como muestra la Figura 1.6d. Una caracterstica particular del los minerales del grupo de la montmorilonita es su considerable aumento de volumen al absorber partculas de agua.

Puente de hidrgeno


15

Grupo de la vermiculita.- Este grupo contiene productos de la meteorizacin de la biotita y la clorita. La estructura de la vermiculita es similar a la montmorilonita, excepto que los cationes que proporcionan los enlaces entre lminas son predominantemente Mg, acompaados por algunas molculas de agua como muestra la Figura 1.6e.

4. Estructura y cohesin del suelo.

Se define estructura del suelo como al arreglo geomtrico de las partculas del suelo respecto unas de otras. Existen varios factores que influyen en la estructura de suelo como ser: la textura, tamao, composicin mineralgica de las partculas y el contenido de agua del suelo.

La cohesin del suelo se refiere a la capacidad que tienen las partculas del suelo de permanecer unidas como conjunto, como resultado de la trabazn conjunta o las microestructuras existentes en el suelo.

(a) (b)

Figura 1.9. Estructuras que dan cohesin a los suelos granulares. (a) Partculas con textura angular. (b) Partculas con textura redondeada.

Para el caso de suelos compuestos de partculas con forma granular, la trabazn entre partculas origina estructuras granulares simples y la friccin que se origina entre ellas contrarresta el deslizamiento de unas respecto a otras, como se muestra en la Figura 1.9. A este comportamiento se lo identifica como la cohesin para el caso de suelos granulares, donde el suelo presenta resistencia contra su disgregacin ocasionada por un agente externo.

El grado de cohesin que presentan los suelos granulares, est en funcin a la textura de las partculas de forma granular. La partculas con textura angular (Figura 1.9a) logran que el suelo tenga cohesin, mientras que las partculas con textura redondeada (Figura 1.9b) no contribuyen a la cohesin del suelo.

La forma de hojuela, el tamao y la carga elctrica negativa superficial de las partculas compuestas de minerales de arcilla, da lugar a que estas partculas generen fuerzas de atraccin y repulsin entre ellas, originando estructuras que se muestran en la Figura 1.10.

(a) (b)

Figura 1.10. Estructura de las partculas de arcilla sedimentadas (Whitlow, 1994).


16

(a) Partculas floculadas. (b) Partculas dispersas.

Los iones que forman la superficie en hojuelas de los minerales de arcilla son O y (OH), por lo que estas superficies tienen una carga elctrica negativa. Puesto que las molculas de agua son bipolares, es decir que tienen un extremo positivo y negativo, la superficie negativa del mineral de arcilla atrae a las molculas de agua, por lo que se forma una capa de agua que queda unida a la superficie del mineral por medio de un enlace de hidrgeno (H3O)+.

La fuerza de atraccin denominada fuerza de Van der Waals, se incrementa cuando el espesor de la capa de agua absorbida disminuye por un proceso de intercambio bsico, lo que origina que las partculas suspendidas en agua se acerquen cada vez ms. Cuando la capa absorbida es lo suficientemente delgada para que dominen las fuerzas de atraccin, al sedimentarse se forman grupos de partculas con sus superficies en contacto entre extremos positivonegativo (Figura 1.10a), lo que se llama floculacin. Este comportamiento de las partculas de minerales de arcilla dan cohesin a la masa de suelo, mantenindola unida.

Terrn

Macroporo

Grupo

Dominio

Microporo

(a) (b)

Figura 1.11. Estructuras microscpicas que dan cohesin al suelo (Das, 1998). (a) Macroestructura. (b) Microestructura.

En un depsito de sedimento compuesto de partculas floculadas de minerales de arcilla, se observa en la Figura 1.11 que se forman diferentes unidades estructurales microscpicas.

En la Figura 1.11b se ve que la unin de una cantidad pequea de partculas de minerales de arcilla es llamada: dominios, un conjunto de dominios agrupado por las fuerzas interparticulares es llamado grupo, un grupo de dominios y racimos establecen una microestructura que encierran vacos llamados microporos. Los racimos en grandes grupos forman un terrn (Figura 1.11b) que son las unidades ms grandes y pueden ser vistos sin un microscopio, estos agrupados en conjunto establecen una macroestructura que forma vacos llamados macroporos. Por lo general la relacin de vacos con respecto a slidos en un suelo compuesto de partculas arcillosas es mayor que en el caso de suelos con partculas granulares.

Las partculas de arcilla pueden tener una fuerza repulsiva si presentan cargas positivas en su superficie, por lo que sus bordes cargados se alejaran (Figura 1.10b). Debido a la abundante presencia de carbonatos y algunos minerales como el sodio o cuando se agrega una solucin salina, las partculas cuya capa de agua adsorbida es doble (gruesa) se repelern con mayor magnitud. Este comportamiento de las partculas de minerales de arcilla no contribuye a que la masa de suelo tenga cohesin.

Cementacin.


17

Los sedimentos que son depositados en un lecho con el tiempo van endureciendo hasta que se forman rocas sedimentarias, este proceso comienza inmediatamente despus que el sedimento es acumulado. El agua que circula por los espacios vacos o poros entre las partculas del sedimento acarrea materia mineral que cubre los granos y acta como un cemento que las une. A este proceso se lo conoce con el nombre de cementacin y es considerada una forma de cohesin pues une a partculas de diferentes tamaos.

5. Fases del suelo.

En la Figura 1.12 se muestra una fraccin de suelo agrandada de tal manera que pueden observarse los espacios vacos entre partculas. De acuerdo a la definicin de suelo desde el punto de vista ingenierl, se concluye que este principalmente est compuesto por: materia slida, lquida y gaseosa, a cada uno de estos componentes principales se denomina fase del suelo. El comportamiento del suelo depende de la cantidad relativa de cada una de estas tres fases, ya que estas interactan entre si.

SlidoAguaAire

Figura 1.12. Composicin del suelo.

La fase slida est compuesta de partculas diminutas derivadas de la roca o sedimento producto de la meteorizacin o incluso materia orgnica. La fase lquida, corresponde al agua que se ubica en los espacios vacos entre partculas. La fase gaseosa corresponde al aire, los espacios vacos los restantes que no ocupa el agua son ocupados por el aire.

