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breve historia de la mecanica de suelo
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Manual de Cátedras de Mecánica de Suelos I
CONTENIDO
UNIDAD 1. Desarrollo e historia de la Mecánica de Suelos
1.1 Forma de trabajo de la geotecnia y la mecánica de suelos.
1.2 Aportes de diversos hombres de ciencia: precursores y contribuyentes
modernos de a mecánica de suelos.
1.3 Casos mundiales en los que hizo falta la aplicación de la mecánica de
suelos.
1.4 Ciudades notorias por sus hundimientos.
1.5 Panorama histórico de la mecánica de suelos en la República Dominicana.
Cuestionario Unidad 1.
Ejercicios resueltos y propuestos Unidad 1.
UNIDAD 2. Origen y formación de los suelos
2.1 Roca y suelo
2.2 Desintegración mecánica y descomposición química
2.3 Clasificación de los depósitos por las características del transporte
2.4 Materiales de designación particular
2.5 Forma de las partículas
2.6 Estructuras de los suelos
2.7 Aprovechamiento de las informaciones geológicas y pedológicas
2.8 Definición de mecánica de suelos
2.9 El Subsuelo de Santo Domingo
2.10 El Valle del Cibao
Cuestionario Unidad 2.
UNIDAD 3. Propiedades físicas fundamentales
3.1 Materia sólida, agua, gas y diagrama de fases
3.2 Porosidad
3.3 Relación de vacíos
3.4 Densidad relativa
3.5 Contenido de humedad
3.6 Grado de saturación
3.7 Preparación de los especímenes de suelo
3.8 Manejo del diagrama de fases
3.9 Determinación del peso específico de partículas sólidas por el método del
picnómetro
3.10 Peso unitario
Cuestionario Unidad 3.
Ejercicios resueltos y propuestos Unidad 3.
UNIDAD 4. Granulometría
UNIDAD 5. Análisis mecánico por sedimentación
UNIDAD 6. Plasticidad
UNIDAD 7. Clasificación por el Sistema Unificado
UNIDAD 8. Exploración del subsuelo
UNIDAD 9. Permeabilidad
UNIDAD 10. Comportamiento mecánico de los suelos sumergidos
Manual de Cátedras de Mecánica de Suelos I: Unidad 1: Desarrollo e Historia de la
Mecánica de Suelos
UNIDAD 1
Desarrollo e Historia de la Mecánica de Suelos
1.1 Forma de trabajo de la geotecnia y la mecánica de suelos
Todas las obras de ingeniería civil descansan, de una u otra forma, sobre el
suelo, y muchas de ellas, además, utilizan la tierra como elemento de
construcción para terraplenes, diques y rellenos en general; por lo que, en
consecuencia, su estabilidad y comportamiento funcional y estético estarán
regidos, entre otros factores, por la conducta del material de asiento situado
dentro de las profundidades de influencia de los esfuerzos que se generan, o por
la del suelo utilizado para conformar los rellenos. Si se sobrepasan los límites
de la capacidad resistente del suelo, o si aún sin llegar a ellos las
deformaciones son considerables, se pueden producir esfuerzos secundarios en los
miembros estructurales, quizás no tomados en consideración en el diseño,
productores a su vez de deformaciones importantes, fisuras, grietas, alabeo o
desplomos que pueden producir, en casos extremos, el colapso de la obra o a su
inutilización y abandono. En consecuencia, las condiciones del suelo como
elemento de sustentación y construcción y las del cimiento como dispositivo de
transición entre aquél y la supraestructura, han de ser siempre observadas,
aunque esto se haga en proyectos pequeños fundados sobre suelos normales a la
vista de datos estadísticos y experiencias locales, y en proyectos de mediana a
gran importancia o en suelos dudosos, infaliblemente, al través de una correcta
investigación de mecánica de suelos.
Durante los últimos años se han estado empleando cada vez más los vocablos
geotécnia y geomecánica para significar la asociación de las disciplinas que
estudian la corteza terrestre desde el interés de la ingeniería civil,
concurriendo a este vasto campo ciencias como la geología con sus diversas ramas
y la geofísica con su división, la sismología. A la vista de los tres (3)
materiales sólidos naturales que ocupan nuestra atención, podemos dividir la
geotécnia en: mecánica de suelos, mecánica de rocas y mecánicas de nieves,
noveles especialidades, todas presentadas en orden de aparición dentro de las
cuales la última no tiene cabida en nuestro medio subtropical. La más vieja de
las nuevas, la mecánica de suelos, será motivo de nuestro estudio desde ahora en
adelante, no sin antes puntualizar que ella versa sobre un material heterogéneo,
disímil de partícula a partícula, donde su contenido de humedad que puede ser
variable con el tiempo ejerce capital influencia sobre su comportamiento;
debiendo aplicarse nuestros conocimientos físicos-matemáticos para evaluar y
predecir su comportamiento. Ardua tarea, distinta a la que realizamos en otros
materiales de construcción tales como el acero y el hormigón, donde las
cualidades físicas son impresas a voluntad, con relativa facilidad. A través de
procesos metalúrgicos que ofrecen una amplia gama de productos finales, en el
primer caso, y mediante diseños de mezclas en el segundo, todo en armonía con
las necesidades de un proyecto dado.
Sin embargo, esto no ha sido óbice para su desarrollo esforzado y acelerado en
los últimos años, pese a la utilización de teorías e hipótesis de complimiento
parcial o entre rangos determinados. A los que se encuentren demasiado
preocupados por esta situación les recordamos que aun en el concreto, material
artificial de trabajo disciplinado citado anteriormente como caso antagónico al
del suelo se aplican leyes como las de Hooke y Navier que presuponen al hormigón
como un cuerpo perfectamente elástico donde las secciones planas, antes de la
deformación, continúan siendo planas durante y después de la deformación,
distantes de ser exactas; aceptándose como buenos y válidos los resultados
obtenidos de su aplicación.
1.2 Aportes de diversos hombres de ciencia: precursores y contribuyentes
modernos de la mecánica de suelos.
La tierra, uno de los elementos más abundantes en la Naturaleza, ya señalado por
los antiguos como uno de los cuatro (4) básicos que componen nuestro
inmemoriales como material de construcción. En su manejo y utilización el
análisis científico ha ido reemplazando, gradualmente, a las reglas intuitivas,
siendo el estado actual del conocimiento la suma de los aportes de diversos
científicos, físicos, matemáticos e ingenieros, que desde el pretérito fueron
forjando, sin saberlo, una nueva ciencia, nutrida por sus investigaciones. Entre
estos pioneros cabe destacar los nombres de:
Carlos A. de Coulomb (1736-1806)
Alexander Collin ( )
Tomás Telford (1757-1834)
Juan V. Poncelet (1788-1867)
Guillermo Rankine (1820-1872)
Karl Culmann (1821-1881)
O. Mohr (1835-1918)
José V. Boussinesq (1842-1929)
Coulomb, Poncelet, Collin y Rankine aportaron valiosas experiencias en el
análisis de presiones de tierras. Las contribuciones del ingeniero militar
francés Coulomb tienen todavía vigencia, en fricción, electricidad y magnetismo.
Poncelet ofreció en 1840 un método gráfico para la determinación directa de la
superficie de falla y las presiones de tierra activa y pasiva. Collin publicó en
1846 su trabajo "Recherches Expérimentales sur les Glissements Spontanés des
Terrains Argileux". Guillermo M. Rankine fue un ingeniero y físico escocés que
se distinguió, también, por sus trabajos en termodinámica.
Culmann le dio una solución gráfica a la teoría Coulomb - Poncelet, permitiendo
la resolución de problemas complejos de presiones de tierras.
Tomás Telford fue un ingeniero inglés, constructor de puentes, puertos y
canales, primer presidente de la Asociación Británica de Ingenieros Civiles, en
1820. Sus investigaciones le llevaron a desarrollar una modalidad de pavimentos.
Mohr ideó un método gráfico para representar esfuerzos normales y tangenciales
actuantes en planos inclinados, cuando el material se somete a esfuerzos
biaxiales, de útil aplicación en el campo de los suelos.
De Boissinesq hemos aprovechado sus ecuaciones para establecer los valores de
las componentes verticales de esfuerzos generados por la aplicación de cargas.
Dos (2) nombres no incluidos en la relación de precursores antiguos y que
merecen ser citados son los G. G. Stokes, quien enunció una ley que rige el
descenso de una esfera en un líquido, fundamento del ensayo granulométrico por
sedimentación y el del físico francés H. Darcy autor, en 1856, de una ley básica
para el estudio del flujo del agua en los suelos.
Entre los principales contribuyentes modernos tenemos a:
Karl Terzaghi (1883-1963)
A. Atterberg ( )
Wolmar Fellenius (1876-1957)
Arturo Casagrande (1902-1981)
Laurits Bjerrum (1918-1973)
A. W. Skempton (1914- )
Karl Terzaghi, el padre indiscutible de la mecánica de suelos, nació en Praga,
Checoslovaquia, y murió en los Estados Unidos de Norteamérica, a los ochenta
(80) años de edad. Trabajó en Austria, Hungría y Rusia, de 1915 a 1911. Fue
profesor del Robert College de Constantinopla, de 1915 a 1925. Enseñó ingeniería
de fundaciones en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, entre 1925 a 1929,
dedicándose simultáneamente a la práctica consultiva en Norte y Centro América.
Catedrático en Viena, de 1929 a 1938, comenzó a laborar a partir de este último
año con la Universidad de Harvard. Su obra "Erdbaumechanik", publicada en 1925,
en Viena y en idioma alemán, marcó el nacimiento de una nueva disciplina.
A. Atterberg, sueco, estableció una serie de ensayos para determinar el
comportamiento plástico de los suelos cohesivos, de amplia difusión mundial, hoy
en día, en cuyos resultados están basados todos los sistema de clasificación
ideados.
Fellenius, trabajando para la Comisión Geotécnica de los Ferrocarriles del
Estado Sueco, creó un método para analizar y diseñar taludes que se designa con
su apellido o es denominado "Método Sueco", el cual se ha convertido en el
procedimiento indispensable para el estudio de taludes de presas, carreteras o
de cualquier otro tipo.
Arturo Casagrande, alemán de origen, emigró a los EE.UU. en 1926. Alumno
sobresaliente y compañero de Terzaghi, es después del maestro la figura más
relevante en la mecánica de suelos; siendo notables sus contribuciones en
equipos y sistemas al estudio de la plasticidad, consolidación y clasificación
de los suelos. Organizó junto al Dr. Terzaghi el Primer Congreso de Mecánica de
Suelos y Fundaciones, celebrado en la Universidad de Harvard, Cambridge,
Massachusetts, en el año de 1936, habiendo sido presidente de la Sociedad
Internacional de Mecánica de Suelos y Cimentaciones.
Bjerrum nació y estudió en Dinamarca. Laboró en Suiza y en su país natal, siendo
el primer director, en 1951, del Instituto Geotécnico Noruego. De esa época son
sus valiosas investigaciones en torno a la resistencia al corte de los suelos y
de modo especial sobre la sensibilidad de las arcillas.
Skempton, nacido en Inglaterra, es profesor del colegio Imperial de la
Universidad de Londres, donde introdujo la enseñanza de la mecánica de suelos.
Ha sido presidente de la Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos y
Fundaciones. Sus contribuciones han discurrido sobre presiones efectivas,
capacidad de carga y estabilidad de taludes.
Es oportuno señalar que la Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e
Ingeniería de Fundaciones, organizada por Terzaghi y con asiento en Londres,
tiene como miembros componentes a sociedades nacionales de igual naturaleza
constituidas en casi todos los países de la Tierra. Auspicia cada cuatro (4)
años, como suceso principal, congresos mundiales que hasta el momento presente
han sido celebrados en las ciudades y años indicados a continuación:
Primero Cambridge 1936
Segundo Rotterdam 1948
Tercero Zurich 1953
Cuarto Londres 1957
Quinto París 1961
Sexto Montreal 1965
Séptimo Ciudad de México 1969
Octavo Moscú 1973
Noveno Tokio 1977
Décimo Estocolmo 1981
De igual modo tienen lugar eventos regionales dentro de los cuales nos tocan
directamente los congresos panamericanos. El primero de ellos tuvo lugar en la
Ciudad de México 0en el año 1959.
1.3 Casos mundiales en los que hizo falta la aplicación de la mecánica de
suelos.
Dos (2) de las obras de construcción de carácter monumental en el ámbito mundial
donde se hizo patética la ausencia de los postulados de la mecánica de suelos
moderna son la Torre de Pisa y el canal de Panamá. La llamada Torre Inclinada de
Pisa fue comenzada por Bonno Pisano en el 1174 y terminada en la segunda mitad
del Siglo XIV. Con una altura de cuarenta y cinco (45) metros y un peso total de
14,500 toneladas, su cimentación anular transmite presiones al subsuelo del
orden de 5 Kg/cm². Fundada sobre capas alternadas de arena y arcilla, su
inclinación comenzó a producirse desde la época de su construcción como
consecuencia de presiones diferenciales de los suelos afectados, observándose en
la actualidad una separación entre la vertical y el eje longitudinal de la torre
de 4.90 m en su parte más alta.
Una estructura parecida construida en Venecia, de 100 m de altura, se desplomó
en 1902 cuando su inclinación era de apenas 0.8%. Una nueva torre, existente,
fue erigida en el lugar de la antigua, con una cimentación más grande.
El primer intento por construir un canal artificial que uniese los océanos
Atlántico y Pacífico fue realizado por el Ing. Francés Fernando de Lesseps, en
el 1881, quien antes había llevado a cabo el Canal de Suez. Pero no fue hasta el
año 1914 que el canal de navegación solucionado por los norteamericanos mediante
un sistema de esclusas pudo ser puesto en servicios, después de lograr el
saneamiento de la zona de la fiebre amarilla y la malaria. El costo final de la
obra fue de 380 millones de dólares, suma superior a la estimada en el
presupuesto. Se excavaron 315 millones de metros cúbicos de material, en los
82.5 Km. de longitud del canal, de los cuales 129 millones correspondieron al
corte de Gaillard. La construcción de caracterizó por grandes deslizamientos en
las formaciones denominadas "culebra" y "cucaracha", estando constituida esta
última por arenisca arcillosa estructuralmente débil. Las fallas se siguieron
produciendo años después de la inauguración del canal provocando el cierre
temporal por períodos más o menos largos. La estabilidad actual de las laderas
del canal plantea un problema de resistencia a largo tiempo, donde las
respuestas hay que buscarlas en la asociación de la geología y la mecánica de
suelos.
1.4 Ciudades notorias por sus hundimientos
A nivel universal hay ciudades grandes y populosas caracterizadas por
hundimientos importantes, pudiéndose citar entre ellas a las siguientes urbes:
Ciudad de México
Venecia
Roma
Tokio
Shanghái
Bangkok
Madrás
Bombay
Ciudad de México fue fundada por los Aztecas en el año 1325, en una isla sobre
el lago de Texcoco. La parte colonial de ciudad, ubicada encima del fondo del
depósito de agua, tiene uno de los subsuelos de cimentación más críticos del
mundo, constituido por gruesos depósitos de arcillas volcánicas, lacustres,
altamente compresibles, habiéndose perforado hasta 2,000 pies de profundidad sin
haber encontrado roca. Presenta contenidos medio de humedad del orden de 200%
con valores esporádicos de hasta 600%. Existen allí capas alternadas de arena de
pequeño tamaño, consecuencia todo del origen sedimentario del área. A unos
treinta y tres (33) metros de profundidad está localizado un manto de arena
densa y espesor de más o menos cinco (5) metros en la cual está cimentada la
Torre Latinoamericana, de cuarenta y tres (43) pisos de altura, uno de los
edificios más elevados construidos en la América hispana.
El hundimiento de la ciudad es debido al secado de los antiguos lagos del Valle
de México, acrecentado por la extracción de agua del subsuelo en la medida del
crecimiento demográfico. En la Catedral se llegaron a medir velocidades de
hundimiento de hasta cuarenta (40) centímetros anuales, pudiendo observarse en
la figura 1.2 un plano de curvas de iguales hundimientos correspondientes a
observaciones efectuadas dentro del lapso 1891-1956. En los últimos tiempos se
ha logrado reducir la compresión de los suelos, controlándose la explotación de
los acuíferos de la zona urbana, sustituyéndose por fuentes alejadas de la
metrópoli que aunque subterráneas parecen pertenecer a cuencas hidráulicas
independientes.
Venecia, construida sobre una serie de lagunas del Mar Adriático, sufre
hundimientos estimados en 32 cm durante el presente siglo, mayores que en la
centuria pasada. Las inundaciones marinas, las actividades fabriles y la
extracción de agua subterránea parecen ser las causas más importantes del
deterioro; habiendo preocupación mundial por detener las anomalías y preservar
los grandes tesoros artísticos de la ciudad, considerados patrimonio universal.
En el año de 1973 el parlamento italiano aprobó un proyecto de obras de
protección a la ciudad, con financiamiento extranjero, por 500 millones de
dólares.
Entre 1955 y 1970 Roma - La Ciudad Eterna - registró un hundimiento total de
treinta (30) centímetros. Para explicar el fenómeno se ha dicho que las lluvias
han ido elevando paulatinamente el nivel de las aguas subterráneas que
reblandecen el suelo al no poder escapar hacia el río Tíber, por estar sus
orillas revestidas con hormigón.
Sobre Tokio, una de las ciudades más grandes del mundo, se ha dicho que desde la
Segunda Guerra Mundial el sector oriental de la gran capital se ha hundido más
de dos (2) metros. Juzgándose que el problema tiene su origen en la explotación
de los mantos acuíferos, los japoneses han implantado leyes severas contra el
uso de las aguas subterráneas.
Shanghái, la población más extendida de China, importante puerto y centro
industrial - comercial, es otra metrópoli que experimenta problemas de descensos
por la extracción de agua del subsuelo para fines domésticos e industriales. Un
informe presentado por el Servicio Geológico de la ciudad indica que en los 44
años transcurridos entre 1921 y 1965 el hundimiento fue de 2.63 m.
Bangkok, capital de Tailandia, tiene una velocidad de hundimiento de 7 cm/año.
Las ciudades de Madrás y Bombay también se están hundiendo aunque lentamente.
En muchas de las supradichas ciudades la explotación de los depósitos
subterráneos de agua, petróleo o gas se indica como causa de los problemas de
grandes hundimientos, aunque también se ha sustentado la tesis de que los
movimientos tectónicos de los bloques o placas que constituyen la corteza
terrestre tienen responsabilidad en los fenómenos.
1.5 Panorama histórico de la mecánica de suelos en la República Dominicana.
Los pobladores taínos de la Isla de Santo Domingo a fines del Siglo XV, que
constituían el grupo cultural más avanzado de la familia arahuaca, edificaban
sus viviendas: bohíos y caneyes con postes de madera hincados en la tierra, como
estructura principal, en los que cargaban, mediante soleras, maderos menores
actuantes como sustentadores de techo; construyendo finalmente las paredes de
las casas con cañas penetradas en el suelo y tan próximas entre sí como
posibles, las cuales ataban fuertemente con bejucos. La techumbre se
proporcionaba con hojas tejidas de palma u otro árbol. En la figura 1.3 se
observa un bohío taíno típico. Tan ligera construcción provocaba cargas
reducidas al subsuelo por lo que no debieron haber tenido graves problemas de
cimentación.
Con el arribo de los conquistadores peninsulares se inicia en La Española y en
América un proceso de transculturación que en la ingeniería civil y la
arquitectura estará caracterizado por las influencias romanas y árabe, como se
observa en la figura 1.4. La mampostería se utilizó como elemento básico para el
levantamiento de muros y murallas, salvándose con bóvedas los espacios libres de
los templos. En los edificios públicos y en las casas señoriales los techos se
construyeron con vigas de caoba y losetas de barro cocido, con las disposiciones
que se suelen llamar techo romano.
En Santo Domingo de Guzmán, desarrollada finalmente en el hombro derecho de la
ría Ozama, los esfuerzos al subsuelo se incrementaron teniendo que ser
asimilados por un manto superior mezcla de arcilla limosa y arena con
aglutinantes calcáreos, capa de cubrimiento en el sector primigenio de la ciudad
del basamento geológico calizo. Aunque no se han efectuado investigaciones
profundas y pormenorizadas de las condiciones de fundación de los principales
monumentos españoles de Santo Domingo las informaciones disponibles indican que
ha habido un comportamiento aceptable del conjunto suelo - estructura y que los
serios daños observados en algunas de las seculares iglesias han sido
consecuencias de movimientos sísmicos, generadores de tensiones a las cuales es
débilmente resistente la mampostería; salvo, hasta ahora, en el lado norte del
templo de Santa Bárbara, cimentado sobre suelo arcilloso de condiciones
desiguales al material calcáreo rocoso que sustenta las partes restantes de la
iglesia, habiéndose originado hundimientos diferenciales que han dañado
porciones de la secular estructura.
Independientemente de la aplicación de principios y métodos que de la mecánica
de suelos racionalizada veníanse empleando en el país, sobre todo en la
selección de materiales para carreteras y en el control de ejecución de
terraplenes para las mismas, su estudio riguroso como disciplina independiente
se inició en la antigua Universidad de Santo Domingo dentro del pénsum de la
carrera de Ingeniería civil, en el año 1958.
En ninguna de las principales poblaciones de la República Dominicana se han
observado hundimientos generales de magnitudes comparables a las que sufren las
ciudades enumeradas en la lista del acápite 1.4.
Una de las comarcas más críticas de la nación en lo que a condiciones
geotécnicas concierne es la faja costera noreste donde desemboca al mar el río
Yuna, conocida como Gran Estero. Topográficamente baja, en ella han sido
depositados durante milenios suelos finos que constituyen masas cohesivas,
saturadas, de condiciones indispensables para la construcción. El sentido del
flujo de agua en muchos de los ríos de esta zona está dominado por la acción de
las marea, notándose desagüe de agua dulce en momentos de bajamar y
penetraciones de agua salada hacia tierra durante pleamar. Con estas
características la ejecución de vías terrestres aquí ha sido tradicionalmente
problemática; habiéndose utilizado, otrora, para soportar rellenos de caminos un
"piso de tronco" colocados sobre pantano (corduroy) e inmediatamente antes de
los terraplenes. Esta inveterada práctica se observó en todo el país y se
reflejó de modalidades mundiales de la época.
En las ciudades de Puerto Plata las manzanas contiguas a los muelles presentan
un nivel freático muy elevado y un subsuelo arcilloso blando que requiere
cimentaciones no convencionales para edificaciones que se realizan en el área.
Iguales características prevalecen en los sectores bajos de la ciudad de San
Pedro de Macorís.
Cuestionario
I. Discuta los inconvenientes de los suelos para ser manejados con el rigor de
las matemáticas.
II. ¿De qué forma se reducirían hoy día los riesgos de estabilidad por
comportamiento geotécnico al construir obras como la Torre de Pisa?
III. ¿Podrían presentarse en la actualidad serios problemas de cimentación en
las grandes pirámides de Egipto?
IV. ¿Cuál es el argumento más esgrimido para explicar los hundimientos
importantes que presentan algunas metrópolis de la Tierra?
V. Sería aconsejable proyectar una gran ciudad en la zona del Bajo Yuna?
UNIDAD 2
Origen y formación de los suelos
2.1 Roca y suelo
Los términos roca y suelo, en las acepciones en que son utilizados por el
ingeniero civil y a diferencia del concepto geológico que supone roca a todos
los elementos constitutivos de la corteza terrestre, implican una clara
diferencia entre dos tipos de materiales. La roca es considerada como un
agregado natural de partículas minerales unidas mediante grandes fuerzas
cohesivas. Llamamos roca a todo material que suponga una alta resistencia, y
suelo, contrariamente, a todo elemento natural compuesto de corpúsculos
minerales separables por medios mecánicos de poca intensidad, como son la
agitación en agua y la presión de los dedos de la mano. Para distinguir un suelo
de una roca podemos hacer uso de un vaso de precipitado con agua en el que se
introduce la muestra a clasificar y se agita. La desintegración del material al
cabo del tiempo conduce al calificativo de suelo, considerándose roca en el caso
de efectos contrarios. Por medio de la compresión podemos establecer una
frontera numérica; si el material rompe a menos de 14 Kg/cm² se toma como suelo,
significándose que tal límite es arbitrario y que, en ocasiones, muestras que
superan en el laboratorio el supradicho esfuerzo son manejadas con los criterios
de suelo.
En la definición incluimos el vocablo natural para descartar de este modo
cualquier formación donde haya intervenido la mano del hombre, tales como los
productos fabriles o de desecho. En Santo Domingo, en el barrio Jobo Bonito,
localizado en el sector de las calles Santomé y Juan Isidro Pérez, existen
cavernas que fueron utilizadas otrora como vertederos municipales de basura.
Donde comienza la avenida Teniente Amado García y dentro del barrio de La
Fuente, se realizaron rellenos con las cenizas sobrantes de la cremación de
basuras por la antigua "incineradora", Tales materiales, por su constitución
heterogénea, no pueden ser manejados con el criterio matemático de la mecánica
de suelos, fundamentada, por otra parte, con investigaciones teórico - prácticas
desarrolladas en materiales naturales.
2.2 Desintegración mecánica y descomposición química
En el gran laboratorio que es la Naturaleza y el proceso continuo de ataque,
actúan fuerzas que convierten las rocas en corpúsculos de menor tamaño o suelo.
La esencia de los agentes y los fenómenos de cambio, así como su participación
en el trabajo colectivo, son difíciles de separar, pudiéndose, en general,
agruparlos en desintegración mecánica y descomposición química, según que las
transformaciones sean de índole física o química. Observamos el macizo rocoso
esquematizado en la figura 2.1 sometido a los efectos del sol, agua y viento,
cuya labor conjunta denomínase intemperización. La acción solar diurna provoca
dilataciones volumétricas y esfuerzos internos en las masas de roca, máximas en
las superficies expuestas a los rayos seguidas de períodos nocturnos de
enfriamiento, gestores, a su vez, de esfuerzos de signos contrario; situaciones
de fluctuaciones de calor que también ocurren a plazos mayores con los cambios
de estación. La fatiga producida en la roca por los esfuerzos continuados de
signos alternos termina por vencer su resistencia, exfoliándola; o sea,
convirtiéndola superficialmente en escamas o láminas delgadas a semejanza de las
hojas de un libro, nueva forma en la cual la roca es fácilmente arrastrable por
los agentes de transporte: agua, viento y gravitación, ofreciéndose nuevas
superficies al trabajo devastador. Por exfoliación se forman los domos de
exfoliación, resultado del desprendimiento gradual de material rocoso periférico
siguiendo superficies curvas a lo largo de fracturas o planos de separación
llamados juntas produciéndose colinas de aspecto redondeado. Nuestros obreros
excavadores, que aún compiten con la pistola neumática, conocen muy bien el
principio de friabilidad de la roca con cambios bruscos de temperatura, por lo
que hacen fuego sobre ella y luego apagan con agua, provocando su agrietamiento
en pos de su corte y remoción con menos esfuerzo muscular.
El agua penetra por las hendiduras, resquebrajaduras y fallas de la roca madre,
y al pasar del estado líquido al sólido con un aumento de volumen del orden del
10%, durante las épocas de temperaturas bajas, se convierte en cuñas de hielo o
detonantes que hacen saltar la roca en fragmentos. El agua de lluvia en forma de
torrente y gobernada por la fuerza de la gravedad, desgasta las superficies
rocosas, llevando en sí los productos que arranca, los cuales a su vez aumentan
su poder abrasivo. De este modo el agua desempeña un papel dual, simultáneo,
como agente destructivo y de transportación.
El aire en movimiento tiene, igualmente, capacidad demoledora, máxime cuando
lleva partículas de polvo y arena que le otorgan cualidades abrasivas.
Los agentes físicos no son capaces de reducir el tamaño de las partículas en más
de 0.01mm.
La actividad humana participa en el cambio de tamaño de grandes masas de
materiales naturales a elementos menores, como acontece en los movimientos de
tierras que implican la construcción de presas y carreteras, demandando
usualmente la excavación de ingentes volúmenes de préstamos. El agricultor con
el arado contribuye, también, aunque en menor escala, a las operaciones de
cambios artificiales en los materiales superficiales de la corteza terrestre
cuando ara y remueve los terrenos de cultivo.
La descomposición química, que implica fenómenos más complejos que los
correspondientes a los de intemperización física, conduce a resultados de suelos
con características disímiles a los de los minerales originales, como es el caso
de las arcillas derivadas del feldespato, que tienen cualidades distintas a las
del material de nacimiento. La intemperización química se manifiesta,
preferentemente, al través de la oxidación, carbonatación y disolución.
En la oxidación el oxígeno se une, principalmente, a los compuestos férricos,
teniendo lugar esta reacción, con mayor intensidad, en los climas húmedos; sin
agua la oxidación es lenta o nula. La oxidación va acompañada, usualmente, de
aumentos de volumen en los nuevos minerales formados, coadyudando a la
desintegración de los cuerpos originales.
La carbonatación es el proceso de descomposición que sufren los cristales que
contienen calcio, magnesio, sodio o potasio al reaccionar con aguas
carbonatadas, formándose carbonatos o bicarbonatos.
La disolución es propia de la caliza y el mármol que ven destruir su carbonato
cálcico en soluciones que contengan bióxido de carbono. Las superficies
expuestas de caliza y yeso resultan corrientemente grabadas o agujereadas por el
susodicho fenómeno. El agua meteórica disuelve cantidades moderadas de bióxido
de carbono de la atmósfera y de los materiales orgánicos presentes en la
superficie terrestre, produciendo una débil solución de ácido carbónico que
ataca y ablanda a los materiales que contienen carbonatos y silicato. De este
modo se pueden reblandecer rocas tan duras como el granito, pudiendo los bloques
de cuarzo convertirse en arenas sin cohesión. El agua subterránea acomete y
disuelve a los materiales situados bajo la superficie, uniéndose, a la acción
química, un trabajo mecánico por la energía del flujo interno. La labor químico
- mecánica de las aguas subterráneas se denomina carsificación, del topónimo
Karst o Carso, nombre de una altiplanicie calcárea situada al norte de
Yugoslavia. El subsuelo nacional está en gran parte constituido por masas
calizas donde han tenido lugar fenómenos cársicos, siendo notable por estas
peculiaridades Los Haitises , región situada al sur del valle del Cibao Oriental
y la bahía de Samaná, que llevando el mismo nombre de la Isla, significa en
lengua aborigen "tierra alta" según el parecer de varios investigadores. En la
figura 2.2 pueden observarse las formaciones montañosas troncocónicas,
remanentes de las disoluciones superficiales típicas de Los Haitises. La cueva
de Santa Ana y las de los Tres Ojos son lugares de recreo en Santo Domingo bien
conocidos por grandes espacios causados por las aguas subterráneas. Al Sureste
de Sosúa, en la costa Norte del país, se han identificado fenómenos cársticos.
