Apuntes de Mecanica de Suelos Unidad 1

Apuntes de Mecánica de Suelos Ing. Eduardo López Sánchez Instituto Tecnológico de Tehuacán

APUNTES DE MECANICA DE SUELOS

OBJETIVO GENERAL DEL CURSO:

Aplicar los conocimientos sobre las propiedades índice, hidráulicas y mecánicas de los suelos para comprender su comportamiento y utilizarlos adecuadamente en los proyectos de Ingeniería Civil. Tomar decisiones, con base en los elementos teóricos adquiridos, adquiridos, que permitan permitan el mejor empleo empleo de los suelos en la construcción de obras civiles.

TEMARIO:

1. Generalidades Generalidades

2. Relaciones volumétricas volumétrica s y gravimétricas gravimétrica s

3. Clasificación e identificación de los suelos 4. Propiedades Propiedades hidráulicas de los suelos.

5. Consolidación Consolida ción

6. Resistencia Resistenci a al esfuerzo cortante

1.1. Formación de los suelos. Definiciones. 1.2. Importancia de la mecánica de suelos en la ingeniería civil. 1.3. Tipos de estructuras. 1.4. Tipos de arcillas. 2.1. Fases de un suelo. 2.2. Relaciones fundamentales de las propiedades mecánicas de los suelos. 2.3. Fórmulas para determinar relaciones volumétricas y gravimétricas de suelos saturados y parcialmente saturados. 2.4. Determinación en el laboratorio del peso específico relativo de sólidos. 3.1. Granulometría. Granulometría. 3.2. Plasticidad. 3.3. Sistemas de clasificación. 4.1. Flujo laminar y flujo turbulento. 4.2. Ley de Darcy y coeficiente de permeabilidad. 4.3. Métodos para medir el coeficiente de permeabilidad de los suelos. 4.4. Factores que influyen en la permeabilidad de los suelos. 5.1. Distribución Distribuci ón de presiones efectivas neutras y totales. 5.2. Teoría de consolidación (analogía mecánica de Terzaghi). 5.3. Prueba de consolidación unidimensional. 5.4. Ecuación diferencial de la consolidación consolidación unidimensional. 5.5. Factores que influyen en el tipo de consolidación. 5.6. Determinación de 0%, 50% y 100% de consolidación. 5.7. Determinación de carga de pre consolidación. 5.8. Consolidación primaria de un estrato arcilloso y determinación de los coeficientes de compresibilidad, compresibilidad, variación volumétrica volumétrica unitaria, consolidación, permeabilidad y factor tiempo, necesarios para el análisis de asentamientos. 5.9. Estudio general de la consolidación secundaria. 6.1. Estado de esfuerzos y deformaciones deformacione s planas. 6.2. Aplicación de la teoría del polo en el círculo de Mohr. 6.3. Relaciones de esfuerzos principales. 1


7. Mejoramiento mecánico de los suelos

6.4. Pruebas de laboratorio para determinar la resistencia al esfuerzo cortante. 6.5. Pruebas de campo para determinar la resistencia al esfuerzo cortante in situ. 6.6. Teorías de presión de poro o presión neutra. 7.1. Factores que intervienen en el proceso de compactación. 7.2. Pruebas de compactación en el laboratorio. 7.3. Determinación de pesos específicos secos en campo.

FUENTES DE INFORMACIÓN

1. Juárez Badillo y Rico Rodríguez, Mecánica de suelos Tomo I, Limusa. 2. Crespo Villalaz, Carlos, Mecánica de suelos y cimentaciones, Limusa. 3. Lambe, T.W. y R. Withman, Mecánica de suelos, Limusa. 4. Terzaghi, K. Y R.B. Peck, Mecánica de suelos en la ingeniería práctica, Ateneo 5. Manual de PEMEX, PEMEX 6. Ramírez Rascón A., Ejercicio sobre el comportamiento de los suelos, UNAM 7. Rico Rodríguez y Del Castillo, H., Mecánica de suelos aplicada a las vías terrestres, Limusa 8. Martínez Cruz, A.I., Exploración muestreo y ensaye de suelos, I.P.N. 9. Bowles, Manual del laboratorio de suelos, M c Graw Hill 10. Braja M. Das, Fundamentos de Ingeniería Geotécnica, Ed. Thompson, 2001 11. Comisión Nacional del Agua, Manual de Mecánica de suelos. IMTA. 12. González de Vallejo Luis I., Ingeniería Geológica, Edit Pearson, 2012

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1. GENERALIDADES. 1.1 Form ación de lo s suelos. Defi niciones.

