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Universidad Nacional de La Plata Facultad de Ingeniería Cátedra de Geotecnia I

Propiedades Índices de los Suelos 2013

Reedición Ing. Del Santo Matías Corrección Ing. Sandoval Ramón

Facultad de Ingeniería U.N.L.P. Cátedra de Geotecnia I

Índice 1. Introducción 2. Propiedades de los Granos 2.1. Tamaño de las partículas 2.2. Forma de las partículas 2.3. Composición mineralógica 3. Propiedades de los agregados 3.1 Estructura de los suelos 3.2 Relaciones básicas de los agregados 4. Ensayos para la determinación de las relaciones básicas 4.1. Determinación de la superficie específica de un suelo 4.2. Análisis granulométrico de un suelo 4.2.1. Análisis por tamizado 4.2.2. Análisis por sedimentación (hidrometría) 4.2.3. Representación del análisis granulométrico 4.3. Humedad y grado de saturación de un suelo 4.4. Contenido de materia orgánica 4.5. Límites de Atterberg 4.5.1. Límite liquido 4.5.2. Limite plástico 4.5.3. Índice de plasticidad 4.5.4. Límite contracción 4.5.5. Carta de plasticidad 4.6. Peso específico de las partículas de un suelo 4.6.1. Método de desplazamiento 4.6.2. Método de suspensión 4.6.3. Método del picnómetro 4.7. Densidad de un suelo en laboratorio 4.7.1. Método de sumersión en mercurio 4.7.2. Método de sumersión en agua 4.8 Densidad de un suelo in situ 4.8.1. Método del cono de arena 4.8.2. Método del volumenómetro de agua 4.8.3. Método del anillo de Oroville 4.9 Relación de vacios mínima y máxima 4.9.1 Determinación de la relación de vacíos máxima 4.9.2 Determinación de la relación de vacíos mínima 4.10 Índice de densidad 4.11 Sensibilidad de las arcillas y tixotropía

2 2 2 3 4 10 10 12 13 13 15 16 18 24 27 29 31 32 36 37 37 39 41 42 45 45 48 48 50 51 52 54 56 59 59 61 62 63

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1. Introducción Los suelos son conjuntos de partículas agrupadas de diversas formas. Las características individuales de las partículas y su acomodamiento en el conjunto dependen de los procesos de meteorización de las rocas originales y de los procesos posteriores de conformación de los depósitos. La naturaleza de estos procesos ha dado como resultado una gran variedad de suelos que pueden ser identificados y caracterizados según una serie de propiedades elementales que marcan sus diferencias y permiten el agrupamiento de los mismos según características similares. A estas propiedades se las denominan "propiedades índice s” y se determinan mediante la ejecución de ensayos sobre muestras representativas. El comportamiento de un suelo depende de las características de los granos que lo constituyen y del acomodamiento de los mismos en el conjunto, pudiendo entonces separar las "propiedades índice" en dos grupos: propiedades de los granos y propiedades del conjunto de partículas o agregado.

2. Propiedades de los granos 2.1. Tamaño de las partículas Una de las primeras características que diferencia a los suelos es el tamaño de las partículas que los componen. En una primera aproximación, se puede decir que algunos suelos pose en granos de tamaño perceptibles a simple vista, como los granos de las gravas o arenas de mar, y que otros suelos poseen granos tan finos que cuando son mojados se transforman en una pasta, no pudiendo visualizarse las partículas individualmente. La diversidad de tamaños de granos es enorme. No se percibe esto en un primer contacto con el material, simplemente porque parecen todos muy pequeños respecto a los materiales con los que uno está acostumbrado a tratar. Existen granos de arena con dimensiones de 1 a 2 mm y existen partículas de arcilla con espesares de 10  (1 angstrom = 0,000001 mm). Esto significa que si una partícula de arcilla fuese ampliada, de manera de caber en el tamaño de una hoja de papel, el grano de arena arriba citado seria representado con diámetros del orden de 100 a 200 metros.

Granos de arena a simple vista (izquierda) y en detalle (derecha)

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Facultad de Ingeniería U.N.L.P. Cátedra de Geotecnia I En el suelo, generalmente conviven partículas de tamaños diversos. No es fácil identificar el tamaño de las partículas por simple manipulación del suelo, porque los granos de arena, por ejemplo, pueden estar envueltos por una gran cantidad de partículas arcillosas, muy finas, apareciendo en una primera impresión como una aglomeración formada exclusivamente por una gran cantidad de estas partículas. Al ser humedecidas, estas partículas, se disgregan pudiendo diferenciarse mejor las partículas de arena y las partículas de arcilla. Denominaciones específicas son empleadas para los diversos tamaños de granos, sus límites dependen del sistema de clasificación utilizado.

