CAPITULO

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ffINTRODUCCIN

1.1 SUELOS: ORIGEN Y FORMACINDe acuerdo con las teoras geolgicas generalmente aceptadas, la Tierra se form hace alrededor de 4.500 millones de aos, como producto de la condensacin de una gigantesca bola de gases y escombros csmicos. El enfriamiento de esta masa dio lugar a la formacin de la atmsfera, la hidrosfera y la litosfera. La atmsfera es la envoltura gaseosa que rodea a la hidrosfera (ocanos, mares y lagos) y ala litosfera (continentes e islas).

En un esquema simple el globo terrestre, Figura 1.1, est constituido por un ncleo central metlico de aproximadamente 3500 Km. de dimetro, formado predominantemente por compuestos de hierro y nquel, razn por la cual se lo ha denominado Nife. De conformidad con los estudios realizados, se estima que el peso unitario de los materiales que componen este ncleo es considerablemente superior al de las capas ms superficiales, mayor a 10 g/cm3. Las altas presiones y temperaturas a las que est sometido, as como la ausencia de rigidez determinada en estudios ssmicos, han llevado a la conclusin que se encuentra en estado fluido.

Rodeando al ncleo se encuentra otra capa fluida, la segunda de adentro hacia afuera, denominada manto o magma, con un espesor de aproximadamente 2900 Km. y con un peso unitario menor, que oscila entre 3 y 8 g/cm3. Este material, a diferencia de aquel que constituye la primera capa, puede ser observado a simple vista, durante las erupciones volcnicas.

Al enfriarse y solidificarse la parte ms superficial del manto, se form la tercera capa, la corteza terrestre, que flota sobre el magma, ms denso. Est constituida por grandes masas heterogneas de materia mineral slida llamada roca, con depresiones ocupadas por mares y ocanos. Se aceptan para esta capa espesores entre 5 y 40 Km., en las plataformas continentales. El peso unitario es decreciente hacia la superficie, con la mayor cantidad de valores variando en un estrecho rango entre 2.5 y 3.0 g/cm3.

Finalmente, la accin de los agentes atmosfricos sobre la parte ms superficial de la corteza terrestre, ha dado lugar a la formacin de una delgada capa superficial llamada suelo. Este proceso conocido como meteorizacin, ocasion la disgregacin y descomposicin de la roca superficial produciendo una acumulacin de materiales sin cementacin o muy poco cementados, cuyo espesor vara generalmente entre 0 (roca aflorante) y 1000 m. Esta capa normalmente se encuentra en estado slido, aun cuando conforme se describir ms adelante, incluye lquidos y gases en su masa, y tiene pesos unitarios menores, variables entre 1.1 y 2.4 g/cm3, con un promedio de 1.7 g/cm3.En Geologa se clasifica las rocas en tres grupos bsicos: gneas, sedi-mentarias y meta-mrficas. Las rocas gneas son aquellas formadas por el enfriamiento del magma fundido. La meteorizacin de la corteza terrestre dio lugar a la formacin de productos sueltos que se sedimentaron en su superficie. Las rocas sedimentarias, enton- ces, se originaron en dichos sedimentos endurecidos ya sea por el peso de los sedimentos superiores, por la cementacin, o por ambos. * Tiempo estimado antes del presente (A.P.), en millones de aos.

Tabla 1.1

Escala del tiempo geolgico

Fuente: Bowles, 1982

La historia geolgica (Tabla 1.1) revela que la Tierra est cambiando continuamente, de manera que levantamientos y otros movimientos de la corteza permitieron sedimentacin adicional y presiones que facilitaron el endurecimiento y consolidacin o por el contrario expusieron los sedimentos, solos o con rocas gneas o sedimentarias subyacentes, a un nuevo proceso de meteorizacin.En los sitios en los cuales los movimientos de la corteza originaron calor e incremento de presiones, se produjo la metamorfosis de algunas rocas gneas o sedimentarias originando las rocas metamrficas. Los movimientos posteriores de la corteza expusieron estas rocas a una nueva meteorizacin o, en condiciones geolgicas adecuadas y a suficiente profundidad, se transformaron nuevamente en magma fundido para reiniciar el ciclo roca - suelo, Figura 1.2.

En conclusin, este ciclo roca suelo, constituye un constante hacer y deshacer, proceso continuo sin puntos definidos de comienzo y terminacin. Las obras de ingeniera son solo un proceso ms que se suman al ciclo, insignificante dentro de la totalidad del conjunto, pero que a veces, si no se aplican las tcnicas adecuadas, puede ser localmente drstico o aun catastrfico.

En la Tierra, la corteza consta aproxima-damente de 95% de rocas gneas y solo 5% de rocas sedimentarias y metamrficas. Sin embargo de las rocas expuestas a la meteorizacin superficial, un 75% son rocas sedimentarias y de stas alrededor del 22% corres-ponde a calizas y dolomitas (Bowles, 1982), como puede verse en la Figura 1.3.

La evidencia geolgica disponible indica que el registro sedimentario es del orden de 5000 a 6000 m de profundidad. Esto significa que se ha desarrollado una meteorizacin suficiente para depositar un espesor de sedimentos de similar magnitud sobre gran parte de la superficie terrestre. Si no se hubieran producido levantamientos y otros movimientos de la corteza, esta profundidad hubiera reducido la superficie de la tierra en tal forma que una capa de agua cubrira enteramente su superficie. Como gran parte de los sedimentos primitivos se convirtieron en rocas sedimentarias desde ya hace mucho tiempo, el material no consolidado es de mucho menor espesor, con un mximo aproximado de 1000 m, y normalmente bastante menos que ese valor (Bowles, 1982).

1.2 DEFINICIONES

1.2.1 Suelo

De conformidad con lo indicado en el numeral anterior se puede definir al suelo como la capa superficial de la Tierra, formada por la accin de los agentes atmosfricos que han provocado la descomposicin de los niveles superiores de la corteza terrestre.

Sin embargo la revisin de otras definiciones del suelo, que constan en diferentes textos contribuir a un mejor conocimiento del mismo.

JUREZ BADILLO Y RICO RODRGUEZ, Mecnica de Suelos, Tomo I

Suelo es todo tipo de material terroso, desde un relleno de desperdicios hasta areniscas parcialmente cementadas o lutitas suaves. Quedan excluidos las rocas sanas, gneas y metamrficas y los depsitos sedimentarios altamente cementados, que no se ablanden o desintegren rpidamente por la accin de la intemperie. Hacen ver los autores la necesidad de considerar como suelo un relleno artificial cualquiera, aun cuando contenga un porcentaje notable de desperdicios, y adems ponen especial nfasis en la distincin entre roca y suelo, que tantos diferendos provoca en la prctica de la Ingeniera Civil. GEORGE B. SOWERS y GEORGE F. SOWERS, Introduccin a la Mecnica de Suelos y Cimentaciones

Suelo es cualquier material no consolidado compuesto de distintas partculas slidas con gases o lquidos incluidos. El tamao mximo de las partculas que pueden calificarse como suelo no es fijo, pero lo determina la funcin en que ellas estn implicadas. En las excavaciones para cimientos y trincheras, que se ejecutan a mano, y en la construccin de relleno por capas, el tamao mximo es de 30 cm de dimetro (40 kg), que es el tamao mximo que un hombre puede levantar. Cuando la excavacin se ejecuta mecnicamente el lmite que a veces se fija es m (1 t aproximadamente). Los autores se orientan hacia la composicin interna del suelo, partculas slidas que dejan poros los cuales pueden estar ocupados por lquidos y gases o por uno de ellos. En la segunda parte precisan el tamao mximo de la partcula, aspecto que tambin constituye fuente de no pocas controversias en la prctica profesional. Las diferentes Instituciones que trabajan en este mbito, a menudo poseen sus propias especificaciones, pero lo importante es que esos lmites queden fijados claramente antes de acometer una obra.

BOWLES JOSEPH E., Propiedades Geofsicas de los Suelos.

Material no consolidado sobre la roca slida. Definicin semejante a la primera.

RAL VALLE RODAS, Carreteras, Calles y Aeropistas

Todo material suelto, desintegrado, que se encuentra en la corteza terrestre, como: guijarros, piedras, granzones, arenas, limos, arcillas, materiales turbosos y mezclas de estos materiales. Asigna nombres a los suelos en funcin del tamao de sus partculas y hace ver que la materia orgnica no descompuesta o en descomposicin (turba) es una parte constitutiva del suelo. ASCE (American Society of Civil Engineers)

Sedimentos y otras acumulaciones de partculas slidas sin consolidar, provenientes de la desintegracin fsica y qumica de la roca, las cuales pueden o no contener materia orgnica. Puede considerarse como un resumen de las anteriores definiciones.

1.2.2 Roca

En cuanto a la roca existe un mayor acuerdo en definirla como lo hace la ASCE: Materia mineral slida, que se encuentra en estado natural, en grandes masas o fragmentos. Cabe anotar sin embargo, que la lnea divisoria entre suelo y roca no est rigurosamente definida en todos los casos. Existe toda una serie de materiales, desde el suelo ms blando o suelto, hasta la roca ms dura, de manera que cualquier divisin entre las dos categoras es convencional. Por esta razn en la preparacin de documentos para obras de Ingeniera, tales como bases o especificaciones, el ingeniero debe definir los lmites, con el fin de que todas las partes que intervengan en el trabajo estn en completo acuerdo (Sowers,1972).

1.2.3 Mecnica de Suelos

La Mecnica de Suelos es la rama de la ciencia que estudia las propiedades fsicas y el comportamiento de masas de suelos sometidas a varios tipos de fuerzas. Se interesa por la estabilidad del suelo, por su deformacin y por el flujo de agua, hacia adentro, hacia fuera, o a travs de su masa, considerando siempre el aspecto econmico de la obra.

Todo ingeniero civil, en algn momento de su ejercicio profesional, estar involucrado con los conceptos de la Mecnica de Suelos. Ello porque casi todo proyecto se relaciona con el comportamiento del suelo, sea que se use como material de construccin (el ms fcilmente disponible y de menor costo) o sea porque la obra civil deba apoyarse sobre l. Pocos problemas de ingeniera, la excavacin de tneles en roca por ejemplo, pueden ser realizados sin encontrar algn tipo de suelo.1.2.4 Ingeniera de Cimentaciones

La Ingeniera de Cimentaciones es la especialidad que se relaciona con el comportamiento del suelo y la interrelacin entre el suelo y la superestructura (la parte de la estructura que se localiza por encima de la superficie del terreno) o la subestructura (la parte de la estructura en contacto con el suelo). Figura 1.19.