Figura 1.13. Estados del suelo. (a) Saturado. (b) No saturado. (c) Seco. (d) No saturado contrctil.

La fase lquida del suelo vara en su cantidad con respecto a las otras fases, lo que da lugar a distintos estados del suelo. En la Figura 1.13 se ha esquematizado los distintos estados que presenta el suelo de acuerdo a la variacin de la fase lquida. De acuerdo a esta variacin de la fase lquida (agua) del suelo, este puede ser clasificado en tres diferentes estados que son:

S OLI D

AG U A

A I RE

S OLI D

A G U A

A I RECON TRAC TI L

(a) (b) (c)

A G U A

S OL I D S OLI D

A I RE

(d)


18

Suelo saturado.- La Figura 1.13a corresponde al estado del suelo saturado. Este estado del suelo contiene nicamente dos fases: la fase slida y lquida. Se lo llama saturado, porque todos los espacios vacos estn llenos de agua.

Suelo no saturado. - El estado de suelo de la Figura 1.13b, corresponde al suelo no saturado, llamado tambin hmedo. Posee: la fase slida, lquida y gaseosa simultneamente. Los vacos estn ocupados por aire y agua.

Suelo seco.- Este estado de suelo mostrado en la Figura 1.13c, incluye solo dos fases: la fase slida y la gaseosa, es decir que el suelo no contiene agua.

Suelo no saturado contrctil.- El estado de suelo de la Figura 1.13d incluye las tres fases de suelo, adems de una cuarta fase denominada contrctil. Esta cuarta fase es independiente y llega originarse como resultado de la interfase aire-agua, su problema predominante es su expansin y contraccin, por lo que su estudio entra en otra categora de la mecnica de suelos.

En la Figura 1.14 se ha ideado un modelo, donde se ha cuantificado la cantidad relativa de estas fases tanto en volumen como en masa. Estos valores pueden relacionarse entre si.

Donde: Va = Volumen de aire. Vw= Volumen de agua. M = Masa total. Vs = Volumen de slidos. V = Volumen total. Mw = Masa del agua. Ms = Masa de los slidos.

Figura 1.14. Cuantificacin del volumen y masa de las fases del suelo. Algunos de estos valores pueden conocerse en laboratorio, mientras que otros son de

difcil determinacin. Por lo tanto, conviene encontrar relaciones matemticas que ayuden a determinarlos implcitamente, conociendo algunos valores bsicos.

5.1. Relaciones de volumen.

El volumen es la cantidad de espacio fsico que un cuerpo ocupa, para las relaciones de volumen se considerar el volumen de la fase slida, lquida y gaseosa. El volumen total (V) del elemento de suelo es:

V = Va + Vw + Vs [1.1]

El volumen de vacos (Vv) que contiene tanto agua como aire, ser:

Vv = Va + Vw [1.2]

Slido

Agua

Aire

M s

M w M

V s

V w

V a

V v

V


19

ndice de vacos (e).

El ndice de vacos, se define como la relacin entre el volumen de vacos y el volumen de slidos del suelo, que es:

s

v

VV

e = [1.3]

Porosidad (n).

La porosidad expresa una idea similar al ndice de vacos, es valor se define como el cociente entre el volumen de vacos y el volumen total, que se escribe:

VV

n v= [1.4]

La porosidad se puede determinar en funcin del ndice de vacos, ambos valores evalan la misma propiedad del suelo (el volumen relativo de vacos) y por tanto pueden usarse indistintamente, aunque sus valores no coinciden. El ndice de vacos es relativo al volumen de slidos, lo que facilita el clculo de sus variaciones al producirse cambios de volumen del suelo. Sin embargo, es ms cmodo referirse a la porosidad para determinar el volumen de agua almacenado en un volumen de suelo. En base a operaciones con las ecuaciones [1.1], [1.2] y [1.3], se puede determinar la equivalencia entre la porosidad y el ndice de vacos que ser:

e

en

+=

1 [1.5]

Anlogamente se puede despejar el ndice de vacos de la ecuacin [1.5] en funcin a la porosidad, que ser:

n

ne

=

1 [1.6]

Grado de saturacin (S).

El grado de saturacin o llamado tambin el contenido de humedad volumtrico (), es el cociente entre el volumen de agua y vacos, indica el porcentaje de agua que contiene el suelo respecto al contenido de vacos, que se escribe:

v

w

VVS = [1.7]

Generalmente el grado de saturacin es expresado en porcentaje, para el caso de un suelo seco: S = 0, mientras que para un suelo completamente saturado: S = 1.

5.2. Relaciones de peso.


20

El peso de un cuerpo (W) se llega a conocer como la masa (m) de ese cuerpo magnificado por la gravedad (g), lo cual se escribe:

gmW = [1.8]

Por conveniencia se considerarn las unidades de masa en lugar de las del peso excepto donde no corresponde, debido a que la masa a diferencia del peso no es influida por la gravedad. Las unidades de est sern expresadas en kg o g dependiendo a su cantidad.

Para las relaciones de peso se considerar nicamente la masa de la fase slida y lquida, mientras que la masa de la fase gaseosa es despreciada por ser una cantidad muy pequea. La masa total (M) de la masa de suelo ser:

w sM M M= + [1.9]

Contenido de humedad (w).

El contenido de humedad, se define como el cociente entre la masa de agua contenida y la masa de los slidos de una masa de suelo, que se escribe:

w

s

Mw

M= [1.10]

La mayor parte de los ensayos en mecnica de suelos, requieren la determinacin del contenido de humedad del suelo. Para lo cual, la idea general es determinar la masa del suelo libre del contenido de agua (masa de los slidos del suelo) y tambin la masa del agua que contiene el suelo.

La masa de la muestra de suelo ser: M1. Si la muestra de suelo es secada en un horno de laboratorio de tal manera que ya no tenga contenido de agua, la masa de la muestra sin contenido de agua ser: M2. Entonces la masa del agua que contiene el suelo ser: M1 M2. Por lo tanto el contenido de humedad del suelo ser:

1 2

2

M Mw

M

= [1.11]

El valor del contenido de humedad, por lo general es expresado en porcentaje.

Densidad ().

La densidad del suelo es definida como la relacin entre la masa y el volumen, que se expresa:

VM

= [1.12]

La densidad puede variar para un mismo suelo, dependiendo de la cantidad relativa de agua que contenga el suelo.

