01_Propiedades_índice_de_los_suelos

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CAPTULO UNO

Propiedades Indice de los suelos Pg.

1.Introduccin. .......................................................................................................................................... 4 Figura 1.1 Proyectos de ingeniera que requieren un anlisis del suelo................................ 4

2.Definiciones. ........................................................................................................................................... 4

3.Origen del suelo y ciclo de la roca. ....................................................................................................... 6

3.1. Ciclo de la roca.......................................................................................................................................6 Figura 1.2 Ciclo geolgico de la roca (Coduto, 1999). .......................................................... 7

3.2. Meteorizacin. .......................................................................................................................................7

3.3. Transporte y deposicin. ...................................................................................................................9

3.4. Rocas gneas. ....................................................................................................................................... 10 Tabla 1.1 Ejemplos de rocas gneas (Blyth& de Freitas, 1989). .............................................. 12

3.5. Rocas sedimentarias. ....................................................................................................................... 12 Tabla 1.2 Ejemplos de rocas sedimentarias (Blyth& de Freitas, 1989). .................................. 13

3.6. Rocas metamrficas. ........................................................................................................................ 13 Tabla 1.3 . Ejemplos de rocas metamrficas (Blyth& de Freitas, 1989). ................................. 13

4.Composicin mineralgica del suelo. ................................................................................................ 14 Figura 1.3 . Estructuras atmicas bsicas de los minerales de arcilla (Whitlow, 1994). ....... 15 Figura 1.4 . Lminas formadas por estructuras atmicas bsicas (Whitlow, 1994). ............ 15 Figura 1.5 . Estructuras laminares (Whitlow, 1994). .......................................................... 16 Figura 1.6 .Minerales de arcilla (Whitlow, 1994). .............................................................. 16

5.Forma y textura de las partculas del suelo. ..................................................................................... 17 Figura 1.7 baco para evaluar las partculas de forma granular (Krumbein & Sloss, 1963). 18 Figura 1.8 Textura de partculas con forma granular (Das, 1998). ...................................... 18

6.Estructura y cohesin del suelo. ........................................................................................................ 18 Figura 1.9 Estructuras que dan cohesin a los suelos granulares. ...................................... 19 Figura 1.10 . Estructura de las partculas de arcilla sedimentadas (Whitlow, 1994). ............. 19 Figura 1.11 . Estructuras microscpicas que dan cohesin al suelo (Das, 1998). .................. 20

7.Fases del suelo. .................................................................................................................................... 20 Figura 1.12 . Composicin del suelo.................................................................................... 21 Figura 1.13 . Estados del suelo. .......................................................................................... 21 Figura 1.14 . Cuantificacin del volumen y masa de las fases del suelo. ............................... 22

7.1. Relaciones de volumen. ................................................................................................................... 22

7.2. Relaciones de peso. ........................................................................................................................... 23 Tabla 1.4 ndice de vacos, contenido de humedad y peso unitario seco (Coduto, 1999). ...... 26 Tabla 1.5 Gravedad especfica de algunos minerales (Coduto, 1999). ................................... 28

7.3. Modelo del volumen unitario de slidos. ................................................................................. 29 Figura 1.15 .Modelo del volumen de slidos unitario. ......................................................... 30 Figura 1.16 . Modelo del volumen de slidos unitario para suelo saturado.......................... 31

Fundamentos de mecnica de suelos. L.M. Salinas, J. Campos & G. Guardia

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7.4. Modelo del volumen unitario total............................................................................................. 31 Figura 1.17 .Modelo del volumen total unitario. ................................................................. 32 Figura 1.18 . Modelo del volumen total unitario para suelo saturado. ................................ 32

7.5. Relaciones de peso volumen. ..................................................................................................... 33 Tabla 1.6 Relaciones de peso-volumen (Das, 1998). ............................................................. 33

8.Distribucin del tamao de partculas. ............................................................................................ 36 Tabla 1.7 Sistemas para identificar el tamao de partculas del suelo (Das, 1998). ............... 36

8.1. Anlisis mecnico por tamices .................................................................................................... 37 Figura 1.19 . Tamices para el anlisis mecnico del suelo de grano grueso. ......................... 38 Tabla 1.8 . Serie ASTM de tamices (ASTM D422 y E100). .................................................... 38 Figura 1.20 . Tamizador de laboratorio. .............................................................................. 39 Figura 1.21 . Curva de distribucin del tamao de partculas. ............................................. 40 Figura 1.22 Curvas de distribucin del tamao de partculas de cinco suelos (Coduto, 1999). 41

8.2. Anlisis mecnico por hidrmetro. ........................................................................................... 43 Figura 1.23 .Hidrmetro (Das, 1998). ................................................................................. 44 Tabla 1.9 Valores de K (ASTM D422). ................................................................................... 45 Tabla 1.10 Valores de L para distintas lecturas (R) del hidrmetro. .................................... 46 Tabla 1.11 Valores de a (ASTM D422)................................................................................ 47 Figura 1.24 . Curva de distribucin del tamao de partculas. ............................................. 48

9.Consistencia del suelo. ........................................................................................................................ 50

9.1. Densidad relativa (Dr). .................................................................................................................... 50 Figura 1.25 . Formas de empaquetamiento delas partculas del suelo (Das, 1998). ............. 50 Tabla 1.12 .Descripcin del suelo segn la densidad relativa (Lambe & Whitman, 1969). ... 51 Figura 1.26 .Variacin de emax y emin respecto a la angularidad y CU (Youd, 1973). .............. 51 Figura 1.27 .Relacin aproximada de d, e y Dr para suelos de grano grueso (Das, 1998)..... 52

9.2. Lmites de consistencia. .................................................................................................................. 52 9.2.1. Liquidez. ................................................................................................................. 52 Figura 1.28 . Consistencia del suelo segn al contenido de humedad (Coduto, 1999). ......... 53 Figura 1.29 .Cuchara de Casagrande para determinar el lmite lquido del suelo. ................ 53 Figura 1.30 . Divisin de la pasta de suelo. ......................................................................... 54 Figura 1.31 .Cierre de la pasta de suelo. ............................................................................. 54 Figura 1.32 .Determinacin del lmite lquido del suelo. ..................................................... 54 Tabla 1.13 Valores para la relacin (N/25)0.121 (ASTM D4318). ........................................ 55 9.2.2. Plasticidad. ............................................................................................................ 56 Figura 1.33 .Determinacin del lmite plstico (Laboratorio de geotecnia, UMSS). .............. 57 Tabla 1.14 Grado de plasticidad del suelo (Sowers, 1979). ................................................ 57 Figura 1.34 . Relacin entre el ndice de plasticidad y el porcentaje en peso de partculas compuestas de minerales de arcilla (Seed, Woodward y Lundgren, 1964). .............................. 58 Tabla 1.15 Actividad de las arcillas (Whilow, 1994). ........................................................... 58 Figura 1.35 . Grfico de plasticidad (Casagrande, 1932). ..................................................... 59 9.2.3. Contraccin. ........................................................................................................... 59 Figura 1.36 .Variacin del volumen respecto al contenido de humedad. ............................. 60 Figura 1.37 .Determinacin del lmite de contraccin (Das, 1998). ...................................... 60 Figura 1.38 .Estimacin del lmite de contraccin con el grfico de plasticidad (Das, 1998). 61 Figura 1.39 .Molde para el ensayo de contraccin lineal. .................................................... 63 9.2.4. ndice de consistencia (CI). .................................................................................. 63

Captulo 1. Propiedades ndice de los suelos

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Tabla 1.16 Valores de los lmites de Atterberg para los minerales de arcilla (Mitchell, 1976). 64


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1. Introduccin.

Desde hace ya mucho tiempo la humanidad ha construido diversos tipos de estructuras, como

ser: presas, carreteras, acueductos y otros proyectos de ingeniera. Aunque el anlisis estructural

de todos estos vara de acuerdo a cada caso todos tienen algo en comn, que se fundan sobre el

suelo o la roca. Por varios aos, los ingenieros de la antigedad desconocieron la importancia del estudio del

comportamiento del suelo antes del diseo y construccin de estas estructuras, como consecuencia sus estructuras experimentaron los efectos del comportamiento del suelo, como el caso de la inclinacin de la torre de Pisa construida en 1173. Por lo general, en aquel tiempo para construir una estructura importante los ingenieros solan copiar a otra que haba dado resultados satisfactorios. A lo largo de los aos, diversos investigadores modernos han estudiado el suelo logrando significativos avances en cuanto a clasificarlo, identificar sus propiedades y conocer su comportamiento. En la Figura 1.1, se muestra algunos tipos de estructuras que requieren un estudio previo del comportamiento del suelo antes de su diseo.

Figura 1.1 Proyectos de ingeniera que requieren un anlisis del suelo.

(a) Estribo de puente. (b) Muro de contencin. (c) Presa de concreto. (d) Talud.

Cuando se ignora el estudio del comportamiento del suelo, este responde de manera inesperada originando condiciones no previstas en el diseo de la estructura, lo cual vulnera su estabilidad. El estudio del suelo, implica: determinar sus propiedades ndice, clasificarlo, conocer el comportamiento del agua en este, su resistencia a esfuerzos externos y los lmites respecto a su cambio de volumen. Una vez conocidas sus propiedades y comportamiento, pueden disearse estructuras que se ajusten a las condiciones especficas de cada suelo.

2. Definiciones.

Dentro el estudio dela mecnica de suelos, es importante definir algunos trminos tcnicos de uso comn que difieren del concepto idea popular que se tiene acerca de ellos.

(c)

(a) (b)

(d)


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Mineral. Se define mineral como una sustancia inorgnica natural que tiene una composicin qumica en particular o una variacin de su composicin y una estructura atmica que guarda ntima relacin con su forma cristalina (Blyth & de Freitas, 1989).

Los minerales llegan a ser los principales constituyentes slidos de todas las rocas, que dan a las rocas propiedades fsicas, pticas y qumicas como ser: color, lustre, forma y dureza. El suelo por lo general, contiene algunas variedades comunes de minerales.

Roca. Roca es definida como un agregado natural slido cementado con contenido mineral que tiene propiedades fsicas y qumicas. Desde un punto de vista ingenieril, puede ser definido como un material duro, durable que no puede ser excavado si no con explosiones. La roca es considerada como material casi impermeable (Blyth & de Freitas, 1989).

