Manual práctico de mecánica de suelos by Instituto Técnico Superior "Eugenio Espejo"

INSTITUTO TECNICO SUPERIOR EUGENIO ESPEJO (BABAHOYO - LOS RIOS - ECUADOR)

MANUAL PRACTICO DE MECANICA DE SUELOS

TERCER SEMESTRE OBRAS CIVILES ELABORADO POR: ING. CIVIL GONZALO AGUILAR YANEZ 2012 1

INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA DE SUELOS El objetivo principal de la Mecánica de Suelos es estudiar el comportamiento del suelo para ser usado como material de construcción o como base de sustentación de las obras de ingeniería. La importancia de los estudios de la mecánica de suelos radica en el hecho de que 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, produciendo a su vez deformaciones importantes, fisuras, grietas, alabeo o desplomos que pueden producir, en casos extremos, el colapso de la obra o 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 aquel y la estructura, 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. Para esto es necesario obtener muestras representativas del suelo que se someten a pruebas de laboratorio, tomando en cuenta que el muestreo y los ensayos se realizan necesariamente sobre pequeñas muestras de población, es necesario emplear algún método estadístico para estimar la viabilidad técnica de los resultados. El ingeniero pronosticará las características de carga-deformación de rellenos naturales o compactados, que soportan cualquier construcción o como estructura de suelo. La Mecánica de Suelos se interesa por la estabilidad del suelo, por su deformación y por el flujo de agua, hacia su interior, hacia el exterior y a través de su masa, tomando en cuenta que resulte económicamente factible usarlo como material de construcción. A un ingeniero le interesa identificar y determinar la conveniencia o no de usar el suelo como material para construir rellenos en caminos, canales de conducción y distribución de los sistemas de riego, obras hidráulicas, entre otros. Problemas planteados por el terreno en la Ingeniería Civil. Prácticamente todas las estructuras de ingeniería civil, edificios, puentes, carreteras, túneles, muros, torres, canales o presas, deben cimentarse sobre la superficie de la tierra o dentro de ella. Para que una estructura se comporte satisfactoriamente debe poseer una cimentación adecuada. Cuando el terreno firme está próximo a la superficie, una forma viable de transmitir al terreno las cargas concentradas de los muros o pilares de un edificio es mediante zaparas, como se ilustra en la figura 1.1. Un sistema de zapatas se denomina cimentación superficial. Antiguamente, se empleaban, como zapatas, entramados de madera o metal, capas de grava, etc., aunque actualmente las zapatas son, casi sin excepción, de concreto armado (*).

Fig. 1.1. Edificación cimentación superficial por zapatas.

En España y otros países es más familiar el término hormigón. (N.T.) Cuando el terreno firme no está próximo a la superficie, un sistema habitual para transmitir el peso de una estructura al terreno es mediante elementos verticales como pilotes (Fig. 1.2), cajones, o pilas. Estos términos no tienen una clara definición que los distinga unos de otros. En general los cajones y pilas son de mayor diámetro que los pilotes y requieren una técnica particular de excavación, mientras que los pilotes se suelen hincar por golpeo. El peso del edificio se transmite a través del suelo blando hasta una base firme que está debajo, sin que prácticamente ninguna parte de la carga del edificio descanse sobre el terreno blando.

Fig. 1.2. Edificio cimentado sobre pilotes.

El problema de proyectar con éxito una cimentación es mucho más amplio que la simple fijación de tamaños para las zapatas o la elección del número correcto y el tamaño de los pilotes. 3

En muchos casos, el costo de la cimentación de un edificio se puede reducir mucho, aplicando al suelo ciertos tratamientos. Por otro lado, algunas estructuras como los depósitos de acero, pueden cimentarse directamente sobre un relleno de suelo especialmente tratado, sin necesidad de recurrir a elementos estructurales. Así pues, la palabra cimentación se refiere tanto al terreno situado bajo la estructura como a cualquier elemento que sirva para transmitir las cargas; es decir, cimentación es todo aquello cuyo comportamiento estudia el ingeniero con el fin de proporcionar un apoyo satisfactorio y económico a una estructura. De hecho, la palabra cimentación se emplea para describir el material que soporta cualquier tipo de estructura como un edificio, presa, terraplén de carretera o aeropista. En el lenguaje moderno, el término cimentación superficial se emplea para describir un sistema constructivo en el que las cargas de la estructura se transmiten directamente al terreno situado bajo la misma, y el de cimentación profunda se aplica a aquellos casos en los que se emplean pilotes, cajones o pilas para transmitir las cargas a un terreno firme situado a cierta profundidad. En el proyecto de cualquier sistema de cimentación, el problema fundamental es evitar que se produzcan asentamientos suficientemente grandes para dañar la estructura o dificultar sus funciones. La magnitud del asentamiento permisible depende del tamaño, tipo y utilización de la estructura, tipo de cimentación, causa de los asentamientos en el terreno y emplazamiento de la estructura. En la mayoría de los casos, el asentamiento crítico no es el total sino más bien el diferencial o movimiento relativo de dos partes de la estructura. En la mayoría de las zonas urbanas de los Estados Unidos y Europa Occidental, los propietarios de edificios rehúsan aceptar asentamientos superiores a algunos centímetros ya que pueden producirse grietas de aspecto poco agradable, silos asentamientos son mayores. Por ejemplo, la experiencia ha demostrado que asentamientos superiores a unos 12 cm han producido el agrietamiento de los muros de ladrillo y mampostería de los edificios situados en los terrenos del M.I.T. Sin embargo, cuando las condiciones del terreno son muy malas, los propietarios aceptan algunas veces asentamientos importantes y el agrietamiento consecuente, con el fin de evitar los costos notablemente superiores de las cimentaciones profundas respecto a las superficiales. Por ejemplo, en la línea costera de la ciudad de Santos, en Brasil, se cimientan, directamente sobre suelo blando, edificios de apartamentos de 15 pisos. Asentamientos hasta de 30 cm son frecuentes. Se aprecian grietas en tales edificios, pero la mayoría de ellos permanecen habitados.

Quizás el caso más clásico de malas condiciones de cimentación sea el de la ciudad de México. En ésta, por ejemplo, el edificio del Palacio de Bellas Artes, se mantiene en servicio aunque se ha hundido 3.60 m respecto al terreno circundante. Los visitantes, que antiguamente tenían que subir las escaleras hasta la planta baja. Deben bajadas ahora hasta la misma, debido a los grandes asentamientos. En estructuras que no son de edificación, con frecuencia se suelen tolerar asentamientos importantes. Asentamientos superiores a 0.50 m son bastante habituales en el caso de estructuras flexibles, como depósitos de almacenamiento y terraplene6. Por otra parte, asentamientos de sólo 0.02 cm pueden ser inadmisibles, en el caso de cimentaciones para estaciones de radar y aceleradores nucleares. Origen y formación de Suelos

Los suelos provienen de las rocas. Su formación se da a través de un proceso de transformación del material que la conforma, llamado meteorización o intemperismo, en el cual la roca es atacada por mecanismos de desintegración y descomposición que se atribuyen al agua, la atmósfera, las plantas, la vida animal, al clima y al tiempo. Estos elementos pueden ser clasificados dentro de dos grupos de agentes generadores de suelos, según su acción se considere de tipo físico o químico. Podemos resumirla en 3 fases: 1.- El suelo se inicia a partir de la roca que forma la superficie, llamada por ello, roca madre. Por la meteorización física y química esa roca es disgregada, y los fragmentos se desmenuzan liberando minerales y elementos químicos. Los huecos que quedan entre los fragmentos y los minerales se rellenan con agua y aire. 2.- La capa de roca disgregada empieza a a ser colonizada por los seres vivos. En primer lugar, líquenes y las plantas más primitivas (musgos), que aportan la primera materia orgánica y, poco a poco, se van incorporando microorganismos, plantas mayores y algunos invertebrados (lombrices, larvas, insectos, etc.) que mezclan los componentes 5

del suelo y lo airean. 3.- Los restos de todos estos animales y plantas sirven de alimento a microorganismos (bacterias, hongos) que los descomponen en sustancias más sencillas, formando una capa de materia orgánica llamada humus o mantillo. Este mantillo, además de proporcionar nutrientes a plantas y animales, retiene el agua y actúa como aislante, evitando las variaciones bruscas de temperatura. El suelo que se forme variará según sea la clase de roca madre a partir de la que se forme, el clima, el relieve, la cubierta vegetal y la presencia de animales. SUELOS RESIDUALES Y SUELOS TRANSPORTADOS.

SUELOS RESIDUALES

Los suelos residuales se originan cuando los productos de la meteorización no son transportados como sedimentos, sino que se acumulan en el sitio en que se van formando. Si la velocidad de descomposición de la roca supera a la de arrastre de los productos de la descomposición se produce una acumulación de suelo residual. Entre los factores que influyen en la velocidad de alteración de la naturaleza de los productos de la meteorización están el 6

clima (Temperatura y lluvia), la naturaleza de la roca original, el drenaje y la actividad bacteriana. El perfil de un suelo residual puede dividirse en tres zonas: 1. la zona superior, en la que existe un elevado grado de meteorización, pero también cierto arrastre de materiales 2. la zona intermedia en cuya parte superior existe una cierta meteorización, pero también cierto grado de deposición hacia la parte inferior de la misma 3. la zona parcialmente meteorizada que sirve de transición del suelo residual a la roca original inalterada. Los suelos residuales se desarrollan principalmente, en condiciones tropicales húmedas, de meteorización química intensa. Algunos autores los denominan “suelos tropicales”; sin embargo, debe tenerse en cuenta que los suelos residuales también se encuentran en zonas no tropicales, aunque en menor proporción. Las propiedades de los suelos residuales varían de una región a otra, debido a la naturaleza heterogénea de los ambientes tropicales. La meteorización está controlada por el clima regional, el relieve y la litología de la roca y estos factores varían de sitio en sitio. El comportamiento de los suelos residuales y las rocas blandas en el caso de los deslizamientos, difiere del de las rocas duras y del de los suelos transportados. SUELOS TRANSPORTADOS. Estos suelos han sufrido un proceso de formación tal como los suelos residuales y luego han sido trasladados y depositados en el Jugar donde actualmente se encuentran. El traslado de sedimentos lo realizan los llamados agentes transportadores, tales como el agua, el hielo, el viento, la gravedad y ciertos organismos. Dependiendo del tipo de agente las partículas son afectadas especialmente en cuanto a su tamaño forma y textura

EROSIÓN Es el desgaste de las rocas por acción del viento y el agua en sus distintas formas (ríos, mares, glaciares...). Este desgaste se produce por arrastre de partículas de las rocas, debido a estos agentes erosivos, por el choque de partículas que son transportadas en el medio contra las rocas o por el choque de unas partículas contra otras durante el transporte. En este proceso los materiales no son transformados, como puede ocurrir en la meteorización, sólo son desgastados. Además son removidos del lugar donde estaban. 7

TRANSPORTE Es el arrastre de materiales erosionados por acción del viento o el agua. Los materiales son transportados atendiendo a la fuerza del agente transportador y al peso del material transportado. El transporte puede realizarse por: 



Reptación o rodadura: es el arrastre de materiales pesados, sin levantarlos del suelo. Saltación: el agua o el aire elevan pequeños fragmentos que luego vuelven a caer. Suspensión: el aire o el agua transportan partículas muy finas que no se depositan en el suelo. Disolución: es el transporte de materiales que se disuelven en agua.

SEDIMENTACIÓN Se produce cuando los materiales son depositados debido a la disminución de la fuerza transportadora del agente. La gravedad es la fuerza responsable de la sedimentación. El depósito de materiales se produce en zonas hundidas, llamadas Cuencas Sedimentarias, donde los sedimentos pueden generar rocas sedimentarias mediante un proceso llamado Diagénesis. Principales tipos de Suelos.