Peso unitario ( ).


21

El peso unitario es definido como la masa de una masa por unidad de volumen. El peso unitario del suelo vara de acuerdo al contenido de agua que tenga el suelo, que son: hmedo (no saturado), saturado y seco.

El peso unitario hmedo ( ), es definido como el peso de la masa de suelo en estado no saturado por unidad de volumen, donde los vacos del suelo contienen tanto agua como aire, que ser:

VW

= [1.10]

El peso unitario seco ( d ), se define como el peso de suelo sin contenido de agua por unidad de volumen, que se escribe:

VWs

d = [1.11]

El peso unitario saturado ( sat ), se define como el peso de suelo en estado saturado por unidad de volumen, donde los espacios vacos estn llenos de agua, que ser:

VW

sat = [1.12]

El Peso unitario del agua ( w ), es peso del agua por unidad de volumen que ser:

w

ww V

W= [1.13]

Debido a que la gravedad es: g=9.81 m/s2 y la densidad del agua es: w =1000 kg/m3, el peso unitario del agua ser: w = 9.81 KN/m3.

El peso unitario sumergido ( ' ), se conoce como a la diferencia del peso unitario hmedo del suelo y el peso unitario del agua, que ser:

w =' [1.14] En la Tabla 1.4 se muestran valores tpicos del peso unitario seco para algunos suelos.

Tabla 1.4. ndice de vacos, contenido de humedad y peso unitario seco (Coduto, 1999). e w % Tpico d KN/m3

0.8 30 14.50.45 16 180.65 25 160.4 15 190.6 21 170.9 - 1.4 30 - 50 11.5 - 14.52.5 - 3.2 90 - 120 6 - 8Arcilla orgnica suave

Arena limosa sueltaArena limosa densaArcilla duraArcilla blanda

Tipo de sueloArena uniforme sueltaArena uniforme densa


22

El valor del peso unitario del suelo depender del contenido de humedad como del tipo de partculas que componen el suelo. Una manera de determinar es midiendo la masa del suelo y el volumen que ocupa esta misma masa de suelo.

La masa total de la masa de suelo al aire ser: M1. Si se cubre la masa de suelo con cera con el objetivo de impermeabilizarla, la masa de la masa total de suelo mas cera al aire ser: M2. La masa de la cera que cubre la masa de suelo ser:

Mcera = M2 M1

El volumen de la cera que cubre la masa de suelo ser:

ceracera

cera

MV =

Donde: cera = densidad de la cera.

La masa de la masa de suelo ms cera, ambas sumergidas en agua ser: M3. Segn al principio de Arqumedes, la masa del agua que es desplazada por el volumen que ocupa el suelo ms cera, ser:

Magua = M2 M3

El volumen de agua desplazada por la masa de suelo ms cera, ser:

aguaagua

agua

MV =

Donde agua es la densidad del agua, entonces el volumen del suelo sin cera, ser:

Vsuelo = Vagua Vcera

El peso unitario hmedo del suelo ser:

1

suelo

M gV

=

Por lo general el peso unitario del suelo es expresado en KN/m3. El peso unitario saturado y seco puede ser determinado implcitamente mediante relaciones de peso-volumen que involucren el peso unitario hmedo y otros valores conocidos.

Gravedad especfica (Gs).

La gravedad especfica del suelo, se define como la relacin entre la masa de los slidos del suelo (Msuelo) y la masa del agua para el mismo volumen (Magua) que ocupan estos slidos es:

ss

agua

MGM

= [1.15]


23

Mediante la gravedad especfica puede determinarse el valor de otras relaciones de peso o volumen del suelo que sean de inters, una forma de hallar este valor es determinando la masa de las partculas slidas del suelo y la masa del volumen de agua que ocupan estas.

La masa del suelo secado en horno (sin contenido de agua), ser: M1. La masa de un frasco (o picnmetro) con agua destilada (sin aire) hasta el tope ser: M2. Si se introduce la masa de suelo en el frasco con agua hasta el borde, esta desplazara un cierto volumen de agua, la masa del frasco con agua hasta el borde mas suelo ser: W3. Es importante que no exista aire en el suelo, por lo que la muestra de suelo es saturada completamente de agua, esto es agitando el frasco que contiene suelo y agua. La masa del volumen de agua desplazada por los slidos del suelo ser:

Magua = (M2 + M1) M3

Entonces, la gravedad especfica ser:

1s

agua

MGM

=

Segn la norma ASTM D854, el valor de la gravedad especfica en los suelos generalmente varia entre 2.60 a 2.80, pero en el caso de suelos que contienen materia orgnica el valor de la gravedad especfica desciende por debajo de 2. Ms detalles acerca de este ensayo pueden consultarse en un manual de laboratorio especializado. En la Tabla 1.5 se muestran valores tpicos de la gravedad especfica para algunos minerales.

Tabla 1.5. Gravedad especfica de algunos minerales (Coduto, 1999). G s G s

Minerales no arcillosos2.65 2.62 - 2.662.54 - 2.67 2.75 - 2.783.00 - 3.50 2.60 - 2.862.76 - 3.20 2.60 - 2.962.715.23.6 - 4.02.322.70 - 2.80

MineralMinerales arcillosos

MontmorilonitaIlitaClorita

GibsitaTalco

Caolinita

MicaCalcitaHematitaLimonita

Mineral

CuarzoFeldespatoHornblenda

5.3. Modelo del volumen de slidos unitario.

El modelo del volumen de slidos unitario (Vs = 1) est basado en asumir una cantidad de volumen, donde la masa y el volumen de las dems fases son determinadas en funcin a esta medida que se mantiene constante. Por lo tanto, el modelo se construye como para una unidad (1 m3) de material slido. La Figura 1.15 muestra el modelo.


24

Ms

MwM

V = 1s

V w

V v

V = 1 + Vv

Slido

Agua

Aire

Figura 1.15. Modelo del volumen de slidos unitario.

