Unidades Estructurales Básicas - Suelos.

El estudio de la estructura de los silicatos puede facilitarse “construyendo” un mineral a partir de ciertas estructuras básicas. Este método resulta muy pedagógico y no quiere decir necesariamente que sea el método según el cual se ha formado el mineral en la naturaleza. Las estructuras expuestas en este capítulo son entes ideales. El cristal típico de una arcilla es una estructura compleja semejante al esquema idealizado, pero presentando generalmente substituciones irregulares e interposiciones entre capas. La Fig. 4.6 muestra un grupo de unidades básicas. El tetraedro oxígeno-silicio está formado por 4 átomos de oxígeno unidos a un átomo de silicio, formando la unidad que aparece en la Fig. 4.6a. Los átomos se han dibujado a escala partiendo de los radios, medidos en angstroms, que aparecen en la Fig. 4.6h. Las valencias eléctricas correspondientes se indican en la tabla, a la derecha de cada unidad.

La Fig. 4.6c muestra el octaedro de aluminio y la Fig. 4.6d el octaedro de magnesio. Combinando los tetraedros de silicio se obtiene la capa o lámina de sílice que aparece en la Fig. 4.6e. Combinando los octaedros de aluminio se obtiene la gibbsita (Fig. 4.6) y combinando los octaedros de magnesio la brucita (Fig. 4.6g). El examen de las valencias señaladas en la Hg. 4.6 muestra que el tetraedro y los dos octaedros no son neutros eléctricamente y por lo tanto no pueden existir como unidades aisladas. Sin embargo la gibbsita y la brucita son eléctricamente neutras y existen en la naturaleza como tales. 

Fig. 4.6..Unidades estructurales básicas de los silicatos, a) y b) Tetraedro de silicio. c) Octaedro de aluminio. a’) Octaedro de magnesio, e) Sílice. f) Gibbsita. 9) Brucita.

Composición de una Partícula de Suelo.

El estudiante que se inicia en la mecánica de suelos suele razonar con aparente lógica que la composición de las partículas individuales de un elemento de suelo constituye una característica importante del mismo. Esta creencia es falsa ei cuanto que existen muy pocas relaciones útiles entre la composición de un suelo y su comportamiento. Por otro lado, tal creencia es cierta en lo que se refiere a un conocimiento fundamental del comportamiento del suelo. La naturaleza y disposición de los átomos en una partícula de suelo, es decir su composición, tiene una considerable influencia sobre la permeabilidad, resistencia y transmisión de esfuerzos en los suelos, especialmente en los de grano fino. Existen ciertos minerales que pueden conferir propiedades no usuales al suelo que los contiene. Ejemplos de ellos son la montmorilonita y la haloisita. La montmorilonita puede hacer que un suelo sea muy expansivo, mientras que la haloisita puede dar lugar a que un suelo tenga un peso específico muy bajo. Estas y otras relaciones entra la composición y el comportamiento de un suelo se citan en capítulos posteriores. Así pues, el estudiante necesita conocer la composición de un suelo si quiere entender los fundamentos del comportamiento de la arcilla y en particular la variación de este comportamiento con el tiempo, la presión y las condiciones exteriores. Al explicar el comportamiento del suelo, en capítulos posteriores de este libro, se hará referencia al material presentado en el resto de este capítulo sobre la composición de un suelo.

Una partícula de suelo puede ser orgánica o inorgánica:

Se conoce muy poco sobre la composición de los suelos orgánicos; de hecho, en el presente estado de conocimientos, el ingeniero no suele preocuparse de identificar los compuestos orgánicos reales de un suelo. 

Existen suelos formados totalmente por partículas orgánicas, como la turba o el muskeg, mientras que hay suelos que contienen algunas partículas orgánicas y algunas inorgánicas, como el “limo orgánico

Una partícula de suelo inorgánico puede ser un mineral o una roca. Un mineral  es un elemento o compuesto químico presente en la naturaleza y formado por un proceso geológico (es decir, tiene una composición química expresable mediante una fórmula). Una roca es el material sólido que constituye la corteza exterior de la tierra y está formada por uno o más minerales o cristales.

En el resto de este capítulo se exponen algunos principios de mineralogía, describiendo algunos minerales de interés para el ingeniero de suelos. La finalidad de esta presentación es introducir al lector al conocimiento de la naturaleza y disposición de los átomos en las partículas de suelo, de forma que pueda comprender por qué algunas partículas son laminillas típicamente activas y otras, formadas por grandes granos, de dimensiones aproximadamente iguales, son relativamente’ inertes. Para un estudio detallado de mineralogía el lector puede consultar tratados dedicados totalmente a este tema, como los de Grim (1953), Dana (1959) y las Memorias del Congreso Nacional sobre Arcillas y Minerales Arcillosos3 (Proceeding of National Conference on Clays and Clay Miii erais). 

Los minerales han sido clasificados según la naturaleza de los átomos y su disposición. La primera clasificación comprende grupos como carbonatos, fosfatos, óxidos y silicatos. Esta clasificación tiene un valor limitado para el ingeniero civil ya que los minerales más abundantes e importantes son los silicatos. De hecho, si se amontonaran todos los suelos del mundo, el 90%, del peso del montón se debería a los silicatos.
3 Se pueden solicitai a la Oficina de Publicaciones de la Academia Nacional de Ciencias, National Research Council, 2101 Constitution Avenue, Washington. 25, D.C.

Fig. 4.5. Grado de redondez de las partículas [Fig. 24 de Sedimentary Rocks (1949) por F. J. Pettijohn, con autorización de Harper & Row, Editores.J

La tabla 4.2 muestra una clasificación de los silicatos de acuerdo con la disposición de los átomos en el mineral. Esta clasificación tiene gran mérito por diversas razones. En primer lugar, constituye una agrupación bien definida ya que sólo existe un silicato conocido (vesubianita) que podría clasificarse en más de un grupo. En segundo lugar, existe una relación entre la disposición atómica en un mineral y sus propiedades físicas, ópticas y químicas. 

Los suelos proceden generalmente de la descomposición de las rocas, por lo cual los minerales más abundantes en los suelos son los propios de las rocas y aquéllos más resistentes a la meteorización física o química. Los minerales de estructura en capa o retículo son por tanto los constituyentes más abundantes y comunes de los suelos. 

Tabla 4.2 Estructura de Silicatos.

Redondez, Textura Superficial y Color - Partículas Suelos.

El grado de redondez hace referencia a la agudeza de los bordes y cantos de una partícula. La Fig. 4.5 señala 5 grados de redondez.

Las características secundarias de la superficie de una partícula independientemente deltamafio, forma o grado de redondez, se denominan “textura superficial” de la partícula. Para describir esta textura se utilizan términos como pulimentada, lisa, rugosa, estriada, mate, etc.

EL color es una característica muy útil para el geólogo que trabaja en minería, aunque es de escaso valor para el ingeniero de suelos. Sin embargo, éste utiliza frecuentemente el color para describir un conjunto de partículas, por ejemplo la arcilla azul de Boston. Las descripciones de colores deben utilizarse con cuidado ya que el color de una masa de suelo puede variar con la humedad o con la composición química. 

Las partículas de suelo de las Figs. 4.2, 43 y 4.4 ilustran vanas características morfológicas. Los granos de arena de Otawa y Raguba son redondeados y de aspecto mate. Las partículas de arena formadas por trituración de grandes bloques de roca (Fig. 4.2d, e y f), tienen cantos vivos y esquinas, y sus superficies no están estriadas, raya. das o sin brillo. En las fotografías de la arena de Venezuela puede advertirse que la compresión bajo elevadas presiones puede causar una degradación considerable de las partículas. La arena natural de Venezuela (Fig. 4.21z) tenía un 4 % de partículas inferiores a 0.074 mm mientras que, después de someterla a compresión (Fig. 4.21), el porcentaje de partículas menores de 0.074 mm era del
20%.