Las rocas son clasificadas de acuerdo a sus caractersticas fsicas y a la forma de su formacin, adems constituyen ser la materia prima del suelo.

Suelo. El suelo puede definirse desde dos puntos de vista: el gelogo y el ingenieril.

Para el gelogo, el suelo describe capas de material suelto sin consolidar que se extienden desde la superficie hasta la roca slida y que se ha formado por meteorizacin y la desintegracin de las propias rocas. El punto de vista gelogo del suelo, permite conocer el origen del suelo ya que mediante la geologa se puede clasificar las rocas y comprender las transformaciones que tienen en su ciclo hasta convertirse en suelo (Whitlow, 1994).

Desde el punto de vista ingenieril, suelo se define como un agregado natural no cementado de granos minerales y materia orgnica en descomposicin, con lquido y gas en los espacios vacos entre las partculas que lo constituyen. El ingeniero, compara al suelo como un material de construccin que tienen una importante influencia en el diseo y construccin de una obra de ingeniera (Das, 1999).

El suelo al igual que otros materiales posee propiedades ingenieriles, que estn gobernadas por el tamao de sus partculas y la forma en que estas interaccionan entre si. Los suelos por lo general, son materiales heterogneos y anisotrpicos, por lo que no estn compuestos de un mismo material en toda su masa, adems son materiales no conservativos, es decir que la masa de suelo al deformarse no recupera su forma original.

Mecnica de suelos. La mecnica de suelos estudia el comportamiento y las propiedades fsicas del suelo cuando fuerzas y agentes externos actan en la masa de suelo. Esta rama de la geotecnia considera la estructura del suelo, la forma de las partculas que lo constituyen y las fases que ste presenta, concentrndose en las propiedades ingenieriles (Das, 1999).

Ingeniera de suelos. Ingeniera de suelos, es la aplicacin de los principios de la mecnica de suelos a problemas prcticos de ingeniera donde la experiencia y la teora se complementan (Das, 1999).

Geotecnia. Es una ciencia, que combina los conocimientos de la ingeniera geotcnica y la ingeniera geolgica al estudio del comportamiento y la clasificacin de los elementos encontrados en la corteza terrestre, como ser: suelo, roca y agua subterrnea (Coduto, 1998).


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Ingeniera geotcnica. Ingeniera geotcnica es una rama de la ingeniera civil que aplica los conocimientos de la mecnica de suelos y de la ingeniera civil a algunos aspectos de la corteza terrestre. Generalmente, se concentra slo en los materiales encontrados cerca de la superficie de la tierra como la roca, suelo y el agua subterrnea. Determina relaciones matemticas y empricas, tiles para conocer el comportamiento de estos materiales y disear estructuras relacionadas a estas (Coduto, 1998).

Segn el Diccionario de la Real Academia de la Lengua Espaola la ingeniera geotcnica es la aplicacin de principios de ingeniera la ejecucin de obras pblicas en funcin de las caractersticas de los materiales de la corteza terrestre.

Propiedades ndice del suelo. Existe una gran variedad de suelos con caractersticas diferentes, por lo que se los clasifica en diferentes categoras y tipos. Las propiedades ndice del suelo se refieren a las caractersticas particulares que identifican a un suelo de una misma categora, estas son: granulometra, consistencia, cohesin y estructura.

3. Origen del suelo y ciclo de la roca.

El suelo tiene su origen en la roca a travs de la meteorizacin y otros procesos geolgicos que experimentan las rocas que se encuentran cerca de la superficie terrestre, es decir la desintegracin de estas en pedazos cada vez ms pequeos, que en contacto con el medio ambiente (agua y aire) se concentran formando el suelo. Las rocas tienen su origen a partir de varios procesos geolgicos, los ms importantes que dan origen a una variedad de rocas son: la cristalizacin de los minerales que la componen durante la solidificacin del magma, la cementacin de las partculas del suelo de un depsito y el metamorfismo. Las diversas variedades de roca que se encuentran en la corteza terrestre, estn clasificadas en tres grandes categoras, que son: rocas gneas, sedimentarias y metamrficas.

3.1. Ciclo de la roca.

Se llama ciclo de la roca a un proceso geolgico extremadamente lento, donde la roca va transformndose en tres categoras diferentes de roca, que son las: gneas, sedimentarias y metamrficas. En la Figura 1.2 se muestra un esquema de todos los procesos en el ciclo geolgico de la roca.

El ciclo empieza cuando el magma sale a la superficie terrestre debido a una erupcin volcnica, donde este se enfra en la superficie de la corteza terrestre o dentro de ella, formando as rocas gneas extrusivas o intrusivas respectivamente. Estas rocas pueden fundirse nuevamente en una futura erupcin y convertirse en parte del magma, o de lo contrario sufrir un proceso de metamorfismo debido a presin y temperatura convirtindose as en roca metamrfica. Durante una erupcin el material piroclstico expulsado se esparce por la superficie terrestre, en contacto con el medio ambiente se meteoriza formando de esta manera el suelo. Si es compactado por presin y sobrecarga, se forma nuevamente la roca metamrfica. La roca metamrfica puede nuevamente fundirse y ser parte del magma o sufrir un proceso de meteorizacin convirtindose en suelo, al igual que el caso de la roca gnea el sedimento producto de la meteorizacin puede nuevamente cementarse y convertirse en roca sedimentaria. La roca sedimentaria puede sufrir tambin un proceso de metamorfismo recristalizndose y convertirse en roca metamrfica, o de lo contrario sufrir meteorizacin convirtindose en sedimento que formar parte del suelo, donde todos los procesos del ciclo nuevamente se repiten.


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Figura 1.2 Ciclo geolgico de la roca (Coduto, 1999).

3.2. Meteorizacin.

La meteorizacin generalmente es el resultado de procesos atmosfricos como: la lluvia y los cambios de temperatura, estos son responsables de la destruccin gradual de las masas de roca slida durante largos periodos de tiempo, donde se altera la composicin y estructura de las rocas por medios fsicos y qumicos. El producto del proceso de meteorizacin de las rocas y suelos corresponde a varios tamaos de partculas cada vez ms pequeas con una nueva composicin y forma.

Meteorizacin fsica o mecnica. La meteorizacin fsica o mecnica, causa la desintegracin de las rocas en partculas ms pequeas ya sea por: accin de la temperatura, por impacto de un agente externo o por la abrasin de las mismas partculas minerales acarreadas por el viento. Entre los principales procesos que ocasionan la meteorizacin mecnica se pueden mencionar la: descarga y carga mecnica, expansin y contraccin trmica, acumulacin de sales, desprendimiento coloidal, actividad orgnica y carga neumtica.

Descarga mecnica.- Las rocas que se encuentran por debajo de la superficie terrestre estn sometidas a una: presin vertical y de confinamiento (presin lateral). Cuando la presin vertical reduce por alguna causa externa como ser la erosin, la roca tiende a romperse o fisurarse. Se llama exfoliacin al rompimiento o descascaramiento de las capas superficiales de la roca, este proceso generalmente ocurre durante la excavacin de un tnel.

Carga mecnica.- Es ocasionada por el impacto de partculas que pueden ser arrastradas por el viento o agua sobre una roca, con el tiempo este proceso

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Suelo


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puede ocasionar su fisuramiento. El impacto de las gotas de lluvia durante las tormentas intensas sobre las rocas dbiles, contribuyen a este proceso destructivo.

Expansin y contraccin trmica.- Un golpe fsico, la accin de una planta o animal, o el cambio brusco de la temperatura, puede ocasionar la fisuracin de la roca. Este hecho da lugar al ingreso de agua a su interior y esta al congelarse se expande ocasionando esfuerzos internos que quiebran ms la roca. Los efectos de contraccin debido al congelamiento del agua en las fisuras y la expansin trmica debido a la insolacin, van debilitando a la roca hasta que ocasionan su rompimiento completo. Estos cambios frecuentes de temperatura son uno de los agentes principales en la meteorizacin fsica o mecnica en reas desrticas.

Acumulacin de sales.- Al saturarse de agua las rocas, las presiones de la cristalizacin de las sales ocasionan esfuerzos internos que contribuyen a una significativa desintegracin de las rocas.

Desprendimiento coloidal.- Las rocas en algn momento, pueden estar cubiertas de materia coloidal hmeda. La contraccin de estos materiales coloidales durante su secado, puede producir esfuerzos de tensin en la superficie con la cual estn en contacto, debilitando la superficie de la roca.

Actividad orgnica.- El crecimiento de las races de las plantas en las fisuras de la roca, es un proceso que ocasiona una desintegracin importante en las rocas.

Carga neumtica.- El aire atrapado en las fisuras expuestas de la roca, ejerce presin interna en la roca debido a oleaje de un lago o ro, que debilita a la roca.

Meteorizacin qumica. El agua por lo general ataca qumicamente a los minerales que componen la roca, por lo que todo proceso de meteorizacin qumica depende de la presencia del agua. El agua que es adsorbida y la que se encuentra sobre la superficie de la roca causa algunos procesos qumicos importantes. La meteorizacin qumica descompone los minerales de la roca por: oxidacin, reduccin, carbonizacin y otros procesos qumicos. Generalmente la meteorizacin qumica, es mucho ms importante que la fsica en la formacin del suelo. Algunos procesos que a menudo ocurren en la meteorizacin qumica son:

Hidrlisis.- Es un proceso qumico importante que consiste en la reaccin del mineral el hidrgeno (H+) y el oxidrilo (OH-) del agua, donde el PH del agua juega un papel importante. El resultado de estos procesos son minerales arcillosos, donde los iones de hidrgeno del agua percolante remplazan a los cationes, lo que no da lugar al proceso de oxido-reduccin.

Carbonizacin.- El agua en combinacin del dixido de carbono de la atmsfera, forman sobre la superficie de la roca cido carbnico (H2CO3), este reacciona con los minerales que contiene la roca ocasionando un proceso de disociacin de minerales en iones, que aumenta considerablemente por la presencia de CO2. En consecuencia se forman minerales arcillosos, sales solubles y hasta cidos orgnicos, ocasionando la descomposicin de materia orgnica lo que causa la meteorizacin qumica.