Reemplazando Vs=1 en la ecuacin [1.3], el volumen de vacos (Vv) ser: Vv = e Reemplazando esta ltima expresin en la ecuacin [1.1], el volumen total (V) ser:

V = 1 + e

El contenido de humedad puede expresarse como:

w w

s

Vw

=

Si se despeja Vw de est expresin, se tendr que:

sw

w

V w

= [1.16]

La gravedad especfica (Gs) puede expresarse como:

w

ssG

=

Si se reemplaza esta expresin en la ecuacin [1.16], el volumen de agua (Vw) ser:

w sV w G= Reemplazando esta expresin en la ecuacin [1.13] y despejando la masa del agua (Mw),

se tendr que: Mw = w sw G

La Figura 1.16, muestra el modelo del volumen de slidos unitario para el estado saturado.


25

Slido

Agua

M s

Mw

M

V = 1s

V = Vw

V = 1 + Vv

v

Figura 1.16. Modelo del volumen de slidos unitario para suelo saturado.

Si S = 1 entonces:

Vw = Vv = e

La ecuacin [1.13] puede escribirse:

Mw = w Vw Reemplazando Vw en esta expresin, la masa del agua (Mw) ser:

Mw= w e

5.4. Modelo del volumen total unitario.

El modelo del volumen total unitario (V = 1) mostrado en la Figura 1.7, al igual que el anterior modelo est basado en una cantidad de volumen donde la masa y el volumen de todas las dems fases estn determinadas de acuerdo a esta medida que se mantiene constante. En esta forma la masa de suelo se describe como un volumen fijo compuesto de: material slido, lquido y gaseoso.

Reemplazando V = 1 en la ecuacin [1.4], el volumen de vacos (Vv) ser:

Vv = n

Reemplazando la ecuacin [1.1] en la ecuacin [1.2] y sustituyendo los valores de V = 1 y el de Vv = n en esta nueva ecuacin, el volumen de los slidos (Vs) ser:

Vs= 1 n

El peso unitario de los slidos del suelo ser:

ss

s

M gV

= [1.17]


26

Ms

MwM

V = 1 V s

V v

V = 1

vSlido

Agua

Aire

Figura 1.17. Modelo del volumen total unitario.

La gravedad especfica puede expresarse como:

wssG =

Reemplazando la ecuacin [1.17] en est expresin se tendr que:

ss w

s

MGV

=

Reemplazando Vs=1 n en est expresin, la masa de los slidos (Ms) ser:

(1 )s s wM G n=

Sustituyendo el valor de Ms de esta expresin en la ecuacin [1.10], la masa del agua (Mw) ser:

(1 )w s wM w G n=

La Figura 1.18, muestra el modelo del volumen total unitario para el estado saturado.

Ms

Mw

M

V = 1 V s

V = 1

v

V = V w v

Slido

Agua

Figura 1.18. Modelo del volumen total unitario para suelo saturado.

Si S = 1, se tendr que:

Vw = Vv = n


27

Tabla 1.6. Relaciones de peso-volumen (Das, 1998). Relaciones para determinar el peso unitario hmedo ().

( )11

S WGe

+ =+

( )( )1 1S WG n w = + ( )1S W WG n n S = +

w, e, Gs, w

w, n, Gs, w

w, n, Gs, w

[1.18]

[1.19]

[1.20]

( )11

S W

S

w Gw G

S

+ =

+

( )1

S WG S ee

+ =+

w, S, Gs, w

e, S, Gs, w

[1.21]

[1.22]

Relaciones para determinar el peso unitario seco ( d).

1d w =+

1s w

dG

e

=+

(1 )d s wG n =

1s w

ds

Gw G

S

=

+

( )1w

de S

e w

=+

1w

d sate

e

= +

wsatd n = ( )

1sat w s

ds

GG

=

w,

e, Gs, w

n, Gs, w

w, S, Gs, w

w, e, S, w

w, e, sat

sat, n, w

sat, Gs, w

[1.23]

[1.24]

[1.25]

[1.26]

[1.27]

[1.28]

[1.29]

[1.30]

Relaciones para determinar el peso unitario saturado (sat): ( )

1s w

sat

G ee

+ =+

[ ](1 )sat s wn G n = +

11

satsat s w

sat s

w Gw G

+= +

11

satsat w

sat

e w

w e + = +

1sat d we

e = + +

W,

e, Gs, w

n, Gs, w

w, S, Gs, w

w, e, S, w

[1.31]

[1.32]

[1.33]

[1.34]

[1.35]


28

sat d wn = +

11sat d w

sG = +

( )1sat d satw = +

1sat

sat wsat

wn

w +=

w, e, sat

sat, n, w

sat, Gs, w

sat, Gs, w

[1.36]

[1.37]

[1.38]

[1.39]

Despejando Mw de la ecuacin [1.13], se tendr que: Mw = w Vw

Reemplazando Vw, la masa del agua ser:

Mw= w n

5.5. Relaciones de peso volumen.

Pueden formarse ecuaciones con las relaciones de volumen y de peso, que permitan conocer otros valores aunque en un estado diferente del suelo en base a algunos valores conocidos. La Tabla 1.6 muestra diversas relaciones para determinar el peso unitario hmedo, seco y saturado en funcin a las relaciones de peso y volumen.

Todas las relaciones de las ecuaciones [1.18] a [1.39] son obtenidas matemticamente con cualquiera de los dos modelos, para la mayora de las relaciones el modelo del volumen de slidos unitario es prctico mientras que el modelo del volumen total unitario es ms prctico solo para algunas de ellas.

6. Distribucin del tamao de partculas.

De acuerdo al tamao predominante de partculas que contenga el suelo, los suelos generalmente son llamados: grava, arena, limo, arcilla o una mezcla de ellos.

Tabla 1.7. Sistemas para identificar el tamao de partculas del suelo (Das, 1998). Grava Arena Limo Arcilla

TAMAO DE PARTCULAS en mmNOMBRE DE LA ORGANIZACIN

Massachusetts Institute of Tecnology (MIT)

U.S. Department of Agriculture (USDA)

0.06 a 0.002 < 0.002

0.05 a 0.002 < 0.003

American Association of State Highway and Transportation (AASHTO)Unified Soil Clasification System (US)

>2 2 a 0.06

>2 2 a 0.05

75 a 4.75 4.75 a 0.075

76.2 a 2 2 a 0.075 0.075 a 0.002 < 0.004

Finos (limos y acrcillas)< 0.075

Diversas organizaciones que estudian aspectos relacionados con el suelo han elaborado sistemas de clasificacin para identificar el tamao de las partculas de un suelo para sus propsitos especficos. En la Tabla 1.7 se muestra algunos de los sistemas ms conocidos empleados por estas organizaciones para identificar las partculas del suelo.