De acuerdo con el origen de sus elementos, los suelos se dividen en dos amplios grupos; suelos cuyo origen se debe a la descomposición física o química de las rocas, o sea de los suelos inorgánicos, y los suelos cuyo origen es principalmente orgánico. Si en los suelos inorgánicos el producto del intemperismo de las rocas permanece en el sitio donde se formó, da origen a un suelo residual; en caso contrario, forma un suelo transportado, cualquiera que haya sido el agente transportador (por gravedad: talud; por agua: aluviales o lacustres; por viento: eólicos; por glaciares: Depósitos glaciares). En cuanto a los suelos orgánicos, ellos se forman casi siempre in situ. Muchas veces la cantidad de materia orgánica, ya sea en forma de humus o de materia no descompuesta o en estado de descomposición, es tan alta con relación a la cantidad de suelo inorgánico que las propiedades que pudiera derivar de la porción mineral quedan eliminadas. Esto es muy común en las zonas pantanosas en las cuales los restos de vegetación acuática llegan a formar verdaderos depósitos de gran espesor, conocidos con el nombre genérico de turbas. Se caracterizan por su color negro o café oscuro por su poco peso cuando están secos y su gran compresibilidad y porosidad. La turba es el primer paso de la conversión de la materia vegetal en carbón. A continuación se describen los suelos más comunes con los nombres generalmente utilizados por el profesional, para su identificación. Gravas Las gravas son acumulaciones sueltas de fragmentos de rocas y que tienen más de dos milímetros de diámetro. Dado el origen, cuando son acarreadas por las aguas las gravas sufren desgaste en sus aristas y son, por lo tanto, redondeadas. Como material suelto suele encontrársele en los lechos, en los márgenes y en los conos de deyección de los ríos, también en muchas depresiones de terrenos rellenadas por el acarreo de los ríos y en muchos otros lugares a los cuales las gravas han sido retransportadas. Las gravas ocupan grandes extensiones, pero casi siempre se encuentran con mayor o menor proporción de cantos rodados, arenas, limos y arcillas. Sus partículas varían desde 7.62 cm (3") hasta 2.0 mm. La forma de las partículas de las gravas y su relativa frescura mineralógica dependen de la historia de su formación, encontrándose variaciones desde elementos rodados a los poliédricos. Arenas La arena es el nombre que se le da a los materiales de granos finos procedentes de la denudación de las rocas o de su trituración artificial, y cuyas partículas varían entre 2 mm y 0.05 mm de diámetro. El origen y la existencia de las arenas es análoga a la de las gravas: las dos suelen encontrarse juntas en el mismo depósito. La arena de río contiene muy a menudo proporciones relativamente grandes de grava y arcilla. Las arenas estando limpias no se contraen al secarse, no son plásticas, son mucho menos compresibles que la arcilla y si se aplica una carga en su superficie, se comprimen casi de manera instantánea. Limos Los limos son suelos de granos finos con poca o ninguna plasticidad, pudiendo ser limo inorgánico como el producido en canteras, o limo orgánico como el que suele encontrarse en 9

los ríos, siendo en este último caso de características plásticas. El diámetro de las partículas de los limos está comprendido entre 0.05 mm y 0.005 mm. Los limos sueltos y saturados son completamente inadecuados para soportar cargas por medio de zapatas. Su color varía desde gris claro a muy oscuro. La permeabilidad de los limos orgánicos es muy baja y su compresibilidad muy alta. Los limos, de no encontrarse en estado denso, a menudo son considerados como suelos pobres para cimentar. Arcillas Se da el nombre de arcilla a las partículas sólidas con diámetro menor de 0.005 mm y cuya masa tiene la propiedad de volverse plástica al ser mezclada con agua. Químicamente es un silicato de alúmina hidratado, aunque en pocas ocasiones contiene también silicatos de hierro o de magnesio hidratados. La estructura de estos minerales es, generalmente, cristalina y complicada y sus átomos están dispuestos en forma laminar. De hecho se puede decir que hay dos tipos clásicos de tales láminas: uno de ellos del tipo silíceo y el otro del tipo alumínico. El tipo sílice se encuentra formada por un átomo de sílice rodeado de cuatro átomos de oxígeno. La unión entre partículas se lleva a cabo mediante un mismo átomo de oxígeno. Algunas entidades consideran como arcillas a las partículas menores a 0.002 mm. El tipo alumínico está formada por un átomo de aluminio rodeado de seis átomos de oxígeno y de oxígeno e hidrogeno. Caliche El término caliche se aplica a ciertos estratos de suelo cuyos granos se encuentran cementados por carbonatos calcáreos. Parece ser que para la formación de los caliches es necesario un clima semiárido. La marga es una arcilla con carbonato de calcio, más homogéneo que el caliche y generalmente muy compacto y de color verdoso. Loess Los loess son sedimentos eólicos uniformes y cohesivos. Esa cohesión que poseen es debida a un cementante del tipo calcáreo y cuyo color es generalmente castaño claro. El diámetro de las partículas de los loess está comprendido entre 0.01 mm y 0.05 mm. Los loess se distinguen porque presentan agujeros verticales que han sido dejados por raíces extinguidas. Los loess modificados son aquellos que han perdido sus características debido a procesos geológicos secundarios, tales como inmersión temporaria, erosión y formación de nuevos depósitos. Los loess son colapsables, aunque disminuye dicha tendencia al incrementársele su peso volumétrico.

Diatomita Las diatomitas o tierras diatomáceas son depósitos de polvo silícico, generalmente de color blanco, compuesto total o parcialmente por residuos de diatomeas. Las diatomeas son algas unicelulares microscópicas de origen marino o de agua dulce, presentando las paredes de sus células características silícicas. Gumbo Es un suelo arcilloso fino, generalmente libre de arena y que parece cera a la vista; es pegajoso, muy plástico y esponjoso. Es un material difícil de trabajar. 10

Teapete Es un material polvoriento, de color café compuesto de arcilla, limo y arena en proporciones variables, con un cementante que puede ser la misma arcilla o el carbonato de calcio. La mayoría de las veces el origen deriva de la descomposición y alteración, por intemperismo, de cenizas volcánicas basálticas. También suelen encontrarse lentes de piedra pómez dentro del teapete. Suelos cohesivos y no cohesivos Una característica que hace muy distintivos a diferentes tipos de suelos es la cohesión. Debido a ella los suelos se clasifican en "cohesivos" y " no cohesivos". Los suelos cohesivos poseen la propiedad de la atracción intermolecular, como las arcillas. Los suelos no cohesivos son los formados por partículas de roca sin ninguna cementación, como la arena y la grava.

Fases del suelo.

LA FASE SÓLIDA Los minerales constituyen la base del armazón sólido que soporta al suelo. Cuantitativamente en un suelo normal la fracción mineral representa de un 45-49% del volumen del suelo. Pero dentro de la fase sólida constituyen, para un suelo representativo, del orden del 90-99% (el 1011

1% restante corresponde a la materia orgánica). La fase sólida representa la fase más estable del suelo y por tanto es la más representativa y la más ampliamente estudiada. Es una fase muy heterogénea, formada por constituyentes inorgánicos y orgánicos. Los suelos se forman a partir de una serie de interacciones entre la roca madre, cuyo papel es estático pero que sufre transformaciones provocadas básicamente por factores exógenos, el agua en sus diferentes estados, el aire, los seres vivos y la acción del hombre, si éste participa con sus actuaciones (por ejemplo a través de la contaminación). LA FASE LIQUIDA Se caracteriza por su variabilidad en el espacio y por el tiempo, tanto a nivel cualitativo como cuantitativo. Esta variabilidad está condicionada por la propiedades específicas de esa fase liquida, por las características de los espacios en que se encuentra y por las propiedades del suelo que la sustenta. La dinámica general del agua en el suelo, está relacionada con el exterior en lo que se refiere a los aportes, como son las fuentes, la lluvia o la infiltración, y en lo que se refiere a las pérdidas, como son la evaporación o la alimentación de las aguas subterráneas (acuífera y corriente). Ambos intercambios constituyen el balance hídrico, que tiene como reflejo por una parte el sistema suelo-vegetación-atmósfera-suelo, y por otra la gestión natural, que comprende, entre otras cosas, el almacenamiento o retención en el suelo, indispensable para las plantas y para la hidrológica, y el suministro de líquido a los acuíferos (Seoánez Calvo M.; 1999). Los suelos de la región, presentan marcado déficit hídrico, como se verá en la sección 2.5 Sitios de estudio seleccionados. El líquido del suelo es fundamentalmente una solución acuosa, y por ello, y al contener sustancias en solución, se le llama solución del suelo. Las soluciones del suelo proceden de la alteración de los minerales y de la materia orgánica. El agua ejerce importantes acciones, tanto para la formación del suelo (interviene decisivamente en la meteorización física y química, y translocación de sustancias) como desde el punto de la fertilidad. La fase líquida circula a través del espacio poroso, quedando retenida en los poros del suelo; está en constante competencia con la fase gaseosa. Los cambios climáticos estacionales, y concretamente las precipitaciones atmosféricas, hacen variar los porcentajes de cada fase en cada momento. LA FASE GASEOSA Es la mezcla de gases que ocupa los espacios que la fase liquida deja libres en la porosidad de suelo. Debido a sus características intrínsecas como fluido, la fase gaseosa presenta una marcada similitud con la fase liquida del suelo, sobre todo en lo que se refiere a su dinámica, aunque tiene algunas diferencias con respecto a ésta. La atmósfera del suelo está condicionada por la dinámica de los procesos biológicos que se producen en relación a ella, y que están determinados por el consumo de oxígeno y por la producción de CO2 que realizan los microorganismos y las plantas durante sus procesos de oxidación. Los distintos procesos biológicos que se producen en el suelo hacen que la fase gaseosa se encuentre sometida a constantes variaciones en su composición. A consecuencia del incremento en la proporción de determinados gases, paralelo al descenso de las proporciones 12

de otros, se produce un desequilibrio entre la composición de la atmósfera del suelo y la del exterior, ambas en contacto directo, compensado por una serie de intercambios entre una y otra que permiten una homogeneización de la composición, y cuya función ultima es permitir asegurar la vida de los organismos del suelo. Un suelo en capacidad máxima no contendrá fase gaseosa mientras que otro en punto de marchitamiento presentará valores muy altos. En condiciones ideales la fase atmosférica representa un 25% del volumen total del suelo. Se admite que un porcentaje de aire del 10% es insuficiente. La fase gaseosa del suelo se supone que tiene una composición parecida a la del aire atmosférico (oxigeno, nitrógeno, co2, vapor de agua). Propiedades Indice del suelo. Desde hace ya mucho tiempo la humanidad ha construido diversos tipos de estructuras, como ser: presas, carreteras, acueductos y otros proyectos de ingeniería. Aunque el análisis estructural de todos estos varía de acuerdo a cada caso todos tienen algo en común, que se fundan sobre el suelo o la roca. Por varios años, los ingenieros de la antigüedad desconocieron la importancia del estudio del comportamiento del suelo antes del diseño y construcción de estas estructuras, como consecuencia sus estructuras experimentaron los efectos del comportamiento del suelo, como el caso de la inclinación de la torre de Pisa construida en 1173. Por lo general, en aquel tiempo para construir una estructura importante los ingenieros solían copiar a otra que había dado resultados satisfactorios. A lo largo de los años, diversos investigadores modernos han estudiado el suelo logrando significativos avances en cuanto a: clasificarlo, identificar sus propiedades y conocer su comportamiento. En la Figura 1.1, se muestra algunos tipos de estructuras que requieren un estudio previo del comportamiento del suelo antes de su diseño.

Figura 1.1. Proyectos de ingeniería que requieren un análisis del suelo. (a) Estribo de puente. (b) Muro de contención. (c) Presa de concreto. (d) Talud. (b)

Cuando se ignora el estudio del comportamiento del suelo, el suelo responde de madera inesperada originando condiciones no previstas en el diseño de la estructura, lo cual vulnera su estabilidad. El estudio del suelo, implica: determinar sus propiedades índices, clasificarlo, conocer el comportamiento del agua en este, su resistencia a esfuerzos externos y los límites respecto a su cambio de volumen. Una vez conocidas sus propiedades y comportamiento, pueden diseñarse estructuras que se ajusten a las condiciones específicas de cada suelo. RELACIONES ENTRE PESOS Y VOLÚMENES. 13

Ejercicios Resueltos 1.- Se determinaron las características mecánicas de un estrato de arena encontrándose que, al obtener una muestra representativa, su volumen era de 420 cm3 y su peso húmedo de 737 gr. Después de secado en un horno, la muestra pesó 617 gr. Si el peso específico de las partículas sólidas es de 2,63 gr/cm3, determinar: a) Porcentaje de humedad de la muestra. b) Relación de vacíos de la arena en su estado natural. c) Porosidad en su estado natural. d) Grado de saturación de la arena. e) Peso por unidad de volumen húmedo y seco de la muestra. Resolución Para resolver estos ejercicios debemos saber que en un suelo se distinguen tres fases, las cuales las interpretamos en el siguiente esquema.

Donde:  Vt: volumen total de la muestra del suelo. ( volumen da la masa)  Vs: volumen de la fase sólida de la muestra ( volumen de sólidos)  Vw: volumen de la fase líquida ( volumen de agua)  Va: volumen de la fase gaseosa ( volumen de aire)  Vv: volumen de vacíos de la muestra de suelo (volumen de vacíos).

Vv = Vw + Va

V t = Vv + V s

Vt = Vs + Vw + Va    

Wt: Peso Total de la muestra de suelo. Ws: Peso de la fase sólida de la muestra. Ww: Peso de la fase líquida (peso del agua). Wa: Peso de la fase gaseosa., convencionalmente considerado como nulo en Geotecnia.

Wt = Ws + Ww + Wa Es conveniente dimensionar la muestra de acuerdo a los datos de nuestro Ejemplo s=

2,63 gr/cm3

W t = 737 gr

W s = 617 gr

Vt =420 cm3

Ejemplo de horizontes del suelo a) coluvión y suelo más alto b) suelo residual maduro c) suelo residual joven d) roca erosionada

PERFIL DE UN SUELO TÍPICO MOSTRANDO LOS HORIZONTES A, B Y C.

