s t i l l o

fenieira ^ .*3 e

V O L U M I1E N 1

9 MJ N .

T S T i i n T ^ K i i 3 7 T i T C i n i ^ B

I . '

| |I x ;

* *

1 H Ij H

K

r |

1 -

>

Rico Rodrguez. Alfonso La ingeniera de suetos en tas vfas terrestres: Carreteras,

torrocarres y ooropistas t Aifonso Rico Rodrguez. - Mxico: Limosa. 2005. 460p . : B.; 21 era IS8N: 968-16-0054-0 Rstica 1. Mecnica de soetos LC: 16208.5 Dewey:624.l5 l>36-dc21

L a p r e s e n t a o n v o i s p o s o n e m c o n m u t o s c

LA INGENIERIA OE SUELOS EN LAS VAS TERRESTRESC m w c t o im , n m o c A m u s y A o w v r a V olumen 1

SON P K T C IM O 0CL (O T O R . M n o u n a M W t 0> n t A p u o * k r re m c o u c x m o n w s m . w to v w r t m a nS S T i l M O U TO O O . ElEC Tn O M O O O M C C lM C O tN O irre N O O EL KJTO CO nADO . LA Q fU M C tO N O O M J O U tf t S t r t U A O f flCCUPf RACIN V A U IA C C N A IK W TO OC m K M M A O O x ), S N C O K SE N TO IB flO POR E S C O TO Dl ECTTOR.

O e c o o s r e s e r v a d o s :

O 2006, EDTORlAL L1MUSA. S A oe C.V. GRUPO MORIEGA EDITORES Baic&u s 95, Mfxco. D.F.C P . 06040 S 8503 8050

01(800)7069100 S 55122903 w lnTJsa0norioga.cofTi.ntt vwwnortega.oom.irac

CANIEM NOm. 121

Hecho enMixteo IS8N 968-18 0054-0 20.1

derechos de autor

PrefacioPor Frajscu N . H v u m

"P o r h gracia de Dios, la cual me ha sido dada como hbil constructor, ech el cimiento; otro edifica sobre l"

(A los Corintios 1-3.10)

La anterior rita bblica parece particularmente apropiada para este libro de Mecnica de Suelos, puesto que los suelos y los materiales terreo constituyen el substracto bsico de la mayor/a de las estructuras ingenenles. La referencia parece especialmente apropiada cuando se.considera la esperanza expresada f>or los autores de que los jvenes ingenieros construyan sobre los cimientos que les pueda proporcionar este libro.

La Mecnica de Suelos, especialmente la que se aplica a la construccin de las vas terrestres, tuvo que progresar a travs de un camino erizado de dificultades. Los hombres rudos y prcticos de antao se inclinaban a considerar slo dos clases de excavacin para carreteras, las hechas en "polvo" o en roca". Y toda la amplia variedad de los materiales naturales que es posible encontrar sobre la superficie de la tierra la estudiaron, analizaron, clasificaron y describieron los agricultores, agrnomos, gelogos, petrgrafos y los ingenieros de minas. Como consecuencia, trminos tan'sencillos como buen suelo" o mal suelo" han llegado a tener significados distintos para cada especialista y lo que es bueno" para un agricultor puede ser muy malo para un ingeniero y v iceversa.

Es muy cierto que muchas veces la terminologa y los mtodos de clasificacin que establecieron los gelogos resultan demasiado vagos o confusos para los ingenieros Que desean establecer cmo se comportar un determinado material bajo condiciones de servicio.

Debe reconocerse que la utilizacin exitosa de los suelo como materiales de construccin es una actividad que tiene tanto de dencia como de arte. El hombre ha manejado los suelos y los ha usado en sus construcciones desde el alba de los tiempos. Los suelos pueden ser o no el material de construccin ms viejo, pero no cabe duda que los antiguos aprendieron mucho sobre ellos, al practicar el arte ele la alfarera y al construir monumentos y moradas. Uno de k grandes logros de la civilizacin moderna consiste en que los ingenieros puedan aplicar un enfoque cientfico a sta, la ms antigua de las artes de la construccin.

En efecto, para llevar a cabo la planeadn y d proyecto de cualquier obra ingenieril de importancia, hoy da es imprescindible llegar a un acuerdo entre distintos puntos de vista. Por ejemplo, el proyecto de una carretera importante se logra mediante los esfuerzos cuibinados de muchos individuos que contribuyen con el conodmiento detallado de muchas espedalidades.

Como la mayor parte de las obras de la ingeniera descansan sobre la supe fide de la tierra, la capaddad de los suelos para soportar cargas se convierte en una cuestin fundamental La expresin popular inglesa simple como la tierra" indica que la mayora de la gente an sabe poco sobre d avance actual

* Ingeniero Consultor. Anterior Jefe del Laboratorio dei Departamento de Carretera! del Ertado de California. U4A.

. Material protegido por derechos de

6 Prefacio

de la rienda de los suelos. Sin embargo, los suelos tienen muchas propiedades peculiares que estimularon a varios hombres de diversas pocas a dedicar toda la vida a su estudio.

En la actualidad es un requerimiento de todo ingeniero competente que se dedique a las vas terrestres el estar familiarizado con la obra de aquellos hom. bres que se han dedicado al estudio de la utilizacin de los suelos desde varios puntos de vista. Ixn conocimientos anuales sobre los materiales que componen la corteza terrestre se han ido acumulando lenta y celosamente gracias al aporte de diversos grupos de tcnicos, tales como los ingenieros agrnomos, los qumicos de suelos. los especialistas en cermica, los gelogos, los ingenieros de minas y de las diversas ramas de las ingenierias civil y militar, que intervinieron personalmente en la construccin de presas, canales, ferrocarriles, control de erosin, aeropuertos, cimentaciones de edificios, etc.

Considrese de nuevo el desarrollo de un proyecto para una carretera importante. Es preciso coordinar los esfuerzos y conocimientos de nuevos grupos de especialistas. Los que preparen las especificaciones y detalles del proyecto deben asimilar y tomar en cuenta toda la informacin preliminar proveniente de reconocimientos areos y terrestre*, seguidos por investigaciones y resultados de trabajo de laboratorio. En la misma forma, deber tenerse en cuenta una estimacin del sistema de cargas", es decir, del nmero y peso de los vehculos que, segn se espera, constituirn el trnsito que habr sobre la obra. Despus de preparar los planos y las especificaciones, intervienen los asesores legales que deben revisarlos, puesto que el contrato para construir la totalidad o una parte de un proyecto determinado es un documento legal y, en ltima instancia. las interpretaciones legales usualmente tienen precedencia sobre consideraciones u opiniones puramente ingenieriles en el caso de que surgiera una con* troversia entre el contratista y el ingeniero. En un Departamento de Carreteras bien concebido, todos los planos y especificaciones de cualquier proyecto, los deben examinar y revisar conjuntamente los ingenieros de construccin y los encargados de su futura conservacin. Obviamente es esencial que existan la debida cooperacin y trabajo de equipo.

Cualquier estudio de Mecnica de Suelos constituye un intento para establecer un conocimiento ordenado de los factores que definen e! comportamiento de los suelos y su capacidad para resistir cargas. Para aprovechar plenamente los beneficios de semejante ordenacin terica, adems, se necesita establecer claramente los requerimientos de construccin. Es igualmente importante que el contratista y todos los elementos de la construccin ejecuten debidamente lo dispuesto. En esta etapa, surge nuevamente la necesidad de un buen trabajo de conjunto, as como res|ieto y comprensin, por parte de todos los que for- men el equipo, en cuanto a los objetivos, ideas y funciones de los demis miembros.

Se han mencionado a numerosos especialistas que participan en la preparacin del proyecto y en la ejecucin de la obra, pero todava hay otro importante "especialista o grupo de ellos. Me refiero al hombre que controla los fondos disponibles. Segn un viejo y trillado refrn, Mcon suficiente tiempo y dinero cualquier imbcil puede hacer cualquier cosa . Independientemente de que la expresin sea debatible o no, en cualquier caso, la misin particular del ingeniero es construir una obra satisfactoria, considerando las limitaciones de tiempo y de dinero existentes.

Este libro viene de una tierra que ofrece una imperecedera evidencia de la capacidad del hombre para superar los problemas planteados por los suelos, tanto en obras modernas como en otras muy antiguas. Las pirmides y templos que se construyeron en Mxico hace mucho tiempo han resultado tan impresionantes y duraderas como cualquier otro monumento legado por los constructores de la antigedad, en cualquier parte del mundo. Mxico posee una amplia variedad de tipos de suelos, grandes oscilaciones en el rgimen de lluvias y condiciones muy diversas de agua subterrnea. Alfonso Rico y Hermilo del Castillo, han tenido oportunidades nicas para aplicar la Mecnica de Suelos, gradas a sus cargos en la Secretara de Obras Pblicas de Mxico. Han tenido que enfrailarse a problemas de suelos en carreteras, puentes, aeropuertos y otras

Prefacio 7

obras pblicas. Adems, al impartir ctedras de Mecnica de Suelos en la Universidad Nacional Autnoma de Mxico se lian mantenido al tanto de los progresos tcnicos en otra* partes del mundo... y aun de los de California.

Debe felicitarse a los autores por su amplio conocimiento de la Mecnica de Suelos, tanto en sus aspectos tericos como prcticos, pero quiz an ms |>or el empello y la devocin a su profesin que se refleja en este libro.

Sa c r a m e n t o . C a l i j o r n ia

Material protegido por derechos de autor

Prlogo

Los autores de este libro han desarrollado durante los ltimos 15 aos actividades que bsicamente podran describirse como una aplicacin de la Mecnica de Suelos al proyecto y la construccin de vas terrestres en Mxico. Su trabajo se efectu dentro de la Secretaria de Obras Pblicas, que es el organismo del Gobierno Federal Mexicano que se dedica, a programar, proyectar, construir y conservar tales obras, entre otras fundones.

En su trabajo diario, han visto que las vas terrestres constituyen un campo muy completo, muy fascinante y muy complicado dentro de todos los de la Ingeniera en que la Mecnica de Suelos es susceptible de arrojar alguna luz. Basta pensar que las vas terrestres son estructuras de tierra que se construyen sobre el terreno, para darse cuenta de que la Mecnica de Selos no puede sef ajena a ninguna de las etapas de su proyecto y construccin. A veces, las propiedades mecnicas de los terrenos sern tan criticas que n las soluciones de la Mecnica de Suelos resultar imposible o, por lo menos, irrazonablemente arriesgado enfrentar los problemas que se presenten; en otras ocasiones, propiedades ms favorables permitiran (de hecho as sucedi sistemticamente en un pasado que afortunadamente comienza a verse lejano en Mxico) aparentemente proceder al margen de las normas de la Mecnica de Suelos, pero una mnima experiencia en la aplicacin de estas doctrinas hace ver que, aun en este caso, se estarla desperdiciando una oportunidad de optimizar trabajos y abatir costos que resultara totalmente absurda dentro de los niveles tecnolgicos actuales. Las tcnicas de construccin de las vas terrestres son inconcebibles en el momento presente sin un uso extenso, continuo y detallado de los principios de la Mecnica de Suelos aplicada, como lo son sin una utilizacin anloga de la Geologa y de la Mecnica de Rocas.