Todas las arenas de Libia de la figura, excepto la arena de Raguba,, son de localidades próximas al mar Mediterráneo y contienen un 70 a 90 % de carbonatos. La arena de Raguba procede del desierto, a 160 km de distancia del mar, y se compone de cuarzo en un 98%. Las arenas de base carbonatada, especialmente las de la Fig. 4.3a, presentan un elevado grado de agregación (es decir, cementación de las partículas), como puede advertirse. Esta cementación influye inevitablemente sobre el comportamiento del suelo. Por ejemplo, las pruebas realizadas sobre muestras inalteradas de arena presentan una clara variación del comportamiento esfuerzo-deformación con el tiempo. Sin embargo, las pruebas realizadas sobre muestras reconstituidas en las que se había destruido la cementación mostraron una dependencia del tiempo mucho menor.

La partícula de caolinita de la Fig. 4.4 tiene una longitud de aproximadamente l,i y 0.08j.t de espesor. Pueden verse otras partículas más pequeñas de caolinita encima de la grande. La superficie de la partícula de caolinita aparece lisa a una escala de probablemente 100 A. Las partículas más pequeñas de arcilla (montmorilonita) pueden existir, y de hecho existen normahnente, en laminillas de solamente 10 A de espesor, siendo lisas en la extensión de un angstrorn.

Fig. 4,2 Particulas de arena. a) Arena de Otawa, 0.42 a 0.84 mm. b) Arena de Otawa, 0.19 a 0.42 mm. c) Arena de Otawa, 0.11 a 0.19 mm. d) Cristales de feldespato, 0.19 a 0.42 mm. e) Cristales de cuarzo, 0.19 a 0.42 mm. f) Cristales de dolomita, 0.19 a 0.42 mm. g) Arena de playa de Hawai. h) Arena de Venezuela. 1) Arena de Venezuela (arena h comprimida bajo 1 ,4 kg/cm2) (Según RobertS, 1964.) 

 Fig. 43 Arenas de Libia (fracción de 0,15 a 025 mm). a) Terreno de una factoría, Brega. b) Fondo del puerto, Brega, c) Planta de gas natural. d) Raguba. e) Recinto de depósitos de crudo. Brega. (Arenas facilitadas por ESSO, libia; Fotos de R. T. Martin, M. 1. TJ.

 Fig. 4.4. Partículas de ardua, a) Caolinita (Lambe, 19511. b) Hita (Fotos de R. T. Martín, M. 1. Ti.

Forma de las Partículas - Suelos.

En la sección anterior ya se ha advertido que el tamaño de una partícula sólo puede expresarse por un número único cuando la partícula es regular, es decir de forma cúbica o esférica. Este caso no queda muy lejos de la realidad cuando nos referimos a partículas de suelo del tamaño de los limos o más gruesos, pero es totalmente inaplicable para partículas arcillosas. Esto se aprecia en las Figs. 4.2 y 43, donde aparecen partículas de arena, y en la Fig. 4.4 que muestra partículas de arcilla. Las partículas laminares, como las de mica, pueden presentarse con tamaños de limo o aún mayores, mientras que en las fracciones arcillosas las partículas tienen formas como las de las Fig. 4.2 y 43. Sin embargo, en general, la mayoría de las partículas del tamaño del limo o fracciones más gruesas suelen ser de formas bastante regulares mientras que las de la fracción arcillosa tienen dimensiones muy diferentes. La forma más común de las partículas arcillosas es la de laminilla aplanada, como se aprecia en las partículas de caolinita e ilita que aparecen en la Fig. 4.4. Sin embargo también se encuentran partículas cilíndricas y prismáticas en los suelos, generalmente en la fracción arcillosa. 

Al estudiar las rocas, los geólogos describen las formas de las partículas empleando términos como disco, esfera, hoja, barra, etc. según las relaciones entre las dimensiones. Por el contrario, el ingeniero civil suele encontrar poco práctica la caracterización numérica de la forma de las partículas, debido a los pequeños tamaños con que trabaja normalmente.

Morfología de una partícula de Suelo.

El tamaño de una partícula que no tenga forma esférica o cúbica, no puede definirse unívocamente por una simple dimensión lineal. El significado del “tamaño” depende, por tanto, de la dimensión medida y de la forma de medición. Métodos habituales para la determinación de los tamaños de las partículas de un suelo son el análisis granulométrico por tamizado para partículas de tamaño superior a aproximadamente 0.06 mm y el análisis hidrométrico 1 o por sedimentación para partículas más pequeñas. En el análisis por tamizado, las partículas de suelo se hacen pasar mediante sacudidas por las aberturas cuadradas de una mafia o tamiz de tamaño especificado. Así pues, el “tamaño” de una partícula superior a 0.06 mm se basa en la dimensión lateral de un orificio cuadrado en un tamiz. En el análisis por sedimentación, el “tamaño” de una partícula es el diámetro de una esfera que se deposita en el agua a la misma velocidad que la partícula considerada.

El tamaño de las partículas de suelo varía desde 1 X 10-6 mm, es decir, 10 A, hasta los bloques de roca de varios metros de espesor, en una escala desde 1 hasta mus de 1 billón. La gran magnitud de esta escala puede apreciarse mejor teniendo en cuenta que la relación entre una canica y la tierra es también de 1 a 1 billón.

Para describir el tamaño de una partícula de suelo, podemos citar su dimensión o aplicarle un nombre que se haya asignado arbitrariamente a una cierta gama de tamaño. La tabla 4.1 da una serie de nombres con la gama de tamaños correspondiente (adviértase que en la tabla 4.1 se dan además, entre paréntesis, otros valores numéricos también utilizados). La palabra “arcilla” se utiliza también para describir suelos de grano fino con cierta plasticidad, como ya se ha comentado en el capítulo 3. Puede evitarse esta confusión empleando la denominación “fracción arcillosa”..., en lugar de simplemente “arcilla” para denominar las partículas inferiores a 2μ.

Tabla 4.1 Designación de las partículas según su tamaño

En la Fig. 4.1 se representan los tamaños de diversas partículas y los campos de aplicación de algunos métodos de apreciación de estos tamaños. En la cabecera de la Fig. 4.1 se muestra la clasificación por tamaños más ampliamente utilizada. A la vista de esta figura puede obtenerse una idea de conjunto sobre los tamaños de las partículas y su determinación.

 Figura  4.1  Tamaños

Clasificación de los Suelos.

El método directo para resolver un problema de ingeniería de suelos consiste en determinar primeramente la propiedad conveniente del suelo, utilizando más tarde este valor en una expresión racional para obtener la respuesta al problema. Ejemplos de este método son:

1. Para determinar la velocidad con que circula el agua a través de una muestra de suelo, se mide la permeabilidad del suelo y se utiliza este valor junto con una red de flujo y la ley de Darcy para resolver el problema.

2. Para el cálculo de los asentamientos de un edificio, se mide la compresibilidad del suelo y se utiliza este valor en las ecuaciones basadas en la teoría de la consolidación de Terzaghi.

3. Para el cálculo de la estabilidad de un talud, se mide la resistencia al corte del suelo, entrando con ese valor en una expresión basada en las leves de la estática.

La medida de las propiedades fundamentales de un suelo, como la permeabilidad, la compresibilidad y la resistencia, puede ser difícil, caro y requerir mucho tiempo. En muchos problemas de ingeniería de suelos, como el proyecto de pavimentos, no se dispone de expresiones racionales para analizar la solución numéricamente. Por estas razones, puede ser muy útil dividir los suelos en grupos con comportamiento semejante. Es lo que se denomina clasificación de suelos.

La clasificación de suelos consiste, pues, en incluir un suelo en un grupo que presenta un comportamiento semejante 4 La correlación de unas ciertas propiedades con un grupo de un sistema de clasificación suele ser un proceso empírico puesto a punto a través de una experiencia considerable. La clasificación de suelos permite resolver muchos tipos de problemas sencillos, y sirve de guía para preparar el programa de experimentación, si la dificultad e importancia del problema requiere una investigación más profunda.