El sistema de clasificacin unificado (USCS) ha sido adoptado como el estndar por la ASTM (American Society for Testing and Materials) y el reglamento que esta sociedad ha desarrollado para el anlisis y estudio del suelo es aceptado a nivel internacional.


29

Grava.

Segn la norma ASTM D2487 el tamao de estas partculas vara de 75 a 4.75 mm, estas a su vez estn divididas en dos categoras: grava gruesa que est comprendida entre 75 y 19 mm y grava fina que est comprendida entre 19 y 4.75 mm.

Las gravas son acumulaciones sueltas de fragmentos de roca de textura redondeada, debido al desgaste que sufren las partculas al ser transportadas por las corrientes de los ros. Como material suelto suele encontrarse en los lechos, mrgenes, en los conos de deyeccin de los ros y suele encontrarse depsitos con grandes cantidades.

Arena.

Se llama arena a las partculas granulares de textura variada procedentes de la desintegracin de las rocas o de su trituracin artificial y cuyo tamao segn la norma ASTM D2487 vara entre 4.75 a 0.075 mm, la arena est clasificada en tres categoras: arena gruesa que tiene un tamao de 4.75 a 2 mm, la arena mediana de un tamao comprendido entre 2 y 0.425 mm y la arena fina comprendida entre 0.425 y 0.075 mm.

El origen y la existencia de la arena es anloga a la de la grava, comnmente las dos suelen encontrarse juntas en el mismo depsito. Principalmente est compuesta de cuarzo y otros minerales que dan resistencia mecnica a las partculas.

Limo.

El limo es una partcula mineral pequea de textura granular o escamosa, que suele encontrarse en las canteras y en los ros. El tamao de las partculas de limo segn la norma ASTM D2487 es menor a 0.075 mm. Su color vara desde gris claro a muy oscuro. El suelo compuesto por limo es relativamente impermeable, fcilmente erosionable.

Arcilla.

Se da el nombre de arcilla a las partculas slidas de textura escamosa, compuestas de minerales de arcilla con un tamao diminuto mucho menor a 0.075 mm. La arcilla qumicamente es un silicato hidratado de: aluminio, hierro o magnesio. Las microestructuras que forman las partculas diminutas que componen la arcilla ocasionan que esta sea poco permeable y el contenido de humedad comunica a la masa de suelo la propiedad plstica.

Guijarro y canto rodado.

Existen partculas de mayor tamao que la grava, segn la norma ASTM D2487 a las partculas con tamao comprendido entre 75 a 350 mm se las llama guijarro o boln y a las que superan los 350 mm se las denomina canto rodado. Por lo general estos dos tipos de partculas son fragmentos de roca, constituyen ser componentes aislados del suelo y suelen aparecen sobre o por debajo de la superficie terrestre.

Materia coloidal.

Existen tambin partculas muy pequeas que no pueden llegar a ser vistas fcilmente. Las partculas con tamao menor a 2 m, constituyen la fraccin mas fina de los suelos. Que pueden ser distinguidas con la ayuda de un microscopio potente y su estructura molecular puede ser analizada por medio de los rayos X, a este tipo de partculas se las conoce como


30

coloide o ultra-arcilla. Estas partculas debido a su tamao no suelen considerarse dentro los sistemas de clasificacin, pero forman parte de la fraccin fina del suelo.

6.1. Suelos de grano grueso.

Estos suelos estn constituidos de partculas con textura granular compuestas de fragmentos de roca y mineral. De acuerdo al sistema de clasificacin unificado estas partculas tienen un tamao comprendido entre 75 y 0.075 mm, que corresponde al tamao de la grava y arena. Aunque en su mayora contienen partculas mayores a 0.075 mm tambin contienen material fino en pequea cantidad, como conjunto estos suelos tienen mayor resistencia a la erosin.

6.1.1. Anlisis mecnico por tamices.

Debido al tamao de las partculas y la forma granular que presentan estos suelos, fcilmente puede clasificarse los distintos tamaos de las partculas que lo constituyen mediante tamices con diferentes aberturas. A este anlisis se lo llama: anlisis granulomtrico del suelo.

El tamiz o criba que se muestra en la Figura 1.19a, consiste de un plato de acero inoxidable con una malla metlica adherida en la parte inferior con aberturas de tamao uniforme. Existen dos tamaos estndar de tamices los de 8 y 12, mostrados en la Figura 1.19b y c, respectivamente.

8" 12"

(a) (b) (c)

Figura 1.19. Tamices para el anlisis mecnico del suelo de grano grueso. (a) Tamiz. (b) Tamiz de 8. (c) Tamiz de 12.

La Tabla 1.8 muestra la serie ASTM de tamices de 8 y 12 disponibles en el mercado para el anlisis mecnico del suelo, el tamao de la abertura de la malla (expresado en milmetros) esta identificada por un nmero de tamiz.

No es necesario tener todos los tamices para realizar un anlisis granulomtrico del suelo, simplemente bastan algunos tamaos que estn en funcin al sistema de clasificacin del tamao de partculas que se est empleando. En el sistema de clasificacin unificado (USCS) las partculas consideradas grano grueso tienen un tamao mayor a 0.075 mm, por lo tanto el tamiz: Nro. 200 retiene las partculas de grano grueso y deja pasar las partculas finas del suelo, por lo que el tamiz Nro. 200 clasifica las partculas de grano grueso de las finas.

Dentro las partculas de grano grueso el tamao de la arena est comprendido entre 4.75 y 0.075 mm, el tamiz: Nro. 4 retiene los tamaos mayores a 4.75 mm y deja pasar los de menor tamao que son retenidos en el tamiz Nro. 200. La grava tiene un tamao comprendido entre 76.2 y 4.75 mm, el tamiz de 3 retiene partculas mayores a 76.2 mm y deja pasar partculas de menor tamao que se retendrn en el tamiz Nro. 4 o en el Nro. 200. Para el sistema de clasificacin unificado es indispensable tener los tamices Nro. 200, 4 y el de 3, sin embargo si se utilizan tamices intermedios a estos tamaos se tendr un anlisis granulomtrico ms preciso.