Como campo de aplicacin de la Mecnica de Suelos, las vas terrestres Son uno de los ms completos. Problemas tales como estabilidad de laderas naturales y taludes, construccin de terraplenes sobre suelos blandos, empaje de tierras contra toda dase de elementos de retendn, dmentadones para puentes y obras viales, constituyen un catlogo cuya sola enumeradn fundamenta lo dicho. Adems, en las vas terrestres se tiene la ms variada accin de las aguas que sea posible concebir en la Ingeniera Civil y ya se sabe cunto complica este demento a la Mecnica de Suelos cuando se infiltra, fluye y trata de brotar. En aadidura, las aplicaciones a las vas terrestres induyen dos aspectos importantsimos, difdles y muy poco conoddos, pese al relativamente grande volumen de estudio que ha tenido lugar en los ltimos aos. Son stos la oras- pactacin de suelos y d diseo de los pavimentos. En ambos casos, se siente que tui enfoque a partir de la Mecnica de Sudos puede contribuir mucho a dflu- ddar viejos problemas, heredados de una prctica ms emprica y menos cientfica. Los estudios modernos sobre la compactaan son relativamente reden tes y estn an muy incompletos, pero ofrecen ya un fasdnante horizonte para cualquier espritu observador. Caen dentro de la categora de los problemas

Material protegido por derechos cka

10 Prlogo

relativos a los sucios no saturados, que es aquella en la que la Mecnica de Suelos alcanza mayores alturas de complejidad, complicacin... e inseguridad. La tecnologa de los pavimentos se ha desarrollado extraordinariamente, al grado de constituir una nueva especialuarin, que en ocasiones parece independiente, dentro de la Ingeniera Civil; pero no debe olvidarse que un pavimento es, a su vez. una estructura en que los suelos y sus propiedades de conjunto han de decirlo todo el da en que se haya progresado lo suficiente en tan difcil campo, como para que un optimista piense que sabe algo con seguridad y firmeza.

1.a inversin de casi todos los pases del mundo en el campo de las vas terrestres, lo variado de los problemas que se presentan y lo complejo de los mismos, justifican as la dedicacin de numerosos esf>criaiistas de la Mecnica de Suelos a las carreteras, los ferrocarriles y las acropistas.

Pero los autores de esta obra han observado tambin en su trabajo diario otro hecho curioso, cuya explicacin no alcanzan a formular. Hasta donde llega su limitado conocimiento del tema, no conocen un solo libro de Mecnica de Suelos Aplicada a este campo fundamental. Proliferan los libros de Mecnica de Suelos en general y se escriben excelentes tratados que cubren slo algn aspecto de las teoras involucradas en la disciplina. Inclusive, se escriben numerosos libros de aplicacin de conocimientos generales a otros cani|xn de la actividad prctica, como las presas de tierra o las cimentaciones, |>ero las vas terrestres permanecen arto tras ao sin alguien que salte al terreno a proclamar sus bellezas. Todos los aos se cwribcn sobre diferentes aspectos del tema, toneladas de papel, pero siempre bajo la forma de artculos, monografas o de ese curioso y nuevo gnero, tcnicoliterario, jx>r cierto tilsimo, que ha dado en llamarse, sin que nadie parezca saber |jor qu, Resmenes sobre el estado del arte*. Sin negar que tales elementos de informacin son los nicos apropiados para captar convenientemente los diferentes aspectos de una disciplina tcnica que cambia de da en da, por lo menos en su punta de lanza, los autores piensan que un libro que recopile modestamente los conocimientos fundamentales que van quedando aparentemente bien establecidos y en el que puedan transmitirse las cx(>eriencas ms sobresalientes, tiene tambin su utilidad. Reprcictiia un alto en el cumitio, a> se dira que la foto fija de una escena en perpetuo movimientOi que capta un instante, slo un instante, pero que lo hace asequible en manos de quienes podran correr el peligro (y quin no?) de confundirse por d incesante barullo de la escena.

Esta es la misin que se han propuesto los autores de este libro y slo los ha animado a lanzarse a esta empresa la ausencia de hombres ms capacitados.

La obra que ahora se presenta est concebida en dos volmenes. Este primero contiene los conceptos bsicos necesarios para la comprensin de las aplicaciones y algunas de stas; las restantes figurarn en el segundo tomo, siendo el criterio de divisin simplemente el llegar a equilibrar aproximadamente los dos tomos, hacindolos manejables.

El Captulo I contiene los elementos bsicos de la Mecnica de Suelos que necesitar el lector que desee comprender correctamente las aplicaciones. Se ha hecho especial nfasis en ciertos conceptos, en algunos casos recientes, sobre resistencia y compresibilidad de los suelos tanto friccionantes como cohesivos.

El Captulo I I establece un sistema de clasificacin de suelos y fragmentos de roca, indispensable para encasillar debidamente la informacin general.

Las nociones fundamentales del flujo de agua a travs de los suelos en su aspecto terico se han induido en un Apndice, que figura al final del libro y que proporciona los elementos para comprender la preocupacin de los ingenieros de vas terrestres por los aspectos de drenaje y subdrenaje. asi como las bases de las soluciones empleadas para resolver tales problemas.

El Capitulo I I I inicia el estudio de las aplicadones propiamente dichas, tratando al terreno de rimentadn como apoyo estructural de las vas terrestres.

El fundamental problema de la compactadn de los sudos ocupa d Captulo IV. Se ha enfocado d problema desde d punto de vista de la tecnologa de campo, haciendo referencia al equipo disponible y las normas para su uso, y de la de laboratorio, analizando d valor de las diferentes pruebas existentes.

r derechos de autor

Prlogo 11

Adcm% se presentan las conclusiones principales de las investigaciones que va h a b ie n d o sobre las propiedades mecnicas de los suelos compactados, buscando establecer el proceso de compactacin no como una rutina de trabajo, sino corno un proceso de fabricacin de materiales apropiados, sujetos a unos objetivos y a unos requerimientos tcnicos, a la vez que a una disponibilidad prctica.

En el Captulo V se dan algunas normas bsicas para manejar los elementos de retencin de tierras, tan comunes en las vas terrestres.

En el Captulo V I se estudian los problemas de estabilidad de masas de tierra, tratando de diferenciar las laderas naturales de los taludes artificiales y los diferentes tipos de fallas que pueden ocurrir en unas y otros. Tambin, en lo que se refiere a soluciones, se han distinguido los mtodos de prevencin de los de correccin. Se subrayan las circunstancias mecnicas que concurren en las diferentes fallas, as como los mtodos de anlisis aplicables a cada una como consecuencia. Esta informacin se complementa con los mtodos de sub- drenaje incluidos en el Captulo VII.

El Volumen I I contendr un captulo dedicado a cimentaciones de obras viales y una visin sobre los mtodos de diseo de pavimentos con que hoy se cuenta. El volumen contendr adems, informacin sobre obras complementa* ras de drenaje y algunos problemas especiales de las vas terrestres, entre los que destacarn los tneles en suelos y las diferentes clases de estabilizaciones.

Se piensa que esta obra puede resultar til para los ingenieros que proyectan y construyen vas terrestres, pero tambin se aspira a que los dedicados a otros campos de la Ingeniera con problemas comunes, como los que se ocupan de obras de irrigacin, por citar un ejemplo, puedan tambin encontrar en ella, material til. Los estudiantes de Ingeniera encontrarn tambin, es de esperar, material con qu cubrir los cursos de especializadn en vas terrestres, cada vez ms populares, por necesarios, en las universidades mexicanas y del extranjero. Los Captulos I, IV, V, V I y V II podrn tambin servir como texto en cursos regulares de Mecnica de Suelos Aplicada, tal como hoy se imparten en los niveles profesional y de maestra.

Pensando en la utilizacin didctica de esta obra se han incluido algunos problemas relativos a empuje de tierras y estabilidad de taludes, ilustrando los diferentes mtodos de anlisis.

Muchas han sido las personas que han colaborado en este trabajo. A todas ellas se desea expresar el ms amplio agradecimiento.

Los ingenieros Juan Manuel Orozco, Manuel Jara y Manuel Zrate han ledo partes del manuscrito, haciendo tiles comentarios. Eulalio Jurez Ba- diilo, jess Alberto y Daniel Resndiz discutieron con los autores muchos puntos delicados.

Esteban Meneses realiz las figuras incluidas y Ma. Esthcr Escoto, Ma. An- tonieta Crdenas y Graciela Reyes, mecanografiaron el original, cumpliendo tan ingrata tarea con el mayor entusiasmo.

Tanto la Secretara de Obras Pblicas de Mxico como la Universidad Nacional Autnoma proporcionaron muchas facilidades y estmulos, sin los cuales este libro difcilmente hubiera podido ser escrito.

Mxico, D. F

echos de a

Contenido Volumen IPrefacio, 5

Prlogo 9

Captulo 1 Breve nociones de mecnica desuelos ......................................... 17

M Introduccin, 17 1*2 Naturaleza y origen de loa suelos, 18 1-3 Relaciones gravimtricas y volumtri

cas de los suelos, 181-4 Caractersticas y estructuracin de las

partculas minerales, 20 1*5 Cranulometra de los suelos, 241-6 Plasticidad, 271*7 El mecanismo de la contraccin de los

suelos finos por secado 29 1*8 Permeabilidad, 31 1*9 Los concepto de esfuerzo efectivo y

esfuerzo neutral, 34 1*10 Relaciones esfuerzo deformacin, 35 M I Compresibilidad de suelos granulares,

38

A Compresibilidad en compresin iso trpica, 39

B Compresibilidad en compresin confinada, 39

C Compresibilidad en compresin triaxial, 41

M 2 Compresibilidad de suelos cohesivos,43

A Consolidacin, 43 B Asentamientos y expansiones, 56 C Consolidacin secundaria, 61

1*13 Introduccin al problema de la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos, 62

A Generalidades y teora de falla,62

B Naturaleza de la resistencia al es* fuerzo cortante en suelos granulares y cohesivos, 64

C Pruebas para la determinacin de la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos, 67

I-I4 Resistencia al esfuerzo cortante de los suelos granulara, 71

1-15 Resistencia al esfuerzo cortante de los suelos cohesivos, 77

A Suelos saturados, 77 B Suelos no saturados, 84 C Aplicacin de los resultados de las

pruebas triaxiales a los problemas prcticos, 86

D Resistencia mixima y residual de las arcillas, 89

Referencias, 91

Captulo 2 Clasificacin de suelos desde el punto de vista de las vas tenes- tres .............................................

II-l Generalidades, 9311-2 siiiern de clasificacin de suelos

utilizado en la S.O.P., 94

A Sistema unificado de clasificacin de suelos (versin SOP), 95

a Suelos gruesos, 95 b Suelos finos, 96 c Identificacin de los suelos, 98

B Clasificacin de los fragmentos de roca, 99

II-3 Clasificacin de las rocas, 101

A Lincamiento generales, 101 B Textura, 103 C Estructura, 104

II-4 Rocas comunes 105

A Rocas gneas comunes, 105 B Rocas sedimentarias comunes, 107 C Rocas metamrficas comunes, 110

Referencias, 111

Captulo 3 El terreno de cimentacin. Exploracin de suelos ........................

