apuntes g grado tema 2

GEOTECNIA – GICO UPC Tema 2. Estructura y propiedades básicas de los suelos. Identificación y clasificación

1

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUÑA GRADO EN INGENIERÍA DE LA CONSTRUCCIÓN

___________________________________________________

GEOTECNIA

APUNTES TEMA 2 ____________________________________________________

TEMA 2. ESTRUCTURA Y PROPIEDADES BÁSICAS DE LOS SUELOS.

IDENTIFICACIÓN Y CLASIFICACIÓN

2.1 FORMACIÓN Y NATURALEZA DEL SUELO. ESCALAS DE OBSERVACIÓN .................... 2 2.2 FASES DEL SUELO. RELACIONES ENTRE PESOS Y VOLÚMENES Y SU OBTENCIÓN EXPERIMENTAL ................................................................................................................................. 2 2.3 TIPOS BÁSICOS DE SUELOS. ESTUDIO DE LAS PARTÍCULAS SÓLIDAS:

MINERALOGÍA Y PROPIEDADES .................................................................................................. 7 2.4 EL TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS SÓLIDAS. GRANULOMETRÍA ................................. 11 2.5 CONSISTENCIA DEL SUELO. LÍMITES DE ATTERBERG. GRÁFICO DE PLASTICIDAD .................................................................................................................................... 14 2.6 SISTEMA DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS ............................................................................. 15 2.7 INTRODUCCIÓN A COMPORTAMIENTOS BÁSICOS DE LOS SUELOS ........................... 17 APÉNDICE ................................................................................................................................................. 19


2

TTeemmaa 22.. EEssttrruuccttuurraa yy pprrooppiieeddaaddeess bbáássiiccaass ddee llooss ssuueellooss.. IIddeennttiiffiiccaacciióónn yy ccllaassiiffiiccaacciióónn 22..11 NNaattuurraalleezzaa ddeell ssuueelloo.. EEssccaallaass ddee oobbsseerrvvaacciióónn La Mecánica del Suelo es la disciplina que tiene como objetivo el estudio del comportamiento del terreno desde el punto de vista mecánico y se ocupa también de aquellas construcciones o elementos constructivos en los que el terreno actúa como un elemento fundamental de soporte o acción o como material de construcción. Es el caso de las cimentaciones en general, de las estructuras de contención, de los túneles o de las presas de tierra, incluyendo en general el soporte de prácticamente todas las obras de las que se ocupa la ingeniería civil. La dificultad de esta disciplina se plantea al ser el terreno un medio natural multifase en que sus propiedades y comportamientos son muy variados y vienen dados por su origen, a diferencia de otros materiales de construcción como son, por ejemplo, el hormigón y el acero. De forma cualitativa y en general, se distinguen dos tipologías en el terreno: los suelos y las rocas. Se diferencian en que el suelo se disgrega con relativa facilidad. Esto hace que tengan comportamientos diferentes y dé lugar a dos disciplinas: la Mecánica de Suelos y la Mecánica de Rocas; el límite entre ambas no es estricto dado que existen materiales que están en la frontera y para denominarlos se utilizan nombres como rocas blandas o bien suelos duros. En la actualidad el concepto Mecánica de Suelos designa un conjunto de conocimientos que permite acceder a gran variedad de técnicas aplicables al suelo y que constituyen el objeto de estudio de la Geotecnia. El estudio del terreno se puede realizar a diferentes escalas de observación, así se suele diferenciar entre:

Escala geológica: unidad de observación de unos 100 m o más. Estudia las formaciones geológicas (estratos, fallas, cabalgamientos, etc.). Es útil en obras lineales o bien de gran extensión.

Escala geotécnica: la unidad de observación es de 10 m. Apropiada para el estudio de obras de extensión relativamente reducida: cimentaciones en general, taludes, desmontes, excavaciones, etc.

Escala de laboratorio: la unidad de observación es de 10 cm. Se corresponde con los ensayos habituales en el laboratorio.

Escala microscópica: la unidad de observación es del orden de la micra. Se utiliza en la observación de la micro-estructura del suelo.

A lo largo del presente capítulo se describirá la estructura básica del suelo y se indicarán los parámetros que lo caracterizan, introduciendo a su vez aquellas técnicas de laboratorio útiles para la obtención de estos parámetros. 22..22 FFaasseess ddeell ssuueelloo.. RReellaacciioonneess eennttrree ppeessooss yy vvoollúúmmeenneess yy ssuu oobbtteenncciióónn eexxppeerriimmeennttaall El suelo no es un medio continuo formado por un único material sino que es un medio en el que pueden darse tres fases:

Fase sólida: compuesta por las partículas sólidas (minerales) y por el agua adsorbida a través de un mecanismo de tipo electrostático (ver apéndice al final del tema).


3

Fase líquida: compuesta por el agua libre, el aire disuelto en ella y las sales minerales también disueltas.

Fase gaseosa: compuesta por el vapor de agua y el aire atmosférico. Se consideran las fases sólida y líquida como incompresibles, es decir, que mantienen su volumen constante ante valores de la tensión aplicada propios de la geotecnia. Esta suposición no puede hacerse en el caso de considerar la fase gaseosa. En función de la existencia o no de la fase gaseosa, se distinguen tres estados del suelo:

Suelo saturado: estado del suelo que únicamente tiene fases sólida y líquida, de este modo resulta incompresible y sólo variará su volumen ante la eventual entrada o salida de fase líquida (concepto de flujo).

Suelo no saturado: estado formado por las tres fases: sólida, líquida y gaseosa. También se denomina suelo parcialmente saturado. En este estado del suelo la variación de volumen no tiene porqué estar ligada a movimientos de la fase líquida al considerar únicamente compresible la fase gaseosa.

Suelo seco: estado del suelo en ausencia de fase líquida, luego formado únicamente por las fases sólida y gaseosa.

La figura 2.1 muestra un esquema de los estados del suelo. Cabe señalar que el estudio del suelo en estado no saturado es significativamente más complejo que el caso saturado. En la actualidad se sigue avanzando en la determinación del comportamiento de los suelos no saturados.

Detalle:

Figura 2.1 Suelo en estado saturado y parcialmente saturado La existencia de las tres fases indicadas sugiere la necesidad de definir unos parámetros que relacionen los volúmenes y pesos de cada una de ellas en relación al volumen o peso total. De este modo se pueden definir los siguientes conceptos:

Porosidad (n): relaciona la fracción de volumen ocupada por los poros (huecos) y el volumen total ocupado por el suelo.

h

t

Vn

V

Su valor varía entre cero, correspondiente a un medio sin poros, y uno, que representa un estado caracterizado por la ausencia de partículas sólidas.

