02cap1-propiedadesindicedelsuelo

8/19/2019 02Cap1-PropiedadesIndiceDelSuelo

1/54

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

1

CAPITULO UNO

Propiedades índice del suelo.

Desde hace ya mucho tiempo la humanidad ha construido diversos tipos de estructuras, comoser: presas, carreteras, acueductos y otros proyectos de ingeniería. Aunque el análisisestructural de todos estos varía de acuerdo a cada caso todos tienen algo en común, que sefundan sobre el suelo o la roca.

Por varios años, los ingenieros de la antigüedad desconocieron la importancia del estudiodel comportamiento del suelo antes del diseño y construcción de estas estructuras, comoconsecuencia sus estructuras experimentaron los efectos del comportamiento del suelo, comoel caso de la inclinación de la torre de Pisa construida en 1173. Por lo general, en aqueltiempo para construir una estructura importante los ingenieros solían copiar a otra que habíadado resultados satisfactorios. A lo largo de los años, diversos investigadores modernos hanestudiado 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 deestructuras que requieren un estudio previo del comportamiento del suelo antes de su diseño.

(c)

(a) (b)

(d)

Figura 1.1. Proyectos de ingeniería que requieren un análisis del suelo.(a) Estribo de puente. (b) Muro de contención. (c) Presa de concreto. (d) Talud.

Cuando se ignora el estudio del comportamiento del suelo, el suelo responde de maderainesperada originando condiciones no previstas en el diseño de la estructura, lo cual vulnerasu estabilidad. El estudio del suelo, implica: determinar sus propiedades índice, clasificarlo,conocer el comportamiento del agua en este, su resistencia a esfuerzos externos y los límitesrespecto a su cambio de volumen. Una vez conocidas sus propiedades y comportamiento,pueden diseñarse estructuras que se ajusten a las condiciones específicas de cada suelo.

1. Definiciones.

Dentro el estudio de la mecánica de suelos, es importante definir algunos términos técnicosde uso común que difieren del concepto o idea popular que se tiene acerca de ellos.


2/54

Fundamentos de mecánica de suelos

2

Mineral.

Mineral es definido, como una sustancia inorgánica natural que tiene una composiciónquímica en particular o una variación de su composición y una estructura atómica que guardaíntima relación con su forma cristalina (Blyth & de Freitas, 1989).

Los minerales llegan a ser los principales constituyentes sólidos de todas las rocas, quedan a las rocas propiedades físicas, ópticas y químicas como ser: color, lustre, forma ydureza. El suelo por lo general, contiene algunas variedades comunes de minerales.

Roca.

Roca es definida, como un agregado natural sólido con contenido mineral que tienepropiedades físicas y químicas. Desde un punto de vista ingenieríl, puede ser definido comoun material duro, durable que no puede ser excavado si no con explosiones. La roca esconsiderada como material casi impermeable (Blyth & de Freitas, 1989).

Las rocas son clasificadas de acuerdo a sus características físicas y a la forma de suformación, además constituyen ser la materia prima del suelo.

Suelo.

Suelo, puede definirse desde dos puntos de pista el geólogo y el ingenieríl. El suelo estáclasificado de acuerdo a sus propiedades físicas, como ser: la consistencia y el tamaño de suspartículas.

Para el geólogo, el suelo describe capas de material suelto sin consolidar que se extiendendesde la superficie hasta la roca sólida y que se ha formado por meteorización y ladesintegración de las propias rocas. El punto de vista geólogo del suelo, permite conocer el

origen del suelo ya que mediante la geología se puede clasificar las rocas y comprender lastransformaciones que tienen en su ciclo hasta convertirse en suelo (Whitlow, 1994).Desde el punto de vista ingenieríl, suelo es definido como un agregado natural no

cementado de granos minerales y materia orgánica en descomposición, con líquido y gas enlos espacios vacíos entre las partículas que lo constituyen. El ingeniero, compara al suelocomo un material de construcción que tienen una importante influencia en el diseño yconstrucción de una obra de ingeniería (Das, 1999).

El suelo al igual que otros materiales posee propiedades ingenieriles, que estángobernadas por el tamaño de sus partículas y la forma en que estas interaccionan entre si. Lossuelos por lo general, son materiales heterogéneos y anisotrópicos, por lo que no estáncompuestos de un mismo material en toda su masa, además son materiales no conservativos,es decir que la masa de suelo al deformarse no recupera su forma original.

Mecánica de suelos.

La mecánica de suelos, estudia el comportamiento y las propiedades físicas del suelo cuandofuerzas y agentes externos actúan en la masa de suelo. Esta rama de la geotecnia considera laestructura del suelo, la forma de las partículas que lo constituyen y las fases que éste presenta,concentrándose en las propiedades ingenieríles (Das, 1999).

Ingeniería de suelos.

Ingeniería de suelos, es la aplicación de los principios de la mecánica de suelos a problemasprácticos, donde la experiencia y la teoría se complementan (Das, 1999).


3/54


3

Geotecnia.

Es una ciencia, que combina los conocimientos de la ingeniería geotécnica y la ingenieríageológica al estudio del comportamiento y la clasificación de los elementos encontrados en lacorteza terrestre, como ser: suelo, roca y agua subterránea (Coduto, 1998).

Ingeniería geotécnica.

Ingeniería geotécnica, es una rama de la ingeniería civil que aplica los conocimientos de lamecánica de suelos y de la ingeniería civil a algunos aspectos de la corteza terrestre.Generalmente, se concentra sólo en los materiales encontrados cerca de la superficie de latierra como: la roca, suelo y el agua subterránea. Determina relaciones matemáticas yempíricas, útiles para conocer el comportamiento de estos materiales y diseñar estructurasrelacionadas a estas (Coduto, 1998).

Propiedades índice del suelo.

Existe una gran variedad de suelos con características diferentes, por lo que se los clasifica endiferentes categorías y tipos. Las propiedades índice del suelo, se refiere a las característicasparticulares que identifican a un suelo de una misma categoría, estas son: granulometría,consistencia, cohesión y estructura. Conociendo toda esta información del suelo, se puedeanticipar su comportamiento y la metodología que se seguirá 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 través de la meteorización y otros procesos geológicos

que experimentan las rocas que se encuentran cerca de la superficie terrestre, es decir ladesintegración de estas en pedazos cada vez más pequeños, que en contacto con el medioambiente (agua y aire) se concentran formando el suelo. Las rocas tienen su origen a partir devarios procesos geológicos, los más importantes que dan origen a una variedad de rocas son:la cristalización de los minerales que la componen durante la solidificación del magma, lacementación de las partículas del suelo de un depósito y el metamorfismo. Las diversasvariedades de roca que se encuentran en la corteza terrestre, están clasificadas en tres grandescategorías, que son: rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas.

2.1. Meteorización.

La meteorización generalmente es el resultado de procesos atmosféricos como: la lluvia y los

cambios de temperatura, estos son responsables de la destrucción gradual de las masas deroca sólida durante largos periodos de tiempo, donde se altera la composición y estructura delas rocas por medios físicos y químicos. El producto del proceso de meteorización de lasrocas y suelos corresponde a varios tamaños de partículas cada vez más pequeñas con unanueva composición y forma.

Meteorización física o mecánica.

La meteorización física o mecánica, causa la desintegración de las rocas en partículas máspequeñas ya sea por: acción de la temperatura, por impacto de un agente externo o por laabrasión de las mismas partículas minerales acarreadas por el viento. Entre los principalesprocesos que ocasionan la meteorización mecánica se pueden mencionar la: descarga y carga


4/54


4

mecánica, expansión y contracción térmica, acumulación de sales, desprendimiento coloidal,actividad orgánica y carga neumática.

Descarga mecánica.- Las rocas que se encuentran por debajo de lasuperficie terrestre están sometidas a una: presión vertical y deconfinamiento (presión lateral). Cuando la presión vertical reduce por algunacausa externa como ser la erosión, la roca tiende a romperse o fisurarse. Sellama exfoliación al rompimiento o descascaramiento de las capassuperficiales de la roca, este proceso generalmente ocurre durante laexcavación de un túnel.

Carga mecánica.- Es ocasionada por el impacto de partículas que pueden serarrastradas por el viento o agua sobre una roca, con el tiempo este procesopuede ocasionar su fisuramiento. El impacto de las gotas de lluvia durante lastormentas intensas sobre las rocas débiles, contribuyen a este procesodestructivo.

Expansión y contracción térmica.- Debido a: un golpe físico, acción de unaplanta o animal, al cambio brusco de la temperatura, puede ocasionar lafisuración la roca. Este hecho da lugar al ingreso de agua a su interior y estaal congelarse se expande ocasionando esfuerzos internos que quiebran más laroca. Los efectos de contracción debido al congelamiento del agua en lasfisuras y la expansión térmica debido a la insolación, van debilitando a laroca hasta que ocasionan su rompimiento completo. Estos cambiosfrecuentes de temperatura son uno de los agentes principales en lameteorización física o mecánica en áreas desérticas.