CLASIFICACIÓN GRANULOMÉTRICA

Columna de tamices sobre la máquina de ensayo.

Diferentes partículas de 0,016 mm a 2,0 mm. Se denomina clasificación granulométrica o granulometría, a la medición y gradación que se lleva a cabo de los granos de una formación sedimentaria, de los materiales sedimentarios, así como de los suelos, con fines de análisis, tanto de su origen como de sus propiedades mecánicas, y el cálculo de la abundancia de los correspondientes a cada uno de los tamaños previstos por una escala granulométrica. METODO DE DETERMINACIÓN GRANULOMÉTRICO El método de determinación granulométrico más sencillo es hacer pasar las partículas por una serie de mallas de distintos anchos de entramado (a modo de coladores) que actúen como filtros de los granos que se llama comúnmente columna de tamices. Pero para una medición más exacta se utiliza un granulómetro láser, cuyo rayo difracta en las partículas para poder determinar su tamaño. O también se pueden utilizar los rayos gamma obs. Ensayo de tamizado Granulometría de suelos Los ensayos de granulometría tienen por finalidad determinar en forma cuantitativa la distribución de las partículas del suelo de acuerdo a su tamaño. Las distribuciones de las partículas con tamaño superior a 0.075 se determinan mediante tamizado, con una serie de mallas normalizadas. 20

Para partículas menores que 0.075 mm, su tamaño se determina observando la velocidad de sedimentación de las partículas en una suspensión de densidad y viscosidad conocidas. Granulometría por tamizado

Muestra original de suelo conteniendo partículas de varios tamaños. Esta muestra se seca al horno y se determina su masa total seca.

Porción A: Porción de la muestra que queda retenida en el tamiz de diámetro 4.75 mm

Porción B: Porción de la muestra que pasa el tamiz 4.75 ms. Esta porción incluye partículas finas.

La porción A, después de lavarla en el tamiz #4, para eliminar las partículas de arena y las más finas

La porción B, después de lavarla en el tamiz #200 para eliminar las partículas finas

Algunas mallas utilizadas en el proceso de tamizado

Tamizado del suelo en una serie de mallas

Determinación del peso retenido en una de las mallas

Ensayos de laboratorio Para su realización se utiliza una serie de tamices con diferentes diámetros que son ensamblados en una columna. En la parte superior, donde se encuentra el tamiz de mayor diámetro, se agrega el material original (suelo o sedimento mezclado) y la columna de tamices se somete a vibración y movimientos rotatorios intensos en una máquina especial. Luego de algunos minutos, se retiran los tamices y se desensamblan, tomando por separado los pesos de material retenido en cada uno de ellos y que, en su suma, deben corresponder al peso total del material que inicialmente se colocó en la columna de tamices (Conservación de la Masa). Curva granulométrica

La curva granulométrica de un suelo es una representación gráfica de los resultados obtenidos en un laboratorio cuando se analiza la estructura del suelo desde el punto de vista del tamaño de las partículas que lo forman. Para este análisis se utilizan dos procedimientos en forma combinada, las partículas mayores se separan por medio de tamices con aberturas de malla estandarizadas, y luego se pesan las cantidades que han sido retenidas en cada tamiz. Las partículas menores se separan por el método hidrométrico. Se representa gráficamente en un papel denominado "log-normal" por tener en la horizontal una escala logarítmica, y en la vertical una escala natural. Tomando en cuenta el peso total y los pesos retenidos, se procede a realizar la curva granulométrica, con los valores de porcentaje retenido que cada diámetro ha obtenido. 22

La curva granulométrica permite visualizar la tendencia homogénea o heterogénea que tienen los tamaños de grano (diámetros) de las partículas.

Clasificación de los suelos usada en diferentes países. Campos de aplicación

Geología En geología, este análisis granulométrico permite diferenciar diversas clases de materiales independientemente de su naturaleza química. La siguiente tabla muestra esta clasificación: 1 23

Escala granulométrica PARTÍCULA

TAMAÑO

Arcillas

< 0,002 mm

Limos

0,002 – 0,06 mm

Arenas

0,06 – 2 mm

Gravas

2 – 60 mm

Cantos rodados 60 – 250 mm Bloques

>250 mm

SEDIMENTOLOGÍA Desde el punto de vista de la sedimentología, un material heterogéneo se considera mal escogido o seleccionado, mientras que un material homogéneo se considera bien escogido. El grado de selección se expresa con el término escogimiento o sorting. Mecánica de suelos Desde el punto de vista de la mecánica de suelos, un material heterogéneo se considera bien graduado, y sus propiedades mecánicas ofrecen mayor calidad. Un material homogéneo se considera mal graduado, sus propiedades mecánicas son deficientes (por ej. suelos de tipo Löss). Löss (Loess).- (material geológico sedimentario eólico). Loess: El loess es un material geológico sedimentario eólico. Lo forman depósitos de limo originados por la deposición de partículas muy finas con tamaños que van desde los 10 a los 50 micrómetros y que son transportadas por las tormentas de polvo a lo largo de miles de años. Es de color amarillento, deleznable y carece de estratificación. Está formado principalmente por silicio, carbonato de calcio (piedra caliza), finísimos detritos orgánicos y arcillas. Constituyen un suelo de labor muy fértil y profundo. ESTRUCTURA DE LOS SUELOS La estructura del suelo es como el estado del mismo, que resulta de la granulometría de los elementos que lo componen y del modo como se hallan éstos dispuestos. La evolución natural del suelo produce una estructura vertical estratificada (no en el sentido que tiene estratificación en ecología) a la que se conoce como perfil. Las capas que se observan se llaman horizontes y su diferenciación se debe tanto a su dinámica interna como al transporte vertical. El transporte vertical tiene dos dimensiones con distinta influencia según los suelos: 1. La lixiviación o lavado la produce el agua que se infiltra y penetra verticalmente desde la superficie, arrastrando sustancias que se depositan sobre todo por adsorción. 2. La otra dimensión es el ascenso vertical por capilaridad, importante sobre todo en los climas donde alternan estaciones húmedas con estaciones secas. Se llama roca madre a la que proporciona su matriz mineral al suelo. Se distinguen suelos autóctonos, que se asientan sobre su roca madre y representan la situación más común. Debemos de tener en cuenta que el suelo es parte de nuestra vida Horizontes del suelo Se llama horizontes del suelo a una serie de niveles horizontales que se desarrollan en el interior del mismo y que presentan diferentes caracteres de composición, textura, adherencia, etc. El perfil del suelo es la ordenación vertical de todos estos horizontes. 24

Clásicamente, se distingue en los suelos completos o evolucionados tres horizontes fundamentales que desde la superficie hacia abajo son: 

Horizonte O, o capa superficial del horizonte A: es la parte más superficial del suelo, formado por hojas, ramas y restos vegetales.

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Horizonte A, o zona de lavado vertical: es el más superficial y en él enraíza la vegetación herbácea. Su color es generalmente oscuro por la abundancia de materia orgánica descompuesta o humus elaborado, determinando el paso del agua arrastrándola hacia abajo, de fragmentos de tamaño fino y de compuestos solubles.

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Horizonte B o zona de precipitado: carece prácticamente de humus, por lo que su color es más claro (pardo o rojo), en él se depositan los materiales arrastrados desde arriba, principalmente, materiales arcillosos, óxidos e hidróxidos metálicos, etc., situándose en este nivel los encostramientos calcáreos áridos y las corazas lateríticas tropicales.

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Horizonte C o subsuelo: está constituido por la parte más alta del material rocoso in situ, sobre el que se apoya el suelo, más o menos fragmentado por la alteración mecánica y la química (la alteración química es casi inexistente ya que en las primeras etapas de formación de un suelo no suele existir colonización orgánica), pero en él aún puede reconocerse las características originales del mismo.



Horizonte D, horizonte R, roca madre o material rocoso: es el material rocoso subyacente que no ha sufrido ninguna alteración química o física significativa. Algunos distinguen entre D, cuando el suelo es autóctono y el horizonte representa a la roca madre, y R, cuando el suelo es alóctono y la roca representa sólo una base física sin una relación especial con la composición mineral del suelo que tiene

CONSISTENCIA Y PLASTICIDAD DE LOS SUELOS. LÍMITES DE ATTERBERG

Límites de Atterberg

Los límites de Atterberg o límites de consistencia se utilizan para caracterizar el comportamiento de los suelos finos. El nombre de estos es debido al científico sueco Albert Mauritz Atterberg. (1846-1916). Los límites se basan en el concepto de que en un suelo de grano fino solo pueden existir 4 estados de consistencia según su humedad. Así, un suelo se encuentra en estado sólido, cuando está seco. Al agregársele agua poco a poco va pasando sucesivamente a los estados de semisólido, plástico, y finalmente líquido. Los contenidos de humedad en los puntos de transición de un estado al otro son los denominados límites de Atterberg. 26

Los ensayos se realizan en el laboratorio y miden la cohesión del terreno y su contenido de humedad, para ello se forman pequeños cilindros de 3mm de espesor con el suelo. Siguiendo estos procedimientos se definen tres límites: 1. Límite líquido: Cuando el suelo pasa de un estado semilíquido a un estado plástico y puede moldearse. Para la determinación de este límite se utiliza la cuchara de Casagrande. 2. Límite plástico: Cuando el suelo pasa de un estado plástico a un estado semisólido y se rompe. 3. Límite de retracción o contracción: Cuando el suelo pasa de un estado semisólido a un estado sólido y deja de contraerse al perder humedad. Relacionados con estos límites, se definen los siguientes índices: 

Índice de plasticidad: Ip ó IP = wl - wp



Índice de fluidez: If = Pendiente de la curva de fluidez



Índice de tenacidad: It = Ip/If



Índice de liquidez (IL ó IL), también conocida como Relación humedad-plasticidad (B): IL = (Wn - Wp) / (Wl-Wp) (Wn = humedad natural)

Límite Líquido.

Esta propiedad se mide en laboratorio mediante un procedimiento normalizado en que una mezcla de suelo y agua, capaz de ser moldeada, se deposita en la Cuchara de Casagrande, y se golpea consecutivamente contra la base de la máquina, haciendo girar la manivela, hasta que la zanja que previamente se ha recortado, se cierra en una longitud de 12 mm (1/2"). Si el número de golpes para que se cierre la zanja es 25, la humedad del suelo (razón peso de agua/peso de suelo seco) corresponde al límite líquido. Dado que no siempre es posible que la zanja se cierre en la longitud de 12 mm exactamente con 25 golpes, existen dos métodos para determinar el límite líquido: - trazar una gráfica con el número de golpes en coordenadas logarítmicas, contra el contenido de humedad correspondiente, en coordenadas normales, e interpolar para la humedad correspondiente a 25 golpes. La humedad obtenida es el Límite Líquido. - según el método puntual, multiplicar por un factor (que depende del número de golpes) la humedad obtenida y obtener el límite líquido como el resultado de tal multiplicación. 27

Límite Líquido El Límite Líquido se define por convención como el contenido de humedad para el cual una acanaladura en el equipo normalizado requiere 25 golpes para cerrarse en una longitud de 13 mm. Aparato de Casagrande: Aparato de dimensiones normalizadas, consistente en una copa de bronce que con un sistema de rotación, cae libremente desde 10 mm sobre una base de goma normalizada.

Llenado de la copa con mezcla homogénea de suelo con agua.

El llenado se hace hasta que se forme una superficie horizontal

Se forma una zanja en el suelo, manteniendo perpendicular el acanalador a la superficie de la copa de bronce

Se hace rotar la manivela a una velocidad constante de 2 vueltas por segundo. (Ver video)

Se cuenta el número de golpes necesarios para cerrar la zanja en una longitud de 13 mm.

Desde la zona en que se cerró la zanja, se extrae el suelo para determinar su humedad.

Límite Plástico. Esta propiedad se mide en laboratorio mediante un procedimiento normalizado pero sencillo consistente en medir el contenido de humedad para el cual no es posible moldear un cilindro de suelo, con un diámetro de 3 mm. Para esto, se realiza una mezcla de agua y suelo, la cual se amasa entre los dedos o entre el dedo índice y una superficie inerte (vidrio), hasta conseguir un cilindro de 3 mm de diámetro. Al llegar a este diámetro, se desarma el cilindro, y vuelve a amasarse hasta lograr nuevamente un cilindro de 3 mm. Esto se realiza consecutivamente hasta que no es posible obtener el cilindro de la dimensión deseada. Con ese contenido de humedad, el suelo se vuelve quebradizo (por pérdida de humedad) o se vuelve pulverulento. Se mide el contenido de humedad, el cual corresponde al Límite Plástico. Se recomienda realizar este procedimiento al menos 3 veces para disminuir los errores de interpretación o medición. El Límite Plástico se define por convención como el contenido de humedad para el cual un cilindro de 3 mm de diámetro comienza a desmoronarse.

Formación de un cilindro de 3 mm de diámetro.

Cuando el cilindro comienza a desmoronarse y no puede formarse nuevamente, se determina su humedad. Esto se repite tres veces.