III-1 Introduccin, 113111-2 Generalidades acerca del terreno de

cimentacin, 113m-3 Asentamientos en el terreno de cimen

tacin, 117111-4 Mejoramiento del terreno de cimen

tacin, 122III-5 El agua en el terreno de cimentacin,

126I1I-6 Terreno de cimentacin constituido

por arenas limpias, 127

14 Contenido Volumen /

111*7

III-8111*9

IIMO

Terreno* A Estudios geolgicos y fotointer- pret acin. 138

B Exploracin directa en suelos y rocas, 139

C Requerimientos de muestreo, 143 D Mtodos de exploracin indirec*

rectos. Mtodos geofsicos. 143

Referencias, ISO

Captulo 4 Compactacin de suelos......... 153

IV-1 IV-2

1V-3IV-4

Introduccin, 153 Variables que afectan 1 proceso de la compactacin de los suelos, 155 La curva de compactacin, 158 Procesos de compactacin de campo, 159

A Compactadores por amasado. Rodillos pata de cabra. 160

B Compactadores por presin. Rodillos lisos y neumticos. 165

B-l Rodillos lisos, 165 B-2 Rodillos neumticos, 166 B3 Comparacin de resultados

enue rodillos neumticos y pala de cabra, 172

C Compactadores por impacto, 173 D Compactadores por vibradn, 174 E Compactadores por mtodos mix

tos, 178

Algunas ideas tiles en la ejecudn de los trabajos de compactadn en el campo. Grado de compactadn, 180 Algunos problemas especiales de com- pactacin en d campo, 189 Compactacin de pedraplenes, 190 Pruebas de compactacin en el laboratorio, 192

A Pruebas dinmicas, 193 B Pruebas estticas, 197 C Compactadn por amasado, 201 D Compactacin por vibracin, 202 E Pruebas especale o en proceso

de desarrollo, 203

1V-9 Criterios para la seleccin de pruebas de laboratorio. Comparadn de resultados obtenidos en el laboratorio y el campo, 204

IV*5

IV-6

IV-7IV-8

A Comparadn de resultados de pruebas de laboratorio con los obtenidos en los procesos de compactadn con rodillos pata de cabra. 204

B Comparadn de resultados de pruebas de laboratorio con los obtenidos en los procesos de compactacin con rodillos neumticos. 206

IV-10 Propiedades mecnicas de las arenas compactadas. 206

IV-II Propiedades mecnicas de los suelos finos compactados, 208

A Permeabilidad, 210- B Compresibilidad y expansin, 211 C Resistencia al esfuerzo cortante,

214D Resistencia a la erosin interna,

217 .E Valor relativo de soporte, .218 F Efectos de tiempo, 218 .

Anexo IV-a Pruebas dinmicas tipo Proctor,219

Anexo IV-b Pruebas dinmicas. Mtodo de California, 222

Anexo IV-c Pruebas de compactacin estticas. 227

Anexo I Y'-d Pruebas por amasado, 229

A Prueba de compactadn miniatura de Harvard, 229

B Prueba de Hveem. de compactacin por amasado, 231

Referendas, 232

Capitulo 5 Empuje de tierras....................... 235

V-lV-2

V-3

V-4V-5

V-6

Introduccin, 235Teoras clsicas de empuje de tierras, 237

A Teora de Rankine, 237 B Mtodo de Coulomb, 243 C Otros mtodos de clculo funda*

dos en teoras clsicas, 247 D Comentarios sobre las teoras d i-

sicas, 247 E Aplicabilidad de las teoras d-

sicas a los problemas prcticos de muros de retencin, 248

El mtodo emprico de Terzaghi para d clculo de empujes contra muros de reiendn, 249 *Drenaje de muros de retendn, 252 Consideraaones respecto al clculo de muros de retendn, ,254 Clculo de muertos de anclaje, 257

rech

Contenido Volumen / 15

V-7 Muros en celosa o muros criba, 258V-8 Rellenos de muros de retendn, 259V-9 Ademes, 261V-10 La tierra armada. 265

Anexo V-A Ejercicios de aplicadn, 268

V-A.I Ejemplo de aplicacin del mtodo grfico de Cul- mann a rellenos friccionantes", 268

V-A.2 Clculo de un muro de re* tencin con diversas variantes. 271

VA.3 Propordonamiento de un caso de tierra armada, 274

Referenrias, 275

Captulo 6 Estabilidad de taludes.................. 277

VI-1 Introducdn, 277VI-2 Tipos de fallas ms comunes en los

taludes de las vas terrestres, 281

A Fallas relarionadas a la estabilidad de las laderas naturales, 282

A l Deslizamiento superficial (Creep). 282

A-2 Fallas asociadas a procesos de deformadn acumulativa. 284

A-3 Flujos. 286

A-3.a Flujos en materiales relativamente secos,287

A-S.b Flujos en materiales hmedos, 287

B Fallas relarionadas a la estabilidad de taludes artitidales, 289

B-l Falla rotarional. 289 E-2 Falla trasladonal, 293 B-3 Fallas con superfide com

puesta. 293 B-4 Fallas mltiples, 293

C Denumbes y cado*. 295 D Otros tipo* d fallas, no directa

mente asociadas a la i esistenria al fuer/ cortante d fotf suelos.m . .. ~

E Fallas por 299F Falla or dfta macii eft 1 hom-

bros Je ios terraplti, 300VI-3 Algunas ideas acerca tb U estabilidad

de taludes de suelo? t&lduale* $00 VI-4 Ciertos asj)Crtiw d l* paimetros de

resistencia al esfuerzo cortante a considerar en el clculo numrico de la estabilidad de laderas naturales y taludes. 306

VI-5

A Taludes en ardllas saturadas normalmente consolidadas. 312

B Taludes en suelos |xtrcialmente saturados. Condidn al fin de la construcrin, 313

C Problemas que implican procesos de descarga, 313

D Condidn de flujo estableado. 313

E Condidn de vaciado rpido, 313 F Deslizamientos con superficies de

falla preexistentes, 314

Mtodos de clculo de estabilidad de taludes, 315

Taludes en arenas limpias, 315 Falla rotarional. Mtodo sueco, 316Anlisis de estabilidad en superficies de falla no circuales, 326 Falla traslarional, 328 Mtodo de la cua, 329

VI-6Vl-7

V M

Vl-9

VI-10 VI. 11

Terraplenes sobre suelos blandos, 331 Algunas deas para fijar la inclinacin de cortes no calculados en las vas terrestres, 333.Factores que producen fallas de estabilidad de laderas y taludes, 334 Identificacin de problemas de estabilidad de taludes en el campo, 342 Prevenrin de fallas, 344 Mtodos correctivos'para fallas en laderas y taludes, 318

A Mtodos de elusin, 349 B Mtodos de excavacin, 352 C Abatimiento de taludes, 353 D Empleo de bermas y escalona-

mi en tos, 355 E Empleo de materiales ligeros, 357 F La consolidadn previa de suelos

compresibles, 357 C Empleo de materiales estabilizan

tes, 357H Empleo de estructuras de reten

dn, 358I Empleo de pilotes, 360 J Empleo de contrapesos al pie de

la falla, 361 K Anclajes, 361 L Uso de explosivos, 362 M Empleo de vegetadn, 362 N Correccin de fallas de otros ti*

pos, 364 O Otros mtodos correctivos, 364

Anexo Vl-A Ejercicios de aplicacin, 369

Vl-A.l Clculo del factor de seguridad para un talud 'cohesivo*' con terreno de

dateri erecl

16 Contenido Volumen i

cimentacin homogneo con I y limitado por un estrato horizontal resistente, S69

V1-A.2 Ejemplo de un anlisis con tanteos, 369

VI-A.3 Anlisis con esfuerzos totales. 373

VI-A.4 Anlisis con falla circular y esfuerzos efectivos, 374

VI-A5 Estabilidad de una ladera natural para una superficie de falla no circular, con flujo. Anlisis con esfuerzos efectivos, 378

VI-A.6 Terrapln sobre suelo blando, 380

VI-A.7 Mtodo de la curta, 381V1-A.8 Falla traslacional, 382

Referencias, 383

APENDICE Planteamiento terico tld proble* ma de flujo de agua en suelos. Redes de flujo, 387 . '

A*! Introduccin, 387 A-2 Ecuaciones hidrodinmicas

que rigen el flujo de agua a travs de los suelos, 388

A-3 Solucin de la ecuacin de Laplace, 390

A-4 La teorfa de la seccin transformada, 392

A-5 La red de flujo, 394 A-6 Trazo de la red de flujo.

Clculo del gasto, 394 A-7 Superficies libres a la pre

sin atmosfrica, 396 A-8 Cuadrados singulares, 397 A-9 Clculo de las presiones hi

drodinmicas en una red de flujo, 399

A-10 Clculo de velocidades y gradientes hidrulicos en los puntos de una red de flujo, 400

A -ll Fuerzas de filtracin. Gradiente critico de ebullicin, 400

Capitulo 7 El subdrenaje en las vas terrestres ............................. ................. 403

VII-1 Introduccin, 403V1I-2 Agua subterrnea, 405 V IM Diserto de filtros, 410

A Prevencin de la erosin interna y de la tubificadn, 411

B Prevencin de la obstruccin de perforaciones en tuberas o de fu* gas de partculas finas del filtro a travs de ellas, 412

C Requerimientos de permeabilidad en el material del filtro, 412

D Requerimientos de segregacin,413

E Disposicin de las perforaciones en tuberas, 413

F Comentarios, 413

V IM Mtodos de subdrenaje en vas terrestres, 415

A Capas permeables en pavimentos,415

B Drenes longitudinales de zanja,421

C Subdrenes interceptores transversales, 424

D Drenes de penetracin transversal 425

E Pozos de alivio, 429 F Capas permeables profundas con

remocin de material, 430 G Trincheras estabilizadoras, 431 H Galeras filtrantes, 437

VI1-5 Efectos capilares en el subdrenaje,441

V I1-6 Subdrenaje en carreteras, 448VII-7 Subdrenaje en aeropistas, 452VII-8 Subdrenaje en vias frreas, 453VII-9 Problemas especiales de subdrena

je; 454

Referencias, 455

Referendas, 402 Indice alfabtico 457

CAPITULO

Breves nociones de mecnica de suelos

M INTRODUCCION

Para tos fines de este libro se entiende por Vas terrestres" las carreteras, los ferrocarriles y las aero- pistas que constituyen los elementos bsicos de la infraestructura de una red nacional de transportes. Dentro de la denominacin deben caber tanto la ms moderna autopista como el ms modesto camino rural. y lo mismo la pista que d servido a aviones de retroimpulso en un gran aeropuerto que la sendlla pta destinada al trfico de pequeas avionetas.

las vas terrestres as definidas se construyen fundamentalmente de tierra y sobre tierra. Desde lia ce ya bastante tiempo, la tcnica moderna ha reconocido la influencia que sobre una estructura de esta naturaleza tiene el terreno que le sirve de apoyo, entendiendo por tal no slo al suelo o roca que exista en el lugar, pasivamente considerado, sino a todo un conjunto de condidones que comprenden desde la constitudn zninerolgica, la estructuradn del suelo, la cantidad y estado del agua contenida y su modo de fluir, hasta toda una agrupadn de factores ajenos al concepto tradicional de suelo, pero que definen en el tiempo su comportamiento, tales como los factores dimtcos, los econmicos, los que se refieren al uso de la tierra" en actividades que poco o nada tienen que ver con la tecnologa de las vas terrestres, etc. Sin embargo, ha sido hasta pocas mucho ms red entes cuando los ingenieros han comprendido que el uso de los materiales, que se ofrecen en general en amplia variedad en la naturaleza, dentro dd cuerpo de la estructura, no es indiferente o arbitrario, sino selectivo, y que aun utilizando los mismos materiales para produdr una secdn dada, pueden obtenerse secdones estructuralmente muy distintas segn el uso que se haga de los materiales dentro de la secdn, tanto en lo que se refiere a su posidn en ella, como a las condidones en que se coloquen y a los tratamientos mecnicos o aun qumicos que se les d.