Oxidacin.- Es producida por el contacto del oxigeno del aire con ciertos componentes qumicos-mineralgicos de las rocas particularmente favorables para combinarse con l (compuestos frricos, carbonatos, sulfuros, etc.).Durante este proceso, existe una transformacin qumica de estos en xidos ocasionando un cambio en la composicin de la superficie externa de los afloramientos, haciendo variar su coloracin a color rojizo u ocre oscuro, pero sin penetrar ms all de unos milmetros la superficie exterior de la roca.


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Reduccin.- Mediante reacciones qumicas, se lleva a cabo un proceso complementario a la oxidacin donde se libera el oxgeno de los minerales que pasa a formar parte del ambiente circuncidante, el oxgeno deja la estructura del mineral a medida que la oxidacin disminuye el nmero de elementos reducidos.

Hidratacin.- Se refiere a la absorcin de molculas de agua dentro de la estructura interna de un mineral. Este fenmeno provoca una expansin y acelera los procesos de la carbonizacin, oxidacin, reduccin e hidrlisis.

Lixiviacin.- Se refiere a la migracin de iones alentada por los procesos antes citados, la movilidad de los iones depende de su potencial inico. El Ca, Mg, Na y el K, son fcilmente lixiviados por las aguas circulantes. El Fe, es el ms resistente. El Si, es difcil de lixiviar y el Al, es casi inamovible.

Cambio de cationes.- Es la absorcin de cationes en solucin cargados positivamente en un mineral arcilloso cargado negativamente, especialmente: Ca, H, K y Mg.

3.3. Transporte y deposicin.

Los arroyos, corrientes ocenicas, olas, viento, aguas subterrneas, glaciales y la gravedad continuamente erosionan y transportan suelo, fragmentos de rocas y sedimento, a lugares de deposicin donde se meteorizan. Generalmente, estos agentes transportadores ocasionan cambios fsicos en las partculas que son transportadas. Erosin incluye todo proceso de desintegracin, principalmente el desgaste de la superficie terrestre por accin mecnica. Cuando las partculas son levantadas o arrastradas por alguno de estos agentes estas se erosionan, sufren un decremento en su tamao lo cual hace ms fcil su transporte. Los diferentes tipos de suelo, estn clasificados segn al modo de transporte de estos materiales.

Depsitos elicos. El viento a diferencia de otros solo puede mover sedimento compuesto de pequeas partculas a diferentes lugares. El depsito ocurre cuando la velocidad del viento disminuye, consecuentemente las partculas se acumulan a lo largo del camino, el viento llega a clasificarla ya que deja las partculas ms grandes y se lleva las partculas ms pequeas. El trabajo de denudacin del viento, se puede observar en forma ms destacada en las regiones que tienen un clima seco y caliente.

Depsitos glaciales. Un glaciar transporta rocas de todo tamao yuna variedad de sedimentos, los cuales caen sobre su superficie provenientes de las laderas de los valles circundantes, la confluencia de dos glaciales trae como consecuencia la formacin de las morrenas. Las morrenas llegan a transportar material de todo tamao. Los materiales de los depsitos glaciales varan mucho en sus propiedades fsicas.

Depsitos aluviales.

La accin mecnica de la cada de la lluvia en forma continua sobre la superficie terrestre, desprende partculas sueltas del suelo y polvo de las rocas. Los depsitos aluviales son el resultado de deposicin pluvial (lluvia) y fluvial (ros) de estas partculas. Estas partculas son transportadas por una corriente de agua, la deposicin se realiza debido a una disminucin en la pendiente de la corriente, ocasionando la prdida de velocidad. En esta forma de transporte las partculas de todo tamao estn en contacto colisionando constantemente entre si, por lo que generalmente estas tienen los bordes redondeados.


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Depsitos lacustres.

La deposicin lacustre o la de lagos tanto en agua dulce como salada, consiste de la deposicin de sedimento generalmente de material diminuto en el fondo del lago. En el caso de agua salada la floculacin de las partculas de tamao coloidal es acelerada, lo que ocasiona una rpida precipitacin al fondo.

Depsitos marinos.

Las olas del mar continuamente rompen en una costa, erosionando la margen terrestre por la fuerza del impacto y en especial durante las tormentas. Los fragmentos de roca disgregados, llegan a redondearse reducindose de tamao por el golpeo que reciben de las olas, y en conjunto forman los depsitos que se encuentran en la playa. Existen tres variedades importantes de depsitos marinos:

Litgenos.-Son de origen terrestre, volcnico o csmico. Bigenos.-Estn constituidos de los restos de organismos marinos. Hidrgenos.- Proveniente de las precipitaciones y los afluentes que

desembocan en el ocano.

Depsitos coluviales. Son materiales transportados por gravedad, la accin del hielo-deshielo y, principalmente, por el agua. Su origen es local, producto de la alteracin in situ de las rocas y posterior transporte como derrubios de ladera o depsitos de solifluxin. Su composicin depende de la roca de la que proceden, estando formados por fragmentos angulares y heteromtricos, generalmente de tamao grueso, englobados en una matriz limo arcillosa.

Suelos residuales.

Se llama residual, al suelo formado producto de la meteorizacin que se mantiene en el mismo lugar de origen. A diferencia de los suelos producto del transporte y deposicin, estos estn relacionados con los materiales del lugar, clima y topografa. Se caracterizan por tener un orden en el tamao de las partculas que lo constituyen, aumentado su tamao con la profundidad. Por lo general los suelos residuales estn compuestos de materiales altamente compresibles, su estudio entra en otra categora de la mecnica de suelos.

3.4. Rocas gneas.

Se llaman as a las rocas formadas por la solidificacin del magma a diferentes profundidades. El material rocoso fundido (magma), se enfra lentamente y se solidifica dentro o debajo de la corteza terrestre. Debido a movimientos tectnicos o erosin, estas rocas salen a la superficie terrestre. Los tipos de rocas gneas formadas por el enfriamiento del magma depende de factores como: la composicin del magma y el grado de enfriamiento asociado con l. Se estima que las rocas gneas componen el 98% de la corteza terrestre, estas se clasifican segn su: forma de solidificacin y composicin qumica.

Clasificacin de las rocas gneas segn a su forma de solidificacin.

De acuerdo a su forma de solidificacin, existen dos tipos de rocas gneas: rocas gneas extrusivas e intrusivas.

El magma que es expulsado hacia la superficie de la tierra por medio de erupciones o fisuras volcnicas (lava), con el tiempo se solidifica y los diferentes minerales se unen para formar cristales silicatados como las: piroxenas, las anfbolas, los feldespatos y xidos como la magnetita. Estos minerales llegan a cristalizar consumiendo parte del slice, magnesio y hierro


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del magma, de acuerdo a su composicin se llaman ferromagnesianos o mficos (mezcla de magnesio y hierro) y minerales flsicos que dan color a la roca dando lugar a la formacin de una variedad de rocas gneas extrusivas. Las rocas gneas extrusivas son generalmente de lustre vtreo, tienen granos finos y una superficie suave, con una textura anmica a porfirtica o tambin de textura brechoide.

En ocasiones el magma se eleva a diferentes niveles sin alcanzar la superficie terrestre, donde al cesar su movilidad se enfra y la cristalizacin de sus minerales constituyentes forma variedades de roca gnea intrusiva, llamadas tambin rocas plutnicas debido a su gran tamao. Segn al tamao de estas rocas se las clasifican en dos tipos:

Intrusiva menor.- Cuando el magma se eleva, llena fracturas y otras aberturas en las rocas encajonadas donde se forman las intrusiones menores, es decir cuerpos gneos pequeos como ser: los diques que son semejantes a un muro muy empinado o vertical cuyos lados son aproximadamente paralelos y tambin se forman los mantos que son hojas de roca cuya extensin es mas o menos horizontal. Las rocas gneas intrusivas, por lo general tienen una textura fina a moderadamente gruesa.

Intrusiva mayor.- Se llama as a una masa grande de magma de muchos kilmetros cbicos de volumen, que se enfra lentamente debido a su tamao. Entre las intrusiones mayores se encuentran: el plutn, que es un cuerpo de magma moderadamente grande con varias formas pero comnmente tiene una seccin transversal casi circular. El tronco es un cuerpo cilndrico casi vertical con una seccin transversal que ocupa unos 100 km2. Un batolito es una masa gnea que no tiene base, que se eleva como una proyeccin irregular dentro de las rocas de la corteza, por lo cual puede decirse que es un conjunto de plutones separados que generalmente ocupan una superficie de hasta 1000 km2. Estas rocas gneas son generalmente cristalinas y de textura gruesa.

Clasificacin de rocas gneas segn a su composicin qumica.

De acuerdo a su composicin qumica de los minerales constituyentes de la cristalizacin, estas rocas gneas se clasifican en:

cidas.-Son rocas intrusivas mayores, que contienen una gran cantidad de slice que le da un color claro, adems de mica biotita, ortoclasa, plagioclasas, hornblenda y en ocasiones magnetita. Estas rocas presentan una textura de grano grueso.

Intermedias.- Por lo general son rocas intrusivas menores, contienen poco o nada de cuarzo y una pequea cantidad de biotita o piroxena y en ocasiones ortoclasa, sin embargo contienen una gran cantidad de plagioclasas y hornblenda, lo que le da un color castao. Estas rocas son de textura de grano grueso a mediano y rara vez porfirtica.

Bsicas.-Estas rocas contienen poco slice, olivino y clorita, pero mayor cantidad de xidos metlicos, minerales ferromagnesianos y un gran contenido mfico, los cuales dan a la roca una apariencia oscura. Algunas de estas rocas, son importantes como material de agregado en la construccin de carreteras. Los minerales esenciales son la plagioclasa, augita y dilaga, estas rocas tienen una cristalizacin gruesa, rara vez porfirtica y algunas son de grano fino a mediano.

Ultra bsicas.- Estas rocas contienen principalmente minerales mficos, olivino y augita, contienen poco o nada de feldespatos por lo que tienen un color oscuro, adems suelen contener piroxena, biotita y xidos de hierro. Estas rocas son de textura de grano grueso.