Índice de poros (e): relaciona el volumen de poros con el de sólidos:

h

s

Ve

V

En este caso el rango de valores va de cero a infinito, correspondiéndose ambos límites con los anteriores. Debe ser intuitivo el hecho de que valores elevados de la porosidad y del

Partículas sólidas

Agua


Aire

Agua


Agua (meniscos)

Aire


4

índice de poros serán, en general, propios de suelos muy deformables. Ambos parámetros dan cuenta de la cantidad de poros, por ello se pueden relacionar a través de las siguientes expresiones que se pueden obtener fácilmente a partir de sus definiciones:

e

en

1

n

ne

1

Dependiendo de la forma de organización de las partículas sólidas, que podrá ser mayor o menor en un mismo suelo según su historia y estado tensional, la porosidad y el índice de poros del mismo variarán. En la tabla 2.1 se indican algunos valores típicos del índice de poros para diversos tipos de suelos (más adelante se justificarán estas denominaciones).

Tabla 2.1 Valores del índice de poros para diferentes suelos

Tipo de suelo emáx. emín. Arena limpia 0.9 0.4 Limo 1.1 0.4 Arcilla blanda 2.3 0.6 Turba 25 2

Las figuras 2.2 y 2.3 muestran el esquema de un suelo ideal formado por partículas esféricas. En el caso de la figura 2.2 se observa que su índice de poros puede variar entre 0.92 (emax), cuando cada esfera está únicamente en contacto con otras seis, y 0.35 (emin) que corresponde a la disposición con el mínimo volumen de poros, donde cada esfera está rodeada de otras doce. En el caso de la figura 2.3 se comprueba como la disposición de las partículas también puede influir sobre el índice de poros del suelo.

Figura 2.2 Agrupaciones de esferas iguales

Figura 2.3 Variación índice de poros según disposición partículas

Densidad relativa (Dr): relaciona el índice de poros actual de un suelo con su máximo y su mínimo alcanzables:

minmax

maxr ee

eeD

maxe mine

h


5

Su rango de valores va de cero a uno; ello permite dar nombre a diferentes estados del suelo. Se utiliza preferentemente para caracterizar suelos granulares, especialmente arenas. La tabla 2.2 presenta las denominaciones.

Tabla 2.2 Denominación de suelos granulares según su densidad relativa.

Densidad relativa(%)

Denominación

0-15 Muy suelta

15-35 Suelta

35-65 Media

65-85 Compacta

85-100 Muy compacta

Grado de saturación (Sr): relaciona el volumen de huecos que están llenos de agua con el total de huecos disponibles.

wr

h

VS

V

Valores nulos indican suelos secos, valores unidad indican suelos saturados y valores comprendidos entre cero y la unidad se usan para caracterizar suelos no saturados o parcialmente saturados. Las arcillas suelen tener valores superiores a 0.8 y sin embargo pueden presentar un aspecto seco; ello es debido a la gran cantidad de agua que pueden almacenar en su estructura, como se explica más adelante.

Humedad (): relaciona el peso de agua presente el suelo y el de las partículas sólidas que lo forman:

s

w

W

W

Este parámetro suele expresarse en porcentaje. Su rango de valores va de cero (suelo seco) a valores no acotados superiormente. Existen suelos, en concreto suelos de tipo orgánico, que pueden tener humedades de más de 3000 %.

Peso específico de las partículas sólidas (s): es el peso específico de las partículas que forman el esqueleto del suelo:

s

ss V

W

Su valor depende de los minerales que forman las partículas del suelo. En suelos granulares coincide con el peso específico de la roca del que proceden. Su escasa variabilidad hace que generalmente, para cálculos aproximados, se pueda suponer un valor igual a 27 kN/m3, aunque en determinados tipos de suelos puede ser significativamente superior o inferior.

Peso específico del agua (w): su valor es de 9.8 kN/m3 (frecuentemente se usa 10 kN/m3), aunque puede variar ligeramente si se trata de agua salada o contaminada.

Peso específico seco (d): corresponde a la situación en que todos los poros están llenos de aire (suelo seco):

t

sd V

W

En arcillas los valores suelen estar entre 8 y 20 kN/m3 y en arenas entre 14 y 18 kN/m3.


6

Peso específico saturado (sat): valor del peso específico en el caso de estar todos los poros llenos de agua (suelo saturado):

s h wsat

t

W V

V

En el caso de arcillas su valor puede variar entre 16 y 22 kN/m3, generalmente, y en arenas entre 19 y 22 kN/m3.

Peso específico sumergido (’): indica la situación en la que el suelo se encuentra sumergido en agua y en consecuencia experimentará un empuje ascensional igual al volumen de agua desalojado:

wsat '

Peso específico natural (n): valor que tiene el suelo in situ; si se corresponde a suelo saturado será igual al peso específico saturado, y si se corresponde a suelo seco será igual al peso específico seco.

t

tn V

W

Su valor suele oscilar entre 17 y 23 kN/m3. Una vez se han definido los pesos específicos se pueden diferenciar dos grupos: los que caracterizan los componentes del suelo (s , w) y los que representan al suelo en función de sus poros (d , sat , n). Todos los parámetros definidos en el apartado anterior están relacionados entre sí de modo que conociendo tres de ellos se puede calcular el resto. La figura 2.4 muestra una disposición adecuada para facilitar el cálculo. En su utilización se toma como unitario el volumen total o bien el de las partículas.

vt

va

wv

vs

vh

wt

ws

ww

Diagrama de volúmenes Diagrama de pesos

Figura 2.4 Diagramas de fases para el cálculo de pesos y volúmenes Diagrama de fases en función de la porosidad (Vt = 1) A partir de la figura 2.5, usando la porosidad como relación volumétrica y tomando el volumen total igual a la unidad tenemos:

, con 1 ht h

t

Vn V V n

V

De esta forma el volumen de sólidos quedará:

1s t hV V V n

alumne

Nota adhesiva

Rehacer figura


7

Si se utiliza la definición de grado de saturación:

, con (1 )

w rwr h

a rs

V nSVS V n

V n SV

Las expresiones para los pesos quedarán como:

w w w r wW V nS

(1 )s s s s

W V n

Se puede utilizar la definición de humedad:

(1 )ww s s

s

WW W n

W

Se pueden obtener también los pesos específicos:

(1 )(1 )

1

s s

d s

t

W nn

V

(1 )(1 )