1.2.5 Ingeniera Geotcnica

Todos los temas de la Mecnica de Suelos y de la Ingeniera de Cimentaciones, y muchos aspectos de la Ingeniera Geolgica, pueden agruparse bajo el trmino de Ingeniera Geotcnica, de manera que sta puede definirse como la ciencia y la prctica de aquella parte de la Ingeniera Civil que involucra la interrelacin entre el medio ambiente geolgico y los trabajos del hombre (Bowles, 1982).

1.3 AGENTES GENERADORES DE SUELO Y MECANISMOS DE GENERACIN

Los principales agentes generadores de suelo son el agua, el aire, la temperatura y sus cambios, y en menor proporcin los movimientos tectnicos y la accin del hombre.

Los medios de accin son sumamente variados, pero en ltimo trmino todos los mecanismos de generacin del suelo pueden incluirse en dos grandes grupos:

Desintegracin mecnica

Descomposicin qumica

1.3.1 Desintegracin Mecnica.

Es un proceso de intemperizacin de la roca por medio de agentes fsicos los cuales provocan cambios en la forma, el tamao y la textura de las partculas, pero no en la composicin qumica de la roca madre. El tamao de las partculas producidas por la desintegracin mecnica no llega a ser muy pequeo (arenas y limos). Los principales mecanismos de generacin del suelo por desintegracin mecnica son:

Efectos climticos (cambios de temperatura)

Efecto cua (accin de la congelacin del agua en las grietas de la roca)

Exfoliacin

Erosin (por viento y lluvia)

Abrasin

Actividad orgnica (animales y plantas)

1.3.2 Descomposicin Qumica.

Es la accin de agentes que atacan a las rocas, modificando su constitucin mineralgica o qumica. Los principales agentes son el agua y las altas temperaturas. Las partculas formadas por descomposicin qumica pueden tener tamaos tan pequeos como el de la molcula (la arcilla es un producto tpico). Los mecanismos de ataque ms importantes son:

Oxidacin (el principal)

Hidratacin

Solucin

Lixiviacin

Sulfatacin

Carbonatacin

Hidrlisis (formacin de iones H+)

Por las razones expuestas es frecuente encontrar formaciones arcillosas en zonas hmedas y clidas como en la Costa de nuestro pas.

Por el contrario las formaciones limosas o arenosas, ms gruesas, en su mayora provenientes de la desintegracin mecnica, son tpicas de zonas ms fras, como la Sierra ecuatoriana y las zonas templadas del planeta.

Caben, sin embargo, ciertas excepciones: en los desiertos clidos del norte del Per por ejemplo, la falta de agua impide el desarrollo de los procesos de descomposicin, prevaleciendo los suelos arenosos; en zonas lacustres de la Sierra y de otras latitudes del planeta pueden desarrollarse condiciones favorables para generar formaciones arcillosas de importancia. A este respecto concluyen Jurez y Rico (2): No debe creerse, sin embargo, que las reglas anteriores son inmutables; la naturaleza suele actuar con una complejidad que desafa cualquier regulacin Los suelos deben pues, su origen a una tal variedad de causas que excede todo poder de descripcin detallada. El resultado de ese conjunto de causas es una inmensa variedad de tipos de suelos. Tambin debe notarse que su formacin ha ocurrido a travs de las eras geolgicas, tal como sigue ocurriendo hoy; en consecuencia, el hombre es completamente ajeno a la gnesis del suelo: solo le toca manejarlo, tal como la naturaleza se lo presenta.En un esquema simplista, sin embargo, y para una mejor comprensin de los temas que se tratan en los primeros captulos, se puede dividir a los suelos en dos grandes grupos segn que sus partculas individuales puedan o no ser observadas a simple vista; en el primer caso se trata de suelos gruesos y en el segundo, de suelos finos. Se tienen dos principales categoras de suelos gruesos y dos de suelos finos, conforme se indica en la Tabla 1.2.

GruesosGrava: partculas visibles de tamao mayor a 0.5 cm

Arena: partculas visibles de tamao menor a 0.5 cm

Suelos

Finos

Limo : partculas no visibles, poco o nada plstico

Arcilla: partculas no visibles, plstico

A los suelos gruesos tambin se les denomina granulares y a los suelos finos especialmente a los plsticos se les llama cohesivos.

1.4 SUELOS RESIDUALES Y SUELOS TRANSPORTADOS

1.4.1 Suelos residuales

Son aquellos que se forman en un cierto sitio y permanecen en el mismo, directamente sobre la roca de la cual proceden. Generalmente estn relacionados con los suelos provenientes de la descomposicin qumica (Figura 1.4).

1.4.2 Suelos transportados

Son los que fueron removidos de su lugar de formacin por los mismos agentes de generacin o por otros, y redepositados en un sitio diferente. Yacen por lo tanto, sobre suelos o rocas con los cuales no tienen relacin directa. Generalmente estn relacionados con los suelos provenientes de la desintegracin mecnica.

Los principales agentes de transporte son: Agua

Viento

Accin de la gravedad

Movimientos tectnicos

Accin del hombre

ACCIN DE LA GRAVEDADCOLUVIAL

VIENTOELICOSDUNA

LOESS

VIENTO + ACCIN VOLCNICAELICO- VOLCNICOSTOBA (CANGAHUA)

AGUAROALUVIAL

LAGOLACUSTRE

HIELOGLACIAR, MORRENA

MARMARINO

AGUA + ACCIN VOLCNICALAHARTICO

AGUA + GRAVEDADALUVIONAL

ACCIN VOLCNICAPIROCLSTICO

HOMBRERELLENO ARTIFICIAL

Dependiendo de los mecanismos de transporte, que a menudo actan en forma combinada, estos depsitos toman diferentes nombres conforme se indica en la Tabla 1.3.

1.4.2.1 Suelo Transportado por la Accin de la Gravedad

Se lo denomina Coluvial, Figura 1.5. Debido al efecto cua, las laderas de las montaas se fisuran. La masa resultante pierde estabilidad, lo cual ocasiona el deslizamiento por la ladera inclinada, de grandes fragmentos que acarrean otros ms pequeos. Se depositan en la falda o al pie de la ladera dando origen a una formacin heterognea en el tamao de las partculas (predominando los tamaos grandes) pero relativamente homognea en su constitucin mineralgica, Los fragmentos tienen forma angulosa y la masa una compacidad ligera a mediana, razn por la cual su respuesta mecnica es regular a buena. Sin embargo debe considerarse siempre la posible presencia de fragmentos grandes que pueden ocasionar notables dificultades en los trabajos de excavacin.1.4.2.2 Suelo Transportado por Accin del Viento

En general se le denomina Elico, Figura 1.6. El tamao de las partculas transportadas es relativamente pequeo, arenas y limos. Si el depsito es arenoso recibe el nombre de Duna. Si es ms fino, limoso, se le denomina Loess. Al perder fuerza el viento, las partculas se depositan a muy baja velocidad originando un depsito de escasa compacidad y por consiguiente de pobres caractersticas mecnicas, desfavorables para los objetivos de la Ingeniera Civil. Inclusive en algunas zonas del planeta (Argentina, Ucrania, USA), el Loess puede experimentar un fenmeno especial llamado Colapsibilidad, que se caracteriza por una falla violenta del suelo, cuando sufre un sbito aumento del contenido de agua, que destruye la frgil estructura interna del suelo. En el Ecuador no es frecuente este fenmeno, aun cuando no se lo puede descartar totalmente en los depsitos elico-volcnicos que veremos a continuacin, especialmente en aquellos menos plsticos y menos compactos.

Suelo Elico Volcnico, Figura 1.7. Es el producto de una de las fases de la erupcin del volcn, asociada con la expulsin de ceniza, material muy fino y pocas veces del tamao de la arena. Emerge verticalmente, luego es transportado por el viento y depositado cuando este ltimo pierde su fuerza. En nuestro pas suele encontrarse en extensas reas de la zona centro norte, aquella en donde existen volcanes, como puede verse en la Figura 1.8. Las especiales condiciones geoqumicas de la depositacin y el peso de los depsitos superiores hacen que esta masa normalmente adquiera una gran consistencia, razn por la cual sus caractersticas mecnicas son generalmente buenas, favorables para la construccin de obras civiles. El trmino ecuatoriano con el cual se lo conoce, cangahua, hace alusin a su dureza. Sin embargo debe considerarse tambin la descomposicin que el depsito ha debido experimentar desde su deposicin, debido al ambiente climtico (humedad ambiental, grandes fluctuaciones de temperatura, altas precipitaciones pluviales). Ello hace que la respuesta mecnica de un suelo de este tipo sea muy distinta, si comparamos por ejemplo la cangahua de la ciudad de Quito o sus alrededores, con un elico-volcnico de la zona de Santo Domingo de Los Colorados en el Ecuador, o de la ciudad de Mxico, en dicho pas.

Fig 1.8

Cobertura de Cenizas Volcnicas

Fuente: Puebla, 19881.4.2.3 Suelos Transportados por el Agua

El agua corriente superficial tiene muchas formas de actuar: ro, glaciar, lago, mar.

El suelo depositado por los ros se conoce con el nombre de Aluvial, Figura 1.9. El ro acarrea materiales de muy diverso tamao, los cuales se sitan a lo largo de su perfil, conforme disminuye la velocidad de su curso, que a su vez es funcin de la pendiente longitudinal de la geografa que atraviesa. Al disminuir estos factores la capacidad de acarreo de la corriente se hace menor y se depositan los materiales ms gruesos (grava y tamaos mayores), y cada vez los de menor tamao (arena), hasta llegar a los suelos ms finos (limo, arcilla) que yacen en las zonas planas, cerca de la desembocadura. Debe, por esta razn, hacerse una diferenciacin muy clara entre un Aluvial Grueso y un Aluvial fino. En efecto el primero tendr partculas grandes y una masa densificada por la fuerza de la depositacin, dando como consecuencia mejores propiedades mecnicas, mientras que el segundo estar constituido por partculas pequeas, sedimentadas a muy baja velocidad, por lo cual se tendr una masa de suelo fino poco compacto, de inferiores propiedades mecnicas. La inobservancia de estas caractersticas tambin puede ser fuente de numerosos problemas a la hora de evaluar el costo de trabajos realizados en suelos aluviales. El desgaste que sufren las partculas ms grandes durante el arrastre del ro, hace que su forma final sea muy semejante a la redondeada (canto rodado), caracterstica de los depsitos mencionados.

El suelo transportado y depositado por lagos y lagunas toma el nombre de Lacustre, Figura 1.10. Sus partculas son finas: limo y arcilla, o arena como mximo. La velocidad de las aguas es muy pequea, dando origen a formaciones poco compactas, con desfavorables propiedades mecnicas. Casi siempre est asociado con la presencia de materia orgnica, descompuesta o en proceso de descomposicin, la que le confiere su olor (orgnico) y color (negro o con tonalidad oscura) caractersticos y es factor predominante para la menor calidad de sus caractersticas mecnicas.