Sistemas de Clasificación de Suelos. Clasificación de suelos

Colores de suelos. La clasificación de suelos es una categorización sistemática de suelos basado en características distintivas y en criterios de uso. Una clasificación de suelos es muy dinámica, en si mismo de la estructura del sistema, a las definiciones de clases, y finalmente en la aplicación a campo. Puede ser una forma aproximada de las perspectivas de pedogénesis y de morfología de suelo. Conceptos diferentes de patogénesis, y diferencias en la significancia de los desarrollos morfológicos a los varios usos de la tierra afectan la aproximación a la clasificación. Además de esas diferencias, en un sistema bien construido, los criterios clasificatorios similares de grupo hacen que las interpretaciones no varíen ampliamente. La aplicación exitosa al campo es un desafío, ya que hay naturaleza compleja en la formación de los suelos, y la opacidad inherente de los recursos edáficos. Los sistemas de clasificación más comunes de ingeniería para suelos en Estados Unidos es el Sistema de Clasificación de Suelo unificado (por su acrónimo (en inglés) USCS). El USCS tiene tres grupos de clasificación mayores: 1. suelos de grano grueso (e. g. arenas y gravas) 2. suelos de grano fino (e. g. limos y arcillas) 3. suelos altamente orgánicos (referidos como "turba"). El USCS además subdivide a esas tres mayores clases de suelos para clarificación. Otros sistemas de clasificación de ingeniería de suelo en EE.UU. es el AASHTO (Sistema de Clasificación de Suelos AASHTO] y el "Burmeister Modificado". Esos sistemas de clasificación ingenieriles del suelo hacen descripción de otras propiedades edáficas como color, contenido de humedad in-situ, tensión in-situ, etc. 30

Clasificación de las partículas del suelo según el United States Departament of Agriculture. Nombre de la partícula límite del diámetro en milímetros

TAMAÑO

Arena

0.05 a 2.0

Muy gruesa

1.0 a 2.0

Gruesa

0.5 a 1.0

Mediana

0.25 a 0.5

Fina

0.10 a 0.25

Muy fina

0.05 a 0.10

Limo

0.002 a 0.05

Arcilla

menor de 0.002

Figura 2: Triángulo textural según clasificación del USDA SISTEMA DE CLASIFICACIÓN AASHTO La American Associattion of State Highway Officials adoptó este sistema de clasificación de suelos (AASHTO M 145), tras varias revisiones del sistema adoptado por el Bureau of Public 31

Roads de Estados Unidos, en el que los suelos se agrupan en función de su comportamiento como capa de soporte o asiento del firme. Es el sistema más utilizado en la clasificación de suelos en carreteras. Las carreteras. En 1945 fue modificado y a partir de entonces se le conoce como Sistema AASHO y recientemente AASHTO. Este sistema describe un procedimiento para clasificar suelos en siete grupos, basado en las determinaciones de laboratorio de granulometría, límite líquido e índice de plasticidad. La evaluación en cada grupo se hace mediante un "índice de grupo", el cual se calcula por la fórmula empírica: IG = (F - 35) (0,2 + 0.005 (Wl - 40)) + 0,01 (F - 15) (IP - 10). En que: F

= Porcentaje que pasa por 0.08 mm, expresado en números enteros basado solamente en el material que pasa por 80 mm.

= Límite Líquido.

= Índice de Plasticidad.

Se informa en números enteros y si es negativo se informa igual a 0. El grupo de clasificación, incluyendo el índice de grupo, se usa para determinar la calidad relativa de suelos de terraplenes, material de subrasante, subbases y bases. Disponiendo de los resultados de los ensayes requeridos, proceda en la Tabla V.6 de izquierda a derecha y el grupo correcto se encontrará por eliminación. El primer grupo desde la izquierda que satisface los datos de ensaye es la clasificación correcta. Todos los valores límites son enteros, si alguno de los datos es decimal, se debe aproximar al entero más cercano. El valor del índice de grupo debe ir siempre en paréntesis después del símbolo del grupo, como: A-2-6 (3); A-7-5 ( 17), etc. Este método define: - Grava: material que pasa por 80 mm y es retenido en tamiz de 2 - Arena gruesa: material comprendido entre 2 mm y 0.5 mm - Arena fina: material comprendido entre 0,5 y 0,08 mm. - Limo arcilla: material que pasa por tamiz 0,08 mm. El término material granular se aplica a aquellos con 35% o menos bajo tamiz 0,08 mm; limoso a los materiales finos que tienen un índice de plasticidad de 10 o menor; y arcilloso se aplica a los materiales finos que tienen índice de plasticidad 11 o mayor. Materiales limo arcilla contienen más del 35% bajo tamiz 0,08 mm.

Cuando se calcula índices de grupo de los subgrupos A-2-6 y A-2-7, use solamente el término del índice de plasticidad de la fórmula. Cuando el suelo es NP o cuando el límite líquido no puede ser determinado, el índice de grupo se debe considerar (0). Si un suelo es altamente orgánico (turba) puede ser clasificado como A-8 sólo con una inspección visual, sin considerar el porcentaje bajo 0,08 mm, límite líquido e índice de plasticidad. Generalmente es de color oscuro, fibroso y olor putrefacto.

SISTEMA DE CLASIFICACION AASHTO Clasif. General Grupo

Suelos Granulares (≤ 35 % pasa 0.08 mm)

A-1

A-3

Sub-Grupo

A-1a

2 mm

≤ 50

0.5 mm

≤ 30

≤ 50

≥ 51

0.08 mm

≤ 15

≤ 25

≤10

Suelos Finos (> 35 % bajo 0.08 mm) A-4

A-3

A-5

A-6

A-2-4 A-2-5 A-2-6* A-2-7*

A-1b

A-7 A-7-5** A-7-6**

≥ 36

≤35 ≤40 ≥41 ≤40 ≥41

≤ 40

≥ 41

≤ 40

≥ 41

≤ 10

≥ 11

≤6

≤10 ≤10 ≥11 ≥11

Descripción

Gravas y Arenas

Arena

Gravas y Arenas

* * A – 7 – 5 : IP ≤ (wL – 30)

fina

Suelos Limosos

Limosas y Arcillosas A – 7 – 6 : IP > (wL – 30)

Suelos Arcillosos

IG = (B/0.08 – 35) (0.2 + 0.005 (wl – 40)) + (B/0.08 – 15) (IP – 10) * 0.01 * Para A – 2 – 6 y A – 2 – 7: IG= (B/0.08 – 15) (IP – 10) * 0.01 Si el suelo9 es NP →

IG = 0; SI IG < 0 → IG = 0

SISTEMA DE CLASIFICACIÓN SUCS CLASIFICACION UNIFICADA DE SUELOS (SUCS) Este sistema fue propuesto por Arturo Casagrande como una modificación y adaptación más general a su sistema de clasificación propuesto en el año 1942 para aeropuertos. Esta clasificación divide los suelos en: Suelos de grano grueso. Suelos de grano fino. Suelos orgánicos. 33

Los suelos de granos grueso y fino se distinguen mediante el tamizado del material por el tamiz No.200.Los suelos gruesos corresponden a los retenidos en dicho tamiz y los finos a los que lo pasan, de esta forma se considera que un suelo es grueso si más del 50% de las partículas del mismo son retenidas en el tamiz No. 200 y fino si mas del 50% de sus partículas son menores que dicho tamiz. Los suelos se designan por símbolos de grupo. El símbolo de cada grupo consta de un prefijo y un sufijo. Los prefijos son las iníciales de los nombres en ingles de los seis principales tipos de suelos (grava, arena, limo, arcilla, suelos orgánicos de grano fino y turbas), mientras que los sufijos indican subdivisiones en dichos grupos. Suelos gruesos.- Se dividen en gravas y arena, y se separan con el tamiz No. 4, de manera que un suelo pertenece al grupo de grava si más del 50% retiene el tamiz No. 4 y pertenecerá al grupo arena en caso contrario. Suelos finos.- El sistema unificado considera los suelos finos divididos entre grupos: limos inorgánicos (M), arcillas inorgánicas © y limos y arcillas orgánicas (O). Cada uno de estos suelos se subdivide a su vez según su límite líquido, en dos grupos cuya frontera es Ll = 50%. Si el límite líquido del suelo es menor de 50 se añade al símbolo general la letra L (low compresibility). Si es mayor de 50 se añade laletra H (hig compresibility). Obteniéndose de este modo los siguientes tipos de suelos: ML: Limos Inorgánicos de baja compresibilidad. OL: Limos y arcillas orgánicas.CL: Arcillas inorgánicas de baja compresibilidad. CH. Arcillas inorgánicas de alta compresibilidad. MH: Limos inorgánicos de alta compresibilidad. OH: arcillas y limos orgánicas de alta compresibilidad.

Fracción Gruesa (FG)= 100% menos lo que pasa el tamiz No. 200. 34

Para que el suelo sea una grava debe cumplirse lo siguiente: Retiene el tamiz No. 4 > ½ FGR c tiene el tamiz No. 4: 100 menos lo que pasa el tamiz No. 4 Para que el suelo sea una arena debe cumplirse lo siguiente: Retiene el tamiz No. 4 < ½ FG Las gravas con 5 a 12% de finos requieren el uso de símbolos dobles: GW-GM grava bien graduada con limo; GW-GC grava bien graduada con arcilla; GP-GM grava mal graduada con limo; GP-GC grava mal graduada con arcilla. Las arenas con 5 a 12% de finos requieren el uso de símbolos dobles: SW-SM arenas bien graduada con limo; SW-SC arenas bien graduada con arcilla; SP-SM arena mal graduada con limo; SP-SC arena mal graduada con arcilla. Cu = D60/D10

Cc = D30²/D60*D10.

Cu: Coeficiente de uniformidad. Cc: Coeficiente de curvatura. Si los límites de Atterberg se sitúan en el área sombreada de la carta de plasticidad, el suelo es una arcilla limosa CL-ML. Si el suelo contiene ≥15% de arena, añada “con arena” al nombre del grupo. Si el suelo contiene ≥ 15% de grava añada “con grava” al nombre del grupo. Si el suelo contiene 15 a 29% mayos de la malla No. 200 añada “con arena” o “con grava”, el que sea predominante. Si el suelo contiene ≥ 30% mayor de la malla No. 200, predominantemente arena, añada “arenoso” al nombre del grupo. Si el suelo contiene ≥ 30% mayor de la malla No. 200, predominantemente grava, añada “gravoso” al nombre del grupo. IDENTIFICACIÓN DE SUELOS EN EL CAMPO Identificación de suelos. El problema de la identificación de los suelos es de importancia fundamental en la ingeniería. Identificar un suelo es, en rigor, encasillarlo dentro de un sistema previo de clasificación. La identificación permite conocer, en forma cualitativa, las propiedades mecánicas e hidráulicas del suelo, atribuyéndole las del grupo en que se situé, por ende la experiencia juega un papel muy importante en la utilidad que se pueda sacar de la clasificación. Identificación de campo de suelos gruesos. Los materiales constituidos por partículas gruesas se identifican en el campo sobre base prácticamente visual. Extendiendo una muestra seca del suelo sobre una superficie plana puede juzgarse, en forma aproximada, de su graduación, tamaño de partículas, forma y composición mineralógica. Para distinguir las gravas de las arenas puede usarse el tamaño ½ cm. Como equivalente a la malla Nº 4. Identificación de suelos finos. El criterio para identificar en el campo los suelos finos, contando con algo de experiencia, es aconsejable el comparar sistemáticamente los resultados de la identificación de campo realizada, con los del laboratorio, en cada caso en que exista la oportunidad. Las principales bases de criterio para identificar suelos finos en el campo son la investigación de las características de dilatancia, de tendencia y de resistencia en estado seco. La dilatancia. Una pastilla con el contenido de agua necesario para que el suelo adquiera una 35