La hidrólisis, el hecho por excelencia en la descomposición química que guía a
la formación de las arcillas, requiere climas húmedos y calientes como el de la
República Dominicana, razón por la cual contamos con grandes depósitos
cohesivos. En cambio, en los desiertos, aunque es cierto que predominan
temperaturas elevadas, la sequedad atmosférica impide la formación de arcillas
por hidrólisis, habiendo sólo oportunidad para la generación de materiales
granulares originados de modo principal por el estallido de las rocas con los
grandes cambios de temperaturas que se producen con el paso del día a la noche.
El oasis, dentro de las regiones desérticas, completa con la existencia de agua
las condiciones necesarias para la formación de arcillas. Los tres (3)
componentes principales de las arcillas son la caolinita, la montmorilonita y la
ilita. El vocablo caolinita se deriva del chino kao-ling, Cerro Alto, nombre de
la montaña desde donde, por vez primera, se extrajo caolín para usos alfareros
en Europa, con el interés de imitar la calidad milenaria de la cerámica
oriental. El mineral fue clasificado inicialmente en nuestras procedentes de
Montmorillon, pueblo francés. Este componente se caracteriza por su avidez por
el agua y notable aumento de volumen en ganancia de ésta. El nombre ilita le fue
dado a este compuesto por los geólogos del servicio geológico de Illinois en
honor a su estado.
La palabra laterita se emplea para designar a muchos suelos arcillosos
originados en climas tropicales, de un alto contenido de aluminio hidratado en
óxido de hierro. La bauxita es una laterita rica en aluminio, donde se ha
eliminado la sílice de las arcillas. En algunas lateritas la concentración de
hierro es tan elevada que se pueden beneficiar, como es el caso de los
yacimientos de ferroníquel de las lomas de la Parguera y Caribe, cerca de Bonao.
Los seres vivos contribuyen al mecanismo de destrucción - transporte de las
rocas, modificador de la corteza terrestre, tomar de aquellas los minerales
necesarios para sus actividades biológicas, como sucede con las sales de fósforo
que fijan en sus huesos y llevan luego a otros lugares. Así, gusanos, hormigas,
roedores y animales mayores, a los que se unen las plantas, participan en la
formación de nuevos materiales que necesariamente no son de menor resistencia o
tamaño que los de procedencia. Los gusanos y plantas facilitan adicionalmente la
introducción de otros agentes de cambio.
A partir del fango calizo de producen grandes masas terrestre por acumulaciones
de restos de corales, conchas de moluscos, esponjas y costras precipitadas por
plantas acuáticas como las algas. Estos desechos, de magnitudes increíbles,
llegan a formar los atolones y arrecifes. La isla de Santo Domingo o Haití está
constituida en gran parte por depósitos coralíferos emergidos en un pasado
geológico reciente. El mayor aporte corresponde al de los corales que encuentran
en nuestro clima subtropical, mares pocos profundos y calientes, donde se
satisfacen las condiciones de hondura tope de 45 grados centígrados favorables
para su desarrollo, situándose las nuevas colonias sobre las precedentes
muertas. Nuestros modernos arrecifes de coral no son continuos, interrumpiéndose
su crecimiento por el agua fresca de la desembocadura de los ríos y los
materiales que arrastran.
A través de su ciclo vegetativo las plantas incorporan el subsuelo grandes
cantidades de humus, dándole a los materiales superficiales un color subido que
va del castaño oscuro al negro, llamándoles, entonces, en algunos países,
mantillo; y tierra negra o capa vegetal, en República Dominicana. Este material
tiende a depositarse en los lugares bajos y valles, formando los campos
labrantíos y dejando desprovistos de ellos a las colinas o lugares de pendientes
pronunciadas. En Moca, provincia Espaillat, el manto superficial de tierra negra
alcanza 0.80 m. señalándose como uno de los suelos más fértiles del país y del
mundo.
La intemperización no sólo se manifiesta en los materiales naturales, sino
también contra las obras construidas por el hombre, siendo su preocupación
preservarla a todo lo largo de su vida útil o de diseño. En los puentes
metálicos y en los pórticos de edificaciones industriales, del mismo material de
construcción, la intemperización es notable en términos humanos, advirtiéndose
de igual modo deterioros en las obras y estatuas antiguas. Tarde o temprano
habrán de tomarse medidas para proteger los monumentos coloniales de Santo
Domingo de la acción devastadora del tiempo, a la cual se suman los efectos
crecientes de la actividad humana a tenor de las vibraciones y los gases
sobrantes que provoca el tránsito de los vehículos de motor que circulan
próximos a los monumentos.
2.3 Clasificación de los depósitos por las características de transporte
El método de transporte al través de los agentes viento, agua, hielo y
gravitación, así como la distancia de desplazamiento, condicionan la textura y
el tamaño de las partículas resultantes, incidiendo en las diferentes clases de
depósitos. Para el ingeniero civil, la clasificación más importante es la que
considera la distancia de transporte, haciendo caso omiso del agente o agentes
que intervinieron en la traslación de los suelos.
Así designamos por depósitos residuales aquellos que yacen sobre o a corta
distancia de la roca de origen, caracterizados por agregados de forma poliédrica
y aristas vivas, esto es, partículas de forma angulosa o muy angulosa. Cuando el
traslado de los corpúsculos es prolongado, su rozamiento con las grandes áreas
recorridas reduce su tamaño y pulimenta su superficie ocasionando partículas de
formas redondeadas. Estas formaciones, de mayor capacidad que las residuales,
son denominadas depósitos transportados. Los territorios boscosos obstaculizan
el trabajo de erosión y arrastre de las aguas superficiales, ya que los troncos
y raíces reducen la velocidad del flujo del agua, deteniendo los materiales que
carga, razones por las cuales, en apoyo a otras de especies distintas, debe
controlarse la denudación para obviar la fuga de las tierras de cultivo.
Los materiales fragmentados, cargados por los elementos de transporte, llegan
frecuentemente al fondo de los lagos, ríos y mares, donde se adicionan de
residuos de fauna y flora, endureciéndose y elevándose gradualmente sobre el
nivel del mar por movimientos llamados de diastrofismo, con lo que se expone de
nuevo al ataque y transporte de las fuerzas de intemperización, en ciclos que se
repiten indefinidamente.
En alusión directa y exclusiva al medio de transporte, podemos apreciar los
diferentes tipos de formaciones presentadas a seguida:
1.- Depósitos ácueos, transportados y sedimentados por el agua, que cubren
grandes áreas continentales y de islas como la nuestra, donde el tamaño de los
materiales acarreados es función de la intensidad de la corriente. Cabe
distinguir en ellos a los depósitos aluviales o fluviales, lacustres y marinos.
Los depósitos fluviales provocados por la acción del agua dulce corriente,
pueden, en el caso de torrentes montañosos, mover gravas gruesas y aún peñascos
y bolos, depositando los agregados en orden decreciente de tamaños en la medida
en que se reduzca el gradiente o velocidad del flujo y alcanzando el lecho o
fondo del cauce primero la arena y luego el limo y la arcilla. En la
desembocadura de los ríos, la reducción de la velocidad del agua motiva la
formación de los deltas o abanicos aluviales. Los depósitos lacustres han sido
formados en aguas tranquilas estáticas de los lagos, por lo común de suelos
finos o arcillosos, uniformes y laminados, donde a veces se observan bandas de
color, granulometría y plasticidad diferentes, reflejo de cambios en el
historial geológico de la sedimentación. Los depósitos marinos se constituyen
por los residuos de la vida del mar, la contribución que hacen los ríos o por el
trabajo dinámico del oleaje. Las sales presentes en el agua actúan como
aglutinantes de los materiales depositados.
2.- Depósitos eólicos, originados por el viento como medio de transposición, que
levanta agregados de tamaños reducidos para acumularlo en pequeños bancos de
arena denominados dunas o médanos. El loess es un material eólico compuesto de
partículas uniformes de 50 a 90 % de tamaño de limo, con orificios verticales de
antiguas raíces que le otorguen una permeabilidad menor en dirección horizontal
que en la vertical; tienen gran volumen de oquedades y reducido peso unitario,
manteniéndose en cortes verticales, pierden resistencia y rompen,
frecuentemente, cuando satura, dada la presencia frecuente de cementantes
carbónicos solubles en agua. Los loess abundan en el valle del Mississipi, en
las llanuras de Alemania, en el interior de China y en las pampas de Argentina.
En China alcanzan alturas de acumulación de 300 metros, en la provincia de
Chensí y vecinas, erosionándose fácilmente por el viento y la lluvia al punto
que algunos caminos construidos en estos depósitos se han convertido en pasos
estrechos y profundos como canales.
3.- Depósitos glaciales, existentes en las regiones septentrionales de Europa,
Asia, Canadá y en algunas zonas de los Estados Unidos de Norteamérica, se
originaron en el Período Cuaternario, cuando gigantescas masas de hielo se
derritieron y avanzaron liberando grandes cantidades de grava y arena.
2.4 Materiales de designación particular
Turba, residuo orgánico, de color oscuro, resultado de la descomposición de
troncos, ramas, hojas, arbustos, musgos, semillas y otros elementos vegetales,
en condiciones de saturación prevalecientes en zonas tropicales, bajas, en aguas
permanentes y avenamiento deficiente, generalmente costeras. De gran porosidad,
ligereza y contenido de agua, en las turbas se pueden distinguir por simple
inspección visual los restos vegetales, poco transformados, que las han
originado y siguen todavía evolucionando. Son indeseables como material de
fundación en vista del bajo valor de sustentación y, lo que es aún más crítico,
por su alta sensibilidad a la comprensión bajo cargas, debiendo evitarse, dentro
de lo posible, utilizar áreas de turba para construcción. El doctor Otto
Schoenrich dice en su obra "Santo Domingo, un país futuro”: "El Gran Estero,
situado al oeste de Sánchez, resultó ser el más difícil de cruzar que lo que los
ingenieros habían calculado. Engulló toneladas de roca y miles de libras
esterlinas", refiriéndose a la construcción del ferrocarril La Vega - Sánchez
por el escocés Alexander Baird, abierto al tráfico en 1886. Yacimientos de turba
son frecuentes en el litoral noreste de nuestra isla, donde las capas antiguas
no fueron nunca sepultadas profundamente o alteradas por los movimientos
terrestres, por lo no pudieron alcanzar condiciones de antracita (carbón de
piedra), quedándose en estado de lignito. En la zona costera, al este de
Sánchez, se ha estimado una reserva de lignito extraído y seco de 57 millones de
toneladas, con un poder calorífico de 2.300 c/g. Las reservas de turba en un
área explorada del Bajo Yuna, han sido fijadas en el orden de 26 millones de
toneladas, con un valor calorífico de 1.750 c/g. La posible explotación de estos
bancos constituye una alteración energética de la República Dominicana frente a
los altos costos del petróleo y sus derivados.
Caliche, material de un alto contenido de carbonato cálcico, consistencia
térreo-rocosa y color amarillo claro, penetrado en ocasiones por arcilla, ofrece
una gama muy amplia de resistencias. Es ampliamente conocido en el país.
Tosca, nombre de significado variable con el sitio, dado a materiales de
resistencia media. Entre los dominicanos corresponde a suelos arcillosos
endurecidos, tendentes a consistencia de esquisto o pizarra. Ha sido tradición
utilizar los términos "tierra", "tosca" y "roca" en presupuestos gubernamentales
de movimientos de tierra, para calificar y tratar de pagar con justicia los
trabajos de corte de materiales en armonía con el esfuerzo realizado. Tal
sistema ha sido con frecuencia, motivo de polémicas y largas discusiones entre
contratistas de obras e inspectores del Estado, cuando los últimos sobre el
terreno, levantan con la mano un poco de material intemperizado al pie de los
taludes y aducen que es "tierra". Situaciones como éstas, a las que contribuye
un plausible sentido de fiscalización, podrían evitarse si las clasificaciones
se hicieron, exclusivamente, en base a la resistencia al corte que opusieron los
diferentes materiales y al uso inevitable de ciertos equipos o métodos de
remoción manejándose, entonces, las partidas de costos en casillas tales como
"materiales cortables con tractor ", "materiales sólo removibles con el uso de
explosivo", etc.
2.5 Forma de las partículas
El frotamiento que experimentan la partículas minerales sólidas sobre las
superficies en que ruedan, por influencia de los agentes de transporte , así
como su grado de dureza, condicionan su superficie externa, apareciendo más o
meneo redondeadas en la medida en que han sido pulidas o son blandas. De modo
opuesto, cuando los granos no han tenido ocasión de recorrer grandes distancias,
sus aristas aparecen bien definidas y "vivas", siendo poliédrica su forma
externa, motivo por el cual se produce una mejor interacción o ajuste entre los
agregados próximos. La clasificación de la forma geométrica de las partículas
parte de los adjetivos redondeada y angular, en torno a los cuales se establecen
los grados de muy redondeada y subredondeada, y muy angular y subangular. La
figura 2.4 explica por sí sola los diferentes tipos de formas de partículas.
2.6 Estructura de los suelos
Así como la forma geométrica de los corpúsculos, descrita antes, se refiere a
una cualidad individual de los elementos sólidos, la estructura analiza la
organización o agrupación de las partículas minerales, vista de conjunto con el
agua y el aire que hay entre ellas, siendo sus diferentes clases función de la
forma de los granos, la naturaleza de las fuerzas actuantes entre ellos y la
manera como se formó el suelo (véase figura 2.5). La estructura granular o
simple es propia de las arenas y gravas, estando regida mayormente, por la
gravitación, sin que existan fuerzas de adherencia entre las partículas. Se
caracteriza por el contacto entre los elementos sólidos, pudiendo variar la
relación del volumen d los poros al de partículas, dada la posición relativa de
éstas. Los conceptos más importantes sobre los suelos de estructura granular o
granulares, son los que miden su grado de densificación, de los cuales nos
ocuparemos en el siguiente capítulo. La estructura apanalada recuerda los
panales de miel y es propia de las arenas finas y los limos no plásticos
sedimentados en aguas tranquilas o aire. Las fuerzas de atracción entre las
partículas son considerables en relación con las gravitacionales, soportando
bien los "arcos de partículas" las cargas estática, pero perdiendo su
estabilidad por impactos o vibraciones. La estructura floculenta es observada en
suelos cohesivos de apreciable contenido de agregados coloidales (menores de
0.0002 mm), donde en sus partículas muy pequeñas y de forma aplastada están
localizadas fuerzas superficiales electromagnéticas que hacen que se muevan
unidas en forma de flóculos. La energía superficial de electrólitos presentes
durante la sedimentación, siendo el tamaño de los poros considerablemente mayor
que el de partículas sólidas
2.7 Aprovechamiento de las informaciones geológicas y pedológicas
En ausencia de datos generales geotécnicos de zonas o regiones, a ser utilizados
en estimados y análisis preliminares de las condiciones de cimentación o
disponibilidad de materiales de algún proyecto, pueden aprovecharse los mapas
existentes, geológicos o pedológicos, correspondientes a las áreas de interés.
Es frecuente que se disponga, con relativa facilidad, de cartas geológicas y
mosaicos aéreos que pueden dar una orientación primera de los suelos para
construcción. Más recientes y escasos son los mapas que versan sobre pedología,
ciencia que nació como consecuencia del trabajo de analistas rusos que siguiendo
las investigaciones de V.V. Dokuchaev /1846-1903), fundamentaron una nueva
disciplina en el estudio de la transformación de la superficie de los depósitos
geológicos en capas u horizontes distinguibles y separables Su aplicación en
agricultura ha permitido la confección de mapas agronómicos, en los que se
clasifican los suelos con términos tales como "pedalferes" y "pedocales". La
pedología estudia las características físicas y biológicas de la parte superior
de la corteza terrestre, en un espesor de 1.20 a 1.50 m., afectada o
influenciada por el clima, los organismos, la topografía, el carácter de la roca
madre y el tiempo de intemperización. De esta manera se ordenan horizontes de
suelos que conforman el perfil estratigráfico. El horizonte más elevado tiene
usualmente una cantidad considerable de material orgánico, originado por la
descomposición de vegetales. El segundo horizonte es el sector donde se acumulan
pequeñas partículas minerales, siendo estos materiales, corrientemente, de mayor
plasticidad que los situados en los horizontes próximos, superior e inferior.
Las dos (2) primeras capas u horizontes constituyen el sólum para la pedología,
esto es, la zona donde es más activo el proceso de formación del suelo. Al sólum
sigue el tercer horizonte constituido por material original, relativamente
inalterado, que puede ser roca madre parcialmente descompuesta, llevada o no a
otro lugar distinto al de procedencia. En materiales de reciente deposición
pedológica típica. En pedología las clasificaciones de suelos se establecen por
las cualidades geológicas del material original y algunas características de
agrupación. Se aprecian el número, color, estructura, textura, composición
química y disposición relativa de los horizontes. Todos los suelos que tengan
iguales secciones, aun cuando difieren en la textura del horizonte superior, son
agrupados en lo que se llama serie de suelos, dándosele, generalmente, el nombre
del lugar donde primero se reconocieron. Las características de suelos - útiles
en ingeniería - son deducidas en principio de la textura, plasticidad, espesor y
condiciones de avenamiento de los horizontes pedológicos. Diferentes series de
suelos pueden tener cualidades de ingeniería semejantes. Los mapas agronómicos
modernos se preparan mediante interpretación de mosaicos de fotos aérea, donde
los suelos se asocian por sus cualidades de forma de la tierra, color, erosión,
superficie de avenamiento, taludes, etc. En las naciones de agricultura
tecnificada la disponibilidad de mapas sobre este campo permite al ingeniero
civil, identificado con los términos propios de la pedología, recabar una
primera información de suelos para la proyección de obras tales como caminos y
aeropistas. A partir de un estudio efectuado, en 1967, con el patrocinio de la
Unión Panamericana, la República Dominicana dispone de una información general
de suelos con fines agrícolas, extendida a todo el territorio nacional.
Para ofrecer informaciones previas, derivadas del ordenamiento de datos
geotécnicos acumulados sólo en localidades de importancia donde la industria de
la construcción es considerable, se han preparado catálogos para las ciudades de
Santiago y Santo Domingo registradores del ordenamiento de capas del subsuelo,
índice físicos y condiciones de lugar, tales como posición de nivel freático,
útiles en el diseño racional de cimentaciones. a guisa de orientación preliminar
pueden ser consultados en obras que serán elaboradas finalmente con un estudio
de mecánica de suelos o para aquellas que por lo moderado de su costo no
dispondrán de una investigación geotécnica específica.
2.8 Definición de mecánica de suelos
Con la discusión de los acápites precedentes estamos documentados para definir
la mecánica de suelos como la rama especializada de la ingeniería civil, de
carácter fundamentalmente físico, que estudia los materiales perturbados por
alguna obra de ingeniería o utilizados como material de construcción para las
mismas. En la figura 2.6 se ha representado la sección transversal de un camino
que alcanza a interesar una capa subyacente de arcilla por las presiones que el
terraplén de la vía induce, a partir de su área de asiento o superior del
terreno. En el manto de arcilla natural (I) se producirán esfuerzos y
deformaciones que podrían afectar la firmeza y el servicio del camino, por lo
que es necesario predecir su comportamiento y tomar las medidas correctivas de
lugar, si fuesen menester, para garantizar su buen funcionamiento dentro del
tiempo de servicio de la obra, aplicando los conocimientos que nos brinda la
geotecnia. El relleno (II) de la estación reproducida por el corte transversal
de la figura es una estructura derivada de las diferencias altimétrica entre la
rasante en ese punto, elegida para satisfacer condiciones geométricas de
transito, y las del terreno allí, debiendo, en complemento a su misión de llenar
un espacio y dar soporte a los vehículos que transitarán por ella, ser
construida con materiales selectos dentro las ofertas económicas, colocados y
acomodados convenientemente. Es necesario además para estos fines investigar las
características de los materiales sobrantes de los cortes máximos o de bancos
potenciales de suministro en las inmediaciones del lugar, controlándose la
eficiencia de su acomodación. Los taludes deberán ser diseñados considerandos
las fuerzas que tienden a su rotura y las que compiten por mantenerlos en pie,
en pro de un satisfactorio coeficiente de seguridad.
En todas las ocasiones expuestas, la mecánica de suelos ha de proveer las
teorías y métodos necesarios para la feliz realización del proyecto, apoyada en
conocimiento de geología, mecánica racional, resistencia de materiales,
hidráulicas y otras disciplinas.
Las investigaciones geotécnicas pueden ser divididas en tres etapas de carácter
desigual: perforación o grupo de labores predominantemente musculares, en las
cuales se obtienen, utilizando equipos y herramientas de horadación, especímenes
de diferentes capas del subsuelo, así como análisis de laboratorio llevados a
término en las muestras resultante, para derivar valores, índices y parámetros
en lo tocante a la resistencia al esfuerzo cortante, comprensión, avenamiento de
agua, etc., necesarios en la parte final del proceso o diseño que asocia la
información conseguida en las dos anteriores, para ser dirigidas a la
clasificación de materiales con que construir terraplenes de vías terrestre o
aeropistas, diques de contención de aguas o rellenos para fines diversos. La
clasificación podría practicarse de igual forma en suelos localizados bajo la
superficie natural, involucrados en las futuras obras, manejándola con los datos
particulares procesados para satisfacer las necesidades de los cálculos de
capacidad portante, pronóstico de hundimientos, empujes de tierras, diseños de
pavimentos, análisis de taludes y otros.
Las tres partes en que vimos que puede dividirse una investigación de suelos han
de tratarse con iguales celos y cuidados, no dándosele a ninguna de ellas la
supremacía que no tiene sobre las restantes, identificándonos con su rigurosa
interacción disciplinaria, realizada en tal forma que cualquier descuido en una
de las tres se reflejará, inexorablemente, en el resultado final.
2.9 El subsuelo de Santo Domingo
La capital de la República está situada en la Llanura Costera del Caribe o
Llanura Oriental del Caribe, una planicie ubicada en la costa sur del país ,
extendida desde Punta Salina hasta el extremo este de la provincia de La
Altagracia, con una longitud de 240 Km. Su ancho varía desde 10 Km. en la
proximidades de Baní hasta más de 40 Km. en la zona de Bayaguana, limitándola al
norte la Cordillera Central y el Pie Monte de la Cordillera Oriental. Ha sido
compuesta por detritus calizos aportados por animales inferiores: corales,
foraminíferos, moluscos, etc., así como por algas. Estos depósitos calizos,
originados en el Pleistoceno, han ido subiendo gradualmente por presión de las
placas corticales, presentando actualmente una serie de terraza o escalones que
crecen en altura de sur a norte. La ciudad de Santo Domingo tiene elevaciones
tope de más o menos 55 metros sobre el nivel del mar. La avenida Mirador del Sur
corre a la largo de una de estas terrazas. La figura 2.7 corresponde a un perfil
altimétrico supuesto según la dirección norte - sur.
En el subsuelo de Santo Domingo, luego de superarse la capa de arcilla orgánica
- por lo general delgada - y los mantos arcillosos inorgánicos, plásticos,
añadidos ocasionalmente de arena y grava pequeña, calcáreas, aparecen el
basamento calizo, que aflora en ocasiones, presentando una "costra" superior de
unos tres o cuatro metros de espesor, de consistencia de roca, para ofrecer sus
valores más atractivos de resistencia. A continuación el depósito calizo reduce
su consistencia térrea rocosa, tornándose permeable y removible a percusión.
Cuando el subsuelo de la ciudad se identifica con la disposición expuesta antes
y las edificaciones de cargas normales tienen la infraestructura en la porción
superior de la roca, las condiciones de fundación son, en líneas generales,
aceptables. Deben obviarse, en principio, proyectos arquitectónicos que
contemplen sótanos para los cuales haya que practicar excavaciones que además de
tener un costo elevado, despojan al terreno de cimentación de su mejor manto de
carga. Las profundidades que alcanzan las perforaciones efectuadas en la ciudad
para obtener información geotécnica no alcanzan a pasar las acumulaciones
calizas, donde tienen que disiparse las presiones estructurales, por lo que es
de sumo interés conocer sus generalidades físicas.
El Ozama, con su principal afluente el Isabela, es río de Santo Domingo, en cuyo
estuario, y a partir de sus dos orillas, ha nacido, crecido y desarrollado la
población. En los actuales días se manifiesta una tendencia espontánea al
aprovechamiento de sus orillas, sobre todo la oriental, más expedita, en
instalaciones industriales, dado el atractivo del curso de agua como vía fluvial
de los buques cargadores de materia prima y productos terminados. Sus flancos y
fondo están compuestos por gruesas acumulaciones de materiales finos
sedimentados en condiciones de baja velocidad de flujo. Ante estas
circunstancias, de demanda por una parte, y de críticas situaciones físicas por
la otra, procede la divulgación de las disposiciones generales del subsuelo en
el cañón o cuenca del río Ozama, próximo a su desembocadura, para lo cual
haremos uso del perfil geotécnico preparado por el ingeniero Kilian de Fries,
que sirvió al diseño del puente Francisco del Rosario Sánchez, en el eje de la
calle Padre Castellanos, figura 2.8.
La sección transversal del vano del río, en la posición del puente, indica un
ancho de la superficie del agua de unos 160 metros, en condiciones normales, y
dos planicies aluviales para una longitud total, en suma, igual a 460 metros. El
material que sirve de sostén al curso de agua y sus deposiciones recientes,
visible en las laderas, es caliza coralífera. Durante las glaciaciones (períodos
glaciales recientes) del hemisferio norte hace unos 9,000 a 10,000 años según
determinaciones por radio carbono, el nivel de los océanos terrestres descendió
más de 100 metros en muchos lugares al congelarse gran parte del agua
superficial de la tierra, forzando al río Ozama a horadar cauces profundos en la
resistencias de los materiales de asiento, y originando dos valles en las
posiciones reproducidas en la figura, separados por un sector relativamente alto
que opuso mayor resistencia a la fuerza erosiva del agua, de modo que se
produjeron aquí, por selección natural, mejores condiciones de cimentación,
aprovechadas por el puente en asunto, al través de una relocalización de sus
pilas de forma que una de ellas coincidiese con el montículo submarino de
características óptimas y distancia de alcance mínima. El posterior ascenso del
mar, del mismo orden del descenso anterior, permitió la rápida sedimentación, en
los antiguas cauces, de materiales de partículas pequeñas llevadas por las
aguas: arcillas y limos con arenas finas y residuos orgánicos, que, alcanzando
actualmente espesores de alrededor de cincuenta metros, llegan hasta nosotros
saturados, blandos y deformables, incapaces de soportar cargas importantes.
La caliza porosa en que está enclavado el río Ozama facilita la introducción del
agua de lluvia que, circulando de modo interno, flota sobre el agua salobre de
la ría, de mayor densidad, brotando en manantiales por las vertientes del cañón
del río. "La Fuente o baño de Colón", en la orilla derecha del curso de agua es
la más famosa de sextas venas acuíferas. en trabajos de perforación para el
primer anteproyecto de un puente sobre el río Ozama, en la calle Padre
Castellanos, se obtuvo agua artesiana que ascendió por tuberías de exploración
introducidas próximas a la orilla izquierda, al cortar la capa arcillosa que
cubría el estrato de agua a presión gobernada por un gradiente hidráulica
importante.
Los vacíos cársicos abundantes en el material calcáreo de los hombros de la
cuenca del río absorben, aparentemente, los excedentes de agua durante
crecientes, no teniendo, en consecuencia, el Ozama, un historial notable de
inundaciones.
2.10 El valle del Cibao
El valle del Cibao fue un antiguo canal marino, de aguas poco profundas que
circulaban entre las actuales bahías de Samaná y Manzanillo, en el cual la
acumulación de sedimentos y los levantamientos lo fueron llevando a sus
posiciones presentes. En Santiago, la segunda ciudad importante de la nación,
tiene una cota media de 175 metros sobre el nivel del mar. La cuenca
sedimentaria, que es el valle, está limitada al norte por los pilares de la
Cordillera Septentrional, un sistema montañoso exclusivo de la República
Dominicana que le proporciona a la faja intermontaña un término casi lineal,
acotado al sur por su Cordillera Central, el más viejo complejo ortográfico de
la isla, y los Montes del Seibo. El valle del Cibao se sumerge al este formando
el piso elevado de la bahía de Samaná, y continua en tierra firme de vecina
República de Haití, con el nombre de "Pliane du Nord". Sobre territorio
dominicano su longitud es de 230 Km., con un ancho fluctuante de 15 a 40 Km.,
para darle un aspecto de faja alargada y angosta, común a todos los valles
dominico - haitianos.
Sobre la base antigua del valle del Cibao se han situado gruesos depósitos del
Terciario, estimados en 10,000 m, entre los cuales predominan en espesor los de
Oligoceno Medio.
Dos (2) sistemas fluviales corren por la superficie del valle: el río Yuna, que
se desarrolla hacia el oriente sur, y el del Yaque del Norte y sus tributarios,
que avanzan hacia el noroeste, habiendo provocado estos ríos o torrentes que se
precedieron depósitos recientes.