La Tabla 1.1 muestra ejemplos de algunas variedades de roca gnea.


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Tabla 1.1 Ejemplos de rocas gneas (Blyth& de Freitas, 1989). ROCAS IGNEAS

Clasificacin segn a la forma de su solidificacin

Clasificacin segn a su composicin qumica Textura

cidas Intermedias Bsicas Ultrabsicas

EXTRUSIVAS Riolita Andesita Basalto Picrita Vtrea con grano fino

Intr

usi

vas

MENORES Felsia Porfirita Dolerita Picrita Fina a casi gruesa

MAYORES Granito Diorita Gabro Perdorita Gruesa a cristalina

3.5. Rocas sedimentarias.

Por lo general, los sedimentos producto de la meteorizacin, el transporte y deposicin, forman una capa superficial relativamente delgada de la corteza terrestre. Los componentes de los sedimentos se endurecen formando rocas sedimentarias, en un proceso llamado cementacin. En este proceso de cementacin algunos agentes cementadores como el: oxido de hierro, calcita, dolomita y cuarzo, son llevados por aguas subterrneas que percola por los espacios vacos entre partculas del suelo, donde llena esos espacios y acta como un cemento que los une. Los factores que influyen en la formacin de rocas sedimentarias son: el tiempo, la sobrecarga (que constituye el peso propio) y la consolidacin (precipitacin de las sustancias disueltas por el agua). Las rocas sedimentarias, se clasifican segn al origen y tipo de sedimentos que la componen, en clsticas, qumicas y biolgicas.

Rocas sedimentarias clsticas.

Tambin llamadas Detrticas, son rocas formadas con sedimentos que provienen del rompimiento de rocas preexistentes en diferentes tamaos de granos. Este grupo de rocas sedimentarias se clasifica segn el origen del sedimento en:

Terrgenos.- Son producto de la meteorizacin y erosin de rocas. Este grupo est dividido de acuerdo al tamao de las partculas componentes, como ser: rudceos (que significa guijarroso), arenaceo (que significa arenoso) y argilceo o lutceo (que significa arcilloso o limoso respectivamente). Las rocas ms comunes encontradas formadas con estos tipos de sedimentos, son: los conglomerados, las areniscas, coloditas y lutitas.

Piroclsticos.-Los sedimentos que componen estas rocas provienen de las erupciones volcnicas, la ceniza y detrtos expulsados de un volcn activo, que llueven sobre el rea circundante formando una cubierta de depsitos piroclsticos que con el tiempo se cementan.

Calcreos.- Estas rocas, son formadas principalmente por sedimentos compuestos de partculas calcreas que han sido clasificadas como si fueran detritos. Las rocas comnmente encontradas de este tipo son las variedades de caliza, como la caliza conchfera y la greda (que es una caliza suave).

Rocas sedimentarias qumicas.

Algunas rocas son formadas por procesos qumicos, los depsitos de aguas salinas y carbonadas al evaporarse van cementndose dando lugar a la formacin de estas rocas. Algunas de las rocas formadas por estos procesos son: las calizas, piedra yesera, dolomitas, yeso, anhidrita y otras.

Rocas sedimentarias biolgicas.

Estas rocas estn constituidas enteramente o en parte por despojo mineral o de seres microscpicos o plantas que vivieron en los antiguos ocanos. Estos seres al morir son cubiertos


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por capas de sedimento compuesto de material fino, que con el paso del tiempo se cementa donde la materia orgnica es remplazada por minerales constituyndose as en roca. Estas se clasifican segn al tipo de material orgnico en: litgenos (origen vegetal) y bigenos (origen animal). La Tabla 1.2 muestra ejemplos de algunas variedades de roca sedimentaria.

Tabla 1.2 Ejemplos de rocas sedimentarias (Blyth& de Freitas, 1989).

Origen y Tipo de sedimento ROCAS SEDIMENTARIAS

DETRTICAS Terrigeneas Areniscas Limolita Lutita Tilita Brechas

Piroclsticas Brecha vol. Toba

Calcareas Greda Arenisca Conglomerado brecha

Grava de Carbonato

Limos de Carbonato

QUMICAS (meteorizacin) Lomonita Dolomita Anhidrita Yeso Calizas

BIOLGICAS Lithgenas Turba Lignita Antracita Lodos organ. Lufita

Bigenas Rocas con fsiles en general

3.6. Rocas metamrficas.

Se llaman as a las rocas que han sufrido un proceso de transformacin denominado metamorfismo, que da lugar a la formacin de nuevas rocas que anteriormente pudieran haber sido gneas o sedimentarias. El calor y la presin son los agentes del metamorfismo que ocasionan cambios en la estructura de los minerales, recristalizndolos cambiando as su textura, forma y composicin de la que originalmente posean. Existen tres tipos de metamorfismo:

Termal o de contacto.- En este tipo de metamorfismo interviene el calor en la recristalizacin de algunos o todos los componentes a temperaturas comprendidas entre500 a 800 oC, formndose nuevas variedades de minerales en la roca.

Dinmico.-En este tipo de metamorfismo el esfuerzo principal es el agente que ocasiona la transformacin de la roca y la temperatura no tiene una influencia significativa. Generalmente estos esfuerzos que causan la transformacin de la roca son por cizalla.

Regional.-Cuando el esfuerzo y la temperatura son influyentes esenciales en la recristalizacin, se trata de un metamorfismo regional, lo que da como resultado la recristalizacin de los minerales existentes en la roca que transforman la roca.

Con el paso del tiempo, consecuencia de la deposicin de sedimento compuesto de ceniza y

material fino, las rocas gneas y sedimentarias son sepultadas gradualmente por una capa de suelo y vegetacin. Una nueva erupcin volcnica puede incluso cubrir la superficie superior de lava que se solidifica rpidamente, formando as una capa rocosa, donde esas rocas que inicialmente estaban sobre la superficie terrestre pueden encontrarse por debajo, lo que da lugar a que sufran metamorfismo. Los procesos de metamorfismo influyen en el comportamiento mecnico de las rocas, aumentando su dureza y resistencia.

La Tabla1.3 muestra algunos ejemplos de roca metamrfica encontradas comnmente en la corteza terrestre.

Tabla 1.3 . Ejemplos de rocas metamrficas (Blyth& de Freitas, 1989). Tipo de metamorfismo ROCAS METAMRFICAS

Termal o de contacto Granito Diorita Andalucita Mrmol Cuarcita

Dinmico Milonita Grafito Silimanita Cianita Granate

Regional Pizarra Filita Esquisto Migmatita Granulita


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4. Composicin mineralgica del suelo.

Se pueden identificar ms de 2000 diferentes minerales en la corteza terrestre y muchos de ellos estn presentes en las rocas.

Existe una distincin entre los minerales que son constituyentes esenciales de las rocas que dan el nombre a estas y los que son accesorios que se encuentran en pequeas cantidades, pero su presencia o ausencia no influye en el nombre de la roca. Las rocas tambin contienen minerales secundarios, que son aquellos que resultan de la descomposicin de los minerales esenciales por accin del agua. Como resultado de la meteorizacin y el proceso de la deposicin, estos minerales que poseen las rocas llegan a formar parte del suelo. Los minerales ms comunes que pueden encontrarse en el suelo son:

Feldespatos.- Los feldespatos forman un grupo grande de minerales monoclnicos, triclnicos y son un componente importante de algunos tipos de rocas. La Ortoclasa es un feldespato que contiene potasio (KAlSi3O8) abundante en granitos y sienitas, generalmente su color vara de blanco a rosado. La Plaglioclasa es otro feldespato que contiene sodio (NaAlSi3O8), calcio (CaAl2Si2O8) o ambos encontrados en abundancia en rocas gneas y tiene color blanco a gris o negro. El feldespato se considera un material moderadamente duro.

Cuarzo.- Es un mineral muy comn, un constituyente esencial de los granitos y otras rocas. Este es un silicato (SiO2) y comnmente tiene un color translucido a blanco lechoso. El cuarzo es ms duro que la mayora de los minerales y es uno de los ms resistentes a la meteorizacin, se encuentra en abundancia en rocas metamrficas.

Minerales ferromagnesianos.- Corresponden al grupo de los silicatos que contienen tanto hierro como magnesio. Este grupo contiene las variedades de: piroxena, anfbola, hornblenda y olivino. Estos minerales abundan en las rocas gneas bsicas y utrabsicas, tienen un color oscuro y una moderada dureza.

Mica.- Son un grupo de minerales monoclnicos en forma de hojuelas o lminas delgadas translucidas, generalmente est presente en los granitos y rocas cidas. Entre las variedades de mica se encuentran: la moscovita que tiene lminas plateadas y la biotita que tiene hojuelas gris oscuro o negro.

xidos de hierro.- Constituyen minerales accesorios de las rocas, son minerales que contienen hierro (Fe2O3), entre los cuales se encuentran la limonita y magnetita. Aunque se presentan en menor cantidad estos minerales dan un distintivo color rustico a las rocas y suelos.

Minerales secundarios.- Tienen su origen en la alteracin de minerales preexistentes, entre los cuales estn: los minerales de arcilla, la calcita, dolomita, clorita y otros.

Estructura de los minerales de arcilla.

Los minerales arcillosos son formados principalmente por la meteorizacin qumica de las rocas, es decir que estos minerales son producto de la alteracin de minerales preexistentes en la roca. Estos minerales son tan diminutos que slo pueden ser vistos utilizando un microscopio electrnico.

Los principales elementos qumicos constituyentes de estos minerales son tomos de: silicio, aluminio, hierro, magnesio, hidrgeno y oxgeno. Estos elementos atmicos se combinan formando estructuras atmicas bsicas, que combinndose entre s forman lminas, la que al agruparse forman estructuras laminares que finalmente al unirse por medio de un enlace forman un mineral de arcilla.


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Figura 1.3 . Estructuras atmicas bsicas de los minerales de arcilla (Whitlow, 1994).

(a) Unidad tetradrica. (b) Unidad octadrica.

La Figura 1.3 muestra las dos unidades estructurales bsicas de los minerales de arcilla, que

son: la unidad tetradrica constituida por un in de silicio rodeado por cuatro tomos de oxgeno (Figura 1.3a) y la unidad octadrica formada por un in central de aluminio o magnesio rodeado por seis iones de oxidrilo (Figura 1.3b). En ambos casos el metal con valencia posit iva est situado en el interior, mientras que los iones no metlicos con valencia negativa forman el exterior.