consistencia suave, pero no pegajosa, se agita alternativamente en la palma de la mano, golpeándola secamente contra la otra mano, manteniéndola apretada entre los dedo. Tenacidad: la prueba se realiza sobre un espécimen de consistencia suave, similar a la masilla. Este espécimen se rola hasta formar un rollito de unos 3mm de diámetro aproximado, que se amasa y vuelve a rolar varias veces. Color: el color del suelo suele ser un dato útil para diferenciar los diferentes estratos y para identificar tipos de suelos, cuando se posea experiencia local. Por ejemplo el color negro y otros de tonos oscuros suelen ser indicativos de la presencia de materia orgánica coloidal. Los colores claros y brillantes son propios, más bien de suelos inorgánicos. El Olor: los suelos orgánicos (OH y OL) tienen por lo general un olor distintivo, que puede usarse para identificación; el olor es particularmente intenso si el suelo está húmedo, y disminuye con la exposición al aire, aumentando, por el contrario, con el calentamiento de la muestra húmeda. COMPACTACIÓN La compactación de suelos es el proceso artificial por el cual las partículas de suelo son obligadas a estar mas en contacto las unas con las otras, mediante una reducción del índice de vacíos, empleando medios mecánicos, lo cual se traduce en un mejoramiento de sus propiedades ingenieriles. La importancia de la compactación de suelos estriba en el aumento de la resistencia y disminución de la capacidad de deformación que se obtiene al someter el suelo a técnicas convenientes, que aumentan el peso específico seco, disminuyendo sus vacíos. Por lo general, las técnicas de compactación se aplican a rellenos artificiales tales como cortinas de presas de tierra, diques, terraplenes para caminos y ferrocarriles, bordes de defensas, muelles, pavimentos, etc. COMPACTACION DEL SUELO El suelo, como cualquier elemento natural, posee un equilibrio entre los diversos factores que lo influyen. Un cambio de este equilibrio puede provocar una alteración física, química o biológica. La compactación es la principal causa de alteración del suelo. Hay dos situaciones con elevado riesgo de compactación: áreas con fuerte tránsito de vehículos y personas, y áreas cercanas a lugares en construcción. Hay suelos con una tendencia más o menos acentuada a la compactación, en función de la composición, estructura y contenido de humedad. Las constructoras a menudo trabajan con maquinarias muy pesadas, sin delimitar la zona en la que se encuentran y se plantarán árboles. Se desconocen cuál es la superficie que abarca el aparato radical, así como, se ignoran los efectos derivados de la compactación y dificultad que se encuentran para intentar resolverlo. CARACTERISTICAS DE LA COMPACTACION DE LOS SUELOS.La compactación de los suelos se produce por la reorientación de las partículas o por la distorsión de las partículas y sus capas absorbidas. En un suelo no cohesivo la compactación ocurre mayormente por la reorientación de los granos para formar una estructura más densa. La presión estática no es muy efectiva en este proceso porque los granos se acuñan unos contra otros y resisten el movimiento. Si los granos se pueden liberar momentáneamente, las presiones, aun las ligeras, son efectivas para forzarlos a formar una distribución mas compacta. El agua que fluye también reduce el rozamiento entre las partículas y hace más fácil la compactación, sin embargo el agua en los poros también impide que las partículas tomen una distribución mas compacta. Por 36

esta razón la corriente de agua sólo se usa para ayudar a la compactación, cuando el suelo es de granos tan gruesos que el agua abandona los poros o huecos rápidamente En los suelos cohesivos la compactación se produce por la reorientación y por la distorsión de los granos y sus capas absorbidas. Esto se logra por una fuerza que sea lo suficientemente grande para vencer la resistencia de cohesión por las fuerzas entre las partículas. Para lograr una compactación eficiente en los suelos no cohesivos se requiere una fuerza moderada aplicada en una amplia área, o choque y vibración. La compactación eficiente en los suelos cohesivos requiere presiones más altas para los suelos secos que para los húmedos, pero el tamaño del área cargada no es crítico. La eficiencia se mejora aumentando la presión durante la compactación a medida que el peso específico y la resistencia aumentan. TEORÍA DE LA COMPACTACIÓN.Desde tiempos pre-históricos los constructores han reconocido el valor de la compactación del suelo para producir masas fuertes, libres de asentamiento y resistentes al agua. Por más de 2000 años la tierra ha sido aprisionada con maderos pesados, por las pisadas del ganado o compactada por cilindros o rodillos, pero el costo de este trabajo bruto era mayor, en muchos casos, que el valor de la compactación. Por otro lado, si la tierra se descarga meramente en el lugar, y no se compacta, frecuentemente falla por efecto de las cargas y continúa asentándose por décadas. Fue R. R. Proctor quien indicó el camino de la compactación efectiva a bajo costo. La compactación o reducción de la relación de vacíos se produce de varias maneras: reordenación de las partículas, fractura de los granos o de las ligaduras entre ellos seguida por reordenación y la flexión o distorsión de las partículas y sus capas absorbidas. La energía que se gasta en este proceso es suministrada por el esfuerzo de compactación de la máquina de compactar. La eficacia de la energía gastada depende del tipo de partículas que componen el suelo y de la manera como se aplica el esfuerzo de compactación. OBJETIVOS DE LA COMPACTACION.Las obras hechas con tierra, ya sea un relleno para una carretera, un terraplén para una presa, un soporte de una edificación o la subrasante de un pavimento, debe llenar ciertos requisitos: soportar con seguridad su propio peso y el de la estructura o las cargas de las ruedas. estructura que soporta. expandirse excesivamente. incompresibilidad.

Beneficios de la compactación a. Aumenta la capacidad para soportar cargas: Los vacíos producen debilidad del suelo e incapacidad para soportar cargas pesadas. Estando apretadas todas las partículas, el suelo puede soportar cargas mayores debidas a que las partículas mismas que soportan mejor. b. Impide el hundimiento del suelo: Si la estructura se construye en el suelo sin afirmar o afirmado con desigualdad, el suelo se hunde dando lugar a que la estructura se deforme produciendo grietas o un derrumbe total. c. Reduce el escurrimiento del agua: Un suelo compactado reduce la penetración de agua. El agua fluye y el drenaje puede entonces regularse. 37

d. Reduce el esponjamiento y la contracción del suelo: Si hay vacíos, el agua puede penetrar en el suelo y llenar estos vacíos. El resultado sería el esponjamiento del suelo durante la estación de lluvias y la contracción del mismo durante la estación seca. e. Impide los daños de las heladas: El agua se expande y aumenta el volumen al congelarse. Esta acción a menudo causa que el pavimento se hinche, y a la vez, las paredes y losas del piso se agrieten. La compactación reduce estas cavidades de agua en el suelo. Los métodos empleados para la compactación de suelos dependen del tipo de materiales con que se trabaje en cada caso; En la práctica, estas características se reflejan en el equipo disponible para el trabajo, tales como: plataformas vibratorias, rodillos lisos, neumáticos o patas de cabra. A continuación se presentan una clasificación acerca de los rodillos compactadores, detallando sistema vibratorio, características mecánicas y de compactación. RELACIONES HUMEDAD-DENSIDAD La relación entre humedad y densidad para un suelo compactado juega un papel muy importante en las propiedades del mismo, especialmente en cuanto a su resistencia y deformabilidad. Así se tienen los ensayos Proctor T 99 (estándar) y T 180 (modificado) que permiten determinar la humedad óptima, es decir la humedad a la que el suelo alcanza su densidad máxima y por lo tanto presenta sus mejores propiedades mecánicas. El valor de esta humedad óptima depende de la energía de compactación brindada al suelo, y en caso de incrementarse ésta, la humedad óptima será menor y la densidad seca máxima mayor, corriéndose el pico de la curva hacia arriba y a la derecha (Figura 4.2).

Figura 4.2. Curvas de humedad densidad de Proctor Los suelos expansivos son aquellos en los que su volumen se incrementa a mayores contenidos de humedad y requieren especial atención. Para prevenir los potenciales problemas asociados con este tipo de materiales, es importante que ellos no sean sobre-compactados por el lado seco del porcentaje de humedad óptimo. Se recomienda que este tipo de suelos se 38

compacten por el lado húmedo ligeramente en exceso de la humedad óptima determinada por el ensayo AASHTO T- 99, lo cual minimizará la probabilidad de hinchamiento. Para cualquier procedimiento de diseño, reconocer los efectos de los cambios en las relaciones de humedad – densidad en el diseño resultante es importante. Debido a la variabilidad presente en los procesos constructivos, el Método AASHTO cuenta con una variable separada para tomar en cuenta esta variabilidad. COMPACTACIÓN DE SUELOS EN EL LABORATORIO En la actualidad existen distintos métodos para reproducir en laboratorio las condiciones de compactación en obra. El primero y más difundido es debido al Dr. R. R. Proctor (1933) y es conocido como Ensayo Proctor Estándar. La prueba consiste en compactar el suelo a emplear en tres capas dentro de un molde de forma y dimensiones normalizadas, por medio de 25 golpes en cada una de ellas con un pisón de 2,5 [kg] de peso, que se deja caer libremente desde una altura de 30,5 [cm] (Foto 2).

Con este procedimiento Proctor observó que para un suelo dado, a contenido de humedad creciente incorporado a la masa del mismo, se obtenían densidades secas sucesivamente más altas (mejor grado de compactación). Asimismo, notó que esa tendencia no se mantenía indefinidamente si no que, al superar un cierto valor la humedad agregada, las densidades secas disminuían, con lo cual las condiciones empeoraban. Es decir, puso en evidencia que, para un suelo dado y a determinada energía de compactación, existe un valor de “Humedad Óptima” con la cual puede alcanzarse la “Máxima Densidad Seca”. El Ensayo Proctor Estándar también es conocido como Ensayo AASHTO T–99 (American Association of State Higway and Transportation Officials – Asociación Americana de Agencias Estatales de Carreteras y Transportes). Todo método de compactación, sea por impacto, como es el caso del Ensayo Proctor, o bien por amasado, vibración o compresión estática o dinámica, produce estabilización del suelo al transferirle energía al mismo. Ciertamente, no existe equipo de compactación aplicable al terreno que sea contraparte o comparable al ensayo de impacto en el Laboratorio (a diferencia de lo que ocurre en el caso de ensayos de amasado, vibración o compresión de laboratorio que encuentran su contraparte en los rodillos pata de cabra, vibro-compactadores, de rueda lisa, etc.). EFICACIA DE LA COMPACTACIÓN EN OBRA La eficacia de la compactación que se puede lograr en obra depende, entre otros factores, de: 

Naturaleza del suelo a compactar.



Elección adecuada del equipo: tipo, peso, presión de inflado de neumáticos, área de contacto, frecuencia de vibración, etc.



La energía específica de compactación (energía que se le entrega al suelo por unidad de volumen durante el proceso mecánico de que se trate). 39



Contenido de humedad del suelo.



Cantidad y espesor de las capas del terraplén.



Número de pasadas del equipo de compactación.

Los métodos usados para la compactación dependen del tipo de suelo. Los friccionales, como las arenas, se compactan eficientemente por métodos vibratorios (placas vibratorias), mientras que los suelos tipo arcillosos se compactan mejor por métodos estáticos (rodillos pata de cabra, rodillos neumáticos, rodillos lisos). CONTROL DEL GRADO DE COMPACTACIÓN EN OBRA Se define como Grado de Compactación (GC) de un suelo compactado a la relación, en porcentaje, entre la Densidad Seca alcanzada en obra y la Densidad Máxima Seca obtenida en laboratorio para el mismo suelo (Ensayo “Proctor” Estándar o Modificado) GC [%] = Densidad Seca del suelo “in situ”

x 100

Densidad Máxima Seca de laboratorio El control en obra se hace generalmente realizando ensayos de determinación del GC y comparando sus resultados con el porcentaje prescripto en pliegos (90%, 95%,100%, etc.), lo cual depende del destino y de la importancia de la obra (1). Entre los métodos para determinar la Densidad Seca en obra, son tres los más utilizados: - Método de la arena. - Método del volumenómetro (o de la membrana de goma). - Densímetros nucleares. A título de orientación, se indica que ninguna compactación debe ser inferior al 90% del ensayo correspondiente, por muy modesta que sea la obra o el destino. En el cuadro siguiente se ilustra sobre la prueba AASHTO conveniente y el porcentaje mínimo de compactación a requerir.

Tratándose de Subrasante, y siempre bajo la prueba Estándar, sirve también de orientación la siguiente tabla, conforme a la categoría de tránsito a recibir:

Categoría 1: Calles residenciales; estacionamiento de automóviles. Categoría 2: Calles residenciales alimentadoras; pocos autobuses. 40

Categoría 3: Avenidas; estacionamientos industriales; regular cantidad de autobuses; calles y estacionamientos en mercados de abastos. Categoría 4: Calzadas y calles comerciales con muchos autobuses. Categoría 5: Carreteras urbanas; autopistas. ALGUNAS CONSIDERACIONES En los casos en que sea necesario realizar ensayos de compactación se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones: 1) El suelo con el que se realice la prueba de compactación debe ser representativo del que se utilizará en obra. 2) Si la obra es muy extensa (por ejemplo caminos) o el suelo a utilizar se tomara en préstamo de distintos yacimientos, se deberán ejecutar tantos ensayos de compactación como fuesen necesarios, a fin de asegurar la representatividad del mismo en relación al suelo empleado. 3) En caso de empleo de suelos modificados (con cemento, cal, arena, etc.), se deberán realizar los ensayos con la adición estabilizadora o modificadora correspondiente. 4) De no prescribirse en pliegos, es el Director de Obra quien debe establecer qué prueba ejecutar (estándar, modificada o alguna de sus variantes) conforme a las características de la obra. 5) Cuando se realicen ensayos de compactación, siempre es necesario efectuar el control en obra del porcentaje alcanzado. 6) Al realizar una compactación siempre es conveniente hacer un control en un pequeño sector de la obra, determinando el porcentaje alcanzado para establecer el número de pasadas apropiado del equipo. Con un número de pasadas insuficiente no se alcanzará la densidad requerida, mientras que un excesivo número de pasadas resultará antieconómico. FUENTES DE CONSULTA 1. JUAREZ BADILLO, E.- RICO RODRIGUEZ, A. “Mecánica de Suelos - Fundamentos de la Mecánica de Suelos” , Tomo I, Limusa. 3º Edición, 1992. 2. BOWLES, J., “Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil”. McGraw–Hill, Bogotá,1981. 3. MONCAYO, J- “Manual de Pavimentos”, CECSA, México, 1980. 4. DIRECCIÓN PROVINCIAL DE VIALIDAD, “Pliego Único de Condiciones y Especificaciones Técnicas”. Santa Fe ,1977. 5. Norma IRAM Nº 10511/72, “MECÁNICA DE SUELOS – Método de Ensayo de Compactación en Laboratorio”, 1972. 6. Norma de Ensayo Vialidad Nacional VN – E.5 – 67- “Compactación de Suelos”.