1t r w s

n r w s

t

W nS nnS n

V

(1 ) (1 )(1 )( ) (1 )(1 )

1

t s s

n s s s

t

W n nn n

V

Diagrama de fases en función del índice de poros (Vs = 1). Si se siguen los mismos pasos y utilizan las mismas expresiones que en el caso anterior, pero tomando la definición del índice de poros y el volumen de sólidos igual a la unidad, tal como se indica en la figura 2.6, se obtienen resultados equivalentes.

h

s

Ve

V , con Vs = 1→ Vh = e

n

1

1-n

nSr

n(1-S )r ww

ws

nS r w

(1-n) s

s(1-n)va

wv

vs


Figura 2.5 Diagramas de fases en función de la porosidad con el Vt = 1

22..33 TTiippoo bbáássiiccooss ddee ssuueellooss.. EEssttuuddiioo ddee llaass ppaarrttííccuullaass ssóólliiddaass:: mmiinneerraallooggííaa yy pprrooppiieeddaaddeess Como primera aproximación al comportamiento del suelo, y desde el punto de vista ingenieril, respecto de las partículas sólidas interesa conocer básicamente su tamaño y distribución (granulometría), dado que ambas características determinan fundamentalmente el comportamiento mecánico de un suelo.

alumne

Nota adhesiva

Rehacer figura


8

e

1+eeSr

e(1-S )r ww

ws

eS r w

s

sva

wv

vs1


Figura 2.6 Diagramas de fases en función del índice de poros con el Vs = 1 El suelo, como medio natural, es heterogéneo en cuanto a la distribución de los tamaños de sus partículas minerales; también es heterogénea la naturaleza y procedencia de las partículas mismas. Conviene tratar a los suelos en base a alguna de sus características que permita su tipificación. La tabla 2.3 presenta una clasificación básica de los suelos en función del tamaño de las partículas sólidas que suele ser habitual en mecánica de suelos.

Tabla 2.3 Clasificación básica de los suelos

Tipo de suelo Tamaño de las partículas

Bloques > 30 cm Bolos 15 a 30 cm

Gravas 0.2 a 15 cm Arenas 0.06 a 2 mm Limos 2 a 60 m

Arcillas < 2 m Esta clasificación es independiente de la composición de las partículas; sin embargo, cada una de las tipologías indicadas se caracteriza por unas propiedades físicas, que varían de unas a otras y que ayudan a su clasificación. Algunas de estas propiedades se presentan en la tabla 2.4.

Tabla 2.4 Propiedades básicas de los suelos

Gravas Arenas Limos Arcillas

Cohesión No cohesiva No cohesiva Algo cohesiva Muy cohesiva

Textura - - Áspera Suave

Tacto - - No se pega a los dedos

Sí se pega a los dedos

Influencia del agua Muy Poca Poca Bastante Mucha

Esta clasificación representa razonablemente bien a la realidad. Sin embargo conviene señalar que cada uno de los grupos presentados tiene unas características y unos problemas ingenieriles asociados bastante diferentes. Por otro lado, resulta conveniente analizar aquí algunas de las características de las partículas sólidas, como son su forma, su textura o su composición mineral, si bien es cierto que sólo suelen determinarse en el caso de una identificación exhaustiva del suelo. En este sentido cabe indicar que la forma de las partículas, en concreto su angulosidad o bien su redondez, influyen

alumne

Nota adhesiva

Rehacer figura


9

en los procesos en los que las partículas se mueven unas respecto de otras y, en consecuencia, sobre las fuerzas generadas en dicho movimiento (más adelante se introducirá el concepto de ángulo de rozamiento interno). En el caso de la textura de las partículas, una rugosidad superficial elevada influirá en los procesos de deslizamiento entre partículas, ello tendrá consecuencias en la disipación de energía y, en definitiva, en el valor del ángulo de rozamiento interno. En cuanto a su mineralogía, y por lo que se refiere a gravas, arenas y limos, se puede determinar mediante ensayos de tipo químico. Se considera que sus partículas proceden de la descomposición mecánica de las rocas duras (típicamente por el arrastre en los ríos); en este sentido son habituales los minerales formados a partir de carbonatos, silicatos, sulfatos y otros en menor medida. En los materiales arcillosos, formados por diversas agrupaciones de estructuras cristalinas y procedentes de la descomposición de rocas blandas, su determinación se realiza mediante técnicas cristalográficas, habitualmente usando el método de difracción de rayos X. Tal y como se ha sugerido al inicio del apartado 2.2, en las partículas arcillosas están presentes fenómenos de tipo electrostático y que son debidos fundamentalmente a desequilibrios entre las cargas eléctricas situadas en la superficie de las partículas. Ello da lugar a la adsorción de moléculas de agua (con propiedad dipolar) fuertemente ligadas a la superficie de la partícula y la aparición de la capa doble (ver apéndice). Dos propiedades a destacar que influyen en el comportamiento mecánico del suelo son: Superficie específica (Se): relación entre la superficie de la partícula y su masa:

Superficie de la partículaS

Masa de la partículae

Su valor es muy variable dado que mientras en arenas vale alrededor de 10-4 m2/g, en arcillas puede variar entre 20 y 1000 m2/g (disminuye con el tamaño de las partículas y cuanto más esféricas sean las mismas). Valores bajos, como en el caso de arenas, indican que se trata de partículas grandes y redondeadas y en las que las fuerzas exteriores se transmiten por contacto entre ellas. Por el contrario, valores elevados como en el caso de arcillas, significa que las partículas son pequeñas y con forma de láminas y entre ellas, aparte de las fuerzas de contacto, aparecen fuerzas debidas a fenómenos químicos. Tal como se verá más adelante, el comportamiento de suelos no saturados frente a inundación depende notablemente del valor de la superficie específica de las partículas.

Cohesión (c): cuando un suelo, en ausencia de fuerzas exteriores, presenta una cierta consistencia se dice que tiene cohesión. Se define como la resistencia que presenta un suelo en ausencia de fuerzas gravitatorias y de fricción. Una forma más intuitiva de definir la cohesión es considerarla como el resultado de las fuerzas de interacción entre partículas sólidas. A modo de ejemplo, se puede considerar que la arena de playa seca no presenta cohesión, dado que al cogerla entre las manos las partículas sólidas se deslizan entre los dedos; por el contrario al coger una porción de terreno arcilloso hay cohesión entre las partículas y la forma de la porción de terreno se mantiene en la mano. En los suelos habituales hay una relación directa entre el valor de la superficie específica y el de la cohesión, que se dan en mayor medida en los materiales arcillosos.

