Propiedade elementales de suelos y rocas

TEMA 2 – Propiedades elementales
de suelos y rocas
La clasificación de los suelos se puede hacer en base a distintos criterios: color, granulometría,
otros. El más habitual es la granulometría, que consiste en el estudio del tamaño de las
partículas del suelo y de la relación entre éstas.
Para expresar el resultado de nuestra clasificación habremos de especificar en base a qué
normativa estamos trabajando (MIT, BS, DIN, ASTM,…).
Según su tamaño, clasificaremos a las partículas de un suelo en:
•
•
•
•
•
Piedras, bloques, bolos
Gravas, gravillas, garbancillo, arrocillo
suelos granulares, incoherentes o gruesos
Arenas
Limos
suelos finos o “cohesivos”
Arcillas
Los suelos gruesos no tienen cohesión entre sus partículas. Las arcillas sí que tienen cohesión
propiamente dicha pero los limos solo en parte.
Piedras, bloques, bolos, mampuestos, escolleras son bloques pétreos grandes, de tamaños
superiores a 60 mm. Los bolos son piedras grandes y redondeadas y los bloques también
grandes pero rectangulares.
Resultan muy estables mecánicamente, por lo que son idóneos para usarlos en terraplenes,
pedraplenes, diques, escolleras, capas de balasto, muros de contención, estabilización de
taludes (muros de escollera), etc.
FR
E (empuje)
FR
Las gravas se suelen denominar con la letra G (en inglés, gravel) y las arenas con la letra S (en
inglés, sand). En la siguiente tabla se recoge una comparativa de las propiedades de gravas y
arenas.
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Gravas
֜
G
Arenas
Sus granos no se apelmazan aunque estén
húmedos. Tienen bajas tensiones capilares.
֜
S
Con la humedad, sus granos se apelmazan,
adquieren gran importancia las succiones
capilares y se produce entumecimiento.
meniscos
En las arenas, los meniscos son de dimensiones
comparables a los granos de material. Se
forman en arenas húmedas pero no saturadas.
Si existen filtraciones con gradiente
hidráulico >1 a través de ellas, el flujo es
turbulento. Esto es importante porque un
flujo turbulento puede descalzar la base de
un pilar de un puente dejándolo sin apoyos
suficientes y haciendo peligrar los
cimientos.
No se produce flujo turbulento aunque el
gradiente hidráulico sea >1.
Resulta difícil perforar un túnel en gravas
con aire comprimido, pues se producen
elevadas pérdidas de aire.
El aire comprimido resulta adecuado para
perforar arenas. En gravas el aire a presión
se escapará por los grandes huecos entre
partículas pero en arenas, al estar las partículas más juntas, éstas serán empujadas
con eficacia.
Presentan una elevada resistencia a la
erosión y a la tubificación (erosión
regresiva).
Tiene baja resistencia a la erosión y a la
tubificación, tanto eólica como hidráulica.
coronación
espaldón
EROSIÓN DE
UN TALUD
núcleo
Si tenemos un flujo de agua circulando por el espaldón de un talud, éste va a provocar
presiones en el mismo. Esta presión se verá contrarrestada en el caso de las gravas (alto peso
alto rozamiento entre partículas) pero no en el caso de las arenas (poco peso) y que serán
susceptibles de ser arrastradas.
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by FMT
A continuación recogemos una lista de similitudes entre gravas y arenas:
-
-
-
Son permeables y, por tanto,
se pueden drenar por bombeo.
Cuando se ejecuta una cimentación sobre ellas, los asientos se estabilizan al terminar
la construcción. Se van estabilizando con la evolución de la obra pero una vez acabada
ésta no siguen asentando.
Son fáciles de compactar. Al compactar un suelo lo reducimos de volumen, las
partículas se juntan y aumenta el rozamiento entre ellas. Solo los suelos granulares son
compactables.
