Propiedades y Comportamiento de los Suelos

Presión de Hinchamiento

Máxima presión que desarrolla una muestra de suelo inalterado cuando al humectarse se impide su hinchamiento.

Hinchamiento Libre

Máxima variación del espesor de una muestra inalterada en un molde edométrico cuando se humedece y se permite la expansión. Los valores índice de los tres ensayos sirven para fijar el grado de expansividad potencial.

Terrenos con Pendientes Elevadas

En laderas o taludes, la pendiente a partir de la cual se desencadenan movimientos es muy variable y depende de las litologías existentes, la estructura geológica, la presencia de agua y las cargas sobre el talud. La pendiente de riesgo es del 15%, aunque hay zonas con pendiente del 90% que pueden ser estables y zonas del 15% que pueden ser inestables.

Terrenos Colapsables

Se origina una disminución del volumen del terreno. Los fenómenos de colapso del terreno están asociados a tipos de suelo limo-yesíferos y limo-arenosos de naturaleza metaestable. Un caso especial son los suelos de rellenos arenosos flojos o con aglomerados volcánicos.

Estos suelos presentan una estructura abierta y floja, y su comportamiento varía según el contenido de humedad. Un aumento de esta produce una disminución del volumen aparente. Los suelos limo-yesíferos tienen bajos valores de densidad seca, baja plasticidad y elevados valores de colapso.

Para caracterizar la peligrosidad de estos suelos, se realizan ensayos de colapso con edómetro. El grado de colapso puede ser: bajo, bajo-medio, medio-alto, alto o muy alto.

Terrenos Kársticos

Los materiales en los que se desarrollan estos procesos son: yesíferos, salinos y calcáreos. En determinadas formaciones volcánicas también es relativamente frecuente la presencia de cavidades con origen y problemática diferente, aunque con tratamientos de cimentación similares.

Las cavidades generadas en procesos kársticos presentan tamaños diferentes y distribución variable. En función de estas características, la karstificación tendrá mayor o menor influencia sobre las estructuras.

Rellenos Antrópicos

Son depósitos altamente densificables y con riesgo de colapso, incluso con cargas pequeñas. La solución habitual es apoyar la estructura sobre pilotes, transfiriendo la carga al sustrato resistente.

Suelos Dispersivos

Aquellos cuya constitución mineralógica y fábrica provoca que las fuerzas de repulsión entre las partículas finas excedan a las fuerzas de atracción de estas. Debido a esto, los suelos floculan, produciéndose erosión interna. Los agregados de partículas están constituidos por partículas arcillosas.

Suelos Salinos y Agresivos

Más del 15% de la capacidad iónica de cambio está saturada de iones de sodio, con un pH en solución saturada del orden de <8.5. Muchos de estos suelos son agresivos al hormigón de las cimentaciones.

Propiedades Físicas y Mecánicas

El suelo está formado por tres componentes básicos:

Parte sólida: Fragmentos de origen pétreo que dejan entre sí una serie de huecos.
Parte líquida: Integrada por todos los elementos que pueden encontrarse en estado líquido en los huecos que dejan los elementos sólidos. Está compuesta principalmente por agua.
Parte gaseosa: Elementos que pueden encontrarse en estado gaseoso en los huecos que dejan los sólidos. Está compuesta por aire, agua, metano, etano.

Porosidad

Relación entre el volumen ocupado por los poros y el volumen total de la muestra. Puede variar de manera considerable de unos suelos a otros:

Arenosos: Valores del orden del 30% en arenas bien graduadas, 50% en arenas uniformes.
Arcillosos: Hasta el 89% o 96% en terrenos arcillosos recién sedimentados.

Índice de Poros

Relación entre el volumen ocupado por los poros y el volumen ocupado por las partes sólidas. Es constante, pero la porosidad es variable. A mayor índice de poros, mayor cantidad de huecos tendrá el suelo, será más flojo o blando y tendrá mayor deformabilidad. Varía entre 0.30 y 1.30.