Materiales arcillosos.

El comportamiento de las arcillas está muy ligado a sus propiedades físico-químicas. Éstas derivan, principalmente, de:

- El pequeño tamaño de las partículas (inferior a 2 μm) - La morfología laminar de las partículas (filosilicatos)


10

- Las sustituciones isomórficas, que dan lugar a la aparición de carga eléctrica en las láminas y a la presencia de cationes débilmente ligados en el espacio interlaminar.

Además de la superficie específica y la cohesión, explicadas con anterioridad, otras propiedades que determinan el comportamiento de las arcillas son:

Capacidad de Intercambio catiónico: la capacidad de intercambio catiónico (CEC) se puede definir como la suma de todos los cationes de cambio que un mineral puede adsorber a un determinado pH. Es equivalente a la medida del total de cargas eléctricas negativas del mineral. Estas cargas negativas pueden ser generadas de tres formas diferentes:

- Sustituciones isomórficas dentro de la estructura. - Enlaces insaturados en los bordes y superficies externas. - Disociación de los grupos hidroxilos accesibles.

Esta es una propiedad fundamental de las esmectitas (ver apéndice) dado que son capaces de cambiar, fácilmente, los iones fijados en la superficie exterior de sus cristales, en los espacios interlaminares, o en otros espacios interiores de las estructuras, por otros existentes en las soluciones acuosas envolventes.

Capacidad de absorción: la capacidad de absorción está directamente relacionada con la superficie específica y la porosidad. En este sentido, existen dos procesos que difícilmente se dan de forma aislada: la absorción (en procesos físicos como la retención de agua por capilaridad) y la adsorción (interacción de tipo químico entre el adsorbente, en este caso la arcilla, y el líquido o gas adsorbido). La capacidad de absorción se expresa en porcentaje de fluido adsorbido con respecto a la masa y depende, para una misma arcilla, de la sustancia de que se trate. La absorción de agua en arcillas absorbentes puede ser mayor del 100%, con respecto a su peso.

Hidratación e hinchamiento: la absorción de agua en el espacio interlaminar tiene como consecuencia la separación de las láminas dando lugar al hinchamiento. Este proceso depende del balance entre la atracción electrostática catión-lámina y la energía de hidratación del catión. A medida que se intercalan capas de agua y la separación entre las láminas aumenta, las fuerzas que predominan son de repulsión electrostática entre láminas, lo que contribuye a que el proceso de hinchamiento pueda llegar a disociar completamente unas láminas de otras.

Plasticidad: esta propiedad sugiere la capacidad que tiene un suelo para incorporar agua a su estructura, manteniendo su consistencia mecánica por encima de la correspondiente al límite líquido. Dicha capacidad se puede obtener en el laboratorio de forma comparativa, es decir, en relación a otro suelo distinto. Por ejemplo, si se tiene un suelo A y otro B y se toma igual peso seco de ambos añadiéndoles agua en cantidad creciente, entonces si sucede que el suelo A incorpora una mayor cantidad de agua que la incorporada por el suelo B, antes de llegar al ambos al límite líquido, se puede afirmar que el suelo A es más plástico que el suelo B.

La plasticidad está relacionada directamente con el valor del límite líquido y del índice plástico de un suelo, obtenidos en la determinación de los límites de Atterberg. Esta propiedad, de gran relevancia en el comportamiento del suelo, se amplía en el apartado 2.5.

Sensitividad (susceptibilidad): es una característica que se presenta en las arcillas a consecuencia de fenómenos físico-químicos. Consiste en la pérdida de resistencia a causa del remoldeo, es decir, de la rotura de su estructura originaria. Para evaluar esta pérdida de resistencia se define la sensitividad, St, como el cociente entre la resistencia al corte sin drenaje (cu) de dicha arcilla en su estado natural y después de ser remoldeada (el concepto


11

de resistencia al corte sin drenaje se explicará en temas posteriores). La tabla 2.5 presenta una clasificación de las arcillas según su sensitividad.

Tabla 2.5 Clasificación de las arcillas según su sensitividad.

St 1 no susceptibles 1 < St < 2 de baja susceptibilidad 2 < St < 4 de susceptibilidad media 4 < St < 8 susceptibles

8 < St < 16 muy susceptibles 16 < St rápidas (quick clays)

Tixotropía: propiedad de algunas arcillas de recuperar, con el tiempo, parte de la resistencia al corte sin drenaje que tenían antes de ser remoldeadas.

Actividad: se define como el cociente entre el índice plástico, IP (%), que se estudiará en el apartado 2.5, y el porcentaje en peso de partículas distancia a 2 micras de diámetro (parte arcillosa). Un suelo con alta actividad indica que con una pequeña cantidad de partículas arcillosas alcanza un elevado índice plástico. Entre los tipos de arcillas que forman parte de los suelos habituales, los valores de la actividad suelen estar entre 0.38 para la caolinita, 0,9 para la illita y 7.2 para la montmorillonita (ver apéndice).

Tal y como se ha indicado, el comportamiento de las arcillas está muy ligado a la forma de organización de los cristales que la forman y las distancias entre planos cristalinos, diferentes para cada tipo de arcilla; la técnica basada en la difracción de los rayos X en la estructura cristalina proporciona un método de medida de dicha distancia. En el apéndice se estudian con mayor detalle los aspectos físico-químicos de las arcillas y se describen algunos de los minerales que habitualmente aparecen en los suelos, como son: caolinita, illita, esmectita, vermiculita y clorita. Finalmente, y como se verá en temas y asignaturas posteriores, cabe señalar que el cálculo asociado a las diferentes estructuras geotécnicas hace diferencia entre los casos de arcillas y arenas, dado su diferente comportamiento mecánico. 22..44 EEll ttaammaaññoo ddee llaass ppaarrttííccuullaass ssóólliiddaass.. GGrraannuulloommeettrrííaa El comportamiento mecánico de un suelo está estrechamente ligado al tamaño de las partículas que lo constituyen; evidentemente no hay un único tamaño de partículas sino muchos y es muy importante conocer la distribución de estos tamaños. La figura 2.7 muestra una distribución, obtenida en el laboratorio, de tamaños de las partículas. El gráfico proporciona el porcentaje de partículas de tamaño inferior, en peso, a un diámetro equivalente determinado. Para la obtención de esta curva existen varios métodos. A continuación se estudiarán con mayor detalle dos de estos métodos: en primer lugar el de tamizado, que permite clasificar desde tamaños correspondientes a gravas, hasta partículas de dimensiones de 0.075 mm; y en segundo lugar el de sedimentación que permite extender la gráfica desde 0.075 mm hasta tamaños correspondientes a partículas de arcilla; también se hará breve referencia al método del densímetro y al del granulómtero láser.