Acumulación de sales.- Al saturarse de agua las rocas, las presiones de lacristalización de las sales ocasionan esfuerzos internos que contribuyen a unasignificativa desintegración de las rocas.

Desprendimiento coloidal.- Las rocas en algún momento, pueden estarcubiertas de materia coloidal húmeda. La contracción de estos materialescoloidales durante su secado, puede producir esfuerzos de tensión en lasuperficie con la cual están en contacto, debilitando la superficie de la roca.

Actividad orgánica.- El crecimiento de las raíces de las plantas en lasfisuras de la roca, es un proceso que ocasiona una desintegración importanteen las rocas.

Carga neumática.- El aire atrapado en las fisuras expuestas de la roca,ejerce presión interna en la roca debido a oleaje de un lago o río, que debilitaa la roca.

Meteorización química.El agua por lo general ataca químicamente a los minerales que componen la roca, por lo quetodo proceso de meteorización química depende de la presencia del agua. El agua que esadsorbida y la que se encuentra sobre la superficie de la roca causa algunos procesosquímicos importantes. La meteorización química descompone los minerales de la roca por:oxidación, reducción, carbonización y otros procesos químicos. Generalmente lameteorización química, es mucho más importante que la física en la formación del suelo.Algunos procesos que a menudo ocurren en la meteorización química son:

Hidrólisis.- Es un proceso químico importante que consiste en la reaccióndel mineral el hidrógeno (H+) y el oxidrilo (OH-) del agua, donde el PH del


5/54


5

agua juega un papel importante. El resultado de estos procesos son mineralesarcillosos, donde los iones de hidrógeno del agua percolante reemplazan a loscationes, lo que no da lugar al proceso de oxido-reducción.

Carbonización.- El agua en combinación del dióxido de carbono de laatmósfera, forman sobre la superficie de la roca ácido carbónico (H2CO3),este reacciona con los minerales que contiene la roca ocasionando un procesode disociación de minerales en iones, que aumenta considerablemente por lapresencia de CO2. En consecuencia se forman minerales arcillosos, salessolubles y hasta ácidos orgánicos, ocasionando la descomposición de materiaorgánica lo que causa la meteorización química.

Oxidación.- Es producida por el contacto del oxigeno del aire con ciertoscomponentes químicos-mineralógicos de las rocas particularmente favorablespara combinarse con él (compuestos férricos, carbonatos, sulfuros, etc.).Durante este proceso, existe una transformación química de estos en óxidosocasionando un cambio en la composición de la superficie externa de losafloramientos, haciendo variar su coloración a color rojizo u ocre oscuro,pero sin penetrar más allá de unos milímetros la superficie exterior de laroca.

Reducción.- Mediante reacciones químicas, se lleva a cabo un procesocomplementario a la oxidación donde se libera el oxígeno de los mineralesque pasa a formar parte del ambiente circuncidante, el oxígeno deja laestructura del mineral a medida que la oxidación disminuye el número deelementos reducidos.

Hidratación.- Se refiere a la absorción de moléculas de agua dentro de laestructura interna de un mineral. Este fenómeno provoca una expansión yacelera los procesos de la carbonización, oxidación, reducción e hidrólisis.

Lixiviación.- Se refiere a la migración de iones alentada por los procesosantes citados, la movilidad de los iones depende de su potencial iónico. ElCa, Mg, Na y el K, son fácilmente lixiviados por las aguas circulantes. El Fe,es el más resistente. El Si, es difícil de lixiviar y el Al, es casi inamovible.

Cambio de cationes.- Es la absorción de cationes en solución cargadospositivamente en un mineral arcilloso cargado negativamente, especialmente:Ca, H, K y Mg.

2.2. Transporte y deposición.

Los arroyos, corrientes oceánicas, olas, viento, aguas subterráneas, glaciales y la gravedadcontinuamente erosionan y transportan suelo, fragmentos de rocas y sedimento, a lugares de

deposición donde se meteorizan. Generalmente, estos agentes transportadores ocasionancambios físicos en las partículas que son transportadas. Erosión incluye todo proceso dedesintegración, principalmente el desgaste de la superficie terrestre por acción mecánica.Cuando las partículas son levantadas o arrastradas por alguno de estos agentes estas seerosionan, sufren un decremento en su tamaño lo cual hace más fácil su transporte. Losdiferentes tipos de depósitos de suelo, están clasificados según al modo de transportación deestos materiales.

Depósitos eolíticos.

El viento a diferencia de otros solo puede mover sedimento compuesto de pequeñaspartículas a diferentes lugares. El depósito ocurre cuando la velocidad del viento disminuye,


6/54


6

consecuentemente las partículas se acumulan a lo largo del camino, el viento llega aclasificarla ya que deja las partículas más grandes y se lleva las partículas más pequeñas. Eltrabajo de denudación del viento, se puede observar en forma más destacada en las regionesque tienen un clima seco y caliente.

Depósitos glaciales.

Un glaciar transporta rocas de todo tamaño y una variedad de sedimentos, los cuales caensobre su superficie provenientes de las laderas de los valles circundantes, la confluencia dedos glaciales trae como consecuencia la formación de las morrenas. Las morrenas llegan atransportar material de todo tamaño. Los materiales de los depósitos glaciales varían muchoen sus propiedades físicas.

Depósitos aluviales.

La acción mecánica de la caída de la lluvia en forma continua sobre la superficie terrestre,desprende partículas sueltas del suelo y polvo de las rocas. Los depósitos aluviales son elresultado de deposición pluvial (lluvia) y fluvial (ríos) de estas partículas. Estas partículas sontransportadas por una corriente de agua, la deposición se realiza debido a una disminución enla pendiente de la corriente, ocasionando la pérdida de velocidad. En esta forma de transportelas partículas de todo tamaño están en contacto colisionando constantemente entre si, por loque generalmente estas tienen los bordes redondeados.

Depósitos lacustres.

La deposición lacustre o la de lagos tanto en agua dulce como salada, consiste de ladeposición de sedimento generalmente de material diminuto en el fondo del lago. En el caso

de agua salada la floculación de las partículas de tamaño coloidal es acelerada, lo queocasiona una rápida precipitación al fondo.

Depósitos marinos.

Las olas del mar continuamente rompen en una costa, erosionando la margen terrestre por lafuerza del impacto y en especial durante las tormentas. Los fragmentos de roca disgregados,llegan a redondearse reduciéndose de tamaño por el golpeo que reciben de las olas, y enconjunto forman los depósitos que se encuentran en la playa. Existen tres variedadesimportantes de depósitos marinos:

Litógenos.- Son de origen terrestre, volcánico o cósmico.

Biógenos.- Están constituidos de los restos de organismos marinos. Hidrógenos.- Proveniente de las precipitaciones y los afluentes que

desembocan en el océano.

Suelos residuales.

Se llama residual, al suelo formado producto de la meteorización que se mantiene en elmismo lugar de origen. A diferencia de los suelos producto del transporte y deposición, estosestán relacionados con los materiales del lugar, clima y topografía. Se caracterizan por tenerun orden en el tamaño de las partículas que lo constituyen, aumentado su tamaño con laprofundidad. Por lo general los suelos residuales están compuestos de materiales altamentecompresibles, su estudio entre en otra categoría de la mecánica de suelos.


7/54


7

2.3. Rocas ígneas.

Se llaman así a las rocas formadas por la solidificación del magma a diferentesprofundidades. El material rocoso fundido (magma), se enfría lentamente y se solidificadentro o debajo de la corteza terrestre. Debido a movimientos técnicos o erosión, estas rocassalen a la superficie terrestre. Los tipos de rocas ígneas formadas por el enfriamiento delmagma depende de factores como: la composición del magma y el grado de enfriamientoasociado con él. Se estima que las rocas ígneas componen el 98% de la corteza terrestre, estasse clasifican según su: forma de solidificación y composición química.

Clasificación de las rocas ígneas según a su forma de solidificación.

De acuerdo a su forma de solidificación, existen dos tipos de rocas ígneas: rocas ígneasextrusivas e intrusivas.

El magma que es expulsado hacia la superficie de la tierra por medio de erupciones o

fisuras volcánicas (lava), con el tiempo se solidifica y los diferentes minerales se unen paraformar cristales silicatados como las: piroxenas, las anfíbolas, los feldespatos y óxidos comola magnetita. Estos minerales llegan a cristalizar consumiendo parte del sílice, magnesio yhierro del magma, de acuerdo a su composición se llaman ferromagnesianos o máficos(mezcla de magnesio y hierro) y minerales félsicos que dan color a la roca dando lugar a laformación de una variedad de rocas ígneas extrusivas. Las rocas ígneas extrusivas songeneralmente de lustre vítreo, tienen granos finos y una superficie suave, con una texturaanímica a porfirítica o también de textura brechoide.