Densidad – Peso Específico

Densidad (en g/cm³): Es la masa por unidad de volumen.
Peso específico (en pondios/cm³): Es el peso por unidad de volumen.

Ambas magnitudes vendrán dadas con el mismo número. Para pesos específicos se utiliza la letra gamma (γ), para densidades, la letra ro (ρ).

Peso total (Pt) = Peso de los sólidos (Ps) + Peso del agua (Pw) + Peso del gas (Pg)

Como la parte gaseosa puede considerarse despreciable:

Pt = Ps + Pl

Volumen total (Vt) = Volumen de los sólidos (Vs) + Volumen del agua (Vl) + Volumen del gas (Vg)

Aunque también puede expresarse de esta manera, ya que la parte líquida y gaseosa ocupan los huecos que dejan entre sí los sólidos:

Vt = Vs + Volumen de los huecos (Vh)

El volumen de huecos puede estar vacío o contener elementos en forma líquida o gaseosa. Este volumen no es fijo, puede aumentar con la parte líquida. El entumecimiento es el aumento del volumen que experimenta un suelo cuando aumenta la humedad del mismo a partir de la saturación.

En un suelo sin cohesión, formado por partículas sueltas, el volumen total dependerá de la ordenación que presenten las partículas. El volumen del suelo dependerá del grado de compactación del mismo.

Tipos de Densidad

Densidad real o peso específico de las partículas del suelo.
Densidad aparente seca del suelo o peso específico seco.
Densidad aparente con humedad natural.
Densidad aparente con suelo saturado o peso específico saturado.
Peso específico sumergido.

Densidad Real o Peso Específico de las Partículas del Suelo

Es el cociente entre el peso de su parte sólida y el volumen ocupado por esta parte sólida.

γ(s) = Ps / Vs

El valor de la densidad real no depende ni de su volumen total ni del grado de compactación del suelo. El peso específico se determina en laboratorio, a partir de una muestra representativa. Una vez desecada y disgregada, se separan sus partículas; se determina el peso de la muestra (Ps) y se mide su volumen (Vs) por el desplazamiento de líquido que origina la muestra en un recipiente lleno de agua y previamente tarado (picnómetro).

Como valor medio de densidad real del suelo se toma 27 kg/dm³ (Terzaghi y Peck, 1955).

Densidad Aparente Seca o Peso Específico Seco del Suelo

Es el cociente del peso de la parte sólida dividido por el volumen total o aparente de la muestra:

γ(d) = Ps / Vt

El volumen total de un suelo sin cohesión se puede determinar mediante la obtención del volumen (Vt) de la zona donde se haya extraído la muestra. La densidad aparente seca toma normalmente valores entre 13 y 19 kg/dm³, aunque en suelos volcánicos y depósitos eólicos se pueden alcanzar valores de 6 a 12 kg/dm³.

Densidad Aparente con Suelo Saturado o Peso Específico Saturado

Es el cociente del peso total de la muestra, totalmente saturada de agua, dividido por el volumen total o aparente de la muestra:

γ(sat) = Pt / Vt = (Ps + Pl) / Vt

La densidad aparente de un suelo toma valores entre 16 y 21 kg/dm³, aunque en casos de suelos especiales pueden encontrarse valores más bajos.

Densidad Aparente con Humedad Natural

Es el cociente del peso total de la muestra en su estado natural y con la humedad que contiene, dividido por el volumen total o aparente de la muestra:

γ = Pn / Vt = (Ps + Pl) / Vt

La densidad aparente de un suelo toma valores entre 15 y 21 kg/dm³.

Peso Específico del Suelo Sumergido

En un suelo sumergido, es decir, que se encuentra bajo el nivel freático, la densidad desciende por efecto de la fuerza ascendente que el agua ejerce sobre las partículas sólidas:

γ = (Peso saturado – Empuje) / Vt = (Peso saturado – Vt * γ(w)) / Vt

γ = γ(sat) – γ(w) = γ(d) – (1 – n) * γ(w)

γ(sat) = (Ps + Pl) / Vt = γ(d) * (Pl / Vt)

Humedad

Cociente entre el peso del agua contenida en una determinada muestra y el peso del terreno seco.

