PROPIEDADES ÍNDICES DE LOS SUELOS

PROPIEDADES ÍNDICES DE LOS SUELOS Ing. Geól. Javier Ramos Madrid1 E-mail: [email protected] El suelo se ha definido de la manera más simple como un “ acumulación de partículas minerales sin cementación o muy poco cementados”, este concepto no incluye aquella porción (volumen o peso) de los suelos que no son partículas minerales, es decir, no incluye los materiales o sustancias que puedan impregnar u ocupar los espacios vacíos de la masa de suelo. En este capitulo analizaremos el hecho de que el suelo debe ser considerado como un material trifásico constituido por una matriz o esqueleto de partículas minerales (sólidas), cuya conexión intrínseca va a definir la estructura del suelo y que se encuentran rodeadas por espacios llenos de agua o aire. Si se quieren describir completamente las características de un suelo es necesario expresar la mezcla de sólidos, agua y aire en función de algunas propiedades físicas de uso común.

Fases de los Suelos Símbolos y Definiciones En los suelos se distinguen 3 fases constituyentes • La Sólida: formado por las partículas minerales del suelo (incluyendo la capa sólida absorbida) • La Líquida: por el agua (libre específicamente) aunque pueden existir otros líquidos de menor significación. • La Gaseosa: comprende sobre todo el aire, si bien pueden estar presentes otros gases

Ing. Geól. Javier Ramos Madrid

(vapores sulfurosos, anhídrido carbónico, etc…)

La capa viscosa de agua absorbida que presenta propiedades intermedias entre la fase sólida y líquida suele incluirse en esta última pues es susceptible a desaparecer cuando el suelo es sometido a una fuerte evaporación (secado). Las fases líquida y gaseosa del suelo suelen comprenderse en el Volumen de Vacíos, mientras que la fase sólida constituye el Volumen de los Sólidos. 1

Profesor Adscrito al Departamento de Geotecnia de la Escuela de Ciencias de la Tierra de la Universidad de Oriente Venezuela

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Se dice que un suelo está totalmente saturado cuando todos sus vacíos están ocupados por agua. En tales circunstancias el suelo consta de solo dos fases constituyentes; la Sólida y la Líquida.

Volúmenes

Pesos

Va

FASE GASEOSA

Wa=0

Vw

FASE LÍQUIDA

Ww

Vs

FASE SÓLIDA

Ws

Vv Vm

Wm

Figura -1-

La figura -1- representa el esquema de una muestra de suelo, en el que aparecen las fases principales, así como los conceptos de uso más común con sus símbolos: Donde : Vm= Volumen total de la muestra de suelo (volumen de la masa de suelo) Vs= Volumen de la fase sólida de la muestra (volumen de sólidos) Vv= Volumen de vacíos de la muestra de suelo (volumen de vacíos) Vw= Volumen de la fase líquida contenida en la muestra (volumen de agua)


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

Wm= Peso total de la muestra de suelo (peso de la masa de suelo) Ws= Peso de la fase sólida de la muestra de suelo (peso de los sólidos) Ww= Peso de la fase líquida de la muestra (peso del agua) Wa= Peso de la fase gaseosa de la muestra convencionalmente considerado nulo en mecánica de suelos


Para obtener el peso de los sólidos de una muestra de suelo, como es de suponerse se obtiene eliminando la fase líquida que ocupa la muestra de suelo.

Ws = Wm – Ww

-1-

Se presenta un problema a la hora de definir el peso de los sólidos, debido a que la película de agua absorbida no desparece por completo al someter al suelo a una evaporación al horno, a temperaturas prácticas. Este problema está convencionalmente resuelto en Mecánica de Suelos al definir como estado seco de un suelo: “Al que se obtiene al someter a un suelo a un proceso de evaporación en un horno con temperaturas de 105ºC a 110ºC y durante un periodo suficiente para llegar a peso constante, lo cual se logra por lo general en 18 o 24 horas”. De la figura -1- podemos obtener las siguientes relaciones:

Vt = Vm = Vv + Vs ^ Vv = Vw + Va Vt = Vw + Va + Vs Wm = Ws + Ww + Wa

-20

Wm = Ws + Ww

-3-


Relaciones de Pesos y Volúmenes: En Mecánica de Suelos relacionamos el peso de las distintas fases del suelo con sus volúmenes, por medio del concepto de Peso Específico, es decir, de la relación entre el peso de la sustancia y su volumen. Podemos distinguir los siguientes pesos específicos:

γ

0 = Peso específico del agua destilada, a 4ºC de temperatura y a la presión atmosférica al nivel del mar (1 atm).

γ

w

= Peso específico del agua a las condiciones reales de trabajo.


Este valor difiere muy poco del γ 0 y en muchas cuestiones prácticas se pueden tomar como iguales. γT = γm = Peso específico de la masa del suelo

γ

o bien; γT =

Wm Vm

-4-

Ws + Ww Ws + Ww = Vs + Vv Vs + Vw + Va

-5-

T

= γ

m

=

γs = Peso específico de la fase sólida del suelo γ

s

=

W V

s

-6-

s

El Peso Específico Relativo: Se define como la relación entre el peso específico de una sustancia y el peso específico del agua 4ºC, destilada y sujeta a una atmósfera de presión. En sistemas de unidades apropiadas, su valor es idéntico al módulo del peso específico correspondiente. Gmt =

w γT = m γ O Vm γ o

-7-


Peso Específico Relativo de la Masa de Suelo

Gs = Peso Específico de la fase Sólida del Suelo (de los sólidos)

Gs =

γs W = s γ o Vs γ o


-8-

Relaciones Fundamentales: Las relaciones que se darán a continuación son importantísimas para el manejo comprensible de las propiedades mecánicas de los suelos y un completo dominio de su significado y sentido físico;

Porosidad (n): La porosidad de un suelo es la relación entre su volumen de vacíos y el volumen de su masa. V n = v × 100 -9Vm Esta relación puede variar de 0 (en un suelo ideal con solo fase sólida) a 100 (espacio vacío). Los valores reales suelen oscilar entre 20% y 95%.

Relación de Vacíos (e): También denominado Oquedad o Índice de Poros y es la relación entre el volumen de vacíos y el volumen de sólidos de un suelo. e =

V V

v

-10-

s

La relación de vacíos puede variar teóricamente de 0 (cero) a ∞ (valor correspondiente a un espacio vacío), en la práctica no suelen hallarse valores menores a 0,25 (arenas muy compactas con finos) ni mayores de 15, en le caso de algunas arcillas altamente compresibles. “La porosidad de una masa estable no cohesiva de esferas iguales depende de la forma en que éstas están dispuestas”.


En la disposición más densa posible, n es igual a 26% y en el estado más suelto a 47%, la porosidad de un depósito natural de arena depende de la forma de sus granos, de la uniformidad del tamaño de estos y de las condiciones de sedimentación, mas no tiene ninguna influencia en la porosidad el tamaño de las partículas que forman el material de suelo.

Correlación entre la Relación de Vacíos y la Porosidad: Considérese una muestra de suelo en representación esquemática, adoptando arbitrariamente el valor de la unidad para el volumen de sólidos; los demás conceptos aparecen calculados en base a ese dato de partida, aplicando las definiciones correspondientes. Lo anterior equivale a calcular todos los conceptos referidos a una escala de unidades tal que en ella se tenga Vs=1; el Ws puede calcularse con la expresión -8- ligeramente modificada. Si; Gs =