Análisis granulométrico mediante tamizado: una vez secado y desmenuzado convenientemente el suelo, se tamiza o criba una determinada cantidad, en peso, del mismo. A través de una serie de tamices, y tras el correspondiente vibrado, se pesa el suelo seco retenido en cada uno de los tamices. Conocido éste, se calcula el porcentaje de partículas de diámetro inferior al de cada tamiz. De este modo se obtienen los datos necesarios para dibujar la curva granulométrica correspondiente al suelo ensayado.


12

Figura 2.7 Curva granulométrica típica de un suelo

La tabla 2.6 muestra la serie de tamices de la norma ASTM (American Standard Testing Materials) que usualmente sirve de referencia en este ensayo. La abertura de cada tamiz indica el límite de tamaño de partícula que pasa o no pasa por el mismo. En España está vigente la serie de tamices de la norma UNE-103101-95 que recoge aproximadamente los mismos valores de la ASTM.

Tabla 2.6 Numeración de la serie de tamices ASTM

Nº de tamiz (ASTM) Abertura (mm)

4 10 20 40 60 100 200

4.76 2

0.85 0.425 0.25 0.15 0.075

Análisis granulométrico mediante sedimentación: se utiliza para partículas inferiores a

0.075 mm de diámetro equivalente. Consiste en introducir una cierta cantidad de suelo seco y desmenuzado en un matraz con agua agitando el recipiente con el fin de conseguir una distribución homogénea de las partículas. Al cesar la agitación las partículas descienden hacia el fondo del matraz a menor o mayor velocidad en función de su diámetro. En España la norma UNE-103102-95 recoge el procedimiento de ensayo. Una expresión analítica de la velocidad a la que desciende una partícula esférica en el seno de un líquido la proporciona la ley de Stokes que se expresa como:

2

18Dv ws

donde: v : velocidad de caída de la partícula : viscosidad del fluido D: diámetro de la partícula


13

A una cierta profundidad (z) y en un determinado instante (t) sólo habrá partículas inferiores a un cierto tamaño, aquel que corresponde a una velocidad de sedimentación superior a z/t; aplicando la ley de Stokes:

18·

s w

zD

t

Tomando una muestra con una pipeta a la profundidad z en t1, y midiendo la concentración se puede establecer la siguiente relación:

11

( , )% de partículas que pasan por el tamiz

Concentración z tD

Concentración inicial

que proporciona un punto de la curva granulométrica. De esta forma, repitiendo la operación a diferentes tiempos, se puede completar la curva. Sin embargo, este método presenta los siguientes inconvenientes. La ley de Stokes es válida para una partícula esférica y sin embargo las partículas de suelo no lo son y no están aisladas. Para tamaños inferiores 0.2 micras las partículas se ven afectadas por fluctuaciones de origen térmico describiendo movimientos de tipo aleatorio. Las partículas tienden a formar grumos, falseando de esta forma su diámetro real; para solventar este problema se añade un antifloculante que reduce las agrupaciones de partículas. Finalmente, hay que considerar la presencia de fenómenos electrostáticos que dificultan la medida.

Análisis granulométrico mediante densímetro: se realiza mezclando el suelo con agua y

midiendo los cambios de densidad en el tiempo (debido a la sedimentación de las partículas de suelo).

Análisis granulométrico mediante granulómetro láser: medida totalmente automatizada. Es de uso muy generalizado en la actualidad.

Con los datos obtenidos en los ensayos granulométricos (tamizado, sedimentación, densímetro y láser), se puede representar la curva granulométrica del suelo objeto de estudio. Es habitual utilizar una escala semilogarítmica dado que de esta forma la fracción fina adquiere mayor relevancia gráfica. Otro tipo de análisis es el conocido como el equivalente de arena. Este ensayo se suele realizar in situ mezclando el suelo con agua en una bureta, se deja reposar y se mide la altura relativa que alcanza la parte gruesa del suelo (arena/grava) y la parte fina (limo/arcilla).

·100a

s

LEA

L

donde: La: altura arena/grava Ls: altura limo/arcilla

Con objeto de sintetizar la información que contienen las curvas granulométricas, se definen unos parámetros de referencia a través de unos diámetros para los que pasa un determinado porcentaje de suelo. De este modo D60 indica el diámetro por el que pasa un 60 % de suelo; análogamente se definen D30 y D10. Mediante estos diámetros se pueden definir los siguientes parámetros característicos del suelo:

Coeficiente de uniformidad (Cu): relación entre D60 y D10:

10

60

D

DCu

Su valor está comprendido entre la unidad e infinito. Valores altos, superiores a 4 en el caso de gravas y 6 en el caso de arenas, indican suelos bien graduados, es decir, suelos con gran


14

variedad de tamaño de partículas. Por el contrario valores del coeficiente de uniformidad cercanos a la unidad, son representativos de suelos mal graduados, con un tamaño de partículas mayoritario.

Coeficiente de curvatura (Cc): se define mediante la expresión:

6010

230

·DD

DCC

Indica la forma de la curva granulométrica. Los suelos bien graduados tienen valores de este coeficiente comprendidos entre 1 y 3.

Ambos coeficientes son de utilidad, como se verá más adelante, para la clasificación de suelos. 22..55 CCoonnssiisstteenncciiaa ddeell ssuueelloo.. LLíímmiitteess ddee AAtttteerrbbeerrgg.. GGrrááffiiccoo ddee ppllaassttiicciiddaadd La consistencia es la resistencia del suelo a ser deformado o amasado (remoldeado), gobernada por las fuerzas de cohesión, las cuales dependen del contenido de humedad del material. De forma empírica se puede constatar fácilmente la relación entre la humedad de un suelo y su grado de consistencia. De este modo, Atterberg definió a principios de siglo XX, a partir de sus experiencias en diversos tipos de suelo, cuatro estados de consistencia: Estado líquido: el suelo no tiene apenas consistencia y presenta un comportamiento de

fluido. Estado plástico: el suelo es fácilmente moldeable, sin embargo presenta una ligera

resistencia al corte. Estado semisólido: presenta una resistencia al corte considerable en comparación con los

estados anteriores. Se caracteriza porque si se reduce su humedad aparecen grietas. Estado sólido: el suelo presenta una notable resistencia al corte. A pequeñas deformaciones

puede presentar un comportamiento elástico. Por otra parte, Atterberg definió los contenidos de humedad que se correspondían con los estados indicados. A los valores de la humedad que separan estos estados se les denomina límites de Atterberg: Límite líquido (L): frontera entre el estado líquido y el plástico. Límite plástico (P): frontera entre el estado plástico y el semisólido. Límite de retracción (R): frontera entre el estado semisólido y el sólido. Estos valores se obtienen de forma experimental y son característicos de cada suelo en particular. Dependiendo del tipo de suelo, su valor puede ser muy variable, lo cual permite disponer de un criterio experimental para la clasificación de los suelos. Su obtención en laboratorio, de forma muy simple pero efectiva, se verá en el capítulo dedicado a ensayos. En España está vigente la norma UNE-103103-94 para el límite líquido y la UNE-103104-93 para el límite plástico. Cabe señalar que los límites de Atterberg son de mucha utilidad en geotecnia y pueden correlacionarse con diversos parámetros de interés geotécnico.