La construccin de las vas terrestres implica entonces el uso de los suelos, pero un uso sdectivo, jui

cioso y, en lo posible, "cientfico". Es sabido que la ingeniera moderna ha desarrollado ramas cuyos objetivos son precisamente el aprender a manejar de la mejor manera posible, ingenierilmente hablando, los suelos y las rocas con que se construyen las vas terrestres. Estas ramas son la Mecnica de Suelos y la Mecnica de Rocas, estrechamente auxiliadas por la Geologa aplicada. No es, pues, de extraar, dejando a un lado aspectos de planeadn y trato y algunos de ndole econmica y social, que d proyecto y la construcrin de las vas terrestres sean a fin de cuentas una cuestin de aplicadn juiciosa de normas de Mecnica de Suelos y de Mecnica de Rocas.

Hov. la Mecnica de Suelos y la de Rocas se han diversificado tanto, que constituven dos ramas independientes, con metodologa y objetivos propios, dentro del conjunto de las espedalidades de la Ingeniera; aunque siu fronteras estn estrechamente entrelazadas. tanto como lo estn los suelos y las rocas, cuya distindn a menudo es muy difcil, la Mecnica de Suelos y la de Rocas forman cada vez ms tos campos separados que exigen a sus respectivos especialistas toida su dedicadn personal

El presente libro trata de las aplicadones que tiene la Mecnica de Suelos en el proyecto y en la cons- truedn de las Vas Terrestres; la Mecnica de Rocas slo interviene, cuando se traslapan los mtodos de ambas disdplinas y las soludones sean comunes o bien, cuando la diferendadn entre ellas sea prcticamente imposible.

La aplicacin de la Mecnica de Suelos a un campo cualquiera exige un conodmiento previo de tal disaplina, que a propsito se ha considerado fuera de los alcances de este libro. Afortunadamente existen muchos, algunos muy buenos, con los que el lector podr suplir esta deficiencia. Sin embargo, con fines de unificadn de pensamiento y aun de nomenclatura, este primer captulo est dedicado a la pre- sentarin de ideas bsicas sobre Mecnica de Suelos, de las que despus se har intenso uso.

Material protegido por derechos de17

18 Breves nociones de mecnica de suelos

1-2 NATURALEZA Y ORIGEN OE LOS SUELOS

Los sucios son conjuntos de partculas minerales, producto de la desintegracin mecnica o de la dev composicin qumica ele rocas preexistentes. El con* junto de panculas presenta dos propiedades esenciales que no pueden ser olvidadas por quienes pretendan comprender su comportamiento ingenien!.

a) El conjunto posee una organizacin definida y propiedades que varan "vectorialmente". En general, en los valores de las propiedades, verticalmen- te ocurren cambios mucho ms rpidos que horizontal mente.

b) La organizacin de las partculas minerales es tal que el agua, que como se sabe est presente en todo suelo en mayor o menor cantidad, puede, si hay la suficiente, tener "continuidad", en el sentido de distribucin de presiones. El agua no ocupa huecos aislados, sin intercomunicacin; puede llenar todos los poros que dejan entre s las partculas minerales y que se intercomunican, de manera que el agua forma una masa continua que contiene al mineral en su seno.

Los suelos pueden ser residuales o transportados, segn se les eiuueutre en el mismo lugar en que se han generado o en lugar diferente. El transporte por aire y agua y la sedimentacin en esos dos medios constituyen el mecanismo usual que da lugar a un suelo transportado. Es evidente que la estructuracin y la distribucin interna" de las propiedades tienen que ser completamente diferentes en un suelo residual que en un suelo trans|x>nado. En el primero, el ataque mecnico y la desintegracin qumica tienden a producir un resultado final que en estructura y disposicin recuerda, aunque sea lejanamente, a la roca madre. Los suelos transportados y depositados en aire o agua generan estructuras que estn regidas nicamente por los mecanismos propios de la deposicin y en nada por la disposicin, caractersticas y condiciones iniciales de la roca originaL

Cabe aqu un comentario de carcter general que pocas veces se valora por completo en las aplicaciones de la Mecnica de Suelos. En una medida sin duda mayor que lo deseable, la Mecnica de Suelos actual se refiere sobre todo a los suelos transportados. Empez por el inters que plantearon diversos problemas de ndole general c importante, sobre todo del tipo de cimentaciones en ciudades grandes y con subsuelos particularmente difciles; se desarroll por las ideas que fueron surgiendo de los laboratorios y de las experiencias de campo de quienes afrontaban tales problemas. En general, tales ciudades cataliza* doras del inters por la Mecnica de Suelos existen en valles o planicies de costa, en los que, por razn natural, ios suelos son transportados y no residuales, ms propios de zonas onduladas o montaosas. Como consecuencia, se estudiaron sobre todo suelos tra s portados y se fueron conociendo sus propiedades, que a menudo se confundieron con las propiedades de los suelos en general, aun cuando lgicamente las de los suelos residuales hayan de ser diferente En

el transcurso del tiempo, toda la metodologa de trabajo de la Mecnica de Suelos, incluyendo los mtodos de prueba e investigacin en el laboratorio, que han jugado tan importante papel en el desenvolvimiento de la disciplina, fue mostrando una inclinacin hacia los suelos transportados que fue dejando a los residuales relativamente marginados del fffogre- so de la especialidad. Y si es cierto que los suelos transportados abundan en la naturaleza, sobre todo en zonas apropiadas para la deposicin, geolgicamente hablando, tambin es cierto que los suelos residuales no lo son menos y que en estructuras como las carreteras o k ferrocarriles dclien aparecer con particular frecuencia. En los ltimos aos, esto lo entendieron claramente muclios investigadores, cuyo inters se refleja cada vez ms en las publicaciones de obras especializadas que ya, con relativa frecuencia, tratan de suelos residuales; pero los autores de este libro se preguntan si en el momento presente baila tener inters" por los suelos residuales, inters que se refleje en su estudio con las ideas tericas a que se ha llegado estudiando suelos transportados y con la metodologa de laboratorio que se ha Ies- arrollado para estos suelos. Parece lgico pensar que no sean esenciales las diferencias en comportamiento entre los suelos residuales y transportados, pero tambin parece lgico sentir que tales diferencias justifiquen algunos cambios en las actitudes mentales ante los suelos residuales y en las metodologas experimentales, incluyendo diseo de pruebas y equipos.

El ingeniero que aplica Mecnica de Suelos a Vas Terrestres debe tener presentes las ideas anteriores, por lo menos como un motivo para ejercer crtica sobre las conclusiones a que lo lleve la Mecnica de Suelos actual, especialmente si trata con suelos residuales. Esta labor crtica pennitir. por otra parte, ir descubriendo deficiencias, diferencias y nuevos enfoques. Algunos pases son particularmente prdigos en suelos residuales ligados a problemas constructivos en obras de ingeniera. La Unin Sudafricana. el Brasil y algunas zonas de los Estados Unidos han expresado ya con frecuencia su preocupacin por la escasez de conocimiento enfocado especficamente a suelos residuales. En Mxico tambin abundan. Seguramente su existencia ser ms comn en regiones de clima tropical, en donde la actividad de la erosin y, sobre todo, el poder de las acciones qumicas de aguas caigadas de agentes en solucin, producto de una intensa vida vegetal, hacen que el efecto de descomposicin y ataque "in situ" pueda ir siendo ms rpido que la capacidad de transporte de los agentes naturales.

M RELACIONES CRAVIMETRICAS Y VOLUMETRICAS DE LOS SUELOS

En los suelos se distinguen tres fases constituyentes: la slida (partculas minerales), la lquida (generalmente agua) y la gaseosa (generalmente aire). Entre estas fases es preciso definir un conjunto de

Relaciones gratmtricas y volumtricas 19

relaciones que se refieren a sus pesos y volmenes, las cuales sirven para establecer la necesaria nomenclatura y para contar con conceptos mensurables, a travs de cuya variacin puedan seguirse los procesos ingenenles que afecten a los suelos.

En la Fig. I-I quiete un esquema de una muestra de suelo separada en sus tres fases y en ella se acotan los pesos y volmenes cuyo uso es de inters.

VOLUMENES

3> a s i cascos* *

O

O

V yASC l'CUOA

WmZ '/,..rse soco

PESOS

Wo-C

Figura 1-1, E iq u ra a de una m u ir d e lu c io cu h qu e k acolan los p o o t y volmenes uudoi.

Las relaciones entre los pesos y los volmenes se establecen a travs del concepto de peso volumtrico, definido como la reladn entre ambas cantidades. En la tecnologa de las vias terrestres se usan los siguientes:

Tm =W . V

_ W, + )VW

Vm

llamado el peso volumtrico de la masa;

T,W.V,

(1-1)

(1*2)

llamado el peso volumtrico de los slidos. Tambin se usa, sobre todo en cuestiones de compactacin, el peso volumtrico seco, definido como la relacin entre el peso de los slidos y el volumen total del suelo.

W.VmYa = - ^ 0*3)

Ntese que la expresin (1*3) puede ponerse:

t * -W.vm ivm

T-I + u

T..

Wm

Vm mWw+ W ,

w,

(M )

la expresin (1-4) se usa en compactacin de suelas.

Se emplea asimismo el peso especfico relativo de los slidos del suelo, definido como:

W.

Y. y, Yo(1-5)

Las siguientes son tambin relaciones entre pesos y volmenes que se utilizan mucho en las aplicaciones, por representar conceptos cuya variacin sirve para describir fenmenos importantes y, por lo tanto, figuran muy frecuentemente en las frmulas.

a) la relacin de vacos (e ) es el cociente entre el volumen de vacos y el de slidos.