Un proceso geológico, análogo al que condujo el Valle del Cibao a su estado
actual, puede observarse, inconcluso aún, en la Hoya de Enriquillo, otro antiguo
canal marino de la isla de Santo Domingo que iba desde la bahía dominicana de
Neiba hasta la haitiana de Puerto Príncipe. En esta banda de unos 100 Km. de
largo y 20 Km. de ancho, bordeada al sur por las sierras de Bahoruco y las de
Neiba al norte, existen todavía acumulaciones de agua en forma de lagos y
lagunas que, vistas de este a oeste en el mapa de figura 2.9, son: la laguna del
Rincón, el lago Enriquillo, con la isla de Cabritos en su centro, la laguna de
Limón, la laguna en Medio, el lago Sumatra o el Fondo y la laguna Gran Caimán,
estos dos últimos en territorio haitiano. El lago Enriquillo, el mayor estanque
mediterráneo de todos, ocupa parte de la depresión regional, cambiando la
superficie cubierta por él en razón de la cantidad de agua que recibe, variable
de tiempo a tiempo. La superficie de sus aguas está localizada a unos 30m. bajo
el nivel del mar próximo, no pudiendo llegarles sus aguas a causa de los
depósitos acumulados o por el río Yaque del Sur en el fondo de la bahía de
Neiba, actuantes como diques. Los ejes longitudinales del valle del Cibao y de
la fosa de hundimiento bahía de Puerto Príncipe - bahía de Neiba, tiene rumbos
norte al oeste muy parecidos , lo que hace pensar que los fenómenos geológicos
que lo originaron e hicieron evolucionar fueron homólogos.
Cuestionario
I. Enumere las múltiples funciones del agua en la destrucción y traslado de las
rocas.
II. ¿Porqué no hay desiertos en la República Dominicana?
III. ¿Qué condiciones hacen del Brujuelas un río subterráneo?
IV. ¿Qué utilidades tienen en la industria de la construcción los yacimientos
aluviales de ríos como el Yaque del Norte y Sur, Haina y Nizao?
V. ¿Por qué son las arenas de la playa de Boca Chica de color blanco o amarillo
claro?
VI. ¿De qué modo se impide que la intemperización alcance el acero de refuerzo
del hormigón armado?
VII. ¿Porque son desfavorables las condiciones de cimentación en las orillas de
los ríos Ozama e Isabela, en Santo Domingo?
VIII. ¿Como inciden las disoluciones cársticas en la ingeniería de fundación?
IX. Pregunte al profesor sobre las características generales del subsuelo de
algunas poblaciones dominicanas que no sean las dos ciudades principales del
país.
UNIDAD 3
Propiedades físicas fundamentales
En esta unidad comenzaremos a discurrir sobre la física de los suelos, tomados
como el conjunto de partículas sólidas, macro o microscópicas, asociadas con el
agua y gases.
3.1 Materia sólida, agua, gas y diagrama de fases.
Los elementos constituyentes del suelo existen en forma indisciplinada siendo
necesario para la aplicación de la física suponerlos fusionados o continuos. De
este modo se origina el diagrama de fases, figura 3.1, formado por las tres
partes o fases fundamentales del suelo, en pureza de contenido: gaseosa, acuosa
y sólida. A un lado del dibujo acostumbraremos representar los pesos parciales
de los tres elementos componentes Wg, Ww, Ws, de los cuales el primero podrá
despreciarse por ser muy pequeño en relación con los dos restantes. El peso
total será la suma de los pesos de agua y sólidos (W = Ww + Ws). Al otro lado
del diagrama de fases se proporcionarán las casillas correspondientes para
alojar los volúmenes de gases (Vg), agua (Vw) y partículas sólidas (Vs),
llamando la atención sobre el hecho de que el volumen de gas no es
necesariamente nulo, pudiendo ser grande en ocasiones. El volumen total (V) será
la adición de los tres volúmenes componentes.
Llamaremos volumen de vacíos (Vv) a la suma de los volúmenes ocupados por los
gases y agua.
3.2 Porosidad (n)
La medición del volumen de los poros o vacíos del suelo la efectuaremos por
medio de los conceptos análogos porosidad (n) relación de vacío (e).
La porosidad es la relación por cociente entre el volumen de vacíos (volumen
combinado de gas y agua) y el volumen total, expresado como por ciento o no. En
otras palabra, es la medición de los huecos o vacíos tomando como medida de
comparación al volumen total.
n = ( Vv / V ) * 100
A medida que el suelo es más poroso, n aumenta. Matemáticamente, n estará
acotada entre 0 y 100%; 0% si n = 0%, el suelo está en un estado de densidad
absoluta, no hay vacíos. Si n = 100%, el suelo desaparece como tal. En la
práctica encontramos una fluctuación de n entre 20% y 95%.
3.3 Relación de vacíos (e)
La relación de vacíos o huecos es la medida del volumen de los vacíos con
respecto al volumen de las partículas sólidas, invariablemente expresado como un
número.
e = Vv / Vs
Estos términos utilizados en la medición de las oquedades son importantes, ya
que nos indicarán si el suelo es poroso o si en cambio, está densificado. La
tendencia moderna es medir las oquedades en el suelo mediante la relación de
vacíos. Esta preferencia podemos comprenderla mediante el siguiente ejemplo.
Supongamos un proyecto de construcción en relleno donde el terraplén provoca una
serie de presiones superficiales que se transmiten al subsuelo afectando el
estrato señalado en la figura 3.2. En esta capa, tomaremos una muestra cuya
compresibilidad vamos a seguir. Si utilizamos la porosidad para medir sus
oquedades, tenemos que hay una disminución en el volumen de vacíos y,
consecuentemente, en el volumen total, alterándose de este modo tanto el
numerador, como el denominador de la razón. En cambio, al aplicar la relación de
vacíos, nos encontraremos con un cociente donde el denominador (base de
comparación) no varía, ya que el volumen de partículas sólidas es el mismo. No
obstante, será de interés práctico tener una relación entre ambas medidas. La
figura 3.3 ilustra sobre el modo sencillo de llagar a las siguientes igualdades.
n = Vv / V = ( e / ( 1 + e ) )
e = Vv /Vs = ( n / ( 1 + n ) )
El valor de e fluctúa prácticamente entre 0.25 y 15.
3.4 Densidad relativa (Dr)
El concepto de densidad relativa es inherente a los materiales granulares,
siendo un medio para valuar el grado de acercamiento entre sus partículas o
determinar su orden de densificación. Se debe a Terzaghi, quién lo definió como
sigue.
Dr = ( ( eo - e ) / ( eo - e mín ) ) * 100
donde :
e : relación de vacíos del material en el estado en que se investiga
eo : relación de vacíos del material en su estado mas suelto posible
e : relación de vacíos del material en su estado mas denso posible
En la fórmula anterior, el denominador es una constante para determinado suelo
y, por tanto, constituye un buen patrón de referencia.
Calificativos de densificación de la arenas
Dr Calificación
0% - 30%: suelta
30%- 60%: medianamente densa
60%-100%: densa
Para lograr el estado más denso o más suelto de un material granular, hará falta
el uso de un recipiente, de volumen y peso conocidos, como los que se utilizan
en los laboratorios de concreto. Si el recipiente no hubiese sido aforado aún,
pudiera determinares su volumen fijando el peso del agua que es capaz de
contener y dividiéndolo entre la seguridad de haber llenado el recipiente a
cabalidad. Esto podría ser verificado colocando una placa de cristal sobre el
recipiente lleno y observando si no han quedado bolsas de aire en el interior.
El estado más denso se logra cuando existe el mayor acomodamiento posible entre
las partículas. Estos es factible si se vierte la arena al recipiente desde una
altura conveniente y se vibra el conjunto continuamente. Las necesarias
vibraciones para este ensayo son producidas eficientemente por la mesa provista
de una plancha y un motor unido a ella, representada en la figura 3.4, a cuya
falta podemos utilizar un martillo de goma con el que se golpea la periferia del
recipiente. Este proceso se repite varia veces y se toma un promedio de los
valores obtenidos.
Para obtener la condición de suelta, la arena se coloca sin caídas de forma tal
que no se acomode ni se densifique. En lo demás se sigue el procedimiento
anterior y lógicamente obtendremos un peso de arena menor. Ya obtenido el peso
del material, puede determinarse la relación de vacíos mediante la resolución de
un diagrama de fases que explicaremos más adelante en acápite 3.8 de este
Manual.
3.5 Contenido de humedad (w)
El contenido de humedad de un suelo es la relación por cociente entre el peso
del agua que aloja y el peso de sus partículas sólidas, expresado siempre en
términos de porcentajes.
Esta propiedad física es de sencilla obtención y de una gran utilidad, pues la
resistencia y el comportamiento de los suelos ligados a la construcción están
regidos, en gran parte. por la cantidad de agua que contienen.
En los materiales calcáreos de Santo Domingo, el contenido de humedad se
encuentra en los alrededores del diez (10) por ciento, pudiendo verse este valor
afectado considerablemente por el grado de saturación del suelo, producto de la
inyección de agua necesaria en la perforación cuando se utilizan equipos
mecánicos para la obtención de especímenes de ensayo. En algunas arcillas de
Santiago, encontramos contenidos de humedad del orden de 25 por ciento. En
materiales orgánicos, como los propios de Gran Estero, se observan contenidos de
agua de hasta doscientos por ciento, sin que esta cifra sea sorprendente, ya que
en el Japón se han registrado contenidos de humedad de hasta mil quinientos por
ciento, lo que indica grandes problemas de suelo debido a que el peso del agua
supera en 15 veces al del material sólido. En Santo Domingo existen suelos con
altos contenidos de humedad en las márgenes de los ríos Ozama e Isabela, donde
frecuentemente se registran valores entre 80 y 100% para los suelos arcillosos
que allí existen.
Proceso de laboratorio para la determinación del contenido de humedad de una
muestra
Nuestro principal equipo de trabajo consistirá de un horno eléctrico de
temperatura controlable (ver figura 3.5). Una vez tomado el peso en estado
natural de la muestra, ésta se introduce al horno. Allí se calentará el
espécimen a una temperatura de 105° ± 5° C, produciéndose la evaporación del
agua y su libre escape a través de unas ventanillas en la parte superior de
nuestro horno. Debemos tener cuidado de no sobrepasar este límite, pues
correríamos el riesgo de cremar el suelo con la consiguiente alteración del
cociente para la determinación del contenido de humedad. Puede utilizarse la
cremación a nuestro favor cuando se desee obtener el contenido de material
orgánico de una muestra. El material deberá permanecer en el horno por un
período de 12 horas, razón por la cual se acostumbra iniciar el calentamiento de
las muestras al final del día, dejándolas deshidratar durante toda la noche.
Para la correcta identificación de los especímenes, éstos se colocan sobre
recipientes de peso conocido convenientemente numerados. Esta numeración y peso
deberán anotarse en el formulario que se utiliza para la obtención del contenido
de humedad presentado en el ejercicio resuelto 1.
Una vez cumplidas las 12 horas de secado de la muestra de tamaño normal,
precedemos a retirarla y pesarla, obteniéndose el peso seco. Ahora bien, es
necesario dejar enfriar la muestra para facilitar su manejo. Si las muestras de
dejaran refrescar en un medio sin protección, su temperatura elevada al salir
del horno provocaría una absorción de agua del medio ambiente, alterándose el
peso seco real. Por esta razón, deberá utilizarse un desecador, aparato no
proveniente de la mecánica de suelos adquirido de los laboratorios de física y
química. El desecador es un recipiente con cierre hermético, lleno parcialmente
con un material higroscópico (como el cloruro cálcico), que mantiene en
condiciones de sequedad absoluta al aire encerrado en él (ver figura 3.6). La
gran desventaja de este instrumento, razón por la que no se utiliza con mayor
frecuencia, es su poca capacidad, lo que inhabilita al laboratorista de manejar
un número grande de muestras.
El peso del agua será la diferencia de pesos entre la muestra en estado natural
y la seca. Ya contamos con los valores necesarios para la obtención del
contenido de humedad. En caso de que se tuviera mucha prisa en obtener los
resultados del ensayo, la muestra pudiera retirarse del horno al cabo de unas
cuatro (4) o cinco (5) horas para pesarla. Luego, se introduciría de nuevo al
horno y se compararía este primer peso con uno obtenido a las seis (6) horas de
secado. Si no se advirtiera ninguna diferencia, pudiera utilizarse este valor
como peso seco de la muestra.
3.6 Grado de saturación (Sr)
Se define el grado de saturación como la relación por cociente entre el volumen
de agua y el volumen de vacíos, expresado en términos de por cientos. Esta
propiedad de termina la cantidad de agua que se encuentra en los vacíos del
suelo. Tanto el contenido de humedad como el grado de saturación son índices de
medición del agua, valores que definen la proporción de agua en el suelo.
Sr = ( Vw / Vv ) * 100
El grado de saturación de una muestra estará acotado matemática y físicamente
entre cero (0) y cien (100) por ciento. Un grado de saturación de un ciento por
ciento corresponderá a suelos cuyo volumen de vacíos está totalmente ocupado por
agua, calificándose este suelo como saturado; situación difícil de alcanzar en
la naturaleza y en los laboratorios, dado que es necesaria la previa eliminación
total de los gases entrampados en los intersticios del suelo, aceptándose como
saturados materiales que tienen un Sr algo mayor del 95 por ciento. Un grado de
saturación de cero por ciento indicará la ausencia completa de humedad de un
suelo, condición sólo posible en el caso de las muestras recién secadas al
horno.
Los valores altos del grado de saturación se producen generalmente por debajo
del nivel de las aguas subterráneas que llamamos napa freática (ver figura 3.7).
También se producen valores altos se saturación superficial por exceso de
lluvia.
3.7 Preparación de especímenes de suelo
Obtenida una muestra del subsuelo para poder analizarla debemos llevarla a una
forma geométrica perfecta, dentro de las cuales la más conveniente es la
cilíndrica, semi-acabada por los tubos muestreadores. Esto se logra en el
laboratorio por medio de una caja de ingletes metálica, muy parecida a la
utilizada en ebanistería para realizar cortes con sumo cuidado. La figura 3.8
nos muestra un conjunto de estos utensilios. El orificio circular está
normalizado con el diámetro del tomamuestra siendo su relación altura-diámetro
igual dos. Existen cajas de ingletes de diversos tamaños, siendo las más comunes
las de 2-3/4", 1-7/8" y 1-3/8" de diámetro interior.
Se coloca la muestra en dicha caja y se corta lo exterior a ella, lográndose así
dos (2) bases circulares planas, paralelas entre sí y perpendiculares a su eje
longitudinal. En algunos casos, será necesaria que la muestra sea tallada más
corta. Generalmente trabajaremos con la muestra sin alterar su diámetro; sin
embargo, ensayos más sofisticados requieren una reducción del mismo que se
realiza mediante un torno acompañado de un violín (materiales blandos) o de un
cuchillo. La figura 3.9 nos ilustra un torno en el proceso de tallado de una
muestra cohesiva con la utilización de un violín.
De esta muestra cilíndrica es que vamos a obtener toda la información necesaria
para el análisis del estado de procedencia.
Muestras granulares
En el caso de materiales granulares, lo principal es la selección del espécimen,
eligiéndose una cantidad de 1,000 a 3,000 g (y aún más) dependiendo del tamaño
del grano y de los tipos de ensayos. Para materiales finos, 1,000 gramos es un
orden de magnitud usual, pero en materiales gruesos aumenta esta cantidad, ya
que un solo grano puede aportar mucho peso.
La selección de la muestra, en términos de laboratoristas, se denomina cuarteo y
puede realizarse de varias maneras. Una de ellas, y quizá la más asequible,
consiste en utilizar un pedazo de tela, lona fina o plástico sobre el cual se
coloca la totalidad de la muestra que llega al laboratorio (ver figura 3.10).
Con una pala se mezcla bien el material tratando de doblarla de forma tal que se
formen cuatro partes iguales de las cuales se escoge un cuarto y se guarda el
remanente para ensayos posteriores. Si la parte escogida resultare muy grande,
se repetirá el proceso para elegir una cuarta parte que satisfaga nuestro deseo.
Es de aquí que proviene el término popular de cuarteo.
Otro procedimiento consiste en verter el material en un equipo denominado
cuarteador, que se compone de varias canaletas dirigidas en direcciones
contrarias por las cuales el material se divide. La figura 3.11 nos muestra un
cuarteador en función, fraccionando una muestra de arena. Si una de las partes
divididas se volviera a pasar, se lograría un cuarta parte de la muestra
original.
Así obtenemos la muestra cuarteada que además resulta ser representativa, es
decir, reveladora de las misma características del material original.
3.8 Manejo del diagrama de fases
El diagrama de fases se había definido anteriormente como aquél en que habíamos
convenido fusionar los tres elementos componentes del suelo. Ahora,
describiremos el procedimiento para la obtención de los valores necesarios para
su manejo en el caso más frecuente.
Una vez preparada, la muestra es llevada a una balanza con precisión de décimas
de gramo donde será obtenido su peso en estado natural (W). Si la muestra no se
disgrega, se podrá pesar directamente sobre el platillo de la balanza; en caso
contrario colocaremos el espécimen en un recipiente y luego restaremos el peso
de éste.
Nuestro siguiente paso será la obtención del volumen de la muestra. Para ello
idealizamos dos planos en el espacio, perpendiculares entre sí, que atraviesan
la muestra dividiéndola. Estos planos podrán ser indicados en la muestra
mediante unas hendiduras suaves impresas con un cuchillo (ver figura 3.12). Con
la ayuda de un calibrador o pies de rey (ver Figura 3.13), tomaremos tres
diámetros según cada plano; inferior, central y superior. Obtenidos estos seis
diámetros, calcularemos una media ponderada dándole el doble de valor a los
diámetros centrales, determinándose así el diámetro medio con el cual
calcularemos el área media.
Dm = ( Di + 2 * Dc + Ds + Di’ + 2 * Dc’ + Ds’ ) / 8
La altura (H), se podrá obtener, también por medición directa y al multiplicarla
por el área media se consigue el volumen del espécimen (V).
Ya conocidos el volumen y el peso de la muestra en su estado, procederemos a
introducir el espécimen de tamaño normal al horno donde permanecerá por espacio
12 horas a una temperatura de 105°± 5°C. Cumplido este tiempo, retiraremos la
muestra y la llevamos a la balanza. El peso ahora obtenido será el
correspondiente a partículas sólidas (Ws), debido a que la muestra ha quedado
deshidratada completamente. El peso del agua (Ww) se calcula sencillamente como
la diferencia en peso entre la muestra en su estado natural y la muestra seca.
Ww = W - Ws
De esta forma hemos completado el diagrama de fases en lo referente a pesos.
Para la determinación de los volúmenes, necesitamos el peso específico de
partículas sólidas (gs), cuyo valor no se obtiene de forma tan directa. Esta
obtención se tratará en el acápite siguiente, pudiendo ser considerado hasta
entonces como un dato suministrado. El peso específico de partículas sólidas se
define como la relación por cociente entre el peso de partículas sólidas y su
volumen correspondiente.
gs = Ws / Vs
Por esta razón, conocidos el peso y el peso específico de partículas sólidas, el
volumen de sólidos se despeja fácilmente:
Vs = Ws / gs
Valiéndonos del peso específico del agua, que consideraremos igual a la unidad
despreciando su variación en función de la temperatura y la posición, podremos
determinar el volumen de agua. por esta razón, numéricamente hablando, el
volumen de agua será igual a su peso, siempre y cuando se tengan en cuenta las
unidades.
Vw = Ww
La obtención del volumen de gas se realizará de forma directa, restando al
volumen total, los volúmenes correspondientes a sólidos y agua.
Vg = V - Vs - Vw
Con sólo sumar los volúmenes correspondientes a gas y agua, obtenemos el volumen
de vacíos.
Vv = Vg + Vw
Obtenidos todos los valores podemos pasar a la determinación de las razones
correspondientes a las propiedades físicas del suelo que se analiza. No es
aconsejable computar ningún valor hasta tanto no se haya desarrollado totalmente
el diagrama de fases.
3.9 Determinación del peso específico de partículas sólidas por el método del
picnómetro
En el acápite anterior se había mencionado la necesidad de la obtención del peso
específico de partículas sólidas para el manejo del diagrama de fases. A
continuación explicaremos el método más utilizado para este fin, cuyo equipo
principal será un matraz aforado (ver figura 3.14), botella de cristal de
pequeño espesor de 500 a 1000 Cm3 de capacidad hasta la línea de calibración en
su cuello y en condiciones particulares de temperatura. Dicho matraz deberá
identificarse convenientemente mediante un número de laboratorio en una zona
esmerilada provista para este propósito.
La calibración del matraz: Una vez concluido el proceso que se expondrá a
continuación, nuestro matraz de laboratorio quedará convertido en picnómetro. Lo
primero es la limpieza cuidadosa del matraz por dentro y fuera para lo cual se
prescribe el lavado sucesivo con detergentes, alcohol y éter. Requeriremos la
utilización de agua destilada para evitar cualquier tipo de perturbación debida
a cambios en la turbidez, contenido en sales o cloro, o por impurezas contenidas
en el agua del servicio público. El agua destilada se verterá en el matraz y
seguido comenzaremos el proceso de desaerearla. La manera más común de llevar a
cabo esta labor es sumergiendo a medias el matraz en baño de María, observándose
el desprendimiento de pequeñas burbujas a simple vista, el cual puede ser
acelerado infiriendo golpes moderados al matraz con el pulgar (ver figura 3.15).
La extracción de las burbujas puede realizarse también mediante un aspirador
adaptado a una llave de agua, de modo que la intensidad del vacío es determinada
por el flujo, teniendo el cuidado de desconectar el dispositivo antes de cerrar
la llave para que el vacío en el matraz no provoque la entrada de agua (ver
figura 3.16). Ahora nos preocuparemos de enrasar el contenido de agua en el
matraz para obtener un volumen constante en todas las mediciones que se harán
posteriormente. El proceso de sustraer y adicionar pequeñas cantidades de agua a
través de un estrecho cuello se verá facilitado mediante el uso de la pipeta. Si
faltara agua para llegar a la línea de calibración, se tomaría de un recipiente
que ha sido expuesto al mismo proceso del matraz.
La línea de calibración que hemos mencionado no es más que una hendidura,
fácilmente identificable en el cuello del matraz, que nos indicará hasta donde
se considera el volumen especificado por el fabricante.
El matraz se considerará enrasado cuando la parte inferior del menisco se hace
tangente a la línea de calibración, siempre cuidando de que no permanezcan gotas
de agua adheridas al interior del cuello (ver figura 3.17). Una vez enrasado,
llevaremos el matraz a la balanza obteniéndose, son una precisión de centésimas
de gramo, su peso más el del agua destilada, convenientemente designado W2. Este
peso corresponderá a una temperatura que debe ser tomada con una precisión de
décimas de grado. Lógicamente el peso del agua en el matraz será menor cuanto
mayor sea la temperatura, no debiendo excedernos de los 50° para facilitar su
manejo. Siguiendo este procedimiento tomaremos varios pesos con sus
correspondientes temperaturas y graficaremos la curva que se muestra en la
figura 3.18. Ya el matraz se puede considerar como un picnómetro.
Para determinar el peso específico de partículas sólidas de cualquier muestra,
haremos uso de nuestro picnómetro. Tomaremos alrededor de 50 gramos de la
muestra secada al horno y enfriada en el desecador, y la pesamos con una
precisión de centésimas de gramo obteniéndose Ws. Esta muestra se introduce en
el picnómetro por medio de un embudo de papel, luego de haber vertido un poco de
agua en el recipiente evitándose así que la muestra se adhiera al fondo.
Entonces, completaremos el volumen de agua hasta alcanzar una altura menor en
tres o cuatro centímetro que la línea de calibración y lo llevamos al baño de
María para removerle todo el aire contenido en el agua. Este proceso se verá
dificultado ahora por la espuma y burbujas producto del contacto d la muestra
con el agua. Logrado nuestro propósito y habiendo conseguido el menisco tangente
a la línea de calibración, secamos el exterior del matraz, limpiamos el interior
encima del nivel de agua y obtenemos su peso, anotando la temperatura a la cual
se efectuó la medición luego de comprobar su uniformidad en todo el volumen de
agua y suelo. Este peso, que corresponde a la suma de los pesos del matraz, del
agua destilada y del suelo, lo designaremos W1.
Habíamos definido el peso específico de partículas sólidas como el cociente de
dividir el peso de partículas sólidas entre su volumen correspondiente.
Observado detenidamente lo que ocurre en nuestro picnómetro, nos daremos cuenta
que el volumen de partículas sólidas será el mismo volumen de agua desplazada
por las partículas sólidas (Vw).
Vs = Vw
gs = Ws / Vs = Ws / Vw
Este volumen de agua desplazada por las partículas sólidas puede ser expresado
en función del peso del agua con la ayuda del peso específico del agua (gwt)
tomando en cuenta las variaciones de este valor en función de la temperatura.
Una tabla con los valores correspondientes al peso específico del agua en
función de la temperatura se incluye en el apéndice de esta unidad.
gwt = Ww/Vw --> Vw = Ww / gwt
Sustituyendo esta relación en la ecuación anterior, obtenemos:
gs = ( gwt * Ws ) / Ww
Sólo nos faltaría por determinar el peso del agua desplazada (Ww), para lo cual
haremos use del gráfico de calibración del matraz. Observando la figura 3.19
podemos escribir que:
Ww = ( W2 + Ws ) - W1
donde:
W2: suma de los pesos del matraz y el agua destilada. Ws: Peso de partículas
sólidas. W1: Peso del matraz + agua destilada + suelo.
Este último peso (W1), dependerá de la temperatura a que se encuentre el matraz
durante la medición. Por esta razón, para obtener el peso W2 a la misma
temperatura a la que se tomó W1. Sustituyendo la expresión del peso del agua en
nuestra ecuación original, obtendremos la expresión final del peso específico de
partículas sólidas.
gs = ( ( gwt * Ws ) / ( Ws + W2 ) - W1 )
Cifras normales del peso específico de partículas sólidas (valores aproximados)
Suelo gs Arena 2.65g/cm3
Arcillas inorgánicas (2.5 - 2.9)g/cm3, aumentando con la plasticidad.
Materiales orgánicos ~ 2.3 g/cm3
Suelos con altos contenido de óxidos férrico (limonita) (3.1 - 3.2) g/cm3
Es conveniente hacer más de una medición de W1 a diferentes temperaturas,
obteniéndose así varios valores de gs, con los cuales se obtendrá una media
aritmética.
Este ensayo es muy sencillo, pero delicado, implicando cualquier pequeño error
en la medición una gran diferencia en los resultados.
3.10 Pesos unitarios
El concepto de peso que discutiremos a continuación, es el mismo que ya
conocemos de los estudios de física. Un peso unitario es la relación por
cociente entre un peso y un volumen. En mecánica de suelos utilizamos varios
tipos de estas relaciones.
Peso unitario natural (guh o g un) es la comparación del peso total de la
muestra con relación a su volumen total. Se expresa en las siguientes unidades:
g/cm3, Kg/dm3 y t/m3, prefiriéndose esta última.
guh = W / V
Peso unitario seco (gus) es la relación por cociente entre el peso de las
partículas sólidas y el volumen total. Se utilizan las mismas unidades que en el
peso unitario natural.
gus = W / V
Este concepto de refiere a la muestra al salir del horno, lo cual es una
condición ideal ya que en la realidad siempre las muestras tienen algo de
humedad. Puesto que los especímenes se contraen en el horno, se ha convenido en
tomar el volumen inicial de la muestra. Mientras mayor es el peso unitario seco,
más denso es el suelo, de modo que gus es un medio de evaluar el grado de
compacidad.
Cuestionario
1.- Explique extensamente, la determinación del peso específico de partículas
sólidas:
a) Desarrollo de la fórmula de trabajo, y,
b) Procedimiento de análisis.
II.- Defina o explique brevemente:
a) Valores típicos de pesos específicos de sólidos para los diferentes tipos de
suelos.
b) Razón de preferencia de e sobre n.
c) Picnómetro.
d) Densidad relativa.
e)Peso unitario seco.
f) Grado de saturación.
g) Influencia de la temperatura en el análisis de determinación del peso
específico de partículas sólidas.
h) Determinación de eo en el ensayo de densidad relativa.
Ejercicios resueltos
Ejercicio número 1: Supongamos un proyecto de urbanización que se desea
construir en la ciudad de Santo Domingo. Para ello se ha convenido en realizar
un estudio geotécnico, el cual consta de una serie de perforaciones numeradas U-
1, U-2, U-3, etc. habiéndose obtenido una serie de muestras en cada perforación.
Estas muestras han sido adecuadamente transportadas el laboratorio de suelos.
Para los fines de este ejercicio nos ocuparemos de la muestra número 3 de la
perforación U-1.
"Determinación del contenido de humedad a muestra de laboratorio"
Dato generales: Núm. de muestra: 3 Perforación: U-1 Proyecto: Urbanización
Localización. Santo Domingo Profundidad: 0.60 a 0.90 m Núm. de golpes: 15+24 =
39 Perforista: A. C. Fecha: 24 de agosto de 1970
Tallamos la muestra remitida al laboratorio y obtenemos los siguientes datos con
la ayuda del calibrador o pies de rey.
Di : 4.76 cm D'i: 4.72 cm
Dc : 4.69 cm D'c: 4.68 cm
Ds : 4.68 cm D's: 4.64cm
Dm = (D1 +2Dc + Ds + D'1 + 2D'c + D's)/8 = 4.69 cm
H= 9.35cm
Obtenido el diámetro medio, podemos determinar el área de la muestra(A):
A = ((PHI*Dm)^2) / 4 = 17.29 cm²
y multiplicando este valor por la altura de la muestra (H) obtenemos el volumen
de la muestra :
V = A * H = 161.66 cm3
Nuestro siguiente paso será la determinación del contenido de humedad (w) de la
muestra, para lo cual utilizaremos un formulario que iremos completando a medida
que vayamos obteniendo la información requerida. La muestra se colocó en un
platillo identificado (35) de peso conocido (50.95 g) y se obtuvo el peso de la
muestra en estado húmedo sobre el platillo (296.65 g). A continuación se llevó
la muestra al horno y luego de completado el proceso de secado, se obtuvo el
peso del recipiente más el suelo seco (247.80 g). Con estos valores puede
computarse el contenido de humedad (w).