Grado de Saturación

Es el porcentaje de poros que están ocupados por agua. Su valor varía entre 0 y 100 y expresa si la humedad que presenta una muestra de un suelo es alta o baja en relación con la humedad máxima que puede tener ese suelo, es decir, si el suelo con la humedad que tiene está más cerca de estar seco o de estar saturado:

W = Pl / Ps

Nomenclatura

W: Humedad
γ(s): Peso específico de los sólidos
Pl: Peso del agua
Vl: Volumen del agua
Vs: Volumen de los sólidos
Vh: Volumen de los huecos
γ(w): Densidad del agua
Ps: Peso de la parte sólida

La Consistencia

Depende directamente de la cohesión debida a las fuerzas de atracción entre las partículas que componen el suelo y la adhesión entre ellas.

Cohesión

Fuerza de atracción que mantiene una unión íntima entre las moléculas de un cuerpo. Se manifiesta entre partículas que se encuentran en contacto o muy poco separadas. La cohesión de un suelo depende del contenido de humedad del mismo.

Adhesión

Fuerza de atracción que mantiene unidas moléculas de distinta especie química. El concepto de consistencia de un suelo comprende las manifestaciones de esas fuerzas de cohesión y adhesión. Las manifestaciones son:

Comportamiento ante la gravedad, presión, empuje, tracción.
Tendencia de la masa de suelo a adherirse a otros suelos.
Sensaciones del tacto en los dedos al tocar la masa del suelo.

La consistencia de un suelo depende de su contenido de humedad. La modificación de la consistencia de un suelo como consecuencia de la variación de su humedad es continua. Sin embargo, existen diversos grados de consistencia diferenciados unos de otros, por lo que para poder estudiar y analizar la consistencia de un suelo se han establecido convencionalmente cuatro grados de consistencia muy diferenciados entre sí:

Sólida: Cuando el suelo presenta fuertes caracteres de dureza.
Semisólida: Cuando el suelo se caracteriza sobre todo por su friabilidad.
Plástica: Cuando el suelo presenta capacidad para poder ser moldeado y mantener la forma que se le ha dado.
Líquida: Cuando al tocar el suelo se aprecia una sensación de masa pegajosa que presenta una gran tendencia a adherirse a diversos objetos.

Límites de Atterberg

Los puntos de transición de un estado de consistencia a otro fueron fijados por Atterberg y se designan como límites de Atterberg. Hay tres:

Límite de Retracción (Lr)

Es la humedad para la cual el suelo se fisura y pierde su coherencia por falta de agua. Es la humedad que debe contener un suelo cuando está saturado con el volumen mínimo de agua, es igual al índice de huecos de la muestra desecada. Si una muestra de suelo se amasa con una cantidad de agua mayor que la correspondiente al límite de retracción y a continuación se deseca, la muestra de suelo se retrae, mientras que si es igual o menor que el límite de retracción, no se retrae.

Límite Líquido (WL)

Se determina con el aparato de Casagrande. El procedimiento es el siguiente:

Secar una muestra (150-200 g) que pase por el tamiz de 425 µm en una estufa a 60 ºC.
Añadir agua destilada y amasar.
Llevar a la cuchara de Casagrande una porción, aplastando y extendiéndola dentro de la cuchara.
Girar la manivela a razón de dos vueltas por segundo y contar los golpes necesarios para que las paredes del surco se unan por el fondo del mismo en una distancia de 13 mm.
Si el número de golpes está comprendido entre 15 y 35, se toma una porción de entre 10 y 15 g y se determina su humedad.
Se repite el ensayo hasta obtener entre 15 y 25 golpes.
Se llevan las dos determinaciones a un gráfico que tenga en abscisas el número de golpes y en ordenadas la humedad, en escala logarítmica.

