CAPITULO 2

ESTUDIO DE LOS SUELOS PARA DESEÑO DE PAVIMENTOS

2.1. DE FINICIÒN DE SUELO Y ROCA

En la Ingeniería de pavimentos se considera como roca a un agregadonatural de granos minerales, unidos por grandes y permanentes fuerzas decohesión. Por otra parte, se considera que suelo es una agregado natural degranos minerales, con o sin componentes orgánicos, que pueden separarsepor medios mecánicos comunes, tales como la agitación en agua. Aunqueestas definiciones son las que se utilizarán en este texto, es conveniente aclararque en la práctica no existe una diferencia tan simple entre roca y suelo, pues,las rocas más rígidas y fuertes pueden debilitarse al sufrir el proceso demeteorización, y algunos suelos muy endurecidos pueden presentar resistenciascomparables a las de la roca meteorizada.

2.2. ORIGEN Y FORMAVION DE LOS SUELOS

Los suelos provienen de la alteración de las rocas por la acción de losfenómenos atmosféricos durante un tiempo apreciable. El proceso de alteración,denominado meteorización, se realiza por desintegración o descomposiciónde las rocas.

La desintegración es un proceso mecánico que divide las rocas en partículaspequeñas que conservan las propiedades físicas y químicas de la roca madre.

La descomposición es aquel proceso por el cual la roca se transforma en unproducto de diferentes propiedades físicas y químicas.Los causantes de la meteorización de las rocas se llaman agentes de meteorizacióno intemperismo. Son físicos, químicos y biológicos. Los primerosproducen desintegración y los otros descomposición.Los principales agentes físicos de meteorización son: agua, glaciares, vientoy temperatura.

El agua arrastra las rocas y las desintegra produciendo suelos por lo generalgruesos tales como las gravas y las arenas; también, el agua al introducirse enlas grietas de las rocas y llenadas totalmente puede producir el efecto de cuñacausando grandes presiones que pueden disgregarlas en partículas gruesas odar origen a oquedades y formas irregulares en las rocas.

Los glaciares son movimientos de grandes masas de hielo con velocidadesmuy pequeñas del orden de metros por años produciendo un efecto abrasivoen las partículas transportadas.Un suelo producto de este efecto es el llamado polvo o harina de roca quese encuentra en grandes cantidades en la base de los glaciares.

El viento tiene un efecto de erosión que desgasta las rocas.

El calor produce el fenómeno de exfoliación por el cual las rocas sufren undescascaramiento que las hace adoptar formas redondeadas.

2.3. CLASIFICACIÒN DE LOS SUELOS

Teniendo en cuenta que en la naturaleza existe una gran variedad de suelos,la ingeniería de suelos ha desarrollado algunos métodos de clasificación delos mismos. Cada uno de estos métodos tiene, prácticamente, su campo deaplicación según la necesidad y uso que los haya fundamentado.

En la actualidad los sistemas más utilizados para la clasificación de los suelos,en estudios para diseño de pavimentos de carreteras y aeropistas son el de la

American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO)yel Unified Soil C1asification System, conocido como Sistema Unificadode Clasificación de Suelos (S.U.CS.).

2.3.1. CLASIFICACIÒN DE SUELOS AASHTO

De acuerdo con este sistema y con base en su comportamiento, los suelosestán clasificados en ocho grupos designados por los símbolos del A-l al A-B.En este sistema de clasificación los suelos inorgánicos se clasifican en 7 gruposque van del A-l al A-7. Estos a su vez se dividen en un total de 12 subgrupos.Los suelos con elevada proporción de materia orgánica se clasifican como A-B.

Descripción de los grupos de clasificación

a) Suelos granulares: Son aquellos que tienen 35% o menos, del material finoque pasa el tamiz No. 200. Estos suelos forman los grupos A-l, A-2 Y A-3.

Grupo A-1: El material de este grupo comprende las mezclas biengraduadas, compuestas de fragmentos de piedra, grava, arena y materialligante poco plástico. Se incluyen también en este grupo mezclas biengraduadas que no tienen material ligan te.