γs W = s γ o Vsγ o

entonces Ws = GsVsγo considerando Vs=1 Ws=Gsγo


-11-

Volúmenes

Pesos FASE GASEOSA

0

FASE LÍQUIDA

Ww

FASE SÓLIDA

Gsγ0

e 1+e

1

Figura -2-

Aplicando la definición de porosidad

n=

Vv VT

n=

e 1+ e

Del gráfico tenemos que

-12-

lo que nos define una correlación importante entre la porosidad y la relación de vacíos De 12 podemos deducir que:


e=

n 1− n

-13-

Podríamos preguntarnos del ¿por qué? Usar dos relaciones para descubrir la magnitud del volumen de vacíos dentro de la muestra de suelo. En efecto tanto la relación de vacíos como la porosidad cubren tal finalidad. El término porosidad es más antiguo y se ha usado en diferentes campos de la ingeniería civil; la Mecánica de Suelos lo ha preferido en lo referente a las arenas. Para suelos compresibles como las arcillas, es de interés conocer la variación de volumen de vacíos bajo la influencia de las cargas; en tal caso la porosidad tiene la desventaja de representar una relación entre dos variables, mientras la relación de vacíos expresa la relación entre una cantidad variable a una constante (que en el caso es el volumen de los sólidos que conforman el suelo), este valor permanecerá constante aún para suelos bajo efectos compresivos.


Grado de Saturación Sr; Sw; Gw El grado de saturación de un suelo es la relación entre su volumen de aguay el volumen de sus vacíos. Suele expresarse como %.

Sw =

Vw × 100 Vv

-14-

Varía de cero (0) para suelos totalmente secos a 100% para suelos totalmente saturados.

Contenido de Agua o Humedad (W): La humedad de un suelo es la relación que existe entre el peso de agua contenida en el mismo y el peso de su fase sólida, puede expresarse como un porcentaje:

W% =

Ww × 100 Ws

-15-

Varía teóricamente de 0 a ∞. En la naturaleza la humedad varía entre límites muy amplios. En algunas arcillas se han registrado contenidos de agua de 1200% a 1400%.

Grado de Saturación de Aire Sa; Ga : Ing. Geól. Javier Ramos Madrid

Es la relación que existe entre el Va y el Vv en un suelo.

Sa =

Va × 100 Vv

-16-

Fórmulas más útiles referentes a Suelos Saturados : Consideremos las siguientes figuras Volúmenes

e

Pesos Volúmenes Fase Líquida

eγ0

1+ e

Pesos

n

Fase Líquida

1-n

Fase Sólida

nγ0

1 1

Fase Sólida

Gsγ0

-a-

1-nGs γ0

-b-

Figura -3-. Esquema para indicación de correlaciones en suelos saturados


De estas dos figuras se pueden obtener varias relaciones muy útiles, la figura 3a considera al Vs como la unidad tal como se hizo antes; en la figura 3b se tomó como la unidad el volumen de la masa total del suelo en forma análoga.

De las figuras tenemos que

-a-

W w = eγ o

-18-

Vv como consideramos Vs=1 ⇒ e = Vv y como se considera Vs el suelo totalmente saturado de agua, sabemos que Vw = Vv entonces si: Ing. Geól. Javier Ramos Madrid

En -10- dijimos que e =

Ww = eγ 0 ⇒ Ww = Vv

Ww ⇒ Ww = Ww ⇒ efectivamente Ww = eγ 0 VW

De -3ª- y usando -15- también podemos obtener

W =

-18-

Ww eγ 0 ⇒W = ⇒ e = WGs -19Ws Gsγ 0

-19- Es una relación fundamental en suelos saturados Usando -4- ^

-5- en 3a y 3b podemos obtener:

G (1 + W ) G +e γ m = Gm + γ 0 =  s γ0 γ 0 = s 1 + GsW  1+ e 

-20-

γ m = [n + (1 − − n )G s ]γ 0 Gmt =

Gs + e Gs (1 + w) = n+e 1 + GsW

Gmt = n + (1 − n )Gs

-21-

-22-

-23-

Fórmulas estas -20- a -23- muy usadas para el cálculo de los pesos específicos en función de diferentes datos muy comunes en la práctica.