Fotografía de la estructura laminar de una arcilla

Desgraciadamente, las distintas clasificaciones no coinciden en la especificación de los límites adecuados. Esto es, en cierto modo natural, pues cada ciencia mira el suelo desde un ángulo distinto. Para el análisis de un suelo de acuerdo al tamaño de sus granos recurrimos al análisis granulométrico, que básicamente es separar al suelo en partes formadas por granos de tamaños comprendidos entre determinados límites. Más adelante, volveremos a detallar las distintas metodologías de análisis granulométricos.

2.2. Forma de las partículas La forma de las partículas de un suelo tiene una influencia importante en sus propiedades físicas. Las partículas se examinan a simpe vista o con una lupa, incluso con un microscopio para las más finas. Se describen haciendo referencia a su configuración geométrica, la forma en sí y a su redondeamiento, o sea el estado de la superficie. Las formas más comunes son las siguientes: a) Granos voluminosos: se corresponden a las fracciones gruesas de un suelo, pudiendo ser descriptos como se muestra en la figura que sigue:

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Facultad de Ingeniería U.N.L.P. Cátedra de Geotecnia I b) Granos escamosos o lajosos, son partículas planas donde el ancho y el largo prevalecen sobre el espesor, características de suelos de granos finos, generalmente, constituidos por micas y minerales arcillosos. c) Granos alargados y finos, son partículas donde una dimensión prevalece sobre las restantes. Estas partículas están constituidas por minerales arcillosos, ciertas cenizas volcánicas y por materiales orgánicos como las turbas.

Fotografía electrónica de ceniza volcánica proveniente del volcán Chaitén, Chile (2008)

Existen índices numéricos que se obtienen relacionando las dimensiones extremas de las partículas de granos gruesos, que son de utilidad particularmente cuando los materiales son utilizados como áridos para la preparación de hormigones de cemento o de mezclas asfálticas para pavimento.

2.3. Composición mineralógica Las fracciones gruesas están compuestas por granos de uno o más minerales, siendo fragmentos de roca que conservan la composición original, o bien el residuo inalterable de la descomposición químicas, como lo son los granos de cuarzo. Las fracciones finas, en cambio, son en general partículas de un solo mineral, principalmente de minerales arcillosos producto de la descomposición química de la roca original. Los minerales arcillosos son silicatos de Al, Fe, Mg, K u otros metales. Presentan estructuras cristalinas bien definidas, con retículas desarrolladas en capas. Unas capas están formadas por átomos de silicio, Si, vinculadas a átomos de oxigeno O. Otras capas están formadas por átomos de un metal (Al, Fe, Mg, K, etc.) ligamos a átomos de oxigeno o grupos hidroxilos (OH). Estas capas se juntan en formas de hojas o láminas, constituyendo una “unidad fundamental”, un conjunto de estas unidades dispuestas en forma de pila, conforma una partícula. La disposición y composición de las capas en cada “unidad fundamental” determina el tipo de mineral arcilloso.

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Facultad de Ingeniería U.N.L.P. Cátedra de Geotecnia I Los dos elementos fundamentales en la estructura de los minerales arcillosos son los tetraedros y los octaedros. En el tetraedro cuatro átomos de oxígenos rodean a un átomo de silicio. Los tetraedros forman capas, de modo que los oxígenos de las bases de todos ellos se encuentran en el mismo plano y que cada oxígeno pertenezca a dos tetraedros.

Estructura de un tetraedro

Por otro lado en el octaedro un átomo de aluminio, hierro, magnesio, etc. esta rodeado por seis átomos de oxigeno o iones hidroxilos (OH). También forman capas y de las distintas combinaciones de ellas y de los distintos cationes o aniones resultan la gran variedad de minerales arcillosos.

Estructura de un octaedro

A continuación analizaremos rápidamente los minerales arcillosos más comunes y su estructura cristalina, como así también algunas de sus propiedades.

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Facultad de Ingeniería U.N.L.P. Cátedra de Geotecnia I a) Caolinita: como se puede ver en la imagen, la partícula de caolinita se compone de capas de octaedros y tetraedros alternados. Su unidad fundamental tiene un espesor de 7,2 angstroms y se extiende indefinidamente en las otras dos dimensiones. Las sucesivas unidades fundamentales se mantienen unidas mediante enlaces de hidrógeno. La partícula de caolinita posee, debido a su fino tamaño, cargas positivas y negativas en los enlaces rotos de los bordes, que puede adsorber iones.