Los suelos transportados y depositados por el agua en estado slido, los glaciares, se denominas Glaciares o Glaciricos, Figura 1.11. La gran masa de hielo que se desprende en lo alto de las montaas, desciende con elevada energa y arrasa con lo que encuentra a su paso, por lo cual acarrea fragmentos grandes de forma angulosa debido a la fracturacin. Se deposita en cualquier sitio en donde disminuya su fuerza, al convertirse en agua lquida por el aumento de temperatura. El depsito puede, por tanto, localizarse en la ladera, al pie de la montaa o en el valle. Est constituido por una masa heterognea tanto en el tamao de las partculas (predominando los tamaos grandes) como en su constitucin mineralgica; normalmente tiene una compacidad alta, debido a la energa de deposicin. Por consiguiente presenta propiedades mecnicas favorables para la construccin de obras civiles. A este grupo pertenecen las formaciones conocidas en geologa como Morrenas. Cabe, sin embargo, indicar que en sectores localizados, en los cuales la deposicin ocurre en aguas relativamente tranquilas, se encontrarn suelos de menor calidad, semejantes a los Lacustres.

Los suelos formados por el mar se denominan Marinos, Figura 1.12. Suelen ser estratificados, de acuerdo con las caractersticas de las rocas que constituyen la costa sobre la cual actan. Se pueden dividir en dos grupos: depsitos en la costa y a corta distancia de la costa. Los primeros son regularmente muy complejos debido a la mezcla y transporte que producen las olas. Los materiales llevados al mar por los ros y sacados del mar por las olas se depositan en forma de bancos en lugares en donde se reduce la velocidad de la corriente. Los depsitos se mueven continuamente a lo largo de la costa como un cordn litoral. Generalmente se componen de suelos gruesos: grava y arenas sueltas y fragmentos de concha. Los bancos pueden formar barreras que llegan a separar las playas del mar, formando lagunas de costa y marismas. Los depsitos a corta distancia de la costa tienen condiciones semejantes a los Lacustres ya que la deposicin se produce en aguas relativamente tranquilas, por debajo de la zona de accin de las olas. El grado de floculacin puede ser muy grande, a causa de la salinidad del agua y del carbonato de calcio proveniente de las conchas. Consisten en estratos horizontales de limo y arcilla con estructura fuertemente floculada o estratos de concha o arena calcrea con limo y arcilla, cementados en cierto grado, denominados margas. Las gravas y arenas cementadas constituyen excelente apoyo para cimentaciones, mientras que los depsitos de suelos gruesos sueltos y ms aun los de suelos finos blandos tienen propiedades mecnicas desfavorables.

1.4.2.4 Suelos Transportados por la Accin Volcnica ms el Agua

Cuando se produce la erupcin de un volcn con hielo y nieve permanentes en su cumbre, el incremento de temperatura ocasiona la fusin de aquellos, dando lugar a una gran cantidad de agua que al descender forma un flujo de lodos, conocido geolgicamente como lahar, el cual est compuesto principalmente de piroclastos y fragmentos de rocas volcnicas. Este flujo discurre principalmente por las depresiones naturales existentes y se deposita con gran energa en las zonas en que la pendiente longitudinal disminuye. El depsito as formado se denomina Lahartico, Figura 1.13, y en general presenta propiedades mecnicas aceptables, aun cuando, como ocurre en el depsito glaciar, las zonas marginales extremas o laterales pueden tener menor calidad.

Fig 1.13 Depsitos Laharticos Fuente: Diario El Comercio, 1999

1.4.2.5 Suelos Transportados por la Accin Volcnica

Los productos slidos de la erupcin (piroclastos) se depositan en el radio de influencia de la misma, formando depsitos Piroclsticos, Figura 1.13. Generalmente tienen partculas gruesas, con presencia de fragmentos de roca volcnica muy porosa y ligera, conocida como pmez. La compacidad de estos depsitos generalmente no es elevada, razn por la cual presenta propiedades mecnicas regulares.

1.4.2.6 Suelos Transportados por el Agua ms la Gravedad

Cuando se producen precipitaciones pluviales muy intensas en zonas montaosas con laderas de alta pendiente, las aguas que escurren erosionan los suelos superficiales y transportan las partculas hacia abajo, sedimentando las del tamao de la arena o mayores al pie del talud y lavando, generalmente, las partculas finas. El depsito as formado se denomina Aluvional, Figura 1.15, y presenta propiedades mecnicas poco favorables debido a la forma de la deposicin.

Fig 1.15

Depsitos Aluvionales Fuente: Bowles, 1982

1.4.2.7 Suelos Transportados por el Hombre

Para finalizar esta rpida revisin de los suelos transportados, haremos referencia a los depsitos producidos por accin antrpica, es decir fabricados por el hombre, Se los conoce como Rellenos Artificiales, Figura 1.16, y tienen calidad muy variable, as como partculas de diferente tamao. Pueden tener excelente calidad si son fabricados bajo especificaciones (presas de tierra, por ejemplo), pero en general presentan condiciones mecnicas deficientes pues en su gran mayora constituyen una acumulacin de suelos, desperdicios, basura y escombros, colocados sin ningn tratamiento.

Relleno sin compactar

Relleno bien compactado

1.5 EL SUELO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

Tradicionalmente se ha acostumbrado creer que el suelo es un agregado de partculas slidas inorgnicas y orgnicas, que no tienen ninguna organizacin. Sin embargo en los captulos que se desarrollan a continuacin se comprobar que este material tiene una organizacin definida, adquirida a travs del tiempo, y propiedades mecnicas que varan vectorialmente o sea en las tres dimensiones del espacio, siendo la direccin vertical (eje z), aquella en la cual varan mucho ms rpidamente.

Es necesario tener en mente que al afrontar problemas de diseo relacionados con el suelo, se est tratando con un material complejo, con numerosas variables, las cuales algunas veces parecen desafiar todas las leyes de la naturaleza. Pero con un estudio cuidadoso basado en un anlisis cientfico y en un sano juicio se pueden analizar an los problemas ms difciles. La exactitud de los resultados numricos, en general, no exceder de una o dos cifras significativas, pero en la mayora de los casos sta resultar tan buena como la que se obtiene al calcular los esfuerzos producidos en una estructura bajo las hiptesis que usualmente se adoptan.

El registro del primer uso del suelo como material estructural se perdi en la antigedad. La construccin en suelos y los problemas asociados con ella han coexistido con la humanidad desde cuando el hombre abandon las cavernas y empez a construir viviendas para abrigo o canales para uso agrcola. Durante mucho tiempo el arte de la ingeniera de suelos se bas nicamente en la experiencia; sin embargo el avance de la ciencia y la tecnologa y la necesidad de mejores y ms econmicos diseos, condujo a un estudio detallado de la naturaleza y propiedades del suelo en relacin a la Ingeniera. La publicacin de Erdbaumechanik auf bodenphysikalischer Grundlage por Karl Terzaghi en el ao 1925, se suele considerar como el inicio de la moderna Mecnica de Suelos. Por esta razn y por sus numerosas contribuciones posteriores, se acostumbra considerar a dicho autor, como el Padre de la Mecnica de Suelos.

La utilizacin del suelo para la construccin de obras civiles ha tomado las ms diversas formas, las mismas que pueden agruparse en dos categoras principales:

Como material de construccin (materia prima para la obra)

Como material de soporte para la construccin de obras civiles.

En el primer caso resulta evidente que constituye el material ms fcilmente disponible en cualquier lugar y, por consiguiente, el de menor costo. Una pared soportante construida con adobes, un tapial, un relleno o un terrapln de una carretera, un dique de contencin de aguas, una presa de tierra, constituyen ejemplos de esta categora. Cada una de aquellas obras debe ser diseada considerando las propiedades mecnicas de los suelos que las constituyan y el estado final en que reposen. As, inicialmente el suelo se extrae de una cierta fuente, actividad en la cual pierde sus propiedades mecnicas originales, luego se transporta hasta el sitio de la obra y por ltimo se coloca utilizando una tcnica previamente establecida. El suelo por lo tanto quedar remoldeado, condicin en la cual debern establecerse sus propiedades mecnicas.

En el segundo caso, el suelo sustenta la nueva obra, para lo cual dispone de propiedades mecnicas preexistentes. Estas deben determinarse a partir de muestras del suelo obtenidas en su estado natural, o sea inalterado. En una forma rpida esta segunda categora de utilizacin puede ser clasificada en tres tipos:

1.5.1 Obras a travs del Suelo

O sea en su interior, Figura 1.17. Es el caso de un tnel fabricado dentro de la masa del suelo, atravesndola con algn fin especfico (conduccin de agua, alcantarillado, vas de comunicacin, obras hidroelctricas). La estructura deber ser diseada considerando las propiedades mecnicas del suelo que rodea al tnel y las del recubrimiento que se coloque en la periferia del mismo, y no solamente las de ste ltimo.

1.5.2 Obras en el Suelo

Es decir en su superficie, Figura 1.18. El ejemplo tpico est constituido por un talud artificial en corte que se realice para una carretera. En este caso la estructura ser el mismo talud que se disear para que permanezca estable durante el perodo de vida til de la obra, con base en las propiedades mecnicas del suelo. As un talud diseado en un suelo ms resistente podr tener una mayor inclinacin, tendiendo hacia los 90, mientras que un suelo menos resistente requerir una inclinacin menor, a menos que sea ayudado por otra estructura, un muro por ejemplo, solucin que redundar en una elevacin del costo de la obra y que, por tanto, debe ser implementada muy selectivamente.

1.5.3 Obras sobre el Suelo

Sobre su superficie, Figura 1.19. La tpica obra es la cimentacin de una estructura (edificio, puente, silo, tanque, presa). Se acostumbra confundir aquel trmino con la subestructura, cuando en realidad el buen funcionamiento de una cimentacin depende tanto del correcto diseo de la subestructura cuanto de una certera evaluacin de las propiedades mecnicas del suelo que se encuentra debajo, las mismas que permitirn la determinacin de su capacidad de soporte.

Fig 1.19

Obras sobre el sueloFuente: Autor

REFERENCIAS

Bowles, J. (1982). Propiedades Geofsicas de los Suelos, Bogot: Editorial McGraw-Hill.

Das, B. (2001). Fundamentos de Ingeniera Geotcnica, Mxico: International Thomson Learning.

Lancellotta, R. (1987). Geotecnica, Bologna: Incola Zanichelli Editore.