Subgrupo A-la: Comprende aquellos materiales formados predominantementepor piedra o grava, con o sin material ligante bien graduado.

Subgrupo A-lb: Incluye aquellos materiales formados predominantementepor arena gruesa bien gradada, con o sin ligante.

Grupo A-2: Comprende una gran variedad de material granular quecontiene menos del 35% del material fino.

Subgrupos A-2-4 Y A-2-5: Pertenecen a estos Subgrupos aquellos materialescuyo contenido de material fino es igualo menor del 35% y cuyafracción que pasa el tamiz número 40 tiene las mismas características delos suelos A-4 y A-S, respectivamente.Estos grupos incluyen aquellos suelos gravosos y arenosos (arena gruesa),que tengan un contenido de limo, o índices de Grupo, en exceso a losindicados por el grupo A-l. Así mismo, incluyen aquellas arenas finas conun contenido de limo no plástico en exceso al indicado para el grupo A-3.

Subgrupos A-2-6 y 1-2-7: Los materiales de estos subgrupos son semejantesa los anteriores, pero la fracción que pasa el tamiz número 40 tienelas mismas características de los suelos A-6 y A-7, respectivamente

Grupo A-3: En este grupo se encuentran incluidas las arenas finas, de playay aquellas con poca cantidad de limo que no tengan plasticidad. Este grupoincluye, además, las arenas de río que contengan poca grava y arena gruesa.

Suelos finos limo arcillosos: Contienen más de135% del material fino quepasa el tamiz número 200. Estos suelos constituyen los grupos A-4, A-S,A-6 Y A-7.

Grupo A-4: Pertenecen a este grupo los suelos limosos poco o nadaplásticos, que tienen un 75% o más del material fino que pasa el tamiznúmero 200. Además, se incluyen en este grupo las mezclas de limo congrava y arena hasta en un 64%.

Grupo A-S: Los suelos comprendidos en este grupo son semejantes a losdel anterior, pero contienen material micáceo o diatomáceo. Son elásticosy tienen un límite líquido elevado.Grupo A-6: El material típico de este grupo es la arcilla plástica. Por lo

menos el 75% de estos suelos debe pasar el tamiz número 200, pero seincluyen también las mezclas arcillo-arenosas cuyo porcentaje de arena ygrava sea inferior al 64%. Estos materiales presentan, generalmente,grandes cambios de volumen entre los estados seco y húmedo.

Grupo A-7: Los suelos de este grupo son semejantes a los suelos A-6 peroson elásticos. Sus límites líquidos son elevados.

Grupo A-7-S: Incluye aquellos materiales cuyos índices de plasticidad noson muy altos con respecto a sus límites líquidos.

Subgrupo A-7-6: Comprende aquellos suelos cuyos índices de plasticidadson muy elevados con respecto a sus límites líquidos y que, además,experimentan cambios de volumen extremadamente grandes.Las características de los diferentes grupos y subgrupos, y el procedimientode clasificación se presentan en las Tablas 3.2 y 3.3.

índice de grupo: Aquellos suelos que tienen un comportamiento similar sehallan dentro de un mismo grupo, y están representados por un determinadoíndice. La clasificación de un suelo en un determinado grupo se basa en sulímite de líquido, grado de plasticidad y porcentaje de material fino que pasael tamiz número 200. Los índices de grupo de los suelos granulares estángeneralmente comprendidos entre O y 4; los correspondientes a los sueloslimosos, entre B y 12 Y los de suelos arcillosos, entre 11 y 20, o más. Cuandose indica un índice de grupo hay que colocarlo entre paréntesis. Así, porejemplo, A-2-4 (1), quiere decir un suelo A-2-4 cuyo índice de grupo es 1.