El suelo es producto del intemperismo , es decir, la fractura y rompimiento de varios tipos de rocas en piezas más pequeñas mediante procesos mecánicos y químicos. Algunos suelos permanecen donde se forman y cubren la superficie rocosa de la que se derivan y se llaman suelos residuales. En contraste, algunos productos intemperizados son transportados por medios de procesos físicos a otros lugares y depositados. Éstos se llaman suelos transportados. Según el agente de transporte, se subdividen en tres categorías principales: 1. 2. 3.

Aluviales o fluviales: depositados por agua en movimiento. Glaciales: depositados por acción glaciar. Eólicos: depositados por acción del viento.

En adición a los suelos transportados y residuales, las turbas se derivan de la descomposición de materiales orgánicos encontrados en áreas de poca altura donde el nivel freático está cerca o arriba de la superficie del terreno. La presencia de un nivel alto del agua freática ayuda o soporta el crecimiento de plantas acuáticas que al descomponerse, forman turba. Cuando un porcentaje relativamente grande de turba se mezcla con suelo inorgánico, se le denomina suelo orgánico . Estos suelos orgánicos tienen la característica de un contenido natural de agua de entre 200% y 300%, y son altamente compresibles. Las pruebas de laboratorio muestran que, bajo carga, se obtiene un gran asentamiento debido a la consolidación secundaria de los suelos orgánicos. Durante la planificación, diseño y construcción de cimentaciones, terraplenes y estructuras de retención, los ingenieros deben reconocer el origen de los depósitos de los suelos sobre los que se construirán las cimentaciones debido a que cada depósito de suelo tiene atributos físicos propios y únicos. Ori gen y Fo r ma ci ón de l os Suel os (Ingeni er ía Geol ógica –Lui s I. Gonzál ez d e Val l ej o)

Los suelos tienen su origen en los macizos rocosos preexistentes que constituyen la roca madre, sometida a la acción ambiental disgregadora de la erosión en tres facetas: Físi ca ,

debida a cambios térmicos (lo que origina dilataciones diferenciales entre los diferentes minerales y da lugar a acciones y fisuras internas) y a la acción del agua (arrastres de fragmentos ya erosionados; posible acción directa por congelación, que produce tensiones internas por el aumento de volumen del hielo respecto al agua; acción alternante de humedad-sequedad a lo largo del tiempo, etc.). Estas acciones físicas tienden a romper la roca inicial y a dividirlas en fragmentos de tamaño cada vez más pequeño, que pueden ser separados de la roca por agentes activos (agua, viento, gravedad) y llevados a otros puntos en los que continúa la acción erosiva. Es decir, tienden a crear las partículas que van a formar el suelo. Qu ími ca ,

originada por fenómenos de hidratación (por ejemplo, paso de anhidrita o sulfato hemihidratado a yeso o sulfato dihidratado), disolución (de sales, como los sulfatos en el agua), oxidación (de minerales de hierro por efecto ambiental), cementación (por agua conteniendo carbonatos previamente disueltos a partir de otra roca), etc. Esta acción, por lo tanto, tiende 3


tando a disgregar como a cementar, lo que quiere decir que puede ayudar a la acción física y, posteriormente, cementar los productos formados, dando unión química a las partículas pequeñas, tamaño suelo, que se forman, aunque la mayor parte de las veces contribuye más a destruir y transformar que a unir. Biológica , producida por actividad bacteriana, induciendo putrefacciones de materiales orgánicos y mezclando el producto con otras partículas de origen físico-químico, actuando de elemento catalizador, etc. Todo ello da lugar a fenómenos de disgregación (alteración o meteorización) y transformación de la roca, creándose el perfil de meteorización ( figura 1). En este perfil la roca madre ocupa la parte más baja y alejada de la superficie, y el suelo la más alta. Cuando el suelo permanece in situ sin ser transportado, se le conoce como suelo residual, y cuando ha sufrido transporte, formando depósitos coluviales, aluviales, etc., se denomina suelo transportado .