Sowers, G. (1972). Introduccin a la Mecnica de Suelos y Cimentaciones, Mxico: Editorial Limusa.CAPITULO

COMPONENTES DEL SUELO Y SUS RELACIONES VOLUMTRICAS Y GRAVIMTRICAS

2.1 FASES EN EL SUELO: SMBOLOS Y DEFINICIONES

Como qued establecido en el primer captulo, el suelo es una masa compuesta por partculas que forman un esqueleto estructural. Entre las partculas slidas que constituyen dicho esqueleto existen poros que estn interconectados (no burbujas), los cuales estn ocupados por agua u otros lquidos y aire u otros gases, o solamente por uno de aquellos, Figura 2.1. Se presenta entonces el caso de un material slido en cuya masa se incluyen los otros dos principales estados de la materia.

Para facilitar el anlisis de las propiedades del suelo se ha desarrollado el Diagrama de Fases que consiste en un prisma de profundidad unitaria en el que, en forma ideal, se han separado las tres fases, de manera que toda la fase slida se concentra en la parte inferior, toda la fase lquida, en la parte media y toda la fase gaseosa en la parte superior, Figura 2.2.

Si los diferentes volmenes se representan en el lado izquierdo del Diagrama de Fases y los diferentes pesos en el lado derecho, el significado de los smbolos que all constan es el siguiente.

V = Volumen total de la muestra de suelo o volumen de la masa (volumen de suelo)

Vs = Volumen de la fase slida de la muestra (volumen de slidos)

Vv = Volumen de los vacos de la muestra (volumen de vacos)

Vw = Volumen de la fase lquida de la muestra (volumen de agua)

Va = Volumen de la fase gaseosa de la muestra (volumen de aire)

Fig 2.2

Diagrama de Fases Fuente: Autor

W = Peso total de la muestra de suelo o peso de la masa (peso de suelo)

Ws = Peso de la fase slida de la muestra (peso de slidos)

Ww = Peso de la fase lquida de la muestra (peso de agua)

Wa = Peso de la fase gaseosa de la muestra (peso de aire) (Wa = 0)

En las anteriores definiciones, vaco tiene el significado de espacio no ocupado por slido y por tanto es sinnimo de poro. La fase slida est conformada por las partculas minerales y la materia orgnica, descompuesta o no; la fase lquida, por el agua libre (aquella que se puede remover) o cualquier otro lquido existente en los poros; la fase gaseosa, por el aire o cualquier otro gas existente en los poros.

No debe confundirse el volumen de vacos con el volumen de aire, ya que tanto la fase lquida como la fase gaseosa ocupan los poros del suelo. Se tiene entonces las siguientes expresiones:

Ec. 2.1

Ec. 2.2

Ec. 2.3

Por otro lado, dentro de la masa de suelo el volumen de aire es significativo pero su peso tiene valores muy pequeos si se compara con los pesos de slidos y del agua; por esta razn en Mecnica de Suelos se lo considera convencionalmente nulo. En consecuencia:

Ec. 2.4

En el Laboratorio de Mecnica de Suelos pueden medirse fcilmente el peso y volumen de la muestra de suelo, pero la determinacin del peso de la muestra seca, que numricamente ser igual al peso de slidos, requiere la eliminacin de la fase lquida. El problema radica en que a ms del agua libre, y rodeando a la partcula, existe una pelcula de agua adsorbida (Ver 3.10) que no desaparece totalmente cuando el suelo se somete a un proceso de evaporacin, en un horno funcionando a temperaturas prcticas. Por otro lado, a varios centenares de grados centgrados el suelo se volver ladrillo o cermica, proceso en el cual se calcina la materia slida, pero antes habr perdido otro tipo de agua, que es la de constitucin molecular de los minerales presentes en las partculas slidas.

La Mecnica de Suelos, resuelve este problema definiendo el estado seco de un suelo, como aquel que se obtiene al someterlo a un proceso de evaporacin en un horno, con temperatura de 105C a 110C, durante un tiempo suficiente para llegar a peso constante. En trminos prcticos, ello se logra en un tiempo mximo de 24 horas.

Determinado as el peso de los slidos y conociendo el peso unitario de la fase slida, que se definir en el siguiente numeral, se puede proceder a establecer todos los otros valores del Diagrama de Fases. Cabe recalcar que tanto el volumen como el peso de los slidos pueden considerarse como constantes dentro de la masa del suelo, lo cual se cumple siempre y cuando no se calcinen las partculas slidas.2.2 RELACIONES ENTRE PESOS Y VOLMENES

Peso y volumen se relacionan mediante el concepto de peso unitario, es decir el peso por unidad de volumen. En Mecnica de Suelos, y dada la presencia de tres fases, se utilizan los siguientes pesos unitarios.

2.2.1 Peso unitario del agua destiladaA 4 C de temperatura y a la presin atmosfrica correspondiente al nivel del mar. En el sistema mtrico o en derivados del mismo, es igual a la unidad o a una potencia entera de 10.

o = 1000 kg / m3 = 1 t / m3 = 1 g / cm3 (9.807 kN/m, en el sistema SI).

2.2.2 Peso unitario del agua a cualquier presin y temperatura. Es el cociente entre el peso del agua y su volumen. En los trabajos prcticos de suelos su valor difiere poco del anterior y por lo mismo se asumir igual, salvo casos especiales.

Ec. 2.5Ntese que, como consecuencia de lo anterior, el peso y el volumen del agua son numricamente iguales.

2.2.3 Peso unitario de la fase slida

Es el cociente entre el peso de slidos y su volumen.

Ec. 2.6

La fase slida est constituida principalmente por partculas minerales provenientes de la desintegracin de la roca, por lo cual normalmente sus valores varan en un estrecho rango entre 2.5 y 3.0 g/ cm. Solo en el caso de que exista materia orgnica, tambin constitutiva de la fase slida, el peso unitario de slidos tendr valores menores, con un lmite inferior del orden de 2.0 g/cm. Por el contrario, si los valores fueren mayores a 3.0 g/cm, se tendra una evidencia de que el suelo proviene de una roca mineralizada.2.2.4 Peso unitario total del suelo (o de la masa). Es el cociente entre el peso total del suelo (slidos ms agua) y el volumen total del suelo (slidos ms vacos).

Ec. 2.7

El peso unitario del suelo vara en un rango ms amplio dependiendo de la cantidad de vacos que tenga el suelo. Se aceptan, a nivel internacional, valores extremos entre 1.1 g/cm (casi tan liviano como el agua) y 2.3 g/cm (casi tan pesado como el hormign fresco). Conforme se ver ms adelante en nuestro pas se pueden encontrar valores extremos como los antes indicados, siendo mayores en la Sierra (aproximadamente entre 1.5 y 2.3 g/cm), menores en la costa (aproximadamente entre 1.4 y 2.0 g/cm) y an menores en las zonas subtropicales occidental y oriental (aproximadamente entre 1.1 y 1.5 g/cm).

2.2.5 Peso especfico (o peso especfico relativo) del suelo. Es el cociente entre el peso unitario del suelo y el peso unitario del agua a 4 C y una atmsfera de presin. En el sistema mtrico, por tanto, peso unitario y peso especfico son numricamente iguales, pero ste ltimo carece de unidades.

Ec. 2.8

2.2.6 Peso especfico (o peso especfico relativo) de slidos. Es el cociente entre el peso unitario de slidos y el peso unitario del agua a 4 C y una atmsfera de presin. Tambin es numricamente igual al peso unitario de slidos, pero carece de unidades.Ec. 2.9

2.3 RELACIONES FUNDAMENTALES

Son relaciones sencillas y prcticas que, sin embargo, proporcionan informacin muy importante respecto a las propiedades fsicas del suelo, y permiten el manejo comprensible de sus propiedades mecnicas.

Son de tipo volumtrico y gravimtrico y su dominio es indispensable para la comprensin de los temas que se abordan en los siguientes captulos.

Para cada relacin se proporcionarn valores mximos y mnimos tanto a nivel internacional como nacional, haciendo nfasis en la relatividad de esa informacin y. por consiguiente, en la prudencia con que debe entenderse.

2.3.1 Contenido de Agua o Humedad (W)Es la relacin por cociente entre el peso del agua contenida en un suelo y el peso de los slidos del mismo, expresada siempre en porcentaje. Es por tanto una relacin gravimtrica.

Ec. 2.10

Tericamente sus valores extremos son 0 (ausencia de agua) e (solo agua). El valor mnimo se puede encontrar en condiciones excepcionales (desiertos) o se puede alcanzar en un laboratorio. El valor mximo hallado es de alrededor de 1400% en arcillas japonesas. En el Ecuador los valores extremos oscilan entre 1% y 500 - 600%. En la Sierra ecuatoriana prevalecen valores entre 10 y 50%, en la Costa entre 20 y 120%, y en las zonas subtropicales, occidente y oriente, entre 40 y 600%. Es conocido que mientras mayor sea la humedad del suelo, ms complejos resultan los trabajos de cimentacin a causa de sus desfavorables propiedades mecnicas.

2.3.2 Relacin de Vacos (e)

Tambin conocida como ndice de Poros o ndice de huecos. Es la relacin por cociente entre el volumen de vacos y el volumen de slidos, expresada siempre en forma decimal. Por consiguiente es una relacin volumtrica.

Ec. 2.11

Sus lmites matemticos son tambin 0 (solo fase slida) e (espacio vaco). En la naturaleza no existen suelos sin poros (hasta la roca los tiene), siendo 0.25 el mnimo valor encontrado y 15 el mximo. En el Ecuador los valores oscilan entre 0.25 y 6 a 7. A manera de comparacin el valor que se obtiene en una piedra pmez es del orden de 2.4 y en una esponja es 47. Los suelos muy compactos que presentan mejores propiedades mecnicas, tienen pocos vacos y en consecuencia su relacin de vacos ser pequea. A medida que aumenta el valor de e, el suelo tendr ms vacos y por consiguiente sus propiedades mecnicas sern ms desfavorables, especialmente la compresibilidad, que tender a ser muy alta.

2.3.3 Porosidad (n)

Es la relacin por cociente entre el volumen de vacos y el volumen total. Se puede expresar como porcentaje o en forma decimal. Tambin es una relacin volumtrica.

Ec. 2.12

Matemticamente sus lmites son 0 (solo fase slida) y 100% (espacio vaco). En la naturaleza los lmites encontrados son 20% y 94%. En Ecuador son 20% y 88%. La relacin cualitativa entre la porosidad y el comportamiento mecnico del suelo, es semejante a la expuesta en el numeral anterior.2.3.4 Grado de Saturacin (Sr)

Tambin conocida simplemente como Saturacin. Es la relacin por cociente entre el volumen del agua y el volumen de vacos, expresada siempre en porcentaje. Es otra relacin volumtrica.