El índice de grupo se calcula con la fórmula:

IG = (F-35) [0.2 + 0.005 (LL-40)] + 0.01 (F-15) (IP-l O)

Donde:IG = Indice de grupoF = Porcentaje del suelo que pasa por el tamiz No. 200, expresado como número entero.LI = Límite líquidoIP = Indice de plasticidad.

El índice de grupo se puede también determinar por medio del la Figura 3.1El índice de grupo siempre se reporta aproximándolo al número entero máscercano, a menos que su valor calculado sea negativo, en cuyo caso se reportacomo cero.

2.3.2. CLASIFICACIÒN UNIFICADA DE SUELOS

Este sistema fue propuesto por Arturo Casagrande como una modificación yadaptación más general a su sistema de clasificación propuesto en el año 1942para aeropuertos.Esta clasificación divide los suelos en:Suelos de grano gruesoSuelos de grano finoSuelos orgánicos.Los suelos de grano grueso y fino se distinguen mediante el tamizado delmaterial por el tamiz No. 200.Los suelos gruesos corresponden a los retenidos en dicho tamiz y los finos alos que lo pasan, de esta forma se considera que un suelo es grueso si másdel 50% de las partículas del mismo son retenidas en el tamiz No. 200, y finosi más del 50% de sus partículas son menores que dicho tamiz.Los suelos se designan por símbolos de grupo. El símbolo de cada grupo constade un prefijo y un sufijo. Los prefijos son las iniciales de los nombres ingleses delos seis principales tipos de suelos (grava, arena, limo, arcilla, suelos orgánicosde grano fino y turba), mientras que los sufijos indican subdivisiones en dichos

grupos.

Suelos gruesosSe dividen en gravas (G) y arenas (S) y se separan con el tamiz No. 4, demanera que un suelo pertenece al grupo G, si más del 50% del peso de sufracción gruesa queda retenido en el tamiz No. 4 y pertenecerá al grupo S,en caso contrario.Tanto las gravas como las arenas se dividen en cuatro grupos (GW, GP, GM,GC) Y (SW, SP, SM, SC), respectivamente, como se explica a continuación.Gravas

• Si el porcentaje de finos, contenidos en la grava, es menor del 5% la gravapuede ser bien gradada (GW) si cumple que el coeficiente de curvatura

(Ce) presente un valor entre 1 y 3 Y el coeficiente de uniformidad (Cu) seamayor de 4, si no cumple los coeficientes anteriores la grava será malgradada (GP).En el símbolo GW, el prefijo G (gravel) se refiere a las gravas y W (Wellgraded) quiere decir bien graduado.Oe igual modo el símbolo GP indica gravas pobremente graduadas o malgraduadas (poorly graded grael).• Si el porcentaje de finos, contenido en la grava, es mayor del 12% la gravapuede ser GC si los finos son arcilla y GM si los finos son limo.El símbolo GM indica gravas limosas, en la que el sufijo M proviene del suecomo, y el símbolo GC indica gravas arcillosas. El sufijo C indica arcilla (clay).• Si el porcentaje de finos está entre 5 y 12%, se usa símbolo doble, por

ejemplo, GW-Gc.Arenas• Si el porcentaje de finos, contenido en la arena, es menor del 5%, la arenapuede ser, bien gradada (SW) si cumple que 1 <Ce <3 y Cu >6 si no cumplelos coeficientes anteriores, la arena será mal gradada (SP).• Si el porcentaje de finos, contenido en la arena, es mayor del 12%, la arenapuede ser arcillosa (SC), si los finos son arcilla, o limosa (SM) si los finosson limo.Si el porcentaje de finos está entre 5 y 12% se usa símbolo doble, porejemplo, SP - SM.los coeficientes de curvatura (Ce) y de uniformidad (Cu) que permiten

comparar y calificar granulometrías se definen así:

Suelos finosEl sistema unificado considera los suelos finos divididos en tres grupos: limosinorgánicos (M), arcillas inorgánicas (C) y limos y arcillas orgánicos (O). Cadauno de estos suelos se subdivide a su vez, según su límite líquido, en dosgrupos cuya frontera es LI = 50%. Si el límite líquido del suelo es menor de 50se añade al símbolo general la letra l (low Compresibility). Si es mayor de 50se añade la letra H (high compresibility). Obteniéndose de este modo lossiguientes tipos de suelos:Ml Limos inorgánicos de baja compresibilidad.OlClCHMHOHLimos y arcillas orgánicas de baja compresibilidad.