En ocasiones el magma se eleva a diferentes niveles sin alcanzar la superficie terrestre,donde al cesar su movilidad se enfría y la cristalización de sus minerales constituyentes formavariedades de roca ígnea intrusiva, llamadas también rocas plutónicas debido a su grantamaño. Según al tamaño de estas rocas se las clasifican en dos tipos:

Intrusiva menor.- Cuando el magma se eleva, llena fracturas y otrasaberturas en las rocas encajonadas donde se forman las intrusiones menores,es decir cuerpos ígneos pequeños como ser: los diques que son semejantes aun muro muy empinado o vertical cuyos lados son aproximadamenteparalelos y también se forman los mantos que son hojas de roca cuyaextensión es mas o menos horizontal. Las rocas ígneas intrusivas, por logeneral tienen una textura fina a moderadamente gruesa.

Intrusiva mayor.- Se llama así a una masa grande de magma de muchoskilómetros cúbicos de volumen, que se enfría lentamente debido a su tamaño.Entre las intrusiones mayores se encuentran: el plutón, que es un cuerpo demagma moderadamente grande con varias formas pero comúnmente tiene

una sección transversal casi circular. El tronco, es un cuerpo cilíndrico casivertical con una sección transversal que ocupa unos 100 km2. Un batolito esuna masa ígnea que no tiene base, que se eleva como una proyecciónirregular dentro de las rocas de la corteza, por lo cual puede decirse que es unconjunto de plutones separados que generalmente ocupan una superficie dehasta 1000 km2. Estas rocas ígneas son generalmente cristalinas y de texturagruesa.

Clasificación de rocas ígneas según a su composición química.

De acuerdo a su composición química de los minerales constituyentes de la cristalización,estas rocas ígneas se clasifican en:


8/54


8

Ácidas.- Son rocas intrusivas mayores, que contienen una gran cantidad desílice que le da un color claro, además de mica biotita, ortoclasa,plaglioclasa, hornblenda y en ocasiones magnetita. Estas rocas presentan unatextura de grano grueso.

Intermedias.- Por lo general son rocas intrusivas menores, contienen poco onada de cuarzo y una pequeña cantidad de biotita o piroxena y en ocasionesortoclasa, sin embargo contienen una gran cantidad de plaglioclasa yhornblenda, lo que le da un color castaño. Estas rocas son de textura de granogrueso a mediano y rara vez porfirítica.

Básicas.- Estas rocas contienen poco sílice, olivino y clorita, pero mayorcantidad de óxidos metálicos, minerales ferromagnesianos y un grancontenido máfico, los cuales dan a la roca una apariencia oscura. Algunas deestas rocas, son importantes como material de agregado en la construcción decarreteras. Los minerales esenciales son la plaglioclasa, augita y dialaga,estas rocas tienen una cristalización gruesa, rara vez porfirítica y algunas sonde grano fino a mediano.

Ultra básicas.- Estas rocas contienen principalmente minerales máficos,olivino y augita, contienen poco o nada de feldespatos por lo que tienen uncolor oscuro, además suelen contener piroxena, biotita y óxidos de hierro.Estas rocas son de textura de grano grueso.

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

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

Ácidas Intermedias Básicas Ultrabásicas

Gabro Perdorita

Felsia Porfirita Dolerita Picrita

ROCAS IGNEASClasificación según a la

forma de su solidificación

I n t r u s i v a sMENORES

MAYORES

EXTRUSIVAS

Fina a casigruesa

Gruesa acristalina

Granito Diorita

TexturaClasificación según a su composición química

Riolita Andesita Basalto Picrita Vitrea congrano fino

2.4. Rocas sedimentarias.

Por lo general, los sedimentos producto de la meteorización, el transporte y deposición,forman una capa superficial relativamente delgada de la corteza terrestre. Los componentesde los sedimentos se endurecen formando rocas sedimentarias, en un proceso llamadocementación. En este proceso de cementación algunos agentes cementadores como el: oxido

de hierro, calcita, dolomita y cuarzo, son llevados por aguas subterráneas que percola por losespacios vacíos entre partículas del suelo, donde llena esos espacios y actúa como uncemento que los une. Los factores que influyen en la formación de rocas sedimentarias son: eltiempo, la sobrecarga (que constituye el peso propio) y la consolidación (precipitación de lassustancias disueltas por el agua). Las rocas sedimentarias, se clasifican según al origen y tipode sedimentos que la componen, en clásticas, químicas y biológicas.

Rocas sedimentarias clásticas.

También llamadas Detríticas, son rocas formadas con sedimentos que provienen delrompimiento de rocas preexistentes en diferentes tamaños de granos. Este grupo de rocassedimentarias, se clasifica según el origen del sedimento en:


9/54


9

Terrígenos.- Son producto de la meteorización y erosión de rocas. Estegrupo está dividido de acuerdo al tamaño de las partículas componentes,como ser: rudáceos (que significa guijarroso), arenaceo (que significaarenoso) y argiláceo o lutáceo (que significa arcilloso o limosorespectivamente). Las rocas más comunes encontradas formadas con estostipos de sedimentos, son: los conglomerados, las areniscas, coloditas ylutitas.

Piroclásticos.- Los sedimentos que componen estas rocas provienen de laserupciones volcánicas, la ceniza y detrítos expulsados de un volcán activo,que llueven sobre el área circundante formando una cubierta de depósitospiroclásticos que con el tiempo se cementan.

Calcáreos.- Estas rocas, son formadas principalmente por sedimentoscompuestos de partículas calcáreas que han sido clasificadas como si fuerandetritos. Las rocas comúnmente encontradas de este tipo son las variedadesde caliza, como la caliza conchífera y la greda (que es una caliza suave).

Rocas sedimentarias químicas.

Algunas rocas son formadas por procesos químicos, los depósitos de aguas salinas ycarbonadas al evaporarse van cementándose dando lugar a la formación de estas rocas.Algunas de las rocas formadas por estos procesos son: las calizas, piedra yesera, dolomitas,yeso, anhidrita y otras.

Rocas sedimentarias biológicas.

Estas rocas están constituidas enteramente o en parte por despojo mineral o de seresmicroscópicos o plantas que vivieron en los antiguos océanos. Estos seres al morir son

cubiertos por capas de sedimento compuesto de material fino, que con el paso del tiempo secementa donde la materia orgánica es reemplazada por minerales constituyéndose así en roca.Estas se clasifican según al tipo de material orgánico en: litógenos (origen vegetal) ybiógenos (origen animal). La Tabla 1.2 muestra ejemplos de algunas variedades de rocasedimentaria.

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

Terrigeneas Areniscas Limolita Lutita Tilita BrechasPiroclásticas Brecha vol.

Calcareas Greda AreniscaConglomeradobrecha

Grava deCarbonato

Limos deCarbonato

QUÍMICAS (meteorización) Lomonita Dolomita Anidrita Yeso CalizasLithógenas Turba Lignita Antracita Lodos organ. LufitaBiógenas

ROCAS SEDIMENTARIASOrígen y Tipo de sedimento

DETRÍTICAS

BIOLÓGICASRocas con fósiles en general

Toba

2.5. Rocas metamórficas.

Se llaman así a las rocas que han sufrido un proceso de transformación denominadometamorfismo, que da lugar a la formación de nuevas rocas que anteriormente pudieran habersido ígneas o sedimentarias. El calor y la presión son los agentes del metamorfismo queocasionan cambios en la estructura de los minerales, recristalizándolos cambiando así sutextura, forma y composición de la que originalmente poseían. Existen tres tipos demetamorfismo:


10/54


10

Termal o de contacto.- En este tipo de metamorfismo interviene el calor enla recristalización de algunos o todos los componentes a temperaturascomprendidas entre 500 a 800 ºC, formándose nuevas variedades deminerales en la roca.

Dinámico.- En este tipo de metamorfismo el esfuerzo principal es el agenteque ocasiona la transformación de la roca y la temperatura no tiene unainfluencia significativa. Generalmente estos esfuerzos que causan latransformación de la roca son por cizalla.

Regional.- Cuando el esfuerzo y la temperatura son influyentes esenciales enla recristalización, se trata de un metamorfismo regional, lo que da comoresultado la recristalización de los minerales existentes en la roca quetransforman la roca.

Con el paso del tiempo, consecuencia de la deposición de sedimento compuesto de cenizay material fino, las rocas ígneas y sedimentarias son sepultadas gradualmente por una capa desuelo y vegetación. Una nueva erupción volcánica puede incluso cubrir la superficie superiorde lava que se solidifica rápidamente, formando así una capa rocosa, donde esas rocas queinicialmente estaban sobre la superficie terrestre pueden encontrarse por debajo, lo que dalugar a que sufran metamorfismo. Los procesos de metamorfismo influyen en elcomportamiento mecánico de las rocas, aumentando su dureza y resistencia.

La Tabla 1.3 muestra algunos ejemplos de roca metamórfica encontradas comúnmente enla corteza terrestre.

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

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

DinámicoRegional

ROCAS METAM RFICASTipo de metamorfísmoTermal o de contacto

2.6. Ciclo de la roca.

Se llama ciclo de la roca a un proceso geológico extremadamente lento, donde la roca vatransformándose en tres categorías diferentes de roca, que son las: ígneas, sedimentarias ymetamórficas. En la Figura 1.2 se muestra un esquema de todos los procesos en el ciclogeológico de la roca.