No resultan susceptibles a heladas. Los ciclos hielo-deshielo no afectan a la morfología
y a la capacidad portante de los suelos granulares.
Los suelos granulares bien graduados son menos permeables y más estables
mecánicamente que los uniformes. Elegiremos un tipo u otro de suelo dependiendo de
si buscamos un suelo permeable o impermeable.
SUELO UNIFORME
SUELO GRADUADO
=== GRÁFICA DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS SUGÚN EL TAMAÑA DE SUS PARTÍCULAS ===
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Ahora vamos a comparar los limos con lar arenas. Los limos sueles representarse con la letra M
(en sueco, Moo, en inglés es silt).
Limos
֜
M
Arenas
֜
S
Sus partículas son “invisibles”.
Sus partículas son “visibles”.
Resultan algo “plásticos”. No son perfectamente moldeables pero si les damos una
forma, la mantendrán aproximadamente.
No son suelos plásticos.
Son suelos bastante impermeables.
Son suelos bastante permeables.
Los asientos suelen continuar después de
acabar la construcción.
Los asientos se estabilizan al terminar la
construcción.
Son susceptibles a las heladas. Los limos no
son adecuados en zonas que sufren heladas, pues al variar el hielo de volumen puede provocar fisuras en las cimentaciones.
Son poco susceptibles a las heladas.
Son difícilmente erosionables por el viento,
debido a que las partículas se unen entre
ellas.
Son fácilmente erosionables por el viento.
Es casi imposible drenarlos por bombeo.
Fácilmente drenables por bombeo.
Más características de los limos:
Son susceptibles al flujo de agua a través de ellos. Debido a esto pueden sufrir erosión hidráulica y regresiva (tubificación).
Tienden a fluir cuando están saturados y, por lo tanto, son inestables al aumentar su humedad.
Pueden dar lugar a colapsos (asientos dramáticos que se producen rápidamente).
Cuando se encuentran en forma de terrones secos presentan una ligera cohesión, pero se
pueden reducir a polvo fácilmente con los dedos (al estar en contacto con la piel, se suelen
secar relativamente).
Colapso de los limos:
Los limos depositados en una zona pueden estar “pegados” con sales. Estas sales podrían
disolverse y eliminar la capacidad portante del suelo, produciendo el colapso de la estructura.
Cohesión:
Es la capacidad de un suelo de resistir tensiones tangenciales. Crece al disminuir la humedad.
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Las partículas de arcilla se comportan como pequeños electroimanes que se atraen entre ellas.
Si hay agua entre las partículas, estas fuerzas disminuyen.
A continuación haremos una comparativa entre arcillas, que representaremos con la letra C
(en inglés, clay), y limos:
Arcillas
֜
C
Limos
Suelen tener propiedades coloidales.
֜
M
No suelen tener propiedades coloidales.
Coloide: partícula cuyo comportamiento está controlado por fuerzas de tipo superficial. En suelos
granulares y limosos dominan las fuerzas de masa, no así en los arcillosos.
El comportamiento coloidal se debe a la actividad electroquímica en la superficie de las partículas.
Las arcillas tienen una elevada superficie específica (por unidad de volumen).
Están compuestas en su mayor parte por
minerales arcillosos.
Pueden estar compuestas por minerales no
arcillosos (tanto más cuanto mayor sea el
tamaño de partículas).
Compactadas son estables frente a los
flujos de agua.
Son susceptibles a flujos de agua.
Se secan lentamente y se pegan a los
dedos.
Se suelen secar relativamente rápido y no
se pegan a los dedos.
Los terrones secos se pueden partir pero
no reducir a polvo con los dedos.
Los terrones secos pueden reducirse a
polvo con los dedos.
De tacto suave.
Su tacto es más áspero.
Más características de las arcillas:
No son susceptibles a las heladas. Esto es debido a que el agua en su interior no se encuentra
libre, sino que está ligada electrostáticamente a las partículas.
Sufren procesos de expansión y retracción con los cambios de humedad. Las arcillas, al recibir
agua, se hinchan y, al evaporarse ésta, la arcillas se retraen y reducen su volumen.
Resultan difícilmente compactables (compactación: disminución de huecos del suelo, aumento
de la densidad). Para que una arcilla disminuya de volumen ha de perder agua. Para conseguir
este efecto hemos de aplicar presión de forma prolongada.
Las arcillas son muy impermeables, aunque no infinitamente impermeables, pues con tiempo
conseguiríamos pasar agua a través de ella, pero no son aptas para pozos ni se pueden drenar.
Para que un suelo se considere como depósito arcilloso, debe tener un contenido de arcillas
mayor a un 35% aproximadamente (podría considerarse así incluyo con un 65% de gravas).
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La meteorización mecánica puede llegar a generar minerales redondeados de hasta 10 μm de
diámetro. Para conseguir partículas más pequeñas, la naturaleza recurre a la meteorización
química.
Así, la composición de un suelo arcilloso será diferente según la fracción que contemplemos:
2 – 0,2 μm pueden aparecer los mismos minerales que en la fracción gruesa del suelo.
< 0,2 μm los minerales serán, en la mayor parte, arcillosos.
Materia orgánica en un suelo
Para confirmar la existencia de materia orgánica (M.O.) en el terreno, echamos agua oxigenada
y, si existe, se producirá efervescencia.
La M.O. suele presentar colores oscuros y parduzcos y olores desagradables (dependiendo de
su composición).
Tiene una compresibilidad muy alta, por lo que nunca debe consistir el apoyo de una
cimentación. La presencia de M.O. en un suelo sobre el que vayamos a cimentar implica cierta
peligrosidad.
La M.O. tiende a descomponerse y, al hacerlo, se descompone químicamente y además
provoca vacíos, lo que hace aumentar los huecos y, por lo tanto, disminuir la resistencia.
Debido a esto, es buena costumbre eliminar la zona superficial del terreno sobre el que
vayamos a trabajar al suponer ésta una capa vegetal.
Otros tipos de suelo:
Loes sedimentos eólicos de tamaño de limo. Se sedimentan de forma suelta, con una cierta
cementación en los contactos. Si se saturan o sumergen, la cementación se destruye y se
puede producir colapso.
Gredas arcillas muy plásticas.
Tosca suelos con fuerte componente calcárea, de naturaleza muy compacta.
Tierra de diatomeas depósitos de tierra de sílice muy fino (blanco) compuestos total o
parcialmente por residuos de diatomeas (algas).
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Granulometría de un suelo. Curvas granulométricas
Una curva granulométrica es una representación gráfica que indica el porcentaje de partículas
de cada tamaño respecto al conjunto. Se suele representar en escala logarítmica y es de la
forma:
100
80
60
40
20
0
100
10
1
0,1
0,01
Para definir la curva para tamaños de partículas mayores a 2 mm, lavamos y secamos la
muestra y, a continuación tamizamos.
Para definir el tramo comprendido entre 2 mm y 0,08 mm, introducimos la muestra en una
solución dispersante (usualmente hexametafosfato, similar al Calgonit del lavavajillas), secamos y
luego tamizamos.
En el caso de partículas de diámetro inferior a 0,08 mm, estudiamos su granulometría
mediante un proceso de sedimentación basado en la Ley de Stokes.
La Ley de Stokes dice que la velocidad de descenso de una esfera en un fluido es:
‫=ݒ‬
ߛ௦ − ߛ௪
∙ ‫ܦ‬ଶ
18ߟ
en la que cada término significa:
‫ ݒ‬velocidad (cm s-2)
ߛ௦ peso específico de la esfera (p cm-3)
ߛ௪ peso específico del fluido, normalmente agua (p cm-3)
D diámetro de la esfera (cm)
η viscosidad dinámica del fluido (p s cm-2)
Introducimos nuestra muestra de estudio (< 0,08 mm) en una probeta con una disolución de
un fluido. Nos aseguramos de que se reparte homogéneamente en él y dejamos decantar.
Podemos parametrizar esta decantación siguiendo dos métodos:
Método de Robinson o de la pipeta: se extrae a una cierta profundidad muestras de suelo en
suspensión en distintos intervalos de tiempo y se mide la concentración de partículas en ellas.
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Método del densímetro: introducimos un densímetro en la probeta de ensayo. Según el
principio de Arquímedes, el densímetro experimentará un empuje hacia arriba igual que el
peso del volumen de líquido desalojado. Al ir disminuyendo la concentración de la disolución
según van sedimentando las partículas del suelo, también disminuye el empuje y el densímetro
se hunde más.
La Ley de Stokes tiene una serie de limitaciones que recogemos a continuación:
-
La ley se refiere a esferas. Puesto que las partículas no serán perfectamente
redondeadas, obtendremos “diámetros equivalentes”.
Es muy complicado calcular el peso específico de las partículas sólidas (y, además, éste
difiere para casa especie mineralógica de la muestra).
Para diámetros > 0,05 mm el régimen de movimientos del fluido no es laminar, hay
turbulencias y la ley no es válida.
Para tamaños < 0,002 mm la ley tampoco es válida pues se producen movimientos brownianos
(las partículas no descienden por su peso, que es muy pequeño, e interaccionan unas con
otras).
Tipos de curvas granulométricas
Suelo uniforme con
muchos gruesos
Suelo uniforme con
muchos finos
Suelo sin partículas de
tamaño intermedio
Los suelos del tercer tipo no aparecen en la naturaleza, se deberán a la intervención humana.
Suelo uniforme: hay un escalón entre dos
tramos horizontales y no muy inclinados.
Casi todas las partículas serán del tamaño
en el que se encuentra el escalón.
Suelo bien graduado: tiene una curva
granulométrica de variación de pendiente
suave, cóncava o convexa. Las partículas
pequeñas ocuparán los huecos de las
grandes.
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Coeficientes:
Diámetro efectivo: D10. Es el valor de un suelo tal que el 10% de sus partículas tiene un tamaño
menor. Es una buena forma de conocer la permeabilidad del suelo.
஽
Coeficiente de uniformidad: ‫ܥ‬௨ = లబ . Nos da una idea de la pendiente de la curva
஽
భబ
granulométrica. A mayor uniformidad del suelo, menor Cu. Es siempre >1. Cuando Cu<3
diremos que el suelo es uniforme y cuando Cu>3 diremos que el suelo es graduado.
Coeficiente de curvatura: ‫ܥ‬௖ =
஽యబ మ
஽భబ ∙஽లబ
. Este coeficiente nos habla de la relación entre las
pendientes de la curva y si ésta es uniforme a quebrada.
En general, diremos que un suelo es bien graduado si Cu>3 y 1<Cc<3 y, si una de estas dos
condiciones no se cumple diremos que es un suelo uniforme.
Descripción cualitativa de agregados según su densidad o
consistencia
Materiales granulares:
Sueltos
Medios o semidensos
Densos
densidad creciente
Materiales cohesivos:
Blandos (fangos)
Medios
Compactos
Duros o firmes
cohesión (o consistencia) creciente
Propiedades elementales
Son propiedades mecánicas que estudiamos mediante ensayos de identificación. Estos ensayos
no calculan directamente las características resistentes de un suelo (propiedades mecánicas),
sino que calculamos otros parámetros con los que podemos acercarnos al conocimiento de
estas características.
En estos ensayos identificamos, por un lado, las propiedades de los granos: forma, tamaño,
granulometría, mineralogía, etc.
Por otro lado identificamos las propiedades de los agregados o conjuntos de partículas. Estas
propiedades son: densidad (γ) de materiales granulares, grado de compactación, consistencia y
límites de Atterberg para materiales cohesivos, etc.
=== CONTINÚA… ===
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