MUESTRA NUMERO 3
PROFUNDIDAD (m) 0.60 - 0.90
RECIPIENTE NUMERO 35
PESO DE RECIPIENTE + SUELO HUMEDO (g) 296.65
PESO DE RECIPIENTE + SUELO SECO (g) 247.80
PESO DE AGUA (g) 48.85
PESO DE RECIPIENTE (g) 50.95
PESO DE SUELO SECO (g) 196.85
PORCENTAJE DE HUMEDAD 25
w = (Ww/Ws) * 100
w = (48.85/196.85) * 100
w = 25 %
Ejercicio número 2: Determinación de la densidad relativa. Se va a construir un
proyecto de terraplén en el cual se utilizará arena cuya densidad relativa nos
proponemos determinar. Tomamos una muestra y la trasladamos al laboratorio. Lo
primero es aforar el recipiente que usaremos para realizar las mediciones> W=511
g y V = 5,726 cm3. Luego verteremos la arena en él, de foma tal que consigamos
la mayor compactación posible, repitiendo el proceso cuatro (4) veces. Así
obtenemos los siguientes valores:
W = 10,666 g W = 10,653 g W = 10,735 g W = 10,606 g
W promedio = (42,660 g /4) = 10,665 g
El peso del material denso se obtiene restándole al W promedio el peso del
recipiente :
10,665 g - 511 g = 10,154 g
Usando el peso específico de la arena, dato que nos fue suministrado, gs=2.65
g/cm3, podemos determinar el volumen de material>
Vs = W / gs = 10,154 g / 2.65 g/cm3 = 3,831.7 cm3
Volumen de vacíos (Vv) = V - Vs = 5,726 cm3 - 3,831 c,m3 = 1,894.3 cm3
Despreciando el peso del agua, tenemos que el volumen de agua será igual a cero
( ya que numéricamente son iguales)/
Vw = 0
Vg = Vv - Vw = 1,894.3 cm3 - 0 = 1,894.3 cm3
Diagrama de Fases para la arena en estado más denso:
Vg=1,894.3 Wg=0 Vv=1,894.3 Vw=0 Ww=0 V=5,726 W=10,154
Vs=3,831.7 Ws=10,154
Nota : Todos los volúmenes en centímetros cúbicos (cm3) y los pesos en gramos
(g).
Repetimos los explicado anteriormente para la muestra vertida en su estado más
suelto posible y obtenemos los siguientes resultados :
W = 9,263 g W = 9,240 g W = 9,215 g W = 9,137 g W promedio = (36,855 g /4) =
9,214 g
El peso del material suelto se obtiene restándole al W promedio el peso del
recipiente :
9,214 g - 511 g = 8,703 g
Usando el peso específico de la arena, dato que nos fue suministrado, gs=2.65
g/cm3, podemos determinar el volumen de material>
Vs = W / gs = 8,703 g / 2.65 g/cm3 = 3,284.15 cm3
Volumen de vacíos (Vv) = V - Vs = 5,726 cm3 - 3,284.15 cm3 = 2,441.85 cm3
Despreciando el peso del agua, tenemos que el volumen de agua será igual a cero
( ya que numéricamente son iguales)/
Vw = 0
Vg = Vv - Vw = 2,441.85 cm3 - 0 = 2,441.85 cm3
Diagrama de Fases para la arena en estado más denso:
Vg=2,441.85 Wg=0 Vv=2,441.85 Vw=0 Ww=0 V=5,726 W=9,214
Vs=3,284.15 Ws=8,703
Nota : Todos los volúmenes en centímetros cúbicos (cm3) y los pesos en gramos
(g).
eo = (Vv/Vs)=2441.85cm3/3284.15cm3)=0.744
La relación de vacíos del material en estado natural fue suministrada : e =
0.71. Por tanto :
Dr = ((eo - e) / (eo - e mín)) * 100 = (0.744-0.71)/(0.744-0.494))*100 = 13.6%
Ejercicio número 3
Ejercicio número 4
Ejercicio número 5
Ejercicios propuestos
1.- Una muestra correspondiente a un estrato, saturado, de arcilla limosa tiene
309.3 g de peso y 185.1 cm3 de volumen; al ser secada al horno reduce su peso a
197.1 g. Determine su relación de vacíos y peso unitario natural.
Respuesta: e = 1.54 Yuh = 1.67 g/cm3
2.- Los integrantes del subgrupo V. promoción 1976, procesaron la muestra número
2 de un proyecto de urbanización de Santo Domingo, determinándole, tallada, un
peso en estado natural igual a 314.6g y un volumen total de 161.01 cm3, pesando
el espécimen -después de secado al horno- 278.1 g. Compute todas las propiedades
físicas fundamentales (w, e, n, Sr, Yuh, Yus) suponiendo un peso específico de
partículas sólidas igual a 2.75g/cm3.
Respuesta: W = 13%, e = 0.59, n = 37.19%, Sr = 60.96%, Yuh = 1.95g/cm3, Yus =
1.73 g/cm3
3.- Determine la densidad relativa de una muestra de arena ensayada en un
recipiente de 3050 g de peso y 0.1pies3 de volumen, obteniéndose los siguientes
resultados.
Peso del recipiente + material denso = 7782 g 7792 g 7782 g 7932 g
Peso del recipiente + material suelto = 7139 g 7145 g 7139 g 7176 g
Nota : Asuma peso específico de partículas sólidas igual a 2.65 g/cm3, relación
de vacíos igual a 0.78 y desprecie el peso del agua.
Respuesta: Dr = 18.7%
4.- Una muestra de arcilla limosa, inorgánica, procedente del subsuelo de un
área ubicada en la calle Independencia de la ciudad de La Vega tiene en estado
natural un contenido de humedad igual a 28.5 por ciento y un peso unitario de
1517Kg/cm3 así como un peso específico de 2.75 g/c3. Resuelva su diagrama de
pesos y volúmenes, determinando luego su relación de vacíos, grado de saturación
y peso unitario en estado seco.
Respuesta: e = 1.33 Sr = 59% Yus = 1.181 g/cm3
5.- Una muestra de arcilla orgánica con restos de vegetales, situada por debajo
del lecho del río Haina, con un volumen de 374.0 cm3 tiene un peso natural de
571.3 g que posteriormente se redujo a 325.5g al ser secada en horno a
temperatura de 105°C. Compute el peso específico de partículas sólidas,
contenido de humedad, relación de vacíos y pesos unitarios en estado húmedo y
seco.
Respuesta: Ys = 2.54 g/cm3 W = 75.5 % e = 1.92 Yuh = 1.528 Kg/m3 Yus = 870 Kg/m3
6.- Un espécimen de arena tiene en estado natural en peso unitario seco igual a
1580 Kg/m3, habiéndose determinado en laboratorio pesos unitarios en condición
de contenido de humedad nulo, también, iguales a 1510 y 1655 Kg/m3 para los
estados más sueltos y más compacto, respectivamente. Si el peso específico de la
arena resultó ser de 2.65 g/cm3 determine su densidad relativa. ¿Tiene un buen
grado de compacidad natural?
Respuesta:
Dr = 50.65 % - medianamente densa
7.- Determine todos los índices físicos de un espécimen cilíndrico de 7.5 cm. de
diámetro y altura de 15.0 cm., que en estado natural pesó 1.405 Kg. si al
secarse en horno a 105 ° C su peso se redujo a 1.217 Kg; siendo su peso
específico de partículas sólidas igual a 2.75 g/cm3. ¿Qué cantidad de agua
tendría que hacerse penetrar en los vacíos para saturar la muestra?
Respuesta:
Sr = 85.4% W = 15.4% Yuh = 2.120 Kg/m3 Yus = 1,836 Kg/m3 e = 0.50 n = 0.3322
cantidad de agua a adicionar 32.13 cm3.
8.- Una muestra de arcilla de 141.7 gramos de peso, desplaza un peso de mercurio
igual a 1789.76 g: reduciendo su peso, una vez secada al horno, a 85.6 g.
Suponiendo su peso específico de partículas sólidas igual a 2.744 g/cm3, derive
sus propiedades físicas fundamentales.
Respuesta:
W = 65.5 % Sr = 55.66% Yuh = 1.074 g/cm3 Yus = 0.649 g/cm3 e= 3.23 n = 0. 7636
9.- Se dispone a una muestra de laboratorio de forma cúbica cuyas dimensiones
son 12.41 cm de largo, 8.18 cm de ancho y 25.01 cm de alto. Si el peso total de
la muestra en estado seco es de 4.002 Kg, el contenido de humedad natural de
29.92 por ciento y el peso específico de sólidos de 2.800 t/m3, determine todos
sus índices físicos, señalando la cantidad de agua necesaria para que la muestra
se sature.
Respuesta Sr = 82.67% Yuh = 1.938 Kg/m3 Yus = 1.576 Kg/m3 e = 0.78 n = 0.437
cantidad de agua a adicionar 192.31 cm3
10.- Un suelo en estado natural tiene un relación de vacíos igual a 1.23, un
grado de saturación de 67 por ciento y un peso específico de partículas sólidas
equivalente a 2.79 g/cm3 a) determine su contenido de humedad y peso unitario en
estado natural b) compute la cantidad de agua necesaria para saturar un metro
cúbico de suelo
Respuesta:
W = 29.54 % Yuh = 1.621 g/cm3 cantidad de agua necesaria = 0.182 m3
UNIDAD 4
Granulometría
4.1 Clasificación del M.I.T., Simbolismo gráfico
Pese a que los diferentes rangos de tamaño de las partículas de suelo han sido
nombrados con términos de igual significación mundial, son muchas las
clasificaciones establecidas fundamentadas en límites arbitrarios y ligeramente
desiguales para los tamaños de los corpúsculos. De ellas presentaremos el
ordenamiento del Instituto Tecnológico de Massachusetts (M.I.T.), representado a
continuación en la figura 4.1 donde se incluye el simbolismo gráfico
frecuentemente utilizado en el país. Clasificaremos como grava a todo elemento
granular compuesto por grandes granos minerales, cuyo diámetro sea mayor que 2.0
mm. Si el diámetro del elemento sobrepasase los 75mm., lo llamaríamos bolo. De
igual forma clasificamos como arena al suelo compuesto de partículas minerales
cuyo diámetro varía entre 2.0 y 0.06 mm. Las arenas y las gravas son llamados
suelos gruesos. Un suelo cuyo diámetro de partículas estuviera en el entorno
comprendido entre 0.06 y 0.002 mm. se consideraría un limo y pertenecería a los
suelos finos. Su textura se advierte al tacto como la de la harina de trigo. Las
arcillas son suelos muy finos cuyo diámetro de partículas es menor de 0.002 mm.,
siendo cualquier partícula de diámetro menor de 0.002mm. Considerada como
coloide. El tamaño de las arcillas y los coloides es microscópico.
En el principio, durante los comienzos de la investigación de las propiedades de
los suelos, se pensó que la distribución de los diferentes tamaños de las
partículas constituyentes de un material era la piedra filosofal de la mecánica
de suelos, creyéndose así que las propiedades físico-mecánicas de los suelos
dependían únicamente de su granulometría. En la actualidad, sabemos que su
importancia en la determinación del comportamiento de los materiales es grande,
pero no decisiva.
La granulometría se define como la distribución de los diferentes tamaños de las
partículas de un suelo, expresado como un porcentaje en relación con el peso
total de la muestra seca. Aprenderemos a utilizarla como un instrumento en la
clasificación de los materiales, ya que la descripción por tamaño tiene especial
interés en la selección de materiales para rellenos de carreteras y presas, los
cuales requieren materiales con graduaciones determinadas.
4.2 Análisis granulométrico por tamices
Nuestras herramienta principal de trabajo para este proceso es la malla o tamiz.
Existen dos escuelas, claramente diferenciables, en cuanto a la forma en sí del
tamiz: la escuela alemana y la escuela norteamericana. La escuela alemana
utiliza una plancha metálica agujereada, mientras que la escuela norteamericana
forma la malla con hilos metálicos dispuestos en forma de cuadrícula (véase
figura 4.2).
No puede afirmarse en ningún momento que una escuela sea superior a la otra en
esta aspecto; cada una tiene sus ventajas, como también sus desventajas. Las
mallas alemanas tienen la bondad de presentar orificios circulares que se
asemejan más a la forma de las partículas que el cuadro de las mallas
norteamericanas. Ahora bien, las planchas agujereadas presentan zonas ciegas,
donde puede quedar retenido material que de otra manera hubiera pasado, quedando
este efecto reducido a un mínimo en las mallas norteamericanas. Ya se utilice
una o la otra, siempre debe tenerse la precaución de no mezclar ambas normas,
advertencia que puede ser aplicada a todas las ramas restantes de la ingeniería
civil.
Dentro de la escuela norteamericana, podemos distinguir dos tipos de tamices: La
serie Tyler: en este juego de tamice, cada malla tiene una separación veces
mayor que la del cedazo próximo menor y su designación numérica corresponde al
número de aberturas por pulgada lineal. La serie U.S. Standard: a diferencia de
la serie anterior, los números que designan a cada tamiz son inversamente
proporcionales al tamaño de las aberturas. Por ejemplo : un tamiz Núm. 200 tiene
aberturas igual a la mitad de las correspondientes a la malla Núm. 100. Cuando
las mallas son muy gruesas, usamos para su identificación la separación entre
hilos. En nuestro laboratorio usaremos la serie U.S. Standard.
Estas mallas son fabricadas con mucho rigor en acero inoxidable o bronce y se
montan en unos aros del mismo material. En estos aros vamos a tener un rótulo o
chapa donde el fabricante imprime el número del cedazo y el tamaño de la
abertura. Existen tamices de forma y tamaño diversos que dependen del volumen de
la muestra a procesar, siendo el más utilizado, de ocho pulgadas de diámetro.
Dichos cedazos se utilizarán de forma acoplada como se muestra en la figura 4.3,
por lo que tienen unas pestañas troqueladas en ambos extremos, de forma tal que
pueden ser enchufados entre sí para formar una batería de mallas. Como elementos
distintos tenemos una tapa en la parte superior y un recipiente con fondo de
chapa metálica que sirve de colector y que se designa frecuentemente por el
vocablo inglés, "pan".
La selección de los cedazos se hace en forma ordenada de manera tal que podamos
recabar toda la información necesaria, la cual será mayor mientras más cedazos
utilicemos.
4.3 Representación gráfica semi-logaritmica acumulativa
Para representar gráficamente la distribución de los diversos tamaños de
partículas que contiene una muestra de un material, hará falta seguir un proceso
de ensayo granulométrico por cedazos. Nuestro primer paso será la selección de
la muestra a ensayar, proceso ya descrito en el acápite 3.7 de este Manual. Esta
muestra, luego de determinado su peso, se coloca en su totalidad, seca, en la
malla más gruesa de nuestra batería de tamices y al vibrar el conjunto de
mallas, conseguiremos que cada corpúsculo se quede en la malla de tamaño menor
al de su diámetro. Esta vibración se logra mediante un aparato accionado por una
manivela, como el que se muestra en la figura 4.4, o bien mediante el vibrador
mecánico mostrado en la figura 4.5 y se continuará hasta lograr que no quede en
ninguna malla una partícula de diámetro menor a la de la abertura
correspondiente. En cada tamiz, tendremos, pues, la cantidad de elementos cuyo
tamaño sea inmediatamente superior al del cedazo correspondiente.
Conviene aclarar que la labor previa a la realización de este ensayo es la
limpieza de las mallas con aire a presión o con un cepillo metálico, la cual no
es menester que sea muy rigurosa puesto que las partículas que le queden
adheridas estarán incluidas en el peso del cedazo.
Se pesa cada cedazo con una precisión de décimas en gramo, registrándose el peso
del cedazo vacío. Luego, se determina el peso del cedazo, más el material
retenido en él; con lo que se obtiene el peso del material retenido mediante una
simple diferencia de pesos, valor con el cual se determina el porciento de
material retenido mediante la siguiente expresión:
Por ciento de material retenido = peso de material retenido/peso de material
empleado) * 100
Para facilitar los cálculos, muchas veces se elige el peso de material seco
empleado igual a un múltiplo de cien, ya que si en el denominador de la
expresión anterior tenemos 1000 gramos, por ejemplo, el por ciento de material
retenido se obtiene con sólo dividir el peso de material retenido por diez. Sin
embargo, debe cuidarse la no alteración de la muestra en la búsqueda de la
simplicidad de cómputos, sobre todo en el caso de materiales que contengan
partículas finas.
Teóricamente, la suma de los pesos retenidos en cada malla debe ser igual al
peso inicial, pero ésta se ve afectada por los factores de error. Consideraremos
el trabajo aceptable cuando el error por exceso o defecto sea menor de 3%. En el
caso de que estemos trabajando con una muestra cuyo peso seco empleado sea de
1000 g y la suma de pesos de material retenido sea de 998g, el trabajo está
pragmáticamente bien; y la diferencia de 2 g se reparte " a sentimiento " entre
los pesos mayores. Con este control de aceptación del ensayo y con el error
distribuido, la suma de los por cientos de material retenido debe resultar igual
a 100%.
Al hacer el gráfico, remate del ensayo, se puede trabajar indistintamente con el
porcentaje acumulativo retenido o el porcentaje más fino, correspondiendo este
último al complemento en 100 del material retenido. Con sólo observar las
gráficas representadas en la figura 4.6, podemos obtener una idea cualitativa
del tipo de material, ya que los tramos horizontales tienden a representar
carestía de tamaños y los tramos verticales, predominio de determinado diámetro
de partículas. Por lo tanto, el material mejor graduado sería aquel cuyo gráfico
granulométrico fuera una línea recta desde el límite superior de la izquierda
hasta el límite inferior de la derecha.
4.4 Parámetros: diámetros efectivos y coeficientes de uniformidad y curvatura
Un análisis cuantitativo del gráfico granulométrico semilogaritmico acumulativo
exige el uso de parámetros, tales como:
D10: tamaño máximo de las partículas que constituyen la porción 10% más fina del
suelo. Recibe el nombre particular de diámetro efectivo.
D30: tamaño máximo de las partículas que constituyen la porción 30% más fina del
suelo.
D60: tamaño máximo de las partículas que constituyen la porción 60% más fina del
suelo.
Estos dos últimos parámetros no tienen nombres literales y el de diámetro
efectivo fue ideado por Allen Hazen.
Su obtención es muy sencilla: consiste en trazar abcisas por los porcentajes
10,30 y 60 de material pasante hasta intersecar la curva granulométrica
semilogarítmica acumulativa. Los diámetros correspondientes a los puntos de
intersección serán, respectivamente, D10, D30 y D60. Estos parámetros servirán
para la obtención de los coeficientes de uniformidad y curvatura que definen
cuantitativamente la graduación de los materiales granulares.
El coeficiente de uniformidad (Cu) es la razón por cociente entre D60 y D10. No
tiene valores límites.
Cu = D60/D10
Esta idea fue producto de Allen Hazen para clasificar arenas de filtro rápido de
acueductos.
A medida que D60 se aleja más de D10, aumenta el coeficiente de uniformidad, lo
que significa que mejora la graduación del material. Si, por el contrario, son
muy parecidas, tenemos un material mal graduado cuya gráfica tiende a una línea
vertical. De modo que Cu mide la mejor representación de tamaños. En arenas
graduadas: Cu >6, mientras que las gravas bien graduadas son aquellas en las que
Cu > 4.
Podría ser que entre los puntos D60 y D10 el gráfico tuviera algunas
sinuosidades, por lo que conviene tener una medida intermedia que es lo que
persigue el coeficiente de curvatura (Cc), denominado así porque se está
controlando la curvatura o rectitud del gráfico en ese intervalo.
Cc=(D30^2)/(D10 x D60)
La experiencia indica que materiales bien graduados poseen un coeficiente de
curvatura fluctuante entre 1 y 3.
Lavado por la malla Núm. 200
El tamiz núm. 200 tiende a dificultar el paso de partículas de materiales muy
finos, pues éstas al agrumarse parecen tener diámetros mayores que los reales.
Por esta razón, haremos uso del lavado por la malla núm. 200 que consiste en
verter la totalidad de la muestra previamente seleccionada en dicho tamiz y
adicionarle agua hasta que se advierta que ésta sale clara, sin contener
partículas (véase figura 4.7). Esta agua tiende a lubricar los pequeños granos,
evitándose así la formación de grumos. El material pasante se irá con el agua,
perdiéndose el control de aceptación del ensayo. Para evitar esto, se pudiera
recoger el agua, decantarla y evaporarla obteniéndose luego el peso de material
pasante; proceso que resultaría tedioso por lo que corrientemente adjudicamos al
tamiz núm. 200 el error cometido en el ensayo.
Clasificaciones literales
Los términos principales para describir en suelo utilizados por el ingeniero
civil son grava, arena, limo, y arcilla. La mayoría de los materiales en su
estado natural son una mezcla de uno o más de estos constituyentes y muchos
contienen materia orgánica en un estado parcial o totalmente descompuesto. A la
mezcla se le dará el nombre del elemento constituyente que tenga la mayor
influencia sobre su comportamiento y los restantes se indicarán como adjetivos.
Así, una arcilla limosa tiene predominantemente las propiedades de la arcilla,
pero contiene una cantidad, entonces se citan los elementos separados por la
conjunción "y" sin que importe el orden de aparición. Suele ocurrir que en
algunos materiales aparecen constituyentes en muy poca cantidad, casos en los
cuales se utiliza el término "trazas". Un limo arcilloso con trazas de grava
señalará que la cantidad de grava es despreciable.
Ejemplo de granulometría por mallas
Se desea construir un proyecto de presa en nuestro país, para el cual se han
tomado muestras en diferentes puntos de una mina. Convenimos en elegir, para los
fines de este ejemplo, una muestra localizada próxima a un corral.
1.-Se pesa la totalidad de muestra representativa seca con una precisión de
décimas de gramos, obteniéndose 1378.5g. Este material se somete a un lavado por
la malla núm. 200, en la cual queda retenida una porción de suelo cuyo peso
resulta igual a607.0g. Lógicamente, la diferencia en peso entre el material en
estado seco y luego de lavado es el suelo pasante por dicha malla, que se fue
con el agua; o sea, que el peso de suelo retenido en el "pan" resulta de 771.5g.
2.- Hacemos pasar la porción de material retenida en la malla núm. 200 por la
batería de cedazos mostrada en la figura 4.3, de la cual tomaremos el número que
cada tamiz lleva impreso en su rótulo y lo anotaremos en la primera columna del
formulario que se presenta a continuación. Los valores correspondientes a las
aberturas del cedazo pueden tomarse de la tabla incluida en el apéndice de esta
unidad. El paso sucesivo de la muestra de suelo a través del juego de tamices
provoca la retención de las partículas de tamaño inmediato superior al de la
abertura.
3.- Habiendo determinado previamente el peso de cada uno de los cedazos
seleccionados para el ensayo, procederemos a pesar los cedazos con materiales
retenidos no es más que el peso del cedazo más material menos el peso del
cedazo. Para el colector o "pan" tenemos: 403.7 g. - 403.4 g. = 0.3 g. esta
diferencia se debe a errores cometidos en el ensayo, ya que si estamos ensayando
material retenido en la malla núm. 200 después del lavado, no debe caer nada al
"pan". Como estos 0.3 g. sólo representan un 0.2% del peso de la muestra total,
lo que hacemos es que sumamos los 0.3 g. con los 771.5 g. pasante y colocamos
771.8 g. como peso de suelo retenido en el colector.
4.- Se determinan los porcentajes que los pesos de suelo retenido representan
respecto al peso de la muestra total. Para el tamiz núm. 3/8, por ejemplo, el
porcentaje retenido es:
(141.7/1378.5) x 100 = 10.28%
5.- Los valores tabulados en la penúltima columna se determinan mediante la suma
acumulativa de los porcentajes retenidos en todas las mallas de mayor tamaño.
Así notamos que para el cedazo núm. 4, el porcentaje acumulativo retenido es de
16,74% , igual a la suma de 0.00%, 10.28% y 6.46%. Si a 100% le vamos
sustrayendo los últimos valores obtenidos, determinaremos los porcentajes más
finos; de modo que el complemento en 100% del porcentaje acumulativo retenido,
da el porcentaje de suelo menor al tamaño representado por la malla de que se
trate.
6.- Completado el formulario descrito, pasamos a la representación gráfica
semilogarítmica mostrada en la figura 4.8 cuyos puntos se localizan fácilmente
por medio de los valores tabulados en la primera y última columnas.
4.5 Cantidades de los diferentes rangos de partículas
A partir de la representación gráfica semilogarítmica acumulativa, es posible
determinar las cantidades de los diferentes tamaños de partículas mediante un
simple proceso gráfico. Por los puntos de intersección de las ordenadas
correspondientes a los valores límites de la clasificación M.L.T. y la curva
granulométrica, trazamos rectas horizontales, determinándose en la escala
vertical los porcentajes da la amplitud del intervalo en correspondencia con las
cantidades de los tamaños de partículas del suelo ensayado.
Si escogemos la curva de un material bien graduado representada en la figura 4.6
y realizamos el proceso anterior, obtenemos los siguientes porcentajes para las
líneas horizontales de trazos: 100%, 82%, 49%, 23%, y 0%; de modo que los
valores buscados son:
Cantidad de grava : 100.0% - 82.5% = 17.5 % Cantidad de arena : 82.5% - 49.0% =
33.5 % Cantidad de limo : 49.0% - 23.0% = 26.0 % Cantidad de arcilla : 23.0% -
0.0% = 23.0 %
Evidentemente la suma de los porcentajes resultantes debe ser igual a 100%.
Cedazos de bronce de 8" de diámetro Designaciones U.S.S.-ASTM
Tamaño o número del cedazo Abertura del cedazo
milímetros pulgadas
Serie Gruesa
4 101.6 4.00
3-1/2" 88.9 3.50
3" 76.2 3.00
2-1/2" 63.5 2.50
2" 50.8 2.00
1-3/4" 44.4 1.75
1-1/2" 38.1 1.50
1-1/4" 31.7 1.25
1" 25.4 1.00
7/8" 22.2 0.875
3/4" 19.1 0.750
5/8" 15.9 0.625
1/2" 12.7 0.500
7/16" 11.1 0.438
3/8" 9.52 0.375
5/16" 7.93 0.312
Serie Fina
3-1/4" 6.35 0.250
3-1/2" 5.66 0.223
4 4.76 0.187
5 4.00 0.157
6 3.36 0.132
7 2.83 0.111
8 2.38 0.0937
10 2.00 0.0787
12 1.68 0.0661
14 1.41 0.0555
16 1.19 0.0469
18 1.00 0.0394
20 0.84 0.0331
25 0.71 0.0280
30 0.59 0.0232
35 0.50 0.0197
40 0.42 0.0165
45 0.35 0.0138
50 0.297 0.0117
60 0.250 0.0098
70 0.210 0.0083
80 0.177 0.0070
100 0.149 0.0059
120 0.125 0.0049
140 0.105 0.0041
170 0.088 0.0035
200 0.074 0.0029
230 0.062 0.0024
270 0.053 0.0021
325 0.044 0.0017
400 0.037 0.0015
Cuestionario
1.-Defina o explique brevemente:
a) Curva granulométrica acumulativa.
b)Coeficiente de uniformidad.
c)Diámetro efectivo. d)Limo.
e)Coeficiente de curvatura.
f)Control de errores en la prueba granulométrica por mallas.
Ejercicio resuelto
Determine con los siguientes datos de laboratorio incompletos wi coeficiente de
uniformidad, el coeficiente de curvatura y los diferentes rangos de partículas.
Ejercicio propuesto
Supongamos que nos llegue al laboratorio un muestra de arena con la finalidad de
determinar si la misma puede usarse como filtro en un proyecto de acueducto.
Para ello, precisaremos de un ensayo granulométrico por mallas que hemos de
computar y graficar con los datos presentados a continuación. Determine: D10,
D30, D60,Cu, Cc.
UNIDAD 5
Análisis mecánico por sedimentación
El método que trataremos establece un procedimiento para la determinación
cuantitativa de la distribución de los tamaños de partículas en los materiales
finos, no posible mediante el ensayo de tamices. El cedazo de menor abertura que
se puede utilizar en el laboratorio es el núm. 200, cuyas separaciones entre
hilos de 0.074 mm permiten el paso de toda la arcilla y el limo y hasta algo de
arena fina, sin que podamos diferenciar sus cantidades presentes en el suelo.
Para obviar estas dificultades emplearemos un análisis basado en la medición de
las velocidades de sedimentación de una esfera en un medio fluido, estudiadas
por el físico G.G. Stokes en 1850.
5.1 Ley de Stokes
Stokes determinó que la velocidad de caída de una esfera perfecta en un medio
fluido es directamente proporcional a la diferencia de los pesos específicos de
la espera y el líquido, y al cuadrado del diámetro de la esfera, e inversamente
proporcional a la viscosidad de la masa líquida. Estableciendo así la siguiente
expresión analítica:
v = (Ys - Yw )/18m) * D²
donde: V : velocidad de caída de la esfera [ cm/seg] Ys: peso específico de la
esfera que se considera [ g/cm3] Yw: peso específico del medio fluido [ g/cm3] m
: viscosidad del medio fluido [g. seg/cm²] D : diámetro de la esfera [cm] De
esta fórmula, podemos despejar el diámetro de la esfera que se sedimenta:
D² = (18µ - (Ys-Yw)) * v
. : D = RAIZ ( (18µ - (Ys-Yw)) * v )
Sabemos que la velocidad no es más que el espacio recorrido en una unidad de
tiempo, en consecuencia, si designamos el espacio recorrido por z y el tiempo
por t, la fórmula se transformaría en :
D = RAIZ ( (18µ - (Ys-Yw)) * (z/t) )
Una última sustitución será necesaria para emplear la velocidad en poises.
1 poise = (1 dina + 1 seg ) / 1 cm²
1 dina = (1 / 980 ) g . : 1 poise = (1 / 980) * (g*seg)/cm²)
Luego, la expresión anterior para el diámetro de la esfera que sedimenta será :
D = RAIZ ( ((18/980) - (µ / (Ys-Yw)) * (z/t) )
Si suponemos esféricas las partículas finas de un suelo, la expresión anterior
nos dará el diámetro de ellas en función de su velocidad de sedimentación. Para
poder separar los porcentajes de cada tamaño de partículas, recurriremos al
ensayo por hidrómetro.
5.2 El hidrómetro de Bouyoucos
Este aparato, que se observa en la figura 5.1 será nuestro instrumento principal
de trabajo. El hidrómetro está fabricado en cristal y consta de un tallo que
contiene una escala numerada y de un bulbo, en cuya parte inferior se encuentra
un lastre. El hidrómetro de Bouyoucos no es más que un densímetro al cual se ha
colocado una escala capaz de medir gramos de suelo en suspensión.
5.3 Proceso de laboratorio
El material a ensayar se seca rigurosamente y se pesa. Utilizaremos suelo
pasante por alguna malla fina ( núm. 200, 100, 80 , 40, etc. ) en pesos no
mayores de 60 g para no sobrepasar la capacidad del hidrómetro. La muestra se
coloca en un vaso de laboratorio, añadiéndose a continuación un agente
dispersante que evita la formación de grumos por las partículas del material.