Ec. 2.13

Sus lmites tericos son 0% y 100% y, en este caso, s existen en la naturaleza suelos que pueden alcanzar esos valores extremos. Al primero (Sr=0%) se le denomina suelo seco y al segundo (Sr=100%), suelo saturado. En los suelos superficiales de los desiertos puede tenerse el primer caso, mientras que los suelos saturados son mucho ms frecuentes, ya sea por capilaridad o porque yacen bajo el nivel fretico (Captulo 4). Naturalmente, otro caso muy frecuente es el del suelo semisaturado, aquel cuyo grado de saturacin oscila entre los valores antes indicados. Conforme se ver ms adelante. el grado de saturacin tiene decisiva importancia en el comportamiento mecnico del suelo. En general, mientras mayor sea este valor, ms desfavorables sern sus propiedades mecnicas.

2.3.5 Correlacin entre Relacin de Vacos y PorosidadA primera vista pudiera parecer redundante que se hayan definido dos relaciones para analizar una misma caracterstica, la cantidad de poros en un suelo. Sin embargo, la porosidad, concepto comn para sta y otras ciencias, relaciona dos parmetros que son variables cuando se analizan las propiedades mecnicas del suelo, la compresibilidad por ejemplo. Ello hizo necesario que la Mecnica de Suelos defina otra relacin con un parmetro, el volumen de slidos, que se mantiene constante cuando se realiza el anlisis antes indicado. Lo anterior hace necesario encontrar una correlacin entre la relacin de vacos y la porosidad.

En efecto, si en el diagrama de fases se asume unitario el valor del volumen de slidos, entonces el volumen de vacos vale e y el volumen total (1+ e) y en consecuencia:

Ec. 2.14

Despejando e tendremos la relacin inversa. Cabe aclarar que en este caso n debe ser utilizado en su forma decimal.

Ec. 2.15

2.4 PESO UNITARIO SECO Y SATURADO

Son dos valores caractersticos del peso unitario de todo suelo: cuando no tiene agua (Sr= 0%) el primero, y cuando el agua llena todos sus poros (Sr =100%), el segundo.

2.4.1 Peso Unitario Seco ((d )

Si observamos el diagrama de fases de la Figura 2.3, se verifica que en este caso el suelo tiene solamente dos fases: slida y gaseosa. La fase gaseosa ocupa todo el volumen de vacos. Por tanto, el peso unitario del suelo en estado seco ser:

Ec. 2.16

2.4.2 Peso Unitario Saturado ((sat)

En este caso tambin se tienen dos fases: slida y lquida. La fase lquida ocupa todo el volumen de vacos. El peso unitario del suelo en estado saturado ser (Figura 2.4):

Fig 2.4 Diagrama de Fases: Suelo SaturadoFuente: Autor

Ec. 2.17

Entendiendo que el peso de agua Ww ser el necesario para que todo su volumen de vacos est ocupado por agua.

Si se considera constante la relacin de vacos, el peso unitario del suelo en estado natural oscila entre el peso unitario seco y el peso unitario saturado, segn su grado de saturacin ((d ( ( ( (sat). Por esta, razn tambin se lo conoce como peso unitario hmedo.

2.5 PESO UNITARIO SUMERGIDO (( )

Un suelo que se encuentra bajo el nivel fretico puede considerarse que est saturado, hiptesis razonable para la gran mayora de casos. Sin embargo tambin est sumergido, por lo cual sufre un empuje ascendente que, de acuerdo con el principio de Arqumedes, es igual al peso del volumen de lquido desalojado (Ww). Su peso total ser menor (peso aparente = W) y por consiguiente tambin su peso unitario, al cual se conoce como peso unitario sumergido.

Se tiene entonces que:

Como el volumen no cambia, V = V = Vw

Y en consecuencia:

Ec. 2.18

Si (w = 1

Ec. 2.19

En la Tabla 2.1 se presenta el peso especfico de slidos de algunos de los minerales que constituyen la fase slida del suelo. En la Tabla 2.2, el rango de valores de las propiedades ndice para diferentes suelos, y en la Tabla 2.3, varias relaciones entre las diferentes propiedades estudiadas. Como ejercicio se sugiere utilizar el diagrama de fases para comprobar dichas relaciones.MineralPeso especfico de slidos (s

(g/cm3)

Cuarzo2.65

Caolinita2.60

Ilita2.80

Montmorillonita2.65 2.80

Haloisita2.00 2.55

Feldespato de potasio2.57

Feldespato de sodio y calcio2.62 2.76

Clorita2.60 2.90

Biotita2.80 3.20

Moscovita2.76 -3.10

Hornablenda3.00 3.47

Limonita3.60 4.00

Olivita3.27 - 3.37

Tabla 2.1 Peso especfico slidos de algunos minerales Fuente: Das, 2001

Terreno

(-)n (%)e (-) w (%)(d (kN/m3)( (kN/m3)

Grava25 -400.3 0.67-14 -2118 -23

Arena25 -500.3 1.0-13 -1816 -21

Limo35 -500.5 1.0-13 -1916 -21

Arcilla blanda40 -700.7 2.340-10007 -1314 -18

Arcilla dura 30 -500.4 1.020-4014 -1818 -21

Turba75 -953.0 19200-60001 -0510 -13

Tabla 2.2 Rango de valores de propiedades ndice de algunos suelos Fuente: Lancellotta, 1987

Tabla 2.3 Relaciones entre propiedades ndice Fuente: Lancellotta, 1987

2.6 VALORES EN SUELOS ECUATORIANOS TPICOS

La Tabla 2.4 resume las propiedades ndice (nombre genrico para todas las propiedades vistas en este Captulo) de unos pocos suelos provenientes de las diferentes regiones del pas. El anlisis de la misma permitir un acercamiento hacia el refuerzo de los conceptos estudiados, as como al conocimiento de los valores que se pueden esperar en la prctica profesional y a la prediccin de la problemtica a resolver en cada caso.No.

SueloLugar(s (g/cm3)( (g/cm3)ew

(%)Sr

(%)

1CangahuaU. Central Quito2.611.640.791550

2LimoAv. Coln Quito2.551.870.6324100

3Limo orgnicoUrb. Jipijapa Quito2.451.581.305796

4Arcilla limosaSuburbio Guayaquil2.771.473.00105100

5Limo trpico andinoMontfar - Prov. Carchi2.581.303.6814390

6Limo trpico andinoEl Carmen Manab2.621.226.55250100

7Limo orgnicoEl Beaterio Quito2.491.223.8613889

8ArcillaCalceta Manab2.651.891.526075

9Limo arcillosoMera - Prov. Pastaza2.601.146.2527390

10Limo arcillosoBloque 7 - Prov. Orellana2.651.651.545898

Tabla 2.4 Relaciones fundamentales: Valores en suelos ecuatorianos tpicos Fuente: Autor

Analizando la Tabla anterior, por columnas, se puede llegar a las siguientes conclusiones:

El peso unitario de los slidos vara en un estrecho rango entre 2.55 y 2.77 g/cm. Solo se exceptan los suelos 3 y 7, los cuales, por ser lacustres, tienen materia orgnica.

Por el contrario el peso unitario total del suelo, vara en un rango mucho mayor, entre 1.14 y 1.89 g/cm. Ntese que esta variacin es inversamente proporcional al valor de la relacin de vacos. As los suelos con mayor relacin de vacos (5, 6, 7, 9) tienen los menores pesos unitarios, y los suelos con menor relacin de vacos (1, 2, 3, 8) tienen los mayores pesos unitarios.

En suelos saturados o con grado de saturacin cercano a 100%, existe una relacin directa entre la relacin de vacos y la humedad. As, suelos con alta relacin de vacos (5, 6, 7, 9) tienen una gran cantidad de poros en donde se puede almacenar mayor cantidad de agua (w = 138 273%).

No existe una relacin directa entre humedad y grado de saturacin. Un suelo con bajo valor de humedad (2) puede estar saturado, y uno con alto valor de humedad (9) puede no estarlo. La razn de ello se encuentra en el valor de la relacin de vacos. El suelo 2 se puede saturar con un bajo valor de humedad, porque tiene baja relacin de vacos (e = 0.63). El suelo 9, a pesar del alto valor de humedad que posee, no est saturado porque su cantidad de vacos es muy grande (e = 6.25). Tericamente tampoco existe una razn para que humedad y grado de saturacin estn directamente relacionadas. En efecto, la primera es una relacin gravimtrica y la segunda es volumtrica.

Si ahora analizamos la Tabla 2.4, por filas, se puede llegar a las siguientes conclusiones:

En la Sierra ecuatoriana predominan los suelos de desintegracin mecnica, en su mayora transportados, con propiedades generalmente favorables: alto peso unitario, baja relacin de vacos y baja humedad. Los suelos 1 y 2, son ejemplos tpicos.

La excepcin generalmente se tiene en los depsitos lacustres orgnicos, cuyas propiedades son inferiores. As, no solo disminuye el peso unitario de los slidos, sino tambin el peso unitario total, a la vez que aumentan la relacin de vacos y la humedad. Es el caso de los suelos 3 y 7.

En la Costa y Oriente ecuatorianos, los suelos han sido originados en su mayora por procesos de descomposicin qumica, y pueden ser residuales o transportados. Las propiedades tienden a desmejorar: menos peso unitario total, ms relacin de vacos, ms humedad; pero son generalmente mejores en los residuales (suelos 8 y 10) que en los transportados (suelo 4).

Sin embargo, los suelos que presentan peores propiedades ndice y por consiguiente mayores problemas para el diseo y construccin de obras de Ingeniera, son los llamados suelos de subtrpico o trpico andinos, que se localizan en las laderas occidental y oriental de la cordillera de los Andes. En esas regiones a travs del tiempo siempre se han tenido condiciones climticas adversas: altas precipitaciones pluviales, alta humedad ambiental, acusadas variaciones de temperatura, todo lo cual ha devenido en una intensa meteorizacin del suelo, y en consecuencia, en propiedades desfavorables: elevada relacin de vacos, alta humedad, elevado grado de saturacin y bajo peso unitario. Es el caso de los suelos 5, 6 y 9.

2.7 EJERCICIOS1. Un bloque de suelo pesa 20400 g y tiene un volumen de 12000 cm3. Luego de secado al horno pesa 18200 g. El peso unitario de los slidos es 2.67 g/cm. Calcular las relaciones fundamentales.

Para resolver el problema se utiliza el diagrama de fases. En el que se muestra a continuacin, se ha incluido directamente los valores de W, V y Ws (numricamente igual al peso del suelo seco). Los pesos estn expresados en gramos y los volmenes en cm.