A partir del valor de los límites se definen los siguientes índices: Índice de plasticidad: PLIP

Índice de consistencia: IP

IC L


15

Índice de fluidez: IP

IF P

El índice plástico es intrínseco de cada suelo y aporta información sobre el incremento de humedad necesario para pasar del estado semisólido al líquido. El índice de consistencia y el de fluidez dan información de la situación actual del suelo respecto del intervalo que limita el índice plástico (el índice de consistencia se puede relacionar con la “resistencia al corte sin drenaje”; concepto que se estudiará más adelante en la asignatura). De otra parte, se puede obtener en el laboratorio un gráfico que muestre la relación existente entre la humedad que tiene el suelo y el volumen total ocupado por el mismo; en la figura 2.8 se puede apreciar que el volumen ocupado por el suelo se mantiene constante hasta que la humedad alcanza aproximadamente el valor correspondiente al límite de retracción, momento en el que el volumen total comienza a crecer en relación al aumento de humedad.

El concepto de plasticidad es de uso generalizado en la descripción de suelos, ya descrito en el apartado 2.3, se obtiene de forma experimental y permite comparar dos suelos. Su valor está relacionado directamente con el valor del límite líquido. Así suelos con alto límite líquido serán de alta plasticidad. Por el contrario, suelos con bajo límite líquido serán de baja plasticidad. De otro lado, el gráfico humedad respecto del volumen, figura 2.8, permite constatar que los suelos de alta plasticidad suelen tener una pendiente mayor que los de baja plasticidad.

Una forma de clasificación de los suelos de grano fino es la basada en el valor de sus límites de Atterberg obtenidos experimentalmente. La figura 2.9 muestra el gráfico debido a Casagrande muy útil para clasificar estos suelos. Dicho gráfico tiene una justificación empírica basada en una gran cantidad de ensayos realizados. En el gráfico se definen tres rectas U: IP = 0.9 (wL- 8), A: IP = 0.75 (wL- 20) y wL = 50 que delimitan las diferentes zonas en función de los límites de Atterberg y según la siguiente nomenclatura: C (arcillas), L (limos), O (suelo orgánico), H (límite líquido mayor del 50%) y L (valor del límite líquido inferior al 50%). La posición en el gráfico determina algunas de las propiedades del suelo (por ejemplo resistencia y permeabilidad) y permite obtener aproximadamente el límite de retracción como la intersección del eje de abscisas con la recta formada por el punto donde se cortan U, A y el punto (wL, IP) del suelo

22..66 SSiisstteemmaa ddee ccllaassiiffiiccaacciióónn ddee ssuueellooss En geotecnia se aplica habitualmente un sistema de clasificación que parte de la granulometría (figura 2.7) y de los límites de Atterberg del suelo. Es ampliamente utilizado el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos basado en la clasificación desarrollada por Casagrande y adoptado por el Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos. Este sistema se adapta bien a las necesidades de la Mecánica de Suelos como herramienta para clasificar de forma rápida y efectiva a los diversos suelos. Este sistema de clasificación designa a los suelos por dos letras mayúsculas. La primera indica el grupo principal al que pertenece el suelo, y la segunda la subdivisión correspondiente a su graduación o a su plasticidad dentro de este grupo (tabla 2.7). Estas letras clave son las siguientes:

G: grava (gravel) S: arena (sand) M: limo (silt) C: arcilla (clay) O: orgánico

W: bien graduado (well) P: mal graduado (poor)

H: alta plasticidad (high) L: baja plasticidad (low)


16

Figura 2.8 Curva humedad-volumen total ocupado por el suelo

Figura 2.9 Gráfico de Casagrande para suelos de grano fino

Se establece una primera separación considerando suelos de grano fino y suelos de grano grueso, según pase por el tamiz nº 200-ASTM (0.075 mm) una cantidad mayor o menor del 50% en peso de partículas de suelo respectivamente. Suelos de grano fino

Los suelos de grano fino se clasifican únicamente en función del valor de su límite líquido y de su índice plástico; para ello se utiliza el Gráfico de Plasticidad de Casagrande indicado en la figura 2.9. En dicho gráfico se presenta en abscisas el límite líquido y en ordenadas el índice de plasticidad. El gráfico está subdividido mediante una recta vertical correspondiente a un límite líquido del 50%, que separa los suelos de baja plasticidad, a su izquierda, de los de alta plasticidad, a su derecha. La zona comprendida entre la línea A y el intervalo entre índices de plasticidad del 4 al 7 % corresponde a suelos mezcla de arcilla y limo, empleando para ello la doble nomenclatura (CL-ML). Suelos de grano grueso

Se consideran suelos de grano grueso aquellos en que menos del 50% en peso de sus partículas pasan por el tamiz nº 200 (ASTM), subdividiéndose en los siguientes grupos: Grupos GW y SW (gravas y arenas bien graduadas).

Se trata de suelos en que menos del 5% en peso pasa por el tamiz nº 200 y cumplen que su coeficiente de curvatura (CC) está comprendido entre 1 y 3, además de que su coeficiente de

0

10

20

30

40

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Índ

ice

plá

stic

o (

%)

Límite líquido (%)

línea Alínea U

CL-ML OL OH

CL

MLMH

CH

ML

R P L

ov

vt

alumne

Nota adhesiva

Rehacer gráfico


17

uniformidad (CU) es superior a 4, en el caso de las gravas, y a 6 en el de arenas. La distinción entre arenas y gravas sigue el criterio según si el 50% en peso pasa o no pasa, respectivamente, por el tamiz nº 4 (ASTM).

Grupos GP y SP (gravas y arenas mal graduadas).