31

Tabla 1.8. Serie ASTM de tamices (ASTM D422 y E100). Nro. Abertura Nro. Abertura Nro. Abertura Nro. Abertura Nro. Abertura Nro. Abertura5" 127.00 1 1/2" 38.10 3/8" 9.53 12 1.70 60 0.250 325 0.0414.24" 107.70 1 1/4" 31.75 5/16" 7.94 14 1.40 70 0.212 400 0.0354" 101.60 1.06" 26.92 0.265" 6.73 16 1.18 80 0.180 450 0.0313 1/2" 88.90 1" 25.40 1/4" 6.35 18 1.00 100 0.150 500 0.02813/4" 82.55 7/8" 22.23 4 4.75 20 0.85 120 0.125 635 0.0213" 76.20 3/4" 19.05 5 4.00 25 0.71 140 0.1062 1/2" 63.50 5/8" 15.88 6 3.35 30 0.60 170 0.0902.12" 53.85 0.53" 13.46 7 2.80 35 0.50 200 0.0752" 50.80 1/2" 12.70 8 2.36 40 0.43 230 0.0651 3/4" 44.45 7/16" 11.11 10 2.00 50 0.36 270 0.053

TAMICES SERIE ASTM

En la Figura 1.20 se muestra un tamizador, que es un equipo de laboratorio donde se instalan las diferentes medidas de tamices, este agita todo el conjunto de tal manera que el suelo puede descender por todos los tamices que clasifican el tamao de las partculas.

Se instalan los tamices en forma descendente, el de mayor abertura en la parte superior y el de menor abertura en la parte inferior, el suelo es colocado en el tamiz superior y tambin se coloca un plato en la parte inferior del ltimo tamiz para recibir la fraccin mas fina de suelo. Deben seleccionarse con cuidado los tamices que se van ha instalar, el tamizador permite regular la intensidad y el tiempo del tamizado.

Figura 1.20. Tamizador de laboratorio.

Antes de tamizar la muestra de suelo, esta debe ser lavada desmenuzando todos los terrones que existan y luego ser secada en horno por 24 horas a 105 C. Durante el lavado y tamizado se perdern partculas de suelo esta perdida no debe superar el 2% de la masa total.

Curva de distribucin del tamao de partculas.

La muestra de suelo debe ser tamizada por lo menos 15 minutos, donde cada tamiz retendr una fraccin de masa de suelo y el plato inferior retendr las partculas mas finas del suelo menores a 0.075 mm para otros propsitos.


32

La masa de la fraccin de masa de suelo retenida en cada tamiz ser: M1, M2, M3,, Mi. La masa de la fraccin fina de suelo en el platillo ser: Mp. El total de la masa de suelo ser: M1 + M2 + M3 ++ Mi + Mp = M. Se determina la masa acumulada de suelo retenida para cada tamiz, para un tamiz i ser:

M1 + M2 + M3 ++ Mi

Se determina la masa de suelo que deja pasar cada tamiz. La masa de suelo que deja pasar el tamiz i ser:

M (M1 + M2 + M3 +.+ Mi)

Se determina el porcentaje de suelo que deja pasar cada tamiz. El porcentaje de suelo que pasar el tamiz i ser:

1 2 3- ( ... )(%) 100iiM M M M M

PM

+ + + +=

Todos los resultados son registrados ordenadamente en una Tabla. Con los valores del tamao de las aberturas del tamiz en milmetros ubicados en orden inverso en el eje de las abscisas en escala logartmica y el porcentaje de la masa de suelo que pasa ubicada en el eje de las ordenadas, se traza la curva de distribucin del tamao de partculas como se muestra en la Figura 1.21.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0750.111075Tamao de la partcula (mm)

Porc

enta

je qu

e pa

sa (%

)

Figura 1.21. Curva de distribucin del tamao de partculas.

Parmetros de la Curva de distribucin del tamao de partculas.

A partir de la curva de distribucin del tamao de partculas, se puede obtener cantidades en porcentaje de un tamao de partculas especial que contenga el suelo. El dimetro de la partcula (Di) se refiere al tamao del grano o dimetro aparente de una partcula de suelo y el subndice que lo acompaa indica la cantidad de partculas en porcentaje ms pequeas que


33

esta. Por ejemplo: D10 = 2 mm, significa que el 10% de los granos de la muestra son menores en dimetro que 2 mm. El dimetro D10 es llamado dimetro o tamao efectivo del suelo, este al igual que el: D60, D30, D25 y D75, son tamaos especiales de las partculas que contiene el suelo para evaluar la distribucin del tamao de partculas del suelo.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0750.111075Tamao de la partcula (mm)

Porc

enta

je qu

e pa

sa (%

)

(a)

(b)(c) (d)

(e)

Figura 1.22. Curvas de distribucin del tamao de partculas de cinco suelos (Coduto, 1999). (a) Suelo de grano grueso (grava y arena). (b) Suelo bien gradado con una amplia variedad de tamaos de partcula. (c) Suelo de grano grueso con una reducida variedad de tamaos de partcula. (d) Suelo con gradacin hueca, no contiene un cierto rango de tamaos de partcula. (e) Suelo compuesto de partculas finas (limo y arcilla).

a) Coeficiente de uniformidad (CU).

Este parmetro evala el grado de similitud en tamao de las partculas del suelo, que ser:

60

10U

DCD

= [1.40]

Un valor grande de este parmetro indica que las partculas entre D60 y D10 difieren en gran manera de tamao, lo que indica desuniformidad en relacin al tamao. Un suelo con una distribucin uniforme har que la curva de distribucin tienda a ser vertical como en la Figura 1.22c, mientras que la desuniformidad la har ms horizontal como en la Figura 1.22b.

b) Coeficiente de gradacin (CC).

Este parmetro evala la progresin de la variacin en tamao de las partculas del suelo, que ser:

230

10 60C

DCD D

=

[1.41]


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Los valores de CC muy alejados a la unidad indican la falta o la poca cantidad de una serie de tamaos de partculas. Una distribucin bien gradada har que la curva de distribucin se asemeje a una recta (Figura 1.22a, b) y una mala gradacin la har sinuosa o uniforme (Figura 1.22c y d).

c) Coeficiente de clasificacin (So).