Figura 1. Perfil de meteorización

En la figura 2 se resumen los distintos procesos que intervienen en la formación de los suelos, caracterizados por: 







Ser un sistema particulado de sólidos de diverso origen que pueden considerarse indeformables. Tener una granulometría de gruesos (cm) a finos (micras); las partículas más finas (por debajo de las 2 ó 5 micras) necesitan procesos físico-químicos para su constitución; las de mayor tamaño solo necesitan procesos físicos aunque pueden intervenir procesos químicos. Una estructura y fábrica en función del origen de los minerales, agentes cementantes, transformaciones químicas, medio de deposición, etc. Presencia importante de huecos (poros o intersticios), con agua (suelo saturado), aire y agua (semi-saturado) o solo aire (seco), situación prácticamente inexistente en la naturaleza. El fluido intersticial se considera, a temperaturas normales, incompresible.

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Apuntes de Mecánica de Suelos Ing. Eduardo López Sánchez Instituto Tecnológico de Tehuacán 

Las deformaciones del conjunto del suelo se producen por giros y deslizamientos relativos de partículas y por expulsión del agua; sólo en raras ocasiones se producen por roturas de granos.

Figura 2. Procesos formativos de los suelos

Def in i cio nes (Int r oducci ón a l a m é cani ca d e suelos –Car lo s L. Fla mand Rdz.)

Podemos decir que la Mecánica de Suelos es la ciencia que se encarga de estudiar el comportamiento mecánico de los suelos como elemento ingenieril de soporte o constructivo de las estructuras, conociendos sus parámetros para establecer su clasificación, resistencia, deformación, comportamiento con diferentes contenidos de humedad y con respecto al tiempo. Dentro de las múltiples definiciones que existen sobre la Mecánica de Suelos en los diferentes libros de texto, la que enuncia el Ing. Carlos L. Flamand Rodríguez en su libro " Introducción a la mecánica de suelos", parece ser la más acertada y dice así: " es la ciencia que estudia e investiga las interrelaciones en el efecto de fuerzas en la forma y equilibrio entre una masa de suelo y las estructuras erigidas o que tienen relación con el propio suelo, ya sea que constituya la cimentación de una estructura o que sea usado como material de construcción, por ejemplo, en terracerías, pavimentos, puentes, presas, cortes, terraplenes, etc. "

Así mismo, en dicho libro se define el concepto de suelo, desde el punto de vista ingenieril, como: "cualquier material no consolidado compuesto de partículas sólidas, incluyendo líquidos y gases, abarcando todos los depósitos sueltos o moderadamente cohesivos hasta areniscas parcialmente cementadas y lutitas suaves."

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La Mecánica de Suelos ha sido siempre muy discutida, tanto porque el suelo es un material muy complejo de estudiar y ser sometido a un examen científico, como porque los métodos empíricos han sido usados por cientos de años; el mérito de Karl von Terzaghi consistió en darle a esta ciencia una fundamentación empírica, que hiciera concordantes los conocimientos adquiridos con la realidad de las obras. 1. 2 Imp or t anci a d e la mecáni ca de suel os en la i ngeni er ía ci vi l ( Mecánica de suelos – T . W i l l i a m La m b e )