Arcillas inorgánicas de baja compresibilidad.Arcillas inorgánicas de alta compresibilidad.Limos orgánicos de alta compresibilidad.Arcillas y limos orgánicos de alta compresibilidad.los suelos altamente orgánicos, como las turbas, se designan con el símbolo Pt.la clasificación de los suelos finos se hace con la carta de plasticidad, Tabla3.5, en la que sus diferentes zonas aparecen delimitadas por dos líneas básicas:la línea A que separa las arcillas de los limos y suelos orgánicos; la línea B que

separa los suelos de alta y baja compresibilidad.

Perfil de suelosUn perfil de suelo es una sección vertical del suelo a través de todos sushorizontes y se extiende dentro de las variaciones que pueden ocurrir en un

perfil dado.

CAPITULO 3

ESTABILIZACIÒN DE SUELOS

3.1. INTRODUCCIÒN

Con frecuencia, el ingeniero debe enfrentarse con suelos que tiene queutilizar para una obra determinada y cuyas características le obligan a tomaralguna de las siguientes posibles decisiones:

Aceptar el material tal como se encuentra, pero teniendo en cuenta en el diseño las restricciones impuestas por su calidad.

Eliminar el material insatisfactorio o abstenerse de usarlo, sustituyéndolo por otro de características adecuadas.

Modificar las propiedades del material existente para hacerlo capaz decumplir en mejor forma los requisitos deseados o, cuando menos, que lacalidad obtenida sea adecuada.

La última posibilidad es la que da origen a la estabilización de suelos, que esel tema al cual se refiere este capítulo.Las propiedades de un suelo se pueden alterar por cualquiera de los siguientesprocedimientos:

Estabilización por medios mecánicos, de los que la compactación es el más conocido, pero entre los que las mezclas de suelos se utilizan también muy frecuentemente.

Estabilización por drenaje. Estabilización por medios eléctricos, de los que la electrósmosis y la

utilización de pilotes electrometálicos son probablemente los mejor conocidos.

Estabilización por empleo de calor y calcinación. Estabilización por medios químicos, generalmente lograda por la adición

de agentes estabilizantes específicos, como el cemento, la cal, el asfalto u otros.

Teniendo en cuenta la variabilidad de los suelos y la composición de losmismos, es de esperarse que cada método resulte sólo aplicable a un númerolimitado de ellos.Las propiedades de los suelos que deben ser tenidas en cuenta por elingeniero, son las siguientes:

Estabilidad volumétrica Resistencia

Permeabilidad Compresibilidad Durabilidad

3.1.1 ESTABILIDAD VOLUMETRICA

La expansión y contracción de muchos suelos, originadas por los cambios dehumedad, se pueden presentar en forma rápida o acompañando a lasvariaciones estacionales o con la actividad del ingeniero. Por tanto, si lasexpansiones que se desarrollan debido a un incremento de humedad no secontrolan en alguna forma, estas presiones pueden ocasionar graves deformacionesy rupturas en el pavimento y, en general, en cualquier obra. Es porello que resulta necesario detectar los suelos expansivos, su composición y eltratamiento más adecuado.Actualmente, las soluciones para evitar cambios volumétricos en suelosexpansivos consisten en introducir humedad al suelo en forma periódica,aplicar cargas que equilibren la presión de expansión, utilizar membranasimpermeables y apoyar la estructura a profundidades tales, que no se registrevariación estacional en la humedad. Otro medio podría consistir en modificarla arcilla expansiva transformándola en una masa rígida o granular cuyaspartículas estén lo suficientemente ligadas para resistir la presión expansivainterna de la arcilla, lo cual puede lograrse por medios químicos o térmicos.En estos casos, cuando la capa a estabilizar sea de poco espesor, deberátenerse en cuenta que el suelo subyacente es aún susceptible de expandirse,pero tales movimientos podrían tolerarse, siempre y cuando la capa estabilizadase mueva en forma uniforme.