Este parmetro es otra alternativa poco conocida para evaluar la uniformidad y se escribe:

25

75

DDSo = [1.42]

6.2. Suelos finos.

Los suelos finos estn constituidos de partculas compuestas de fragmentos diminutos de roca, minerales y minerales de arcilla, con textura granular y en hojuelas. De acuerdo al sistema de clasificacin unificado estas partculas tienen un tamao inferior a 0.075 mm, que corresponden a la categora del limo y la arcilla, por lo que toda fraccin de suelo que pasa el tamiz Nro. 200 es considerado como suelo fino.

6.2.1. Anlisis mecnico por hidrmetro.

Aunque existen tamices con aberturas de malla menores a 0.075 mm, no es apropiado su uso para determinar la distribucin del tamao de partculas de la fraccin de suelo fino, debido a que las partculas del suelo fino no siempre tienen textura granular sino en hojuelas y estas ltimas poseen propiedades elctricas importantes que dificultaran el tamizado.

Stokes (1850) desarroll una ecuacin que relaciona la velocidad de descenso de una partcula esfrica en un fluido con respecto al tamao de esta, que es:

2

18s wv D=

Donde: v = Velocidad de descenso de la partcula. s = Peso unitario de los slidos del suelo w = Peso unitario del agua. = Viscosidad dinmica del fluido. D = Dimetro de la partcula con forma esfrica.

Con el concepto que encierra la ecuacin [1.43] conocida tambin como la ley de Stokes, puede determinarse el tamao del ms del 90% de las partculas del suelo fino. El hidrmetro del tipo ASTM 152H que se muestra en la Figura 1.23a, es un instrumento de laboratorio para medir la gravedad especfica de un lquido (Figura 1.23b).

El anlisis mecnico por hidrmetro est basado en el principio de sedimentacin de las partculas del suelo fino en suspensin. Cuando un suelo fino es dispersado en agua, las partculas sedimentarn a diferentes velocidades, dependiendo de su textura, tamao y masa, adems de la viscosidad del agua. Para simplificar el anlisis, se asume que las partculas


35

tienen forma esfrica de tal manera que puede utilizarse la ley de Stokes para describir su comportamiento. El dimetro de la partcula segn la ecuacin [1.43] ser:

18s w

vD =

La velocidad v de est ecuacin puede escribirse como:

18s w

LDt

=

Donde: L = Es la distancia que recorre la partcula al sedimentarse. t = Es el tiempo que tarda en recorrer esa distancia.

Reemplazando: s s wG = en esta ecuacin y factorizando se tendr que:

( )18

1s wLD

G t

=

Donde: Gs = Gravedad especfica del suelo fino.

60

0

LL1

2L

60

0

(a) (b)

Figura 1.23. Hidrmetro (Das, 1998). (a) Hidrmetro tipo ASTM 152H. (b) Determinacin de la gravedad especfica.

Debe tenerse cuidado al manejar las unidades de los diferentes valores que incluye esta ecuacin. El dimetro de la partcula por ser un valor pequeo conviene manejarlo en mm, la viscosidad del agua se mide en gs/cm2, el peso unitario del agua en g/cm3, la distancia L que


36

recorre la partcula conviene medirla en cm y el tiempo de la sedimentacin es muy lento por lo que debe medirse en minutos. Compatibilizando unidades se tendr que:

[ ]( )

[ ][ ]

2

3

18 gr sec c10

mmm cm

min 601 gr cms w

D LtG

=

Por lo que se tendr que:

( )30

1s wLD

G t

=

[1.43]

Sin embargo, para determinar fcilmente del dimetro de la partcula, la ecuacin [1.43] puede escribirse:

LD Kt

= [1.44]

Donde: ( )30

1s wK

G

=

Tanto la gravedad especfica como la viscosidad del agua dependen de la temperatura, por lo cual la norma ASTM D422 ha tabulado valores para el coeficiente K en funcin a la temperatura y la gravedad especfica, que se muestran en la Tabla 1.9.

Tabla 1.9. Valores de K (ASTM D422).

2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.817 0.0149 0.0146 0.0144 0.0142 0.014 0.0138 0.013618 0.0147 0.0144 0.0142 0.014 0.0138 0.0136 0.013419 0.0145 0.0143 0.0140 0.0138 0.0136 0.0134 0.013220 0.0143 0.0141 0.0139 0.0137 0.0134 0.0133 0.013121 0.0141 0.0139 0.0137 0.0135 0.0133 0.0131 0.012922 0.0140 0.0137 0.0135 0.0133 0.0131 0.0129 0.012823 0.0138 0.0136 0.0134 0.0132 0.013 0.0128 0.012624 0.0137 0.0134 0.0132 0.0130 0.0128 0.0126 0.012525 0.0135 0.0133 0.0131 0.0129 0.0127 0.0125 0.012326 0.0133 0.0131 0.0129 0.0127 0.0125 0.0124 0.012227 0.0132 0.0130 0.0128 0.0126 0.0124 0.0122 0.012028 0.0130 0.0128 0.0126 0.0124 0.0123 0.0121 0.011929 0.0129 0.0127 0.0125 0.0123 0.0121 0.0120 0.011830 0.0128 0.0126 0.0124 0.0122 0.012 0.0118 0.0117

Temperatura C

Gravedad especfica (Gs)

En laboratorio el anlisis mecnico por hidrmetro, se realiza en un cilindro (18 x 2.5) con agua mantenida a temperatura constante donde es introducida una cantidad apropiada de


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suelo. Para dispersar las partculas en todo el fluido y acelerar la sedimentacin, se introduce defloculador que por lo general es hexametafosfato de sodio. La solucin debe ser mezclada enrgicamente para homogenizar el fluido, es recomendable que la cantidad total de fluido sea de 1000 ml, por lo que talvez deba aadirse agua destilada.