Estructura cristalina de la caolinita

Fotografía electrónica cristales de caolinita

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Facultad de Ingeniería U.N.L.P. Cátedra de Geotecnia I b) Montmorillonita: la unidad fundamental de una partícula de montmorillonita está conformada por dos capas de tetraedros que encierran una de octaedros. La unión entre cada dos unidades es mucho más débil que el enlace de hidrógeno en las partículas de caolinita. Como consecuencia, el agua puede penetrar entre ellas ocasionando una expansión de la partícula en el sentido perpendicular a la capa. El diámetro medio de las partículas de montmorillonita suele oscilar entre los 100 y los 5000  y al dispersarlas en agua se separan las distintas unidades fundamentales. La bentonita se compone en su mayor parte de montmorillonita.

Estructura cristalina de la montmorillonita

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Facultad de Ingeniería U.N.L.P. Cátedra de Geotecnia I c) Illita: posee una estructura similar a la montmorillonita con la diferencia en que las deficiencias de carga son equilibradas casi en su totalidad por átomos de potasio que se sitúan entre las diversas estructuras fundamentales. Su estructura no es expansiva pues no admite la entrada de átomos de agua entre las capas.

Estructura cristalina de la illita

Fotografía electrónica cristales de illita, caolinita y cuarzo

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Facultad de Ingeniería U.N.L.P. Cátedra de Geotecnia I Las partículas de minerales arcillosos presentan una gran superficie específica por la cual las fuerzas eléctricas que actúan en la superficie de las partículas prevalecen frente a las fuerzas de gravedad. Las diferencias en la conformación de la estructura de las retículas y las modificaciones que se producen al ser sustituidos los átomos de silicio y aluminio por otros, producen diferencias de intensidad en las cargas eléctricas de superficie que se manifiestan en el comportamiento de cada grupo de minerales arcillosos. En forma simplificada podemos decir que en las caras de las partículas se ubican cargas negativas no compensadas en los enlaces estructurales, y en los bordes, cargas negativas y positivas, estas últimas debidas a la interrupción de la cadena estructural. En el conjunto predominan netamente las cargas negativas. Al disociarse, por ionización si agua y las sustancias disueltas, los cationes (+) son atraídos por las cargas negativas de las caras y bordes de partículas. Esto genera la formación de una capa de agua, con otras sustancias disueltas, que en estado cuasi sólido queda fija a las partículas por adsorción, denominándose entonces “capa adsorbida”. La capacidad de adsorción dependerá entonces de la intensidad de las cargas eléctricas de superficie. Las montmorillonita tienen gran capacidad de adsorción, siendo entonces muy expansivas, es decir que aumentan notablemente su volumen al ponerse en contacto con agua por el importante espesor que adquieren las capas adsorbidas. Las illitas, si bien tienen una estructura similar a la de las montmorillonita, son de baja expansibilidad pues los iones de Potasio (K+) compensan la gran parte de las cargas negativas de superficie. Las caolinitas, tienen una estructura muy estable, con cargas eléctricas compensadas, presentando sólo algunas cargas positivas y negativas en los enlaces rotos de los bordes pudiendo estas cargas adsorber algunos iones. Son arcillas de muy baja expansibilidad. Los cationes adsorbidos pueden ser reemplazados por otros de mayor afinidad denominándose a este proceso "intercambio catiónico". Por ejemplo, el catión Na + se adsorbe fácilmente a la superficie de una partícula de arcilla, pero puede ser reemplazado por iones K +, lo que se puede probar colocando la arcilla en una solución de cloruro de potasio (KCl). Se puede entonces forzar el intercambio catiónico por procedimientos adecuados para mejorar el comportamiento de un suelo arcilloso pues el espesor de la capa adsorbida depende también del tipo de catión adsorbido. El reconocimiento directo de los minerales arcillosos se pueden hacer por medio del microscopio electrónico, por difracción de rayos X y también por análisis térmico diferencial, método este último basado en las reacciones químicas que se producen a determinadas temperaturas características de cada mineral arcilloso cuando se calienta un suelo que contenga esos materiales.

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3. Propiedades de los agregados 3.1. Estructura de los suelos La forma en que están dispuestos los granos de un suelo, constituye la “estructura primaria” y es el resultado de los proceso de meteorización que dieron origen al depósito. Los procesos de transformación posteriores a la formación del depósito pueden producir discontinuidades que constituyen la “estructura secundaria”. Estas discontinuidades pueden ser grietas por desecación, fisuraciones en arcillas duras por movimientos diferenciales y también concreciones por acumulación de carbonatos o de óxidos. Los tipos de estructuras primarias se muestran en las figuras que siguen y las describiremos a continuación: a) Estructura simple o granular: está constituida por granos individualizables que se tocan entre sí dando estabilidad al conjunto aunque no existan fuerzas de adherencia en los contactos. El acomodamiento podrá ser suelto o compacto, estando las propiedades del conjunto muy ligadas a la compacidad del mismo. Es una estructura propia de los suelos de grano grueso.

b) Estructura floculenta: si la sedimentación de grano fino se produce en un medio electrolítico, algunas partículas adsorben cationes (+) y quedan en condición de ser atraídas por las cargas negativas de otras partículas. De esta forma por contactos entre cargas, caras y bordes, o bordes contra bordes, se forman grupo de partículas o flóculos que al sedimentar se juntan conformando una estructura muy abierta. La adición de nuevos sedimentos o la acción de cargas externas produce la rotura estructural de los flóculos reduciendo los espacios vacíos y originando asentamientos en la superficie.