3.1.2. RESISTENCIA

La resistencia de los suelos, con algunas excepciones, es en general más bajacuanto mayor sea su contenido de humedad.Los suelos arcillosos al secarse, alcanzan grandes resistencias teniéndoseinclusive la condición más alta de resistencia cuando se calientan a temperaturasmuy elevadas como sucede en la fabricación de tabiques y ladrillos.Existen casos en donde la disminución de la humedad puede significarreducción en la resistencia, pues se han presentado casos de deslizamientosde tierra provocados por arcillas que se secaron y se agrietaron, provocandocon ello que el comportamiento del material sea el de un suelo friccionanteque puede tener menor resistencia que si se considera como cohesivo ahumedades mayores. La acción abrasiva del tránsito, por ejemplo, puedehacer que un material cohesivo se pulverice y pierda su cohesión.Por otro lado, dependiendo de la humedad y energía de compactación, sepueden lograr diferentes características de resistencia en un suelo arcilloso,

ya que un suelo de éstos compactado del lado seco en la curva de compactaciónpresenta, con la humedad de compactación, un comportamientorelativamente elástico y con una resistencia relativamente alta; mientras queeste mismo suelo compactado con una alta humedad, no obstante que supeso volumétrico seco sea alto, presentaría resistencias bajas y comportamientoplástico o viscoso: este efecto se debe, en general, a que una altahumedad produce en una arcilla efectos de repulsión entre sus partículas,propiciando con ello que la cohesión sea menor que en el caso de emplear

humedades de compactación bajas.De otra parte, se ha visto que en suelos finos, tiene una importancia decisivala forma de aplicación de la energía de compactación, sobre todo cuando seemplean humedades más altas que la óptima pues, por ejemplo, la energíaaplicada por impactos puede ocasionar que un suelo compactado del ladohúmedo presente resistencias del orden de hasta un cuarto de veces menorque la resistencia, que, a igualdad de circunstancias, presenta el mismo suelo

compactado en forma estática. La explicación a lo anterior reside en ladiferente estructuración que adoptan las arcillas al ser compactadas medianteprocedimientos de compactación diferentes.Algunos de los principales procedimientos para incrementar el peso volumétricode un suelo son:

Compactación mediante amasado, vibración o impactos. Vibroflotación. Precarga. Drenaje. Adición de agentes que reduzcan la fricción y cohesión entre las

partículas.

Resulta evidente que los procedimientos que sirvan para mantener a un suelosin que se produzcan cambios volumétricos, son también adecuados paramantener la resistencia en el suelo, como lo es la adición de agentes quetransformen a un suelo fino en una masa rígida o granular. Estos agentespueden ser químicos o térmicos teniendo entre los primeros al cemento

Portland y la cal como los más comunes.

3.1.3. PERMEABILIDAD

No es difícil modificar substancialmente la permeabilidad de formaciones desuelo por métodos tales como la compactación, la inyección, etc. En materialesarcillosos, el uso de defloculantes (por ejemplo, polifosfatos) puede reducirla permeabilidad también significativamente; el uso de floculantes (muchasveces hidróxido de calo yeso) aumenta correspondientemente el valor de lapermeabilidad.En los suelos la permeabilidad se plantea, en términos generales, en dosproblemas básicos, como lo son el relacionado con la disipación de laspresiones de poro y el relacionado con el flujo del agua a través del suelo. Eltener presiones de poro excesivas puede originar deslizamientos en explanaciones

y el flujo de agua puede originar tubificaciones y arrastres.Si se compacta un suelo arcilloso con humedades muy bajas o prácticamenteen seco, se obtendrá finalmente una alta permeabilidad en el suelo debido alos grumos que no se disgregan, resistiendo al esfuerzo de compactación ypermitiendo con ello que se forme una gran cantidad de vacíos intersticiales.Mientras más alta sea la humedad de compactación se producirán menorespermeabilidades en el suelo compactado, ya que éste tiene mayores oportunidades

de deformarse, eliminándose así grandes vacíos.