ENSAYOS PROCTOR STANDARD Y MODIFICADO.

En mecánica de suelos, el ensayo de compactación Proctor es uno de los más importantes procedimientos de estudio y control de calidad de la compactación de un terreno. A través de él es posible determinar la compactación máxima de un terreno en relación con su grado de humedad, condición que optimiza el inicio de la obra con relación al costo y el desarrollo estructural e hidráulico. Existen dos tipos de ensayo Proctor normalizados; el "Ensayo Proctor Normal", y el "Ensayo Proctor Modificado". La diferencia entre ambos estriba en la distinta energía utilizada, debido al mayor peso del pisón y mayor altura de caída en el Proctor modificado. Ambos ensayos se deben al ingeniero que les da nombre, Ralph R. Proctor (1933), y determinan la máxima densidad que es posible alcanzar para suelos o áridos, en unas determinadas condiciones de humedad, con la condición de que no tengan excesivo porcentaje de finos, pues la prueba Proctor está limitada a los suelos que pasen totalmente por la malla No 4, o que tengan un retenido máximo del 10 % en esta malla, pero que pase (dicho retenido) totalmente por la malla 3/8”. Cuando el material tenga retenido en la malla 3/8” deberá determinarse la humedad óptima y el peso volumétrico seco máximo con la prueba de Proctor estándar. El ensayo consiste en compactar una porción de suelo en un cilindro con volumen conocido, haciéndose variar la humedad para obtener el punto de compactación máxima en el cual se obtiene la humedad óptima de compactación. El ensayo puede ser realizado en tres niveles de energía de compactación, conforme las especificaciones de la obra: normal, intermedia y modificada. La energía de compactación viene dada por la ecuación:

Donde: 

Y - energía a aplicar en la muestra de suelo;



n - número de capas a ser compactadas en el cilindro de moldeado;



N - número de golpes aplicados por capa;



P - peso del pisón;



H - altura de caída del pisón; y 42



V - volumen del cilindro.

El Grado de compactación de un terreno se expresa en porcentaje respecto al ensayo Proctor; es decir, una compactación del 85% de Proctor Normal quiere decir que se alcanza el 85% de la máxima densidad posible para ese terreno. Las principales normativas que definen estos ensayos son las normas americanas ASTM D698 (ASTM es la American Society for Testing Materials, Sociedad Americana para el Ensayo de Materiales) para el ensayo Proctor estandar y la ASTM D-1557 para el ensayo Proctor modificado. En España existen las normas UNE 103-500-94 que define el ensayo de compactación Proctor Normal y la UNE 103-501-94 que define el ensayo Proctor Modificado. Ensayo del Proctor En este ensayo se acondiciona la muestra de suelo de manera que reproduzca las condiciones en las que quedará sobre el terreno después de que haya trabajado la apisonadora.

Muestra

Máquina Proctor

Máquina abierta

Proctor

El ensayo se realiza en una máquina en la que una maza, de peso normalizado, cae desde una altura determinada para compactar la muestra introducida previamente, a capas, dentro de un molde. Una vez compactada, se determinará su densidad y la humedad. El ensayo Proctor se realiza para determinar la humedad óptima a la cual un suelo alcanzará su máxima compacidad. La humedad es importante pues aumentando o disminuyendo su contenido en el suelo se pueden alcanzar mayores o menores densidades del mismo, la razón de esto es que el agua llena los espacios del suelo ocupados por aire (recordemos que el suelo está compuesto de aire, agua y material sólido), permitiendo una mejor acomodación de las partículas, lo que a su vez aumenta la compacidad. Sin embargo un exceso de agua podría provocar el efecto contrario, es decir separar las partículas disminuyendo su compacidad. Es por esto que el ensayo Proctor tiene una real importancia en la construcción, ya que las carreteras y las estructuras necesitan de una base resistente donde apoyarse, y un suelo mal compactado podría significar el colapso de una estructura bien diseñada, en algunos casos, como por ejemplo en caminos de poco tráfico o de zonas rurales, el suelo constituye la carpeta de rodado, por lo que la importancia de la compactación se hace evidente. En este trabajo práctico se realizará un Ensayo Proctor Modificado, según la norma chilena, Mecánica de suelos ± Relaciones humedad/densidad ± Parte 2: Métodos de compactación con pisón de 4,5 kg y 460 mm de caída, NCh 1534/2 Of79. OBJETIVOS Reconocer y utilizar correctamente los materiales y el equipo necesario para realizar el Ensayo Proctor Modificado. Obtener datos a partir de los ensayos y anotarlos en un registro ordenado de acuerdo a un método establecido para evitar cometer errores u omitir información relevante. Procesar los datos obtenidos a través de formulaciones, tablas y gráficos, de manera que permitan sacar conclusiones sobre el ensayo realizado. Determinar la humedad óptima de compactación de un suelo, con la cual se alcanzará la máxima compacidad. 43

APOYO TEÓRICO Compactación es el término que se utiliza para describir el proceso de densificación de un material mediante sistemas mecánicos. El incremento de densidad se obtiene al disminuir el contenido de aire en los vacíos en tanto se mantiene el contenido de humedad aproximadamente constante. Generalmente la compactación se realiza sobre los materiales que se utilizan para relleno en la construcción de terraplenes. Los objetivos de la compactación son los siguientes: Aumentar la resistencia al corte y mejorar la estabilidad de terraplenes y la capacidad de carga de cimentaciones y pavimentos. Disminuir la compresibilidad y reducir los asentamientos. Disminuir la relación de vacíos y reducir la permeabilidad. Reducir el potencial de expansión, contracción, o expansión por congelamiento. El grado de compactación de un suelo o de un relleno se mide cuantitativamente mediante la densidad seca, la cual depende de la energía utilizada durante la compactación y del contenido de humedad del suelo. La relación entre la densidad seca, el contenido de humedad y la energía de compactación se obtienen a partir de ensayos de compactación en laboratorio. La compactación en laboratorio consiste en compactar una muestra de suelo húmedo en un molde cilíndrico de un volumen específico y con una energía de compactación determinada. Por lo general se utilizan diferentes ensayos, pero la mayoría están basados en el mismo principio: la compactación dinámica creada por el impacto de un martillo metálico de una masa específica que se deja caer desde una altura determinada, compactando el suelo en un determinado número de capas que reciben un número de golpes. Después de preparar la muestra compactada, se miden su densidad aparente y su contenido de humedad. Se calcula la densidad seca y se repite el procedimiento haciendo variar el contenido de humedad. Las características de compactación se presentan en un gráfico que relaciona la densidad seca en función del contenido de humedad. El punto más alto de la curva obtenida en el gráfico que corresponde a la mayor densidad seca determina el contenido de humedad óptimo. MATERIALES Los materiales utilizados en el Ensayo Proctor Modificado son los siguientes: Moldes: Son metálicos y de forma cilíndrica, pueden estar constituidos por una pieza completa o hendida por una generatriz, o por dos piezas semicilíndricas ajustables. En el LEMCO se utilizan moldes de una sola pieza, con un rebaje en su circunferencia superior donde ajusta el collar y alas para sujetarlo a la placa base. Collar: Cada molde lleva un collar de aproximadamente 60 mm de altura, el cual tiene un rebaje de modo que ajusta firmemente al molde y alas para sujetarlo a la placa base. Placa base: Está constituida por una placa metálica en la que se asegura el molde y el collar, por medio de las alas que éstos tienen, a pernos con tuerca tipo mariposa solidarios a la placa. Pisón metálico : es un cilindro metálico con una cara circular de 50 mm y con una masa de4500 g. Está equipado con una guía tubular para controlar la altura de caída a 460 mm. La guía tiene cuatro perforaciones de 10 mm a 20 mm de cada extremo, separadas en 90º. Probetas graduadas:

Son recipientes de vidrio o plástico graduados en centímetros cúbicos y se usan para medir el agua que se le agrega a la muestra. Balanzas: Se usan para pesar el suelo y las muestras de cada ensayo para calcular el contenido de humedad real. Regla de acero: Se usa para enrasar el suelo al nivel del molde, luego de compactado y extraído el collar. Tamiz Nº4: Corresponde a una abertura nominal de 5 mm y se usa para seleccionar el material a ocupar en el ensayo. Herramientas de mezclado: Se usan vasijas o pailas metálicas poco profundas para mezclado y palas o espátulas. MÉTODO El Ensayo Proctor Modificado se realiza siguiendo el método dado a continuación: 1. Obtención y preparación de muestras. 1.1. Obtener una muestra del suelo a ensayar de 30 kg como mínimo. 1.2. Secar la muestra hasta que se vuelva desmenuzable. 1.3. Tamizar el suelo extraído por el tamiz Nº4. 2. Acondicionamiento de muestras. 2.1. Homogeneizar la muestra y separar en fracciones de 5 kg.2.2. Mezclar completamente cada fracción por separado con agua suficiente para que las humedades varíen aproximadamente dos puntos porcentuales entre sí (100, 200,300 ml), y que se distribuyan alrededor de la humedad óptima. 3.

Ensayo.

3.1. Pesar y registrar la masa del molde vacío sin collar. 3.2. Determinar la capacidad volumétrica del molde. 3.3. Colocar el molde con su collar sobre la placa base. 3.4. Llenar el molde como se indica:  Colocar una capa de material de aproximadamente un quinto de la altura del molde más el collar.  Compactar la capa con 56 golpes.  Repetir la compactación en 5 capas dejando un exceso de material sobre el borde en la última capa. 3.5. Retirar el collar y enrasar con la regla al nivel del borde del molde. 3.6. Pesar el molde con el suelo compactado. Restar el peso del molde para obtener el peso del suelo compactado solo. 3.7. Determinar la densidad húmeda del suelo compactado dividiendo el peso del suelo por el volumen del molde. RESULTADOS Los valores obtenidos en el laboratorio se detallan en la siguiente tabla:

Esta tabla fue realizada en Excel, por lo que solo se anotarán las fórmulas que se utilizaron para obtener los valores del peso del material solo, la densidad húmeda y la densidad seca, los demás valores se miden directamente en el laboratorio y la determinación del contenido de humedad real se detalla a continuación

El contenido de humedad se determinó en Excel por medio de la siguiente fórmula

Los resultados anteriores se resumen en un gráfico que muestra el contenido de humedad versus la densidad seca. En él se aprecia claramente cuál es la densidad seca máxima y cual será entonces la humedad óptima.

CONCLUSIONES Después de realizado este trabajo práctico podemos concluir que el ensayo Proctor es muy importante en la ingeniería de suelos, y sobre todo en el diseño y construcción de rellenos y terraplenes. En este laboratorio hemos aprendido a realizar el procedimiento para llevar a cabo el ensayo y poder así saber que compactación máxima permite el suelo en estudio y cuál es la humedad óptima para lograr la máxima compacidad. Para este ensayo nos basamos en la norma chilena, Mecánica de suelos ± Relaciones humedad/densidad ± Parte 2: Métodos de compactación con pisón de 4,5 kg y 460 mm decaída, NCh 1534/2 Of79, que establece un procedimiento para determinar la relación entre la humedad y la densidad de un suelo compactado en un molde normalizado. Es importante además mencionar que el molde normalizado de la NCh 1534/2, que aparece dibujado en este informe en la sección Materiales, no es exactamente el que nosotros ocupamos en el LEMCO, ya que este último es más alto, pero se utiliza un disco macizo de aproximadamente 63 mm de altura, con lo que el interior del molde cumple con las dimensiones especificadas en la norma y es válido para realizar el ensayo. En cuanto a los resultados obtenidos, podemos decir que el suelo alcanza su máxima compacidad con un contenido de humedad de un 32 %, llegando a una densidad seca de1,15 g/ml. D de acuerdo a estos valores se puede inferir que el suelo no es adecuado para ser usado en terraplenes o rellenos que deban soportar carga, lo cual se corresponde con la experiencia, ya que el suelo era fino y tenía un alto contenido de material orgánico. COMPACTACIÓN DE SUELOS EN EL CAMPO 47

Clasificación de las máquinas de compactación Clasificación de las maquinas compactadoras según sus diferentes principios de trabajo: 1.- Por presión estática. Trabajan fundamentalmente mediante una elevada presión estática que debido a la fricción interna de los suelos, tienen un efecto de compactaci6n limitado, sobre todo en terrenos granulares donde un aumento de la presión normal repercute en el aumento de las fuerzas de fricción internas, efectuándose únicamente un encantamiento de los gruesos. 