Este proceso será convenientemente explicado en el próximo acápite. A seguidas,
añadimos un poco de agua, agitándose la mezcla resultante para hacerla homogénea
y se deja en remojo por un mínimo de 18 horas. Nuestro siguiente paso será
lograr la dispersión de las partículas, para lo cual nos valdremos del aparato
agitador, mostrado en la figura 5.1, consistente básicamente, en una batidora de
jugos. Consta de un motor eléctrico colocado convenientemente, que hace girar un
eje vertical diseñado para este fin. Al cabo del período del remojo, la muestra
a mover se coloca en un recipiente de la batidora, eliminando cualquier residuo
adherido al vaso con un chorro de agua producido por un frasco lavador como el
que se muestra en la figura 5.1. Se añade agua destilada o desmineralizada, si
fuera necesario, para que el recipiente se encuentre más de la mitad lleno. Se
batirá por un período de un minuto.
Inmediatamente después de terminado el proceso de dispersiones, se transfiere la
muestra a un cilindro de sedimentación de cristal con capacidad de1000 ml,
añadiendo agua destilada o desmineralizada hasta completar este volumen.
Cubriendo el extremo abierto del cilindro de sedimentación con la palma de la
mano, éste se vuelve al derecho y al revés alternadamente 60 veces en un minuto
para así lograr la dispersión final. Al cabo del minuto se coloca el cilindro en
un lugar apropiado tomándose el tiempo inicial, dando así inicio al ensayo de
sedimentación.
Se tomarán lecturas con el hidrómetro al cabo de 0.5, 1, 2, 5,15, 30, 60,120,
360 y 1440 minutos, desde el inicio.
Cuando se va a efectuar una lectura del hidrómetro, éste se introduce
cuidadosamente en la suspensión con 20 a 25 segundos de anticipación, no
debiendo ser tomada la lectura hasta que el instrumento haya alcanzado su estado
de equilibrio. La lectura se efectuará en, la parte más elevada del menisco
formado por la suspensión junto al tallo, ya que no se pueden asegurar
mediciones precisas en la parte inferior, al tratarse de líquidos con sólidos en
suspensión. Tan pronto finaliza una observación, el hidrómetro se remueve
cuidadosamente, de tal forma que no se altere el proceso de sedimentación.
Después de cada lectura, se mide la temperatura de la suspensión, con precisión
de décimas de grado, insertando un termómetro en el cilindro graduado.
5.4 Correcciones por temperatura, observación del menisco en su parte más
elevada e influencia del agente dispersante.
Las partículas pequeñas generalmente están cargadas de electricidad estática,
por lo que se atraen o repelen entre sí, provocando resultados erróneos en la
medición. Algunos materiales formarán grumos en forma floculada, aparentando ser
partículas de mucho mayor tamaño que el real. Por esta razón, se utilizan los
defloculantes. Estos son compuestos químicos que inhiben la formación de grumos
por las partículas. En su composición generalmente toma parte el sodio. Algunos
defloculantes comúnmente utilizados son: Silicato de Sodio, Oxalato de Sodio,
Hidróxido de Sodio, Acido clorhídrico diluido, Peróxido de Hidrógeno (agua
oxigenada), y Metasilicato de Sodio, siendo este último el que hemos preferido
en el país.
Los hidrómetros están graduados por el fabricante para ser leídos en la parte
inferior del menisco formado por el líquido sobre el tallo. De esta forma no es
posible tomar la lectura adecuadamente cuando se trata de líquidos con sólidos
en suspensión, por lo que se ha convenido en tomar las lecturas en la parte
superior del menisco y luego aplicar una corrección.
Al utilizar un agente dispersante en el agua, el peso específico (Yw) del
líquido resultante será apreciablemente mayor que el del agua destilada. También
ocurre que el hidrómetro está calibrado para ser utilizado a una temperatura de
20° C, produciéndose errores en la medición al efectuar el ensayo a temperaturas
diferentes de ésta. Por tanto es necesario determinar, experimentalmente, una
corrección que incluya los tres errores hasta ahora mencionados, la cual
denominaremos R, y graficaremos en función de la temperatura. Las mediciones de
estas correcciones se pueden hacer suponiendo que varían linealmente, a dos
temperaturas que limiten el rango esperado de variación de la temperatura
durante el ensayo. La figura 5.2 representa un diagrama de correcciones para
lecturas de un hidrómetro de laboratorio. En ella se observa la variación casi
lineal de la gráfica.
En la construcción de la curva anterior se realizó el proceso que explicamos a
seguidas. Se preparan 1000 ml de agua y defloculante, colocándose a continuación
en el cilindro de sedimentación ya mencionado, el cual se introducirá entonces
en baño de María, para conseguir una de las temperaturas elegidas. Cuando la
temperatura del líquido se mantenga constante, se introducirá el hidrómetro y se
tomará la lectura en la parte superior del menisco, luego de un corto intervalo
para permitir que el hidrómetro tome la misma temperatura del líquido. La
corrección buscada será la diferencia entre este valor y cero. El hidrómetro
puede dar valores negativos durante la calibración, por lo que posee una escala
para tal caso. Luego se varía la temperatura y se toma la corrección
correspondiente.
Llamando R al sumando de corrección y R1 a la lectura del hidrómetro, la lectura
corregida R, será igual a la suma de los dos valores anteriores.
R = R1+ R
La expresión que nos dará el porcentaje del suelo que permanece en suspensión
será:
P = ( R / Ws ) x 100
Donde:
P: porcentaje de suelo que permanece en suspensión al nivel donde el hidrómetro
mide la densidad de la suspensión
R: lectura corregida del hidrómetro
Ws : peso del suelo seco utilizado en el ensayo (generalmente 60 gramos )
El hidrómetro viene calibrado por el fabricante para materiales en suspensión
cuyo peso específico sea de 2.65 g/cm3. Los materiales a ensayar no
necesariamente cumplirán con esta característica, por lo se hará necesaria la
introducción de un factor de corrección que designaremos por "a". Así, la
fórmula queda transformada en la siguiente:
P = ( (R. a) / Ws ) x 100
A continuación, se presentan en forma tabulada los factores de corrección "a"
dependientes de la densidad del medio en suspensión función del peso específico
de partículas sólidas del material que se ensaya.
Ys [g/cm3] a 2.95 0.94 2.90 0.95 2.85 0.96 2.80 0.97 2.75 0.98 2.70 0.99 2.65
1.00 2.60 1.01 2.55 1.03 2.50 1.04 2.45 1.05 2.40 1.07 2.35 1.08
a = ( ((2.65 - 0.9984)/2.65) x (Ys -(Ys-1)) )
Como el material que se utiliza para este ensayo no es, en todos los casos, el
ciento por ciento del material total, sino el pasante por alguna malla fina
elegida, tendremos que afectar el por ciento resultante de un factor que
represente el porcentaje pasante respecto a la totalidad de la muestra.
5.5 Cómputos a partir de valores supuestos
El diámetro de las partículas correspondientes a un porcentaje indicado por una
lectura del hidrómetro, se calculará utilizando la Ley de Stokes ya estudiada,
en el supuesto de que una partícula de este diámetro estaba en la superficie de
la suspensión al principio de la sedimentación, y que ésta se había asentado
hasta el nivel donde el hidrómetro está midiendo la densidad de la suspensión.
Desde ya estamos incurriendo en un error, pues la Ley de Stokes considera la
velocidad de una esfera única sedimentándose en una masa infinita de fluido.
Así, los diámetros que se calculan representan los diámetros de esferas que
caerían a la misma velocidad que las partículas de suelo.
Para utilizar la Ley de Stokes, en nuestro caso, será necesaria la introducción
de valores ficticios en la fórmula para obtener de este modo una expresión del
diámetro como función exclusiva del tiempo. Más tarde se emplearán factores que
corregirán estos valores arbitrarios. Los valores que utilizaremos será:
µ = 0.0102 poise Z = 32.5Cm Ys = 2.65 g/cm3 Yw = 0.9984 g/cm3 (correspondiente a
una temperatura de 19.4° C.) Luego, la fórmula que nos dará el diámetro en
función del tiempo será:
Dp = RAIZ ( ((18*0.0102)/(980*(2.65-0.9984))) * (32.5/t) ) = f(t)
donde Dp : diámetro en centímetros de la partícula que se sedimenta. T: tiempo
en segundos que media entre el inicio del proceso de sedimentación y el instante
en que efectuaremos la lectura del hidrómetro.
En consecuencia, el diámetro máximo de las partículas de suelo en suspensión,
aplicando la Ley de Stokes y hechas las asunciones anteriores, se presentan en
forma tabulada en función del tiempo transcurrido.
tiempo (min.) diámetro máximo de las partículas de suelo (mm)
0.50 0.086 1.00 0.061 2.00 0.043 5.00 0.027 15.00 0.016 30.00 0.011 60.00 0.008
120.00 0.006 360.00 0.003 1440.00 0.002
Las figuras 5.4, 5.5 y 5.6, nos muestran gráficas donde están situados
coeficientes de corrección por elevación del hidrómetro en la suspensión, por
variación en la viscosidad del agua y por variación en el peso específico de
partículas sólidas. A continuación de detallará la obtención de dichas curvas.
5.6 Corrección por elevación del hidrómetro (KL)
Este factor servirá para corregir el valor arbitrario que se eligió para Z y que
varía con la posición del hidrómetro en la suspensión. El valor de Z es la
distancia desde una lectura dada de la escala, hasta el centro de volumen del
hidrómetro, el cual se considerará, para fines prácticos, en el mismo lugar que
el centro de volumen del bulbo, pues el tallo ejercerá poca influencia. En los
hidrómetros este punto se encuentra a 0.42 L' es la distancia desde la lectura
en la escala que se considera, hasta el extremo inferior del hidrómetro, y cuya
determinación se hace mediante dos cartabones, tal como se muestra en la figura
5.3.
Todo coeficiente de corrección deberá eliminar el efecto creado por el valor
asumido arbitrariamente e introducir el valor real. En nuestro caso, tenemos que
el valor asumido fue de 32.5 cm y el valor real de 0.42 L'. Como Z se encuentra
bajo un radical, también lo estará su factor de corrección.
KL = RAIZ ((0.42 * L’)/32.5)
Si preparamos el gráfico del coeficiente de corrección KL en función de la
lectura del hidrómetro, obtendremos una curva como la que se muestra en la
figura 5.4, construida para el hidrómetro Núm. 81533 de nuestro laboratorio.
Corrección por el peso específico de partículas sólidas (Kg)
Esta corrección será la que eliminará el error introducido al asumir el peso
específico de partículas sólidas igual a 2.65 g/cm3. A diferencia de la
corrección anterior, Kg no varía de hidrómetro a hidrómetro, siendo un valor
universal.
El coeficiente de corrección será el valor que introduzca el peso específico
real, eliminando el ficticio. El lector puede deducir la determinación de este
factor.
Kg = RAIZ ((2.65-.9984)/(Ys-.9984))
Establecidos los valores de variaciones de este coeficiente en función del peso
específico de partículas sólidas, obtenemos la gráfica que se muestra en la
figura 5.5. Será imprescindible que se determine previamente el peso específico
de las partículas sólidas del suelo que se ensaya. Entrando con este valor a la
gráfica, obtenemos de inmediato el valor de la corrección.
Corrección por la viscosidad de la suspensión (Kµ)
Al calcular el diámetro final como fusión exclusiva del tiempo, asumimos una
viscosidad para el agua de 0.0102 poise. Este valor varía en función de la
temperatura a la que se encuentre el líquida, siendo independiente del
hidrómetro de que se trate.
El coeficiente tendrá la expresión siguiente:
Km = RAIZ (m / 0.0102)
Relacionando este coeficiente con la temperatura a la que se realiza el ensayo,
obtendremos el diagrama presentado en la figura 5.6. Por lo tanto, para fijar el
coeficiente de viscosidad correspondiente a una lectura, entraríamos al diagrama
con la temperatura a que se realizó la medición.
Con todos los coeficientes ya determinados, el diámetro real de las partículas
que aún no sedimentan viene dado por la siguiente fórmula.
Dr = Dp * KL * Kg * Kµ
Donde :
Dr: diámetro real de las partículas
Dp: diámetro provisional
KL: corrección por elevación del hidrómetro
Kg : corrección por peso específico de partículas sólidas
Kµ: corrección por la viscosidad de la suspensión
5.7 Limitaciones del método de sedimentación
Se acostumbra coordinar los ensayos por mallas e hidrómetro de modo tal que
resulte en el gráfico granulométrico una zona de información común por ambos
métodos, siendo frecuente al llevar los resultados al papel semilogarítmico, que
en la citada zona no se produzca el solapado esperable. Esto sucede así por la
diferencia radical en los fundamentos de los métodos utilizados y por los
errores en que se incurre en las mediciones y en la utilización de la Ley de
Stokes. A continuación, enumeramos las aberraciones de que adolece este método:
1.- El medio del fluido o suspensión no es infinito, sino, por el contrario,
bien limitado e igual a un decímetro cúbico.
2.- A pesar del uso de los defloculantes, algunos corpúsculos tienden a
reunirse, formando grumos o flóculos.
3.- Los descensos de las partículas no se efectúan en libertad absoluta, sino
que lo hacen chocando entre sí o con las paredes de la probeta de cristal.
4.- Las partículas de distintos tamaños tienen frecuentemente orígenes
mineralógicos diferentes y en consecuencia pesos específicos desiguales,
utlizándose un peso específico medio de partículas sólidas
5.- Lo que se mide ciertamente es el diámetro de una partícula equivalente,
esférica, que desciende con igual velocidad que la real. Las partículas de
arcilla se alejan mucho de ser esferas perfectas, siendo de forma achatada y con
un espesor a veces de hasta cinco veces menor que su diámetro.
Ejemplo de análisis hidrométrico
Este es una continuación del ejemplo de granulometría por mallas explicado en la
unidad anterior. La información recabada del uso de tamices no se extiende más
allá de la malla Núm. 200, por lo que se hace necesario el empleo del análisis
hidrométrico para determinar la graduación de los materiales finos.
Tomamos un peso (Ws) igual a 50 g de material pasante por la malla núm. 40, cuyo
peso específico de partículas sólidas se determinó previamente mediante el
proceso explicado en el acápite 3.9 de este Manual, resultando ser de 2.81
g/cm3. Para este valor de Ys corresponde un factor de corrección "a" de 0.968.
Se determinó entonces que un 65.17 por ciento de la muestra total pasaba por la
malla núm. 40. Este valor es importante, pues el por ciento de suelo en
suspensión para determinado diámetro habrá de ser afectado por el factor 0.6517
en la obtención del por ciento del total de la muestra. La muestra a ensayar se
coloca en un "beaker" y se añade a continuación el agente dispersante que se
haya elegido y en la proporción precisa. Luego se procede a añadir un poco de
agua destilada o desmineralizada y a agitar la mezcla resultante. En pos de
resultados óptimos, se acostumbra a remojar la muestra durante 18 horas como
mínimo, tiempo al cabo del cuál se procede a la dispersión de las partículas por
medio de un artificio de dispersión como es la batidora que se describió
anteriormente.
Concluida la dispersión, se pasa la mezcla al cilindro graduado, completándose
el volumen prefijado de 1000 ml. Se toma el tiempo inicial y se procede a
registrar en la primera columna del formulario que a continuación se muestra,
todos los tiempos de observaciones referidos a nuestra hora de inicio del ensayo
, a las 10:24:30. Dicha lectura, efectuada con todas las precauciones ya
explicadas en el acápite 5.2, es de 30.6 g/1 de suspensión. Luego, se lee la
escala del termómetro que indica una temperatura de 28° C. Así se llenan las
cuatro primeras columnas del formulario, requiriéndose para la realización del
ensayo 24 horas; o sea, que la última lectura corresponde a las 10.24 del día
siguiente.
A continuación determinamos las correcciones de temperatura R mediante el
gráfico de la figura 5.2 construido para el hidrómetro núm. 81533 de nuestro
laboratorio y las registramos en la columna correspondiente. Los valores
tabulados en la columna identificada por lectura corregida del hidrómetro se
obtienen sumando algebraicamente la lectura del hidrómetro y la corrección R, y
éstos pasamos a la determinación del por ciento de suelo en suspensión ( P )
valiéndonos de la siguiente expresión:
P = ((R * a) / Ws ) x 100 = (R x 0.968)/50) * 100
P = R x 1.936
De esta manera, si multiplicamos la lectura corregida del hidrómetro por 1.936,
obtenemos inmediatamente el por ciento de suelo en suspensión. Una última
transformación se hace necesaria para expresar el por ciento de suelo en
suspensión como por ciento total de la muestra, y consiste en afectar el primero
por el factor 0.6517, que representa el porcentaje pasante por la malla 40,
respecto al peso total de la coloca en la última columna de nuestro formulario.
Los valores incluidos en la columna correspondiente al diámetro de los granos,
se determinan mediante una aplicación de la Ley Stokes y se habían tabulado en
el acápite 5.3 para los tiempos considerados. Este diámetro "provisional", como
la denominamos anteriormente, se ha de afectar de los coeficientes de corrección
por elevación del hidrómetro (KL), el coeficiente de corrección por el peso
específico de partículas sólidas (Kg) y por el coeficiente de corrección por la
viscosidad de la suspensión µ.
Al multiplicar el diámetro provisional por cada uno de los coeficientes de
corrección, obtenemos el diámetro corregido. Con estos valores y el por ciento
de muestra que todavía permanece sin sedimentar, equiparable con el concepto de
"porcentaje pasante por una malla determinada", utilizado en el procedimiento
por tamices, podemos dibujar el gráfico de la distribución de tamaños. Nótese en
la gráfica la no continuidad del trazo, producto de los errores en que se
incurre con la aplicación de este método.
Cuestionario
I.- Defina o explique brevemente:
a) Hidrómetro. b) Ley de Stokes. c) Realización de lecturas en el hidrómetro.
II.- Explique el coeficiente de corrección R a las lecturas del hidrómetro, y la
determinación del por ciento de suelo en suspensión.
III.- Calcule, por Stokes, el diámetro de partículas correspondiente a cuatro
tiempos de lecturas del hidrómetro, utilizando los valores arbitrarios. Indique
las operaciones.
UNIDAD 6
Plasticidad
La plasticidad es un fenómeno inherente a los suelos de partículas muy finas,
limos y arcillas, siendo el grado que de ella exhiben factor regente de su
comportamiento y clasificación. Estudiando una muestra de un suelo fino en la
platina de un microscopio, se observaría algo similar a la figura 6.1
La figura muestra dos partículas sólidas, entre las cuales tenemos agua libre.
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, creando una reacción en cadena generadora d una banda, una
fina película es del orden de 20,000 Kg/cm², comportándose el agua como un
sólido ( hielo). 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.
6.1 Estados de Consistencia
La consistencia de un suelo se define como su resistencia al esfuerzo cortante;
es la oposición que presenta la masa de suelo a que se le deforme. Dependiendo
del contenido de humedad de un suelo, puede variar su consistencia. Para nuestra
conveniencia se han definido arbitrariamente los cuatro estados de consistencia
representado s en la figura 6.2.
Una misma masa de suelo puede pasar por los cuatro estados de consistencia,
dependiendo de su contenido de humedad. En la figura anterior se observa que la
humedad decrece de izquierda a derecha. Atterberg, quien hizo estas
investigaciones en 1911, en el campo de la agronomía.
Estado líquido está caracterizado por la condición del suelo a fluir, es decir,
que no mantiene o conserva la forma que se le da.
Estado plástico: es aquel en el que el suelo se hace manejable, dócil,
moldeable.
Estado sólido: caracterizado o señalado por la condición de que el suelo no
reduce más volumen, aun cuando continúe el proceso de evaporación. Todo esto va
acompañado de un cambio en el tono del color, hacia un tinte más claro.
6.2 Limite de Atterberg
Las fronteras entre un estado y otro inmediato tienen que venir definidas por un
contenido de humedad. Así, observando la figura 6.2, quedan definidos los
siguientes límites:
LL : límite líquido
LP: límite plástico
LC: límite de contracción
Estos límites se llaman también límites de consistencia y se deben a Atterberg.
El contenido de humedad de un suelo no es un elemento constante, sobre todo en
suelos superficiales, donde las condiciones climáticas provocan una variación en
este sentido. Sin embargo, los límites de consistencia son independientes del
clima y del contenido de humedad que pueda tener una muestra en un momento dado,
siendo valores característicos para cada suelo.
En el límite líquido, el suelo pierde la facilidad para fluir, conservando ya la
forma en que se le abandone. Constituye la posición intermedia entre los estados
líquidos y plástico. Se identifica en el laboratorio como la humedad necesaria
para que una hendidura practicada en la muestra y se dimensiones precisas se
cierre, en determinada longitud, cuando el espécimen se somete a una
manipulación controlada.
Al alcanzar el límite plástico, definido como la línea divisoria entre los
estados plásticos y semi-sólido, el suelo abandona sus cualidades plásticas,
desmoronándose cuando se moldea. La prueba correspondiente busca, por tanteos,
el contenido de agua que produce la rotura de cilindros en determinado diámetro,
cuando estos van disminuyendo sus dimensiones por amasado.
El límite de contracción separa los estados semi-sólido y sólido, reconociéndose
como la humedad se saturación cuando el espécimen, en régimen continuo de
pérdida de humedad. no reduce más su volumen aun cuando continúe su proceso de
desecación.
Ningún otro ensayo, por más complejo que sea, puede decir tanto de los suelos
muy finos como los límites de Atterberg, los cuales, además son de realización
sencilla.
Condición general para todos los límites de consistencia.
En los ensayos que se expondrán a continuación, siempre utilizaremos material
pasante por las aberturas de la malla núm. 40, pues se considera que estas son
las partículas activas de un suelo. De esta forma estamos incurriendo en un
pequeño error, dado que la malla núm. 40 permite el paso de arena fina, además
de las partículas de limo y arcilla. Si se utilizara la malla núm. 200, los
resultados serían más reales, pero dado el gran cúmulo de investigaciones
realizadas usando la malla núm. 40, seguiremos utilizándola, también, a
sabiendas del pequeño error de criterio que existe.
6.3 Límite líquido
Procedimiento de laboratorio (convencional) para determinar el límite líquido
Nuestro principal equipo en la realización de este ensayo es la Copa de
Casagrande, mostrada en la figura 6.3. Este aparato no es del todo origina, pues
está basado en la taza de porcelana diseñada anteriormente por Atterberg. La
Copa de Casagrande consiste en una taza semiesférica de cobre que se halla
acoplada a una base de goma endurecida.
Tanto la semiesfera como la base de goma se encuentran reglamentadas por una
serie de normas que rigen el volumen de la copa y el módulo de elasticidad de la
base de goma endurecida. Este equipo posee una manivela que, al accionarla,
producirá caídas sucesivas de la semiesfera sobre la base desde una altura
específica de un centímetro. La velocidad con que se accione la manivela
determinará en número de golpes por unidad de tiempo que sufrirá la copa. Esta
velocidad de operación se ha fijado en dos golpes/seg.
Con el uso, la semiesfera pierde la posición correcta, pudiendo verificarse y
corregirse. El lugar donde se produce el choque de la copa contra la goma se
reconoce fácilmente y en este lugar comprobaremos si la altura de caída es del
centímetro reglamentario. Para ello introduciremos el ranurador (mostrado junto
a la copa en la figura 6.3) entre la base y el punto brillante donde la copa
golpea.
El procedimiento del ensayo es de una gran sencillez en su aplicación. En un
vaso de porcelana colocamos una parte del material pasante por la malla núm. 40.
A esta le adicionamos agua hasta convertir la masa en una papilla o muestra
homogénea, efecto logrado mediante el uso de la espátula. Con todo rigor,
debería dejarse esta papilla en reposo durante 24 horas, lográndose así una
homogeneidad casi absoluta, pero esto no suele realizarse. Esta papilla se
coloca seguidamente en la Copa de Casagrande, mediante camadas sucesivas con el
cuidado de que no queden vacíos y se consiga la mayor densidad posible.
Con el ranurador se trazará una hendidura en la muestra dentro de la Copa, que
la dividirá en dos mitades claramente. De inmediato empezamos a accionar la
manivela produciéndose el golpeo de la Copa sobre la base de goma endurecida a
la velocidad acordada. Las dos mitades de la muestra comenzarán a deformarse y a
unirse, tendiendo a cerrar la ranura. Contaremos mentalmente el número de golpes
necesarios para lograr el contacto longitudinal en media pulgada (1/2").
La muestra tendrá una humedad de límite líquido cuando haga contacto
longitudinal en 1/2", exactamente al alcanzar 25 golpes, trabajando con la Copa
de Casagrande en la forma establecida.
Gráfico de flujo (curva de escurrimiento)
En un recipiente pequeño procederemos a tomar una muestra del material ensayado
de la zona de cierre de la hendidura, la cual se pesará y se llevará al horno
con el objeto de determinar su contenido de humedad. Este proceso se repetirá
con muestras de distintos contenidos de humedad. Generalmente son suficientes 5
determinaciones, cuyos resultados se grafican sobre papel semi-logarítmico,
tomando la escala logarítmica para el contenido de humedad (ver figura 6.4). La
recta determinada por los puntos graficados se conoce como línea de flujo, y
mediante ella se interpolará el valor del límite líquido, definido como el
contenido de humedad correspondiente a 25 golpes. Es necesario notar que la
determinación del límite líquido será más precisa cuanto más cercano estén los
puntos obtenidos a los 25 golpes.
Método rápido del Cuerpo de Ingenieros del Ejército Norteamericano
Este método fue desarrollado por una oficina de investigaciones hidráulicas y
geotécnicas. Parte de la consideración de que todos los suelos tienden a
presentar líneas de flujo con igual inclinación. Por tanto, conocida la
pendiente de la línea de flujo y un sólo punto perteneciente a esa recta, queda
definida la recta completa y, consecuentemente, el límite líquido. El punto que
habremos de conocer se determina utilizando el método convencional. Mediante
este método rápido se logra una reducción considerable en el tiempo respecto al
método convencional.
De esta forma, el límite líquido queda definido por la siguiente ecuación:
LL = wn (N/25)^0.121
Donde:
N: número de golpes registrado, que deberá variar necesariamente entre 20 y 30.
wn: contenido de humedad para N golpes.
En el apéndice de esta unidad se encuentran tabulados valores de (N/25)°121 en
función de N, con el objeto de acelerar el procedimiento matemático, aunque con
el desarrollo de las calculadoras modernas su utilidad es cuestionable.
Método del cono ruso para la determinación del límite líquido
El método del cono ruso se basa en la resistencia a la penetración de los suelos
al alcanzar el límite líquido. El cono de penetración es el elemento a utilizar
para determinar el esfuerzo cortante, el cual tiene una línea graduada a 1 cm de
la punta del cono. Es esta línea la que indicará la penetración exacta en una
muestra de suelo que se encuentre en su límite líquido. El cono mantiene su
verticalidad gracias a dos esferas balanceadoras de acero unidas al cono
mediante barras metálicas de 3 mm de diámetro. El cono se hace penetrar en la
muestra que se halla contenida en una cápsula de cristal, la cual a su vez,
descansa sobre una base de madera. Las normas indican las dimensiones y los
pesos de los distintos componentes del dispositivo, esquematizado en la figura
6.5.
Si la humedad que hemos dado a la muestra de suelo es la correspondiente al
límite líquido, entonces el cono penetrará en la muestra, quedando la línea
graduada en la superficie del suelo. El uso del cono ruso se limitará a la
verificación de, si en una muestra de suelo, su contenido de humedad se
encuentra en, sobre o por debajo del límite líquido, pero no constituye un
dispositivo práctico para la determinación en sí de este valor, ya que se
invierte mucho tiempo obteniendo por aproximaciones el contenido de humedad de
la muestra, aumentándolo y disminuyéndolo sucesivamente hasta lograr que
coincida exactamente con el límite líquido.
6.4 Limite plástico
El límite plástico se había definido anteriormente como la frontera divisoria
entre los estados plástico y semi-sólido. En esencia, el siguiente procedimiento
tiene la finalidad de cuantificar en una determinada muestra de suelo el
contenido de humedad en el que se pierden sus propiedades plásticas,
agrietándose cuando se moldea. Para nuestro propósito necesitaremos una placa
cuadrada de vidrio con una cara esmerilada, de 15 cm de lado aproximadamente. La
superficie lisa del cristal constituirá nuestro plano de trabajo y la esmerilada
se colocará en contacto con la meseta del laboratorio para evitar que la placa
se deslice (véase figura 6.6)
Utilizando material pasante por la malla núm. 40, se hace mezcla de suelo y agua
con una consistencia tal que la mezcla no se adhiera al cristal ni lo ensucie.
El ensayo consistirá en rolar el material sobre el cristal hasta hacer de él un
cilindro. El límite plástico se define como el contenido de agua en el cual los
cilindros de suelo amasado se agrietan y rompen al alcanzar un diámetro de 3mm
(1/8")
Si el cilindro se agrieta antes de alcanzar el diámetro señalado, es signo de
falta de humedad. De igual manera, si el cilindro se puede rolar hasta un
diámetro menor del señalado, es signo de excesiva humedad. Así, por tanteos
sucesivos, encontramos la consistencia buscada. Luego de ensayar un volumen de
muestra aceptable, los cilindros amasados son llevados a dos recipientes tapados
para evitar pérdidas de humedad, y pasamos a determinar el contenido de humedad
de la muestra que hay en ambos recipientes. Teóricamente el valor deberá ser
igual en ambos, pero siempre existen pequeñas diferencias por lo que
utilizaremos el promedio de ambos valores como el límite plástico de dicho
suelo.
6.5 Límite de contracción
El límite de contracción es la frontera entre los estados semi-sólido y sólido,
quedando definido como el contenido de agua mínimo para el cual el suelo no
retrae su volumen aun cuando pierda o se evapore agua. Observando la gráfica de
volumen del suelo en función de su contenido de humedad, en la figura 6.2 al
inicio de este capítulo, observamos que todo suelo llega a un punto donde su
volumen no decrece aun cuando el contenido de humedad siga disminuyendo. Es este
punto, el contenido de humedad que deseamos cuantificar.