Las estructuras laminares mostradas en la Figura 1.4 se forman cuando varias unidades atmicas bsicas se enlazan covalentemente mediante los iones de oxgeno u oxidrilo. Entre las estructuras laminares se tiene la lmina tetradrica y octadrica.

Figura 1.4 . Lminas formadas por estructuras atmicas bsicas (Whitlow, 1994).

(a) Lmina de slice. (b) Lmina de gibsita. (c) Lmina de brucita.

Forma simplificada

(a)

Forma simplificada

(b)

Slice

Hidrxido

Oxgeno

Aluminio

Magnesio

(a)

(b)

(c)

G

B

Smbolo

Smbolo

Smbolo


16

En la Figura 1.4a se muestra una lmina tetradrica llamada slice, que est formada por

tetraedros enlazados que comparten dos tomos de oxgeno, la forma simblica de representar esta lmina es por medio de un trapecio. La Figura 1.4b muestra una lmina octadrica formada por octaedros de aluminio enlazados que forman una estructura dioctadrica llamada almina o gibsita, simblicamente est representada por un rectngulo con letra G. La lmina de la Figura 1.4c, corresponde a una lmina formada por octaedros de magnesio que forman una estructura trioctadrica llamada brucita, simblicamente est representada por un rectngulo con letra B.

La separacin entre los iones externos de las lminas tetradricas y octadricas es suficiente para que ambas lminas puedan unirse por medio de iones oxgeno u oxidrilo mutuamente; esto hace posible la formacin de estructuras laminares de dos o de tres lminas. En la Figura 1.5 se muestra estas estructuras.

En la estructura de dos lminas mostrada en la Figura 1.5a, las lminas tetradricas y octadricas estn alternadas, mientras que la de tres lminas mostrada en la Figura 1.5b consiste de una lmina octadrica emparedada entre dos lminas tetradricas, estas dos formas de estructuras laminares son generales para formar las distintas variedades de minerales de arcilla.

Figura 1.5 . Estructuras laminares (Whitlow, 1994).

(a) Estructura de dos lminas. (b) Estructura de tres lminas.

La variedad de los minerales de arcilla, depende de la distribucin de apilacin de estas estructuras laminares, as como del tipo de iones que proveen el enlace de las mismas. La Figura 1.6 muestra los minerales de arcilla ms comunes.

Figura 1.6 .Minerales de arcilla (Whitlow, 1994).

(a) Caolinita. (b) Halosita. (c) Illita. (d) Montmorillonita. (e) Vermiculita.

La abundante variedad de minerales de arcilla, est bastante relacionada a la estructura de los minerales que se muestran en la Figura 1.6, por lo que se pueden identificar a cuatro grupos de minerales arcillosos que son:

Grupo de la caolinita.- La caolinita (Al4Si4O10(OH)8) es el principal constituyente del caoln y las arcillas para porcelana. Las caolinitas son producto de la meteorizacin del feldespato ortoclasa proveniente del granito y comnmente se encuentran en suelos compuestos de sedimento. La caolinita se presenta en hojuelas hexagonales de tamao pequeo, su estructura consiste en una distribucin de dos lminas de slice y gibsita fuertemente enlazadas (Figura 1.6a). Algunos minerales de arcilla que pertenecen a este grupo son: la

G

Dioctadrico

B G B

Dioctadrico TrioctadricoTrioctadrico

(a) (b)

G

Caolinita

G

IlitaHalosita

G

G

G

G

Montmorilonita

G

G

Vermiculita

B

B

K Mg

(a) (b) (c) (d) (e)

K Mg Mg Mg

H O2

H O2

H O2

H O2

Puente de hidrgeno


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dickita que tiene la misma composicin de la caolinita pero con un orden diferente en sus lminas y la halosita que generalmente aparece en algunos suelos tropicales, cuyas lminas en forma tubular estn enlazadas por molculas de agua (Figura 1.6b).

Grupo de la illita.- La illita es el resultado de la meteorizacin de las micas, es similar en muchos aspectos a la mica blanca pero tiene menos potasio y ms agua en su composicin. Se presenta en forma de hojuelas y su estructura consiste en arreglos de tres lminas de gibsita con los iones de K proporcionando el enlace entre lminas adyacentes de slice como muestra la Figura 1.6c. Debido a que el enlace es ms dbil que el de la caolinita sus partculas son ms pequeas y delgadas.

Grupo de la montmorillonita.- La montmorillonita es el constituyente principal de la bentonita y otras variedades similares de arcilla. Las montmorillonitas suelen ser el resultado de la meteorizacin del feldespato plagioclasa en los depsitos de ceniza volcnica. Su estructura fundamental consiste de distribuciones de tres lminas, cuya lmina octadrica intermedia es casi siempre gibsita o en otro caso brucita. Diversos enlaces metlicos adems del potasio (K) forman enlaces dbiles entre las lminas como muestra la Figura 1.6d. Una caracterstica particular de los minerales del grupo de la montmorillonita es su considerable aumento de volumen al absorber partculas de agua.

Grupo de la vermiculita.- Este grupo contiene productos de la meteorizacin de la biotita y la clorita. La estructura de la vermiculita es similar a la montmorillonita, excepto que los cationes que proporcionan los enlaces entre lminas son predominantemente Mg, acompaados por algunas molculas de agua como muestra la Figura 1.6e.

5. Forma y textura de las partculas del suelo.

Se define forma a la configuracin externa de cada partcula y textura a la proporcin en la que se encuentran en una determinada muestra de suelo las partculas elementales de varias dimensiones que la conforman (porcentaje de arena, limo y arcilla contenida en una porcin de suelo).Existen tres categoras tpicas de texturas que presentan las partculas del suelo donde puede evaluarse la forma, que son la: granular, en hojuela y en aguja.

Forma granular. Este tipo de partculas principalmente estn constituidas de fragmentos provenientes de la meteorizacin fsica de rocas y minerales. Para describir la textura de estas partculas se usan los trminos: angular, subangular, redondeada y subredondeada.

La esfericidad es opuesta a la angularidad, es decir que una partcula ms angular ser menos esfrica o viceversa. La esfericidad Es, para una partcula de forma granular se define como:

eDEsL

Donde: De = Dimetro equivalente de la partcula, que ser: L = Longitud de la partcula. V = Volumen de la partcula.

La redondez R, para una partcula de forma granula se define como:

36

e

VD


18

El trmino redondeado indica que la forma de los bordes de la partcula son redondeados y no puntiagudos. Con el baco de la Figura 1.7 se puede evaluar cuantitativamente la angularidad y redondez de la partcula con forma granular, en base al valor de la esfericidad.

Figura 1.7 baco para evaluar las partculas de forma granular (Krumbein & Sloss,

1963). En la Figura 1.8 se ha identificado la textura de algunas partculas con forma granular.

Figura 1.8 Textura de partculas con forma granular (Das, 1998).

Forma en hojuela. La textura de las partculas de minerales de arcilla tienen la forma de hojuelas o escamas, estas son partculas muy pequeas con muy poca esfericidad y solo pueden observarse con microscopios electrnicos.

Forma en aguja.

Estas partculas son igualmente pequeas a las anteriores, su textura tiene la forma de una aguja y generalmente estn presentes en depsitos de coral y rara vez en suelos arcillosos.

6. Estructura y cohesin del suelo.

Se define estructura del suelo al arreglo geomtrico de las partculas del suelo respecto unas de otras. Existen varios factores que influyen en la estructura de suelo como ser: la textura, tamao, composicin mineralgica de las partculas y el contenido de agua del suelo.

Angular Subangular Subredondeada Redondeada


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La cohesin del suelo se refiere a la capacidad que tienen las partculas del suelo de permanecer unidas como conjunto, como resultado de la trabazn conjunta o las microestructuras existentes en el suelo.

Figura 1.9 Estructuras que dan cohesin a los suelos granulares.

Partculas con textura angular. (b) Partculas con textura redondeada.

Para el caso de suelos compuestos de partculas con forma granular, la trabazn entre

partculas origina estructuras granulares simples y la friccin que se origina entre ellas contrarresta el deslizamiento de unas respecto a otras, como se muestra en la Figura 1.9. A este comportamiento se lo identifica como la cohesin para el caso de suelos granulares, donde el suelo presenta resistencia contra su disgregacin ocasionada por un agente externo.

El grado de cohesin que presentan los suelos granulares, est en funcin a la textura de las partculas de forma granular. La partculas con textura angular (Figura 1.9a) logran que el suelo tenga cohesin, mientras que las partculas con textura redondeada (Figura 1.9b) no contribuyen a la cohesin del suelo.

La forma de hojuela, el tamao y la carga elctrica negativa superficial de las partculas compuestas de minerales de arcilla, da lugar a que estas partculas generen fuerzas de atraccin y repulsin entre ellas, originando estructuras que se muestran en la Figura 1.10.

Figura 1.10 . Estructura de las partculas de arcilla sedimentadas (Whitlow, 1994).

(a) Partculas floculadas. (b) Partculas dispersas.

Los iones que forman la superficie en hojuelas de los minerales de arcilla son O y (OH), por lo que estas superficies tienen una carga elctrica negativa. Puesto que las molculas de agua son bipolares, es decir que tienen un extremo positivo y negativo, la superficie negativa del mineral de arcilla atrae a las molculas de agua, por lo que se forma una capa de agua que queda unida a la superficie del mineral por medio de un enlace de hidrgeno (H3O)+.

La fuerza de atraccin denominada fuerza de Van der Waals, se incrementa cuando el espesor de la capa de agua absorbida disminuye por un proceso de intercambio bsico, lo que origina que las partculas suspendidas en agua se acerquen cada vez ms. Cuando la capa absorbida es lo suficientemente delgada para que dominen las fuerzas de atraccin, al sedimentarse se forman grupos de partculas con sus superficies en contacto entre extremos positivonegativo (Figura

(a) (b)

(a) (b)


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1.10a), lo que se llama floculacin. Este comportamiento de las partculas de minerales de arcilla dan cohesin a la masa de suelo, mantenindola unida.

Figura 1.11 . Estructuras microscpicas que dan cohesin al suelo (Das, 1998).

(a) Macroestructura. (b) Microestructura.

En un depsito de sedimento compuesto de partculas floculadas de minerales de arcilla, se observa en la Figura 1.11 que se forman diferentes unidades estructurales microscpicas. En la Figura 1.11b se ve que la unin de una cantidad pequea de partculas de minerales de arcilla es llamada: dominios, un conjunto de dominios agrupado por las fuerzas interparticulares es llamado grupo, un grupo de dominios y racimos establecen una microestructura que encierran vacos llamados microporos. Los racimos en grandes grupos forman un terrn(Figura 1.11b) que son las unidades ms grandes y pueden ser vistos sin un microscopio, estos agrupados en conjunto establecen una macroestructura que forma vacos llamados macroporos. Por lo general la relacin de vacos con respecto a slidos en un suelo compuesto de partculas arcillosas es mayor que en el caso de suelos con partculas granulares.

Las partculas de arcilla pueden tener una fuerza repulsiva si presentan cargas positivas en su superficie, por lo que sus bordes cargados se alejaran (Figura 1.10b).Debido a la abundante presencia de carbonatos y algunos minerales como el sodio o cuando se agrega una solucin salina, las partculas cuya capa de agua adsorbida es doble (gruesa) se repelern con mayor magnitud. Este comportamiento de las partculas de minerales de arcilla no contribuye a que la masa de suelo tenga cohesin.

Cementacin.

Los sedimentos que son depositados en un lecho con el tiempo van endureciendo hasta que

se forman rocas sedimentarias, este proceso comienza inmediatamente despus que el sedimento es acumulado. El agua que circula por los espacios vacos o poros entre las partculas del sedimento acarrea materia mineral que cubre los granos y acta como un cemento que las une. A este proceso se lo conoce con el nombre de cementacin y es considerada una forma de cohesin pues une a partculas de diferentes tamaos.

7. Fases del suelo.

En la Figura 1.12 se muestra una fraccin de suelo agrandada de tal manera que pueden observarse los espacios vacos entre partculas. De acuerdo a la definicin de suelo desde el punto de vista ingenieril, se concluye que este principalmente est compuesto por: materia slida, lquida y gaseosa, a cada uno de estos componentes principales se denomina fase del suelo. El comportamiento del suelo depende de la cantidad relativa de cada una de estas tres fases, ya que estas interactan entre s.

La fase slida est compuesta de partculas diminutas derivadas de la roca o sedimento producto de la meteorizacin o incluso materia orgnica. La fase lquida, corresponde al agua

Terrn

Macroporo

Grupo

Dominio

Microporo

(a) (b)


21

que se ubica en los espacios vacos entre partculas. La fase gaseosa corresponde al aire, los espacios vacos los restantes que no ocupa el agua son ocupados por el aire.

Figura 1.12 . Composicin del suelo.

La fase lquida del suelo vara en su cantidad con respecto a las otras fases, lo que da lugar a distintos estados del suelo. En la Figura 1.13 se ha esquematizado los distintos estados que presenta el suelo de acuerdo a la variacin de la fase lquida.

Figura 1.13 . Estados del suelo.

(a) Saturado. (b) No saturado. (c) Seco. (d) No saturado contrctil.

De acuerdo a esta variacin de la fase lquida (agua) del suelo, este puede ser clasificado en cuatro diferentes estados que son:

Suelo saturado.- La Figura 1.13a corresponde al estado del suelo saturado. Este estado del suelo contiene nicamente dos fases: la fase slida y lquida. Se lo llama saturado, porque todos los espacios vacos estn llenos de agua.

Suelo no saturado. - El estado de suelo de la Figura 1.13b, corresponde al suelo no saturado, llamado tambin hmedo. Posee: la fase slida, lquida y gaseosa simultneamente. Los vacos estn ocupados por aire y agua.

Suelo seco.-Este estado de suelo mostrado en la Figura 1.13c, incluye solo dos fases: la fase slida y la gaseosa, es decir que el suelo no contiene agua.

Suelo no saturado contrctil.- El estado de suelo dela Figura 1.13dincluye las tres fases de suelo, adems de una cuarta fase denominada contrctil. Esta cuarta fase es independiente y llega originarse como resultado de la interfase aire-agua, su problema predominante es su expansin y contraccin, por lo que su estudio entra en otra categora de la mecnica de suelos.

En la Figura 1.14 se ha ideado un modelo, donde se ha cuantificado la cantidad relativa de

estas fases tanto en volumen como en masa. Estos valores pueden relacionarse entre s. La nomenclatura utilizada corresponde a:

Va = Volumen de aire. Vw= Volumen de agua. Vv=Volumen de vacos. M = Masa total.

Slido

AguaAire

S O L I D

A G U A

A I R E

S O L I D

A G U A

A I R E C O N T R A C

T I L

(a) (b) (c)

A G U A

S O L I D S O L I D

A I R E

(d)


22

Vs = Volumen de slidos. V = Volumen total. Mw = Masa del agua. Ms = Masa delos slidos.

Figura 1.14 . Cuantificacin del volumen y masa de las fases del suelo. Algunos de estos valores pueden conocerse en laboratorio, mientras que otros son de difcil

determinacin. Por lo tanto, conviene encontrar relaciones matemticas que ayuden a determinar los implcitamente, conociendo algunos valores bsicos.

7.1. Relaciones de volumen.

El volumen es la cantidad de espacio fsico que un cuerpo ocupa, para las relaciones de volumen se considerar el volumen de la fase slida, lquida y gaseosa. El volumen total (V) del elemento de suelo es:

V = Va + Vw + Vs [1.1]

El volumen de vacos (Vv) que contiene tanto agua como aire, ser:

Vv = Va + Vw [1.2]

ndice de vacos (e). El ndice de vacos, se define como la relacin entre el volumen de vacos y el volumen de slidos del suelo,que es:

s

v

V

Ve [1.3]

Porosidad (n). La porosidad expresa una idea similar al ndice de vacos, este valor se define como el cociente entre el volumen de vacos y el volumen total, que se escribe:

Slido

Agua

Aire

M s

M w M

V s

V w

V a

V v

V


23

V

Vn v [1.4]

La porosidad se puede determinar en funcin del ndice de vacos, ambos valores evalan la

misma propiedad del suelo (el volumen relativo de vacos) y por tanto pueden usarse indistintamente, aunque sus valores no coinciden. El ndice de vacos es relativo al volumen de slidos, lo que facilita el clculo de sus variaciones al producirse cambios de volumen del suelo. Sin embargo, es ms cmodo referirse a la porosidad para determinar el volumen de agua almacenado en un volumen de suelo. En base a operaciones con las ecuaciones [1.1], [1.2] y [1.3], se puede determinar la equivalencia entre la porosidad y el ndice de vacos que ser:

e

en

1 [1.5]

Anlogamente se puede despejar el ndice de vacos de la ecuacin [1.5]en funcin a la

porosidad, que ser:

n

ne

1 [1.6]

Grado de saturacin (S). El grado de saturacin es el cociente entre el volumen de agua y vacos, indica el porcentaje de agua que contiene el suelo respecto al contenido de vacos, que se escribe:

v

w

V

VS [1.7]

Generalmente el grado de saturacin es expresado en porcentaje, para el caso de un suelo

seco: S = 0, mientras que para un suelo completamente saturado: S = 1.

7.2. Relaciones de peso.

El peso de un cuerpo (W) se llega a conocer como la masa (M) de ese cuerpo magnificado por la gravedad (g), lo cual se escribe:

gMW [1.8]

Por conveniencia se considerarn las unidades de masa en lugar de las del peso excepto donde no corresponde, debido a que la masa a diferencia del peso no es influida por la gravedad. Las unidades de est sern expresadas en kg o g dependiendo a su cantidad.

Para las relaciones de peso se considerar nicamente la masa de la fase slida y lquida, mientras que la masa de la fase gaseosa es despreciada por ser una cantidad muy pequea. La masa total (M) de la masa de suelo ser:

w sM M M [1.9]

Contenido de humedad (w).

El contenido de humedad se define como el cociente entre la masa de agua contenida yla masa de los slidos de una masa de suelo, que se escribe:


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w

s

Mw

M [1.10]

La mayor parte de los ensayos en mecnica de suelos, requieren la determinacin del contenido de humedad del suelo. Para lo cual, la idea general es determinar la masa del suelo libre del contenido de agua (masa de los slidos del suelo) y tambin la masa del agua que contiene el suelo.

La masa de la muestra de suelo ser: M1. Si la muestra de suelo es secada en un horno de laboratorio de tal manera que ya no tenga contenido de agua, la masa de la muestra sin contenido de agua ser: M2. Entonces la masa del agua que contiene el suelo ser: M1 M2. Por lo tanto el contenido de humedad del suelo ser:

1 2

2

M Mw

M

[1.11]

El valor del contenido de humedad, por lo general es expresado en porcentaje.

Ejemplo 1.1 Se dispone de una muestra de suelo con tamao mximo de partculas de 19 mm. En esta muestra se han realizado dos ensayos de contenido de humedad con los datos de la Tabla 1. Se pide determinar el contenido de humedad en cada caso. Tabla1. Resultado de 2 ensayos de contenido de humedad. Muestra 1 Muestra 2 Cantidad, g 2500 250.00 Masa recipiente, g 850 125.00 Masa suelo hmedo y recipiente 3350 375.00 Masa suelo seco y recipiente 3100 347.22

Solucin: Muestra 1

Muestra 2


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Densidad ().

La densidad del suelo es definida como la relacin entre la masa y el volumen, que se expresa:

V

M [1.12]

La densidad puede variar para un mismo suelo, dependiendo de la cantidad relativa de agua que contenga el suelo.

Peso unitario ().

El peso unitario es definido como el peso por unidad de volumen. El peso unitario del suelo vara de acuerdo al contenido de agua que tenga el suelo, que son: hmedo (no saturado), saturado y seco.