Maquinas que compactan por presión estática: o

Apisonadoras de rodillos lisos.

Rodillos de patas de cabra.

Compactadores con ruedas neumáticas.

2.- Por impacto. Trabajan únicamente según el principio de que un cuerpo que choca contra una superficie, produce una onda de presión que se propaga hasta una mayor profundidad de acción que una presión estática, comunicando a su vez a las partículas una energía oscilatoria que produce un movimiento de las mismas. 

Maquinas que compactan por impacto.o

Placas de caída libre.

Pisones de explosión.

3.- Por vibración. Trabajan mediante una rápida sucesión de impactos contra la superficie del terreno, propagando hacia abajo trenes de ondas, de presión que producen en las partículas movimientos oscilatorios, eliminando la fricción interna de las mismas que se acoplan entre si fácilmente y alcanzan densidades elevadas. Es pues, un efecto de ordenación en que los granos mas pequeños rellenan los huecos que quedan entre los mayores. Por lo tanto, ya vemos que según sea el material, capaz de ser ordenado o no, este sistema de compactación por vibración, será mas o menos efectivo. Según propia experiencia y a titulo orientativo voy a ir hablando a continuación de los diversos tipos de máquinas, con expresión más o menos concreta de los trabajos de compactación que a cada una de ellas se les debe encomendar. 

Máquinas que compactan por vibración.o

Placas vibrantes.

Rodillos vibratorios.

EQUIPOS DE COMPACTACIÓN. Equipos para compactación de material. En la antigüedad, los romanos vieron la necesidad de compactar los materiales que se usaron para la construcción de la Vía Apia. Para tal objeto usaron rodillos de piedra tirados por esclavos. Con ello lograron un la unión intima de la base y de la superficie de piedra que pudo resistir los golpes de las herraduras y de las duras ruedas e las carrozas cargadas sin que el camino se destruyera. Con el paso del tiempo aumentaron las cargas, ocasionando esfuerzos mayores, en la superficie transitada, por lo que fue necesario agregar un nuevo material a las tierras existentes in situ, a manera de aditivo, para la compactación correcta. En general, en una compactación el espesor de las capas puede variar con el método de compactación que se use. Este depende, a su vez, del material que se esté compactando y de la operación de construcción que esté haciendo. En las capas más gruesas será mas difícil cortar una muestra para prueba. Cuando se usa una capa de relleno de tierra sobre el terreno natural, se tiene el problema del grado de compactación de la tierra que soporta el relleno. La densidad específica para la capa de base debe considerar la densidad del subsuelo. 48

Las presiones y vibraciones de los vehículos cada vez más pesados han asentado el apisonado y el material de la base, produciendo bolsas y baches en los pavimentos construidos algunos años antes. En la actualidad se usan instrumentos del tipo sismométrico para probar la densidad y la humedad, e instrumentos similares que no requieren cortar muestra de material de relleno ni de las capas de material compactado. Estos instrumentos tienden a promover variaciones en el equipo que puede utilizarse para lograr la compactación especificada. Es función del encargado de la planeación de la construcción, seleccionar el equipo de compactación apropiado y económico para el material y la operación que se especifiquen. Las siguientes secciones tienen por objeto ayudar a hacer tal determinación. RODILLOS COMPACTADORES Compactador de suelo

El Compactador de Suelos Caterpillar 815F se caracteriza por ruedas con diseño de pata apisonadora y patrón de doble bisel para lograr la tracción, penetración y compactación necesarias para alta producción. Se ofrece una hoja esparcidora de relleno opcional. Especificaciones detalladas Motor Modelo de motor

CAT 3306 TA

Potencia bruta

175 kW / 235 hp

Potencia en el volante

164 kW / 220 hp

Pesos Peso en orden de trabajo

20879 kg / 45934 lb

Especificaciones de operación Velocidad de desplazamiento hacia adelante

37.6 kph / 23.3 mph

Velocidad de desplazamiento hacia atrás

43 kph / 26.7 mph

Radio de giro de la hoja

12.6 mm / 41.4 ft

Espacio libre sobre el suelo

423 mm / 17 ft

Ancho cubierto en 2 pasadas

4.35 mm / 14.25 ft 49

Dimensiones Altura de hoja recta

860 mm / 2.8 pies

Ancho del tambor

978 mm / 3.2 pies

Ancho de hoja recta

3.76 mm / 12.3 ft

Tanque de combustible Capacidad del tanque de combustible

464 L / 122.6 gal

COMPACTADOR DE RELLENOS SANITARIOS El Compactador 816F Caterpillar para rellenos sanitarios combina potencia, movilidad y comodidad del operador para un alto rendimiento en actividades de compactaci贸n en rellenos sanitarios. Una construcci贸n robusta y un f谩cil mantenimiento ofrecen una vida prolongada a bajos costos de operaci贸n.

Especificaciones detalladas Motor Modelo de motor

CAT 3306 TA

Potencia bruta

175 kW / 235 hp

Potencia en el volante

164 kW / 220 hp

Pesos Peso en orden de trabajo

22780 kg / 50115 lb

Hoja recta Altura

1905 mm / 6.25 pies

Capacidades de llenado Tanque de combustible

446 L / 117.8 gal

Especificaciones en orden de trabajo Velocidad de desplazamiento en avance

9.58 km/h / 5.9 mph 50

Velocidad de desplazamiento en retroceso

10.7 km/h / 6.65 mph

Espacio libre sobre el suelo

532 mm / 1.75 pies

Dimensiones Ancho de hoja recta

3901.44 mm / 12.8 pies

Ancho de hoja U

3658 mm / 12 pulg

Altura de hoja U

1859 mm / 6.1 pulg

Ancho de tambor

1020 mm / 3.3 pies

Los compactadores del suelo de Cs-531d, de Cs-533d y de Cp-533d se han diseñado para ofrecer capacidades realzadas de la producción, servicio simplificado y comodidad excepcional del operador. Basado sobre la reputación industria-probada de la oruga que las C-Series manchan los compresores, la nueva D-Serie establece los nuevos estándares para la productividad, la comodidad y la utilidad en la industria de la compactación de suelo. Especificaciones detalladas Motor Potencia en el volante

108 kW / 145 hp

Potencia bruta

108 kW / 145 hp

Modelo de motor

3116 T Vibratorio de suelo

El Cs-323c tiene un tren de energía durable del gato, un sistema hidráulico y vibratorio fieldproven, una producción que realza opciones, y un sistema más grande y más dedicado del mundo del distribuidor de ayuda para asegurar funcionamiento y valor máximos de la compactación.

Especificaciones detalladas Motor Potencia en el volante

49 kW / 66 hp

Potencia bruta

52 kW / 70 hp

Modelo de motor

CAT 3054 DINA

Pesos 51

Peso en orden de trabajo

4540 kg / 9985 lb

Peso sobre el tambor

2040 kg / 4490 lb

Especificaciones de operación Ancho de compactación

1270 mm / 50 pulg

Velocidad de desplazamiento

8.9 / 5.5 mph

Radio interno de giro

2625 mm / 8.5 pies

Radio externo de giro

3895 mm / 12.75 pies

Espacio libre sobre el suelo

347 mm / 13 pulg

Frecuencia vibratoria

35 / 2100

Fuerza centrífuga máxima

66.8 kN / 15000 lb

Dimensiones Diámetro del tambor - Sobre el tambor

1016 mm / 40 pulg

Neumáticos Neumáticos

11.2 x 24 6-ply

Tanque de combustible Capacidad del tanque de combustible

144 L / 38 gal

El Cs-563d es un compresor vibratorio del suelo de la alta producción usado en el material granular, semi-cohesivo que ofrece el peso, los caballos de fuerza y la fuerza centrífuga para resolver especificaciones de la densidad rápidamente. La anchura del tambor de 2134 milímetros (84") proporciona la cobertura para los trabajos grandes. Un sistema vibratorio de la amplitud dual y el sistema excéntrico patentado del peso permiten al operador adaptar el funcionamiento de la compactación de la máquina a las especificaciones del trabajo. El más, el Cs-563d ofrece la bomba dual propulsa el sistema que proporciona clasificabilidad industriaque conduce y esfuerzo tractivo al trabajar en cuestas o en material suave. Los usos típicos incluyen la compactación del trazador de líneas del terraplén, la construcción de la carretera y de la calle, la preparación de la instalación industrial, la construcción del aeropuerto, sitios de edificio grandes y operaciones grandes del trenching.

Vibratorios de asfalto El gato Cb-224d es un compresor utilidad-clasificado, doble del asfalto del tambor que ofrece un radio que da vuelta apretada, una maniobrabilidad fácil y una comodidad excelente del operador. El Cb-224d se puede utilizar como el único compresor en trabajos clasificados 52

pequeños o como rodillo suplemental en trabajos grandes del tamaño. Su altas amplitud y anchura del tambor le hacen un compresor excelente para los hombros, las porciones pequeñas del estacionamiento o las adiciones del carril. El Cb-214 ofrece dos modos vibratorios que permitan que el operador adapte la operación de máquina al trabajo.

El Cb-534c se puede utilizar en todas las fases de la compactación, reduciendo la necesidad de una variedad de rodillos. Es capaz del trabajo como una interrupción y rodillo intermedio debido a sus altas fuerzas compactivas. Cuando está funcionado en el modo estático, el Cb534c es un ajuste perfecto como rodillo del final debido a sus altas libras estáticas por pulgada linear.

Especificaciones detalladas Motor Modelo de motor

CAT 3054T

Potencia en el volante

75 kW / 100 hp

Potencia bruta

78 kW / 105 hp

Pesos Peso en orden de trabajo

9195 kg / 20270 lb

Peso sobre el tambor delantero

4415 kg / 9730 lb

Peso sobre el tambor trasero

4780 kg / 10540 lb

Especificaciones de operación Ancho de compactación

1700 mm / 67 pulg 53

Velocidad máx. de desplazamiento

11.3 km/h / 7 mph

Radio interno de giro

4165 mm / 13.7 in

Radio externo de giro

5865 mm / 19.25 in

Altura libre sobre el suelo

416 mm / 16 pulg

Frecuencia vibratoria

42 / 2520

Fuerza centrífuga máxima

118.1 kN / 26550 lb

Service Refill Capacities Capacidad del tanque de combustible

208 L / 55 gal

Dimensiones Diámetro del tambor

1300 mm / 51 pulg

El compresor vibratorio del asfalto de Cb-434c se diseña por todas las fases de la compactación. Es capaz del trabajo como una interrupción y rodillo intermedio debido a sus altas fuerzas compactivas. Cuando está funcionado en el modo estático, el Cb-434c es un ajuste perfecto como rodillo del final debido a sus altas libras estáticas por pulgada linear.

Especificaciones detalladas Motor Modelo de motor

CAT 3054NA

Potencia en el volante

49 kW / 66 hp

Potencia bruta

52 kW / 70 hp

Pesos Peso en orden de trabajo

6485 kg / 14300 lb

Peso sobre el tambor delantero

3113 kg / 6864 lb

Peso sobre el tambor trasero

3372 kg / 7436 lb

Especificaciones de operación Ancho de compactación

1422 mm / 56 pulg

Velocidad máx. de desplazamiento

11.6 km/h / 7.2 mph

Radio interno de giro

3404 mm / 11.2 in 54

Radio externo de giro

4832 mm / 15.8 in

Altura libre sobre el suelo

381 mm / 15 pulg

Frecuencia vibratoria

48 / 2900

Fuerza centrífuga máxima

74.7 kN / 16800 lb NEUMÁTICOS

Los compresores neumáticos del gato se diseñan para la compactación y acabar superiores.

El Ps-360b es un compresor neumático versátil. Su flexibilidad viene de las capacidades grandes y variadas del lastre. Esto permite que el Ps-360b sea eficaz en una amplia gama de usos incluyendo suelo, asfalto, viruta y el sello, la recuperación, y la estabilización. Otra razón de la flexibilidad del Ps-360b es sus neumáticos anchos y traslapo grande del neumático como el cual permita que trabaje en asfalto una interrupción, intermedio e incluso un rodillo del final.

COMPACTADOR DE ASFALTO El Gato CB-214D Es de gran utilidad por su tamaño, compactador de asfalto de tambor doble que ofrece un radio volviéndose firme, maniobrabilidad fácil y consuelo del operador excelente. Los CB-214D pueden usarse como el único compactador en trabajos clasificados según tamaño pequeño o como un rodillo suplemental en trabajos del tamaño grandes. Los CB-214D ofrecen dos modos vibratorios que le permiten al operador entallar el funcionamiento de la máquina al trabajo. Las aplicaciones típicas incluyen reparación callejera, calleja, aceras o caminos del parque.

Motor Modelo de motor

HATZ 2M40L

Potencia en el volante

22.5 kW / 30.2 hp

Potencia bruta

23.5 kW / 31.5 hp

CB-334D Son un compactador de utilidad con un tambor de frente de acero y caucho se cansó ruedas traseras. Esta máquina versátil puede usarse como el único compactador adelante pequeño interponerse trabajos clasificados según tamaño o en los trabajos más grandes junto con modelos de la alto-producción.