Equipo y proceso de laboratorio
El recipiente moneda: es un recipiente cilíndrico pequeño de 1 cm de altura y
4.5 cm de diámetro, fabricado en porcelana o en acero níquel (véase figura 6.7).
Su volumen es aproximadamente igual a 15 cm3, pero debe determinarse
cuidadosamente. Para ello llenamos el recipiente con mercurio y luego lo tapamos
con una placa de cristal con el objeto de comprobar que el recipiente haya sido
llenado a cabalidad. De no ser así aparecerían burbujas adheridas al plano
inferior de la placa de cristal. El mercurio se vierte entonces en una probeta
calibrada para conocer su volumen. El menisco de este metal líquido es cóncavo
hacia abajo y se tomará la lectura a la mitad de él. Esta medición carece de
precisión por lo que se prefiere pesar el volumen de mercurio contenido en el
recipiente moneda y mediante el peso específico del mercurio (13.56 g/cm3),
conocer el volumen del recipiente.
Una vez calibrado el recipiente moneda, daremos inicio a la determinación del
límite de contracción. Preparamos, una masa de suelo y agua cuyo contenido de
humedad sea mayor al del límite líquido de la muestra, lo cual puede comprobarse
fácilmente mediante la copa de Casagrande o el cono ruso. Esta humedad inicial
se designará como w1. Observando la figura 6.8, advertimos de inmediato que LC =
wi - DW, El contenido de humedad inicial (wi) se determina fácilmente. Se toma
el recipiente moneda y se engrasa, evitándose así que la pastilla de suelo se
adhiera al molde. Seguido se toma el peso del recipiente vacío. El molde se
llena mediante camadas sucesivas, cuidando de que no haya aire entrampado.
Enrasado el recipiente, se lleva a la balanza y luego al horno. Al día
siguiente, con el peso seco, puede determinarse el contenido de humedad inicial
que se buscaba.
Nuestro problema consistirá en determinar la cantidad de agua que debe perder la
muestra para pasar del contenido de humedad inicial al límite de contracción.
Debemos determinar esta variación en el contenido de humedad (w), y para ello
partiremos de la fórmula del contenido de humedad.
w = ( Ww / Ws ) x 100
Una variación en el contenido de humedad vendría dada por una variación en el
peso del agua en la muestra por tanto:
Dw = ( DWw / Ws ) x 100
Si consideramos el peso específico del agua a 1 g/cm3, manteniendo las unidades
correspondiente, la variación en el peso del agua es numéricamente igual a la
variación en el volumen del agua. Luego:
Dw = ( DVw / Ws ) x 100
En el proceso del secado el volumen de pastilla se encoge, debido al decremento
en el volumen del agua. Este fenómeno sucede hasta llegar al límite de
contracción, a partir del cual el volumen de la pastilla permanece inalterable.
De esta manera, la variación en el volumen de la pastilla.
Así obtenemos:
Dw = ( DV / Ws ) x 100
Nos restaría cuantificar la variación en el volumen de la pastilla (DV). Esta
variación de volumen será igual al volumen inicial de la pastilla de suelo (que
es el mismo volumen del molde que la contiene y que ya ha sido computado
mediante el mercurio) disminuido en el volumen final de la pastilla de suelo,
luego de secada al horno.
DV = Vi - Vf
De esta forma queda determinada la fórmula para hallar el límite de contracción:
LC = wi - ((Vi - Vf)/Ws) 100
donde Ws es el peso de la pastilla seca y Vf es el volumen final de la pastilla
seca cuya determinación se realiza mediante un procedimiento característico.
Determinación del volumen final de la pastilla de suelo (Vf).
Para obtener el volumen final de la pastilla seca, determinaremos el peso del
volumen de mercurio que desaloja la pastilla al ser sumergida en él. Tomamos un
recipiente cualquiera de cristal y lo llenamos de mercurio. Para verificar si el
recipiente está lleno a cabalidad, se enrasa con una placa de plástico provista
de tres alfileres que posteriormente servirán para hundir la pastilla de suelo.
Terminado este proceso se sumerge la pastilla en el mercurio, sosteniendo la
muestra con los alfileres de la placa como se muestra en la figura 6.9. La
pastilla desalojará un volumen de mercurio igual a su propio volumen. Recogiendo
este volumen desalojado en un recipiente y pesándolo, podemos determinar,
mediante su peso específico, el volumen final de la pastilla.
Figura 6.9 Determinación del volumen final de la pastilla de suelo
6.6 Indice plástico (IP)
El índice plástico se define como la diferencia entre el límite líquido y el
límite plástico para un suelo dado.
IP = LL - LP
Esta diferencia cuantifica la amplitud o extensión del estado plástico de un
suelo, como se ilustra en la figura 6.10
Figura 6.10 extensión del estado plástico de un suelo (índice plástico)
6.7 Consistencia Relativa (Cr)
La consistencia relativa en los suelos finos es el homólogo de la densidad
relativa en los suelos granulares. Está definida por la siguiente expresión:
Cr = (LL - w) / (LL - LP) = (LL - w) / IP
donde w es el contenido de humedad del suelo en su estado natural. Observando la
fórmula de la consistencia relativa, vemos que se obtienen los siguientes
resultados para distintos valores de w:
Cuando W >LL Cr < 0 W= LL Cr = 0 W= LP Cr = 1 W< LP Cr > 1
La consistencia relativa es un parámetro de los suelos finos que nos permite
evaluar las condiciones de soporte y mantenimiento de proyectos. El siguiente
ejemplo servirá para ilustrar el uso de la consistencia relativa.
Supongamos que se desea realizar el dragado de un canal marino para el proyecto
de un puerto (véase figura 6.11). Antes de empezar la ejecución de la obra, el
contratista requerirá de los servicios de un ingeniero de suelos, quien
procederá a extraer muestras del lecho submarino. A estas muestras que
supondremos confiables, 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.
Figura 6.11 Idealización del corte para un canal marino en el proyecto de un
puerto.
6.8 carta de Plasticidad de Casagrande
La carta de plasticidad elaborada por el profesor Arturo Casagrande es un
elemento básico en la identificación y clasificación de los suelos. La labor que
realizó Casagrande fue llevar a un gráfico una cantidad de muestras con sólo dos
parámetros, el límite líquido y el índice plástico. Observó que los materiales
homólogos se agrupaban, existiendo así posiciones y fronteras para los distintos
tipos de suelo.
Observando la figura 6.12 que nos muestra la carta de plasticidad, vemos que hay
seis zonas claramente diferenciables. Estas zonas se encuentran delimitadas por
tres líneas denominadas A, B, y C. La línea A se define por la ecuación IP =
0.73* (LL-20) . Los suelos en correspondencia con puntos que se encuentran por
encima de la línea A, se clasificarán como arcillas inorgánicas. De manera
análoga, los suelos inorgánicos que correspondan a puntos que se encuentran por
debajo de la línea A se clasificarán como limos. Las líneas B y C se encuentran
paralelas al eje de las ordenadas en los puntos 30 y 50 % del eje de la abcisas,
respectivamente. Estas rectas dividen la carta en tres franjas verticales
correspondientes de izquierda a derecha a materiales de baja, mediana y alta
plasticidad. Las zonas II y III indicadas en la carta que se muestra, tienen el
inconveniente de que clasifican también limos orgánicos y arcillas orgánicas
respectivamente. Afortunadamente los materiales los materiales orgánicos son
fácilmente identificables por su color oscuro, estructura esponjosa y a veces
olor característico.
De esta manera, quedan definidas las zonas de la forma siguiente:
I: Limo inorgánico de baja plasticidad II: Limo inorgánico de mediana
plasticidad o limo orgánico III: Limo inorgánico de alta plasticidad o arcilla
orgánica IV: Arcilla inorgánica de baja plasticidad V: Arcilla inorgánica de
mediana plasticidad VI: Arcilla inorgánica de alta plasticidad
En algunos textos se emplea la palabra compresibilidad en vez de plasticidad en
las clasificaciones, ya que lo que es plástico, en principio, también es
comprensible.
6.9 Ensayo de Contracción Lineal (CL)
La gran simplicidad de este ensayo compensará su falta de precisión. Para la
determinación de la contracción, haremos uso de un recipiente en forma de barra,
fabricado de latón como el que se muestra en la figura 6.13. Este recipiente
prismático mide 12 cm de largo, 1.5 cm de ancho y 1.5 cm de altura,
encontrándose correctamente identificado mediante un número en alto relieve.
Después de haberse engrasado el molde, colocaremos en el recipiente una muestra
del suelo a ensayar a una humedad aproximada a su límite líquido en camadas
sucesivas, evitándose las oquedades y vacíos. El recipiente se coloca en un
lugar seco por dos o tres días para obtener una disminución gradual en el
contenido de humedad y luego se lleva a secar completamente en el horno. En caso
de que no se hiciera de esta manera, se correrá el riesgo de que se agrietara la
muestra por la contracción brusca que resulta.
Figura 6.13 Recipiente prismático para el ensayo de contracción lineal
La contracción lineal se define como el porcentaje de variación en la longitud
de una muestra de suelo al disminuir su contenido de humedad desde el límite
líquido hasta el límite de contracción, respecto de su longitud original. Su
fórmula es la siguiente:
CL = ((Li - Lf)/Li) * 100
donde:
Li : longitud inicial de la barra de suelo húmeda
Lf : longitud final de la barra de suelo seca
La longitud inicial de la barra de suelo húmeda se obtiene fácilmente, siendo
ésta la longitud del recipiente que la contiene. Luego de seca, se podrá medir
la longitud final de la barra con la ayuda de un calibrador o pies de rey, sin
extraer la barra del recipiente, evitándose así que se fracture. Sin embargo,
ocurrirá generalmente que la barra de suelo seca se comba o pandea dadas las
contracciones desiguales haciéndose necesario tomar un promedio de las
longitudes de ambas caras, inferior y superior, de la barra. Para medir estas
longitudes curvas, nos valemos de un papel, el cual se hará seguir las
deformaciones de la barra y que, una vez rectificado, se determinará su longitud
normalmente con el calibrador.
6.10 Contracción volumétrica (CV)
La contracción volumétrica es un dato que nos indica el porcentaje en pérdida de
volumen de un material al pasar su contenido de humedad de una frontera a otra.
Una de estas fronteras será el límite de contracción por ser la más
significativa y la otra podrá ser elegida siguiendo varios criterios. Para
nuestros fines, usaremos el límite líquido, quedando así definida la contracción
volumétrica por la siguiente fórmula:
CV = ((VLL - VLC)/VLL) * 100
donde:
CV : contracción volumétrica VLL : volumen del suelo en el límite líquido VLC :
volumen del suelo en el límite de contracción.
Este ensayo se realiza juntamente con la determinación del límite de contracción
expuesta en el acápite 6.5 de este capítulo. Así, refiriéndonos al recipiente
moneda, el volumen de suelo en el límite de contracción será el volumen de la
pastilla seca ya determinado. Sólo nos restaría determinar el volumen del suelo
en el límite líquido. La figura 6.14 indica que el volumen en el límite líquido
es igual al volumen inicial de la pastilla, ya determinado, disminuido en una
variación de volumen que habremos de cuantificar. Así podemos escribir la
siguiente fórmula:
VLL = Vi - DV Esta variación de volumen la despejaremos utilizando el mismo
análisis que se usó al determinar la variación en el contenido de humedad para
la obtención del límite de contracción. En el acápite 6.5 llegamos a la
conclusión siguiente:
DW = ( DV / Ws ) *100
Despejando de esta fórmula la variación en el volumen, obtenemos:
DV = ( DW* Ws ) / 100
La variación en el contenido de humedad que habremos de utilizar es la que
existe entre el contenido de humedad inicial (wi) y el límite líquido (LL).
Sustituyendo se obtiene:
DV = ( wi - LL) * Ws ) / 100
Con esta ecuación podemos obtener el volumen del suelo en el límite líquido y,
por consiguiente, la contracción volumétrica.
VLL = Vi - ( ( wi -LL ) / 100 ) * Ws
VLL = [ [Vi - ( ( wi - LL)/100 ). Ws - Vf ] / [ Vi - ( ( wi - LL )/100 ) * Ws] ]
* 100
Relación entre la contracción lineal y la contracción volumétrica
La figura 6.15 nos ilustra la pérdida de longitud ( ) de los lados de un cubo de
arista unitaria, al pasar su contenido de humedad del límite líquido al límite
de contracción. Asumiremos que el acortamiento en las aristas es el mismo en las
tres direcciones. De esta manera la contracción volumétrica quedará como sigue:
Figura 6.15 Pérdida de longitud en los lados de un cubo de arista unitaria, al
pasar su contenido de humedad del límite líquido al límite de contracción.
CV = (0.1^3 - (1-D)^3 ) / 1^3) * 100
La contracción lineal se define en este caso de la forma siguiente:
CL = (D/1) * 100
Si despejamos de esta última fórmula la variación en la longitud ( ) ,
obtendremos:
D = CL/100
Sustituyendo esta expresión en la fórmula de la contracción volumétrica
obtendremos una relación entre la contracción lineal y la volumétrica:
CV = [ 1 -(1-((CL/100)^3) ] x 100 100 De esta expresión, podemos deducir otra
que nos dé la contracción lineal en función de la volumétrica :
(CV/100) = 1 - (1 - ((CL/100)^3)
1-(CV/100) = (1 - ((CL/100)^3)
RAIZ3(1-(CV/100)) = (1 - (CL/100)
(CL/100) = 1 - RAIZ3(1-(CV/100))
(CL = [ 1 - RAIZ3(1-(CV/100)) ] * 100
Con esta fórmula obtenemos la contracción lineal de una forma más precisa que
con el ensayo de la barra.
Apéndice
Método simplificado del cuerpo de ingenieros del ejército norteamericano
LL = Wn ( N ) 0.121 25
donde:
LL : Límite líquido Wn : contenido de humedad a N golpes N : número de golpes
obtenidos utilizándose la Copa de Casagrande según el procedimiento convencional
(entre 20 y 30)
Tabla
N ( N/25 ) 0.121
20 0.974 21 0.979 22 0.985 23 0.990 24 0.995 25 1.000 26 1.005 27 1.009 28 1.014
29 1.018 30 1.022
Cuestionario
1.- Defina o explique brevemente:
a) Consistencia relativa. b)Límite de contracción y expresión matemática para su
determinación. c)Indice plástico. Su interpretación. d)Contracción lineal por el
método de la barra. e)Carta de plasticidad de Casagrande. f)Límite líquido.
g)Análisis de contracción volumétrica. h)Límite plástico. i)Sistema rápido del
ejército norteamericano para el límite líquido. j)Contracción lineal deducida de
la contracción volumétrica. k)Estado de consistencia semi-sólida.
II.- Explique, de modo general, los estados y límites de consistencia, sin
referir los procesos de laboratorio inherentes.
III.- Explique, extensamente, el proceso de laboratorio para determinar el
límite de contracción.
IV.- Determine la expresión de volumen al límite líquido.
IV.- Determine la expresión del volumen al límite líquido en la contracción
volumétrica.
V.- Prepare el gráfico contracción volumétrica - contracción lineal de los
suelos.
VI.- Exprese sus impresiones del uso del cono ruso.
VII.- Si Ud. fuese escultor, ¿a qué estado de consistencia llevaría el barro de
moldear?
Ejercicios resueltos
Ejercicio número 1: Para el proyecto de reconstrucción de la carretera de Cotuí
se desean realizar los ensayos de plasticidad a diferentes muestras de suelo, de
las cuales seleccionaremos para los fines de este ejercicio, la identificada con
el número, recuperada de una profundidad de 1.80 a 2.10 m.
1.- Determinación del límite líquido: a) dibuje la curva de flujo en el gráfico
incluido en el formulario suministrado, determinando el límite líquido por el
método del ejército norteamericano. Compare resultados.
2.-Determine la resistencia en su estado seco, utilizando los especímenes secos
en el horno.
3.-Halle los valores correspondientes al límite plástico, índice plástico y
contracción lineal (método de la barra). 4.-Determinación del límite de
contracción, contracción volumétrica, contracción lineal a partir de la
volumétrica.
5.- Clasifique el material analizado por la Carta de Plasticidad de Casagrande.
abulemos los valores como sigue :
ensayo número de contenido de (N )0.121 límite líquido número golpes (N) humedad
(Wn) 25 ( LL) 3 27 43.08% 1.0094 43.48% 5 25 43.51% 1.0000 43.51%
Si comparamos los resultados obtenidos, tomando sólo aquellos valores donde el
número de golpes está comprendido entre 20 y 30, podemos aseverar que este es un
método muy confiable ya que los valores de LL en estos ensayos difieren en menos
de 0.5% del valor hallado por el método clásico.
Clasificación por la Carta de Plasticidad de Casagrande:
Graficando el punto cuyas coordenadas son LL = 43.30 % e IP = 23.52, notamos que
el material analizado cae en la zona V correspondiente a arcillas inorgánicas de
baja plasticidad.
Ejercicio número 2: Utilizando la carta de plasticidad de Casagrande, mostrada
en el acápite 6.8 de este Manual, clasifique los siguientes especímenes:
muestra número LL IP naturaleza clasificación 1 85 50 inorgánica CH 2 33 22
inorgánica CL 3 40 10 orgánica OL 4 20 5 inorgánica CL- ML 5 70 25 orgánica OH
Ejercicio propuesto
1.- Dibuje una carta de plasticidad de Casagrande y utilizándola clasifique las
muestras cuyas características de laboratorio se ofrecen a continuación:
espécimen LL% LP% color 1 63 22 Castaño 2 84 67 Negro 3 37 32 Castaño 4 28 19
Castaño 5 25 21 Castaño
Respuesta: CH, OH, ML, CL, CL-ML
UNIDAD 7
Clasificación por el Sistema Unificado
7.1 Composición del sistema unificado de clasificación
El Sistema de Clasificación Unificado de Casagrande es el de mayor aceptación
mundial y se ha ido consolidando. Fue ideado por el Dr. A. Casagrande en la
Universidad de Harvard, en 1942, quien originalmente lo creó como un sistema de
clasificación de materiales para aeropuertos. Rápidamente, el Cuerpo de
Ingenieros del Ejército Norteamericano lo adoptó y le hizo algunas
modificaciones para generalizarlo y así poder utilizarlo en cualquier proyecto o
programa de trabajo.
Una primera clasificación divide a los suelos en dos grandes fracciones. Esta se
basa en la cantidad de material que pasa por la malla Número 200. Si se retiene
más de la mitad del material en esta malla, se trata de un suelo de partículas
gruesas, y si pasa más de la mitad del material, lo clasificaremos como suelo de
partículas finas.
La clasificación de un suelo grueso, en arena o grava, depende de la cantidad de
material que pasa por la malla número 4.
Si más de la mitad de la fracción gruesa pasa por la malla número 4, se trata de
una arena; en caso contrario, será una grava.
Si el porcentaje de finos que pasa por la malla número 200 es menor del 5%, los
suelos gruesos vendrán designados por su buena o mala graduación. Se considera
que un suelo está bien graduado cuando los espacios dejados por los granos
grandes son ocupados por los más finos.
Si el porcentaje de finos que pasa por la malla número 200 en los suelos gruesos
fuera mayor de un 12%, éstos se clasificarían de acuerdo con el contenido y
naturaleza del material fino que los acompaña, ya sea limo o arcilla.
Cuando la fracción que pasa por la malla número 200 esté comprendida en el
intervalo de 5 a 12%, se trataría de un caso de frontera que requeriría la
utilización de símbolos dobles.
La clasificación de los suelos de partículas finas se hará en base a la carta de
plasticidad, tratada en el acápite 6.8 de este Manual. El descubrimiento
principal que reveló la investigación de A. Casagrande fue que, en la
representación de los suelos en una carta como función solamente del límite
líquido y del índice plástico, los suelos de partículas finas se agrupan en
determinada forma, de manera que en cada zona de la carta se sitúan suelos con
características similares.
Existen materiales altamente orgánicos cuya clasificación se hace aparte de las
anteriores. Tal es el caso de las turbas, ya definidas en el acápite 2.4
A continuación se presenta el sistema unificado de clasificación de suelos, en
el cual la sismología utilizada es la siguiente:
G : grava (proviene del vocablo inglés gravel)
S : arena (proviene del vocablo inglés sand)
C : arcilla (proviene del vocablo inglés clay)
M : limo (proviene de los vocablos suecos mo y mjla)
O : suelos orgánicos (proviene del vocablo inglés organic)
W : bien graduado (proviene del término inglés well graded)
P : mal graduado (proviene del término inglés poorly graded)
L : baja a mediana plasticidad (proviene del vocablo inglés low)
H : alta plasticidad (proviene del vocablo ingles high)
Pt : suelos altamente orgánicos (proviene del vocablo inglés peat, turba)
7.2 Datos de laboratorio o campo requeridos en el sistema unificado
La tabla general en la que presentamos resumidamente el Sistema Unificado de
Clasificación de Suelos, revela en conjunto que criterios de clasificación en el
laboratorio dependen exclusivamente de los ensayos granulo métricos por tamices
y de los inherentes a la plasticidad.
En el acápite anterior establecimos el porcentaje de suelos finos pasantes por
la malla número 200 para que los suelos gruesos sean subclasificados acorde a su
buena o mala graduación, la cual viene cuantificada mediante los parámetros de
coeficiente de uniformidad y curvatura. Para las gravas bien graduadas, esto
significa que el coeficiente de uniformidad debe ser mayor que cuatro y, para
las arenas, mayor que seis. En ambos casos, el coeficiente de curvatura debe
fluctuar entre 1 y 3. Si estos requisitos de graduación no se cumplen
calificaremos el material como mal graduado. Puesto que suelos gruesos también
se califican conforme a la naturaleza del material fino que los acompaña, si
éste por aparece en un porcentaje mayor de 12 por ciento, el criterio de
identificación parte de los límites de consistencia de Atterberg, sobre todo los
límites plástico y líquido, elementos de la carta de plasticidad de Casagrande,
por lo que constituyen la base de clasificación de los suelos finos.
Como los criterios de clasificación de suelos dependen de la características de
granulometría y plasticidad, el sistema unificado ofrece la bondad d establecer
bases simples para la identificación de suelos en el campo, a los cuales podemos
recurrir en los casos de que no se dispone de equipo de laboratorio. A
continuación se detallarán una serie de criterios para lograr esta
identificación sin necesidad de los artificios del laboratorio.
Procedimientos de identificación para suelos gruesos en el campo
Los suelos que se compone de partículas gruesas, se identifican visualmente. Se
extiende la muestra seca de suelos sobre una superficie lisa y se juzga en forma
aproximada su graduación, composición mineralógica, el tamaño de sus partículas
y su forma. Para realizar esta identificación se requiere de una gran
experiencia, obtenida solamente de la comparación de los resultados estimados
con los obtenidos posteriormente en el laboratorio.
Procedimientos de identificación para suelos finos o fracciones finas de suelos
en el campo
Estos procedimientos se ejecutan con la fracción que pasa la malla número 40
(aproximadamente 0.5 mm.).
Para fines de clasificación en el campo si no se usa la malla, simplemente se
quitan a mano las partículas gruesas que interfieren con las pruebas.
Dilatancia (reacción al agitado)
Después de quitar las partículas mayores que la malla número 40, prepárese una
pastilla de suelo húmedo aproximadamente igual a 10 centímetros cúbicos; si es
necesario añádase suficiente agua para dejar el suelo suave pero no pegajoso.
Colóquese la pastilla en la palma de la mano y agítese horizontalmente,
golpeando vigorosamente contra la otra mano varias veces. Una reacción positiva
consiste en la aparición de agua en la superficie de la pastilla, la cual cambia
adquiriendo una consistencia de hígado y se vuelve lustrosa. Cuando la pastilla
se aprieta entre los dedos el agua y el lustre desaparecen de la superficie, la
pastilla se vuelve tiesa y finalmente se agrieta o se desmorona. La rapidez de
la aparición del agua durante el agitado y de su desaparición durante el
apretado sirve para identificar el carácter de los finos en un suelo.
Las arenas limpias muy finas dan la reacción más rápida y distinta, mientras que
las arcillas plásticas no tienen reacción. Los limos inorgánicos, tales como el
típico polvo de roca, dan una reacción rápida moderada.
Resistencia en estado seco (características al rompimiento)
Después de eliminar las partículas mayores que la malla número 40, moldéese una
pastilla de suelo hasta alcanzar una consistencia masilla, añadiendo agua si es
necesario. Déjese secar la pastilla completamente en un horno, al sol o al aire
y pruébese su resistencia rompiéndola y desmoronándola entre los dedos. Esta
resistencia es una medida del carácter y cantidad de la fracción coloidal que
contiene el suelo. La resistencia en estado seco aumenta con la plasticidad.
Una alta resistencia en seco es característica de las arcillas del grupo CH. Un
limo inorgánico típico posee solamente una ligera resistencia. Las arenas finas
limosas y los limos tiene aproximadamente la misma ligera resistencia, pero
pueden distinguirse por el tacto al pulverizar el espécimen seco.
La arena fina se siente granular, mientras que el limo típico da la sensación
suave de la harina.
Tenacidad (consistencia cerca del límite plástico)
Después de eliminar las partículas mayores que la malla número 40, moldéese un
espécimen de aproximadamente diez centímetros cúbicos hasta alcanzar la
consistencia de masilla. Si el suelo está muy seco debe agregarse agua, pero si
está pegajoso debe extenderse el espécimen formando una capa delgada que permita
algo de pérdida de humedad por evaporación. Posteriormente el espécimen se amasa
a mano sobre una superficie lisa o entre las palmas hasta hacer un cilindro de 3
mm de diámetro aproximadamente, se amasa y se vuelve a rolar varias veces.
Durante estas operaciones el contenido de humedad se reduce gradualmente y el
espécimen llega a ponerse tieso, pierde finalmente su plasticidad y se desmorona
cuando se alcanza el límite plástico. Después de que el rollo se ha desmoronado,
los pedazos deben juntarse continuando el amasado ligeramente entre los dedos
hasta que la masa se desmorone nuevamente.
La potencialidad de la fracción coloidal arcillosa de un suelo se identifica por
la mayor o menor tenacidad del rollito al acercarse al límite plástico y por la
rigidez de la muestra al romperse finalmente entre los dedos. La debilidad del
rollito en el límite plástico y la pérdida rápida de la coherencia de la muestra
al rebasar este límite indican la presencia de arcilla inorgánica de baja
plasticidad o de materiales tales como arcilla del tipo caolín y arcilla
orgánicas que caen debajo de la "Línea A". Las arcillas altamente orgánicas se
sienten muy débiles y esponjosas al tacto en el límite plástico.
7.3 Bondad del sistema y alcance internacional de aplicación
Partiendo de la infinita variedad con que los suelos se presentan en la
naturaleza, el sistema unificado representa un intento sistemático de
clasificación completa desarrollado para satisfacer la necesidad de un lenguaje
universal en la mecánica de suelos. Este sistema se caracteriza por la
uniformidad de términos y símbolos, permitiendo así el intercambio regional e
internacional de información entre ingenieros de suelos y el consiguiente
enriquecimiento de sus conocimientos al poder compartir sus experiencias.
Desde un principio, la mecánica de suelos desarrolló sistema de clasificación,
los cuales asentaron sus bases en características puramente granulométricas. Sin
embargo, el Sistema Unificado se basa en las propiedades mecánicas de los
suelos, que son los fundamentos de la base de la ingeniería, ofreciendo la
ventaja de que los tamices seleccionados coinciden con los normalmente empleados
en cualquier ensayo granulométrico. Otra de las razones que justifican su gran
utilización es que ofrece criterios simples que pueden ser manejados con
información exclusiva de campo.
Cuestionario
1.-Defina o explique brevemente:
a) Turba. b) Suelos GP. c) Grupo CH en el sistema unificado. d) Diferencia entre
CL y CH.
II.- Explique los datos necesarios para clasificar un suelo por el sistema
unificado.
III.- Refiera los casos en los que se utilizan dobles en el sistema unificado de
Casagrande.
Ejercicio resuelto:
Ejercicio número 1: Utilizando la carta de plasticidad de Casagrande, mostrada
en el acápite anterior 6.8 de este Manual, clasifique los siguientes
especímenes:
Muestra número LL IP naturaleza clasificación
1 85 50 inorgánica CH
2 33 22 inorgánica CL
3 40 10 orgánica LO
4 20 5 inorgánica CL - ML
5 70 25 orgánica OH
Ejercicio propuesto
1.- Dibuje una carta de plasticidad de Casagrande y utilizándola, clasifique las
muestras cuyas características de laboratorio se ofrecen a continuación:
espécimen LL% LP% color 1 63 22 Castaño 2 84 67 Negro 3 37 32 Castaño 4 28 19
Castaño 5 25 21 Castaño
Respuesta: CH, OH, ML, CL - ML
Ejercicio resuelto:
Clasifique por el Sistema Unificado de Casagrande, las siguientes muestras,
cuyos datos de laboratorio se ofrecen a continuación:
Número porcentaje pasante por malla número 200 porcentaje pasante por malla
número 4 naturaleza de los finos Cu Cc límite líquido límite plástico resitencia
en estado seco Clasificación SUC
1 94 100 inorgánica - - 36 21 alta CL
2 14 16 inorgánica - 1 31 6 ligera GM
3 8 57 inorgánica 81.4 2.2 66 42 muy alta SW - SC
4 3 31 - 20.7 2.9 - - - GW
5 90 100 orgánica - - 65 18 alta OH
Ejercicio propuesto :
Clasifique por el Sistema Unificado de Casagrande, las siguientes muestras:
Número porcentaje pasante por malla número 200 porcentaje pasante por malla
número 4 naturaleza de los finos Cu Cc límite líquido límite plástico resitencia
en estado seco Clasificación SUC
1 88 97 inorgánica - - 71 46 muy alta
2 4 85 - 9.3 4.7 - - -
3 4 34 inorgánica13.1 2.2 - - -
4 90 100 inorgánica- - 56 33 muy alta
5 36 62 inorgánica41.1 4.1 - - -
6 99 100 orgánica- - 72 21 media
7 16 61 inorgánica4.1 5.2 46 28 alta
8 84 95 inorgánica- - 35 18 media
UNIDAD 8
Exploración del subsuelo
En el acápite 2.8 de este Manual de Cátedras, habíamos visto las etapas en que
se dividen las investigaciones geotécnicas: perforación, análisis, cómputos y
diseño; y el informe. estas fases de la exploración del subsuelo forman una
ecuación de economía en la construcción. Para el ingeniero civil, el factor
económico debe ocupar un lugar primordial en sus construcciones. En general, es
aceptable invertir del 1 a 3 % del monto total de la obra en estudio
geotécnicos.