El ciclo empieza cuando el magma sale a la superficie terrestre debido a una erupciónvolcánica, donde este se enfría en la superficie de la corteza terrestre o dentro de ella,formando así rocas ígneas extrusivas o intrusivas respectivamente. Estas rocas pueden

fundirse nuevamente en una futura erupción y convertirse en parte del magma, o de locontrario sufrir un proceso de metamorfismo debido a presión y temperatura convirtiéndoseasí en roca metamórfica. Durante una erupción el material piroclástico expulsado se esparcepor la superficie terrestre, en contacto con el medio ambiente se meteoriza formando de estamanera el suelo. Si es compactado por presión y sobrecarga, se forma nuevamente la rocametamórfica. La roca metamórfica puede nuevamente fundirse y ser parte del magma o sufrirun proceso de meteorización convirtiéndose en suelo, al igual que el caso de la roca ígnea elsedimento producto de la meteorización puede nuevamente cementarse y convertirse en rocasedimentaria. La roca sedimentaria puede sufrir también un proceso de metamorfismorecristalizándose y convertirse en roca metamórfica, o de lo contrario sufrir meteorizaciónconvirtiéndose en sedimento que formará parte del suelo, donde todos los procesos del ciclonuevamente se repiten.


11/54


11

E x p u l s i ó n p i r o c l á s t i c a

E x p u l s i

ó n p

i r o c l á s

t i c aE

n f r i a m i e n t o

Magma

F u n d i c i ó n

F u n d i c i ó

n

Rocasedimetaria

E n d u r e c i m i e n t o

MetamorfísmoRocaÍgnea

M e t e o r i z

a c i ó

n

M e t a m

o r f í s

m o

Rocametamórfica

M e t e o r i z a c i ó n M e t e o r i z a c i ó n

Suelo

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

3. Composición mineralógica del suelo.

Se pueden identificar más de 2000 diferentes minerales en la corteza terrestre y muchos deellos están presentes en las rocas.

Existe una distinción entre los minerales que son constituyentes esenciales de las rocasque dan el nombre a estas y los que son accesorios que se encuentran en pequeñascantidades, pero su presencia o ausencia no influye en el nombre del la roca. Las rocastambién contienen minerales secundarios, que son aquellos que resultan de la descomposiciónde los minerales esenciales por acción del agua. Como resultado de la meteorización y elproceso de la deposición, estos minerales que poseen las rocas llegan a formar parte delsuelo. Los minerales más comunes que pueden encontrarse en el suelo son:

Feldespatos.- Los feldespatos forman un grupo grande de minerales

monoclínicos, triclínicos y son un componente importante de algunos tiposde rocas. La Ortoclasa es un feldespato que contiene potasio (KAlSi 3O8)abundante en granitos y sienitas, generalmente su color varía de blanco arosado. La Plaglioclasa es otro feldespato que contiene sodio (NaAlSi 3O8),calcio (CaAl2Si2O8) o ambos encontrados en abundancia en rocas ígneas ytiene color blanco a gris o negro. El feldespato se considera un materialmoderadamente duro.

Cuarzo.- Es un mineral muy común, un constituyente esencial de losgranitos y otras rocas. Este es un silicato (SiO2) y comúnmente tiene un colortranslucido a blanco lechoso. El cuarzo es más duro que la mayoría de losminerales y es uno de los más resistentes a la meteorización, se encuentra enabundancia en rocas metamórficas.


12/54


12

Minerales ferromagnesianos.- Corresponden al grupo de los silicatos quecontienen tanto hierro como magnesio. Este grupo contiene las variedadesde: piroxena, anfíbola, hornblenda y olivino. Estos minerales abundan en lasrocas ígneas básicas y utrabásicas, tienen un color oscuro y una moderadadureza.

Mica.- Son un grupo de minerales monoclínicos en forma de hojuelas oláminas delgadas translucidas, generalmente está presente en los granitos yrocas ácidas. Entre las variedades de mica se encuentran: la moscovita quetiene láminas plateadas y la biotita que tiene hojuelas gris oscuro o negro.

Óxidos de hierro.- Constituyen minerales accesorios de las rocas, sonminerales que contienen hierro (Fe2O3), entre los cuales se encuentran lalimonita y magnetita. Aunque se presentan en menor cantidad estosminerales dan un distintivo color rustico a las rocas y suelos.

Minerales secundarios.- Tienen su origen en la alteración de minerales

preexistentes, entre los cuales están: los minerales de arcilla, la calcita,dolomita, clorita y otros.

Estructura de los minerales de Arcilla.

Los minerales arcillosos son formados principalmente por la meteorización química de lasrocas, es decir que estos minerales son producto de la alteración de minerales preexistentes enla roca. Estos minerales son tan diminutos que sólo pueden ser vistos utilizando unmicroscopio electrónico.

Los principales elementos químicos constituyentes de estos minerales son átomos de:silicio, aluminio, hierro, magnesio, hidrógeno y oxígeno. Estos elementos atómicos secombinan formando estructuras atómicas básicas, que combinándose entre si forman láminas,la que al agruparse forman estructuras laminares que finalmente al unirse por medio de unenlace forman un mineral de arcilla.

Forma simplificada

(a)

Forma simplificada

(b)

Sílice

Hidróxido

Oxígeno

AluminioMagnesio

Figura 1.3. Estructuras atómicas básicas de los minerales de arcilla (Whitlow, 1994).(a) Unidad tetraédrica. (b) Unidad octaédrica.

La Figura 1.3 muestra las dos unidades estructurales básicas de los minerales de arcilla,que son: la unidad tetraédrica constituida por un ión de silicio rodeado por cuatro átomos de


13/54


13

oxígeno (Figura 1.3a) y la unidad octaédrica formada por un ión central de aluminio omagnesio rodeado por seis iones de oxidrilo (Figura 1.3b). En ambos casos el metal convalencia positiva está situado en el interior, mientras que los iones no metálicos con valencianegativa forman el exterior.

Las estructuras laminares mostradas en la Figura 1.4 se forman cuando varias unidadesatómicas básicas se enlazan covalentemente mediante los iones de oxígeno u oxidrilo. Entrelas estructuras laminares se tiene la lámina tetraédrica y octaédrica.

(a)

(b)

(c)

G

B

Símbolo

Símbolo

Símbolo

Figura 1.4. Láminas formadas por estructuras atómicas básicas (Whitlow, 1994).(a) Lámina de sílice. (b) Lámina de gibsita. (c) Lámina de brucita.

En la Figura 1.4a se muestra una lámina tetraédrica llamada sílice, que está formada portetraedros enlazados que comparten dos átomos de oxígeno, la forma simbólica derepresentar esta lámina es por medio de un trapecio. La Figura 1.4b muestra una láminaoctaédrica formada por octaedros de aluminio enlazados que forman una estructuradioctaédrica llamada alumina o gibsita, simbólicamente está representada por un rectángulo

con letra G. La lámina de la Figura 1.4c, corresponde a una lámina formada por octaedros demagnesio que forman una estructura trioctaédrica llamada brucita, simbólicamente estárepresentada por un rectángulo con letra B.

La separación entre los iones externos de las láminas de tetraédricas y octaédricas essuficiente para que ambas láminas puedan unirse por medio de iones oxígeno u oxidrilomutuamente; esto hace posible la formación de estructuras laminares de dos o de tresláminas. En la Figura 1.5 se muestra estas estructuras.

En la estructura de dos láminas mostrada en la Figura 1.5a, las láminas tetraédricas yoctaédricas están alternadas, mientras que la de tres láminas mostrada en la Figura 1.5bconsiste de una lámina octaédrica emparedada entre dos láminas tetraédricas, estas dosformas de estructuras laminares son generales para formar las distintas variedades deminerales de arcilla.


14/54


14

G

Dioctaédrico

B G B

Dioctaédrico TrioctaédricoTrioctaédrico(a) (b)

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

La variedad de los minerales de arcilla, depende de la distribución de apilación de estasestructuras laminares, así como del tipo de iones que proveen el enlace de las mismas. LaFigura 1.6 muestra los minerales de arcilla más comunes.

G

Caolinita

G

IlitaHalosita

G

G

G

G

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, está bastante relacionada a la estructura delos 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 principalconstituyente del caolín y las arcillas para porcelana. Las caolinitas sonproducto de la meteorización del feldespato ortoclasa proveniente del granitoy comúnmente se encuentran en suelos compuestos de sedimento. Lacaolinita se presenta en hojuelas hexagonales de tamaño pequeño, suestructura consiste en una distribución de dos láminas de sílice y gibsitafuertemente enlazadas (Figura 1.6a). Algunos minerales de arcilla quepertenecen a este grupo son: la dickita que tiene la misma composición de lacaolinita pero con un orden diferente en sus láminas y la halosita quegeneralmente aparece en algunos suelos tropicales, cuyas láminas en forma

tubular están enlazadas por moléculas de agua (Figura 1.6b). Grupo de la ilita.- La ilita es el resultado de la meteorización de las micas,es similar en muchos aspectos a la mica blanca pero tiene menos potasio ymás agua en su composición. Se presenta en forma de hojuelas y suestructura consiste en arreglos de tres láminas de gibsita con los iones de Kproporcionando el enlace entre láminas adyacentes de sílice como muestra laFigura 1.6c. Debido a que el enlace es más débil que el de la caolinita suspartículas son más pequeñas y delgadas.