21vt (1*6)

Tericamente e puede variar de 0 a infinito (vaco perfecto), pero en la prctica sus lmites estn comprendidos entre 0.25 para arenas muy compactas con finos, y 15 pora arcillas altamente estructuradas, muy compresible.

b) Se denomina grado de saturacin a la relacin entre el volumen de agua y el volumen de vacos de un suelo; matemiticamente:

d-7)

El grado de saturacin vara de 0% en suelo seco a 100% en un suelo en el que todos los vacos estuvieran llenos de agua, al que se llama suelo saturado.

c) Se conoce como contenido de agua o humedad de un suelo a la relacin entre el peso del agua contenida en el mismo y el peso de su fase slida:

f (% ) - 100 ( 1*8)

El contenido de agua vara tericamente de 0 a infinito, pero en la prctica es difcil encontrar valores superiores a 1.000%, que se han medido en arcillas procedentes del Sureste de Mxico; la conocida arcilla del Valle de Mxico suele tener contenidos de agua comprendidos entre 400% y 600%.

Los conceptos anteriores sirven para establecer algunas relaciones tiles, que evitan la necesidad de medirlos todos en el laboratorio. Por ejemplo, en un

dei

20 IrcTtcs nociones de mecnica de suelos

M ie lo totalmente saturado basta conocer dos conceptos independenles para, a i funcin de ellos, poder establecer frmulas para otros; en este caso, las frmulas mis usadas son:

tt> S,

S, + c \ + e Yw

S, (1 + w)I + S. w yw

(19)

( l ' O )

1.a deduccin de estas frmulas, as como de las que se mencionan a continuacin, referentes a relaciones volumtricas v gravimtricas, puede verse en la Re. 1.

En el caso de suelos parcialmente saturados (es decir, con |ane de sus vacos ocupada por aire) se precisan tres cantidades independientes para definir a otra dada. Las relaciones ms usuales a que puede llegarse son:

e Gw = xo S,

Y . =1 + wTT7

(M I )

(1-12)

Atencin especial debe darle al clculo de los pesos volumtrico* de los suelos situados bajo el nivel fretico. En tal caso, el empuje hidrosttico ejerce influencia en los pesos, de acuerdo con las leyes de la boyanria (Principio de Arquntedes). El peso especfico relativo de la materia slida sumergida vale:

S*. S, - 1 (1-15)

y el peso volumtrico sumergido de los slidos:

Y*, - T, - 1 (I-H )

Es decir, un metro cbico de suelo slido desaloja un metro cbico de agua: luego sufre un empuje ascendente de 1 ton, que es el peso de dicho metro cbico de agua.

Para el peso volumtrico de la masa del suelo se obtienen las frmulas (Ref. ! )

Y*

Ym

S . - 11 + S,w

5 , - 1

S.

Y (M 5 )

(1-16)

1-4 CARACTERISTICAS Y ESTRUCTURACION DE LAS PARTICULAS MINERALES

La forma de las partculas minerales de un suelo es de importancia primordial en su comportamiento mecnico. En los suelos gruesos la forma caracters

tica es la equidimensional, en la que las tres J.tensiones de la partcula son comparables. Se origina por la accin de los agentes mecnicos desintegradores y slo por excejicin corresponde a partculas que hayan sufrido algn ataque qumico; puesto que los agentes mecnicos en general no actan con preferencia por ninguna direccin en especial, es natural que su producto final tienda a la forma esfrica. Sin embargo, existen a veces efectos que representan alguna accin que se ejerce preferentemente en una direccin determinada; ejemplo de lo anterior son las formas redondeadas caractersticas de gravas y arenas que han sufrido el ataque de ros o del mar.

En los granos gruesos de los suelos, las fuerzas de gravitacin predominan notablemente sobre cualesquiera otras que pudieran ejercerse entre las partculas; por ello todas las partculas gruesas tienen un comportamiento similar.

En los suelos finos, producto en general del ataque qumico de las aguas a las rocas o a otros suelos, la forma de los com|x)ncntcs tiende a ser aplastada, por lo que los minerales de arcilla adoptan en general la forma laminar, en que dos dimensiones son incomparablemente ms grandes que la tercera; como excepcin, algunos minerales de arcilla poseen forma acicular, en la que una dimensin es mucho ms grande que las otras dos.

Como consecuencia de la forma de sus minerales y le su tamao, generalmente muy pequeAo. en los suelos muy finos ejercen accin importantsima fuer- ras de tipo diferente a las gravitacionales; ello es debido a que en estos granos la relacin entre el rea de su superficie y su peso (superficie especfica) alcanza valores de consideracin, cobrando mucha significacin las fuer/as electromagnticas desarrolladas en la suiiericie de los compuestos minerales. I a estructura interna de las arcillas puede concebirse en forma elemental segn las ideas que se exponen a continuacin. En las referencias S y 4 podrn encontrarse algunos estudios que permitirn al lector ahondar un poco ms en la cuestin fundamental de la fsico-qumica de tas arcillas, tema al que se concede cada da mayor importancia en la Mecnica de Suelos y que resulta de fundamental utilidad para explicar el comportamiento macroscpico de las formaciones frreas que el ingeniero encuentra en su actividad diaria.

I-a superficie de cada partcula de suelo posee carga elctrica negativa, por lo menos en sus partes planas (por el contrario, parece liaber evidencia de concentraciones de carga positiva en las aristas). La intensidad de la carga depende de la estructuracin y composicin de la arcilla. As, la pancula atrae a los iones positivos del agua que la rodea (H + ) y a cationes de diferentes elementos qumicos existentes en la misma, tales como Na+, K+, Ca++, Mg++, A1+++, Fe+++, etc. Lo anterior conduce, en primer lugar, al hecho de que cada partcula individual de arcilla se ve rodeada de una capa de panculas

echos de

Caractersticas y estructuracin de partculas minerales 21

de agua orientadas en forma definida y ligadas a su estructura (agua adsorbida): cuando la partcula atrae cationes de otros elementos qumicos, stos atraen a su vez a otras molculas de agua orienta* das. por lo pie el espesor de la pelcula de agua adsorbida por el cristal de arcilla es funcin no slo de la naturaleza del mismo, sino tambin del tipo de los cationes atrafdo*.

Dada la superficie especifica a veces enorme de los cristales de arcilla, las fuerzas elctricas de su* perficie juegan un papel mucho ms importante que la accin gravitacional.

Lo anterior se refleja, en primer lugar, en las formas estructurales que los suelos finos pueden adoptar cuando se depositan en un medio apropiado. Las estructuras sumamente abiertas, con gran predominio de vacos de que despus se hablar, slo son concebibles si se toman en cuenta las ideas anteriores. Adems, entre los cristales propiamente dichos del suelo fino, las capas de adsorcin proporcionan un contacto su i genera que ayuda a entender y explicar propiedades macrofsicas familiares al ingeniero, tales como plasticidad o resistencia al esfuerzo cortante.

Las propiedades mecnicas de una arcilla podrn cambiar, por lo tanto, si se hacen variar los cationes contenidos en sus compiejos de adsorcin, de manera que variando stos puedan tenerse propiedades mecnicas diferentes en la arcilla original. Por cierto, estas ideas abren posibilidades (jara el tratamiento fsico-qumico de muchos suelos a la escala in- genieril: desgraciadamente estos mtodos no han sido suficientemente desarrollados en la prctica. En general, los cationes pueden disponerse segn su efecto benfico decreciente en la resistencia de las arcillas, de acuerdo con la lista: (N H ropuesto el concepto de compacidad relativa para medir tal condicin. La compacidad relativa es determinablc en laboratorio (referencia 5)

En donde:

*= relacin de vacos correspondientes al estado ms suelto, obtenida vertiendo al material dentro de un recipiente, sin ninguna compactacin posterior.

e = relacin de vados correspondiente al estado ms compacto del suelo, obtenida al someter la

22 Breves nociones de mecnica de suelos

muestra del suelo grueso a un proceso de varillado por capas dentro de un recipiente.

f , = relacin de vados del sudo en estado na* turaL

C, se expresa usualmente como porcentaje. Valores superiores al 50% suelen considerarse de un suelo compacto y este valor se mendona frecuentemente como lmite de seguridad razonable en problemas prcticos, tales como dmentadones en suelo* gruesos, posibilidades de licuadn de mantos de arena y limos no plsticos, etc.

Aparte de la compacidad, se acepta que influye en el comportamiento mecnico de un suelo grueso la angulosidad de sus granos (a misma compad- dad, la mayor angulosidad da ms trabazn y, por lo tanto, mayor resistenda al esfuerzo cortante) y la orientadn de sus partculas, lo que se admite que influye sobre todo en la permeabilidad.

Existen varias hiptesis sobre cstructuradn de los suelos finos. Terzaghi present originalmente las conoddas con los nombro de panaloide y floculenta (referenria 6) que se muestran en las figuras 1*2 y 1-3.

La estructura panaloide se considera tpica de granos de 0.02 mm o algo menores que se depositan en agua o aire: las fuerzas gravitadonales ejercen un derto efecto, pero las fuerzas elctricas son de magnitud comparable.

La estructura floculenta se consider tpica de partculas de tamao mucho menor, que por s solas ya no se sedimentaran por d efecto de impacto causado por las vibradones moleculares dd medio en que ocurra la sedimentadn; estas partculas por s tolas se moveran al azar con un movimiento caracterstico llamado Brovmiano. Se supona que estas partculas podan unirse formando un grumo, con la estructura de un panalito, el cual adquirira peso tufidente para depositarse, obteniendo as una estructura de panales formados con panales. Como quiera que la caparidad de unin de las partculas individuales para formar los grumos ms pesados, se

Figura U . Estructura panaloide.

Figura 1-3. Eiqucma de ftiruciura floculrnta.

incrementa mucho si existe un electrlito en el medio de depsito, se supona que esta estructura sera muy tpica de suelos muy finos depositados en el mar o en lagos de agua cargada de sales susceptibles de sufrir disodacin electroltica.

En la referencia 7, A. Casagrande present otra hiptesis de estructuracin de suelos predominantemente finos, que aparece en la figura 1-4.

En esta hiptesis de Casagrande se considera la posibilidad de que no todas las partculas del suelo tengan el mismo tamao, pero la idea ms interesante de ella es la introduc An del concepto de esqueleto estructural, constituido por las partculas ms gruesas (de limo en la figura) y por los panales y flculos que existen entre ellas. La idea es que bajo el peso del suelo sobreyadente o de alguna carga actuante en la superficie se establece en el interior del suelo un mecanismo de transmisin, que funciona como un esqueleto del conjunto, dejando en los espados entre las partculas gruesas y sus nexos gran cantidad de material fino poco o nada comprimido. Los nexos entre las partculas gruesas que forman parte dd esqueleto habrn sufrido, por el contrario, un lento proceso de compresin y adaptacin a la carga, que es lo que da al conjunto su resistenaa. Si se acepta esta idea, es muy fdl comprender la diferencia de resistenaa que existe entre una ardlla inalterada y una remoldeada, en que. por alguna razn, se ha roto el esqueleto y se transmite la carga a las masas de flculos no precomprimidos.

