Relaciones peso-volumen y plasticidad Introducción En el ambiente, el suelo se compone de materia en estado sólido, líquido y gaseoso. Es importante conocer el volumen de vacíos en un suelo dado y su contenido de humedad para determinar su peso unitario en el campo. Este capítulo describe las relaciones de pesovolumen para suelos, es decir, las relaciones entre unidad de peso, relación de vacíos, porosidad, contenido de humedad y la gravedad específica de sólidos del suelo. La presencia de minerales de arcilla en un suelo afecta sus p ropiedades físicas, tales como la permeabilidad (es decir, el flujo de agua a través del suelo), compresión y la fuerza de corte. En la última parte del capítulo se discutirá la consistencia arcillosa del suelo, que es su comportamiento con el cambio en el contenido de humedad. Esta consistencia de suelo de arcilla es un parámetro necesario para la clasificación del suelo. Relaciones peso-volumen La figura 3.1a muestra un elemento de suelo de volumen V y el peso W , ya que existiría en un estado natural. Para desarrollar las relaciones de peso-volumen, se separan las tres fases (sólido, agua y aire (figura 3.1b.)) Por lo tanto, el volumen total de una muestra de suelo dado puede ser expresado como:
Suponiendo que el peso del aire es insignificante, podemos dar el peso total de la muestra como:
Relaciones de volumen Las relaciones de volumen de uso común para las tres fases en un elemento de suelo son la relación de vacíos, la porosidad y el grado de saturación. La relación de vacíos (e) se define como la razón del volumen de vacíos al volumen de sólidos, o:
La porosidad (n) se define como la razón del volumen de vacíos al volumen total, o:
El grado de saturación (S) se expresa habitualmente como un porcentaje. Se define como la razón del volumen de agua al volumen de vacíos, o:
La relación entre la proporción de vacíos y porosidad se puede deducir de las últimas tres ecuaciones, como sigue:
Y de esta ecuación se tiene:
Relaciones de peso Las relaciones de peso comunes son el contenido de humedad y el peso unitario (peso específico). El contenido de humedad (w ) también se conoce como contenido de agua y se define como la razón del peso de agua al peso de los sólidos en un volumen dado de suelo, o: El peso unitario (Ɣ) es el peso del suelo por unidad de volumen: Ɣ= W/V
El peso unitario también se puede expresar en términos del peso de sólidos del suelo, contenido de humedad y el volumen total. Sustituyendo fórmulas se obtienen:
Los ingenieros de suelos a veces se refieren a la unidad de peso específico como la unidad de peso húmedo. En ocasiones es necesario conocer el peso por unidad de volumen de suelo excluyendo el agua. Esto se conoce como peso unitario (peso seco), Ɣd. Por lo tanto: Además, se puede obtener la relación entre peso unitario ( Ɣ), peso unitario seco (Ɣd) y contenido de humedad.
El peso unitario se expresa en kilonewtons por metro cúbico (kN/m3). Ya que el newton es una unidad derivada, a veces puede ser conveniente trabajar con densidades (ρ) de suelo. La unidad de densidad del [SI] es el kilogramo por metro cúbico (kg/m3). Podemos escribir las ecuaciones de densidad similares al peso específico:
Los pesos unitarios de suelo en kN/m3 pueden obtenerse a partir de las densidades en kg/m3 como:
Relaciones entre peso unitario, relación de vacíos, contenido de humedad y gravedad específica Para obtener una relación entre peso unitario (o densidad), relación de vacíos y contenido de humedad, se considera un volumen de suelo en el que el volumen de los sólidos del suelo es 1 (figura 3.2). Si el volumen de los sólidos del suelo es 1, entonces el volumen de vacíos es numéricamente igual a la relación de vacíos, e (de la ecuación (3.3)). Los pesos de sólidos del suelo y el agua pueden darse como:
El peso unitario del agua es 9.81 kN/m3. Ahora, utilizando las definiciones de peso unitario (Ɣ) y peso unitario seco Ɣd se puede escribir:
Puesto que el peso de agua en el elemento de suelo bajo consideración es w·Gs·gw , el volumen ocupado es:
Por lo tanto, a partir de la definición del grado de saturación se tiene que:
Si la muestra de suelo está saturada, los espacios vacíos se llenan completamente con agua (figura 3.3), la relación de peso unitario saturado se puede deducir de una manera similar:
Como se ha mencionado, debido a que es conveniente trabajar con densidades, las siguientes ecuaciones [similares a las relaciones de peso] son útiles:
Algunos valores típicos de la relación de vacíos, el contenido de humedad en una condición saturada y el peso unitario seco para los suelos en un estado natural se dan en la tabla 3.1.
Relaciones entre peso unitario, porosidad y contenido de humedad Estas relaciones se pueden desarrollar de una manera similar a la presentada en la sección anterior. Considere un suelo que tiene un volumen total igual a 1 (figura 3.4.): n=Vv/V Si V es igual a 1, a continuación V v es igual a n, de modo que Vs= 1-n. Entonces el peso de sólidos del suelo (W s) y el peso de agua (W w) se puede expresar de la siguiente manera:
La figura 3.5 presenta una muestra de suelo que está saturado y tiene V =1. De acuerdo con esta figura:
