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Facultad de Ingeniería y Arquitectura

ESTRUCTURA DE LOS SUELOS

Mecánica de Suelos I Cajamarca, marzo del 2011


Estructura del suelo.

Es la forma de agregación natural de las partículas del suelo, para formar

unidades de mayor tamaño con carácter más persistente. Estas unidades

se denominan agregados. Su formación se debe a la presencia de cargas

eléctricas en la superficie de las arcillas, lo que da como resultado


interacciones físico-químicas con los demás componentes del suelo.

La estructura de los suelos condiciona diversas propiedades del suelo

como por ejemplo: porosidad, permeabilidad, etc. La estructura se

encuentra siempre cambiante, bajo la influencia de las fuerzas mecánicas

y del movimiento del agua originada por la lluvia, la evaporación, la

congelación, la descongelación.


La estructura del suelo es un estado y no una propiedad, cuando el suelo

está seco se agrieta y se manifiesta la estructura, pero si está húmedo, el

suelo se vuelve masivo, sin grietas y la estructura no se manifiesta.

Debido que este estado varía según el contenido de humedad del suelo, el

grado de estructura debe determinarse cuando el suelo no esté


exageradamente húmedo o seco.

En el suelo se presenta microestructrua y macroestructura

• Microestructura : es el arreglo de las partículas primarias (arena, limo,

arcilla) para formar las secundarias.

• Macroestructura: se ve a simple vista y es el arreglo de las partículas

secundarias y primarias.


� Estructura primaria, microestructura o textura

Es la disposición y estado de agregación de las partículas del

suelo en su estado natural, depende del ambiente de

meteorización en los suelos residuales, o del ambiente de

deposición en los suelos transportados. Esta es la fábrica textural


deposición en los suelos transportados. Esta es la fábrica textural

que hereda el suelo.


La estructura primaria puede ser:



� Estructura secundaria o macroestructura

La estructura continua es frecuentemente alterada por condiciones

locales para producir la macroestructrura que lo constituyen

aspectos estructurales a mayor escala. Cuando las partículas

individuales se agrupan, toman el aspecto de partículas mayores y


individuales se agrupan, toman el aspecto de partículas mayores y

se denominan agregados.

La estructura del suelo se define por la forma en que se agrupan las

partículas individuales de arena, limo y arcilla.


• Estructura laminar

se compone de partículas de suelo agregadas en láminas o capas finas

que se acumulan horizontalmente una sobre otra.

Los agregados tienen forma aplanada, con predominio de la dimensión

horizontal. A menudo las láminas se traslapan, lo que dificulta


horizontal. A menudo las láminas se traslapan, lo que dificulta

notablemente la circulación del agua y del aire.


• Estructuras en bloques angulares o bloques subangulares

Son partículas de suelo que se agrupan en bloques casi cuadrados o

angulares con los bordes más o menos pronunciados. Los bloques

relativamente grandes indican que el suelo resiste el ingreso y el

movimiento del agua. Los agregados tienen forma de bloque, sin

predominio de ninguna dimensión.


predominio de ninguna dimensión.



Estructura angular Estructura subangular


• Estructuras prismáticas y columnares

Son partículas de suelo que han formado columnas o pilares verticales

separados por fisuras verticales diminutas, pero definidas. El agua circula

con mayor dificultad y el drenaje es deficiente.

- Prismática. Los agregados tienen forma de prisma, de mayor altura que

anchura. Es típico de suelos con mucha arcilla.


anchura. Es típico de suelos con mucha arcilla.

- Columnar. Semejante a la estructura prismática, pero con la base

redondeada.



Estructura prismática Estructura columnar


• Estructuras granulares

Son partículas individuales de arena, limo y arcilla agrupadas en granos

pequeños casi esféricos. El agua y el aires circulan muy fácilmente a través

de esos suelos.


Los agregados son esferas imperfectas, con tamaño de 1 a 10 mm de

grosor. Esta estructura permite la circulación de agua y aire.


Sin estructura

Condición en la que no existen agregados visibles o bien no hay un

ordenamiento natural de líneas de debilidad, tales como:

• Estructura de aglomerado (coherente) donde todo el estrato del suelo


• Estructura de aglomerado (coherente) donde todo el estrato del suelo

aparece cementado en una gran masa (masivos endurecidos).

La cementación puede considerarse una forma de cohesión, donde

partículas de diferentes tamaños están unidas por un agente

cementante, por lo general un carbonato.


• Estructura de grano simple (sin coherencia) donde las partículas

individuales del suelo no muestran tendencia a agruparse, como la

arena pura o partículas sueltas pulverulentas de suelos secos.



Arcilla

No es un mineral sino un agregado de minerales y de substancias

coloidales que se han formado mediante la descomposición química de las

rocas.


Las arcillas están constituidas básicamente por silicatos de aluminio

hidratados, presentándose además en algunas ocasiones silicatos de

magnesio, hierro u otros metales, también hidratados. Estos minerales

tienen casi siempre, una estructura cristalina definida cuyos átomos se

disponen en láminas. Existen dos variedades de tales láminas: la silícica y

la alumínica.


• Lámina silícica está formada por un átomo de silicio, rodeado de

cuatro de oxígeno, disponiéndose el conjunto en forma de tetraedro.



Estos tetraedros se agrupan en unidades hexagonales, sirviendo un átomo

de oxígeno de nexo entre cada dos tetraedros. Las unidades hexagonales

repitiéndose indefinidamente constituyen una retícula laminar .



• Láminas alumínicas están formadas por partículas de octaedros

dispuestos con un átomo de aluminio al centro y seis de oxígeno

alrededor. También ahora es el oxigeno el nexo entre cada dos

octaedros vecinos para constituir la retícula



De acuerdo con su estructura reticular, los minerales de arcilla se encasillan

en tres grandes grupos: caolinitas, montmorilonitas e ilitas.

• Caolinitas

Están formadas por una lámina

silícica y otra alumínica, que se


superponen indefinidamente. La

unión entre todas las retículas es lo

suficientemente firme para no

permitir la penetración de

moléculas de agua entre ellas

(adsorción).


En consecuencia las arcillas

caoliníticas serán relativamente

estables en presencia del agua. Son

de color blanco.


Estas arcillas son de color blanco

moderadamente plásticas, de mayor

permeabilidad y mayor fricción

interna. En la “Carta de Plasticidad”

las caolinitas están bajo la línea A,

están ubicadas como limos.


Usos de la caolinita

Usado como terraplén y como material crudo en la formulación de

placas de vidrio. En pistas para aterrizaje de aviones. En mezclas

termoplásticas para techar. En revestimientos plásticos para ductos,

ladrillos para pisos y para sellar mezclas. En el concreto mejora la


durabilidad, remueve el hidróxido de calcio químicamente activo,

mejora la porosidad y la adhesión entre el cemento, la arena y la

grava.


• Montmorillonitas o bentonitas

Están formadas por una lámina

alumínica entre dos silícicas,

superponiéndose

indefinidamente. En este caso


la unión entre las retículas del

mineral es débil, por lo que las

moléculas de agua pueden

introducirse en la estructura con

relativa facilidad, a causa de las

fuerzas eléctricas generadas

por su naturaleza dipolar.


Lo anterior produce un incremento en el

volumen de los cristales lo que se traduce

macro físicamente en una expansión. Las

arcillas montmorillonitas, especialmente en

presencia del agua presentarán fuerte


tendencia a la inestabilidad. Las bentonitas son

arcillas del grupo montmorillonitas, originadas

por la descomposición química de las cenizas

volcánicas y presentan la expansividad típica

del grupo en forma particularmente aguda, lo

que las hace sumamente críticas en su

comportamiento mecánico.


Además de ser expansiva, la montmorillonita es muy plástica y se

contrae al secarse, mejorando su resistencia y haciéndose

impermeable.

Estas arcillas aparecen desdichadamente, con frecuencia en los


trabajos de campo, para cimentación de construcciones, la

montmorillonita es uno de los terrenos en los que se deben tomar más

precauciones debido a su carácter expansivo.

por otra parte, en ocasiones ayudan al ingeniero en la resolución de

ciertos problemas prácticos como el uso en los pozos de puesta a

tierra. Son de color pardo o gris


• Ilitas

Por lo general están estructuradas análogamente como las

montmorillonitas, pero su constitución interna manifiesta tendencia a

formar grumos del material, que reduce el área expuesta al agua por

unidad de volumen, por ello, su expansividad es menor que el de las


montmorillonitas y en general, las arcillas ilitas, se comportan

mecánicamente en forma más favorable para el ingeniero.

El coeficiente de fricción interno y la permeabilidad son menores que en

la caolinita y mayores que en la montmorillonita.


Arcillas caolinitas, montmorillonitas e ilitas

Los constituyentes químicos esenciales de los minerales de arcilla varían

no solo en cantidad sino también en el modo en que se combinan o

presentan en los diferentes minerales.


Los minerales arcillosos más importantes se encuentran en el grupo de

las caolinitas y de las montmorilinitas . Las arcillas esenciales de los

sedimentos arcillosos son el resultado de la meteorización de rocas

ígneas y metamórficas.


En condiciones de escasa precipitación el magnesio de las rocas

ígneas máficas permanecen en la zona de meteorización y la arcilla

producida es la montmorillonita.

Si la precipitación es considerable, se efectúa una lixiviación


completa de la roca, el magnesio es separado y el producto de la

meteorización es la caolinita .

A partir de una roca ígneas ácida se origina la illita y

montmorillonita en condición de meteorización con tal que ocurra

retención de potasio y magnesio, pero se formaría caolinita de

prevalecer una lixiviación excesiva.


Propiedades de las arcillas

Consistencia

Se define como su resistencia al esfuerzo cortante; es la oposición que

presenta la masa de suelo a que se le deforme.


Sensibilidad o susceptibilidad de una arcilla

Es la propiedad por la cual, al perder el suelo su estructura natural,

cambia su resistencia, haciéndose menor, y su compresibilidad,

aumenta.


Actividad (A)

Propiedad plástica de los suelos que resulta del agua adsorbida que

rodea a las partículas de arcilla, el tipo de minerales arcillosos y sus

cantidades proporcionales en un suelo afectarán los límites líquido y

plástico. La actividad se usa como índice para identificar el potencial de


expansión de los suelos arcillosos.

Tixotropía.

Fenómeno consistente en la pérdida de resistencia de una arcilla

cuando es amasada, y en la posterior recuperación de dicha resistencia

después de un cierto tiempo de reposo. Este fenómeno suele ser

intenso en las proximidades del LL y casi nulo en el LP.


Estructura del suelo

También se refiere a la forma en la que

el suelo está compuesto y al modo en

que se encuentran dispuestas sus

diversas partes. El suelo en su


evolución natural origina una

estructura vertical, conocida como

perfil. En la estructura del suelo se

pueden observar diferentes capas que

es producto de su movimiento interno

y del transporte vertical, estas capas

son conocidas como estratos.


Comportamiento de los suelos

a. Parámetros que permiten definir el comportamiento del su elo

- parámetros de identificación

- parámetros de estado

- parámetros estrictamente geomecánicos


� Parámetros de identificación

Los principales son la granulometría y la plasticidad

• Ganulometría, distribución de los tamaños de grano que

constituyen el agregado. El tamaño de las partículas va desde los

tamaños granulares conocidos como gravas y arenas, hasta los

finos como la arcilla y el limo.


• Plasticidad, variación de consistencia del agregado en función del

contenido en agua.



� Los parámetros de estado

Fundamentales son la humedad y la densidad.

• Contenido de humedad , cantidad de agua en la masa del suelo

• Densidad, referida al grado de compacidad que muestren las

partículas constituyentes.



� Parámetros geomecánicos

El comportamiento geomecánico del suelo está en función de la variación

de los parámetros de identificación y de los parámetros de estado,

definiéndose así un segundo orden de parámetros tales como la

resistencia al esfuerzo cortante, la deformabilidad, la permeabilidad.



La composición química y/o mineralógica de la fase sólida también

influye en el comportamiento del suelo, dicha influencia se manifiesta

esencialmente en suelos de grano muy fino (arcillas). De la composición

depende la capacidad de retención del agua y la estabilidad del volumen,

presentando los mayores problemas los minerales arcillosos. Éstos son


capaces de retener grandes cantidades de agua por adsorción, lo que

provoca su expansión, desestabilizando las obras si no se realiza una

cimentación apropiada.

También son problemáticos los sustratos colapsables y los suelos

solubles.


b. Comportamiento del suelo

� Por el tamaño de las partículas de suelo

Las propiedades físicas del suelo dependerán del tamaño de sus

partículas, mayores tamaños de partículas significará mayor espacio

entre ellas, resultando un suelo más poroso; menor tamaño de

partículas tendrán menor espacio entre ellas dificultando el paso del


partículas tendrán menor espacio entre ellas dificultando el paso del

aire y el agua, por lo tanto este suelo será menos poroso. Los

tamaños de grano se han clasificado con base en las dimensiones

dadas en determinados estándares


Cuando se realiza un análisis físico de una muestra de suelo se definen

dentro de ella variados tamaños de grano que se enmarcan dentro de

rangos específicos definidos por diversas entidades o agrupaciones.

Para clasificar a los constituyentes del suelo según su tamaño de


Para clasificar a los constituyentes del suelo según su tamaño de

partícula se han establecido muchas clasificaciones granulométricas.

Básicamente todas aceptan los términos de grava, arena, limo y arcilla,

pero difieren en los valores de los límites establecidos para definir cada

clase.


Nombre de la Organización Tamaño de grano (mm)

Grava Arena Limo Arcillla

Instituto tecnológico de Massachusset (MIT)

> 2 2 a 0.006 0.006 a 0.002 < 0.002

Departamento de agricultura de E.U (USDA)

> 2 2 a 0.05 0.05 a 0.002 < 0.002


Asociación americana de funcionarios del Transporte y carreteras estatales (AASHTO)

76.2 a 2 2 a 0.075 0.075 a 0.002 <0.002

Sistema unificado de clasificación de suelos(SUCS), Army corps of Engineers , Bureau of reclamation y American Society for Testing and Materials (ASTM)

76.2 a4.75

4.75 a0.075

Finos (Es decir limos yarcillas) < 0.0075


Grava

son fragmentos grandes de roca,

fácilmente identificables a simple

vista.


Arena

Están compuestas por partículas

de un tamaño considerable,

tienen un mayor espacio entre

partículas, el agua drena muy

rápidamente a través de ella.


Limo

Compuesto por partículas intermedias

entre la arcilla y la arena, en estado

húmedo es difícil de trabajar, a

diferencia de la arcilla que cuando está


diferencia de la arcilla que cuando está

seca es elástica y granulosa.

Los limos son fracciones microscópicas

del suelo que constituyen granos muy

finos de cuarzo y algunas partículas en

forma de escamas que son fragmentos

de minerales micáceos.


Arcilla

Las arcillas son principalmente partículas

submicroscópicas en forma de escamas que

desarrollan propiedades de plasticidad

cuando se mezclan con agua. La arcilla


tiene la habilidad de retener el agua, se

caracteriza por un pobre drenaje y aireación.

La arcilla húmeda es difícil de trabajar,

mientras que cuando está seca es muy dura.

Las partículas se clasifican como arcilla con

base en su tamaño de grano y no contiene

necesariamente minerales arcillosos.


Determinación del tamaño de las partículas

Las partículas no están sueltas sino que forman agregados, siendo por

lo tanto necesario destruir la agregación para separar las partículas

individuales y poder determinar las diferentes tamaños que existen.



• Permeabilidad

Es la propiedad que tiene el suelo de transmitir el agua y el aire y es

una de las cualidades más importantes que han de considerarse para

estructuras de tierra.


Mientras más permeable sea el suelo, mayor será la filtración.

Algunos suelos son tan permeables y la filtración tan intensa que para

construir en ellos cualquier tipo de estructura es preciso aplicar

técnicas de construcción especiales.

En suelos finos la permeabilidad es baja y en suelos granulares la

permeabilidad es alta.


• capilaridad

Los vacios en suelos tienen ancho variable y se comunican entre sí

formando canales muy pequeños. Si estos se comunican con el agua,

por la parte inferior, el agua asciende después que se satura

completamente ocupando los vacios pequeños y los mayores quedan

con aire.


con aire.

En suelos finos la capilaridad es alta y en suelos granulares la

capilaridad es baja


� Forma de las partículas del suelo

La forma de las partículas tiene tanta importancia como su tamaño, en lo

que respecta al comportamiento del suelo, sin embargo no se considera,

pues es difícil medirla y describirla cuantitativamente. La forma de los

granos puede ser de tres clases: redondeados, laminares o escamosos y


aciculares

� Forma redondeada

Cuando el largo, el ancho y el espesor de una partícula son del mismo

orden de magnitud, se forman por la desintegración mecánica de las

rocas, rara vez son más finos que 0.001 mm de diámetro. Las

características significativas de estos granos son: la esfericidad y la

angulosidad.


o La esfericidad: describe las diferencias entre el largo, ancho y

espesor

o La angulosidad: se describe cualitativamente

- angulares : partículas redondeadas que se forman por la

trituración de la roca


- Subangulares : las aristas afiladas se han suavizado

- Subredondeadas : Cuando las áreas entre las aristas están algo

suavizadas y los vértices comienzan a desgastarse.

- Redondeada s: Cuando las irregularidades están prácticamente

suavizadas, pero se debe apreciar la forma original.

- Redondeada s: cuando ha desaparecido todo rastro de la forma

original.


Las partículas pequeñas de arena cuando están cerca de su lugar de origen

tienden a ser muy angulosas, mientras que las gravas del mismo lugar son

entre sub redondeas y redondeadas

Las arenas del mar son entre subangulares y redondeadas. Las arenas que

son transportas por el viento y se depositan en médanos son muy

redondeadas


redondeadas

� Forma laminar o escamosa

Son finas pero no necesariamente alargadas, parecen hoja de papel en

cuanto a sus dimensiones relativas. Pueden resistir los desplazamientos.

� Forma acicular

Son partículas demasiado alargadas, son elásticas y se rompen con facilidad

bajo los efectos de la carga.


Efecto de la forma de las partículas

Los suelos compuestos de granos redondeados soportan cargas estáticas

pesadas con pequeña deformación, especialmente si los granos son

angulosos, sin embargo por efecto de los choques o vibraciones se

desplazan fácilmente.


Los suelos compuestos por granos laminares se comprimen y deforman

fácilmente bajo el efecto de cargas estáticas, en cambio son relativamente

estables a los efectos de los choques y vibraciones. Un pequeño

porcentaje de partículas laminares es suficiente para cambiar el

comportamiento de un suelo y hacer que se comporte como material

laminar.


� Comportamiento del suelo por el contenido de humedad

El contenido de agua con que se produce el cambio de estado varía

de un suelo a otro, para el cual el suelo presenta un comportamiento

plástico, es decir, acepta deformaciones sin romperse (plasticidad)


Según su contenido de agua en forma decreciente, un suelo

susceptible de ser plástico puede estar en cualquiera de los

siguientes estados de consistencia


• Estado líquido el suelo tiene las propiedades y apariencias de una

suspensión.

• Estado Semilíquido el suelo presenta las propiedades de un fluido

viscoso.


• Estado Plástico el suelo se comporta plásticamente.

• Estado semi sólido el suelo tiene la apariencia de un sólido, pero aún

disminuye de volumen al estar sujeto a secado.

• Estado sólido el volumen del suelo no varia con el secado.


Los estados de consistencia están separados por los llamados límites

de consistencia, los cuales son propiedades índices de los suelos, con

que se definen la plasticidad y se utilizan en la identificación y

clasificación de un suelo.



Plasticidad de los suelos

La plasticidad es un fenómeno inherente a los suelos de partículas muy

finas, limos y arcillas. En la periferia de las partículas tiene efecto un

fenómeno eléctrico superficial, ya que ésta posee carga negativa y por

tanto, atrae los iones positivos del agua. Debido a estas fuerzas


tanto, atrae los iones positivos del agua. Debido a estas fuerzas

electrostáticas, el fenómeno produce una interacción de las partículas, por

lo que tienden a permanecer y moverse unidas. La plasticidad es, pues,

una consecuencia directa se estos fenómenos.


Consistencia Relativa (Cr)

Es un parámetro de los suelos finos que nos permite evaluar las condiciones de

soporte y mantenimiento de proyectos, está definida por Cr = (LL - w) / (LL - LP)

Supongamos que se desea realizar el dragado de un canal marino para el

proyecto de un puerto. Antes de empezar la ejecución de la obra, el contratista

requerirá de los servicios de un ingeniero de suelos, quien procederá a extraer


requerirá de los servicios de un ingeniero de suelos, quien procederá a extraer

muestras del lecho submarino. A estas muestras se les determinará su contenido

de humedad en estado natural (W), el límite líquido (LL) y el límite plástico (LP).

Aplicando la fórmula de la consistencia relativa, si se obtuviera un valor negativo,

este nos indicaría que el contenido de humedad natural está por encima del límite

líquido y que, por tanto, el suelo no conservaría la forma propia, escurriéndose e

imposibilitando el corte y por tanto la ejecución de la obra.


Hinchamiento, contracción y expansión

Los materiales arcillosos altamente expansivos se contraen y se expanden

debido a cambios en el contenido de humedad. Esas fluctuaciones de la

humedad pueden ser causadas por condiciones del medio ambiente tales

como lluvias estaciónales, variaciones de temperatura o debido a

actividades humanas que generan filtraciones debido a sistemas de


actividades humanas que generan filtraciones debido a sistemas de

irrigación o ruptura de tuberías de agua.


Estructuras tales como caminos, áreas de parqueo, casas y edificios

construidos sobre materiales arcillosos expansivos, a menudo sufren

daños como resultado de los movimientos del suelo.



Las arcillas son de carácter expansivo,

es decir, que al humedecerse tienden a

hincharse y al secarse tienden a

contraerse. Esta condición las hace

muy susceptibles a los cambios de


muy susceptibles a los cambios de

humedad, pudiendo afectar con el

tiempo a las edificaciones cimentadas

superficialmente en estos terrenos a

causa de los asentamientos

diferenciales en el mismo.


El ingeniero que proyecta una cimentación sobre el suelo potencialmente

expansivo necesita un dato importante: el valor de la presión de

expansión del suelo, determinado en laboratorio mediante el método

edométrico

Pequeñas zapatas que soportan cargas livianas son más fácilmente


Pequeñas zapatas que soportan cargas livianas son más fácilmente

levantadas o movidas por el suelo arcilloso expansivo, lo mismo sucede

en las vigas de cimentación.


Propiedades ingenieriles de los componentes del suelo

La arenas y las materias orgánicas presentan buena permeabilidad en

estado seco o húmedo. Las arcillas no, sobre todo la illita y la

montmorillonita.



La estabilidad volumétrica de arenas, limos, es buena, mientras la de las

arcillas no, y en particular la de la montmorillonita que es muy baja.

La plasticidad y cohesión son muy altas en la montmorillonita y muy baja

en los limos.



La resistencia del material seco es muy alta en la montmorillonita, y del

material húmedo es muy baja en limos, montmorillonitas y materia

orgánica. La compactación con humedad óptima es muy alta en arcillas,

pero muy baja en montmorillonitas y materia orgánica.


La estabilidad al intemperismo es muy alta en la arena y los carbonatos

y muy baja en materia orgánica. La abrasividad es alta en las arenas y

muy baja en arcillas, sobre todo en la illita y la montmorillonita

La arena muy fina es abrasiva y no manifiesta cohesión; presenta

además problemas ingenieriles cuando el material es uniforme.


La caolinita no es expansiva, es de baja plasticidad y baja cohesión, mientras

que la illita y más aún la montmorillonita, son expansivas, de plasticidad media

e impermeables. En ambas como en la clorita, hay que considerar la salinidad.

Deben tenerse en cuenta suelos con problemas ingenieriles como los suelos

expansivos, colapsables, desleibles y dispersivos. En el medio ambiente


expansivos, colapsables, desleibles y dispersivos. En el medio ambiente

puede haber sustancias activas y reactivas, y factores que alteren el suelo

provocándole daños de composición, químicos y mecánicos, según sus

componentes constitutivos.


La materia orgánica es de alta permeabilidad, difícilmente compactable y

rápidamente degradable por oxidación. No sirve como material de

fundación y debe evitarse en la base de los rellenos. El potencial de

licuación de una arena aumenta cuando el material es fino y suelto y debe

existir un ambiente saturado y amenaza sísmica con eventos de suficiente


energía.

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