Grupo de la montmorilonita.- La montmorilonita es el constituyenteprincipal de la bentonita y otras variedades similares de arcilla. Lasmontmorilonitas suelen ser el resultado de la meteorización del feldespatoplaglioclasa en los depósitos de ceniza volcánica. Su estructura fundamental

Puente de hidrógeno


15/54


15

consiste de distribuciones de tres láminas, cuya lámina octaédrica intermediaes casi siempre gibsita o en otro caso brucita. Diversos enlaces metálicosademás del potasio (K) forman enlaces débiles entre las láminas comomuestra la Figura 1.6d. Una característica particular del los minerales delgrupo de la montmorilonita es su considerable aumento de volumen alabsorber partículas de agua.

Grupo de la vermiculita.- Este grupo contiene productos de lameteorización de la biotita y la clorita. La estructura de la vermiculita essimilar a la montmorilonita, excepto que los cationes que proporcionan losenlaces entre láminas son predominantemente Mg, acompañados por algunasmoléculas de agua como muestra la Figura 1.6e.

4. Forma y textura de las partículas del suelo.

Se define forma como a los rasgos particulares y textura como al tamaño que tiene lapartícula de suelo. Existen tres categorías típicas de texturas que presentan las partículas delsuelo donde puede evaluarse la forma, que son la: granular, en hojuela y en aguja.

Forma granular.

Este tipo de partículas principalmente están constituidas de fragmentos provenientes de lameteorización física de rocas y minerales. Para describir la textura de estas partículas se usanlos términos: angular, subangular, redondeada y subredondeada.

La esfericidad es opuesta a la angularidad, es decir que una partícula más angular serámenos esférica o viceversa. La esfericidad Es, para una partícula de forma granular se definecomo:

e D Es L

Donde: De = Diámetro equivalente de la partícula, que será: L = Longitud de la partícula.V = Volumen de la partícula.

0.1 0.5 0.7 0.9

0.3

0.5

0.7

0.9

0.3

E s f e r i c i d a d

RedondezFigura 1.7. Ábaco para evaluar las partículas de forma granular (Krumbein & Sloss, 1963).

36

e

V D

π


16/54


16

El término redondeado, indica que la forma de los bordes de la partícula son redondeadosy no puntiagudos. Con el ábaco de la Figura 1.7 se puede evaluar cuantitativamente laangularidad y redondez de la partícula con forma granular, en base al valor de la esfericidad.

En la Figura 1.8, se ha identificado la textura de algunas partículas con forma granular.

Angular Subangular Subredondeada Redondeada

Figura 1.8. Textura de partículas con forma granular (Das, 1998).

Textura en hojuela.

La textura de las partículas de minerales de arcilla tienen la forma de hojuelas o escamas,estas son partículas muy pequeñas con muy poca esfericidad y solo pueden observarse conmicroscopios electrónicos.

Textura en aguja.

Estas partículas son igualmente pequeñas a las anteriores, su textura tiene la forma de unaaguja y generalmente están presentes en depósitos de coral y rara vez en suelos arcillosos.

5. Estructura y cohesión del suelo.

Se define estructura del suelo como al arreglo geométrico de las partículas del suelo respectounas de otras. Existen varios factores que influyen en la estructura de suelo como ser: latextura, tamaño, composición mineralógica de las partículas y el contenido de agua del suelo.

La cohesión del suelo se refiere a la capacidad que tienen las partículas del suelo depermanecer unidas como conjunto, como resultado de la trabazón conjunta o lasmicroestructuras existentes en el suelo.

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


17/54


17

Para el caso de suelos compuestos de partículas con forma granular, la trabazón entrepartículas origina estructuras granulares simples y la fricción que se origina entre ellascontrarresta el deslizamiento de unas respecto a otras, como se muestra en la Figura 1.9. Aeste comportamiento se lo identifica como la cohesión para el caso de suelos granulares,donde el suelo presenta resistencia contra su disgregación ocasionada por un agente externo.

El grado de cohesión que presentan los suelos granulares, está en función a la textura delas partículas de forma granular. La partículas con textura angular (Figura 1.9a) logran que elsuelo tenga cohesión, mientras que las partículas con textura redondeada (Figura 1.9b) nocontribuyen a la cohesión del suelo.

La forma de hojuela, el tamaño y la carga eléctrica negativa superficial de las partículascompuestas de minerales de arcilla, da lugar a que estas partículas generen fuerzas deatracción y repulsión entre ellas, originando estructuras que se muestran en la Figura 1.10.

(a) (b)Figura 1.10. Estructura de las partículas de arcilla sedimentadas (Whitlow, 1994).(a) Partículas floculadas. (b) Partículas 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 eléctrica negativa. Puesto que las moléculas deagua son bipolares, es decir que tienen un extremo positivo y negativo, la superficie negativadel mineral de arcilla atrae a las moléculas de agua, por lo que se forma una capa de agua quequeda unida a la superficie del mineral por medio de un enlace de hidrógeno (H3O)+.

La fuerza de atracción denominada fuerza de Van der Waals, se incrementa cuando elespesor de la capa de agua absorbida disminuye por un proceso de intercambio básico, lo queorigina que las partículas suspendidas en agua se acerquen cada vez más. Cuando la capaabsorbida es lo suficientemente delgada para que dominen las fuerzas de atracción, alsedimentarse se forman grupos de partículas con sus superficies en contacto entre extremospositivo – negativo (Figura 1.10a), lo que se llama floculación. Este comportamiento de laspartículas de minerales de arcilla dan cohesión a la masa de suelo, manteniéndola unida.

Terrón

Macroporo

Grupo

Dominio

Microporo

(a) (b)

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

En un depósito de sedimento compuesto de partículas floculadas de minerales de arcilla,se observa en la Figura 1.11 que se forman diferentes unidades estructurales microscópicas.


18/54


18

En la Figura 1.11b se ve que la unión de una cantidad pequeña de partículas de mineralesde arcilla es llamada: dominios, un conjunto de dominios agrupado por las fuerzasinterparticulares es llamado grupo, un grupo de dominios y racimos establecen unamicroestructura que encierran vacíos llamados microporos. Los racimos en grandes gruposforman un terrón (Figura 1.11b) que son las unidades más grandes y pueden ser vistos sin unmicroscopio, estos agrupados en conjunto establecen una macroestructura que forma vacíosllamados macroporos. Por lo general la relación de vacíos con respecto a sólidos en un suelocompuesto de partículas arcillosas es mayor que en el caso de suelos con partículasgranulares.

Las partículas de arcilla pueden tener una fuerza repulsiva si presentan cargas positivas ensu superficie, por lo que sus bordes cargados se alejaran (Figura 1.10b). Debido a laabundante presencia de carbonatos y algunos minerales como el sodio o cuando se agrega unasolución salina, las partículas cuya capa de agua adsorbida es doble (gruesa) se repelerán conmayor magnitud. Este comportamiento de las partículas de minerales de arcilla no contribuyea que la masa de suelo tenga cohesión.

Cementación.

Los sedimentos que son depositados en un lecho con el tiempo van endureciendo hastaque se forman rocas sedimentarias, este proceso comienza inmediatamente después que elsedimento es acumulado. El agua que circula por los espacios vacíos o poros entre laspartículas del sedimento acarrea materia mineral que cubre los granos y actúa como uncemento que las une. A este proceso se lo conoce con el nombre de cementación y esconsiderada una forma de cohesión pues une a partículas de diferentes tamaños.

6. Fases del suelo.

En la Figura 1.12 se muestra una fracción de suelo agrandada de tal manera que puedenobservarse los espacios vacíos entre partículas. De acuerdo a la definición de suelo desde elpunto de vista ingenieríl, se concluye que este principalmente está compuesto por: materiasólida, líquida y gaseosa, a cada uno de estos componentes principales se denomina fase delsuelo. El comportamiento del suelo depende de la cantidad relativa de cada una de estas tresfases, ya que estas interactúan entre si.

Sólido

AguaAire

Figura 1.12. Composición del suelo.

La fase sólida está compuesta de partículas diminutas derivadas de la roca o sedimentoproducto de la meteorización o incluso materia orgánica. La fase líquida, corresponde al aguaque se ubica en los espacios vacíos entre partículas. La fase gaseosa corresponde al aire, losespacios vacíos los restantes que no ocupa el agua son ocupados por el aire.


19/54


19

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

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

Suelo saturado.- La Figura 1.13a corresponde al estado del suelo saturado.Este estado del suelo contiene únicamente dos fases: la fase sólida y líquida.Se lo llama saturado, porque todos los espacios vacíos están llenos de agua.