Fórmulas más útiles referentes a Suelos Parcialmente Saturados Consideremos: Volúmenes

Pesos Volúmenes Fase Gaseosa

0

Fase Líquida

WGdγ0

Fase Sólida

Gsγ0

e 1+ e

1

e G sγ 0

1 Gs γ 0

-a-

Pesos Fase Gaseosa

0

Fase Líquida

W

Fase Sólida

1

-b-


Figura -4En la figura -4- aparecen dos esquemas de suelos parcialmente saturados; el -a- es análogo al de la figura -2- y el -b- está obtenido haciendo unitario el peso de los sólidos. Al considerar unitario el Ws; el peso de agua Ww resulta ser numéricamente igual al contenido de agua por definición de este concepto.

Aplicando a los esquemas a y b de la figura -4- las definiciones -4-;-7-;-14-, se tiene:

γ mT =

Si

GmT =

γ mT γ0

1+W γs 1+ e

1+W Gs 1+ e

-27-

Ww ⇒ Vw = WGs Vw

-28-

de -7- entonces GmT =

De -4a-, si Ww = WGsγ 0 ⇒ Ww = WGs

Vv = e ∴ S w =

-26-

WGs e


-29-

Peso Específico Seco y Saturado:


El peso específico seco es un valor particular del γmT para el caso de que el grado de saturación del suelo sea nulo:

γ

W V

=

d

s

-30T

Y el peso específico saturado es el valor de γ mT cuando la Sw=100%

γ sat =

Ws + Ww VT

-31-

Fórmulas más útiles referidas a Suelos Sumergidos: Atención especial debe dársele al cálculo de pesos específicos de los suelos situados bajo el nivel freático (BNF); en tal caso el empuje hidrostático ejerce influencia en los pesos, tanto específicos como específicos relativos. El peso específico de la materia sólida sumergida es:

G s ′ = Gs − 1

-32-

Pues el empuje hidrostático neto es el peso en agua del volumen desalojados por los sólidos. Análogamente Ing. Geól. Javier Ramos Madrid

G

mT ′

= G

−1

mT

-33-

los pesos específicos correspondientes son:

γ s ′ = G s ′γ 0 = γ s − γ 0

-34-

γ m′ = G mT ′γ 0 = γ m − γ 0

-35-

En la figura -3- puede obtenerse, teniendo en cuenta -34- y -35- que: γ

m ′

=

Gs − 1 γ 1 + e

0

=

Gs − 1 γ 1 + G sW

Y también:

γ

m ′

=

G

s

− 1

G

s

γ

0

d


-36-

-37

Fórmulas Complementarias Para cualquier condición de una masa de suelo se cumple lo siguiente:

eS

w

= G sW

-38-

γ mT = γ d (1 + W )

-39-

Si consideramos para un suelo parcialmente saturado VT=1

γ T = γ 0 [(1 − n )Gs + nS r ]

Si el suelo está seco

∴ γ T = [γ 0 (1 − n )Gs ]

Si el suelo está saturado

∴γr =γ0[(1−n)Gs +n]

-

Compactación de los Suelos : Se entiende por compactación de los suelos el mejoramiento artificial de sus propiedades mecánicas por medios mecánicos. La importancia de la compactación estriba en el aumento de la resistencia y disminución de la capacidad de deformación que se obtiene al someter al suelo a técnicas convenientes que aumenten su peso específico seco, disminuyendo sus vacíos. Por lo general las técnicas de compactación se aplican a rellenos artificiales, tales como: cortinas de presas de tierra, diques, terraplenes para caminos y ferrocarriles, bordes de defensa, muelles, pavimentos, etc… Los métodos usados para la compactación de los suelos dependen de los tipos de materiales con los que se trabaje en cada caso así para los materiales puramente friccionantes, como las arenas se compactan eficazmente por métodos vibratorios, en tanto que en los suelos plásticos el procedimiento de carga estática resulta el más ventajoso.


Existen muchos factores que pueden influir en la compactación de un suelo obtenida en un caso dado pero podría decirse que solo dos son los más importantes: • El contenido de agua del suelo antes de iniciarse el proceso de compactación y: • La energía específica empleada en dicho proceso.