El objetivo principal de la Mecánica de Suelos es estudiar el comportamiento del suelo para ser usado como material de construcción o como base de sustentación de las obras de ingeniería. El ingeniero civil, en el transcurso de su formación y desarrollo profesional, se enfrenta a una gran variedad de dificultades, en los que el conocimiento del estudio de los suelos es necesario. Indudablemente se aprenderá más en el campo y en la práctica, que la que puede enseñarse en las aulas o en el laboratorio de la escuela. Pero este aprendizaje será más fácil y más rápido y su aplicación más eficaz, si en sus cursos de ingeniería se incluyen los principios básicos de la geología y geotecnia. Los problemas de cimentación son esencialmente de tipo geológico. Los edificios, puentes, presas, y otras construcciones, se establecen sobre algún material natural. El conocimiento de la existencia de aguas subterráneas, y los elementos de la hidrología subterránea, son excelentes auxiliares en muchas ramas de la ingeniería práctica. La capacidad para leer e interpretar informes geológicos, mapas, planos geológicos y topográficos y fotografía, es de gran utilidad para la planeación de muchas obras. La importancia de los estudios de la mecánica de suelos radica en el hecho de que si se sobrepasan los límites de la capacidad resistente del suelo o si, aún sin llegar a ellos, las deformaciones son considerables, se pueden producir esfuerzos secundarios en los miembros estructurales, quizás no tomados en consideración en el diseño, produciendo a su vez deformaciones importantes, fisuras, grietas, alabeo o desplomos que pueden producir, en casos extremos, el colapso de la obra o su inutilización y abandono. En consecuencia, las condiciones del suelo como elemento de sustentación y construcción y las del cimiento como dispositivo de transición entre aquel y la estructura, han de ser siempre observadas, aunque esto se haga en proyectos pequeños fundados sobre suelos normales a la vista de datos estadísticos y experiencias locales, y en proyectos de mediana a gran importancia o en suelos dudosos, infaliblemente, al través de una correcta investigación de mecánica de suelos. La Mecánica de Suelos se interesa por la estabilidad del suelo, por su deformación y por el flujo de agua, hacia su interior, hacia el exterior y a través de su masa, tomando en cuenta que resulte económicamente factible usarlo como material de construcción. A un ingeniero le interesa identificar y determinar la conveniencia o no de usar el suelo como material para construir rellenos en caminos, canales de conducción y distribución de los sistemas de riego, obras hidráulicas, entre otros.

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Para esto es necesario obtener muestras representativas del suelo que se someten a pruebas de laboratorio, tomando en cuenta que el muestreo y los ensayos se realizan necesariamente sobre pequeñas muestras de población, es necesario emplear algún método estadístico para estimar la viabilidad técnica de los resultados. El ingeniero pronosticará las características de carga-deformación de rellenos naturales o compactados, que soportan cualquier construcción o como estructura de suelo. Las principales aplicaciones de la Mecánica de suelos en la ingeniería civil se presentan en las siguientes áreas: A) Cimentaciones:

Prácticamente todas las estructuras de ingeniería civil, edificios, puentes, carreteras, túneles, muros, torres, canales o presas, deben cimentarse sobre la superficie de la tierra o dentro de ella. El problema de proyectar con éxito una cimentación es mucho más amplio que la simple fijación de tamaños para las zapatas ( cimentación superficial) o la elección del número correcto y el tamaño de los pilotes ( cimentación profunda). Además, se debe evitar que se produzcan asentamientos suficientemente grandes para dañar la estructura o dificultar sus funciones. Esto implica, en ocasiones, mejoramiento del suelo de desplante, o la aceptación de asentamientos importantes en menoscabo de la funcionalidad de la obra. B) El suelo como material de construcción:

Cuando el ingeniero emplea el suelo como material de construcción debe seleccionar el tipo adecuado de suelo, así como el método de colocación y, luego, controlar su colocación en la obra. Una masa de suelo colocada por el hombre constituye un relleno o terraplén y el proceso se suele denominar rellenado o terrapleneado. Uno de los problemas más habituales en este tipo de construcción se debe a la gran diversidad de los puntos de extracción, denominados zonas de préstamo. Una parte esencial de la tarea del ingeniero es cerciorarse que las propiedades del material correspondan a las supuestas del proyecto, o modificar el proyecto durante la construcción, teniendo en cuenta cualquier diferencia entre las propiedades de la obra construida y las que se consideraron en el proyecto. C) Taludes y excavaciones:

Cuando la superficie del terreno no es horizontal existe una componente del peso que tiende a provocar deslizamientos del suelo. Existen muchos casos en los taludes naturales, terraplenes compactados y excavaciones, en que el ingeniero debe estudiar la estabilidad de un talud, comparando los esfuerzos tangenciales con la resistencia al corte a lo largo de una superficie de deslizamiento potencial, es decir, deberá realiza un cálculo de estabilidad. D) Estructuras enterradas y de retención:

Cualquier estructura construida bajo la superficie del terreno está sometida a las fuerzas que ejerce el suelo en contacto con la misma. El proyecto y construcción de estructuras enterradas o de sostenimiento constituye una faceta importante de la ingeniería civil. La determinación de las fuerzas que actúan sobre una estructura enterrada no se puede hacer en forma correcta, considerando únicamente la estructura o el terreno circundante, ya que el comportamiento de aquella dependerá del comportamiento de éste. Por tanto, el ingeniero debe tener conocimientos sobre la interacción suelo-estructura para proyectar adecuadamente las estructuras sometidas a cargas de tierra. 7


1. 3 T ip os de est r uct ur as (Ingenier ía geol ógica –Luis I. González de Va ll ej o)

Los suelos están formados por partículas sólidas, fluidos, gases y espacios vacíos, pudiéndose clasificar en función del tamaño de las partículas en dos tipos: 



Suelos de grano grueso o granulares: con tamaño de grano predominantemente superior a 0.075 mm, formados principalmente por cuarzo, feldespato y calcita; y sulfatos, sales y vidrios volcánicos, con menos frecuencia. Suelos de grano fino o suelos finos: con un porcentaje superior al 50% de tamaño igual o inferior a 0.075 mm, formados principalmente por limos y minerales de arcilla, como caolinitas, ilitas, esmecticas y materia orgánica, entre otros.

Ambos tipos de suelo se diferencian a partir del análisis granulométrico. Las partículas de los suelos granulares suelen comportarse de forma estable y resistente, mientras que los suelos finos forman estructuras laminares, de comportamiento muy variable, siendo geotécnicamente inestables. Los suelos granulares no son plásticos y la resistencia depende básicamente del ángulo de rozamiento interno, que a su vez está condicionado por la forma, tamaño y grado de empaquetamiento de las partículas sólidas considerándose a estos suelos como friccionantes; los suelos finos son plásticos, y la resistencia depende tanto del rozamiento interno entre las partículas sólidas, como de las fuerzas de cohesión existentes entre las mismas, por los que también se les denomina suelos cohesivos. Otras propiedades como la densidad, porosidad, cambio de volumen, compresibilidad, etc., dependen igualmente de los factores geológicos que se enumeran en la tabla 1. Tabla 1.

Factores geológicos condicionantes de las propiedades geotécnicas de los suelos

Factores geológicos 

Tipo de suelo





Ambiente de formación

   

Composición mineralógica

 



Fábrica del suelo y transformaciones postsedimentarias

   

Características principales Suelos residuales y roca madre. Suelos transportados y medio de transporte. Granulometría y porosidad. Contenido de humedad. Geoquímica del agua intersticial. Presión de confinamiento y temperatura. Porcentaje de minerales de arcilla. Fórmula estructural. Superficie específica, carga eléctrica e intercambio iónico. Estructura y microfábrica de suelo. Discontinuidades. Meteorización. Cambios diagenéticos. Consolidación y carga de sedimentos.

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La microfábrica de los suelos arcillosos se refiere al ordenamiento o disposición espacial de las partículas, al grupo de partículas, sus poros, discontinuidades y demás elementos presentes en el suelo. La fábrica está directamente relacionada con el grado de orientación de los elementos del suelo, su porosidad y densidad, y condiciona otras propiedades de gran importancia como la resistencia, la compresibilidad y la permeabilidad. En función de las condiciones de suspensión, especialmente la concentración de electrolitos, los minerales de arcilla pueden adoptar las siguientes formas de asociaciones elementales: “cara-cara”, “cara-borde”, “borde-borde”. En condiciones de alta concentración de iones, las fuerzas eléctricas netas entre las partículas adyacentes son predominantemente atractivas, produciéndose el fenómeno de la floculación. Esta asociación consiste en una estructura abierta y voluminosa con grandes poros, típica de suelos marinos y lagos salobres. Por el contrario, cuando la concentración de electrones es baja, los minerales de arcilla tienden a cargarse negativamente, tanto en su superficie como en su borde. En este caso aumenta la doble capa difusa y, por tanto, predominan las fuerzas eléctricas de repulsión entre las partículas adyacentes, produciéndose el fenómeno de la dispersión. El resultado es una estructura densa y alargada, en donde las capas de arcilla no están en contacto debido al predominio de las fuerzas repulsivas. La estructura dispersa es característica de los sedimentos lacustres de agua dulce y de los depósitos fluviales.