Suelo no saturado. - El estado de suelo de la Figura 1.13b, corresponde alsuelo no saturado, llamado también húmedo. Posee: la fase sólida, líquida ygaseosa simultáneamente. Los vacíos están ocupados por aire y agua.

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

Suelo no saturado contráctil.- El estado de suelo de la Figura 1.13d incluye

las tres fases de suelo, además de una cuarta fase denominada contráctil. Estacuarta fase es independiente y llega originarse como resultado de la interfaseaire-agua, su problema predominante es su expansión y contracción, por loque su estudio entra en otra categoría de la mecánica de suelos.

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

Donde:V a = Volumen de aire.V w= Volumen de agua. M = Masa total.V s = Volumen de sólidos.V = Volumen total. M w = Masa del agua. M s = Masa de los sólidos.

S OLI D

A G U A

A I R E

S OLI D

A G U A

A I R ECON TR AC

TI L

(a) (b) (c)

A G U A

S OL I D S OLI D

A I R E

(d)

Sólido

Agua

Aire

M s

M w M

s

w

a

V v

V


20/54


20

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

difícil determinación. Por lo tanto, conviene encontrar relaciones matemáticas que ayuden adeterminarlos implícitamente, conociendo algunos valores básicos.

6.1. Relaciones de volumen.

El volumen es la cantidad de espacio físico que un cuerpo ocupa, para las relaciones devolumen se considerará el volumen de la fase sólida, líquida y gaseosa. El volumen total (V )del elemento de suelo es:

V = V a + V w + V s [1.1]

El volumen de vacíos (V v) que contiene tanto agua como aire, será:

V v = V a + V w [1.2]

Índice de vacíos (e).

El índice de vacíos, se define como la relación entre el volumen de vacíos y el volumen desólidos del suelo, que es:

s

v

V

V e [1.3]

Porosidad ( n).

La porosidad expresa una idea similar al índice de vacíos, es valor se define como el cocienteentre el volumen de vacíos y el volumen total, que se escribe:

V

V n v [1.4]

La porosidad se puede determinar en función del índice de vacíos, ambos valores evalúanla misma propiedad del suelo (el volumen relativo de vacíos) y por tanto pueden usarseindistintamente, aunque sus valores no coinciden. El índice de vacíos es relativo al volumende sólidos, lo que facilita el cálculo de sus variaciones al producirse cambios de volumen del

suelo. Sin embargo, es más cómodo referirse a la porosidad para determinar el volumen deagua 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 índice de vacíos queserá:

e

en

1[1.5]

Análogamente se puede despejar el índice de vacíos de la ecuación [1.5] en función a laporosidad, que será:


21/54


21

n

ne

1[1.6]

Grado de saturación (S).

El grado de saturación o llamado también el contenido de humedad volumétrico (θ), es elcociente entre el volumen de agua y vacíos, indica el porcentaje de agua que contiene el suelorespecto al contenido de vacíos, que se escribe:

v

w

V

V S [1.7]

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

6.2. Relaciones de peso.

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

gmW [1.8]

Por conveniencia se considerarán las unidades de masa en lugar de las del peso exceptodonde no corresponde, debido a que la masa a diferencia del peso no es influida por lagravedad. Las unidades de está serán expresadas en kg o g dependiendo a su cantidad.

Para las relaciones de peso se considerará únicamente la masa de la fase sólida y líquida,

mientras que la masa de la fase gaseosa es despreciada por ser una cantidad muy pequeña. Lamasa total ( M ) de la masa de suelo será:

w s M M M [1.9]

Contenido de humedad (w).

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

w

s

M w

M [1.10]

La mayor parte de los ensayos en mecánica de suelos, requieren la determinación delcontenido de humedad del suelo. Para lo cual, la idea general es determinar la masa del suelolibre del contenido de agua (masa de los sólidos del suelo) y también la masa del agua quecontiene el suelo.

La masa de la muestra de suelo será: M 1.Si la muestra de suelo es secada en un horno de laboratorio de tal manera que ya no tengacontenido de agua, la masa de la muestra sin contenido de agua será: M 2.Entonces la masa del agua que contiene el suelo será: M 1 – M 2.Por lo tanto el contenido de humedad del suelo será:


22/54


22

1 2

2

M M w

M

[1.11]

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

Densidad (ρ ).

La densidad del suelo es definida como la relación entre la masa y el volumen, que seexpresa:

V

M ρ [1.12]

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

Peso unitario (γ ).

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

El peso unitario húmedo (γ ) , es definido como el peso de la masa de suelo en estado nosaturado por unidad de volumen, donde los vacíos del suelo contienen tanto agua como aire,que será:

V

W γ [1.10]

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

V

W sd γ [1.11]

El peso unitario saturado ( sat γ ), se define como el peso de suelo en estado saturado por

unidad de volumen, donde los espacios vacíos están llenos de agua, que será:

V

W sat γ [1.12]

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

w

ww

V

W γ [1.13]

Debido a que la gravedad es: g=9.81 m/s2 y la densidad del agua es:ρ w =1000 kg/m3, el

peso unitario del agua será: γ w = 9.81 KN/m3.


23/54


23

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

wγ γ γ ' [1.14]En la Tabla 1.4 se muestran valores típicos del peso unitario seco para algunos suelos.

Tabla 1.4. Índice de vacíos, contenido de humedad y peso unitario seco (Coduto, 1999).e w % Típico d KN/m

3

0.8 30 14.50.45 16 180.65 25 160.4 15 190.6 21 170.9 - 1.4 30 - 50 11.5 - 14.5

2.5 - 3.2 90 - 120 6 - 8Arcilla orgánica suave

Arena limosa sueltaArena limosa densaArcilla duraArcilla blanda

Tipo de sueloArena uniforme sueltaArena uniforme densa

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

La masa total de la masa de suelo al aire será: M 1.Si se cubre la masa de suelo con cera con el objetivo de impermeabilizarla, la masa de lamasa total de suelo mas cera al aire será: M 2.La masa de la cera que cubre la masa de suelo será:

M cera = M 2 – M 1

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

ceracera

cera

M V

ρ

Donde: ρ cera = densidad de la cera.

La masa de la masa de suelo más cera, ambas sumergidas en agua será: M 3.Según al principio de Arquímedes, la masa del agua que es desplazada por el volumenque ocupa el suelo más cera, será:

M agua = M 2 – M 3

El volumen de agua desplazada por la masa de suelo más cera, será:

agua

agua

agua

M V

ρ

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

V suelo = V agua – V cera


24/54


24

El peso unitario húmedo del suelo será:

1

suelo

M g

V

γ

Por lo general el peso unitario del suelo es expresado en KN/m3. El peso unitariosaturado y seco puede ser determinado implícitamente mediante relaciones de peso-volumenque involucren el peso unitario húmedo y otros valores conocidos.

Gravedad específica (G s).

La gravedad específica del suelo , se define como la relación entre la masa de los sólidos delsuelo ( M suelo) y la masa del agua para el mismo volumen ( M agua) que ocupan estos sólidos es:

s

s

agua

M G

M [1.15]

Mediante la gravedad específica puede determinarse el valor de otras relaciones de peso ovolumen del suelo que sean de interés, una forma de hallar este valor es determinando lamasa de las partículas sólidas del suelo y la masa del volumen de agua que ocupan estas.

La masa del suelo secado en horno (sin contenido de agua), será: M 1.La masa de un frasco (o picnómetro) con agua destilada (sin aire) hasta el tope será: M 2.Si se introduce la masa de suelo en el frasco con agua hasta el borde, esta desplazara uncierto volumen de agua, la masa del frasco con agua hasta el borde mas suelo será: W3.Es importante que no exista aire en el suelo, por lo que la muestra de suelo es saturadacompletamente de agua, esto es agitando el frasco que contiene suelo y agua.La masa del volumen de agua desplazada por los sólidos del suelo será:

M agua = ( M 2 + M 1) – M 3

Entonces, la gravedad específica será:

1s

agua

M G

M

Según la norma ASTM D854, el valor de la gravedad específica en los suelosgeneralmente varia entre 2.60 a 2.80, pero en el caso de suelos que contienen materia

orgánica el valor de la gravedad específica desciende por debajo de 2. Más detalles acerca deeste ensayo pueden consultarse en un manual de laboratorio especializado. En la Tabla 1.5 semuestran valores típicos de la gravedad específica para algunos minerales.

Tabla 1.5. Gravedad específica de algunos minerales (Coduto, 1999).