Energía Específica : Es la energía de compactación suministrada al suelo por unidad de volumen. Los objetivos de las pruebas de compactación en el laboratorio son principalmente: • Disponer de muestras de suelo compactada teóricamente con loas condiciones de campo a fin de investigar sus propiedades mecánicas para conseguir datos firmes de proyecto. • Por otro lado es necesario poder controlar el trabajo de campo, con vista a tener la seguridad de que el equipo usado está trabajando efectivamente en las condiciones previas al proyecto.

Visión práctica del concepto de Compactación de un Suelo:

Suelo Suelto o Natural

VT = Vv + Vs Al compactar: VTCOMPACTADO

VTC = Vs + Vvc Es evidente que al compactar una muestra de suelo, tendremos la variación del VT de la muestra y esto se debe a la variación de volumen de vacíos de la muestra.

Vvsuelo 〉Vvcompactado ⇒ VTsuelto 〉VTcompactado Como las partículas sólidas que conforman son incompresibles ⇒ que el volumen que ocupan estos sólidos permanecerá constante ⇒ Vs = Ctte . Si el Vv varía esto implica una variación en e y n


ec =

V vc Vs

nc =

-51-

V vc V Tc

-52-

Y vamos a tener variación en todas las relaciones que involucren al Vv y VT; tenemos que: Suelo Estado Suelto

γs Ing. Geól. Javier Ramos Madrid

Gs Ws Vs Vt Vv

e n Sr

γT γd GmT

Suelo Estado Compacto = = = = ≠ ≠ ≠ ≠ ≠ ≠ ≠ ≠

γs Gs Ws Vs Vtc Vvc

ec nc Src

γTc γdc GmTc

Y para este caso se cumple la siguiente igualdad

γdsuelto VTsuelto= γdcompacto VTcompacto

(Demostrar)

La Compacidad: Se refiere al grado de acomodo alcanzado por las partículas del suelo, dejando más o menos vacíos entre ellos. En un suelo muy compacto, las partículas sólidas que lo constituyen tienen un alto grado de acomodo y la capacidad de deformación bajo carga del conjunto será pequeña. Debido a que la forma de las partículas y la uniformidad de la granulometría influyen notablemente sobre la porosidad, su valor numérico en realidad no es suficiente para juzgar la compacidad del suelo. Esta puede ser determinada comparando la porosidad actual co las de los estados más sueltos y más denso del mismo suelo. La compacidad de una arena o de una grava se puede representar por su densidad relativa mediante la siguiente expresión:

ID =

e max e max

− e − e min


-54-

Donde: emax : relación de vacíos en el estado más suelto emax : relación de vacíos en el estado más denso e : relación de vacíos en el estado actual

Si queremos expresar la compacidad relativa o densidad relativa en función de la porosidad:


Dn =

n max − n n max − n min

-55-

Estos dos valores ID y Dn ; para la misma relación de vacíos, son diferentes:

Dn 1 + e min = ID 1+ e

1

-56-

En el caso de los suelos cohesivos la densidad relativa no puede ser definida según la ecuación 54- debido a que la relación de vacíos en el estado más suelto no puede ser determinada experimentalmente en forma unívoca. Por esta razón para indicar la compacidad de estos suelos se emplea el grado de compactación.

Dγ = %C =

Donde:γd=Peso unitario seco =

γ dinsitu ×100 γ d max

-57-

Ws VT

γdmax=Peso unitario máximo obtenido en el ensayo de compactación, depende de carácter de la curva granulométrica, de la forma y del tamaño de las partículas y también de influencias químicas.

Si γ

d

=

γ s 1 + e

podemos escribir

%C =

1+ emin Dn = 1+ e ID


-58-

si Sw=100% γ

d

=

γs Wγs 1+ γ 0S w

También:


DR =

-59-

γ

d

=

γ s W γ 1 + γ 0

γ d max γ d − γ d min ×100 × γ d γ d max − γ d min

Investigar: Ensayos de compactación en el laboratorio. Proctor Normal y Modificado.

Examen Práctico Nº1


-60s

-61-

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