El peso unitario hmedo () es definido como el peso dela masa de suelo en estado no saturado por unidad de volumen, donde los vacos del suelo contienen tanto agua como aire, que ser:

V

W [1.10]

El peso unitario seco ( d ) se define como el peso de suelo sin contenido de agua por unidad

de volumen, que se escribe:

V

Wsd [1.11]

El peso unitario saturado ( sat ) se define como el peso de suelo en estado saturado por

unidad de volumen, donde los espacios vacos estn llenos de agua, que ser:

V

Wsat [1.12]

El Peso unitario del agua ( w ), es peso del agua por unidad de volumen que ser:

w

ww

V

W [1.13]

Debido a que la gravedad es: g=9.81 m/s2 y la densidad del agua es:w=1000 kg/m3, el peso

unitario del agua ser: w = 9.81 KN/m3. El peso unitario sumergido ( ' ), se conoce como a la diferencia del peso unitario hmedo del

suelo y el peso unitario del agua, que ser:

w ' [1.14]

En la Tabla 1.4 se muestran valores tpicos del peso unitario seco para algunos suelos saturados.


26

Tabla 1.4 ndice de vacos, contenido de humedad y peso unitario seco (Coduto,

1999).

Tipo de suelo E w% tpico d kN/m3

Arena uniforme suelta 0,8 30 14,5

Arena uniforme densa 0,45 16 18

Arena limosa suelta 0,65 25 16

Arena limosa densa 0,4 15 19

Arcilla dura 0,6 21 17

Arcilla blanda 0.9 - 1.4 30 - 50 11.5 - 14.5

Arcilla orgnica suave 2.5 - 3.2 90 - 120 6 - 8

El valor del peso unitario del suelo depender del contenido de humedad como del tipo de

partculas que componen el suelo. Una manera de determinares midiendo la masa del suelo y el volumen que ocupa esta misma masa de suelo.

La masa total de suelo al aire ser: M1. Si se cubre la masa de suelo con cera con el objetivo de impermeabilizarla, la masa de suelo ms cera al aire ser: M2. La masa de la cera que cubre la masa de suelo ser:

Mcera = M2 M1

El volumen de la cera que cubre la masa de suelo ser:

ceracera

cera

MV

Donde: cera = densidad de la cera.

La masa de suelo ms cera, ambas sumergidas en agua ser: M3. Segn el principio de Arqumedes, la masa del agua que es desplazada por el volumen que ocupa el suelo ms cera, ser:

Magua=M2 M3

El volumen de agua desplazada por la masa de suelo ms cera, ser:

agua

agua

agua

MV

Donde agua es la densidad del agua, entonces el volumen del suelo sin cera, ser:

Vsuelo = Vagua Vcera

El peso unitario hmedo del suelo ser:

1

suelo

M g

V

Por lo general el peso unitario del suelo es expresado en kN/m3. El peso unitario saturado y seco puede ser determinado implcitamente mediante relaciones de peso-volumen que involucren el peso unitario hmedo y otros valores conocidos.


27

Ejemplo 1.2 Para los datos que se muestran a continuacin, se pide determinar el peso unitario seco de la muestra ensayada, en kN/m3. Masa total de la muestra en el aire=185.60g Contenido de humedad de la muestra= 10.3% Masa de la muestra envuelta en cera, en el aire=198.30g Masa de la muestra envuelta en cera, sumergida=79.3g Gravedad especfica de los slidos=2.72 Gravedad especfica de la cera=0.92 Peso unitario del agua=9.81KN/m3 Solucin:

Masa de los slidos, Ms

( )

Volumen V

Volumen de cera

Volumen de la esfera

Volumen de suelo, V


28

Gravedad especfica (Gs).

La gravedad especfica del suelo, se define como la relacin entre el peso unitario de los slidos(s) y el peso unitario del agua (w), y se muestra en la siguiente ecuacin:

[1.15]

Mediante la gravedad especfica puede determinarse el valor de otras relaciones de peso o

volumen del suelo que sean de inters, una forma de hallar este valor es determinndola masa delas partculas slidas del suelo y la masa del volumen de agua que ocupan estas.

La masa del suelo secado en horno (sin contenido de agua), ser: M1. La masa de un frasco (o picnmetro) con agua destilada (sin aire)hasta el tope ser: M2. Si se introduce la masa de suelo en el frasco con agua hasta el borde, esta desplazara un cierto volumen de agua, la masa del frasco con agua hasta el borde mas suelo ser: W3. Es importante que no exista aire en el suelo, por lo que la muestra de suelo es saturada completamente de agua, esto es agitando el frasco que contiene suelo y agua. La masa del volumen de agua desplazada por los slidos del suelo ser:

Mw= (M2 + M1) M3

Entonces, la gravedad especfica ser:

1s

agua

MG

M

Segn la norma ASTM D854, el valor de la gravedad especfica en los suelos generalmente

varia entre 2.60 a 2.80, pero en el caso de suelos que contienen materia orgnica el valor de la gravedad especfica desciende por debajo de2. Ms detalles acerca de este ensayo pueden consultarse en un manual de laboratorio especializado. En la Tabla 1.5 se muestran valores tpicos de la gravedad especfica para algunos minerales.

Tabla 1.5 Gravedad especfica de algunos minerales (Coduto, 1999).

G s G s

Minerales no arcillosos

2,65 2.62 - 2.66

2.54 - 2.67 2.75 - 2.78

3.00 - 3.50 2.60 - 2.86

2.76 - 3.20 2.60 - 2.96

2,71

5,2

3.6 - 4.0

2,32

2.70 - 2.80

Minerales arcillosos

Montmorilonita

Ilita

Clorita

Gibsita

Talco

Caolinita

Mica

Calcita

Hematita

Limonita

Mineral

Cuarzo

Feldespato

Hornblenda

Mineral


29

Ejemplo 1.3 Para los datos que se muestran a continuacin, se pide determinar la gravedad especfica de la muestra ensayada.

Masa del picnmetro, g=150.78 Volumen del picnmetro, ml=499.66 Masa del picnmetro ms agua, g=650.85 Masa del picnmetro ms agua ms suelo, g=718.70 Temperatura, C=25.9 Masa muestra seca, g=108.75 Densidad del agua a la temperatura del ensayo, g/cm3 = 0.99681 Solucin:

Densidad del agua

Densidad de los slidos

Volumen de los solidos

7.3. Modelo del volumen unitario de slidos.

El modelo del volumen de slidos unitario (Vs = 1) est basado en asumir una cantidad de volumen, donde la masa y el volumen de las dems fases son determinadas en funcin a esta medida que se mantiene constante. Por lo tanto, el modelo se construye como para una unidad (1 m3) de material slido. La Figura 1.15 muestra el modelo.

Remplazando Vs=1 en la ecuacin [1.3], el volumen de vacos (Vv) ser: Vv = e Remplazando esta ltima expresin en la ecuacin [1.1], el volumen total (V) ser:


30

V = 1 + e

El contenido de humedad puede expresarse como:

w w

s

Vw

Figura 1.15 .Modelo del volumen de slidos unitario.

Si se despeja Vw de esta expresin, se tendr que:

sw

w

V w

[1.16]

La gravedad especfica (Gs) puede expresarse como:

w

ssG

Si se remplaza esta expresin en la ecuacin [1.16], el volumen de agua (Vw) ser:

w sV w G

Remplazando esta expresin en la ecuacin[1.13] y despejndola masa del agua (Mw), se

tendr que:

Mw= w sw G

La Figura 1.16, muestra el modelo del volumen de slidos unitario para el estado saturado. Si S = 1 entonces:

Vw = Vv = e

Ms

MwM

V = 1s

V w

V v

V = 1 + Vv

Slido

Agua

Aire


31

La ecuacin [1.13] puede escribirse:

Mw = w Vw

Remplazando en esta expresin, la masa del agua (Mw) ser:

Mw= w e

Figura 1.16 . Modelo del volumen de slidos unitario para suelo saturado.

7.4. Modelo del volumen unitario total.

El modelo del volumen total unitario (V = 1) mostrado en la Figura 1.7, al igual que el anterior modelo est basado en una cantidad de volumen donde la masa y el volumen de todas las dems fases estn determinadas de acuerdo a esta medida que se mantiene constante. En esta forma la masa de suelo se describe como un volumen fijo compuesto de: material slido, lquido y gaseoso.

Remplazando V = 1 en la ecuacin [1.4], el volumen de vacos (Vv) ser:

Vv = n

Remplazando la ecuacin [1.1] en la ecuacin [1.2] y sustituyendo los valores de V = 1 y el de Vv = n en esta nueva ecuacin, el volumen de los slidos (Vs) ser:

Vs= 1 n

El peso unitario de los slidos del suelo ser:

ss

s

M g

V

[1.17]

Slido

Agua

Ms

Mw

M

V = 1s

V = Vw

V = 1 + Vv

v


32

Figura 1.17 .Modelo del volumen total unitario.

La gravedad especfica puede expresarse como:

wssG

Remplazando la ecuacin [1.17] en esta expresin se tendr que:

ss w

s

MG

V

Remplazando Vs=1 n en esta expresin, la masa de los slidos(Ms)ser:

(1 )s s wM G n

Sustituyendo el valor de Ms de esta expresin en la ecuacin [1.10] ,la masa del agua (Mw) ser:

(1 )w s wM w G n

La Figura 1.18, muestra el modelo del volumen total unitario para el estado saturado.

Figura 1.18 . Modelo del volumen total unitario para suelo saturado.

Si S = 1, se tendr que:

Vw = Vv = n

Despejando Mw de la ecuacin [1.13], se tendr que: Mw = w Vw

Ms

Mw

M

V = 1 V s

V v

V = 1

vSlido

Agua

Aire

Ms

Mw

M

V = 1 V s

V = 1

v

V = V w v

Slido

Agua


33

Remplazando Vw, la masa del agua ser:

Mw= w n

7.5. Relaciones de peso volumen.

Pueden formarse ecuaciones con las relaciones de volumen y de peso, que permitan conocer otros valores aunque en un estado diferente del suelo en base a algunos valores conocidos. La Tabla 1.6 muestra diversas relaciones para determinar el peso unitario hmedo, seco y saturado en funcin a las relaciones de peso y volumen.

Todas las relaciones de las ecuaciones [1.18] a [1.39] son obtenidas matemticamente con cualquiera de los dos modelos, para la mayora de las relaciones el modelo del volumen de slidos unitario es prctico mientras que el modelo del volumen total unitario es ms prctico solo para algunas de ellas.