La mayoría de las clasificaciones de suelos utilizan pruebas muy sencillas, de tipo indicativo, para obtener las características del suero necesarias para asignarlo a un determinado grupo. Evidentemente una clasificación de suelos pierde su valor si las pruebas de partida resultan más complicadas que la necesaria para medir directamente la propiedad fundamental que se desea conocer. Las características utilizadas más corrientemente son la granulometría y la plasticidad.

Como las clasificaciones de suelos se han preparado para servir de ayuda en la resolución de problemas, han surgido clasificaciones adaptadas a muchos tipos de problemas. Así pues, para su utilización en problemas de flujo y filtración, los suelos se clasifican según su grado de permeabilidad, siendo ésta elevada, media, baja, muy baja o prácticamente nula. El Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU., ha desarrollado una clasificación de susceptibilidad a la helada en la cual, partiendo de la granulométrica, se puede clasificar un suelo en categorías según su comportamiento frente a la helada. El Bureau of Public Roads ha preparado una clasificación de los suelos utilizados en la construcción de carreteras. Tanto el Cuerpo de Ingenieros como la FAA* han desarrollado clasificaciones para la construcción de pistas de aeropuertos. En 1952 el Bureau of Reclamation y el Cuerpo de Ingenieros presentaron un “sistema unificado” destinado a servir para todos los problemas de ingeniería en los que Intervinieran suelos. Esta clasificación se presenta en las tablas 3.5 y 3.6. La tabla 3.7 da indicaciones generales sobre la permeabilidad, resistencia y compresibilidad de diversos tipos de suelos de cada grupo para su empleo en presas de tierra, canales, cimentaciones y pistas de aeropuerto.

La clasificación de suelos constituye una ayuda valiosa para el ingeniero. Le da indicaciones generales, transformando de manera empírica los resultados de la experiencia de campo. Sin embargo el ingeniero debe ser precavido al utilizar las clasificaciones de suelos. La resolución de problemas de flujo, asentamiento o estabilidad únicamente a partir de clasificaciones puede llevarle a resultados desastrosos. Como se indicará en capítulos posteriores, las correlaciones empíricas entre las propiedades características y el comportamiento de un suelo pueden presentar grandes dispersiones.

Tabla 3.5

Tabla 3.6 

Tabla 3.7

Utilización Practica de los Límites de Atterberg.

Los límites de Atterberg y los índices asociados resultan muy útiles para la identificación y clasificación de

suelos, como se señalará en la sección siguiente. Frecuentemente los límites se utilizan directamente en las especificaciones para controlar los suelos a utilizar en terraplenes y en métodos semiempiricos de proyecto.

El índice de plasticidad, que indica la magnitud del intervalo de humedades en el cual el suelo posee consistencia plástica, y el índice de liquidez, que indica la proximidad del suelo natural al límite liquido, son características especialmente útiles del suelo. Debe tenerse presente, sin embargo, que todos los límites e índices, con la excepción del límite de retracción se determinan en suelos que se han amasado para formar una mezcla uniforme suelo-agua. Por lo tanto, los límites no dan indicación alguna sobre la estructura del suelo o los enlaces residuales entre partículas que pueden haberse desarrollado en el terreno natural pero que han sido destruidos al preparar la muestra para la determinación de los límites.

Relación entre los Límites de Atterberg y la Composición de un Suelo.

Profundicemos algo más en la idea de que los límites de Atterberg de un suelo están relacionados con la cantidad de agua adsorbida sobre la superficie de las partículas de suelo. Debido al gran aumento de la superficie por unidad de peso al disminuir el tamaño de las partículas (como se verá en el capítulo 5), puede esperarse que la cantidad de agua adsorbida venga muy influenciada por la cantidad de arcilla presente en el suelo. Según este razonamiento, Skernpton (1953) definió una magnitud que denominó actividad: 

La Fig. 3.5 muestra unos resultados obtenidos en muestras preparadas con distintos porcentajes de partículas inferiores o superiores a 2μ. En la parte (a) varios suelos naturales se dividieron en dos fracciones por el tamaño de 2p y a continuación ambas fracciones se volvieron a combinar a voluntad. Los resultados del diagrama de la derecha se obtuvieron con minerales arcillosos mezclados con arena de cuarzo.

 Figura 3.5  Relación entre el índice  de plasticidad y la fracción  arcillosa.  Los números entre paréntesis señalan la “actividad” de arcillas  

Significado Físico de los Limites de Atterberg.

El concepto de un suelo como material que puede presentarse en varios estados, según su contenido de humedad, resulta muy útil. Cuanto mayor sea la cantidad de agua que contiene un suelo, menor será la interacción entre partículas adyacentes y más se aproximará el suelo en su comportamiento al de un líquido.
De una manera muy general, puede esperarse que el agua atraída por las superficies de las partículas de suelo no se comportará como un líquido. Así pues, si comparamos dos suelos A y B, y si el suelo A tiene una mayor tendencia a adsorber agua sobre la superficie de sus partículas, puede esperarse que la humedad para la cual ambos suelos comiencen a comportarse como un líquido será mayor para el suelo A que para el suelo B. Es decir, el suelo A tendrá un límite líquido mayor que el suelo B. Cabe suponer que el mismo razonamiento podría aplicarse al límite plástico y por tanto al índice de plasticidad.

Sin embargo, los límites entre los diversos estados se han fijado arbitrariamente, por lo cual es improbable que puedan interpretarse completamente per se. Es decir, es poco probable que la magnitud del límite líquido de un suelo determinado, pueda relacionarse cuantitativamente con el espesor de la capa de agua adsorbida.

La dificultad de interpretar cuantitativamente los límites de Atterberg no es obstáculo para su amplio uso. El estudiante debe concebirlos como límites aproximados entre los diversos estados que pueden presentar los suelos de grano fino y no preocuparse mucho en buscar un significado al valor exacto de estos límites, determinados arbitrariamente.

Limites de Atterberg.

En gran parte mediante el trabajo de A. Atterberg y A. Casagrande (1948), los límites de Atterberg y los índices con ellos relacionados han constituido unos valores muy útiles para caracterizar los conjuntos de partículas de suelos. Los límites se basan en el concepto de qué un suelo de grano fino solamente puede existir en cuatro estados de consistencia según su humedad. Así, un suelo se encuentra en estado sólido cuando está seco, pasando al añadir agua a los estados semisólido, plástico y finalmente líquido, como se indica en la Fig. 3.4a Los contenidos de humedad y los puntos de transición de unos estados a otros se denominan límite de retracción o contracción, límite plástico y límite líquido. Los cuatro, índices citados al pie de la Fig. 3.4 se calculan a partir de esos límites.

El límite líquido se determina midiendo la humedad y el número de golpes necesarios para cerrar en una determinada longitud una ranura de un determinado ancho mediante un aparato normalizado. El límite plástico se obtiene midiendo el contenido de humedad del suelo cuando comienzan a desmoronarse pequeños cilindros de suelo de 3 mm de diámetro. El límite de retracción se define como la humedad presente al haber añadido agua suficiente para llenar todos los huecos de una pastilla de suelo seca. Los métodos detallados para determinar estos  limites pueden encontrarse en  Lambe  (1951) La tabla 3.4 de los limites de atterberg de alguno minerales arcillosos corriente.

 

Figura  3.4  Limites de Atterberg e índices con ello asociados

Tamaño de la Partículas.

La distribución de las partículas por tamaño en una muestra de suelo se expresa mediante un gráfico que relaciona el porcentaje de partículas de tamaño inferior, en peso, con cada diámetro en mm, como indica la Fig. 33. Mediante las definiciones de arena, limo y arcilla que aparecen en la cabecera de dicha figura podemos establecer la composición de la muestra de suelo en la forma siguiente:

Grava       2 %
Arena       85 %
Limo        12%
Arcilla      1 %

Esta definición de la serie de tamaños de las partículas es adecuada y se utiliza con profusión. Una serie ligeramente diferente se da en las tablas 3.5 y 3.6. 