En pocas ms modernas se han introduddo como fundamentales los conceptos de floculadn y dispersin (referencia 8).

Si el efecto neto de las fuerzas atraaivas y repulsivas entre dos cristales de ardlla es de atraedn, las dos partculas se unirn (posiblemente arista contra cara plana); se dice entonces que estn floculadas. Si la acdn neta es repulsiva, se separarn, dando lugar a una estructura dispersa. La alteradn de la capa adsorbida de los cristales puede produdr ten- denca a la floculadn o a la dispersin en un sis-

Caractersticas y estructuracin de partculas minerales 25

( o ) ( b )

En formoclon Yo form ada

Figura 1-4. Una estructura compuesta (egn A. C i agrande).

lema de cristales de ardlla; la tendencia a la flocu lacin aumenta principalmente cuando hay un electrlito en el agua que rodea a los cristales de ardlla o cuando se eleva la temperatura. Las figuras 1*5 y 1-6 muestran disposidones tpicas de estructuras floculadas y dispenas, respectivamente.

Debe notarse que d conjunto de estructuras para los suelos finos someramente descrito en lo que ante

cede no constituye una serie de posibilidades reales en la naturaleza, sino simplemente algunas hiptesis de estructuracin de que hoy se habla. Muchos investigadores aceptan alguna de las explicadones anteriores, pero no otras, de manera que no existe pleno acuerdo al respecta

Tambin debe advertirse la posibilidad de que se conjuguen las formas anteriores, dando lugar a un variado nmero de combinaaones.

Figura 1-5. Estructura en "castillo de naipe*. Figura 1 4 Estructura d ispera .

2-1 Breves nociones de mecnica de suelos

I-S GRANULOMETRIA DE LOS SUELOS

Se denomina distribucin granulomtrica de un sucio a la divisin del mismo en diferentes fracciones. seleccionadas por el tamao de sus partculas componentes; las partculas de cada fraccin se caracterizan porque su tamao se encuentra comprendido entre un valor miximo y un valor mnimo, en forma correlativa para las distintas fracciones, de tal modo que el mximo de una fraccin es el mnimo de la que la sigue correlativamente. La separacin en fracciones se hace sencillamente por mallas, cuan* do es posible el cribado; pero en suelos de grano muy j>cqueo, que forman grumos, deben adaptarse procedimientos bastante ms complicados para separar las partculas individuales y ello da lugar a resulta* dos mucho mis confusos, en los que, como se ver, para lograr las fracciones constituyentes ha de recurriese a hiptesis no muy satisfactorias, llegndose a resultados finales basunte dudosos.

En suelos gruesos (gravas, arenas y limos no plsticos), de estructura simple, la caracerstica ms importante para definir su resistencia es la compacidad; la angulosidad de los granos y la orientacin de las partculas juegan tambin un papel importante, aunque menor. Evidentemente, cualquier anlisis por mallas no da ninguna informacin sobre estos aspectos. l a compresibilidad de estos suelos, por otra parte, aunque tambin depende fundamentalmente de su estructuracin y compacidad, se ve influida en bastante mayor grado por la granulme- tra, segn ha puesto de manifiesto la investigacin moderna, como se ver ms adelante. Han resultado decepcionantes los esfuerzos realizados hasta el presente para establecer alguna correlacin entre la curva granulen!trica y la permeabilidad de los suelos (referencia 2 ).

Se ha dicho que los suelos gruesos con amplia gama de tamaos (bien graduados) se compactan mejor, para una misma energa de compactadn, que los suelos muy uniformes (mal graduados). Esto sin duda es cierto, pues, sobre todo con vibrado, las partculas ms chicas pueden acomodarse en los huecos entre las partculas ms grandes, adquiriendo el conjunto una mayor compacidad. Sin embargo, la relacin entre granulomctra y fadlidad de compactadn no ha podido pasar de una correladn cualitativa tan vaga como la que queda enunciada, por lo cual en estudios para compactadn de suelos pocoo ningn provecho puede obtenerse de la curva gra- nulomtrica de los suelos gruesos. Mucho ms difciles de establecer son las propiedades mecnicas de inters ingenieril de los suelos finos tradidonalmen* te llamados cohesivos (ardllas y limos plsticos). Dependen de un nmero mucho mayor de conceptos que las de los suelos gruesos y, so pena de caer en confusin, tal estudio no puede ser abordado en esta etapa de la presentacin de conceptos de la mecnica de suelos. Baste dedr (y el lector tendr ocasin de comprobarlo ms adelante) que ninguna de las circunstancias que definen las propiedades me

cnicas de un suelo fino est descrita por la distribucin granulomtrica de dicho suelo. En mucho mayor medida de lo que sucede en suelos gruesos, el conocimiento de la distribucin granulomtrica resulta estril en el caso de los suelos finos.

Demostrndose una vez ms la fuerza de la tra- licin y la costumbre, todava es comn en la actualidad que muchas especificadones referentes al usoo rechazo de tos materiales para la construccin de Vas Terrestres contengan preceptos granulomtricos en mayor o menor grado. Esta situacin ha de verse como indeseable pues, debe insistirse, no es casi nunca el tamao de las panculas de un suelo fino el que define su comportamiento mecnico, y una norma de aceptadn o rechazo basada en Cal criterio corre el riesgo de aceptar lo malo y rechazar lo que sera mejor. Por ejemplo, una ardlla caolinftica, relativamente inerte ante el agua y que para muchos usos resultarla perfectamente aprovechable, puede tener una distribucin granulomtrica anloga a una ardlla montmoriloniica, quiz con materia orgnica, sumamente activa, que constituye en casi todos los casos un suelo que debe rechazarse para su uso en la construccin de vias terrestres.

Una de las razones que han contribuido a la difusin de las tcnicas granulomtricas es que, en der- to sentido, la distribucin granulomtrica proporciona un criterio de clasificacin. Los conoddos trminos ardlla, limo, arena y grava tienen tal origen y un suelo se clarificaba como arcilla o como arena segn tuviera tal o cual tamao mximo. La necesidad de un sistema de Clasificadn de Suelos no es discutible, pero el ingeniero ha de buscar uno en que el criterio de clasificacin le sea til, es dedr, en el que se clasifique a los suelos de acuerdo con sus propiedades ingenenles fundamentales y no segn el tamao de sus panculas, que poco significa.

De todos modos, como en mudias cuestiones de aplicarifa de sus tcnicas, el ingeniero actual en vas terrestres hace un uso todava relativamente frecuente de las curvas granulomtricas, se exponen a continuacin algunos detalles sobre tales mtodos.

Siempre que se cuente con suficiente nmero de puntos, la representadn grfica de la distribudn granulomtrica debe estimarse preferible a la numrica en tablas.

La grfica de la distribudn granulomtrica suele dibujarse con porcentajes como ordenadas y tamaos de las partculas como absdsas. Las ordenadas se refieren a porcentaje, en peso, de las partculas menores que el tamao correspondiente. La representadn en escala semilogartmica (eje de absdsas en escala logartmica) resulta preferible a la simple representadn natural, pues en la primera se dispone de mayor amplitud en los tamaos finos y muy finos, que en escala natural resultan muy comprimidos, usando un mdulo prctico de escala. La forma de la curva da idea inmediata de la distribudn granulomtrica del suelo; un suelo constituido por partculas de un solo tamao estar representado por una lnea vertical (pues el 100% de

Granulometria de los suelos 25

Tom oo i r mm. ( E tc . lo ga rtm ico )

Figura 1-7. Curva* granulomtrou 1c alguno lucio. ) Arma muy uniforme de Ciudad Cuauhtcmoc. Mxico.B) Sucio bien graduado. Puebla. Mxico. C) Arcilla del Valle de Mxico (curva obtenida con hidrmetro). ) Arcilla del Valle de Mxico (curva obunida con hidrmetro).

mu partculas, en peso, es de menor tamao que cualquiera mayor que el suelo posea): una curva muy tendida indica gran variedad en tamaos (suelo bien graduado).

En la Fig. 1-7 se muestran algunas curvas granu- lomtricas reales.

Como una medida simple de la uniformidad de un suelo. Alien Harn propuso el coeficiente de uniformidad

C.-2S

26 Breves nociones de mecnica de suelos

Dm sc define anlogamente que los D } y DM anteriores. Esta relacin tiene un valor entre I y 3. en suelos bien graduados, con amplio margen de tamaos de partculas y cantidades apreciables de cada tamao intermedio.

A partir de las curvas granulomtricas aumentativas descritas, es posible encontrar la curva corres* pondiente a la fundn

d

7 d ito g D )

p es el porcentaje, en |>eso,- de las partculas menores que un cierto tamao, y D el tamao correspondiente; la curva anterior, que sc dibuja en escala sera i logartmica, suele denominarse el histogra- ma del suelo y representa la frecuencia con que en ese suelo sc presentan partculas entre cienos tama* os. El rea bajo el histograma es 100, por representar la totalidad de las partculas del suelo. En la Fig. 1-8 aparece un histograma de un suelo en el que predominan partculas de tamao prximo a1 mm.

I xk valores ms altos del histograma corresponden a zonas muy verticales de la curva acumulativa primeramente vista, y los valores ms bajos a zonas con tendencia a la horizontalidad. Actualmente el uso de histogramas no est muy extendido en los laboratorios.

Tambin sc han representado las curvas granulomtricas en escala doblemente logartmica, con la ventaja, para algunos usos, de que en este caso, en muchos suelos naturales la forma de las curvas se acerca notablemente a una lnea recta.

Bajo el titulo de Anlisis Mecnico quedan comprendidos todos los mtodos para la separadn de un suelo en diferentes fraedones. segn sus tamaos. De tales mtodos existen dos que merecen acendn especial: el cribado por mallas y el anlisis de una suspensin del suelo con hidrmetro (densmetro).

El primero ic usa para obtener las fracciones correspondientes a los tamaos mayores del suelo; generalmente se llega as hasta el tamao correspondiente a la malla N* 200 (0.074 mm). La muestra de suelo se hace pasar sucesivamente a travs de un juego de tamices de aberturas descendentes, hasta la malla N* 200; los retenidos en cada malla se pesan y el porcentaje que representan respecto al peso de la muestra total se suma a los porcentajes retenidos en todas las mallas de mayor tamao; el complemento a 100% de esa cantidad da d porcentaje de suelo que es menor que el tamao representado por la malla en cuestin. As puede tenerse un punto de la curva acumulativa correspondiente a cada abertura. El mtodo se dificulta cuando estas aberturas on pequeas y, por ejemplo, el cribado a travs de las mallas N? 100 (0,149 mm) y N? 200 (0.07 mm) suele requerir agua para facilitar el |>ato de la muestra (procedimiento de lavado).

Los tamaos menores del suelo exigen una inves- tigadn fundada en otros principios. El mtodo del hidrmetro (densmetro) es hoy, quiz, el de uso ms extendido y el nico que sc ver con cierto grado de detalle. Como tocios los de este grupo, el mtodo sc l>asa en el hecho de que la velocidad de sedimentacin de partculas en un lquido es funcin de su tamao. El mtodo fue propuesto independientemente por Coklschmidt en Notuega (1926) y por Bouyoucos en los Estados Unidos de Amrica (1927).