Conociendo el peso total y el peso de los slidos

Ww = W Ws = 20400 18200 = 2200

El volumen de agua es numricamente igual al peso del agua, Vw = 2200

El volumen de slidos ser:

Vs = Ws/(s = 18200/2.67 = 6816.48 Por tanto el volumen de vacos es:

Vv = V Vs = 12200 6816.48 = 5383.52

Y, finalmente el volumen de aire:

Va = Vv Vw = 5383.52 2200 = 3183.52Con lo cual se completan los valores del diagrama de fases. Para determinar las relaciones fundamentales, simplemente se aplica cada una de las correspondientes ecuaciones.

w = (Ww/Ws) * 100 = (2200/18200) * 100 = 12.1%

e = Vv/Vs = 5383.52/6816.48 = 0.790

n = (Vv/V) * 100 = (5382.52/12200) * 100 = 44.1%

Sr = (Vw/Vv) * 100 = (2200/5383.52) * 100 = 40.9%

Se recomienda expresar los resultados con una cifra decimal cuando se trate de porcentajes, y con tres cifras decimales en caso contrario. 2. El peso unitario de un suelo saturado es 2.05 g/cm y su humedad 23%. Calcular el peso unitario de slidos.

An cuando en este caso no existe ningn valor del diagrama de fases, siempre es posible recurrir al mismo para facilitar la resolucin del problema. Para ello asumimos unitario un valor del diagrama y encontramos todos los dems, en relacin con esta hiptesis. Ntese que en este ejercicio solo se tiene dos fases porque el suelo est saturado.

Fig 2.6 Diagrama para Ejercicio 2

Fuente: Autor

Si Ws = 1 y w = (Ww/Ws) * 100

Ww = (w/100) * Ws = 0.23 * 1 = 0.23 y Vw = Vv = Ww = 0.23;

W = Ww+Ws = 1 + 0.23 = 1.23

Como ( = 2.05 g/cm

V = W/( = 1.23/2.05 = 0.60

y por consiguiente, Vs = V Vv = 0.60 0.23 = 0.37

Finalmente, (s = Ws/Vs = 1/0.37 = 2.703 g/cm.

Es recomendable hacer unitario un valor de volumen si existen datos respecto a relaciones volumtricas. Si los datos se refieren a relaciones gravimtricas, entonces se escoge unitario un peso. Si los datos se refieren a pesos unitarios se puede hacer unitario indistintamente un peso o un volumen. Cabe anotar que siempre existirn varias maneras de resolver un mismo ejercicio.

3. Un suelo tiene una relacin de vacos de 0.600, un peso unitario de slidos de 2.75 g/cm y un grado de saturacin de 70%. Determinar la humedad, el peso unitario del suelo, el peso unitario seco y el peso unitario saturado.

En el diagrama de fases asumimos Vs = 1, en consecuencia Ws = 2.75. Los pesos estn expresados en gramos y los volmenes en cm.

Si e = 0.6 y e = Vv/Vs, entonces Vv = 0.6; V = Vv + Vs = 1+ 0.6 = 1.6

Sr = (Vw/Vv) * 100, por tanto, Vw = (Sr/100) * Vv = (70/100) * 0.6 = 0.42Fig 2.7

Diagrama para Ejercicio 3

Fuente: Autor

Va = Vv - Vw = 0.6 0.42 = 0.18, yWw = Vw = 0.42; W = Ws + Ww = 2.75 + 0.42 = 3.17. Se completa el diagrama de fases.w = (0.42/2.75) * 100 = 15.3%

( = (3.17/1.6) = 1.981 g/cm

( d = Ws/V = 2.75/1.6 = 1.719 g/cm

( sat = (Ws + Ww)/V = (2.75 + 0.6)/1.6 = 2.094 g/cm

Ntese que Ww = 0.6, es el peso de agua necesario para que el agua ocupe todos los vacos.

Se comprueba que (d ( ( ( (sat (1.719 g/cm ( 1.981 g/cm( 2.091 g/cm)

4. Un suelo saturado tiene un contenido de agua de 47% y su relacin de vacos es 1.31. Calcular el peso por m y el peso unitario de slidos.

En el diagrama de fases asumimos Ws=1 y en consecuencia Ww=0.47 y W =1+ 0.47 =1.47

En este caso los pesos estn expresados en toneladas y los volmenes en m.

Como el suelo est saturado: Vw = Vv = 0.47 ; Vs = Vv/e = 0.47/1.31 = 0.359

y V = 0.47 + 0.359 = 0.829

Fig 2.8 Diagrama para Ejercicio 4

Fuente: Autor

( = (1.47/0.829) = 1.773 g/cm

(s = 1/0.359 = 2.786 g/cm.

5. Un suelo tiene un peso unitario de 1 745 kg/m y un contenido de agua de 6%. Cuantos litros de agua debe aadirse a cada m de suelo, para que la humedad suba a 15% suponiendo que la relacin de vacos permanece constante?

Como el peso unitario est dado en kg/m, los pesos estn expresados en kilogramos y los volmenes en m. Para que la respuesta sea directa, asumimos V = 1 y por tanto W = 1 745

Fig 2.9 Diagrama para Ejercicio 5

Fuente: Autor

Ws = W/{1 + (w/100)} Ws = 1745/{1+(6/100)} = 1646.23.Para que la humedad llegue al 15% se debe aumentar el 9%. Utilizando la frmula de humedad:

Ww = (w/100) * Ws = (9/100) * 1646.23 = 148.16 kg

Como (w = 1000 kg/m, Vw = 0.148 m = 148.16 lt

Este ejercicio ilustra la importancia de hacer compatibles las unidades. Por otro lado, aunque el diagrama de fases ha quedado incompleto, se lo pudo utilizar para resolver el problema.REFERENCIAS

Das, B. (2001). Fundamentos de Ingeniera Geotcnica, Mxico: International Thomson Learning.

Lancellotta, R. (1987). Geotcnica, Bologna: Incola Zanichelli Editore.CAPITULO

LOS SLIDOS EN EL SUELO

La fase slida contribuye, en buena medida, en la determinacin del comportamiento mecnico del suelo, y como ya se ha visto est constituida por granos o partculas minerales y en menor grado por materia orgnica. Por consiguiente, el anlisis de la influencia de los slidos en el suelo debe considerar las caractersticas de la partcula, y de stas las que ms interesan en el presente caso: forma, tamao y composicin mineralgica.

3.1 FORMA DE LA PARTCULA

Tiene mucha importancia en el comportamiento mecnico del suelo. Sin embargo, medirla o describirla cualitativamente resulta difcil, dado que en la naturaleza muy rara vez se encuentran partculas con las formas regulares conocidas. Por esta razn se agrupa la forma de los granos en tres clases: equidimensional, laminar y acicular, siendo las dos primeras las ms importantes.

Por otro lado la forma de las partculas es diferente en los suelos gruesos con respecto a la de los suelos finos, conforme se indica a continuacin.

3.1.1 Forma en los suelos gruesos

En estos suelos predomina la forma equidimensional, aquella en la cual las tres dimensiones del espacio, largo, ancho y espesor, son del mismo orden de magnitud, o sea que esas dimensiones son comparables o semejantes. Estas partculas se forman principalmente por la desintegracin mecnica de la roca y rara vez son menores que 0.001 mm de dimetro.

La angulosidad o redondez de las partculas es muy difcil de medir, razn por la cual se la describe de manera cualitativa, conforme se indica en la Figura 3.1. Con referencia a la misma: 3.1.1.1 Partculas angulosasSon aquellas que tienen aristas (lados) y vrtices (puntas) definidos, formadas principalmente por la trituracin de las rocas.

3.1.1.2 Partculas subangulosasSe tienen cuando los vrtices estn desgastados y las aristas ms afiladas se han suavizado.

3.1.1.3 Partculas subredondeadasSon aquellas en que tanto las aristas, como los vrtices se han desgastado.

3.1.1.4 Partculas redondeadasSi adems de no tener aristas ni vrtices, tienden a la forma esfrica se tiene una partcula redondeada.

Las partculas pequeas de arena cuando estn cerca de su lugar de origen tienden a ser muy angulosas, mientras que las gravas y cantos del mismo lugar son subangulosas a subredondeadas y las que se depositan a mayor distancia son redondeadas. Las partculas de arena de playa, batidas por las olas y el viento, tienen formas entre subangulosas y redondeadas, segn el mineral y la distancia a la que se encuentren respecto a su lugar de origen. Las arenas transportadas por el viento, que ruedan y se depositan en mdanos, se vuelven muy redondeadas, mientras que las mismas arenas depositadas en agua son ms angulosas.

3.1.2 Forma en los suelos finos

Fig 3.2

Forma de las Partculas en Suelos Finos Fuente: Bowles, 1982

En estos suelos predominan las partculas de forma laminar, aquella en la cual dos dimensiones prevalecen sobre la tercera, o sea que la tercera dimensin tiene una magnitud insignificante respecto a las otras dos, como sucede con una hoja de papel (Figura 3.2). Se originan preponderantemente en la descomposicin qumica de la roca y actan como muelles separando los granos equidimensionales del suelo, hacindolo elstico. Si estn orientadas al azar pueden resistir los desplazamientos. Si estn empaquetadas paralelamente, resisten los desplazamientos perpendiculares, pero se pueden desplazar fcilmente en la direccin paralela a sus superficies.

En menor cantidad puede encontrarse en los suelos finos, partculas de forma acicular o sea aquella en la cual una sola dimensin prevalece sobre las otras dos, es decir que dos dimensiones tienen una magnitud insignificante respecto a la primera. Es el caso de una aguja, de donde proviene su nombre. Estas partculas se encuentran principalmente en algunos depsitos de coral y en las arcillas atapulgticas (Ver 3.9.3.3).

3.2 INFLUENCIA DE LA FORMA EN EL COMPORTAMIENTO MECNICO

3.2.1. Si comparamos dos suelos gruesos, gravas por ejemplo, el uno constituido por partculas de forma angulosa y el otro por partculas de forma redondeada, manteniendo constante el tamao de las partculas y su constitucin mineralgica, el comportamiento mecnico de los dos suelos ser bastante distinto.

En efecto, la masa de partculas angulosas tendr ms resistencia al corte y menos deformacin que la masa de partculas redondeadas. Ello debido a la trabazn entre los granos de la masa con partculas angulosas. Recurdese que este principio es bsico para preferir agregados triturados como material de construccin: hormign o bases y subbases para carreteras.

Sin embargo, la masa de partculas angulosas tendr falla frgil, es decir una ruptura violenta de su estructura con prdida de su capacidad para resistir cargas. El diseo con este material requerir por tanto un mayor factor de seguridad para alejarse del valor en donde se producir ese colapso.

Por el contrario, la masa de partculas redondeadas experimentar una falla plstica que implica una gran deformacin pero sin prdida total de su capacidad de resistir cargas.