La uniformidad de un suelo puede expresarse por el coeficiente de uniformidad, que es la relación entre D60 y D10, siendo D60 el diámetro o tamaño por debajo del cual queda el 60 % del suelo en peso y D o el valor correspondiente para el 10%. Un suelo con un coeficiente de uniformidad menor de 2 se considera “uniforme”. La uniformidad del suelo cuya curva granulométrica aparece en la Fig. 3.3 es de 10. Este suelo podría denominarse “arena limosa bien graduada”.

Existen muchas razones, tanto prácticas como teóricas, por las cuales la curva granu1ometrica de un suelo es sólo aproximada.

La definición de tamaños de las partículas es diferente para las fracciones gruesas que para las finas.

La precisión de las curvas granulométricas de suelos finos es más discutible que la de las curvas correspondientes a suelos gruesos.

Los tratamientos químicos y mecánicos que reciben los suelos naturales antes de realizar un análisis granulométrico (en especial en el método del hidrómetro o areómetro) suelen dar Jugar a unos tamaños efectivos que son muy diferentes de los existentes en el suelo natural. Incluso aunque pudiera obtenerse una curva granulométrica exacta, su valor solamente sería limitado. Si bien el comportamiento de un suelo granular puede relacionarse frecuentemente con la distribución granulométrica, el comportamiento de un suelo cohesivo suele depender mucho más de la historia geológica y de su estructura que del tamaño de las partículas.

A pesar de sus graves limitaciones, las curvas granulo- métricas, en especial las de las arenas y limos, tienen realmente valor práctico. Las experiencias tanto teóricas corno de laboratorio muestran que la permeabilidad y la capilaridad de un suelo pueden relacionarse con un cierto diámetro efectivo de las partículas. Estas relaciones se comentan más adelante.

Tabla 3.4 Límites de Atterberg de minerales arcillosos 

Después de cinco ciclos de humedecimiento y secado.

El método de proyecto de filtros inversos para presas, diques, etc., utiliza las curvas granulométricas de los suelos a colocar. Este método se basa en la relación entre el tamaño de las partículas y la permeabilidad, junto con datos experimentales sobre la distribución granulométrica necesaria para evitar el arrastre de partículas cuando circula el agua a través del suelo. Análogamente, el criterio más utilizado para establecer la susceptibilidad de los suelos a la helada se basa en la distribución granulométrica.

Valores Típicos de las Relaciones entre Fases para Suelos Cohesivos.

La gama de valores de las relaciones entre fases para suelos cohesivos es mucho mayor que para los suelos granulares. La montmorilonita sódica saturada puede presentar, con bajas presiones de confinamiento, una relación de vacíos superior a 25; las arcillas saturadas comprimidas bajo las elevadas presiones (por ejemplo 500 kg/cm2) existentes a grandes profundidades en el terreno pueden tener relaciones de vacíos menores de 0.2.

También se emplea indice de densidad ID (NT.)

Mediante la expresión Gw = Se (Fig. 3.1), podemos calcular las humedades correspondientes a los citados valores de la relación de vacíos:

montmorilonita sódica                   900 %
arcilla bajo elevadas presiones       7%

Si se deja una muestra de arcilla de la ciudad de México, secada en estufa, expuesta al ambiente de un laboratorio (temperatura = 21°, humedad relativa 50%) absorber humedad suficiente de Ja atmósfera para que su contenido de humedad aumente hasta un 2.5 % o más. En condiciones similares, la montmorilonita puede llegar hasta una humedad del 20%.

Figura 3.3  Curva Granulométrica de un Suelo.

Valores Típicos de las Relaciones Entre Fases para Suelos Granulares.

La Fig. 3.2 muestra dos de las muchas formas en que puede disponerse un sistema de esferas iguales (estibaciones o agrupaciones).

Las agrupaciones compactas representan el estado más cerrado posible del sistema. Pueden obtenerse sistemas aún menos compactos que la simple agrupación cúbica formando con cuidado cavidades dentro de la estructura, pero la agrupación cúbica simple es la menos compacta de todas las agrupaciones estables. La relación de vacíos y la porosidad de estas agrupaciones simples pueden calcularse a partir de la geometría de las mismas, dándose algunos resultados en la tabla 3.2.

Fig. 3.2. Agrupaciones de esferas iguales. a) Planta y alzado de una agrupación, cúbica. b) Planta de una agrupación compacta. Primera capa: círculos de línea continua; segunda capa: círculos de trazos; o señala la posición de los centros de las esferas de la tercera capa en una disposición cúbica de caras centradas y x, en una disposición hexagonal compacta. (Según Deresiewicz, 1958).

La tabla da también las compacidades de algunos suelos granulares típicos en estado “compacto” y “suelto”.
Se han propuesto diversas pruebas para medir las relaciones de vacíos máxima y mínima (Kolbuszewski 1948). La prueba para la determinación de la compacidad máxima supone generalmente cierta forma de vibración. Las pruebas para obtener la compacidad mínima suelen hacerse por vertido en un recipiente de una muestra de suelo secado en estufa. Desgraciadamente los detalles de estas pruebas no se han normalizado completamente y los valores de las compaci4ades máxima y mínima de un determinado suelo granular dependen del método utilizado para obtenerlas. Mediante métodos especiales pueden obtenerse compacidades superiores a la denominada compacidad máxima. Compacidades considerablemente inferiores a la mínima pueden también obtenerse, en especial en arenas muy finas y limos, sedimentando lentamente el suelo en agua o esponjando el suelo en presencia de una ligera humedad. 

Tabla 3.2 Compacidades máxima y mínima de suelos granulares

Cuanto menor es la gama de tamaños de las partículas presentes (es decir, cuanto más uniforme es e suelo) y cuanto más pequeñas y angulosas son las partículas, menor es la compacidad mínima (es decir, mayor es la oportunidad de formar una agrupación floja de partículas). Cuanto mayor es la gama de tamaños presente, mayor será la compacidad máxima (es decir, los huecos entre las partículas más gruesas pueden rellenarse con las más pequeñas).

Una magnitud muy empleada para caracterizar la compacidad de un suelo granular natural es la compacidad relativa* Dr. definida por 

En la Tabla 3.3 se indican las denominaciones de los suelos granulares a partir de la compacidad relativa.

Tabla 3.3 Denominación según la compacidad 

La humedad de los suelos granulares naturales varía desde menos del 0.1 % para arenas secadas al aire hasta más del 40 % para arena suelta saturada.

Relaciones entre las Fases del Suelo.

Por tratarse de un sistema discontinuo de partículas, un elemento de suelo constituye intrínsecamente un sistema de varias fases. La Fig. 3.1 muestra un elemento típico de suelo que contiene 3 fases diferenciables: sólida (partículas minerales), gaseosa y líquida (agua generalmente). La Fig. 3.la, representa las 3 fases como podrían presentarse en un elemento de suelo natural. En la parte (b) se han separado las fases con el fin de facilitar la deducción de las relaciones entre ellas. A la izquierda de la figura las fases se han expresado en volumen, mientras que a la derecha lo han sido en peso.

Debajo de la Fig. 3.1 se dan las expresiones que relacionan las distintas fases. Existen tres importantes relaciones de volumen: porosidad, relación de vacíos * y grado de saturación. La porosidad es la relación entre el volumen de huecos y el volumen total, mientras que la relación de vacíos es el cociente entre el volumen de huecos, poros o vacíos y el de partículas sólidas. La porosidad se suele multiplicar generalmente por 100, dándose así los valores en porcentaje. La relación de vacíos se expresa en forma decimal (por ejemplo, una relación de vacíos de 0.55 etc.) y puede alcanzar valores superiores a la unidad. Tanto la porosidad como la relación de vacíos indican el porcentaje relativo del volumen de poros en una muestra de suelo. Este volumen de vacíos está lleno de un fluido, gaseoso o líquido, pero en general se trata de agua.

Aunque los dos términos se emplean en mecánica de suelos, se usa más la relación de vacíos1 . Existen las siguientes relaciones entre la porosidad n y la relación de vacíos e.