Los constituyen gravas y arenas sin finos o con pocos finos (menos del 5% pasa por el tamiz nº 200), que no cumplen la doble condición del coeficiente de curvatura y el de uniformidad para ser consideradas bien graduadas.

Grupos GM, SM, GC y SC.

Pertenecen a ellos las gravas y arenas con más del 12% de finos que pasan por el tamiz nº 200. El sufijo M o C se aplica según las características de la fracción que pasa por el tamiz nº 40 aplicándose el Gráfico de Plasticidad de Casagrande.

Casos intermedios.

Los constituyen suelos con una fracción de partículas inferiores a la abertura del tamiz nº 200 comprendida entre un 5 y un 12%. Se consideran como casos intermedios de los anteriores y se designan a través de un símbolo doble; por ejemplo GW-GM.

Tabla 2.7 Clasificación de suelos

Suelos grano fino

(>50 % pasa # 200)

Arcillas: CH, CL

Limos: MH, ML

Orgánicos: OH, OL

Suelos granos grueso

(< 50% pasa #200)

5% < #200 G limpias <50% es <5mm

S limpias >50% es <5mm

5-12 % < #200 Suelos de transición (GM-GC)

>12% < #200 G si <50% es < 5 mm (GC, GM)

S si >50% es < 5 mm (SC, SM)

22..77 IInnttrroodduucccciióónn aa ccoommppoorrttaammiieennttooss bbáássiiccooss ddee llooss ssuueellooss El presente apartado pretende servir de puente entre los aspectos considerados a lo largo del presente tema y algunos de los que posteriormente aparecerán a lo largo de la asignatura. A continuación se indican algunas consideraciones que en este momento se van a justificar sucintamente a la espera de un tratamiento más amplio en los temas correspondientes.

1. Se considera que las partículas sólidas no cambian su forma ni su volumen con la tensión

aplicada. Efectivamente se consideran indeformables e incompresibles en el dominio de tensiones habitualmente presentes en geotecnia.

2. El agua intersticial se considera incompresible pero es deformable. Efectivamente se considera que no hay cambio de volumen a presiones habituales en geotecnia, sin embargo el agua no opone resistencia a las tensiones de corte, por lo que es deformable. Cabe indicar que en el tema correspondiente al comportamiento mecánico de los suelos saturados se considerará una cierta compresibilidad para el agua intersticial.

3. El esqueleto sólido del suelo se considera deformable bajo el efecto de las tensiones actuantes sobre el mismo. Efectivamente a pesar de que las partículas sólidas no se consideren deformables, la estructura formada por ellas será sensible a las tensiones de


18

corte, dado que las partículas pueden rodar y deslizar entre ellas; en consecuencia dichos movimientos darán lugar a una deformación del esqueleto sólido (estructura).

4. En suelos parcialmente saturados pueden darse grandes deformaciones volumétricas (cambios de volumen) al inundar el suelo bajo una carga exterior constante y llevarlo a saturación; dichas deformaciones dependen fundamentalmente del tipo de suelo (aumento de volumen en suelos arcillosos con superficie específica elevada) y de su estado (aumento de volumen para índices de poros bajos y disminución de volumen para índices de poros altos).

5. El agua intersticial puede moverse en el interior del esqueleto sólido. La mayor o menor facilidad para su movimiento en el interior del suelo está ligada al concepto de permeabilidad y a la presencia de gradientes hidráulicos (ley de Darcy que se estudia en temas posteriores).

6. Los cambios en la geometría del esqueleto sólido (deformaciones) pueden ocasionar flujos de agua desde o hacia el exterior del suelo; ello puede suponer cambios volumétricos en la masa de suelo y el valor de la humedad del mismo.

7. Nivel freático: se define como la superficie que delimita el agua intersticial que se encuentra a la presión atmosférica. En concreto si se perfora un pozo en un terreno sin flujo, el NF coincide con el nivel del agua libre. De otro lado, el nivel freático se puede interpretar, de forma aproximada, como la separación entre la parte del suelo que está saturada de la que está parcialmente saturada.


19

AAppéénnddiiccee

AAssppeeccttooss ffííssiiccoo--qquuíímmiiccooss ddee llaass aarrcciillllaass

El comportamiento geotécnico de las arcillas está muy ligado a la forma con que se agrupan los cristales que la componen. Las distancias entre planos cristalinos son diferentes para cada tipo de arcilla, ello constituye un método eficaz para su identificación dado que el método de difracción de los rayos X en la estructura cristalina proporciona la medida de dicha distancia.

AA..11 CCoommppoonneenntteess eessttrruuccttuurraalleess ddee llooss mmiinneerraalleess aarrcciilllloossooss

Los átomos se organizan de forma que en los cristales puede haber desequilibrio eléctrico (las cargas de distinto signo no están compensadas). Las agrupaciones pueden ser diversas, sin embargo son habituales las basadas en tetraedros y en octaedros:

El tetraedro con átomos de silicio (Si4+) y de aluminio (Al3+). En el centro está el catión y en los vértices hay oxígenos (O2-)

La carga eléctrica neta (por tetraedro) es de (-4e) en el caso del silicio y de (-5e) en el caso del aluminio. El aluminio sustituye isomórficamente al silicio.

Esquema:

El octaedro con átomos de Al3+ y de magnesio (Mg2+). En el centro está el catión y en los vértices están los hidroxilos (OH-).

La carga eléctrica neta (por octaedro) es de (-3e) en el caso del Al y de (-4e) en el caso del magnesio (Mg). El magnesio sustituye isomórficamente al aluminio.

Esquema:

La agrupación de los cristales anteriores puede darse de diferente forma, se consideran aquí las siguientes posibilidades:

Láminas de tetraedros:

Los átomos de oxígeno son compartidos formando láminas de tetraedros (silicatos y filosilicatos). Al formar las láminas quedan espacios hexagonales en las caras y pueden ser ocupados por el potasio (K+). En caso de que solamente haya átomos de Si4+ la red es neutra eléctricamente, pero si hay átomos de Al3+ entonces es negativa.

De otro lado, tanto el átomo de potasio (K+) como el radical amonio (NH4+) son abundantes y tienden a adsorberse y a neutralizar las cargas negativas; si esto ocurre puede dar lugar a contracción (en el eje normal a la lámina) y a la disminución del CIC (coeficiente de intercambio de cationes).