Cuando el hidrmetro es colocado en el cilindro (Figura 1.23b) este queda suspendido a cierta profundidad, a medida que las partculas en suspensin sedimenten el hidrmetro se hundir consecuentemente, ya que la gravedad especfica del fluido est en funcin al contenido de partculas por unidad de volumen en suspensin. La lectura del hidrmetro se realiza del punto que esta en el centro del bulbo del hidrmetro hasta la medida que marca el nivel superior de agua en la regla graduada, esta distancia es L en la Figura 1.23b. Este valor puede obtenerse de la siguiente expresin:

1 212

BVL L LA

= +

Donde: L = Profundidad sumergida del bulbo del hidrmetro. L1 = Medida de la profundidad sumergida de la parte superior del bulbo. L2 = Longitud del bulbo (14 cm para hidrmetro ASTM 152H). VB = Volumen del bulbo del hidrmetro (67 cm3 para hidrmetro ASTM 152H). A = rea de la seccin transversal del cilindro (27.8 cm2 si es de 18 x 2.5).

Tabla 1.10. Valores de L para distintas lecturas (R) del hidrmetro. Lectura R L cm Lectura R L cm0 16.3 26 121 16.1 27 11.92 16 28 11.73 15.8 29 11.54 15.6 30 11.45 15.5 31 11.26 15.3 32 11.17 15.2 33 10.98 15 34 10.79 14.8 35 10.610 14.7 36 10.411 14.5 37 10.212 14.3 38 10.113 14.2 39 9.914 14 40 9.715 13.8 41 9.616 13.7 42 9.417 13.5 43 9.218 13.3 44 9.119 13.2 45 8.920 13 46 8.821 12.9 47 8.622 12.7 48 8.423 12.5 49 8.324 12.4 50 8.125 12.2 51 7.9


38

Para un hidrmetro del tipo ASTM 152H y un cilindro de sedimentacin de 18 x 2.5, se tendr que:

L = L1 + 5.8

Para obtener el valor de L1 no se toma en cuenta el menisco que se forma entre la superficie del agua y el hidrmetro, por lo que la lectura L1 corregida del menisco ser: R. Midiendo el valor de R en la regla graduada se determina la longitud L, que es el valor de la longitud en la ecuacin [1.43]. La norma ASTM D422 presenta valores tabulados para la variacin de L respecto a R vlidos para el equipo de laboratorio anteriormente descrito, que se muestran en la Tabla 1.10.

Se toman lecturas con el hidrmetro de la densidad del fluido para diferentes intervalos de tiempo, que por lo general son:

t1 =15 seg, t2 =30 seg, t3=1 min, t4 = 2 min, t5 = 4 min,... ,t14=24 horas y t15 = 48 horas.

Con los valores de L y t para los diferentes intervalos de tiempo en la ecuacin [1.44], se obtienen los diversos tamaos de partculas del suelo fino.

Curva de distribucin del tamao de partculas.

Al igual que el anlisis mecnico por tamices se puede trazar la curva de distribucin del tamao de partculas para el suelo fino. Con la ecuacin [1.44] se determina el tamao de las partculas del suelo, pero el porcentaje de estas que pasan un tamao de aberturas de un tamiz imaginario se puede determinar con la ecuacin:

(%) 100ia R

PMs

= [1.45]

Donde el valor de a es una correccin para la gravedad especfica, que ser:

( )1.651 2.65

s

s

Ga

G=

[1.46]

Este valor de correccin tambin puede ser obtenido de la Tabla 1.11

Tabla 1.11. Valores de a (ASTM D422). G s a

2.50 1.042.55 1.022.60 1.012.65 1.002.70 0.992.75 0.982.80 0.97

Es muy importante que la temperatura se mantenga constante durante todo el ensayo, para lograr esto en la prctica se sumerge el cilindro de sedimentacin en un bao mara que


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mantiene el agua a temperatura constante. Sin embargo tambin deben aplicarse factores de correccin por temperatura y viscosidad del fluido al valor de R en la ecuacin [1.45], donde la forma de aplicar todos estos se describe ampliamente en un manual especializado de laboratorio.

Todos los resultados son registrados ordenadamente en una tabla al igual que en el caso del suelo de grano grueso. Con los valores del tamao de partculas en milmetros obtenidos de la ecuacin [1.44], ubicados en orden inverso en el eje de las abscisas en escala logartmica y el porcentaje de las partculas que pasan un tamiz imaginario obtenido de la ecuacin [1.45], ubicada en el eje de las ordenadas, se traza la curva de distribucin del tamao de partculas como se observa en la Figura 1.24. Esta curva es la continuacin de la curva de distribucin del tamao de partculas del suelo de grano grueso. En el sector donde se conectan estas dos curvas existe una ligera discontinuidad que por lo general se debe a las diferentes texturas de las partculas, esta debe corregirse manualmente para mantener la continuidad de las dos curvas, como se muestra en las curvas de la Figura 1.22b, d y e.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0010.0050.010.050.10.5Tamao de la partcula (mm)

Porc

enta

je qu

e pas

a (%

)

Figura 1.24. Curva de distribucin del tamao de partculas.

7. Consistencia del suelo.

La consistencia se define como la firmeza o solidez que presenta la masa de suelo, esta caracterstica particular del suelo est estrechamente relacionada a las estructuras que las partculas del suelo forman entre si. Para el caso de suelos de grano grueso la textura y la forma de ubicacin de las partculas dentro la masa de suelo determina la consistencia, mientras que en los suelos finos el contenido de humedad define la consistencia ya que el agua contribuye a la cohesin, debido a las propiedades elctricas de los minerales de arcilla.

Densidad relativa (Dr).

Debido a la variedad de formas que tienen las partculas de textura granular en suelos de grano grueso, estas pueden acomodarse de diversas maneras en la masa de suelo, donde para


40

cada caso variar el ndice de vacos. La Figura 1.25 muestra una porcin de suelo con diferentes formas de empaquetamiento de sus partculas.

(a) (b)

Figura 1.25. Formas de empaquetamiento de las partculas del suelo (Das, 1998). (a) Densa. (b) Suelta.

En la Figura 1.25a las partculas estn acomodadas de tal manera que la cantidad de vacos es mnima, a diferencia de la forma de empaquetamiento en la Figura 1.25b que tiene una mayor cantidad de vacos. Se llama compacidad a la forma de empaquetamiento que tienen las partculas del suelo dentro su masa lo cual determinar el ndice de vacos del suelo, este concepto de compacidad solo ser aplicable a suelos con partculas de textura granular.

Cada suelo tiene una compacidad de tal ma

Temas 1 2 Suelos

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