Como en la primera parte de la exploración predomina el esfuerzo muscular, se
acostumbra a delegar en personal técnico, pero no profesional y esto puede crear
problemas en la investigación. Debe recordarse que la bondad de un estudio
geotécnico no será mejor que la calidad de las labores de perforación y
muestreo. El ingeniero de suelos debe tener la garantía de que las muestras
hayan sido tomadas correctamente, por lo que tendrá que visitar con periodicidad
el lugar de la exploración y chequear o supervisar las labores y operaciones de
muestreo.
Esta unidad describirá las técnicas y los instrumentos para el muestreo y las
formas en que se aplican a las investigaciones para el propósito de la
construcción. Los métodos y el material desarrollado aquí son procedimientos de
uso normal y tienen aceptación general entre los ingenieros de suelo. Sin
embargo, pocas especificaciones gozan de aceptación mundial dad la gran amplitud
de condiciones que se presentan en la exploración del subsuelo, y, en parte,
debido a que la mecánica de suelos es una ciencia relativamente nueva.
8.1 Muestras alteradas y muestras inalteradas
Las muestras de suelo han de ser representativas, esto es, que los especímenes
han de reflejar, en forma rigurosa, las cualidades de la gran masa de suelo de
procedencia. De acuerdo al tipo de muestra, podemos clasificarlas en dos grandes
grupos: 1- los especímenes o muestras inalteradas 2-los especímenes o muestras
alteradas
La muestra inalterada será aquella que "prácticamente no ha sufrido
modificaciones ni cambios en su naturaleza. el término inalterado es relativo,
ya que ninguna muestra puede considerarse como enteramente libre de
perturbación. En la mecánica de suelos se aplica el término a muestras que han
sido obtenidas en una forma tal que su estructura física y sus propiedades
permanecen inalteradas con relación a su estado en la masa de suelo de
procedencia. Por esta razón no es aceptable la distorsión o contaminación de la
muestra. La estructura del suelo, su contenido de humedad, y la configuración
han de ser preservados. Hasta ahora no se han desarrollado métodos que permitan
la extracción de especímenes sin alteración alguna. Son ejemplo de muestras
inalteradas las muestras cúbicas y las de tomamuestras de pared fina. A
diferencia de las anteriores, los especímenes o muestras alteradas serán
aquellas que encierran perturbaciones notorias. Los especímenes de tomamuestras
partidos y las muestras de zapapico y pala pertenecen a esta clasificación.
8.2 Excavaciones a cielo abierto
Se realiza este proceso con el fin de obtener muestras cúbicas con un mínimo de
alteración. No se requieren equipos especializados para esta labor, bastando un
pico y una pala. Estudiado el proyecto para el que se realiza el estudio
geotécnico, se determinan los puntos más desfavorables, es decir, aquellos que
soportarán la mayor carga y se localizan sobre el terreno, refiriéndolos
topográficamente.
La excavación se efectuará en estos puntos críticos en un rectángulo de 1.50 x
2.00, metros, dimensiones para que un técnico pueda trabajar con relativa
holgura ( ver figura 8.1 ). Mediante el pico y la pala se van extrayendo
material uniformemente del área del rectángulo de trabajo, hasta haber rebasado
la capa vegetal o mantillo a los 60 ó 90 cm de profundidad. Nos preparamos para
obtener la primera muestra: sobre el piso de la excavación se marca un cuadro de
20 a 30 cm de lado y con precaución se van rebajando los alrededores, tallando
el cuadro hasta lograr de él un cubo de suelo. Para que no se pierda la
orientación relativa del cubo en el terreno, se coloca un rótulo en su parte
superior. Debe protegerse el espécimen para que éste no pierda humedad. Esto se
logra revistiendo la muestra con un material sellador compuesto de partes
iguales de parafina, cera de abejas y brea, unidos por calentamiento. Con una
brocha se procede a aplicar capas sucesivas del aislador resultante hasta lograr
un grosor aceptable. Ya estamos en condiciones de extraer el cubo de la
excavación, para lo cual nos resta suelo en forma de cono como se muestra en la
figura anterior. Luego, la cara inferior se alisa y se reviste para evitar
pérdidas de humedad por allí. Las muestras se transportarán al laboratorio con
sumo cuidado para evitar alteraciones por golpes y movimientos bruscos. Por esta
razón, se transportan en cajones de madera con un elemento amortiguador como es
el serrín de madera, el papel o las hojas de plátano.
Figura 8.1 Excavación a cielo abierto. Muestra cúbica
Pudiera pensarse que con todas estas precauciones no ocurre perturbación alguna,
pero el cambio proviene del hecho de que al quitar el suelo suprayacente de la
muestra, ésta pierde su confinamiento disminuyendo sobre ella la presión. Con
estos efectos el material se expande, incurriéndose por tanto en una alteración.
Este proceso de excavación sólo es posible en materiales arcillosos, pudiéndose
tomara muestras sucesivas hasta una profundidad de 4 ó 5 metros.
8.3 Tubos muestreadores de pared fina y partido
Otro sistema de extracción de muestras se basa en tubos muestreadores, los
cuales pueden ser de dos tipos: el tomamuestra de pared fina, también llamado
tubo "Shelby" y el tomamuestra partido. Su elección dependerá de la naturaleza
del suelo.
Tomamauestra de pared fina (tubo "Shelby")
El término "Shelby" no es característico de la mecánica de suelos; se usa para
indicar que un tubo no tiene costuras, es decir, que no se advierte ninguna
soldadura a su largo. Los tomamuestras de pared fina, como el que se muestra en
la figura 8.2, poseen un diámetro exterior de 2 a 5 pulgadas (50.8 a 127 mm) y
se construyen en materiales anticorrosivos de resistencia adecuada, con un
espesor en sus paredes igual a 1/16". La longitud del tubo es de 5 a 10 veces el
diámetro para penetración en materiales arenoso, y de 10 a 15 veces en el caso
de materiales arcillosos. El tubo deberá permanecer circular y suave, sin
abolladuras, mellas o rayados, limpio y libre de óxidos y suelo. La punta se
hace biselada, formando un borde cortante para facilitar la penetración. La
cabeza del tomamuestra de pared fina es un dispositivo que permite su unión a
una barra o asta de perforación. La cabeza posee dos orificios para escape de
agua de 9.1 mm de diámetro mínimo y una válvula de retención que cumple un doble
propósito: Permitir el ascenso del agua freática o de lavado por tubería de
perforación, cuando el tomamuestra baja, e impedir su paso en caso contrario
para obviar la expulsión del espécimen.
El tubo se hinca en el terreno a presión estática, de forma rápida y velocidad
constante. Para esto se hincan unas anclas ( enormes sacacorchos o tirabuzones),
dándoles vueltas en el lugar de la perforación; sobre ellas se monta un cruceta
en la que se apoya el gato hidráulico que produce la presión necesaria para la
hinca ( véase la figura 8.3).
Tomamuestra partido (tipo Raymond)
Este tubo maestreado se construye con los diámetros mostrados en la figura 8.4.
El tubo del dispositivo se encuentra dividido en dos mitades longitudinalmente
para facilitar la extracción del espécimen de suelo del tomamuestra, proviniendo
su nombre de esta característica. El zapato que aparece indicado en la figura,
es de acero de alta resistencia y se repara o reemplaza cuando se hace
necesario. La cabeza de fijación posee cuatros orificios circulares de salida y
contiene una válvula esférica para los mismos fines que en el tomamuestra de
pared fina. En caso de que se utilizara otro diámetro diferente de 50.8 mm dicho
valor se deberá anotar en todas las hojas de registro de penetración. Nunca
deberá tomarse una longitud de muestra mayor de la capacidad del tubo para no
alterar el espécimen por compresión.
Al utilizarse un tomamuestra "Shelby", la perturbación que se produce a la
muestra no es notoria; sin embargo, el tomamuestra partido posee un espesor de
paredes tal, que al desplazarse en el terreno producirá una alteración de
consideración en la muestra. Por esta razón, al utilizar el tomamuestra partido,
no de hinca con todas las precauciones a presión estáticas, pues de todas
maneras resultará una muestra alterada; se opta por hincarlo a percusión, de
manera más rápida y sencilla. Generalmente se usa en materiales arenosos.
Relación de áreas (Ar)
M. J. Hvorslev, investigador norteamericano, estudió en 1948 procedimientos de
muestreo con tubos de pared fina y observó que el grado de perturbación
producido por el tomamuestra dependía del procedimiento utilizado en su hinca.
Descubrió que era más favorable hincar el tomamuestra ejerciendo una presión
continua, de forma rápida y velocidad constante, que con los métodos dinámicos,
a percusión. Hincando el tubo a presión estática, el grado de alteración
dependía de lo que él llamó relación de áreas (Ar), que no es más que la
relación por cociente entre el área transversal del tubo del tomamuestra y el
área interior de él, expresado como un porcentaje. La figura 8.5 muestra las
áreas consideradas. Así tenemos:
Ar = (Ae - Ai)/Ai)x 100
donde: Ae: área exterior del tubo del tomamuestra Ai : área interior del tubo
del tomamuestra
Expresando las áreas como función de sus respectivos diámetros, la expresión se
transforma en:
Ar = ((De² - Di²)/Di²) x 100
donde: De: diámetro exterior del tubo Di : diámetro interior del tubo
Figura 8.4 Tomamuestra partido
Figura 8.5 Relación de áreas de un tomamuestra partido normal
La relación de áreas de un tomamuestra partido de dimensiones normales es de
112%, mientras que para producir especímenes inalterados HVorlslev establece que
este valor no debe exceder de un 10%. A medida que la relación de áreas es
menor, las paredes del tomamuestra serán más delgadas y habrá una menor
alteración.
Retenedores de muestras
Antes de continuar con los procedimientos y técnicas de hincar el tomamuestra,
resulta informativo discutir tres tipos de retenedores de muestras que pueden
resultar de suma utilidad en materiales no cohesivos. La figura 8.6 ilustra la
válvula de trampa, el retenedor de flejes y el retenedor de muestras patentado
"Lad". Estos retenedores pueden ser utilizados en cualquiera de los tomamuestras
explicados anteriormente. Se insertan dentro del tomamuestra, entre el zapato y
el tubo, para facilitar la recuperación de materiales sueltos o que fluyen. El
retenedor "Lad" puede utilizarse incluso en arenas en ebullición.
8.4 Equipo manual de perforación
La perforación se realiza con el fin de recabar información del subsuelo. Se
logra hincando, de manera disciplinada, un tomamuestra en el terreno. El equipo
requerido es portátil y la acción que causa la inserción del tomamuestra en el
suelo se debe únicamente a esfuerzo muscular.
Utilizaremos el tomamuestra de pared fina enroscado a una barra o asta de
perforación que contiene en su extremo opuesto una guía y un sufridor (véase
figura 8.7). Un martillo, cuyo peso de 16kg resulta ser la cuarta parte del peso
del martillo usado en el ensayo normal de penetración que se explicará
posteriormente, se coloca en la guía y será el elemento generador de la energía
controlada necesaria para la hinca del tomamuestra. Sobre la guía se marcará, de
forma visible una indicación a 75 cm del sufridor que señalará la altura de
caída del martillo. Sobre la barra de perforación se marcan tramos de 15cm a
partir de la punta del tomamuestras, necesarios para el registro de la
perforación.
Sosteniendo el conjunto en forma vertical, se inicia la perforación levantando
la masa manualmente hasta la señal, permitiendo luego su caída libre, cuidando
de que no haya pérdida de energía por rozamiento con la guía (véase figura 8.8).
El proceso de levantar y soltar el martinete se continúa en forma sistemática,
registrándose mentalmente el número de golpes inferidos contra el sufridor.
Figura 8.7 Perforación con equipo portátil
Se observará con cada golpe del martillo, la penetración del tomamuestra en el
terreno y se anotará en un formulario, como el que se muestra en la figura 8.9,
el número de golpes necesarios para hacer penetrar los primeros 15 cm del
tomamuestra (indicados visiblemente). Este proceso continúa hasta lograr una
penetración de 30 cm, registrándose también el número de golpes para lograr la
inserción de los segundos 15 cm.
Nos preparamos para extraer nuestra primera muestra. El primer paso será separar
el espécimen de la perforación produciendo un movimiento de giro en la barra con
ayuda de llaves inglesas como se muestra en la figura 8.10. Entonces procedemos
a sacar el asta con el tomamuestra. El tubo "Shelby" estará adherido a las
paredes del barreno por lo que su extracción suele dificultarse, sobre todo a
profundidades grandes. La manera más expedita se logra mediante la aplicación de
una palanca con una llave inglesa unida al asta, haciendo apoyo sobre un trozo
de madera. El tomamuestra se desenrosca de la barra de perforación y pasamos a
sacar la muestra de suelo del tubo, valiéndonos de un aparato como el mostrado
en la figura 8.11, que se acciona de forma manual.
Figura 8.8 Estudiantes de la UNPHU realizando una perforación con equipo manual
Consiste principalmente en un gato que acciona un émbolo, que se introduce en el
tubo " Shelby", forzando la muestra de suelo a salir. Esta muestra, de
apariencia cilíndrica, se colocará en un frasco de cristal cerrado
herméticamente para evitar pérdidas de humedad. El frasco se identifica
correctamente con rótulo que se adhiere a su exterior, y que representamos en la
figura 8.12. Los frascos contenedores de muestras se van colocando en cajones de
madera para su posterior transporte al laboratorio.
Figura 8.9 Formulario para registro de perforación
Figura 8.10 Separación del espécimen de la perforación
Para tomar la muestra siguiente, será necesario limpiar de escombros la
perforación hasta la profundidad donde se dejó la muestra anterior. Para ello
nos valdremos de un aparato llamado cuchara de postear, cuyo nombre no es propio
de la mecánica de suelos, que se utiliza en algunos países para la inserción de
postes para cercas. La cuchara de postear que se muestra en la figura 8.13,
consta de dos aspas en posición vertical, con una ligera curvatura en su parte
inferior . La aspas se unen a una barra en cuyo extremo contrario se encuentra
una cruceta de madera que servirá para que dos operarios puedan imprimir un
movimiento giratorio a la cuchara provocando así la limpieza del orificio
Figura 8.11 Extracción del espécimen de suelo del tomamuestra de pared fina.
Este proceso se repite sucesivamente, añadiendo secciones de barra de
perforación se fuera necesario, obteniendo muestras tras muestras hasta alcanzar
una profundidad de 7.00 m, a partir de la cual se dificulta el proceso. El
resultado de este procedimiento es una serie de muestras del subsuelo cuya
alteración, aunque mayor que la que se produciría hincando el tomamuestra a
presión estática, es de poca consideración relativamente.
LABORATORIO DE INGENIERIA INVESTIGACION
PERFORACION S - 1 PROYECTO Supermercado LOCALIZACION Avenida J. P. Duarte,
Santiago NUMERO DE MUESTRA 12 PROFUNDIDAD 3.60- 3.90 m NUMERO DE GOLPES 19 + 22
= 41 FECHA 29- sept. - 77 PERFORISTA J.P
Figura 8.12
8.5 Máquina perforadora de percusión y rotación
La máquina perforadora es un equipo ampliamente utilizado en la extracción de
muestras del subsuelo, ya sea de estratos de roca o suelo. Un equipo de
perforación es similar a otro en su diseño, pero sus diferencias generalmente
van acordes con las ideas de cada fabricante en particular. La figura 8.14 nos
muestras un arreglo esquemático de una perforadora de percusión y rotación, de
uso común, con todos los elementos esenciales señalados para su correcta
identificación. Para tener un símil sobre su tamaño, puede pensarse en un
"jeep". Estas máquinas no son autopropulsables, por lo que su desplazamiento se
realiza en remolques o se montan sobre camiones y se mueven con grúas.
Figura 8.13 Cuchara de postear
El tipo de base que se utilice dependerá principalmente de la clase de terreno
donde la perforación se esté realizando y de la lógica envuelta en el transporte
de la perforadora al lugar donde trabajará y su movilidad una vez en ese lugar.
Esta base deberá ser sólida en su construcción para prevenir que se pierda la
alineación de la perforación y siempre deberá nivelarse antes de dar inicio a la
labor de horadación. Esto se logra accionando unos gatos, indicados en la
figura, hasta levantar la perforadora y dejarla horizontal.
Sobre la base de la perforadora, como elemento principal, encontramos un motor
Otto o Diesel generador de la potencia necesaria para accionar las diversas
partes del equipo. El mandril es un elemento que transforma la potencia
suministrada por el motor en un movimiento de rotación que se transmitirá a un
asta y a un tomamuestra para la extracción de especímenes de roca. El
montacargas o "winche" será el responsable de proveer la fuerza necesaria para
izar el martinete, 75 cm sobre el sufridor, por medio de una gruesa soga que
pasa por una polea al extremo del tripiés. El montacargas se utiliza en los
casos de perforación a percusión para la extracción de muestras de suelo.
Dependiendo de la perforación, se usarán diversos tipos de astas o barras de
perforación: tipo EW, a utilizarse en equipo portátil, y los tipos AW., BW y NW
para equipo mecánico. En el apéndice de esta unidad se muestra una tabla de
tamaños comerciales de barras de perforación.
Camisas o tubos de revestimiento para entibar el agujero
A medida que se avanza en profundidad con la perforación, llegará un momento en
que las paredes de ésta no soportarán el empuje del suelo y se procede a entibar
la perforación con tubos de revestimientos de acero de alta resistencia para
encamisar el agujero. El tubo de revestimiento se hincará a percusión en el
terreno, con la precaución de sólo recubrir lo que ya fue perforado, y nunca
más, so pena de alterar las muestras sucesivas en su estructura.
Figura 8.14 Representación de una perforadora de rotación-percusión, en plena
labor de horadación del subsuelo.
El revestimiento irá descendiendo al terreno poco a poco, uniéndose longitudes
de tuberías unas a otras, hasta alcanzar la profundidad deseada. Observando la
figura 8.15, vemos los dos tipos de uniones para tubos de revestimiento: a tope
y unión externa. De éstas, la primera es más conveniente por no ofrecer ningún
obstáculo a la penetración en el suelo, mientras que la segunda ofrece una mayor
fortaleza y facilidad de reparación.
Figura 8.15 Tipos de uniones de tubos de revestimiento
Para facilitar la penetración del revestimiento suele adaptársele una cofia con
un bisel en su parte inferior (véase figura 8.16). Los tubos de revestimiento se
deben hincar vigorosamente al terreno utilizando un martillo de 300 a 400 libras
de peso.
Figura 8.16 Entibamiento del barreno
Lavado del barreno
Una vez llevado el revestimiento hasta la profundidad debida, pasamos a la
extracción del material suelto que ha quedado dentro de la camisa. Este proceso
se logrará inyectando chorros de agua al barreno para que la presión del agua
disuelva el suelo y fuerce el material a salir a la superficie. Como se ilustra
en la figura 8.17, una bomba impulsa el agua a través de un tubo de goma que se
conecta a las barras de perforación, construidas huecas para este fin. La barra
termina en su extremo inferior en un pico de lavado, productor de los chorros de
limpieza, apropiado para las labores de corte.
A medida que la presión de agua remueve el material, se va girando el asta de
perforación para desprender el suelo con mayor facilidad, el cual sale al
exterior a través de la camisa. Se necesita la longitud de camisa hincada para
registrarla en el formulario de la figura 8.8 y marcarla en el asta de lavado no
pretendemos sobrepasar el límite de perforación.
Debe aprovecharse el lavado para obtener información sobre un cambio de
material, ya que esto se refleja en la variación de color del agua.
Finalizando el lavado del barreno, se reinicia el proceso de perforación. El
tubo de revestimiento habrá quedado lleno de agua, la cual pasará a través de la
válvula del tomamuestra sin ofrecerle resistencia. Deben rechazarse los primeros
15 cm de suelo obtenidos pues estarán muy afectados por el lavado. Aún así
siempre se producirá una alteración en las muestras sucesivas por lo que ha de
evitarse el lavado al máximo. Es por esta razón que para pequeñas profundidades
se prefiere el equipo de perforación manual, explicado anteriormente, pues no
introduce agua en ninguna etapa de la extracción del espécimen, dando como
resultado una muestra de menor alteración.
Figura 8.17 Lavado del barreno
Perforación en roca
Si al perforar con el tomamuestra partido, advirtiésemos que se requiere de 50
golpes del martinete para producir una penetración de 15 o menos centímetros,
estamos ante la presencia de roca en el subsuelo. Algunos autores varían en este
sentido, prescribiendo números diversos de golpes, pero la práctica local es no
rebasar los 50 golpes con el tomamuestra partido en el ensayo normal de
penetración. Otras veces, al alcanzar un estrato determinado, el perforista
notará el "rebote" o rechazo del martillo sobre el sufridor, lo cual señala un
estrato de roca que el operario puede reconocer de inmediato.
El sistema de perforación cambiará entonces de percusión a rotación, empleándose
el mandril para imprimir el movimiento giratorio necesario. El mandril se
desliza hidráulicamente sobre el agujero de la perforación hasta coincidir
exactamente. El corte en la roca se logra mediante una broca al final del
tomamuestra, con incrustaciones en diamante o carburo de tungsteno. La fricción
que generan estos materiales contra la roca produce una temperatura capaz de
ablandar el metal de la broca por lo que será imprescindible el uso de agua como
sistema de enfriamiento de la broca.
Tomamuestra de rotación
El proceso de recuperar una muestra de roca con broca con incrustaciones de
diamante fue introducido por el ingeniero suizo Leschot, en 1863. Como se ha
visto, el método se fundamenta principalmente en el corte de un anillo con una
broca incrustada de un material muy duro (diamante o carburo de tungsteno) en
sus bordes, lubricándola y enfriándola con agua inyectada a través de la barra
de perforación por acción de una bomba, y recuperando la muestra en un tubo
hueco. Se rotan los instrumentos bajo una presión controlada, subiendo y
bajándolos mediante el montacargas del equipo de perforación. Estas brocas se
clasifican en el mercado de acuerdo a tamaños tales como BWG y NWG. Una tabla
conteniendo los tamaños comerciales de broca se presenta en el apéndice de esta
unidad.
Los tomamuestras que se utilizan en este proceso pueden se de dos tipos
principalmente: de pared sencilla y de pared doble. El tomamuestra de pared
sencilla es el más simple de los tubos muestreadores en roca y además, el menos
costoso. Será la mejor elección cuando se trate de formaciones de roca sólida,
donde una buena recuperación es relativamente simple. También es de utilidad al
penetrar mantos de roca por encima del estrato de interés o donde un alto
porcentaje de recuperación no es necesario. Como se observa en la figura 8.18,
el agua fluye a través de la cabeza del tomamuestra, pasa alrededor de la
muestra y hacia afuera por la broca. Como puede haberse intuido, el gran
inconveniente del tomamuestra de pared simple es que al entrar la muestra en
contacto directo con el agua, ésta puede provocar la caída del espécimen cuando
se iza el conjunto. Por esta razón fue que se desarrollaron los tomamuestras de
doble pared.
Mostrado en la figura 8.19, aparece el tomamuestra de doble pared. Puede
observarse que este tubo muestreador está equipado con un tubo interno
rígidamente unido a la cabeza del tomamuestra y hacia abajo entre el espacio
dejado por los dos tubos. Nunca hay contacto entre la muestra y el fluido,
excepto en el área de la broca. Este tomamuestra es de una gran utilidad en el
caso de materiales que tienden a deslavarse o disolverse con facilidad.
Para mejorar la recuperación de las muestras de roca, puede emplearse un
dispositivo llamado entrampador . Esta pieza de forma tronco-cónica tiene el
papel de dificultar la salida de la muestra una vez ha entrado en el tubo
muestreador . Otro recurso para mejorar la recuperación de las muestras de roca
consiste en apagar la bomba de agua por unos instantes antes de izar el
conjunto. De esta forma se origina un "tapón" de roca que impide la salida del
espécimen. Dados los problemas que se han planteado, se recomienda que los
especímenes no excedan de 30 ó 60 cm de longitud.
Recuperación (R)
Ya se ha utilizado en repetidas ocasiones el término recuperación sin que lo
hayamos presentado formalmente. La recuperación no es más que la relación por
cociente entre la longitud de la muestra recuperada y la longitud total
perforada, expresada como un porcentaje.
Figura 8.18 Tomamuestra de rotación de pared sencilla.
Figura 8.19 Tomamuestra de rotación de doble pared.
(longitud de muestra recuperada/longitud perforada)*100
Nunca se logra el 100% de recuperación. De una longitud perforada de 50 cm por
ejemplo, no es extraño recuperar tan sólo 20 cm. En la preocupación de lograr un
alto valor de recuperación, entran muchos conceptos tales como: el estado de la
broca, la presión a la que se perfora, el tipo de tomamuestra que se utiliza,
etc.. Como regla general, debe tenerse presente que la mejor recuperación
indicará una muestra más representativa y por lo tanto, más confiable.
8.6 Ensayo normal de penetración
Este método, presentado por Terzaghi y Peck, describe un procedimiento para el
empleo del tomamuestra partido en la obtención de especímenes alterados de suelo
para su identificación y demás ensayos de laboratorio, así como para obtener una
medida de la resistencia del suelo a la penetración del tubo muestreador.
La prueba consiste en hacer penetrar el tomamuestra partido unido a una barra de
perforación, a golpes producidos por un martillo de 64Kg (140 libras) de peso,
cayendo desde una altura de 75 cm (2.5 pies), computando el número de golpes (N)
necesarios para hacer penetrar el tomamuestra 30 cm. Deberá tenerse especial
cuidado para asegurar que la energía del martillo al caer no sea reducida por
fricción entre éste y la guía. En cada avance de 30 cm, se extrae el
tomamuestra, obteniéndose la muestra correspondiente a la profundidad a la que
se horadaba.
Es el procedimiento que rinde los mejores resultados en la práctica y
proporciona más información útil en torno al subsuelo. Además de permitir
conocer el comportamiento mecánico de los mantos, nos proporciona muestras
alteradas representativas del suelo en estudio.
A diferencia del ensayo normal con equipo portátil ya explicado, la elevación
del martinete se logrará mecánicamente mediante un cable sostenido por una polea
y accionado por un "winche". En el acápite anterior vimos el uso de las máquinas
perforadoras a percusión. El registro de los datos requiere el mismo formulario
ya mostrado en la figura 8.9. Para comparar los resultados obtenidos del equipo
manual con los del ensayo normal de penetración, el número de golpes obtenidos
con el primero se divide por cuatro, pues el martillo pesa cuatro veces menos
que en el caso del ensayo normal.
8.7 Auscultaciones
Este es un método de exploración del subsuelo cuyo propósito no es la
recuperación de especímenes, sino la obtención de información referente a la
resistencia de un suelo al esfuerzo cortante. Se utiliza generalmente para
exploración de estratos del subsuelo con una estructura errática. El método
consiste en la introducción a percusión de una punta cónica al suelo unida a una
barra maciza, bajo el golpeo controlado de un martillo. Registrándose el número
de golpes para lograr la penetración de una longitud dada (15 ó 30 cm) puede
determinarse, a un costo moderado, la variación de la resistencia a la
penetración que ofrece el subsuelo.
Las herramientas de auscultación son muchas, entre las cuales la más conocida es
el cono holandés, mostrado en la figura 8.2, que no es más que un cono de 60
grados de alta resistencia unido a la parte inferior de una barra maciza de
perforación. La extracción de los instrumentos se dificulta por la forma en sí
del cono, por lo que suelen utilizarse diversos tipos de gatos. Debe preferirse
la penetración estática.
Figura 8.20 Auscultaciones. El cono holandés.
8.8 Nivel freático
La medición del nivel freático o altura de las aguas subterráneas es de gran
importancia en la mecánica de suelos. La posición de la napa freática o acuífero
en un momento dado rige el comportamiento de los suelos en forma decisiva.
Terzaghi define el nivel de la napa freática como el lugar geométrico de los
niveles que alcanza la superficie del agua en pozos de observación en libre
comunicación con los vacíos del suelo "in situ".
El suelo se halla completamente saturado por debajo del nivel de la napa
freática y también lo estará a cierta distancia sobre ella por el conocido
fenómeno de la capilaridad, en caso de arcillas.
Terminada una exploración geotécnica, los agujeros dejados por las perforaciones
pueden ser utilizados como pozos de observación en la determinación del nivel
freático con la precaución de retirar el revestimiento si lo hubiera, y de
esperar un tiempo razonable para que el nivel de las aguas tome su posición
natural. Si el barreno se efectuó con equipo manual, ocho horas de espera son
suficientes, mientras que para perforaciones con equipo mecánico se prescriben
24 horas. La medición se efectúa de forma directa: con un hilo y una plomada
puede medirse la separación entre la napa y la superficie del terreno. También
suele utilizarse una barra seca para este fin. Existen métodos más sofisticados
basados en el cierre de un circuito eléctrico al entrar en contacto con el agua
de la napa, aunque no han probado ser tan efectivos como los sencillos métodos
de medición directa; radicando su desventaja en el hecho de que el cierre del
circuito puede producirse en contacto con materiales saturados y dar así una
información falsa sobre la posición de la napa freática.
8.9 Secciones estratigráficas
Al hacer un estudio geotécnico para algún proyecto específico, las perforaciones
se localizan en los puntos en que su información sea de mayor utilidad. Suelen
situarse los barrenos sobre el terreno en los lugares correspondientes a los
muros y columnas que soportarán la mayor carga de la construcción, elegidos de
modo a reproducir las características inherentes a toda la zona de edificación.
Estas perforaciones, dispuestas generalmente de forma alineada, nos servirán
para construir un perfil o sección de los estratos del subsuelo, para su empleo
en el diseño racional de los cimientos y en las modalidades constructivas que
requiere el conjunto suelo-proyecto.
Se prepara un formulario para cada perforación donde se colocan, en función de
la profundidad, todas las propiedades de los suelos determinadas por los ensayos
que se realizan en el campo y en el laboratorio. Este tipo de formulario se
presenta en la figura 8.21, correspondiente al registro de perforación
presentado en la figura 8.9 de este capítulo.