Estructura floculante

Estructura dispersa

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En función del tipo de asociación elemental de partículas, y de los distintos factores ambientales que intervienen en el sedimento, los suelos arcillosos presentan múltiples tipologías de microfábrica, algunas de las más características son las siguientes: Tipo de fábrica Turbostrática o regular

Laminar u orientada

Panal de abeja

Esqueletal

Oolítica o nodular

Estructura Matriz arcillosa continua y compacta; estructura muy densa sin orientación preferente; característica de sedimentos marinos sobreconsolidados Matriz homogénea formada por láminas de arcilla orientadas según una dirección preferente; estructuras compactas y anisótropas. Estructuras abiertas formadas por flóculos de partículas de arcilla unidas entre sí por fuerzas de adherencia. Presenta gran cantidad de poros intercomunica-dos y es característica de medios salinos y suelos susceptibles. Organización metaestable de fragmentos y agregados de arcilla unidos mediante conectores de larga distancia; abundan los poros y conectores; características de suelos meteorizados y colapsables. Constituida por nódulos o agregados esféricos, que pueden formar un empaquetamiento denso; característica de medios continentales ricos en óxidos de hierro.

Porosidad

Resistencia

Baja

Muy alta

Muy baja

Dependiente de la orientación

Alta

Alta en estado inalterado Muy baja en estado remoldeado

Muy alta

Baja

Baja

Alta

Colapsibilidad

No

No

Posible

Posible

Baja

Susceptibilidad

Implicaciones geotécnicas

No

Características de arcillas sobreconsolidadas. Planos de discontinuidades profundas.

No

Planos de rotura según orientaciones preferentes. Presencia de discontinuidades profundas.

Muy alta

Suelos inestables con formación de deslizamientos tipo flujo. Arcillas rápidas.

Alta

Suelos meteorizados y residuales. Rápida alteración en taludes. Suelos inestables.

Alta

Anomalías en los resultados de los ensayos de identificación y en otras propiedades de los suelos tropicales.

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1. 4 T ip os de ar cil l as (Ingenier ía geol ógica –Luis I. González d e Val lej o)

Los minerales de arcilla son silicatos hidratados de alumnio. Se clasifican dentro del grupo de los filosilicatos, caracterizados por su estructura en capas. Existe una amplia gama de familias de minerales con propiedades físicas y químicas muy diversas, aunque la mayoría tienen en común hábitos con morfologías aplanadas y exfoliación perfecta entre láminas, como consecuencia de su estructura en capas, como se muestra en los siguientes grupos y esquemas: tienen una composición    () con una capa tetraédrica ocupadas por  y una octaédrica ocupada por  con un espesor de 7Å; se trata por lo tanto de minerales dioctaédricos que apenas presentan sustituciones isomórficas, aunque se diferencian varias especies en función del grado de desorden en el apilamiento de las capas. La caolinita cuando está bien ordenada aparece formando columnas pseudo hexagonales. La haloysita pertenece a este grupo, muestra alto grado de desorden y presenta frecuentemente morfologías tubulares, y en otros casos formas irregulares o globulares. Grupo

del

Caolín:

Grupo de la Ilita: tienen un espaciado basal de 10 Å con

una carga laminar comprendida entre 0.9-0.7, mostrando muchas similitudes con las micas, especialmente con la moscovita. La composición es muy variada, hasta el punto de ponerse en duda su existencia como mineral en rocas sedimentarias, hablándose de minerales ilíticos. Sin embargo, se mantiene el nombre por sus implicaciones en los interestratificados con las esmectitas. Una fórmula media simplificada tendría la siguiente composición: . ( ... )(. . ) ()

Las partículas detriticas tienen morfologías densas planares, aunque se han descrito ilitas fibrosas de origen diagenético en areniscas. tienen una composición   () con dos capas tetraédricas ocupadas por  y una octaédrica ocupada por  . Se caracterizan por tener una carga laminar comprendida entre 0.6 y 0.3; así como la presencia de cationes débilmente hidratados, lo que favorece la penetración de moléculas de agua. Entre las esmectitas dioctaédricas la montmorillonita es el mineral más frecuente. Grupo

de

las

Esmectitas:

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Apuntes de Mecanica de Suelos Unidad 1

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