25/54


26/54


26

s

w

w

V wγ

γ [1.16]

La gravedad específica (Gs) puede expresarse como:

w

ssG

γ

γ

Si se reemplaza esta expresión en la ecuación [1.16], el volumen de agua (V w) será:

w sV w G Reemplazando esta expresión en la ecuación [1.13] y despejando la masa del agua ( M w),

se tendrá que:

M w = wγ · sw G

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

Sólido

Agua

M s

M w

M

V = 1s

V = V w

V = 1 + V v

v

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

Si S = 1 entonces:

V w = V v = e

La ecuación [1.13] puede escribirse:

M w = wγ ·V wReemplazando V w en esta expresión, la masa del agua ( M w) será:

M w= wγ ·e

6.4. Modelo del volumen total unitario.

El modelo del volumen total unitario (V = 1) mostrado en la Figura 1.7, al igual que elanterior modelo está basado en una cantidad de volumen donde la masa y el volumen detodas las demás fases están determinadas de acuerdo a esta medida que se mantieneconstante. En esta forma la masa de suelo se describe como un volumen fijo compuesto de:material sólido, líquido y gaseoso.

Reemplazando V = 1 en la ecuación [1.4], el volumen de vacíos (V v) será:


27/54


27

V v = n

Reemplazando la ecuación [1.1] en la ecuación [1.2] y sustituyendo los valores de V = 1y el de V v = n en esta nueva ecuación, el volumen de los sólidos (V s) será:

V s= 1 – n

El peso unitario de los sólidos del suelo será:

ss

s

M g

V

γ [1.17]

M s

M w

M

V = 1 V s

V v

V = 1

vSólido

Agua

Aire

Figura 1.17. Modelo del volumen total unitario.

La gravedad específica puede expresarse como:

wssG γ γ

Reemplazando la ecuación [1.17] en está expresión se tendrá que:

ss w

s

M G

V γ

Reemplazando V s=1 – n en está expresión, la masa de los sólidos ( M s) será:

(1 )s s w

M G n γ

Sustituyendo el valor de M s de esta expresión en la ecuación [1.10], la masa del agua( M w) será:

(1 )w s w M w G nγ

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


28/54


28

M s

M w

M

V = 1 V s

V = 1

v

V

= V

w v

Sólido

Agua

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

Si S = 1, se tendrá que:

V w = V v = n

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

1

1S W

G

e

ω γ γ

1 1S W G n wγ γ

1S W W G n n S γ γ γ

w, e, Gs, w

w, n, Gs, w

w, n, Gs, w

[1.18]

[1.19]

[1.20]

1

1

S W

S

w G

w G

S

γ γ

1

S W G S ee

γ γ

w, S , Gs, w

e, S , Gs, w

[1.21]

[1.22]

Relaciones para determinar el peso unitario seco (γ d ).

1d w

γ γ

1s w

d

G

e

γ γ

(1 )d s w

G nγ γ

1

s wd

s

G

w G

S

γ γ

1w

d

e S

e w

γ γ

1w

d sat

e

e

γ γ γ

wsat d n γ γ γ

1

sat w s

d

s

G

G

γ γ γ

w,

e, Gs, w

n, Gs, w

w, S , Gs, w

w, e, S , w

γ 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]


29/54


29

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

1

s w

sat

G e

e

γ γ

(1 )sat s wn G nγ γ

1

1sat

sat s w

sat s

wG

w Gγ γ

1

1sat

sat w

sat

e w

w eγ γ

1sat d we

eγ γ γ

sat d wnγ γ γ

11

sat d w

sGγ γ γ

1sat d sat wγ γ

1 sat

sat w

sat

wn

wγ γ

W ,

e, Gs, w

n, Gs, w

w, S , Gs, w

w, e, S , w

γ w, e, sat

sat , n, w

sat , Gs, w

sat , Gs, w

[1.31]

[1.32]

[1.33]

[1.34]

[1.35]

[1.36]

[1.37]

[1.38]

[1.39]

Despejando M w de la ecuación [1.13], se tendrá que: M w = wγ ·V w

Reemplazando V w, la masa del agua será:

M w= wγ ·n

6.5. Relaciones de peso – volumen.

Pueden formarse ecuaciones con las relaciones de volumen y de peso, que permitan conocerotros valores aunque en un estado diferente del suelo en base a algunos valores conocidos. LaTabla 1.6 muestra diversas relaciones para determinar el peso unitario húmedo, seco ysaturado en función a las relaciones de peso y volumen.

Todas las relaciones de las ecuaciones [1.18] a [1.39] son obtenidas matemáticamentecon cualquiera de los dos modelos, para la mayoría de las relaciones el modelo del volumende sólidos unitario es práctico mientras que el modelo del volumen total unitario es máspráctico solo para algunas de ellas.

7. Distribución del tamaño de partículas.

De acuerdo al tamaño predominante de partículas que contenga el suelo, los suelosgeneralmente son llamados: grava, arena, limo, arcilla o una mezcla de ellos.

Tabla 1.7. Sistemas para identificar el tamaño de partículas del suelo (Das, 1998).


30/54


30

Grava Arena Limo ArcillaTAMAÑO DE PARTÍCULAS en mm

NOMBRE DE LA ORGANIZACIÓN

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 andTransportation (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 elaboradosistemas de clasificación para identificar el tamaño de las partículas de un suelo para suspropósitos específicos. En la Tabla 1.7 se muestra algunos de los sistemas más conocidosempleados por estas organizaciones para identificar las partículas del suelo.

El sistema de clasificación unificado (USCS) ha sido adoptado como el estándar por la

ASTM (American Society for Testing and Materials) y el reglamento que esta sociedad hadesarrollado para el análisis y estudio del suelo es aceptado a nivel internacional.Grava.

Según la norma ASTM D2487 el tamaño de estas partículas varía de 75 a 4.75 mm, estas a suvez están divididas en dos categorías: grava gruesa que está comprendida entre 75 y 19 mm ygrava fina que está 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 partículas al ser transportadas por las corrientes de los ríos.Como material suelto suele encontrarse en los lechos, márgenes, en los conos de deyecciónde los ríos y suele encontrarse depósitos con grandes cantidades.

Arena.

Se llama arena a las partículas granulares de textura variada procedentes de la desintegraciónde las rocas o de su trituración artificial y cuyo tamaño según la norma ASTM D2487 varíaentre 4.75 a 0.075 mm, la arena está clasificada en tres categorías: arena gruesa que tiene untamaño de 4.75 a 2 mm, la arena mediana de un tamaño comprendido entre 2 y 0.425 mm yla arena fina comprendida entre 0.425 y 0.075 mm.

El origen y la existencia de la arena es análoga a la de la grava, comúnmente las dossuelen encontrarse juntas en el mismo depósito. Principalmente está compuesta de cuarzo yotros minerales que dan resistencia mecánica a las partículas.

Limo.

El limo es una partícula mineral pequeña de textura granular o escamosa, que sueleencontrarse en las canteras y en los ríos. El tamaño de las partículas de limo según la normaASTM D2487 es menor a 0.075 mm. Su color varía desde gris claro a muy oscuro. El suelocompuesto por limo es relativamente impermeable, fácilmente erosionable.

Arcilla.

Se da el nombre de arcilla a las partículas sólidas de textura escamosa, compuestas deminerales de arcilla con un tamaño diminuto mucho menor a 0.075 mm. La arcillaquímicamente es un silicato hidratado de: aluminio, hierro o magnesio. Las microestructuras


31/54


31

que forman las partículas diminutas que componen la arcilla ocasionan que esta sea pocopermeable y el contenido de humedad comunica a la masa de suelo la propiedad plástica.

Guijarro y canto rodado.

Existen partículas de mayor tamaño que la grava, según la norma ASTM D2487 a laspartículas con tamaño comprendido entre 75 a 350 mm se las llama guijarro o bolón y a lasque superan los 350 mm se las denomina canto rodado. Por lo general estos dos tipos departículas son fragmentos de roca, constituyen ser componentes aislados del suelo y suelenaparecen sobre o por debajo de la superficie terrestre.

Materia coloidal.

Existen también partículas muy pequeñas que no pueden llegar a ser vistas fácilmente. Las

partículas con tamaño menor a 2 m, constituyen la fracción mas fina de los suelos. Quepueden ser distinguidas con la ayuda de un microscopio potente y su estructura molecularpuede ser analizada por medio de los rayos X, a este tipo de partículas se las conoce comocoloide o ultra-arcilla. Estas partículas debido a su tamaño no suelen considerarse dentro lossistemas de clasificación, pero forman parte de la fracción fina del suelo.

7.1. Suelos de grano grueso.

Estos suelos están constituidos de partículas con textura granular compuestas de fragmentosde roca y mineral. De acuerdo al sistema de clasificación unificado estas partículas tienen untamaño comprendido entre 75 y 0.075 mm, que corresponde al tamaño de la grava y arena.Aunque en su mayoría contienen partículas mayores a 0.075 mm también contienen material

fino en pequeña cantidad, como conjunto estos suelos tienen mayor resistencia a la erosión.

7.1.1. Análisis mecánico por tamices.

Debido al tamaño de las partículas y la forma granular que presentan estos suelos, fácilmentepuede clasificarse los distintos tamaños de las partículas que lo constituyen mediante tamicescon diferentes aberturas. A este análisis se lo llama: análisis granulométrico del suelo.