3.1.4. COMPRESIBILIDAD

Los cambios en volumen o compresibilidad, tienen una importante influenciaen las propiedades de los suelos, pues se modifica la permeabilidad, se alteranlas fuerzas existentes entre las partículas tanto en magnitud como en sentido,lo que tiene una importancia decisiva en la modificación de la resistencia delsuelo al esfuerzo cortante y se provocan desplazamientos.En el caso de arcillas saturadas, si no se permite el drenaje y se aplicanesfuerzos, éstos serán tomados por el agua. En el momento en que se permitael drenaje, los esfuerzos son transmitidos gradualmente al esqueleto o estructuradel suelo; este proceso produce una compresión gradual de dichaestructura, fenómeno conocido como consolidación.Ahora bien, la compresibilidad de un suelo puede presentar variacionesimportantes, dependiendo de algunos factores tales como la relación de la

carga aplicada respecto a la que el suelo soportaba anteriormente, tiempo

de aplicación de la carga una vez que se ha disipado la presión de poro enexceso de la hidrostática, naturaleza química del líquido intersticial, aunadosestos factores a los originados por el muestreo, sensitividad del suelo y aúnla forma de ejecutar las pruebas que se utilizan para estudiar la consolidación.

Es un tanto obvio que al remoldear un suelo se modifica su compresibilidad,por lo que esta característica se puede modificar mediante procedimientosde compactación. Se ha encontrado que la humedad de compactación tieneuna gran importancia en la compresibilidad de suelos compactados, pues sise compactan dos especímenes al mismo peso volumétrico pero uno en larama seca de la curva de peso volumétrico contra humedad y el otro en larama húmeda, se tendrá que para presiones de consolidación bajas elespecímen compactado del lado húmedo será más compresible debido a quesu estructura se encuentra más dispersa, pero para grandes presiones se tienencolapsos y reorientaciones en la estructura del especímen que se encuentraen el lado seco, lo cual provoca que éste sea ahora más compresible. Bajopresiones muy altas, ambas muestras llegan a la misma relación de vacíos ya

que se llega a una orientación similar.

3.1.5. DURABILIDAD

Se involucran en este concepto aquellos factores que se refieren a la resistenciaal intemperismo, a la erosión o a la abrasión del tráfico; de esta manera,los problemas de durabilidad en las vías terrestres suelen estar muy asociadosa suelos situados relativamente cerca de la superficie de rodamiento. En rigor,estos problemas pueden afectar tanto a los suelos naturales como a losestabilizados, si bien en estos últimos los peores comportamientos suelen serconsecuencia de diseños inadecuados, tales como una mala elección delagente estabilizador o un serio error en su uso, tal como podría ser el casocuando se ignora la bien conocida susceptibilidad de los suelos arcillososestabilizados con cemento a la presencia de sulfatos.Actualmente, una deficiencia importante en los estudios de las estabilizacioneses la carencia de pruebas adecuadas para estudiar la durabilidad.Las pruebas de intemperismo a veces no son adecuadas para el estudio deagregados para pavimentos por no reproducir en forma eficiente el ataque aque estarán sujetos. En las pruebas con aplicación de efectos cíclicos, no setiene aún una correlación precisa entre el tránsito y las pruebas en que sesomete a los especímenes a efectos de secado y humedecimiento que sonmás bien de orden cualitativo que cuantitativo. La durabilidad es, pues, unode los aspectos más difíciles de cuantificar y la reacción común ha sido la de

sobrediseñar, lo cual a veces puede no ser lo más adecuado.