3.2.2. Si comparamos una masa constituida con partculas equidimensionales y otra con partculas laminares, un suelo grueso frente a un suelo fino por ejemplo, veremos que la primera soporta cargas estticas de consideracin con pequea deformacin, especialmente si los granos son angulosos. Por el contrario la masa de partculas laminares se comprime y deforma fcilmente, como lo hacen las hojas secas de los rboles o los papeles sueltos en un cesto.3.2.3 El comportamiento se invierte si se aplica carga dinmica: vibracin o sismo, por ejemplo. As, la masa de partculas equidimensionales experimentar mayor desplazamiento entre granos, lo cual se reflejar en una mayor deformacin, mientras que la masa de partculas laminares ser relativamente estable. Observe que en la prctica el hormign se compacta por vibracin y los suelos finos con rodillos pesados.

3.2.4 Finalmente, otro importante efecto de la forma de las partculas es su influencia sobre la superficie especfica (Se) en los suelos. Se denomina superficie especfica a la relacin entre el rea superficial de un material y su volumen o masa.

Ec. 3.1

En donde:

S = rea superficial, y

V = volumen

Se comprueba que la forma laminar da lugar a una superficie especfica mucho mayor que la forma equidimensional. Para demostrarlo calculemos la superficie especfica de una hoja de papel, suponiendo que sus dimensiones son 30 cm de largo, 20 cm de ancho y 0.01 cm de espesor. Entonces:

S = 2*20*30 = 1.200 cm

V = 20*30*0.01 = 6 cm

Se = 1200/6 = 200 cm/cm

Si ahora determinamos el dimetro de una esfera de igual volumen, llamado dimetro equivalente (De).De = (6V/1/3 = (6*6/)1/3 = 2.25 cm

La superficie de esa esfera ser:

S = D2 = 15.9 cm

Y entonces:

Se = 15.9/6 = 2.65 cm/cm

La hoja de papel tiene, por tanto, 75 veces ms superficie especfica que la esfera de volumen equivalente.

En fsica se comprueba que si un material tiene ms masa (y volumen) que superficie, su comportamiento mecnico ser determinado por las fuerzas gravitacionales. En cambio, si tiene ms superficie que masa (mayor superficie especfica) su comportamiento mecnico ser determinado por las fuerzas superficiales (electroqumicas, por ejemplo).

Como conclusin final, el comportamiento mecnico del suelo grueso (menor superficie especfica) ser gobernado por las fuerzas gravitacionales, y el de los suelos finos, por las fuerzas superficiales.

3.3 TAMAO DE LAS PARTCULAS

En la naturaleza se puede encontrar la ms completa variedad de tamaos de partculas de suelos, desde el tamao mximo que puede considerarse como partcula de suelo (Ver 1.2.2) hasta el tamao ms pequeo, del orden de 1x10-6 mm o sea en una escala de 1 a 1 billn aproximadamente. La gran magnitud de esta escala puede apreciarse teniendo en cuenta, que es una relacin semejante a la existente entre una canica y el globo terrqueo.

Ante tal diversidad, y con el objeto de racionalizar el conocimiento, la Mecnica de Suelos divide toda la escala de tamaos en unos ciertos rangos o secciones. Se asigna un nombre a la partcula cuyo tamao se encuentre dentro de esos rangos, como se indica en la Tabla 3.1. En las Tablas 3.2 y 3.3 se exponen los criterios de la American Society for Testing of Materials (ASTM) y del M.I.T. respecto al mismo tema.

NombreTamaoTamiz

Desde ( mm )Hasta ( mm )

Bloque o Boleo305En adelante> 12

Canto76 cC > 3GPGrava mal gradada

Grava sucia: ms del 12 % de finosSi los finos son ML o MHGMGrava limosa

Si los finos son CL o CHGCGrava arcillosa

Arena: 50 % o ms de la fraccin gruesa pasa el tamiz N 4Arena limpia: menos del 5 % de finosCU 6 y 1 cC 3SWArena bien gradada

CU < 6 y/o 1 > cC > 3SPArena mal gradada

Arena sucia: ms del 12 % de finosSi los finos son ML o MHSMArena limosa

Si los finos son CL o CHSCArena arcillosa

SUELOS FINOS: 50 % o ms pasa el tamiz N 200Limos y arcillas con lmite lquido menor que 50%InorgnicoIP > 7; en o sobre lnea "A"CLArcilla

IP < 4; bajo la lnea "A"MLLimo

OrgnicoOLArcilla orgnica o limo orgnico

Limos y arcillas con lmite lquido igual o mayor que 50%InorgnicoIP en o sobre la lnea "A"CHArcilla

IP bajo la lnea "A"MHLimo

OrgnicoOHArcilla orgnica o limo orgnico

SUELOS ALTAMENTE ORGNICOMateria orgnica abundante, color oscuro, olor orgnicoPTTurba

Tabla 5.1

Sistema de clasificacin SUCSFuente: Norma ASTM D 2487-98Para separar los suelos gruesos de los finos el SUCS utiliza un criterio granulomtrico y una evaluacin de la cantidad. Si ms del 50% de las partculas del suelo se retienen en el tamiz N 200, es un suelo grueso. Si el 50% o un porcentaje mayor de las partculas del suelo pasan el tamiz N 200, es un suelo fino.

Los suelos gruesos a su vez se dividen en dos grandes grupos: gravas (prefijo G, de gravel) y arenas (prefijo S, de sand). El criterio para separarlos es otra vez granulomtrico: si ms del 50% de la fraccin gruesa (solo de esa fraccin) se retiene en el tamiz N 4, es una grava y si el 50% o un porcentaje mayor de la fraccin gruesa pasa el tamiz N 4, es una arena.

Los suelos finos, atendiendo a sus condiciones de plasticidad (directamente relacionada con las propiedades mecnicas del suelo fino, conforme se detall en el Captulo 4) y a su contenido orgnico (tambin influyente en su comportamiento) se dividen en otros tres grandes grupos. El primero est constituido por los suelos no plsticos o poco plsticos llamados limos (prefijo M, del sueco mo a mjala); el segundo incluye los suelos plsticos denominados arcillas (prefijo C, de clay), y el tercero corresponde a los suelos orgnicos, (prefijo O, de organic). Ntese que el smbolo de limo es el nico que no proviene de la inicial en idioma ingls pues se hubiese confundido con la arena (limo: silt).Establecidos as los seis grandes grupos: gravas, arenas, limos, arcillas, orgnicos y muy orgnicos, pasamos a detallar la conformacin de los diferentes grupos.

5.4.1 Clasificacin de las Gravas

Durante la ejecucin de la investigacin previa al establecimiento del SUCS se encontr que en todo suelo grueso la cantidad de finos existente influye en su comportamiento mecnico, a menos que sea menor al 5%,. Si la fraccin fina es mayor que el 12% la influencia es decisiva. Nacen entonces los grupos de gravas limpias (fraccin fina menor que 5%) y de gravas sucias (fraccin fina mayor que el 12%).

Tampoco todas las gravas limpias tienen un comportamiento similar, sino que ste puede variar de conformidad con la buena o mala gradacin de sus partculas (Ver 3.7). Se llega as a los grupos de gravas bien gradadas (CU 4, 1 ( cC ( 3) y gravas mal gradadas, si no cumplen con estos requisitos.

Para denotar este calificativo el SUCS establece un sufijo que hace relacin al mismo. As se tiene los dos primeros smbolos SUCS, correspondientes a las gravas bien gradadas, GW (sufijo W: well graded) y las gravas mal gradadas, GP (sufijo P: poor graded). Advirtase que hasta aqu toda la clasificacin se ha hecho con base en criterios granulomtricos conforme puede verse en la Tabla 5.1.

En las gravas sucias tambin se tienen diferencias en el comportamiento mecnico segn la plasticidad de los finos (arcillosos o limosos). De esta caracterstica derivan los grupos de gravas arcillosas, GC (sufijo C) y gravas limosas, GM (sufijo, M). Esta ltima diferenciacin se har aplicando en la fraccin fina del suelo grueso los criterios de plasticidad que se detallan ms adelante, cuando se aluda a la clasificacin de los suelos finos.

Los cuatro smbolos antes mencionados son los nicos con los cuales puede clasificarse una grava. Conforme lo especifica el SUCS, solo cabe un doble smbolo para los casos especficos de frontera que se indican a continuacin.

Si los finos son arcillo-limosos la clasificacin ser:

GC-GM, grava arcillo - limosa.

Para el caso en que el contenido de finos sea igual o mayor que el 5% y menor o igual al 12%, se puede tener cuatro posibles dobles smbolos:

GW-GM, grava bien gradada con limo.

GW-GC, grava bien gradada con arcilla.

GP-GM, grava mal gradada con limo.

GP-GC, grava mal gradada con arcilla.

Los correspondientes ensayos de granulometra y plasticidad permitirn definir cual de estos doble smbolos es el correcto para un cierto suelo analizado.

5.4.2 Clasificacin de las Arenas

Se sigue un procedimiento anlogo al de las gravas. As, si la fraccin fina es del 5% o menos, sta ya no tiene influencia, pero si es mayor al 12%, la influencia es decisiva. Nacen los grupos de arenas limpias (fraccin fina menor que el 5%) y de las arenas sucias (fraccin fina mayor que el 12%).

Tampoco todas las arenas limpias tienen un comportamiento similar, sino que ste puede variar de conformidad con la buena o mala gradacin de sus partculas (Ver 3.7). Se llega entonces a los grupos de arenas bien gradadas (CU 6, 1 (cC( 3) y arenas mal gradadas, si no cumplen con estos requisitos.

En este caso la segunda letra mayscula tambin proviene de la buena o mala gradacin de sus partculas. Se tiene entonces los smbolos SUCS correspondientes a las arenas bien gradadas, SW y las arenas mal gradadas, SP.

En las arenas sucias tambin se tienen diferencias en el comportamiento mecnico segn que los finos sean ms plsticos (arcillosos) o menos plsticos (limosos). De esta forma nacen los grupos de arenas arcillosas, SC y arenas limosas, SM.

De igual manera que en las gravas, los cuatro smbolos antes mencionados son los nicos con los cuales puede clasificarse una arena. Los casos de frontera que se especifican a continuacin se resuelven mediante un doble smbolo.

Si los finos son arcillo - limosos la clasificacin ser:

SC-SM, arena arcillo - limosa.

Para el caso de que el contenido de finos sea igual o mayor al 5% y menor o igual al 12%, se puede tener cuatro posibles dobles smbolos:

SW-SM, arena bien gradada con limo.

SW-SC, arena bien gradada con arcilla.

SP-SM, arena mal gradada con limo.

SP-SC, arena mal gradada con arcilla.

Igualmente, los ensayos de granulometra y plasticidad ejecutados sobre la fraccin fina del suelo analizado permitirn definir cual de estos doble smbolos es el correcto para cada caso.

5.4.3 Clasificacin de los Suelos Finos: La Carta de Plasticidad de Casagrande

Como ya se vio, Atterberg estableci que la plasticidad de un suelo fino quedaba determinada completamente si se conocen dos parmetros: el lmite lquido y el ndice de plasticidad (Ver 4.8.1).