Láminas de octaedros:

Si solamente hay átomos de aluminio en la red entonces al mineral se le denomina gibsita (presente en los depósitos de bauxita) dando lugar a una red neutra eléctricamente. Si sólo hay átomos de magnesio entonces se de denomina brucita y también es neutra eléctricamente. El átomo de aluminio (Al3+) puede ser substituido isomórficamente por átomos de hierro (Fe2+) o por Mg2+ dando lugar a una red negativa. Si el Mg2+ o el Fe2+ están en exceso en la red entonces ello da lugar a una red con carga eléctrica positiva.

Láminas de 2 y 3 unidades:

Ejemplo 1. Caolín (mezcla de láminas de tetraedros y octaedros).

Ejemplo 2. Esmectitas e illitas (dos láminas de tetraedros (Si) y una lámina de octaedros que pueden ser gibsita o bien brucita.


20

AA..22 MMiinneerraalleess aarrcciilllloossooss

Los minerales que normalmente aparecen en suelos son: caolinita, illita, esmectita, vermiculita y clorita.

Caolinita (hallosita). Unidades laminares 1:1. Tiene poca carga negativa. CIC=5 meq/100 g. El H+ une las láminas 1:1 entre ellas. Esta unión es fuerte y forma cristales en los que la superficie específica es baja (15 m2/g). La conductividad hidráulica raramente es inferior a 10-8 m/s. Esta organización es bastante inmune al daño ante el ataque de muchas especies químicas. De otro lado, la hallosita es una forma tubular de la caolinita y resulta difícil de compactar.

Illita. Se encuentra en formaciones de la mica. En forma granular se encuentra como moscovita o biotita. Unidades 2:1 unidas por potasios (K+). Es una unión fuerte por la elevada carga negativa de las láminas de tetraedros y porque el potasio se pone casi dentro de dichas láminas; cada Si4+ es substituido por e1 Al3+, ello aumenta la carga negativa. La CIC es de 25 meq/100g (actividad normal). Tiene una superficie específica, Se=84 m2/g. Se puede alcanzar una permeabilidad de 10-9 m/s a 10-11 m/s, según el grado de compacidad. El valor del CIC es adecuado para adsorber metales pesados. Tiene poca tendencia a la contracción y es un tipo de arcilla adecuada para barreras de impermeabilización. Si el pH es ácido, hay tendencia al hinchamiento por pérdida de los K+.

Clorita. Láminas 2:1 unidas mediante láminas octaédricas con Mg, Al o Fe en la posición central. Tiene unas propiedades similares a la illita.

Grupo de las esmectitas (montmorillonita). Formadas por láminas 2:1 con tendencia al hinchamiento por adsorción de moléculas de agua, un CIC de 100 meq/100 g y una elevada superficie específica que puede llegar a valores de 800 m2/g. La agrupación tiene un elevado índice de poros total, dado que la fase sólida ya tiene un índice de poros de aproximadamente igual la unidad. Se puede alcanzar permeabilidad de 10-10 m/s a 10-15 m/s según el grado de compacidad.

Grupo de las vermiculitas. Láminas 2:1 con elevada carga negativa. El Mg2+ la neutraliza. CIC=150 meq/100g. Si adsorbe K+ entonces se contrae fuertemente, disminuye el CIC y acaba por transformase en illita.

H+

K+


21

Resumen de algunas propiedades de las arcillas:

Mineral Estructura Se (m2/g) CIC (meq/100g) Log K (m/s)

Caolinita 1:1 15 5 -8

Illita 2:1 unidas con K+ 80 25 -9 a –11

Clorita 2:1 unidas por octaedros 80 25 Ídem

Montmorillonita 2:1 no unidas 800 100 -10 a –15

Vermiculita 2:1 unidas por Mg2+ 250 150 Ídem

AA..33 LLaa ccaappaa ddoobbllee eenn mmaatteerriiaalleess aarrcciilllloossooss

Tal como se ha indicado, las partículas de arcilla tienen una geometría en forma de lajas con una elevada superficie específica, ello hace que estén presentes fenómenos de tipo físico-químico que acaben condicionando su comportamiento y, en consecuencia, tengan importancia en el dominio ingenieril.

La elevada superficie específica de las partículas hace que sobre dicha superficie estén presentes los radicales OH- y O- de sus moléculas componentes; ello les confiere una carga eléctrica neta negativa, de este modo provoca que los cationes disueltos en el agua intersticial sean atraídos por las partículas. Dado que el campo eléctrico es decreciente con la distancia, se produce una la zona alrededor de las partículas con una elevada concentración de cationes a la que se denomina capa doble. Si se representa la variación de la cantidad de cationes en el agua en función de la distancia a una partícula se tienen curvas como la que se muestra en la figura A.3.1.

Con

cent

raci

on

Distancia a la particula

de c

atio

nes

Figura A.3.1 Variación de la concentración de cationes en el agua con la distancia a la partícula

Con

cent

raci

on


de c

atio

nes

d

Con

cent

raci

on

de c

atio

nes


d

Figura A.3.2 Distribución de la amplitud de capa doble para dos suelos.


22

Para cada suelo arcilloso considerado se tendrá una curva diferente sobre la que se podrá definir el parámetro d, amplitud de la capa doble, como la distancia desde el origen (equivalente a la superficie de la partícula), hasta el centro de gravedad del área bajo la curva (ver figura A.3.2).

Mediante la teoría de la capa doble se estima el valor de d a través de la siguiente expresión, resultado de integrar la ecuación diferencial de Poisson:

21

1

on

K

Vd

donde:

V: valencia del catión que está alrededor de la partícula

no: concentración de cationes

K: constante que es función del resto de factores, como es el caso de la temperatura

Si se aumenta la valencia del catión la amplitud de la capa doble disminuye. El hecho que la capa doble disminuya hace más estable al suelo. Es relativamente habitual estabilizar los suelos arcillosos con cal, dado que en este caso se añaden iones Ca+ al suelo. Lo mismo sucede con la concentración de sales, dado que si aumenta entonces la capa doble disminuye y, con ello, se estabiliza el suelo. En función del valor de d las partículas de arcilla toman diferentes configuraciones (tipo de estructura alcanzada):

Distancia entre caras

Grande: estructural dispersa

Pequeña: estructura agregada

Distancia entre caras y bordes de partículas

Grande: estructural no floculada

Pequeña: estructural floculada

Finalmente, cabe indicar que la forma tal como se agrupan las partículas en el esqueleto sólido tiene consecuencias en la deformabilidad de los suelos; por ejemplo, la estructura de tipo disperso en una arcilla suele dar lugar a un comportamiento mecánico propio de un suelo blando muy compresible.

apuntes g grado tema 2

Documents