Relacionando las muestras con características similares, se obtienen mantos o
estratos del subsuelo que se pueden representar gráficamente. Así, se define
estrato como toda capa de suelo de características y propiedades físicas
definidas; o bien, toda capa de suelo en que sus puntos poseen propiedades
homólogas. En cierto modo, la sección estratigráfica del subsuelo es un resumen
gráfico del estudio geotécnico realizado. Para el diseño de la supraestructura
del proyecto, se tomarán los valores promedios de las propiedades encontradas
para cada estrato.
El especialista en suelo, también acostumbra trazar gráficas con los valores
significativos del terreno en función de la profundidad. Con estas curvas puede
observarse mucho mejor el cambio en las características d ellos distintos
estratos que configuran el subsuelo de cimentación. La figura 8.22 muestra las
gráficas de algunas propiedades físicas de la perforación que se analiza.
Figura 8.22 Gráfica de algunas propiedades físicas de la perforación que se
analiza.
Si los elementos naturales que constituyen el subsuelo forman capas con una
disposición y espesor casi constante, nos referimos a su estratigrafía como
uniforme; en caso contrario, si las capas no siguen un orden regular, se habla
de estratigrafía errática. La diferencia entre ambos tipos de estratigrafía
puede observarse en la figura 8.23
Figura 8.23 Ejemplos se secciones estratigráficas
A P E N D I C E
En arena se han establecido los siguientes enlaces:
N Densidad relativa
0-4 Muy suelta
4-10 Suelta
10-30 Medianamente densa
30-50 Densa
>50 Muy densa
Cuestionario
1.- Defina o explique someramente: a) Características del ensayo normal de
penetración. Norma y ejecución. b) Tomamuestra partido. c) Tubo "Shelby". d)
Excavación a cielo abierto. Muestras cúbicas. e) Sección estratigráfica. f)
Relación de áreas en los tubos muestreadores. g) Obtención de especímenes en
roca. h) Obtención de información geotécnica mediante auscultaciones.
II.- Determine la relación de áreas de los siguientes tomamuestras y su
habilidad para producir especímenes inalterados:
a) Tomamuestra partido, diámetro exterior = 2-0" y diámetro interior = 1-3/8" b)
Tomamuestra de pared delgada, diámetro exterior = 2-0" y diámetro interior = 1-
7/8". c) Tomamuestra de pared fina, diámetro exterior = 3-0" y diámetro interior
= 2-7/8".
UNIDAD 9
Permeabilidad
En el estudio de las propiedades hidráulicas del suelo, nos referiremos al
movimiento del agua libre entre las partículas, cuya magnitud depende de la
permeabilidad del material. Se define un material permeable como aquel que tiene
vacíos continuos. Siguiendo este concepto, todos los suelos y materiales
constructivos, excluyendo los metálicos, son permeables. La circulación de agua
importancia en facilidad o dificultad con que se realizan muchas operaciones de
construcción y, por consiguiente, influye decisivamente en el costo.
El general distinguiremos dos tipos de flujo: laminar y turbulento. El flujo
laminar es aquel en el cual las partículas de agua se mueven o desplazan sin
interferencias, o sea, que las partículas no chocan entre sí. Es característico
de los limos y las arcillas, pero puede ocurrir en las arenas bajo ciertas
condiciones hidráulicas. Un flujo se definirá como turbulento cuando las líneas
de flujo de juntan debido al choque de las partículas de agua que se mueven
indisciplinadamente. Es propio de las gravas. La figura 9.1 muestra la
distinción entre los dos tipos de flujo. Nótese que las líneas de flujo laminar
están contenidas en un plano, mientras que las trayectorias en el flujo
turbulento son volumétricas.
9.1 Movimiento del agua libre
El escurrimiento del agua a través de un material permeable se realiza siguiendo
aproximadamente las líneas de filtración. En la figura 9.2 se ilustran los
principios hidráulicos de la filtración lineal, denominada así porque las líneas
de filtración son rectas y paralelas. Los tubos piezométricos instalados en los
puntos A1 y A2, extremos de una línea de filtración, indican el nivel a que el
agua asciende. Hay una pérdida de energía ( convertida en calor y sonido) debido
a la fricción de las partículas de agua dentro de los poros del suelo que genera
la sobrepresión hidrostática. Es ésta el elemento motor que provoca el
movimiento del agua a través de la masa de suelo.
Figura 9.1 Distinción entre el flujo laminar y el turbulento.
Definamos los siguientes términos:
Altura de posición o potencial: es la distancia medida desde un plano de
referencia arbitrario. Dado por Z1 y Z2.
Presión piezométrica: es la presión que provoca que el nivel del agua se eleve
en el tubo.
Carga hidráulica: es la pérdida de altura h obtenida por la diferencia de
alturas totales h1 y h2.
Sobrepresión hidrostática: es la pérdida de energía determinable por el producto
h * Y, donde Yw es el peso específico del agua (g/cm3) y h la carga hidráulica.
Figura 9.2 Diagrama que muestra el escurrimiento lineal del agua a través de un
elemento de suelo.
Principio de Bernoulli.
"En un punto de un líquido, la energía total es igual a la suma de las energías
de posición o potencial, piezométrica o de presión, y de velocidad".
En suelos, podemos despreciar el aporte o contribución de la energía de
velocidad por ser pequeña en relación con los restantes gradientes de presión
(Ip)
Gradiente de presión (ip)
La relación de la sobrepresión hidrostática por unidad de longitud del suelo en
el que se produce la caída de presión se llama gradiente de presión. Tiene
unidades de peso específico. Analíticamente puede escribirse como:
ip = (h . Yw) / L
Gradiente hidráulico (i)
El gradiente hidráulico del flujo se determina por la expresión:
i = ip / Yw
Sustituyendo ip por su equivalente, dado anteriormente, se obtiene un valor
adimensional:
i = h/L
En el sistema métrico decimal ip e i son numéricamente iguales, diferenciándose
en que ip se expresa en g/cm3 mientras que i no tiene dimensión. Sin embargo,
ambos miden la acción motora que impulsa la filtración de agua.
9.2 Ley de Darcy
Una antigua fórmula empírica mide la cantidad de agua que circula en la unidad
de tiempo a través de una superficie unitaria normal a las líneas de filtración,
expresada como:
K: permeabilidad de un material poroso, función exclusiva de las características
del suelo (cm²) N: viscosidad del líquido que circula (g . seg /cm²) ip:
gradiente de presión (g/cm3) v: velocidad de agua a través de la sección total
del suelo.
La consideración de la sección total del suelo es irreal ya que el flujo de agua
se efectúa a través de los vacíos del suelo, como se esquematiza en la figura
9.3.
Figura 9.3 Sección total del suelo.
Area total = área "ciega" + área de poros.
Reemplazando en la fórmula precedente el gradiente de presión por el gradiente
hidráulico tenemos:
Ip = i . Yw
v = (K/h) * i * Yw
Como K, h y Yw son valores constantes los vamos a reunir del siguiente modo:
k = ((K*Yw)/h)
Sustituyendo en la ecuación anterior, donde k es el coeficiente de permeabilidad
al cual le corresponden unidades de velocidad (cm/seg), nos queda:
v = k . i Ley de Darcy
Limitaciones de la Ley de Darcy
El flujo debe ser laminar, lo que implica que la Ley de Darcy sólo es aplicable
en materiales finos y en algunos casos de arenas cuyas condiciones sean:
i < 0.4 en arenas densas i < 0.2 en arenas sueltas
La turbulencia no es congruente con la Ley de Darcy, por lo que no es aplicable
a gravas.
Por otra parte, la Ley de Darcy supone que la forma y volumen de los poros por
donde circula el agua son independientes de la presión y del tiempo.
9.3 Coeficiente de permeabilidad (k)
Se define el coeficiente de permeabilidad como la velocidad que adquiere el agua
que fluye cuando el gradiente hidráulico es la unidad.
En la fórmula de Darcy, para i = 1 se tiene:
V = i . k = k (cm/seg)
Para llegar a la expresión simplificada de Darcy, asumimos que los factores del
coeficiente de permeabilidad eran constantes, lo cual es válido sólo en los
casos de filtración de agua a poca profundidad, donde la temperatura varía muy
poco y el peso específico y la viscosidad del agua son prácticamente constante.
De modo que el coeficiente de permeabilidad no es un valor absoluto, sino que
depende de la temperatura del agua.
Relación entre el coeficiente de permeabilidad y la temperatura
Partimos de la fórmula del coeficiente de permeabilidad y la relacionamos con la
misma expresión de k para un temperatura cualquiera que designaremos con el
subíndice
k = (K/h)* Yw
k1 = (K/h1)* Yw1
k / k1 = [(K/h)* Yw] / [(K/h1)* Yw1]
Como el peso específico del agua tiene un rango de variación muy limitada en
comparación con el de la viscosidad, podemos considerar su cociente igual a 1 y
escribir:
k / k1 = h/h1
La expresión obtenida nos indica que el coeficiente de permeabilidad es
inversamente proporcional a la viscosidad del líquido. Se ha acordado reportar
el coeficiente de permeabilidad, obtenido en el laboratorio, a una temperatura
de 20° C, razón por la cual determinaremos dicho coeficiente a la temperatura
ambiental y luego lo compartiremos a 20°C mediante la siguiente relación:
k20°C = k * (h/h20°C) Los valores de n/n20°C en función de la temperatura se
obtienen fácilmente de la gráfica representada en la figura 9.4
Medios directos para obtener el coeficiente de permeabilidad del suelo
En los problemas relativos al flujo de líquidos en general la determinación
correcta del coeficiente de permeabilidad es un dato de importancia primordial.
Existen diversos procesos en la obtención de la permeabilidad de los suelos:
unos de prueba "in situ" o en el lugar y otros de laboratorio. En el presente
Manual sólo explicaremos los que se realizan en el laboratorio, que requieren la
utilización de aparatos denominados permeámetros, diseñados a base de una carga
hidráulica, la cual les da nombre. La naturaleza del subsuelo a ensayar es la
que determinará el tipo de permeámetro a utilizarse.
Figura 9.4 Relación entre temperatura y viscosidad del agua.
9.4 Permeámetro de carga constante
Está destinado a materiales de alta permeabilidad, como son los suelos
granulares (arena, grava, o combinación de ellas).
La figura 9.5 muestra un elemento de suelo de área transversal A y longitud L
confinado entre un tubo transparente y dos piedras porosas artificiales que no
deben ofrecer mayor dificultad al paso del agua que la muestra. Se somete el
suelo a una carga hidráulica constante h, valiéndose de una fuente que
suministra el agua de consumo y de un conducto o vertedero que elimina el
excedente.
Figura 9.5 Esquema del permeámetro de carga constante
Es conveniente aclarar que el agua que usemos debe "desaerearse" y dejarle
circular el tiempo suficiente por espécimen hasta notar, a través del cuerpo
principal transparente del equipo, que no hay burbujas de aire. Cuando éstas
desaparezcan, estamos en condición de hacer las mediciones. Con un cronómetro
listo, se empieza a verter agua y a un tiempo arbitrario medimos el volumen de
agua o descarga en la probeta, manteniendo fijos los niveles de agua. Así
tendremos como datos, el tiempo y el volumen de agua pasante, con los cuales de
determina el caudal : Q = V/t.
Sabemos que:
Q = A * v
Aplicando la Ley de Darcy: Q = A * k * i
Sustituyendo: Q = A*k*(h/L)
De esta expresión puede despejarse el coeficiente de permeabilidad:
k = (Q*L) / (A*h)
donde: Q : caudal ( cm3/seg) L : longitud del espécimen (cm) A : área de la
sección transversal de la muestra (cm²) h : carga hidráulica que se establece
por elección y tiene que mantenerse constante durante el ensayo (cm).
Comprobando dimensionalmente la expresión obtenida de k, se tiene una unidad de
velocidad como habíamos discutido anteriormente:
[ (cm3/seg)*cm ] / [ (cm²*cm) ] = cm/seg
9.5 Permeámetro de carga decreciente
Es utilizable en materiales predominantemente finos como son los suelos
arcillosos.
En la figura 9.6 se ilustra una muestra de suelo limitada por dos piedras
porosas de permeabilidad mayor que la de la muestra y del mismo diámetro. En la
parte superior tiene un receptáculo al cual se le ha acoplado un delgado tubo
transparente de área transversal a. Para saturar el espécimen, vertemos agua
dejándola pasar a través de una válvula. El agua empieza a ascender hasta cierto
nivel h1 del tubo piezométrico, alcanzado el cual se cierra la válvula.
Conviene enfatizar que para que el experimento tenga éxito, la muestra debe
estar completamente saturada y el agua desaereada, proceso que requiere a veces
mucho tiempo (días, hasta semanas) en materiales arcillosos.
Aun cuando cesa el suministro de agua continúa su salida por el orificio de
descarga, lo cual provoca el descenso del nivel en el tubo. El agua sobrante se
recoge en una bandeja provista de un derrame. Dado que la descarga de agua es
mínima, no vamos a medir el volumen de agua como en el método anterior, sino que
determinaremos el tiempo transcurrido en descender el nivel de agua en el tubo
transparente de h1 a h2.
Por la ley de continuidad, podemos establecer que el gasto a través del tubo
piezométrico es igual al gasto a través de la muestra de suelo. Esto puede
escribirse como sigue:
Qa = QA
Considerando un tiempo dt, el descenso de agua en el tubo será dh y el gasto a
su través podrá expresarse: - a*dh/dt) = A*v Aplicando la ley de Darcy:
-a*(dh/dt) = A*k*i
-a*(dh/dt) = A*k*(h/l)
-(dh/dt) = [((A*k)/(a.L)] * dt
Integrando en ambos términos:
h2 t - ¤ -(dh/h = [((A*k)/(a.L)] * ¤ dt h1 0
h2 t -[ln h] = [((A*k)/(a.L)] * ( t) h1 0
Figura 9.6 Esquema del permeámetro de carga decreciente.
Despejando el coeficiente de permeabilidad (k), obtenemos:
k = [(a* L)/(A*t)] In h1
Como In x / log10 x = 2.3025, tenemos la expresión final del coeficiente de
permeabilidad k:
k = [(2.3* a* L)/(A*t)] log 10 (h1/h2)
donde:
a: área del tubo vertical piezométrico A: área de la muestra L: longitud de la
muestra h1:carga hidráulica al inicio del ensayo h2:carga hidráulica a un tiempo
cualquiera t: tiempo requerido para que la carga hidráulica pase de h1 a h2.
9.6 Factores que influyen en la permeabilidad
Los principales factores, tanto característicos del suelo como del líquido que
circula, influyentes en la permeabilidad son:
1.- Forma y tamaño de la partículas 2.- Relación de vacíos del suelo 3.- Grado
de saturación del suelo 4.- Cantidad de gases disueltos en el líquido, ya que el
aire dificulta la filtración 5.- Propiedades, sobre todo la viscosidad, del
líquido que fluye. En nuestro caso, trataremos con agua cuya viscosidad es
función de la temperatura, como analizamos en el acápite 9.3
La siguiente tabla suministra valores de k para distintos tipos de suelos:
VALORES RELATIVOS DE PERMEABILIDAD (Según Terzaghi y Peck) Permeabilidad
relativa valores de k Suelo típico (cm/seg)
Muy permeable Mayor que 1x10-1 Grava gruesa Moderadamente permeable 1x10-1-
1x10-3 Arena, arena fina Poco permeable 1x10-3- 1x10-5 Arena limosa, arena sucia
Muy poco permeable 1x10-5- 1x10-7 Limo, arenisca fina Impermeable Menor que
1x10-7 Arcilla
Cuestionario
1.- Defina o explique someramente: a) Ley de Darcy b) Permeámetro de carga
variable c) Coeficiente de permeabilidad. Concepto matemático. d) Relación entre
k y n. e) Determinación de la expresión para encontrar el coeficiente de
permeabilidad en el ensayo de carga constante.
II.- Explique el fenómeno de permeabilidad en los suelos.
Ejercicios resueltos
Ejercicio número 1: En el proyecto de construcción de un dique de presa, la
selección los diferentes materiales que han de usarse es de gran importancia.
Uno de los criterios que se sigue es el de permeabilidad, por lo que ensayamos
dos tipos de materiales cuyos resultados aparecen tabulados en los formularios
que presentamos a seguidas.
Ejercicio número 2: Determine el caudal por metro lineal de espesor
perpendicular al plano del papel, que pasa por un estrato de arena limosa de un
espesor medio de 5.0 m y coeficiente de permeabilidad igual a 0.004 cm/seg,
sometido a flujo laminar, si las elevaciones piezométricas en los puntos A y B
son de 100.0 y 90.0 m, respectivamente, todo según condiciones reproducidas en
la figura siguiente:
Q = A* v = A * k * i = a * k * h L Q = (5.0 x 1.00)*(0.004/100)*(10.0/400) =
0.000005 m3/seg
Q = 5cm3/seg
Ejercicio número 3:En un estrato de arcilla limosa se han instalado dos tubos
piezométricos, en igual número de puntos separados 25.00m entre sí, ascendiendo
el agua a las elevaciones o cotas 18.70 y 12.40 m, dentro de los tubos. Una
muestra del estrato en asunto, de 150 cm² de área y 12 cm de altura, fue
colocada en un permeámetro de carga variable, con un tubo vertical de 9 cm ² de
sección transversal; observándose que para pasar de un altura de carga de 70 cm
a otra de 30 cm, fueron necesarias 3 hora, a una temperatura de 20°C. Determine
la velocidad del flujo de agua dentro del estrato, en cm/día.
Determinación de k:
k = [(2.3*L*a)/(A.t)] log (h1/h2)
h1 = 70 cm h2 = 30 cm A =150cm² L = 12cm a = 9 cm² t = 3 horas = 10,800 seg
k = [(2.3*12*9)/(150-10,800)] * log (70/30)
k = 248.4/1,620,000) * log 2.3333
k = 0.0000564 cm/seg
Determinación de v:
v = k x i = k x (h/L) L k = 5.64 x 10 - 5 cm/seg h = (18.70 - 12.40 ) m L =
25.0m
v = 5.64*10 -5*[(18.70-12.40)/25]
v = 1.42 x 10 -5 cm/seg x 86,400seg/día
v = 1.23 cm/día
Ejercicios propuestos
1.- Se construyó un permeámetro con un tanque de gasolina vacío, de un diámetro
de 0.56 m, manteniéndose una altura de carga constante e igual a 1.00m, si la
longitud de muestra fue de 0.80 m y en 5 segundo se recogieron 89 cm3 de agua,
determínese el coeficiente de permeabilidad del material analizado a la
temperatura del análisis.
Repuesta: k = 5.78 x 10 -3 cm/seg
2.- En un permeámetro de carga hidráulica constante se ensayó una muestra de
arena de 20 cm de altura y 15 cm de diámetro, bajo una carga hidráulica de 40cm,
por un período de 15 segundos. La cantidad de agua escurrida fue de 50 cc.
Calcúlese el coeficiente de permeabilidad para la temperatura den ensayo.
Repuesta: k = 9.43 x 10 -3 cm/seg
3.- En un permeámetro de carga decreciente a una temperatura de 20°C, se ensayó
una muestra de 15 cm de diámetro y 10 cm de altura, extraída de un estrato de
arcilla inorgánica con trazas de limo, Se requirieron 2.5 horas para que el
nivel del agua descendiera de 80 cm a 40 cm en un tubo vertical de 2 cm² de
sección transversal. Determine el coeficiente de permeabilidad del material en
asunto.
Respuesta: k = 8.7 x 10 -6 cm/seg
UNIDAD 10
Comportamiento mecánico de los suelos sumergidos
Supongamos que tenemos un receptáculo transparente, esquematizado en la figura
10.1, en cuya parte inferior de halla contenido un suelo saturado cualquiera. El
nivel del agua alcanza una altura H por encima de la superficie del suelo.
Imaginemos un plano de observación A - A, distante en una longitud z del límite
superior del suelo. Notaremos que en el tubo piezométrico subirá agua hasta el
nivel del líquido contenido en el receptáculo, dado que no hay filtración o
flujo. _ 10.1 Presión efectiva o intergranular (p)
Se define la presión efectiva, como aquella que actúa de partícula a partícula
sólida, tendiendo a producir reducciones en la relación de vacíos del suelo.
La figura 10.1 muestra la sección transversal de una muestra de suelo colocada
en el fondo de un recipiente. Aplicando en su superficie una carga por unidad de
área, se tiene una disminución de la relación de vacíos que produce también un
cambio de las propiedades mecánicas del suelo. De modo que la presión efectiva
motiva la compresión de los suelos, y por ende, el hundimiento de los cimientos.
Se origina exclusivamente en la parte sólida del suelo y no se puede medir
directamente, sino que se determina en base a u relación con las presiones
neutra y total.
Presión neutra o de poros (u)
Es producida por la carga hidráulica, actuando con la misma intensidad tanto en
el agua como en el elemento sólido.
Figura 10.1 Dispositivo experimental conteniendo un elemento de suelo sumergido
Se expresa mediante la relación u = h*Yw
Donde:
h: altura piezométrica
Yw: peso específico del agua, igual a 1 g/cm3
A diferencia de la presión efectiva, la presión debida al peso del agua no
influye apreciablemente en la relación d de vacíos, ni en ninguna otra propiedad
mecánica del suelo. A este hecho se debe su nombre.
Si la presión neutra se iguala a la presión atmosférica, entonces la primera se
anula.
10.2 Relaciones con la presión total (p)
La presión normal total actuante en un punto cualquiera de una sección dada a
través de un suelo saturado, se deriva de la acción pura y simple de peso, por
lo que está constituida de dos partes: presión efectiva y presión neutra o de
poros.
_ p = p + u
En vista de que la presión total se debe a la acción gravitacional, es
invariable; independientemente de los cambios que se produzcan en la carga
hidráulica. Es decir, que las presiones efectiva y neutra pueden intercambiarse,
pero manteniéndose siempre la presión total constante.
Lo anteriormente expuesto supone que en un estudio geotécnico de un suelo
saturado intervienen los criterios conjuntos de las tres intensidades de presión
relacionadas por la expresión p = p + u, conocida como la ecuación fundamental
de la mecánica de suelos.
Expresión de la presión efectiva
_ p = p - u
En el plano A -A se tiene:
_ p = z . Ysat + H Yw - h * Yw
_ p = z. Ysat + H . Yw - (H+ z) Yw
_ p= z * Y + H * Yw - H * Yw - z*Yw
_ p = z (Ysat - Yw)
_ p = z. Yw
10.3 Peso unitario del suelo sumergido
El valor Y' obtenido en la expresión de la presión efectiva lo denominaremos
peso unitario del suelo sumergido y lo definiremos como la diferencia entre el
peso unitario del suelo saturado y el peso específico del agua Yw = 1g/cm3.
Y' = Ysat - Yw
Este nuevo concepto nos será de gran utilidad en el cálculo de las presiones
contra muros de contención, estabilidad de taludes, etc.
10.4 Variaciones de las presiones efectivas y neutras por cambios en la carga
hidráulica
Imaginemos el receptáculo transparente de la figura 10.1 al cual le
introduciremos una fuente de alimentación de agua y un derrame, de forma tal que
garanticemos un nivel constante. Se producirá la filtración de agua o flujo
induciendo una carga hidráulica mediante una copa unida a un tubo flexible para
que ésta se pueda cambiar de posición verticalmente. En la posición A, indicada
en la figura 10.2, no hay flujo; consecuentemente, en el plano de traza A-A, la
expresión de la presión efectiva es válida: p = z . Y'. Si ascendemos o
descendemos la copa, convertida en un motor hidráulico, a los niveles B o C,
fluye el agua porque hay gradiente generado por la sobrepresión hidrostática.
Hay un aumento o decremento de la presión neutra, según el caso, por lo que
necesitamos evaluar la sobrepresión.
Figura 10.2 Dispositivo empleado para variar la carga hidráulica y su influencia
en las presiones efectivas y neutra.
En B y C
Du = h*Yw, donde h=i*z por definición de gradiente hidráulico
. : Du = i * z * Yw
Caso C La copa está por debajo del nivel original, por lo que hay una
disminución de la presión neutra, por ende, un aumento en la presión efectiva en
la misma magnitud. _ p = z *Y’+Du _ p = z *Y’+ i * z * Yw _ p = z (Y’+ i* Yw)
Caso B Al estar la copa levantada a una altura h sobre el nivel A, hay un
aumento de la presión neutra compatible con la disminución en la presión
efectiva. Por tanto, la presión efectiva a la profundidad z puede expresarse
como sigue:
_ p = z *Y’-Du
_ p = z *Y’- i * z * Yw
_ p = z (Y’- i* Yw)
10.5 Gradiente hidráulico crítico ( ic) y ebullición de la arenas
El valor que alcanza el gradiente hidráulico cuando la presión efectiva se anula
en todo punto de la masa de suelo, representa el gradiente hidráulico crítico.
Sustituyendo P = 0 en la expresión de la presión efectiva para el caso B,
tenemos:
0 = z (Y’- i* Yw)
Y’ = i * Yw
ic = Y’/Yw
Esto ocurre en la naturaleza con un ascenso del nivel freático en la magnitud
tal que el peso del suelo sumergido se iguala a la presión neutra o de poros.
Si analizamos el fenómeno que ocurre en el aparato esquematizado en la figura
10.2 cuando la copa está levantada sobre el nivel original, notaremos que
siempre que el gradiente hidráulico es menor del valor crítico, el caudal de
descarga aumenta de acuerdo con la Ley de Darcy ( acápite 9.2), directamente
proporcional a los valores de i y k. En el instante en que i alcanza el valor de
ic, la descarga aumenta repentinamente y se observa una variación brusca en las
posiciones relativas de la partículas del suelo ensayado, que se mueven
violentamente sin control alguno provocando una reducción permanente en el peso
unitario del suelo. Este fenómeno producido por la condición hidráulica i = ic
se conoce como ebullición de las arenas, tembladeras o arenas movedizas.
Siempre que el nivel freático asciende a un nivel tal que el gradiente
hidráulico supera el valor crítico ic, la arena empieza a bullir debido a la
desaparición de la acción de partícula a partícula que la mantenía en una
posición fija (véase figura 10.3). Puesto que muchas veces se ha considerado que
las arenas movedizas constituyen un tipo de arena, es conveniente aclarar que la
ebullición se puede producir en cualquier tipo de arenas, independientemente de
su granulometría, por las condiciones hidráulicas ya definidas.
Figura 10.3 Ebullición de las arenas
10.6 Casos mundiales de desastres por descensos de los niveles de agua o
hidrocarburos en el subsuelo
Si el nivel freático de una zona desciende por cualquier fenómeno, el aumento
en la presión efectiva, cuantificado en el caso C acápite 10.4, acerca a las
partículas y reduce el volumen de la masa de suelo, provocando compresibilidad
que precipita un fenómeno natural de hundimiento del suelo. Por esto, debemos
evitar las explotaciones de las aguas subterráneas en las cercanías de
edificaciones. En Ciudad México, la napa freática ha descendido como resultado
de un procedimiento natural acrecentado por la extracción de agua subterránea,
quedando en la ciudad algunos tubos de succión de antiguas bombas como
testigos del hundimiento. Nótese la magnitud de los descensos en la figura
10.4. Esta advertencia es válida también para las perforaciones de pozos
petrolíferos. Investigaciones realizadas en una base militar en Long Beach,
California, revelaron que ésta se asentó por compresibilidad, producto del
descenso de la napa petrolífera.
Figura 10.4 Hundimiento en antiguo tubo de pozo para extracción de agua. Lugar
cercano al monumento de la Revolución, Ciudad de México.
Cuestionario
I.- Defina o explique brevemente: a) Presiones efectiva, neutra y total.
b)Gradiente hidráulico crítico. c)Peso unitario sumergido. d)Consecuencias del
descenso del nivel friático. e)Expresión de la presión efectiva en el caso de
suelo saturado sin flujo de agua. II.- Determine el valor de la presión efectiva
en el caso de suelo saturado sin flujo de agua.
Ejercicios resueltos
Ejercicio número 1: Un estrato sumergido de arcilla tiene un espesor de 15m. El
contenido medio de humedad de las muestras tomadas del estratos es de 54% y el
peso específico de sus partículas sólida es de 2.78 g/cm3. Se desea saber cuál
es la presión vertical efectiva en el fondo del estrato, originada por el peso
del mismo.
Z=15 m
w = 54%
Ys = 2.78 g/cm3
_ p = ?
Elijo ws = 1g
w=(Ww/Ws)*100 . : Ww=0.54*1= 0.54 g Ys=(Ws/Vs) . : Vs= 1 / 2.78 = 0.360 cm3
Diagrama de fases Vg=0 Wg=0 Vv=054 Ww=0.54 V=0.90 W=1.54 Vs=0.36 Ws=1.00
Nota : Todos los volúmenes son en centímetros cúbicos (cm3) y los pesos en
gramos (g)
Y sat = 1.54 g / 0.9 cm3 = 1.711 g/cm3 = 1.711 t/m3
_ p= Y’*z= (1.711-1)*15 = 10.67 t/m² = 1.067 Kg/cm²
Ejercicio número 2: Compute la presión efectiva en el plano Z-Z.
_ p= Y’*z donde Y’ = Ysat-Yw
_ p I = 1.00(1801) + (2.10-1.00) (1750-1000) = 2,626 Kg/m²
_ p II= 5.40(1905-1000) = 4,887 Kg/m²
_ p III= 4.30(1775-1000) = 3,332.5 Kg/m²
_ p IV 5.10(1804-1000) = 4,100.4 Kg/m²
_ p V= 2.20(1740-1000) = 1,628 Kg/m²
pV =16,573.9 Kg/m²
Ejercicios propuestos
1.- En la estratigrafía del ejercicio anterior ¿qué nuevo valor adquiriría la
presión efectiva si la napa freática descendiese 7.00 m a contar de la
superficie del terreno?
Respuesta: _ p = 22.312 t/m²
2.- Evalúe la presión efectiva sobre el plano A-A marcado en la figura.
Respuesta _ p = 5.2 t/m²
3.- En la sección estratigráfica mostrada a continuación, el nivel del agua
estaba originalmente en la superficie del terreno. Por descenso de éste a una
profundidad de 6.10m, el grado de saturación de la arena por encima del nuevo
nivel de agua decreció a un 20%. Compute la presión efectiva vertical en la
mitad del estrato de arcilla, antes y después del descenso.
Respuesta: 21.28t/m² y 25.89 t/m²