Tabla 1.6 Relaciones de peso-volumen (Das, 1998). Relaciones para determinar el peso unitario hmedo ().

11

S WG

e

1 1S WG n w

1S W WG n n S

w, e, Gs, w

w, n, Gs, w

w, n, Gs, w

[1.18]

[1.19]

[1.20]

1

1

S W

S

w G

w G

S

1

S WG S e

e

w, S, Gs, w

e, S, Gs, w

[1.21]

[1.22]

Relaciones para determinar el peso unitario seco (d).

1d

w

1

s wd

G

e

(1 )d s wG n

1

s wd

s

G

w G

S

1w

d

e S

e w

1

wd sat

e

e

wsatd n

1

sat w s

d

s

G

G

w,

e, Gs, w

n, Gs, w

w, S, Gs, w

w, e, S, w

w, e, sat

sat, n, w

sat, Gs, w

[1.23]

[1.24]

[1.25]

[1.26]

[1.27]

[1.28]

[1.29]

[1.30]

Relaciones para determinar el peso unitario saturado (sat):


34

1

s w

sat

G e

e

(1 )sat s wn G n

1

1

satsat s w

sat s

wG

w G

1

1

satsat w

sat

e w

w e

1sat d w

e

e

sat d wn

11sat d w

sG

1sat d satw

1 satsat w

sat

wn

w

W,

e, Gs, w

n, Gs, w

w, S, Gs, w

w, e, S, w

w, e, sat

sat, n, w

sat, Gs, w

sat, Gs, w

[1.31]

[1.32]

[1.33]

[1.34]

[1.35]

[1.36]

[1.37]

[1.38]

[1.39]

Ejemplo 1.4 Se pide demostrar la siguiente ecuacin

( )

Solucin:

( ) ( )

( )

Ejemplo 1.5 Se desea realizar un ensayo de resistencia al corte en una muestra de arcilla con un 88% de grado de saturacin y un peso unitario seco de 1.75g/cm3. El molde donde cabe la muestra en


35

este ensayo tiene 60mm*60mm de seccin y una altura de 20mm. Se conoce que el suelo tiene una gravedad especfica de los slidos igual a 2.73. Para esto se dispone de una muestra de suelo de 5000 g con un contenido de humedad de 8,3%. Se pide determinar la cantidad de muestra que se debe tomar para un contenido de humedad de 8.3%. Se pide determinar la cantidad de muestra que se debe tomar para que quepa en el molde del ensayo y la cantidad de agua que se debe aadir o quitar a esta porcin de suelo para cumplir con las condiciones del ensayo de resistencia. Solucin:

( )

( )

Ejemplo 1.6 Se desea realizar un ensayo de resistencia en una muestra que tenga 95% de grado de saturacin con un peso unitario seco de 18,54 kN/m3. El ensayo de resistencia se realizara en un recipiente de 100 cm3. Para el ensayo se dispone de una muestra de 4560g con contenido de humedad de 6.5% y gravedad especfica de los slidos de 2.65. Se pide determinar la cantidad de muestra a utilizar y la cantidad de agua que hay que aadir o quitar para realizar el ensayo. Solucin:


36

(

)

Se debe extraer 201.5g de muestra para realizar el ensayo

( )

( )

Se debe aadir 14.87 g de agua.

8. Distribucin del tamao de partculas.

De acuerdo al tamao predominante de partculas que contenga el suelo, los suelos generalmente son llamados: grava, arena, limo, arcilla o una mezcla de ellos.

Tabla 1.7 Sistemas para identificar el tamao de partculas del suelo (Das, 1998).

NOMBRE DE LA ORGANIZACIN TAMAO DE PARTCULAS en mm

Grava Arena Limo Arcilla

Massachusetts Institute of Technology (MIT)

>2 2 a 0.06 0.06 a 0.002 < 0.002

U.S. Department of Agriculture (USDA) >2 2 a 0.05 0.05 a 0.002 < 0.003

American Association of State Highway and Transportation (AASHTO)

76.2 a 2 2 a 0.075 0.075 a 0.002 < 0.004

Unified Soil Clasification System (US) 75 a 4.75 4.75 a 0.075 Finos (limos y arcillas)

< 0.075

Diversas organizaciones que estudian aspectos relacionados con el suelo han elaborado

sistemas de clasificacin para identificar el tamao de las partculas de un suelo para sus propsitos especficos. En la Tabla 1.7se muestra algunos de los sistemas ms conocidos empleados por estas organizaciones para identificar las partculas del suelo.

El sistema de clasificacin unificado (USCS) ha sido adoptado como el estndar por la ASTM (American Societyfor Testing and Materials) y el reglamento que esta sociedad ha desarrollado para el anlisis y estudio del suelo es aceptado a nivel internacional. Grava. Segn la norma ASTM D2487 el tamao de estas partculas vara de 75 a4.75 mm, estas a su vez estn divididas en dos categoras: grava gruesa que est comprendida entre 75 y 19 mm y grava fina que est comprendida entre 19 y 4.75 mm.

Las gravas son acumulaciones sueltas de fragmentos de roca de textura redondeada, debido al desgaste que sufren las partculas al ser transportadas por las corrientes de los ros. Como material suelto suele encontrarse en los lechos, mrgenes, en los conos de deyeccin de los ros y suele encontrarse depsitos con grandes cantidades. Arena.


37

Se llama arena a las partculas granulares de textura variada procedentes de la desintegracin de las rocas o de su trituracin artificial y cuyo tamao segn la norma ASTM D2487 vara entre 4.75 a0.075 mm, la arena est clasificada en tres categoras: arena gruesa que tiene un tamao de 4.75 a2 mm, la arena mediana de un tamao comprendido entre 2 y 0.425 mm y la arena fina comprendida entre 0.425 y 0.075 mm.

El origen y la existencia de la arena es anloga a la de la grava, comnmente las dos suelen encontrarse juntas en el mismo depsito. Principalmente est compuesta de cuarzo y otros minerales que dan resistencia mecnica a las partculas.

Limo. El limo es una partcula mineral pequea de textura granular o escamosa, que suele encontrarse en las canteras y en los ros. El tamao de las partculas de limo segn la norma ASTM D2487 es menor a0.075 mm. Su color vara desde gris claro a muy oscuro. El suelo compuesto por limo es relativamente impermeable, fcilmente erosionable.

Arcilla. Se da el nombre de arcilla a las partculas slidas de textura escamosa, compuestas de minerales de arcilla con un tamao diminuto mucho menor a0.075 mm. La arcilla qumicamente es un silicato hidratado de aluminio, hierro o magnesio. Las microestructuras que forman las partculas diminutas que componen la arcilla ocasionan que esta sea poco permeable y el contenido de humedad comunica a la masa de suelo la propiedad plstica.

Guijarro y canto rodado. Existen partculas de mayor tamao que la grava, segn la norma ASTM D2487 a las partculas con tamao comprendido entre 75 a 350 mm se las llama guijarro o boln y a las que superan los 350 mm se las denomina canto rodado. Por lo general estos dos tipos de partculas son fragmentos de roca, constituyen ser componentes aislados del suelo y suelen aparecer sobre o por debajo de la superficie terrestre.

Materia coloidal. Existen tambin partculas muy pequeas que no pueden llegar a ser vistas fcilmente. Las partculas con tamao menor a 2 m, constituyen la fraccin mas fina de los suelos. Que pueden ser distinguidas con la ayuda de un microscopio potente y su estructura molecular puede ser analizada por medio de los rayos X, a este tipo de partculas se las conoce como coloide o ultra-arcilla. Estas partculas debido a su tamao no suelen considerarse dentro los sistemas de clasificacin, pero forman parte de la fraccin fina del suelo.

8.1. Anlisis mecnico por tamices

Estos suelos estn constituidos de partculas con textura granular compuestas de fragmentos de roca y mineral. De acuerdo al sistema de clasificacin unificado estas partculas tienen un tamao comprendido entre 75 y 0.075 mm, que corresponde al tamao de la grava y arena. Aunque en su mayora contienen partculas mayores a 0.075 mm tambin contienen material fino en pequea cantidad, como conjunto estos suelos tienen mayor resistencia a la erosin.


38

Figura 1.19 . Tamices para el anlisis mecnico del suelo de grano grueso.

T z b T z T z

Debido al tamao de las partculas y la forma granular que presentan estos suelos, fcilmente puede clasificarse los distintos tamaos de las partculas que lo constituyen mediante tamices con diferentes aberturas. A este anlisis se lo llama: anlisis granulomtrico del suelo.

El tamiz o criba que se muestra en la Figura 1.19a, consiste de un plato de acero inoxidable con una malla metlica adherida en la parte inferior con aberturas de tamao uniforme. Existen dos l y , mostrados en la Figura 1.19b y c, respectivamente.

L T bl l A T y bl l l anlisis mecnico del suelo, el tamao de la abertura de la malla (expresado en milmetros) esta identificada por un nmero de tamiz.

Tabla 1.8 . Serie ASTM de tamices (ASTM D422 y E100). TAMICES SERIE ASTM

Nro. Abertura Nro. Abertura Nro. Abertura Nro. Abertura Nro. Abertura Nro. Abertura

5" 127,00 1 1/2" 38,10 3/8" 9,53 12 1,70 60 0,250 325 0,041 4.24" 107,70 1 1/4" 31,75 5/16" 7,94 14 1,40 70 0,212 400 0,035

4" 101,60 1.06" 26,92 0.265" 6,73 16 1,18 80 0,180 450 0,031 3 1/2" 88,90 1" 25,40 1/4" 6,35 18 1,00 100 0,150 500 0,028 13/4" 82,55 7/8" 22,23 4 4,75 20 0,85 120 0,125 635 0,021

3" 76,20 3/4" 19,05 5 4,00 25 0,71 140 0,106 2 1/2" 63,50 5/8" 15,88 6 3,35 30 0,60 170 0,090 2.12" 53,85 0.53" 13,46 7 2,80 35 0,50 200 0,075 2" 50,80 1/2" 12,70 8 2,36 40 0,43 230 0,065 1 3/4" 44,45 7/16" 11

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