Límite Plástico (WP)

Representa el punto en el cual el suelo empieza a perder su cohesión por falta de agua. Es la humedad mínima con la que pueden formarse con un suelo cilindros de 3 mm de diámetro. Si una muestra contiene una humedad igual o mayor que la de su límite plástico, se podrá amasar con facilidad y mantendrá la forma. Si una muestra contiene una humedad menor que la de su límite plástico, no se podrá amasar de manera que mantenga la forma.

El procedimiento consiste en amasar una porción de suelo de 20 g que pase por el tamiz de 400 µm y amasarlo con agua hasta que forme una bola, de la que se toman 15 g. Se toma la mitad de la muestra, se moldea y se hace rodar con la palma de la mano sobre una superficie lisa para que se formen cilindros. Si al llegar al cilindro de 3 mm de diámetro no se ha resquebrajado, se parte en trozos y se vuelve a juntar. Se repite el proceso hasta que se rompa y no permita rodarlo sin romperse. En ese momento se toma la muestra, se pesa, se deseca y se determina la humedad. Se realizan dos determinaciones y se hace un valor medio.

Índices de Consistencia de Suelos

Índice de Plasticidad (IP)

Se obtiene calculando la diferencia entre los porcentajes de humedad que corresponden al límite líquido y al límite plástico. Representa el intervalo de valores de humedad en el que ese suelo se mantiene en estado plástico, siendo más amplio el intervalo cuanto más plástico es el suelo. Cuando un suelo presenta una humedad menor a la correspondiente al límite plástico, ese suelo no está en estado plástico. Cuando un suelo presenta una humedad mayor a la correspondiente al límite líquido, se considera que el suelo está en estado líquido.

Clasificación de los Suelos

Muy arcilloso
Arcilloso
Poco arcilloso
Exento de arcilla (arenas limpias, IP = 0)

Índice de Consistencia (IC)

Valor numérico adimensional que nos aporta una idea aproximada de las características que tiene un suelo en su estado natural. Atendiendo a su IC se puede hacer la siguiente clasificación:

Compacto, seco, duro
En el límite plástico
Muy plástico
Semiplástico
Semifluido

Se pueden establecer los siguientes grados de consistencia:

Dura
Semidura
Firme
Blanda
Pastosa
Semifluida
Fluida

Cuando la humedad que tiene un suelo en su estado natural corresponde a su límite plástico, su IC = 1. Cuando la humedad que tiene un suelo en su estado natural corresponde a su límite líquido, su IC = 0.

Granulometría

Por el tamaño de los granos o partículas que componen un suelo, estos pueden clasificarse en:

Gruesos: Gravas > 2 mm
Arenas: 2 a 0.076 mm
Finos:
- Limos: 0.076 a 0.002 mm
- Arcillas: < 0.002 mm

Las arenas, gravas y limos son suelos sin cohesión (incoherentes) con granos o partículas de forma poliédrica o pseudosférica, sin predominio sobre los demás. Las arcillas proporcionan suelos con cohesión (coherentes) con partículas de forma laminar, en las que existen grandes diferencias de dimensiones.

Para conocer la proporción de cada material que tiene un suelo se realizan análisis granulométricos, utilizando la vía seca para partículas > 0.075 mm y sedimentación, vía húmeda, para tamaños < 0.075 mm. Se suele representar en un gráfico, en un eje se ponen los tamaños y en otro los porcentajes, y la línea que sale se llama línea granulométrica.

El análisis granulométrico de los suelos se realiza por tamizado. Se tomará una muestra del mismo, que se desecará a menos de 60 ºC hasta peso constante. Los tamices utilizados son los de la serie ASTM o los de la norma UNE. La muestra se tamiza por el tamiz de 20 mm, de la fracción que pasa se separan 2 kg por cuarteo y se determina su masa. Se tamiza esa porción por el tamiz de 2 mm hasta obtener dos fracciones. La fracción retenida se deseca en estufa y se va tamizando por los demás tamices. A partir de estos valores obtendremos el peso retenido y acumulado de cada tamiz. El complemento a 100 nos dará el % que pasa por dicho tamiz. El tamiz nº 200 tiene una luz de malla de 0.076 mm y es el correspondiente al de 0.080 mm UNE que se utiliza para separar los elementos finos (limos y arcillas).