Debido a lo importante de los errores que afectaban a las pruebas originales, d mtodo no satisfizo a muchos espedalistas, por lo que, en pocas posteriores. el Public Road Adminislraion de los Estados Unidos encomend al doctor A. Casagrande la in- vestigadn de tales errores, para su eliminacin y necesaria correccin. Como resultado de sus estudios, Casagrande propuso el hidrmetro aerodinmico, calibrado en pesos espcdfcos relativos (en lugar de su primitiva calibracin en gramos de un suelo estandarizado, por litro), y algunos cambios radicales en el procedimiento de la prueba, con el objeto de eliminar los errores principales; obtuvo tambin frmulas para las correcciones necesarias en ciertos pasos, cuyos errores no pudieron eliminarse al cambiar el procedimiento.

La ley fundamental de que se hace uso en el procedimiento del hidrmetro es debida a Stokes, y proporciona una rdacin entre la veloddad de sedimen- tarin de las partculas del sudo en un fluido y el tamao de esas partculas. Esta relarin puede establecerse empricamente, hadendo observadones con microscopio, o bien con procedimientos tericos. Siguiendo estos ltimos. G. G. Stokes en 1850 obtuvo una reladn aplicable a una esfera que caiga en un fluido homogneo de extensin infinita. Aun con esa limitacin importante (pues las partculas reales de suelo se apartan muchsimo de la forma esfrica) la ley de Stokes es preferible a las observaciones empricas. Aplicando esa ley sc obtiene el dimetro equivalente de la partcula, que es el dimetro de una esfera, del mismo Ss que el suelo, que sedimenta con la misma veloddad que la partcula real; en partculas equidimensionales, este dimetro es aproximadamente igual al medio dimetro real, pero en partculas laminares el dimetro rea] puede ser basta el cudruple del equivalente; caite notar que en partculas muy finas esta forma es la ms frecuente. Esta es una razn ms para que dos curvas ganulo-

tricas iguales, correspondientes a dos suelos diferentes, no indiquen necesariamente la similitud de ambos. Uno podra ser una ardlla muy franca con estructura flocu lenta y el otro una harina de roca, de comportamiento similar al de una arena.

La ley de Stokes tiene la forma

! S Z 2 t ( Y (i-20)9 -n ' 2 /

Plasticidad 27

en la quev = velocidad de sedimentacin de la esfera, en

cm/seg:Y, peso especfico de la esfera, en g/cm*;Y/ *= peso especifico del Huido, en g/cm* (varia

con la temperatura);i) = viscosidad le fluido, en g scg/cm3 (vara

con la temperatura);D =* dimetro de la esfera, en au.

De la frmula anterior, si D se expresa en mm resulta

Aplicada a partculas de suelo real, que se sedimenten en agua, la ley de Stokes es vlida solamente en tamaAos menores de 0.2 mm. aproximadamente (en mayores tamaftos, las turbulencias provocadas por el movimiento de la partcula alteran aprecia- blemente la ley de sedimentacin), pero mayores que 0.2 mieras, ms o menos (abajo de este lmite la partcula se afecta por el movimiento Browniano y no se sedimenta). Ntese que por el anlisis de tamices puede llegarse a tamaftos de 0.074 mm, que caen dentro del campo de aplicabilidad de la ley de Stokes; este hecho afortunado permite obtener datos ininterrumpidamente.

1 mtodo del hidrmetro est, en su origen, afectado por las siguientes hiptesis.

a) 1.a ley de Stokes es aplicable a una suspensin del suelo.

b) A l comienzo de la prueba la suspensin es uniforme y de concentracin suficientemente baja para que las partculas no se interfieran al sedimentarse. (En general es apropiada una concentracin de unos 50 g/litro.)

c ) 1 rea de la seccin recta del bulbo del hidrmetro es despreciable en comparacin a la de la probeta donde la sedimentacin tiene lugar, de manera que didto bulbo no interfiere en la sedimentacin de las partculas en el instante de efectuarse una medicin.

1-6. PLASTICIDAD

La plasticidad y el uso extenso que de ella haceel especialista en Mcnica de Suelos, constituyen una de las cuestiones ms difciles de comprender para el ingeniero ajeno a la especialidad. Y, sin embargo, el concepto que se halla debajo de la utilizacin de las ideas de plasticidad es ampliamente familiar en nuestra vida cotidiana. Es comn que en la naturaleza existan magnitudes imposibles de medir en s mismas o magnitudes cuya medicin directa sea difcil o costosa; en tal caso, el intentar una medicin indirecta constituye una tcnica comn a muchos campos de la actividad cientfica. Se trata de buscar una magnitud, diferente de la que se de

sea medir, que sea fcilmente mesurable y cuya correlacin con la magnitud problema sea conocida y confiable; as, midiendo los cambios en la magnitud auxiliar y usando la correlacin, podrn conocerse los cambios en la magnitud problema durante el desarrollo de cualquier fenmeno que sea conveniente estudiar. Por ejemplo, la temperatura es muy difcil de medir directamente, pero se mide muy fcilmente en un termmetro clnico, midiendo en realidad una longitud (la de la columna de mercurio); el hecho es posible porque existe una correlacin conocida entre el aumento de longitud (dilatacin lineal) del mercurio y el aumento de su temperatura. Se recurre as a una medicin indirecta fcil y barata de un concepto difcilmente mesurable en si mismo.

Ijo mismo sucede con la plasticidad en Mecnica de Suelos. El ingeniero est realmente interesado en las propiedades fundamentales de los suelos, tales como resistencia, compresibilidad, permeabilidad, etctera. Hoy estas propiedades pueden medirse, dentro de una aproximacin que pudiera considerarse razonable, segn atestiguan muchas obras de ingeniera, pero tal medicin resulta en la prctica larga y costosa para algunos fines. Por otra parte, los trabajos de Attcrberg y A. Casagrande (Ref. 9) han permitido manejar una nueva magnitud en los suelos finos, muy sencillamente mesurable en los laboratorios ms elementales y trabajando con las muestras de suelo tambin ms simples y baratas que se pueda imaginar. Esta magnitud es la Plasticidad; su utilidad radica en que ha sido posible establecer correlaciones entre sus valores y las propiedades fundamentales del suelo; estas corrciadoncs son suficientemente confiables, por lo menos, para trabajar en las etapas iniciales de un proyecto, cuando la identificacin de los suelos y su clasificacin son importantes. Al mismo tiempo, las correlaciones son demasiado poco precisas como para permitir fundar en ellas un trabajo cuantitativo de detalle, que corresponda a etapas avanzadas tic un proyecto; es decir, generalmente el uso de las pruebas de plasticidad y el manejo de los valores correspondientes en los suelos que figuran en un proyecto dado no exime al ingeniero de la necesidad de realizar a fin de cuentas las indispensables pruebas de compresibilidad, resistencia al esfuerzo cortante, etc, pero le permite identificar y clasificar a los suelos ya en sus primeros contactos con ellos, dejando de trabajar a ciegas y recibiendo valiossima orientacin p n programas de exploracin y mustreos deGnitivos, de pruebas de laboratorio ms elaboradas y costosas, etc En suma, la plasticidad proporciona una orientacin previa de informacin preliminar que ahorra tiempo y esfuerzo en todas las etapas subsecuentes del proyecto, y con frecuencia evita que se cometan graves errores.

Dentro de los lmites del sentido que se da al trmino en la Mecnica de Suelos, Plasticidad puede definirse como la propiedad de un material por la que es capaz de soportar deformaciones rpidas, sin rebote elstico, sin variacin volumtrica apreriable y sin desmoronarse ni agrietarse. La anterior defin-

28 Brevet nociones de mecnica de suelos

Capa de Cangraade

cin. segn se ver ms adelante, circunscribe la propiedad a los suelos arcillosos bajo determinadas circunstancias.

Atterberg hizo ver que, en primer lugar, la plasticidad no es una propiedad general de todos los suelos; los suelos gruesos no la exhiben en ninguna circunstancia. En segundo lugar, hizo ver que en los suelos finos no es una propiedad permanente, sino circunstancial y dependiente de su contenido de agua. Una ardlla o un limo susceptibles de ser plsticos pueden tener la consistencia de un ladrillo, cuando estn muy secos; con un gran contenido de agua, pueden presentar las propiedades de un lodo semili- quido o, inclusive, las de una suspensin liquida. Entre ambos extremos existe un intervalo de contc* nido de agua en el que esos suelos se comportan plsticamente.

Segn su contenido de agua decreciente, un suelo susceptible de ser plstico puede estar en cualquiera de los siguientes estados de consistencia, definidos por Atterberg:

1. Estado liquido, con las propiedades y apariencia de una suspensin.

2. Estado semiliquido, con las propiedades de un (luido viscoso.

3. Estado plstico, en que el suelo se comporta plsticamente, segn la definicin anterior.

4. Estado semislido, en que el suelo tiene la apariencia de un slido, pero an disminuye de volumen si se sigue secando.

5. Estado slido, en que el volumen del suelo ya no vara con secado.

Los anteriores estados son fases generales por las que pasa el suelo al irse secando, y no existen criterios estriaos para definir sus fronteras. El establecimiento de stas ha de hacerse en forma puramente convencional. Atterberg lo hizo originalmente estableciendo las primeras convenciones; Casagrande las refin posteriormente y les dio su forma actual (Rcf. 10). La frontera entre el estado semiliquido y el plstico se denomina Lmite Lquido, que se define en trminos de una cierta tcnica de laboratorio, consistente en colocar al suelo en una Copa de Casa- grande. formarle una ranura de dimensiones especificadas y ver si la ranura se cierra o no de determinada manera al darle al suelo 25 golpes en la Copa, tambin de un modo estandarizado. El contenido de agua con el que se produce el cierre de la ranura precisamente en 25 golpes es el Lmite Lquido; un contenido de agua mayor hara que la ranura se cerrara con menos golpes y el suelo se considerara en estado semiliquido; por el contrario, un contenido de agua menor hara que la ranura se cerrara con ms golpes y el suelo se considerara, por lo menos, en estado plstico. En la mencionada referencia 10 se puede ver el detalle de esta prueba y de las dems que se mencionan en este apartado.

La frontera entre el estado plstico y el semislido se denomina lmite plstico. Este es tambin un determinado contenido de agua, propio de cada suelo, y referido a una prueba en que se hace rolar entre las palmas de las manos un alindrito de suelo hasta que se agrieta y desmorona; el suelo est en el limite plstico si el desmoronamiento ocurre precisa mente cuando el alindrito tiene 5 mm. de dimetro (Ref. 10). Actualmente se utiliza mucho como parmetro de plastiridad el llamado ndice plstico.

I f L L L P (1-22)

El valor antetior mide de un mudo muy claro el intervalo plstico; naturalmente que para situar a ste dentro de la escala general de humedades hace falta otro valor, sea el lmite lquido o el lmite plstico. Por eso suele decirse que para definir la plasticidad de un suelo hacen falta dos parmetros.