El tamiz o criba que se muestra en la Figura 1.19a, consiste de un plato de aceroinoxidable con una malla metálica adherida en la parte inferior con aberturas de tamañouniforme. Existen dos tamaños estándar de tamices los de 8 y 12”, mostrados en la Figura1.19b y c, respectivamente.

8" 12"

(a) (b) (c)

Figura 1.19. Tamices para el análisis mecánico del suelo de grano grueso.(a) Tamiz. (b) Tamiz de 8”. (c) Tamiz de 12”.


32/54


32

La Tabla 1.8 muestra la serie ASTM de tamices de 8” y 12” disponibles en el mercadopara el análisis mecánico del suelo, el tamaño de la abertura de la malla (expresado enmilímetros) esta identificada por un número de tamiz.

No es necesario tener todos los tamices para realizar un análisis granulométrico del suelo,simplemente bastan algunos tamaños que están en función al sistema de clasificación deltamaño de partículas que se esté empleando. En el sistema de clasificación unificado (USCS)las partículas consideradas grano grueso tienen un tamaño mayor a 0.075 mm, por lo tanto eltamiz: Nro. 200 retiene las partículas de grano grueso y deja pasar las partículas finas delsuelo, por lo que el tamiz Nro. 200 clasifica las partículas de grano grueso de las finas.

Dentro las partículas de grano grueso el tamaño de la arena está comprendido entre 4.75y 0.075 mm, el tamiz: Nro. 4 retiene los tamaños mayores a 4.75 mm y deja pasar los demenor tamaño que son retenidos en el tamiz Nro. 200. La grava tiene un tamañocomprendido entre 76.2 y 4.75 mm, el tamiz de 3” retiene partículas mayores a 76.2 mm ydeja pasar partículas de menor tamaño que se retendrán en el tamiz Nro. 4 o en el Nro. 200.Para el sistema de clasificación unificado es indispensable tener los tamices Nro. 200, 4 y elde 3”, sin embargo si se utilizan tamices intermedios a estos tamaños se tendrá un análisisgranulométrico más preciso.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 seinstalan las diferentes medidas de tamices, este agita todo el conjunto de tal manera que elsuelo puede descender por todos los tamices que clasifican el tamaño de las partículas.

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


33/54


33

Figura 1.20. Tamizador de laboratorio.

Antes de tamizar la muestra de suelo, esta debe ser lavada desmenuzando todos losterrones que existan y luego ser secada en horno por 24 horas a 105 ºC. Durante el lavado ytamizado se perderán partículas de suelo esta perdida no debe superar el 2% de la masa total.

Curva de distribución del tamaño de partículas.

La muestra de suelo debe ser tamizada por lo menos 15 minutos, donde cada tamiz retendrá

una fracción de masa de suelo y el plato inferior retendrá las partículas mas finas del suelomenores a 0.075 mm para otros propósitos.La masa de la fracción de masa de suelo retenida en cada tamiz será: M 1, M 2, M 3,…, M i.La masa de la fracción fina de suelo en el platillo será: M p.El total de la masa de suelo será: M 1 + M 2 + M 3 +…+ M i + M p = M .Se determina la masa acumulada de suelo retenida para cada tamiz, para un tamiz i será:

M 1 + M 2 + M 3 +…+ M i

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

M – ( M 1 + M 2 + M 3 +….+ M i)

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

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

P M

Todos los resultados son registrados ordenadamente en una Tabla. Con los valores deltamaño de las aberturas del tamiz en milímetros ubicados en orden inverso en el eje delas abscisas en escala logarítmica y el porcentaje de la masa de suelo que pasa ubicada en


34/54


34

el eje de las ordenadas, se traza la curva de distribución del tamaño de partículas como semuestra en la Figura 1.21.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0750.111075Tamaño de la partícula (mm)

P o r c e n t a j e q u e p a s a ( % )

Figura 1.21. Curva de distribución del tamaño de partículas.

Parámetros de la Curva de distribución del tamaño de partículas.

A partir de la curva de distribución del tamaño de partículas, se puede obtener cantidades enporcentaje de un tamaño de partículas especial que contenga el suelo. El diámetro de la

partícula ( Di) se refiere al tamaño del grano o diámetro aparente de una partícula de suelo y elsubíndice que lo acompaña indica la cantidad de partículas en porcentaje más pequeñas queesta. Por ejemplo: D10 = 2 mm, significa que el 10% de los granos de la muestra son menoresen diámetro que 2 mm. El diámetro D10 es llamado diámetro o tamaño efectivo del suelo, esteal igual que el: D60, D30, D25 y D75, son tamaños especiales de las partículas que contiene elsuelo para evaluar la distribución del tamaño de partículas del suelo.


35/54


35

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0750.111075Tamaño de la partícula (mm)

P o r c e n t a j e q u e p a s a ( % )

(a)

(b)

(c) (d)

(e)

Figura 1.22. Curvas de distribución del tamaño de partículas de cinco suelos (Coduto, 1999).(a) Suelo de grano grueso (grava y arena). (b) Suelo bien gradado con una amplia variedad detamaños de partícula. (c) Suelo de grano grueso con una reducida variedad de tamaños departícula. (d) Suelo con gradación hueca, no contiene un cierto rango de tamaños de partícula.(e) Suelo compuesto de partículas finas (limo y arcilla).

a) Coeficiente de uniformidad (C U ).Este parámetro evalúa el grado de similitud en tamaño de las partículas del suelo, que

será:

60

10U

DC

D [1.40]

Un valor grande de este parámetro indica que las partículas entre D60 y D10 difieren engran manera de tamaño, lo que indica desuniformidad en relación al tamaño. Un suelo conuna distribución uniforme hará que la curva de distribución tienda a ser vertical como en laFigura 1.22c, mientras que la desuniformidad la hará más horizontal como en la Figura 1.22b.

b) Coeficiente de gradación (C C ).

Este parámetro evalúa la progresión de la variación en tamaño de las partículas del suelo,que será:

230

10 60C

DC

D D

[1.41]

Los valores de C C muy alejados a la unidad indican la falta o la poca cantidad de una seriede tamaños de partículas. Una distribución bien gradada hará que la curva de distribución seasemeje a una recta (Figura 1.22a, b) y una mala gradación la hará sinuosa o uniforme(Figura 1.22c y d).


36/54


36

c) Coeficiente de clasificación (So).

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

25

75

D

DS o [1.42]

7.2. Suelos finos.

Los suelos finos están constituidos de partículas compuestas de fragmentos diminutos deroca, minerales y minerales de arcilla, con textura granular y en hojuelas. De acuerdo alsistema de clasificación unificado estas partículas tienen un tamaño inferior a 0.075 mm, quecorresponden a la categoría del limo y la arcilla, por lo que toda fracción de suelo que pasa el

tamiz Nro. 200 es considerado como suelo fino.

7.2.1. Análisis mecánico por hidrómetro.

Aunque existen tamices con aberturas de malla menores a 0.075 mm, no es apropiado su usopara determinar la distribución del tamaño de partículas de la fracción de suelo fino, debido aque las partículas del suelo fino no siempre tienen textura granular sino en hojuelas y estasúltimas poseen propiedades eléctricas importantes que dificultarían el tamizado.

Stokes (1850) desarrolló una ecuación que relaciona la velocidad de descenso de unapartícula esférica en un fluido con respecto al tamaño de esta, que es:

2

18s wv D

γ γ η

Donde:v = Velocidad de descenso de la partícula.γ s = Peso unitario de los sólidos del sueloγ w = Peso unitario del agua.η = Viscosidad dinámica del fluido. D = Diámetro de la partícula con forma esférica.

Con el concepto que encierra la ecuación [1.43] conocida también como la ley de Stokes,puede determinarse el tamaño del más del 90% de las partículas del suelo fino. El hidrómetro

del tipo ASTM 152H que se muestra en la Figura 1.23a, es un instrumento de laboratorio paramedir la gravedad específica de un líquido (Figura 1.23b).

El análisis mecánico por hidrómetro está basado en el principio de sedimentación de laspartículas del suelo fino en suspensión. Cuando un suelo fino es dispersado en agua, laspartículas sedimentarán a diferentes velocidades, dependiendo de su textura, tamaño y masa,además de la viscosidad del agua. Para simplificar el análisis, se asume que las partículastienen forma esférica de tal manera que puede utilizarse la ley de Stokes para describir sucomportamiento. El diámetro de la partícula según la ecuación [1.43] será:


37/54


37

18

s w

v D

η

γ γ

La velocidad v de está ecuación puede escribirse como:

18

s w

L D

t

η

γ γ

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

Reemplazando: s s wG γ γ en esta ecuación y factorizando se tendrá que:

18

1s w

L D

G t

η

γ

Donde: Gs = Gravedad específica del suelo fino.

60

0

L

L1

2 L

60

0

(a) (b)Figura 1.23. Hidrómetro (Das, 1998).(a) Hidrómetro tipo ASTM 152H. (b) Determinación de la gravedad específica.

Debe tenerse cuidado al manejar las unidades de los

02cap1-propiedadesindicedelsuelo

Documents