Coeficiente de Uniformidad (Cu)

Cu es la relación entre el diámetro del tamiz por el que pasa un 60% del material y el diámetro del tamiz por el que pasa el 10%.

Cu = D(60) / D(10)

El Cu expresa la granulometría si existen porcentajes similares de los tamaños de partículas o tamaños de los que hay pocos porcentajes y de otros muchos. Cuando Cu es < 5, el suelo tiene una granulometría uniforme, suelen ser sedimentarios. Si el Cu varía entre 5 y 20, indica que tiene una granulometría poco uniforme. Son suelos heterogéneos, como arenas y limos arcillosos. Si el Cu de un suelo es > 20, existen porcentajes similares de cada uno de los tamaños. Cuanto más uniforme es la granulometría de un suelo, alcanzarán menores valores de densidad, serán más permeables y serán erosionados más fácilmente. Cuanto mayor sea el coeficiente, mayor grado de compactación se podrá conseguir con ese suelo.

Coeficiente de Continuidad o Curvatura (Cc)

Expresa si los distintos tamaños están debidamente representados o si por el contrario hay saltos en la granulometría. Entre 1 y 3 nos indica que tiene una granulometría continua = bien graduado. Mayor que 3 o menor que 1 nos indica que ese suelo tiene una granulometría discontinua = mal graduado.

Cc = (D30)² / (D10 * D60)

Contenido de Finos

Se conocen como finos a las partículas que tienen un tamaño < 0.08 mm. Las partículas menores de ese tamaño son las que constituyen los limos y arcillas.

Equivalente de Arena (EA)

Se trata de un ensayo de obra que es útil para señalar la existencia de un material granular peligroso por contener exceso de finos. También sirve para comprobar la uniformidad. Es útil por su sencillez, pero es aproximado. Consiste en introducir la muestra de suelo o árido en una probeta cilíndrica de dimensiones dadas, que previamente se ha llenado con una disolución tipo. Se mezcla bien el suelo con la solución, se añade hasta una señal y se deja reposar. Se leen en la probeta las alturas.

Identificación de Suelos

La metodología del análisis del comportamiento del suelo comprende el siguiente proceso:

Identificación: Ensayos de consistencia (límites de Atterberg) y de granulometría, a los que se pueden añadir ensayos químicos.
Determinación del estado real del suelo: Se realiza a partir de los datos obtenidos en los ensayos para la determinación de la humedad, permeabilidad, peso específico, porosidad, pH.
Determinación de la respuesta del suelo: Se estudia el comportamiento del suelo frente a los cambios a que inducen en ese estado las acciones exteriores.

Sistemas de Clasificación

Por su Granulometría

Atendiendo al tamaño de sus partículas.

Por el Método de Casagrande

En esta clasificación los suelos se designan por dos letras mayúsculas, denominadas prefijo y sufijo, que indican respectivamente el grupo principal y la subdivisión de este grupo al que pertenece el suelo.

Procedimiento

Lo primero será realizar un examen visual comprobando si el suelo es:
- Altamente orgánico: Textura fibrosa, color y olor característicos, considerable contenido de humedad…
- De grano grueso: Pasa más del 50% en peso por el tamiz de 200.
- De grano fino: Pasa en un porcentaje menor o igual al 50% por el tamiz de 200.
Suelos de grano fino: Si se trata de suelos de grano muy fino, hay que determinar los límites de Atterberg con la fracción que pasa por el tamiz de 40.
Suelos de grano grueso: En este caso hay que fijarse en el tamiz de 4, para determinar si se trata de grava (G) o arena (A).

Nomenclatura

G: Grava
S: Arena
W: Graduación buena
P: Graduación pobre
M: Limo
C: Arcilla
L: Baja plasticidad
I: Media plasticidad
H: Alta plasticidad
O: Material orgánico
Pt: Suelo altamente orgánico