Esquema de estructura floculenta

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Facultad de Ingeniería U.N.L.P. Cátedra de Geotecnia I c) Estructura dispersante u orientada: si las partículas finas sedimentan en un medio sin electrolitos no se produce floculación ya que las partículas se repelen por tener cargas eléctricas del mismo signo. Las partículas se depositan orientadas paralelamente debido a sus formas achatadas. Los depósitos se presentan estratificados según tamaños por la distinta velocidad de caída. Por su ordenamiento estructural presentan mayor densificación que las estructuras floculentas, resultando por lo tanto poco compresibles.

Estructura dispersa de un suelo

d) Estructura compuesta: cuando se produce la sedimentación simultánea de partículas finas y otras más gruesas, se forman estructuras con un esqueleto constituido por los granos gruesos y con los flóculos de partículas finas actuando como nexos y rellenando parcialmente los intersticios. Los flóculos de nexo entre partículas gruesas están altamente comprimidas en los contactos con esos granos, confiriendo de esta forma la resistencia al conjunto. El material que llena los vacíos del esqueleto se mantiene blando y suelto pues soporta menores presiones . Si el conjunto se remueve, se destruye el esqueleto resistente mezclándose con las partes no consolidadas haciéndose entonces muy compresibles La destrucción de la estructura se puede producir, por ejemplo, por el efecto de amasado que produce la hinca de un pilote, o el trabajo de una herramienta de excavación.

Estructura compuesta propuesta por Casagrande, en formación a la izquierda y ya formada a la derecha

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3.2. Relaciones básicas de los agregados Los suelos son sistemas de tres fases, esto comprende una fase sólida, una fase líquida y una fase gaseosa. La fase sólida la constituyen las partículas minerales y la materia orgánica incorporada al asuelo; la fase líquida la constituye el agua libre, el agua adsorbida y eventualmente otros líquidos; la fase gaseosa la constituyen principalmente el aire y, en algunos casos particulares, otros gases originados por la actividad orgánica. Por medio de relaciones entre la masa y el volumen de las fases componentes de una muestra representativa podernos expresar cuantitativamente el estado de densificación y el contenido de agua de los suelos. Para el planteo de estas relaciones en la figura que sigue se ha representado una muestra idealizada en la cual se han separado las tres fases. Si la sección de una muestra es unitaria, la altura de cada fase se corresponde con el volumen de cada una de ellas A los efectos prácticos y de notación, consideremos que la fase gaseosa está constituida íntegramente por aire, y la líquida por agua. La suma del volumen de ambas fases constituye el volumen de vacíos de la muestra.

Va

Aire

Wa

Vw

Agua

Ww

Vs

Sólidos

Ws

Vv Vt

Wt

g Como se verá en la clase de “Relaciones Gravimétricas” con el esquema anterior y conociendo algunos datos de la muestra, se pueden obtener parámetros característicos del suelo.

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4. Ensayos para la determinación de las relaciones básicas Para la determinación de las relaciones básicas de los suelos es necesario conocer los pesos y los volúmenes de las fases constituyentes. Por medio de las balanzas se obtiene el peso total de las muestras (Wt) y luego de secar la muestra en un horno, se obtiene el peso de los sólidos (Ws). El peso del agua (Ww) se obtiene por la diferencia entre ambas pesadas. Los volúmenes totales (Vt) y de los sólidos (Vs) se pueden determinar por medición geométrica, por sumersión en un líquido o por reemplazo “in situ” del volumen de muestra extraída por un volumen fácilmente determinable de otro material . El volumen de vacíos (Vv) y el volumen de agua (Ww) se obtienen de fórmulas por deducción. Con los pesos y volúmenes medidos se obtendrán por cálculo directo los pesos específicos y la humedad, pudiéndose calcular otros parámetros por las relaciones gravimétricas conocidas. A continuación se describen los procedimientos para efectuar las mediciones mencionadas, que se combinan según el parámetro determinar, como así también algunos usuales y otros no tan usuales en la geotecnia actual.

4.1. Determinación de la superficie específica de un suelo La superficie específi...