Con base en este criterio Casagrande elabor un sistema de ejes coordenados en el cual coloc en ordenadas el ndice de Plasticidad y en abscisas el Lmite Lquido. Luego represent en dicho sistema los puntos correspondientes a un alto nmero de ensayos realizados en suelos finos y lo que obtuvo fue una nube de puntos inclinada respecto a la horizontal (Figura 5.1). As Casagrande estableci que los suelos de un mismo depsito fino, generalmente no adoptan una posicin caprichosa, obra del azar, sino que se agrupan de modo especfico en lneas o bandas inclinadas respondiendo a sus caractersticas de plasticidad. La inclinacin confirm el hecho de que la plasticidad depende de esos dos parmetros y revel que la lnea de frontera entre los suelos plsticos y los no plsticos o poco plsticos, tambin deba se una lnea inclinada. Usando mtodos estadsticos estableci que esa lnea inclinada era una recta a la que llam Lnea A. Esta lnea dividi el grfico en dos campos: el superior (sobre la lnea A) ocupado por los suelos ms plsticos (arcillas, prefijo C) y el inferior (bajo la lnea A) ocupado por los suelos menos plsticos o no plsticos (limos, prefijo M).

Fig 5.1

Representacin grfica ndice de Plasticidad Lmite LquidoFuente: AutorPor otro lado, en 4.9 se estableci que el lmite lquido era una medida directa de la compresibilidad relativa de un suelo fino, de manera que en el grfico en anlisis los suelos ms compresibles (limos y arcillas) deben ubicarse hacia la derecha, en correspondencia con los mayores valores de lmite lquido, y los menos compresibles hacia la izquierda, o sea en la zona con menores valores de lmite lquido. Como la gran mayora de suelos de que dispuso Casagrande para su investigacin no tenan valores de lmite lquido mayores a 100%, concluy que una lnea vertical que pasase por la abscisa 50%, a la que denomin Lnea B, era la mejor frontera entre los suelos ms compresibles (wL > 50%) y los menos compresibles (wL < 50%). Consider entonces que este factor deba ser el calificativo o sufijo para la clasificacin de suelos finos y le asign como smbolos las letras H (high compressibility) y L (low compressibility).

Queda as dividido el grfico en cuatro grandes campos: el superior izquierdo correspondiente a las arcillas de baja a mediana compresibilidad, CL, el superior derecho de las arcillas de alta compresibilidad, CH, el inferior izquierdo de los limos de baja a mediana compresibilidad, ML, y el inferior derecho de los limos de alta compresibilidad, MH. El lector debe recordar que los smbolos H y L califican la compresibilidad del suelo fino y nunca su plasticidad, ya que sta queda definida en el nombre del suelo: arcilla (plstica) o limo (no plstico o poco plstico). Es absolutamente contradictorio referirse a un limo de alta plasticidad o a una arcilla de baja plasticidad.

Para conocer en forma numrica los lmites entre esos cuatro campos se deben definir las caractersticas geomtricas de las lneas mencionadas. As la Lnea B tiene la ecuacin:

Ec. 5.1La Lnea A pasa por los puntos P1 (20,0), interseccin con las abscisas y P2 (50,22), interseccin con la Lnea B. Aplicando principios bsicos de geometra analtica se determina que la ecuacin de la Lnea A es:

Ec. 5.2

Casagrande tambin propuso la Lnea U que constituye el lmite superior encontrado en todos los ensayos realizados. Ello quiere decir que la representacin grfica de ningn suelo puede caer por encima de esa lnea y si lo hace se tendr una duda razonable que justificar la repeticin de los ensayos. La ecuacin de la lnea U es:

Ec. 5.3Si en el proceso de descripcin del suelo fino (ver 5.4.6) se ha percibido el olor orgnico (a metano) se debe comprobar si se trata de un suelo orgnico. Las investigaciones en suelos orgnicos (limos y arcillas) demostraron que el desecamiento produce un cambio irreversible en el constituyente orgnico del suelo y disminuye el valor de su lmite lquido. Se estableci entonces que si el valor del lmite lquido del suelo secado al horno era menor que el 75% del valor del lmite lquido realizado en la muestra no secada, el suelo es orgnico [wL (secado al horno)/wL (sin secar) < 0.75]. Se constituyen as los grupos de las arcillas y limos orgnicos de alta compresibilidad, OH, ubicados a la derecha de la lnea B, y los grupos de las arcillas y limos orgnicos de baja compresibilidad, OL, que se localizan a la izquierda de la lnea B.

En el grfico elaborado en la Figura 5.1 quedan algunas zonas incongruentes. Por ejemplo, para valores de lmite lquido inferiores a 20%, un ndice de plasticidad 0% (representativo de un suelo no plstico) quedara sobre la Lnea A, lo cual obligara a clasificarlo como arcilla (arcilla no plstica?). Para superar esas incongruencias se ha establecido que la lnea A cambia a una recta paralela al eje horizontal en la ordenada IP = 4%, de manera que todo suelo que caiga bajo esta parte de la lnea A sigue siendo un limo de baja compresibilidad, ML, a menos que se compruebe que es orgnico, OL. Debido a que cualquier suelo con IP entre 4% y 7% no presenta caractersticas tan plsticas como la arcilla, ni tan poco plsticas como el limo, se crea otra lnea recta paralela a la horizontal en la ordenada IP = 7% que genera una zona sombreada entre esas dos rectas en la que se tiene otro caso de frontera. Los suelos que caigan en esa zona se clasifican como limos arcillosos de baja compresibilidad, ML-CL (el nico doble smbolo existente en suelos finos). Con estas modificaciones el grfico construido toma el nombre de Carta de Plasticidad, Figura 5.2, y constituye un valioso auxiliar para la clasificacin de suelos finos.

Fig 5.2

Carta de Plasticidad

Fuente: ASTM D 2487-98En conclusin, para clasificar suelos finos se determinan su lmite lquido e ndice de Plasticidad y estos valores se representan grficamente en la Carta de Plasticidad. El campo en que se ubique proporcionar directamente la clasificacin del suelo fino, limo o arcilla, en caso de ser inorgnico. Si se ha detectado olor orgnico, se repetir el lmite lquido en una muestra secada al horno y ese resultado se comparar con el lmite lquido inicial (sin secar) a fin de establecer definitivamente si se trata de un suelo orgnico, ya sea limo o arcilla.

Si en la clasificacin realizada se observa que el suelo se encuentra muy cercano a otro grupo, la condicin de frontera puede ser indicada con dos smbolos separados por un guin inclinado (slash). El primer smbolo deber ser el que resulte del proceso de clasificacin ejecutado, por ejemplo: CL/CH, GM/SM, CH/MH.

Si un suelo grueso, grava o arena, tiene una fraccin fina cuyo porcentaje oscile entre 5 y 12%, y si adems los ensayos indican que esta fraccin fina cae en la zona sombreada (ML-CL), el segundo smbolo ser el de una arcilla (GC o SC), y la condicin de frontera se indicar en el nombre. Por ejemplo una arena mal gradada con 10% de finos, cuyo lmite lquido es 20% y su ndice de Plasticidad es 6%, se clasificar como SP-SC y se llamar arena mal gradada con arcilla limosa. Recurdese siempre que en el SUCS no existe triple smbolo ni otros dobles smbolos aparte de los ya indicados.

5.4.4 Clasificacin de los Suelos Muy Orgnicos

Los suelos muy orgnicos se identifican, durante el proceso de descripcin, por un elevado contenido de materia orgnica en diferentes grados de descomposicin. A esta caracterstica se suman otras: olor orgnico, color negro u oscuro, textura fibrosa, elevada compresibilidad y consistencia blanda y esponjosa. En definitiva tienen las peores propiedades mecnicas, casi incompatibles con los propsitos de la Ingeniera Civil. Por esta razn se renen, sin ninguna otra consideracin, en un grupo aparte, denominado turba (smbolo PT). Las siglas corresponden a la palabra equivalente en idioma ingls (peat). Se conservan ambas letras para mantener el esquema de prefijo y sufijo, ya que en este caso no es necesario ningn calificativo adicional (turba ya significa el suelo de peor calidad para la Ingeniera Civil). En algunos textos aparece el smbolo Pt, pero preferimos el anotado en primer lugar debido a que mantiene el esquema de dos letras maysculas en cada smbolo. Debe diferenciarse la turba de origen rocoso, que corresponde a materia orgnica fosilizada y que por su dureza no es considerada un suelo. Las turbas solo pueden formarse en sitios pantanosos, en los que la humedad protege la materia orgnica de su total descomposicin.

5.4.5 Secuencia de Agrupacin

En las Tablas 5.2, 5.3 y 5.4 se proporcionan diagramas de clasificacin que sintetizan toda la informacin contenida en los numerales anteriores y la amplan respecto a la precisin del nombre de cada grupo. Constituyen por tanto valiosos auxiliares para llegar a la clasificacin y nombre correctos.

El mtodo siempre consiste en eliminar paulatinamente los smbolos no adecuados hasta llegar al nico smbolo correcto. As, luego de realizado el proceso de descripcin, y descartado que se trate de una turba, el anlisis del porcentaje de partculas que pasa el tamiz N 200 permitir establecer si se trata de un suelo fino o grueso. Este paso, por tanto, elimina aproximadamente un 50% de smbolos no correctos.

Si se tratase de un suelo grueso, el examen del porcentaje de la fraccin gruesa que pasa o se retiene en el tamiz N 4 posibilitar clasificarlo como grava o arena.

A continuacin se examina el contenido de finos del suelo grueso a fin de establecer si es limpio o sucio. En el caso que sea limpio, el anlisis del coeficiente de uniformidad y del coeficiente de curvatura permitir establecer la buena o mala gradacin del suelo y llegar ya a la clasificacin correcta. Si es sucio, se deber obtener el lmite lquido e ndice de plasticidad de la fraccin fina, datos con los cuales se lo representar grficamente en la Carta de Plasticidad, a efectos de comprobar si cae sobre la lnea A (finos arcillosos) o bajo esa lnea (finos limosos). Advirtase que en este caso no tiene ninguna relevancia el que se encuentre a derecha o izquierda de la lnea B.

Si el contenido de finos oscila entre 5 y 12%, caso en el que debe clasificarse con doble smbolo, se examinar la buena o mala gradacin mediante los coeficientes de uniformidad y curvatura para establecer la primera parte del smbolo correcto; luego se representarn las caractersticas de plasticidad en la Carta, a efectos de encontrar la segunda parte del smbolo correcto.

Smbolo de GrupoNombre de Grupo

GRAVA % grava > % arena< 5 % de finosCU 4 y 1 cC 3GW cC > 3GP