El tercer lmite o frontera entre estados de consistencia de inters prctico es el lmite de contrac* cin, contenido de agua abajo del cual el volumen de suelo ya no disminuye cuando ste se seca. El limite se manifiesta visualmente (y este hecho sirve para una determinacin aproximada) por un caracterstico cambio de color de tono obscuro a ms claro, producido por una retraccin de los meniscos del agua hada el interior de la masa. En realidad, de todos los lmites en uso este es el nico que est ligado a un hecho fsico significativo y no es puramente convencional. El Lmite de Contracrin representa dentro del secado gradual el momento en que la tensin capilar alcanza el valor mximo (los meniscos alcanzan su mxima curvatura en los extremos de los canalculos del suelo), de manera que cualquier evaporacin posterior produce la retraccin delFigura 1-9. Dimensin de U ranura en la copa de Casagrande.

E l mecanismo de la contraccin de los suelos finos por secado 29

agua hacia el menor del suelo, pero ya a tensin capilar constante (es decir, con curvatura constante en los meniscos). Segn se explicar mis adelante, el que esto ocurra pricticamente en forma instantnea en toda la superficie de la muestra indica que, estadsticamente hablando, todos los canalculos de la masa de suelo son similares en dimetro.

Es natural que las atmsferas de adsorcin de agua en tomo a los cristales de mineral no sc com- (M ir len como un Uquido libre, sometido slo a fuerzas gravitarionales. Por ejemplo, al comparar dos suelos, I y 2 (referencia I I ) , si el 1 tiene mayor tendencia a crear atmsferas de adsorcin, debe esperarse que la humedad a la cual los dos suelos comienzan a comportarse como un Kquido sea mayor en | que en 2. Lo que es lo mismo, el suelo 1 tendr un Ifmite Uquido mayor que el 2, si sus cristales tienen mayores atmsferas de adsordn. Es lgico pensar que un razonamiento anlogo pueda establecerse para el Lmite Plstico y, por ello, para el Indice Plstico. Por otra parte, los limites se han fijado de un modo totalmente arbitrario, por lo que es difcil imaginar que la magnitud de uno de ellos, tomado aisladamente, pueda relarionarse de un modo cuantitativo con los espesores de agua adsorbida.

A causa del gran incremento de superficie especfica que est ligado en general al tamafto decreciente de las partculas de un suelo, es de esperar que la intensidad del fenmeno de adsordn est muy influida por la cantidad de ardlla que contenga el suelo. Skempton (referenria 12) ha definido una cantidad denominada Actividad de una ardlla.

-

50 Breves nociones de mecnica de suelos

Muestra rir torio (n o v a d o por m p ooclA n

gagua (0.074 ----- a 20C, pues tambin es fundn

cmde la temperatura), a es el ngulo de contacto entre el agua y la pared del canalculo (Ref. 13). y r es el radio de dicho conducto. En Mecnica de Suelos es razonable pensar que usualmente a 0 , o sea que el menisco esfrico que forma el agua es tangente a las paredes (menisco semiesfrco); en tal caso, la expresin (1-24) puede escribirse simplemente

0.3 K , - (1-25)

Figura 1-11. Relacin entre el radio del meniwo y el radio del conducto capilar.

Figura 1-12. Eaquema que Uuura la generacin de presiones capilares en un tubo capilar.

donde i ) es el dimetro tlel canalculo en cm y h est en la misma dimensin. Se estima evidente la obtencin de la expresin (1*25) a partir de la (1-24), considerando a = 0.

En la Fig. 110 se muestra la distribudn de esfuerzos en un canalfculo de suelo, el cual se ha idealizado bajo la forma de un verdadero tubo capilar, tal como es comn hacerlo en los anlisis tericos de estos temas.

Bajo el nivel libre, la distribudn sigue la cono- rida ley lineal, supuesto que el agua se encuentra en condicin hidrosttica. Arriba del nivel libre, el estado de esfuerzos est representado por la prolonga- dn del diagrama hidrostitico, de manera que en toda la columna de ascensin capilar se tendrn esfuerzos de tensin, considerando la presin atmosfrica como origen tle esfuerzos.

En cualquier punto de la columna, el esfuerzo de tensin puede obtenerse multiplicando la distanda vertical del punto a la superficie libre por el peso especifico del agua.

27 , eos a u - h fw = --------- ( 1-26)

de donde

En la expresin anterior u es el esfuerzo de ten- g

sin en el agua en - y A el radio del menisco que cm*

forma el agua en el canalfculo. Ntese que el radio del menisco y el radio del conducto capilar estn reladonados segn se muestra en la Fig. 1-11, con cuya ayuda se podr comprender de inmediato el origen de la expresin (1-27).

La expresin (1-27) establece el hecho importante de que el esfuerzo de tensin a que est sometida el agua dentro del suelo, cuando trabaja a tal tipo de esfuerzo, es inversamente propordonal al radio del menisco que se desarrolla en los canalculos del propio sudo. Naturalmente ste depende, en primer lugar, del dimetro del propio canalfculo; es evidente que el radio mnimo de menisco (al que corresponder la tensin mxima) vale precisamente la mitad dd dimetro del conducto capilar que quede entre las partculas minerales, lo que corresponde a un menisco semiesfrco (menisco totalmente desarrollado). Ntese que de acuerdo con lo anterior el

Permeabilidad SI

agua podr altan/ar fuer/o% de tensin muy importantes dentro del sucio, cuando las partculas minerales estn muy prximas, lo que sucede sobre todo en los sucios muy finos, de acuerdo con la regla de que los huecos entre las partculas gruesas son gran* des, en tanto que entre las partculas muy finas (arcillas) son pequesimos.

De lo anterior resulta evidente que sc puede obtener un menisco totalmente desarrollado siempre que el conducto capilar sea lo suficientemente largo como para permitir que la columna de agua se eleve hasta la altura mxima de ascensin capilar. Si el tubo es ms corto, la ascensin capilar queda restringida y se formar un menisco de un radio tal que sc restablezca el equilibrio hidrulico, con un esfuerzo de tensin en el agua menor que el mximo posible, correspondiente a una columna de agua tambin menor que la mxima posible.

Si el conducto capilar sc encuentra en posicin horizontal, como es el caso del que aparece en la Fig. M2. sc formarn gradualmente en sus extremos los meniscos, debido a la evaporacin del agua. En cada extremo la curvatura del menisco aumentar hasta la mxima, que corresponde a la forma semies frica, como ya se dijo; al mismo tiempo, el esfuerzo de tensin en el agua aumentar hasta su valor mximo correspondiente al dimetro del conducto capilar de que se trate. Si contina la evaporacin del agita, los meniscos se retraern hacia el interior del conducto, conservando su curvatura y mantenindose, por lo tanto, invariable la tensin a i el agua. Se ve, pues, que en un conducto capilar horizontal el esfuerzo de tensin en el agua es el mismo en toda la longitud, a diferencia del tubo vertical, en donde, como se indic, los esfuerzos siguen una ley de sariacin triangular.

En el caso del conducto de la Fig. 1-12, al formarse los meniscos aparecern en toda su periferia fuerzas de tensin (Fr), causadas por las atracciones entre las molculas del agua y las paredes. A estas fuerzas de tensin en el agua correspondern, por reaccin, las fuerzas de compresin (Ft) que se muestran; por efecto de estas fuerzas, el conducto capilar tender a cerrarse y a acortar su longitud. En toda la masa de agua entre los meniscos existen tensiones; por lo unto, existirn sobre las paredes del conducto, como reaccin, esfuerzos de compresin que tienden a cerrarlo. Como resultado del efecto anterior, una masa compresible, atravesada por tubos capilares sometidos a evaporacin, se contraer volumtricamente.

Con las consideraciones expuestas en los prrafos anteriores, siempre complementadas por la Rcf. 1S, es po&ible comprender el mecanismo de contraccin de los suelos finos, asi como las razones para el misma

Un sucio saturado exhibe primeramente una superficie brillante, debido a la presencia del agua que llena sus poros por completo. A medida que comienza la evaporacin, en los extremos de los canalculos sc irn formando meniscos cncavos; al continuar el

proceso de evaporacin, ir disminuyendo el radio de curvatura de los meniscos y aumentando, por lo tanto, el esfuerzo de tensin en el agua (expresin 1-27) y, correspondientemente, los esfuerzos capilares de compresin actuantes sobre la estructura slida del sudo que, por este efecto, sc comprime. U evaporacin seguir disminuyendo el radio de curvatura de los meniscos y comprimiendo la estructura del suelo, hasta un punto en que la tensin capilar sea incapaz de producir mayor deformacin; en tal momento comenzar la retraccin de los meniscos hacia d interior de la mas*j de suelo. Macrof'siramente ese momento est sealado jx>r el cambio de tono del suelo, de la apariencia hmeda a seca. Este momento corresponde al Limite de Contraccin, pues aunque la evaporacin contine ya no disminuir el volumen del suelo, tx>r haber llegado d agua a su tensin mxima, a la que corresponde la mxima compresin capilar sobre la estructura del suelo. Ntese que en el lmite de contraccin el suelo sigue saturado si estaba saturado al comienzo del proceso de la evaporacin, pues aunque dicha evaporacin le ha hecho perder agua, esta prdida est exactamente compensada por la prdida de volumen de vacos causada por la compresin capilar; un gramo de agua evaporada corresponde a un era1 de contraccin volumtrica.

1-8 PERMEABILIDAD

Generalmente el agua fluye a travs de los suelos por gravedad. El rgimen del flujo se dice que es laminar cuando las lincas de flujo permanecen sin juntarse entre s, excepcin hecha del decto microscpico de mezcla molecular; cuando las lneas de flujo sc entremezclan y dan lugar a turbulencias caractersticas se dice que d flujo es turbulenta

Para velocidades bajas, d flujo de agua a travs de los suelos es laminar, pero al aumentar la veloddad ms all de un cierto lmite, sc hace turbulento. Si de un rgimen turbulento sc desea regresar al r-

32 Breves nociones de mecnica de suelos

gimen laminar por disminucin de velocidad, se observa que la transicin ocurre a una velocidad mayor que aqulla en la que se pas de rgimen la* minar a turbulento; esto sugiere la existencia de un intervalo de velocidad en el cual el (lujo puede ser drcunstancialmente laminar o turbulento. Reynolds (Re. H ) encontr que existe una cierta velocidad en el agua (y, de hecho, en cada lquido) abajo de la cual, para un cierto dimetro de conduccin y a una temperatura dada, el flujo siempre es laminar. Esta es la velocidad crtica. Similarmcntc existe una velocidad atriba de la cual el (lujo siempre es tur* bulento; en el caso del agua esta segunda velocidad es del orden de G.5 veces la velocidad crtica.

El fundamento de casi toda la teora de flujo a travs de los suelos radica en el trabajo experimental de Henri Darcy (Re. 15), que se conoce hoy como ley de su nombre. Trabajando con un dispositivo de diseo personal, que se reproduce esencialmente en la Fig. 1*13, Darc