En castellano existen diversas versiones del concepto void ratio como son “relación de vacíos”, “índice de poros”, “índice de huecos”, etc. (N.T.).

El grado de saturación indica el porcentaje de volumen de huecos que está relleno de agua. Así pues un valor de S = O, indica un suelo seco, S = 100 % corresponde a un suelo saturado y un valor comprendido entre O y 100 % indica un suelo semisaturado o parcialmente saturado.

La relación entre pesos de fases más empleada es el contenido de agua humedad, que es el peso de agua dividido por el peso de partículas sólidas en un elemento de suelo. La humedad de una muestra de suelo se obtiene directamente por el siguiente método: se pesa el suelo natural; se seca en una estufa; se pesa el suelo seco y por último se calcula la humedad como diferencia entre los pesos inicial y seco, dividida por el peso seco. Este método supone que el agua es el único producto evaporable del suelo, lo cual es razonable excepto cuando se trabaja con suelos orgánicos o suelos que contienen volátiles como el asfalto. Para un suelo saturado, la humedad y la relación de vacíos están directamente relacionados, como puede verse aminando las expresiones de ambos términos. Como lo más fácil obtener pesos que calcular volúmenes, se utiliza bastante la variación de humedad de un suelo saturado para medir deformaciones volumétricas.

En la parte inferior de la Fig. 3.1 se dan las expresiones de los distintos pesos específicos, o pesos de un determinado volumen. El peso específico aparente o total es, por ejemplo, el peso de un elemento de suelo dividido por el volumen de dicho elemento2. El peso específico seco, es el peso de las partículas minerales dividido por el volumen total del elemento. Los pesos específicos se expresan en unidades de peso por volumen, como gramos por centímetro cúbico (gr/cm3) y toneladas por metro cúbico (ton/m3).

1 Al comprimir un elemento de suelo (prueba típica) tanto el numerador como el denominador de la porosidad disminuyen, mientras que sólo disminuye el numerador de la relación de vacíos. Este hecho da lugar í que la relación de vacíos sea más útil que la porosidad para estudiar la compresión o consolidación de un suelo.

2  También se utiliza el símbolo ‘ para el peso específico total. 

 Figura 3.1  Relaciones entre las fases de un suelo. a) el elemento del suelo natural b) División de un elemento en fases.

Del suelo sumergido: 

Del suelo saturado: 

El peso específico relativo se obtiene dividiendo el peso específico de un material por el peso específico del agua. En la tabla 3.1 se dan los valores del peso específico relativo de las partículas de un determinado grupo de minerales.

Tabla 3.1 Pesos específicos relativos de algunos minerales 

 

La expresión Gw = Se sirve para comprobar los cálculos de las diversas relaciones.

El estudiante de mecánica de suelos debe conocer el significado de las relaciones de la Fig. 3.1, convencerse de una vez para todas de que son correctas e incorporar estos términos a su vocabulario habitual. Estas relaciones son básicas para la mayoría de los cálculos de mecánica de suelos y constituyen, por tanto, una parte esencial de esta ciencia.

-Valores Típicos de las Relaciones Entre Fases para Suelos Granulares.

-Valores Típicos de las Relaciones entre Fases para Suelos Cohesivos.

 

Comportamiento de la Fase Intersticial del Suelo: Contribución al Reparto de Cargas.

Por último, debido a que el suelo es un sistema de varias fases, puede expresarse la carga aplicable a una masa de suelo la resistan el esqueleto minera! y, en parte, el fluido intersticial. Este “reparto de la carga” es análogo al concepto de presiones parciales en gases.

Los diagramas de la Fig. 2.5 nos ayudan a entender este reparto de cargas. La Fig. 2.5a muestra un cilindro de suelo saturado El pistón poroso permite aplicar cargas al suelo y, a la vez, deja que el fluido se escape de los poros del suelo. La parte (b) muestra una analogía hidromecánica en la que las propiedades del suelo se han idealizado:  la resistencia del esqueleto minera! a la compresión está representada por un muelle o resorte; la resistencia al flujo de agua a través de! suelo la representa una válvula en un pistón impermeable.

Fig. 2.5. Analógica hidromecánica para ¡lustrar la distribución de cargas en la consolidación. a) Ejemplo físico. b) Analógica hidromecánica; estado inicial. c) Carga aplicada a una la válvula cerrada. d) El pistón desciende al ir escapando el agua. e) Equilibrio sin más escape de agua. f) Transferencia gradual de carga.

Supongamos que se aplica una carga al pistón de la analogía hidromecánica pero que la válvula está cerrada. La carga del pistón se reparte entre el agua y el muelle, en relación a la rigidez de cada uno. En nuestra analogía hidromecánica el pistón se moverá muy poco al aplicar la carga, debido a que el agua es relativamente, incompresible. Como el muelle se acorta muy ligeramente, toda la carga aplicada la resiste un incremento de la presión del agua en la cámara. Las condiciones en esta fase se representan en la Fig. 2.5c.

A continuación abramos la válvula y la presión del agua dentro de la cámara obligará a que el agua escape a través de la válvula (Fig. 2.5d). Al escapar el agua, el muelle se acorta y comienza a soportar una parte cada vez más importante de la carga aplicada, produciéndose una disminución correspondiente en la presión del fluido que llena la cámara. Por último, se alcanza un estado (Fig. 2.5e) en el cual el muelle resiste toda la caiga aplicada y la presión del agua vuelve a su valor hidrostático inicial. Una vez que se alcanza este estado, el agua cesa de fluir por la válvula.

Durante cualquier intervalo de tiempo solamente puede escapar por la válvula un caudal limitado de agua. De aquí, que el proceso de transmisión de cargas del agua al muelle debe producirse gradualmente. Esta variación gradual de la forma en que se distribuye la carga se ilustra en la Fig. 2.5f

El reparto de cargas entre las fases sólida e intersticial también se produce en el ejemplo físico y en los problemas de suelos reales, aunque el fluido intersticial no siempre soporta la totalidad de la carga aplicada inicialmente. Por otra parte, en los problemas reales existirá el mismo proceso de variación gradual en la forma de soportar la carga. Este proceso de explosión gradual del agua se denomina consolidación y el período de tiempo empleado es el desfase hidrodinámico. El grado de compresión o consolidación producido hasta un determinado instante depende no sólo de la carga aplicada, sino también de la intensidad de los esfuerzos transmitidos en los contactos entre partículas, es decir, de la diferencia entre los esfuerzos aplicados y la presión intersticial. Esta diferencia se denomina esfuerzo efectivo. La consolidación y el proceso inverso de expansión (que se produce cuando un suelo absorbe agua después de suprimir la carga).

Llegamos así a la cuarta consecuencia de la naturaleza discontinua del suelo: cuando la carga aplicada a un suelo se hace variar repentinamente, esta variación es absorbida conjuntamente por el fluido intersticial y el esqueleto mineral la variación de presión intersticial  obliga al agua a moverse a través del suelo, con lo cual las propiedades del suelo varían con respecto al tiempo.

Este último efecto fue descubierto por Karl Terzaghi alrededor de 1 920. Tal descubrimiento marcó el comienzo de la moderna ingeniería de suelos. Fue la primera de los muchos aportes de Terzaghi, quien fue en verdad, el “padre de la mecánica de suelos”.

El efecto más importante del desfase hidrodinámico es el asentamiento diferido de las estructuras. Es decir, el asentamiento continúa durante varios años después de constituirse la estructura. La Fig. 2.6 muestra el registro asentamiento-tiempo de dos puntos del edificio Núm. 10 del “campus” del Instituto Tecnológico de Massachusetts. El asentamiento de este edificio, durante la primera década después de su construcción, dio lugar a una alarma considerable. Terzaghi examinó el edificio a poco de su llegada a los EE.UU., en 1925, e indicó correctamente que la velocidad de asentamiento disminuiría con el tiempo. 

Fig, 2.6. Asentamiento del edificio No. 10 del 1. T. M.

Otros aspectos de la consolidación. En este punto es esencial tener una idea general sobre la duración del des- fase hidrodinámico en varias formaciones típicas de suelo, Con este fin, es útil hacer un análisis intuitivo del proceso de consolidación para apreciar qué propiedades del suelo tienen influencia sobre el desfase y en qué forma influyen sobre él.

El tiempo necesario para el desarrollo del proceso de consolidación está relacionado con dos factores:

1. El tiempo transcurrido debe ser directamente proporcional al volumen de agua que ha de escapar del suelo. Pero este volumen de agua está, a su vez, relacionado con la variación de esfuerzos, la compresibilidad del esqueleto mineral y el volumen del suelo.

2. El tiempo será inversamente proporcional a la velocidad con que el agua puede circular a través del suelo. Por la mecánica de fluidos sabemos que la velocidad de filtración está relacionada con el producto de la permeabilidad por el gradiente hidráulico y que el gradiente es proporcional a la pérdida de carga del fluido a través del suelo dividida por la distancia que debe recorrer el fluido intersticial.

Estas consideraciones pueden expresarse por la relación 

Esta relación nos indica que el tiempo necesario para la consolidación:

1. Aumenta la compresibilidad.
2. Disminuye al aumentar la permeabilidad.
3. Aumenta rápidamente con el espesor de la masa de suelo.
4. Es independiente de la magnitud de la variación de esfuerzos.

La aplicación de esta relación se ilustra mediante los ejemplos 2.1 y 2.2. 

Comportamiento de la Fase Intersticial del Suelo: Interacción Física.

Volvamos al recipiente con suelo, pero considerando ahora un suelo cuyos espacios están ocupados totalmente por agua: es lo que se denomina un suelo saturado.

En primer lugar, supongamos que la presión de agua es hidrostática, es decir, la presión en los poros, en cualquier punto, es igual al peso específico del agua por la profundidad del punto considerado bajo la superficie del agua. En este caso no habrá circulación o flujo de agua (ver la Fig. 2.4a).

Supongamos ahora que se aumenta la presión de agua en la base del recipiente, mientras que el nivel de la superficie de agua se mantiene constante por medio de un rebosadero (Fig. 2.4b). En este caso, existirá un flujo ascensional de agua. El caudal de agua que fluya estará en relación con la sobrepresión aplicada al fondo del recipiente y con una propiedad del suelo denominada permeabilidad. Cuanto más permeable sea un suelo, mayor caudal de agua circulará para un determinado exceso de presión. En los últimos capítulos de este libro se consideran los factores que influyen sobre la permeabilidad de un suelo.

Si la sobre presión de agua en la base aumenta, se alcanzará una presión para la cual la arena “hierve” bajo el flujo ascensional del agua (Fig. 2.4c). Se dice que se ha alcanzado el estado de ebullición o sifonamiento. Evidentemente ha existido una interacción física entre el esqueleto mineral y el agua intersticial.

En este estado, el suelo ocupará un volumen algo superior al inicial, siendo la resistencia al corte del suelo Claramente inferior en el estado de sifonamiento que en su estado normal. Estos cambios se produjeron, aunque los, pesos totales de arena y agua en el recipiente no han variado. Ya hemos visto que se producen cambios de Volumen y de resistencia al corte, cuando varían las fuerzas de contacto entre las partículas. De ahí que estas fuerzas de contacto han tenido que modificarse por los cambios de presión en la fase intersticial, o sea, que estas fuerzas de contacto han de estar relacionadas con la diferencia entre la presión que actúa en sentido de la gravedad (presión total  y la presión intersticial. Estas observaciones forman la base del importante concepto de presión o esfuerzo efectivo.

Acabarnos de ver por tanto una tercera consecuencia de la naturaleza discontinua del suelo: el agua puede circular a través del suelo ejercitando un efecto sobre el esqueleto mineral que modifica la magnitud de las fuerzas en los puntos de contacto entre partículas e influye sobre la resistencia del suelo a la compresión y el esfuerzo cortante.

Fig 2.4  Interacción Física entre las fases mineral e intersticial  a) Estado  hidrostático:  el agua no circula  b) Pequeño Flujo de Agua  c) Sifonamiento o ebullición.

Comportamiento de la Fase Intersticial del Suelo: Interacción Química.

Los espacios que quedan entre las partículas de suelo se denominan vacíos, huecos, poros o intersticios. 

Estos poros suelen estar ocupados por aire y/o agua (con o sin materiales disueltos). Así pues, el suelo es intrínsicamente un sistema de varias fases  formado por una fase mineral denominada esqueleto mineral más una fase fluida o fluido intersticial.

La naturaleza del fluido intersticial tiene influencia sobre la magnitud de la resistencia al deslizamiento entre dos partículas, dada la naturaleza química de la superficie de contacto. De hecho, en el caso de partículas de suelo muy delgadas, el fluido intersticial puede penetrar completamente entre las partículas (ver la Fig. 2.3). 

Aunque estas partículas ya no están en contacto en el sentido usual, aún permanecen muy juntas y pueden transmitir fuerzas normales y posiblemente también tangenciales. La separación entre estas partículas aumentará o disminuirá, según lo hagan las fuerzas de compresión transmitidas. Aquí encontramos una nueva causa de deformación general de la masa de suelo.

Fig. 2.3. Películas de líquido rodeando partículas de suelo, a) Antes de aplicar carga. b) Reducción de la separación entre partículas por efecto de la carga.

Así pues, se deduce una segunda consecuencia de la naturaleza discontinua del suelo: el suelo es intrínsicamente un sistema de varias fases y los elementos de la fase intersticial influyen en la naturaleza de las superficies minerales por tanto afectan los procesos de transmisión de fuerzas en los puntos de contacto entre partículas.

Esta interacción entre fases se denomina interacción química.

Naturaleza de la Deformación del Suelo.

La Fig. 2.1 muestra la sección de un recipiente lleno de suelo seco junto con un pistón con el cual se puede aplicar al suelo una carga vertical. Aumentando la escala de esta sección hasta poder ver las partículas individuales, podemos imaginar la forma en que la fuerza aplicada se transmite a través del suelo: se desarrollan fuerzas de contacto entre partículas adyacentes. Por convenio, estas fuerzas de contacto se pueden descomponer en fuerzas normales N y tangenciales T a la superficie de contacto, Por supuesto, las partículas individuales se deforman  como resultado de estas fuerzas de contacto. El tipo más habitual de deformación es de naturaleza elástica o plástica en las inmediaciones del punto de contacto. La fractura y aplastamiento de las partículas puede ser importante en ciertos casos (como comentaremos en capítulos posteriores). Estas deformaciones producen un aumento del área de contacto entre partículas, como muestra la Fig. 2.2a, permitiendo así la aproximación de los centros de las partículas. Si existen partículas lajosas o laminares, se flexionarán como se indica en la Fig. 2.2b, permitiendo así movimientos relativos entre partículas adyacentes. Además, una vez que la fuerza tangencial en un punto de contacto supere la resistencia tangencial en dicho punto, se producirá un deslizamiento relativo entre las partículas (Fig. 22c). La deformación general de una masa de suelo será, en parte, el resultado de las deformaciones individuales y, en parte, la consecuencia del deslizamiento relativo entre partículas. Sin embargo, la experiencia ha demostrado que la contribución principal a la deformación general se debe al deslizamiento entre partículas, junto con la reorganización de las mismas. El esqueleto mineral del suelo por lo regular es bastante deformable, debido al deslizamiento y reorganización de las partículas, aun cuando las partículas individuales sean muy rígidas.

Fig. 2.1. Representación esquemática de la transmisión de fuerzas a través de un suelo, a) Ampliación de una parte de la sección mostrando las fuerzas transmitidas por dos puntos de contacto. b) Sección de un recipiente lleno de suelo.

De allí, la primera consecuencia de la naturaleza discontinua del suelo:

La deformación de una masa de Suelo viene controlada por las interacciones entre partículas individuales, especialmente por el deslizamiento entre las mismas.

Debido a que el deslizamiento es una deformación no lineal e irreversible, se puede esperar que el comportamiento esfuerzo-deformación del suelo también sea marcadamente no lineal e irreversible’. Además, el estudio de los fenómenos producidos en los puntos de contacto resulta fundamental para el estudio de los suelos e, inevitablemente tendremos que ocuparnos de conceptos tales como la fricción y adhesión entre partículas. 

Por supuesto, en una masa de suelo existe un sinnúmero de puntos de contacto individuales. Por ejemplo, en 1 cm3 de arena fina el número de contactos será del orden de 5 millones. Por tanto, es imposible plantear uña ley esfuerzo-deformación de un suelo, considerando el comportamiento en los contactos, aunque pudiéramos describir exactamente lo que sucede en cada uno de ellos. Por esta razón, es necesario basarse en medidas de experimentación directa sobre las propiedades de sistemas con gran número de partículas. De todos modos, el estudio del comportamiento en puntos de contacto típicos aún desempeña un papel importante: sirve como guía para entender e interpretar las medidas experimentales directas. Esto puede relacionarse con el estudio de los metales: el conocimiento del comportamiento de un cristal individual y de las interacciones entre cristales, permiten entender el comportamiento de la masa metálica y la forma de mejorar las propiedades de la misma.

Si el recipiente de la Fig. 2.1 es de paredes rígidas, el suelo normalmente disminuirá de volumen al aumentar la carga. Esta disminución de volumen se produce debido a que las partículas se van encajando, acortando sus distancias. Se producen roturas tangenciales o de corte (deslizamientos) en machos puntos de contacto, pero no existe una rotura general por corte de la masa de suelo. La carga vertical puede aumentarse sin límite. Este proceso se denomina compresión volumétrica. Si se retira la carga aplicada, la masa de suelo aumentará de volumen a través de un proceso inverso que supone una redistribución de las partículas. Este proceso de aumento de volumen se denomina expansión o en algunos casos hinchamiento.

Si, por otra parte, el recipiente es de paredes flexibles, puede producirse una falla por corte general. La falla se produce a cierta carga vertical y ésta se relaciona con la resistencia al esfuerzo cortante del suelo. Esta resistencia está determinada por la resistencia al deslizamiento entre las partículas que tienden a desplazarse unas respecto a otras

Fig. 22. Causas del movimiento relativo entre partículas de suelo.

a) Movimiento producido por deformación en la zona de contacto. Las líneas continuas señalan el contorno de las partículas después de la carga (supuesta la inferior inmóvil); de trazos se muestra la posición inicial. 1,) Movimiento relativo por flexión de partículas laminares, c) Movimiento relativo por deslizamiento de una partícula sobre otra.

Las propiedades de compresibilidad, dilatación y resistencia al corte se estudiarán con detalle en capítulos pos- tenores.

El Suelo como Sistema de Partículas.

Si examinamos un puñado de arena de playa, se advierte a simple vista que el suelo se compone de granos independientes. Lo mismo puede decirse de todos los suelos, aunque muchas partículas de suelos son tan pequeñas que se requieren las técnicas microscópicas más refinadas para distinguirlas. Las partículas discretas que constituyen un suelo no están unidas tan fuertemente como los cristales de un metal y por tanto pueden moverse con relativa libertad, unas respecto a otras. Las partículas de suelo son sólidas y no se pueden mover con la misma facilidad que los elementos de un fluido. Así pues el suelo es intrínsecamente un sistema de partículas. Esta es la propiedad básica que distingue la mecánica de suelos de la mecánica de sólidos y fluidos.

De hecho, la ciencia que trata el comportamiento esfuerzo-deformación del suelo puede denominarse mecánica de sistemas de partículas, o sistemas discontinuos.

La Resolución de los Problemas De Ingeniería de los Suelos.

Hasta aquí, se han descrito en este capítulo algunos de los problemas que encuentra el ingeniero civil en la construcción sobre o en el interior del terreno y en obras de tierra. La resolución adecuada de cada problema supone casi siempre una combinación de la mecánica de suelos y de uno o más de los factores citados en la Fig. 1.19.

 Fig 1.19  Proceso de resolución de problemas de Mecánica de Suelos Planteados en Ingeniería Civil

La geología ayuda al ingeniero, ya que el método de formación de una masa de suelo influye en el tamaño, forma y comportamiento del mismo. La exploración ayuda a establecer los contornos de un depósito y permite al ingeniero la selección de muestras para pruebas de laboratorio. La experiencia, en el sentido que se le da aquí, no sólo significa hacer, sino además valorar los resultados de lo que se hizo. Así pues, cuando el ingeniero hace un proyecto o resuelve un problema de suelos e interpreta los resultados a partir de medidas in situ, ha adquirido experiencia. En general, se hace gran énfasis en la parte operativa de la experiencia y muy poco en la interpretación de los resultados de las obras realizadas. El ingeniero competente debe continuar mejorando su caudal de experiencia, comparando el comportamiento previsto de una estructura con el comportamiento real.

La economía es un factor importante en la selección de la mejor solución entre las posibles. Aunque la valoración económica detallada de una obra particular depende de los precios unitarios en la zona en que se va a construir, ciertas ventajas económicas de un determinado método sobre otro pueden destacarse de las características propias de cada método.

Este libro trata sólo una componente del proceso de resolución de los problemas de ingeniería de suelos: la mecánica de suelos, ciencia básica para la resolución del problema. El lector debe tener presente que la ciencia por sí sola no puede resolver estos problemas.

Casi todos los problemas de suelos son, en alto grado, estáticamente indeterminados. Aún es más importante el hecho de que los depósitos de suelos naturales presentan cinco características que originan complicaciones:

1. Un suelo no posee una relación lineal o única de esfuerzo-deformación.

2. El comportamiento de suelo depende de la presión, tiempo y del medio físico.

3. El suelo es diferente, prácticamente en cada lugar.

4. En casi todos los casos la masa de suelo que interviene en un problema está bajo la superficie y no puede observarse en su totalidad, sino que se debe estudiar a partir de pequeñas muestras obtenidas en puntos localizados.
5. La mayoría de los suelos son muy susceptibles a alterarse, debido a la toma de muestras, por lo que el comportamiento medido en pruebas de laboratorio puede ser diferente del del suelo in situ.

Estos factores se combinan para hacer que cada problema de suelos sea particular y, para todos los efectos prácticos, imposible de una solución exacta.

La mecánica de suelos puede proporcionar soluciones para un modelo matemático. Debido a la naturaleza y diversidad de los suelos y a las condiciones de contorno o frontera desconocidas, puede ser que el modelo matemático no represente exactamente el problema real. Al avanzar la construcción y, a medida que se adquiere más información, las propiedades del suelo y las condiciones de contorno se pueden rectificar, modificando adecuadamente la solución del problema.

La interpretación de datos insuficientes y contradictorios, la selección de los parámetros del suelo, la modificación de una solución, etc. requieren experiencia y gran intuición, es decir, el criterio del ingeniero. Si bien para la buena práctica profesional, es esencial poseer un amplio conocimiento de mecánica de suelos, este criterio suele ser la característica que distingue a los ingenieros más destacados.

Hundimientos Regionales - Mecánica de Suelos.

La extracción en gran escala de petróleo y agua del terreno puede producir asentamientos importantes en una zona muy extensa. Por ejemplo, una zona de 41.5 km2 en Long Beach, California, ha sufrido asentamientos debidos a la extracción del petróleo, con un asentamiento máximo hasta la fecha de 7.50 m. A consecuencia de ello, en el astillero naval adyacente a la zona asentada ha habido que construir malecones especiales para protegerse del mar, y reconstruir los diques secos. La ciudad de México ha llegado a asentarse hasta 9 m desde comienzos del siglo XX como resultado de la extracción de agua para usos domésticos e industriales. El primer paso para reducir este hundimiento regional es localizar las tierras que se comprimen al extraer los fluidos, y estudiar métodos para sustituir los volúmenes retirados.

Heladas - Mecánica de Suelos.

Debido a que ciertos suelos, bajo determinadas condiciones, se dilatan al congelarse, el ingeniero se enfrenta con problemas de expansiones por efecto de la helada. Cuando suelos susceptibles a la helada están en contacto con la humectad y experimentan temperaturas de congelación pueden absorber agua y sufrir una expansión muy importante. La Fig. 1.18 ilustra espectacularmente la magnitud del hinchamiento que un suelo puede presentar en condiciones ideales. Este hinchamiento ejerce fuerzas suficientemente grandes como para desplazar y agrietar estructuras adyacentes, creando serios problemas en época de deshielo, por el exceso de humedad. La descongelación de suelos helados suele proceder desde la superficie hacia abajo. El agua de fusión de hielo no puede ser evacuada hacia el terreno inferior helado, con lo cual queda atrapa da, reblandeciendo el suelo. El desplazamiento de centrales frigoríficas y pistas de patinaje es un ejemplo interesante de este fenómeno, pero es más importante y extendido el daño producido a pavimentos de carretera en las zonas del mundo que alcanzan las temperaturas de congelación. Los hinchamientos por la helada y los baches que se producen en el deshielo ocasionan numerosos inconvenientes y gastos en muchas zonas del Norte de los EE.UU., como Nueva Inglaterra.

Fig. 1.18 Hinchamiento por la helada. a) Muestra cuya altura aumentó de 7.8 a 32 cm al helarse. b) Muestra con hinchamiento desde 15a 30cm. c) Detalle de un suelo helado. (Fotografías reproducidas por cortesía de C. W. Kaplar del U. S. ArmV CRREL).

El ingeniero que proyecta carreteras y pistas de aeropuertos en zonas con peligro de heladas debe seleccionar una combinación de drenaje y materiales de base que impida la expansión por la helada, o proyectar el pavimento que resista el reblandecimiento del suelo que ocurre en primavera, al fundirse el hielo.

El Almacenamiento de Fluidos Industriales en Depósitos de Tierra - Mecánica de Suelos.

Debido a que la tierra es un material de construcción corriente y barato, es de gran utilidad para la construcción de embalses y depósitos para almacenar agua o fluidos industriales. Una de las aplicaciones más exitosas de esta técnica ha sido el depósito de tierra para el almacenamiento de aceites combustibles que aparece en la Fig. 1.17. Esta estructura, de una capacidad de 1.310,000 m3, se construyó por la décima parte del costo de una serie de depósitos convencionales de acero, ahorrándose así aproximadamente 20 millones de dólares. Debido a la tensión interfacial entre el agua y ciertos fluidos industriales, el suelo de grano fino compactado y húmedo puede emplearse para el almacenamiento, sin que se produzcan fugas ni filtraciones.

Otro ejemplo de esta aplicación particular son los depósitos para el almacenamiento de gas licuado a bajas temperaturas. Se han construido depósitos en tierra para el almacenamiento de propano licuado a - 42°C y para gas natural licuado a - 160°C. Al introducir un líquido a temperatura tan baja en un suelo húmedo se congela el agua intersticial de éste. Si el suelo tiene suficiente agua para que no queden canales de aire intercomunicados, el suelo se hace impermeable, tanto para el líquido como para el gas, una vez congelada el agua intersticial.

Explosiones y Terremotos - Mecánica de Suelos.

Desde hace mucho tiempo, los ingenieros se han interesado en las ondas originadas por voladuras de cantera y otras explosiones realizadas con fines constructivos y sus efectos sobre las estructuras. Se ha encontrado que el terreno, a través del cual pasan tales ondas, tiene una gran influencia sobre las vibraciones que alcanzan los edificios próximos.

Este problema ha alcanzado una dimensión totalmente nueva, debido al descubrimiento de los explosivos nucleares. La técnica militar se ha interesado cada vez más en el proyecto de instalaciones subterráneas que puedan perdurar después de sufrir una explosión nuclear muy próxima. La Comisión de Energía Atómica ha establecido el programa “Plowshare” para considerar los usos pacíficos de las explosiones nucleares, como la excavación de canales o trincheras de carreteras. La posibilidad de excavar un canal a nivel del mar, en Panamá, por tales métodos ha recibido una atención especial y ha planteado una nueva serie de cuestiones, como la estabilidad de los taludes formados por un proceso de voladura nuclear.

Problemas semejantes se plantean a causa de los terremotos. El tipo de suelo sobre el que descansa un edificio y el tipo de cimentación del mismo influye en la magnitud de los daños que puede sufrir un edificio durante un terremoto. Los posibles efectos de los terremotos sobre las presas han recibido últimamente mucha atención. El terremoto de 1964, en Alaska, originé uno de los deslizamientos de tierras más grandes que se conocen.

Fig. 1.17. Deposito para almacenamiento de petróleo (cortes(a de Creole Petrdeum Corporation).

Vibraciones - Mecánica de Suelos.

Algunos suelos granulares se pueden compactar fácilmente mediante vibraciones. Los edificios que descansan sobre tales suelos pueden sufrir asentamientos importantes, debido a la vibración de la maquinaria que se instale en ellos, tales como grandes compresores y turbinas. Los efectos de la vibración pueden ser muy graves, cuando la frecuencia de la vibración coincide con la frecuencia natural del terreno. Al advertir que las vibraciones pueden causar asentamientos perjudiciales en una estructura particular,, el ingeniero puede elegir entre varios métodos para evitarlas. Puede aumentar la masa de la cimentación, variando así su frecuencia, o compactar e inyectar el suelo, alterando de este modo su frecuencia natural y/o su compresibilidad.

Taludes y Excavaciones.

Cuando la superficie del terreno no es horizontal existe un componente del peso que tiende a provocar deslizamientos del suelo, como se aprecia en el diagrama .1e fuerzas de la Fig. l.12a. Si, a lo largo de una superficie potencial de deslizamiento, los esfuerzos tangenciales debidos al peso propio o a cualquier otra causa (como agua de filtración, peso de una estructura o de un terremoto) superan la resistencia al corte del suelo, se produce un deslizamiento de una parte del terreno. 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 realizar un cálculo de estabilidad.

La Fig. 1 .12a muestra un talud natural sobre el cual se ha construido un edificio. El incremento de esfuerzos tangenciales provocado por el edificio y la posible disminución de la resistencia al corte del terreno por el agua infiltrada desde aquel puede ocasionar una falla del talud, el cual pudo ser estable durante muchos años antes de la construcción. Deslizamientos de este tipo son frecuentes en la zona de Los Angeles, Cal.

La presa de tierra que aparece en la Fig. 1.8 tiene un núcleo de tierra compactado cuya estabilidad fue necesario estudiar. Durante el proyecto de esta presa se compararon los esfuerzos tangenciales con la resistencia al corte para diversas superficies potenciales de deslizamiento que pasan por el núcleo arcilloso.

Las Figs. 1.12b y c muestran excavaciones para un edificio y una conducción. L excavación para el edificio es una excavación apuntalada o entibada y la de la conducción es una excavación sin apuntalar, en zanja. Al proyectar debe comprobarse que no se supera la resistencia al corte del talud, ya que esto daría lugar a un derrumbe hacia el interior. 

 

Figura 1.12  Taludes y Excavaciones  a) Talud Natural  b) Excavación para Edificio c) Zanja para una conducción d) Canal.

La Fig. 1.12d muestra el esquema de un canal. Generalmente los canales se construyen excavando el terreno natural aunque a veces se construyen con bordos compactados. Los taludes laterales del canal deben tener suficiente seguridad contra un deslizamiento del tipo ya descrito y contra los efectos del agua que circula por el interior. Si no se dispone de una protección adecuada contra la corriente de agua, los costeros del canal pueden sufrir erosión, lo cual hace necesario eliminar continuamente el azolve del canal y puede originar un deslizamiento general de los taludes.