Motor Modelo de motor

3013

Potencia en el volante

29.2 kW / 39.1 hp

Potencia bruta

31.7 kW / 42.5 hp

Pesos Peso en orden de trabajo Peso sobre el tambor delantero

3620 kg / 7980 lb 1960 kg / 4320 lb

Especificaciones de operación Ancho de compactación

1300 mm / 51 pulg

Velocidad máx. de desplazamiento

11 km/h / 7 mph 56

Radio interno de giro

3000 mm / 9.8 in

Radio externo de giro

4300 mm / 14.1 in

Altura libre sobre el suelo

260 mm / 10 pulg

Frecuencia vibratoria

68 / 4100

Fuerza centrífuga máxima

32 kN / 7250 lb

Service Refill Capacities Capacidad del tanque de combustible

48 L / 12.7 gal

Dimensiones Diámetro del tambor

800 mm / 31 pulg

CB-534C Pueden usarse en todas las fases de consolidación y pueden reducirse la necesidad por una variedad de rodillos. Es capaz de funcionamiento como una avería y rodillo del intermedio debido a sus fuerzas de compasión altas. Cuando operó en el modo estático, los CB-534C son un ataque perfecto como un rodillo del acabado debido a sus libras estáticas altas por la pulgada lineal.

Motor Modelo de motor

CAT 3054T

Potencia en el volante

75 kW / 100 hp

Potencia bruta

78 kW / 105 hp

Pesos Peso en orden de trabajo

9195 kg / 20270 lb

Peso sobre el tambor delantero

4415 kg / 9730 lb

Peso sobre el tambor trasero

4780 kg / 10540 lb

Especificaciones de operación Ancho de compactación

1700 mm / 67 pulg

Velocidad máx. de desplazamiento

11.3 km/h / 7 mph

Radio interno de giro

4165 mm / 13.7 in

Radio externo de giro

5865 mm / 19.25 in 57

Altura libre sobre el suelo

416 mm / 16 pulg

PS-360B Son un compactador neumático versátil. Su versatilidad viene de las capacidades del balasto grandes y variadas. Esto permite los PS-360B ser eficaz en una gama amplia de aplicaciones incluso la tierra, asfalte, astilla y foca, reclamación, y estabilización. Otra razón para la versatilidad de los PS-360B es sus neumáticos anchos y el neumático grande solapan qué le permite trabajar en asfalto como una avería, intermedio e incluso un rodillo del acabado.

Motor Potencia en el volante

74 kW / 100 hp

Modelo de motor

CAT 3054T

Pesos Peso en orden de trabajo

25000 kg / 55115 lb

Peso máximo por rueda

3570 kg / 7870 lb

Especificaciones de operación Ancho de compactación

2275 mm / 90 pulg

Velocidad de desplazamiento

18 / 11 mph

Radio interno de giro

3470 mm / 11.4 pies

Radio externo de giro

6700 mm / 22 pies

Espacio libre sobre el suelo

252 mm / 10 pulg

COMPACTADORA DE TIERRA Herramienta de poca manutención, con solo tres partes movibles. TA55 compacta a una velocidad de 2300 golpes x minuto con un martillo de una pulgada. TA57 compacta a una velocidad de 750 golpes por minuto con un martillo de 3".

Herramienta de poca

COMPACTADOR DE BOTA Maquinas que se manejan para la compactación del material dentro de una casa y sirve para el emparejamiento de la misma

COMPACTADOR VIBRATORIO VIBROPLUS CV15 Compactador autopropulsado de fácil operación y alto poder de compactación. Equipado con manillar aislado de la vibración y embrague centrífugo automático. Recomendado para la compactación de bases de grava, suelos arenosos, bases, zanjas para tuberías y lugares de difícil acceso.

COMPACTADOR VIBRATORIO VIBROPLUS CV32 Especialmente diseñado para la compactación de cordón cuneta, bases, alcantarillas, zanjas para conductos, etc. Por sus presiones dinámicas relativamente elevadas, es muy utilizado para compactar desde pequeños enrocados, arena y grava, hasta materiales cohesivos de granulometría fina. De óptima maniobrabilidad, puede ser también empleado como auxiliar de 59

grandes rodillos compactadores para áreas de difícil acceso. Su diseño le permite subir, vibrando, pendientes de hasta 20%. Su sistema de ruedas y lanza de arrastre facilitan su desplazamiento dentro del obrador.

PRUEBAS DE CAMPO. El densímetro nuclear es un equipo radiactivo de tercera categoría, usado para medir humedad y densidades de suelos, bases, áridos, hormigón y asfalto en obras de construcción.

1.- ¿EN QUE CONSISTE UN ENSAYO DE COMPACTACIÓN?

En nuestro país, el ensayo se utiliza en dos versiones, el ensayo de compactación Standard y el ensayo de compactación modificado. Sus especificaciones se muestran en la tabla No. 1. Por ejemplo si se pide realizar un ensayo de compactación modificado método “B”, éste indica que se debe utilizar el molde de 6 pulgadas de diámetro. El suelo se debe compactar en cinco (5) capas. A cada capa se le debe golpear 56 veces con un martillo de 10 libras desde una altura de caída de 18 pulgadas. Este método se aplica para suelos pasantes del tamiz No. 4. Este procedimiento se repite aumentando la humedad del suelo hasta obtener la curva de

compactación. La selección del método se hace en base a las características granulométricas de los materiales a compactar y al tipo de obra que se va a efectuar.

2.- ¿QUÉ SE OBTIENE DE UN ENSAYO DE COMPACTACIÓN?

Se obtiene la curva de compactación en el plano formado por los ejes cartesianos, en donde al eje de las ordenadas se le hace corresponder la densidad seca, y al eje de las abscisas, la humedad. Esta curva es llamada también curva de densidad seca vs. Humedad óptima. La traza que se obtiene se denomina parábola, la cual tiende a ser cerrada para los suelos de grano fino, y abierta, para los suelos granulares. El punto máximo de la parábola corresponde, en las ordenadas, a la densidad seca máxima representada generalmente en Kg/m3 o T/m3. En las abscisas se indicará el contenido óptimo de humedad, y se expresa en porcentajes. Desde el punto óptimo hacia la izquierda, la curva recibe el nombre de rama seca, y hacia la derecha, rama húmeda. 3.- QUE ES UN ENSAYO DE DENSIDAD EN CAMPO? La densidad en campo es conocida popularmente como prueba de compactación o densidad en sitio. Este tipo de ensayo es destinado para la determinación en el campo de la densidad seca de lotes de terreno compactados y compararla con la densidad seca máxima del laboratorio, la cual es obtenida de un ensayo de compactación. De manera de obtener el porcentaje de compactación del terreno, el cual es indicativo de la calidad de la obra ejecutada, se hace necesario el ensayo de densidad en campo.

4.- ¿CÓMO SE REALIZA UNA DENSIDAD EN CAMPO?

En la actualidad existen los llamados métodos tradicionales donde se destaca el de “la arena” y los sistemas modernos o métodos nucleares que utilizan “densímetros nucleares”. El método de la arena consiste en determinar la densidad seca de una capa de material compactado cuyo espesor no sea mayor de 20.0 cm. Para ello se coloca una placa de densidad sobre una superficie alisada del terreno. Esta placa tendrá una abertura en el centro de 4” de diámetro para suelos de granulometría fina, y 6” de diámetro para suelos de granulometría gruesa.

Se excavará un hueco de diámetro similar al de la placa a una profundidad que variará de 1.0 a 2.0 veces su diámetro. El material del hueco se recogerá en una bolsa y se pesará. Este será el peso húmedo del terreno. Luego se llevará a un horno para determinar el % de humedad. Posteriormente, sobre el orificio se colocará el aparato que contiene una arena que fue previamente “calibrada” y se dejará llenar el hueco con la arena del aparato. El volumen que ocupe la arena dentro del hueco será el volumen del mismo, y con el peso húmedo y la humedad se determina la densidad seca con la formula:

Anteriormente era tradicional el uso de la importada “arena de Ottawa”, pero por “pequeños” cambios monetarios obligaron a utilizar arenas nacionales, siendo más común en nuestro medio oír hablar de las arenas de Yaguachi y Babahoyo. DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO El ensayo tiene como objetivo determinar “in situ” la densidad de un suelo por el método de la arena. La prueba se utiliza para determinar la densidad de los suelos compactos en terraplenes, bases y subbases de carreteras, viales, etc., respecto un porcentaje dado de la densidad máxima obtenida en el ensayo de compactación Proctor correspondiente al tipo de suelo que se ensaya. CÓMO SE HACE

Antes de empezar las operaciones de ensayo, hay que alisar la superficie del terreno a comprobar en una superficie de unos 1250 cm², ligeramente superior a la del plato metálico, con perforación central, que tiene que servir como base y soporte del dispositivo de ensayo. Se coloca el plato metálico sobre la superficie alisada y se procede a excavar desde la perforación central, un agujero de profundidad mínima 150 mm y diámetro entre 100 mm y 160 mm en función del tamaño máximo de las partículas del suelo que, en ningún caso serán superiores a 50 mm. Con el material extraído al practicar el agujero se determina la masa y la humedad. Acto seguido se pesa el dispositivo de ensayo, constituido por un cono normalizado de 125 mm de altura de volumen conocido con válvula de cerramiento y un frasco enroscado que contiene arena seca calibrada de densidad conocida. Para determinar el volumen del agujero, se sitúa el dispositivo de manera invertida sobre el agujero, se abre la válvula y se deja caer arena hasta que el agujero y el cono se queden llenos hasta la válvula. Se retira el dispositivo y se determina su masa con la arena que queda.

A partir de los datos obtenidos y los parámetro conocidos de volumen del cono y densidad de la arena, se puede calcular el volumen del agujero excavado, la masa seca del material extraído y, en última instancia las densidades húmedas y secas “in situ” del material. CÓMO SE EXPRESAN 64

Se expresa la densidad seca del suelo extraído “in situ” en gr/cm3 y la humedad del mismo en %. Como información complementaria, si se conoce el resultado del ensayo Próctor, se suele indicar también el porcentaje de compactación en % referido a la densidad máxima dada por el Próctor. NORMAS DE REFERENCIA O RELACIONADAS UNE 103 503:1995, NLT109/72, ASTM D1556-82 UTILIDAD DEL ENSAYO Valorar el grado de compactación conferido a un determinado material de terraplenado, base o subbase. Para poder evaluar el grado de compactación al que se ha llegado es imprescindible conocer el resultado del ensayo Próctor del tipo de material que se está aplicando, así como el porcentaje de compactación requerido por la partida de obra concreta que se está valorando. CUÁNDO HACERLO Siempre, antes de aceptar los trabajos de compactación de un suelo o zahorra natural o artificial. PRECAUCIONES Si durante la excavación del agujero aparecen partículas de tamaño superior a 50 mm, tiene que desestimarse la prospección y proceder a efectuar otra alrededor de la primera. MUESTRA Terraplenes: los lotes de control están condicionados por el más restrictivo de los extremos siguientes: 

Cada 500 ml de vial



Cada 5000 m²



Cada tongada de 30 cm



La fracción construida diariamente



La fracción construida para un mismo tipo de material, de la misma procedencia y tratada con el mismo equipo de compactación.

Cada lote tendrá un mínimo de cinco determinaciones de densidad y humedad “in situ”. Bases y subbases (zahorras naturales y artificiales): Los lotes de control se establecen a partir del más restrictivo de los parámetros siguientes: 

Cada 250 ml de vial



Cada 3000 m²



Cada tongada de 30 cm



La fracción construida diariamente



La fracción construida por un mismo tipo de material, de la misma procedencia y tratada con el mismo equipo de compactación.

Cada lote tendrá un mínimo de seis determinaciones de densidad y humedad “in situ”. Exigencias

El grado de compactación exigido en relación al Próctor figurará en el proyecto. Normalmente el mínimo exigido es del 95% en terraplenes, y de un 98 al 100% en zahorras. Aunque éste sea el único procedimiento de determinación de la densidad y humedad “in situ” en normativa y, por lo tanto válida en caso de conflicto, mayormente se utiliza el método del densímetro nuclear que da resultados inmediatos y es de ejecución mucho más sencilla. En el caso de utilizar dicho último método, hay que contrastar, de manera periódica, los resultados dados por el densímetro con los obtenidos por el método de la arena expuesto. Los métodos nucleares, se basan en el uso pacífico de la energía atómica. Esto consiste de unos aparatos muy compactos con fuentes deisótopos radioactivos principalmente el Cesio 137, el Americium 241 y el Berilum 9 de poca peligrosidad para el ser humano y sistemas de detección con tubos ionizantes (contadores Geiger-Müller) comunicados con un microprocesador. La fuente radioactiva en la punta de la varilla penetra en el terreno hasta 30.0 cm de profundidad emitiendo partículas atómicas de gran velocidad que atraviesan el suelo en forma de doble cono y son detectadas por los contadores, éstos, a través de impulsos eléctricos, transmiten la información al microprocesador que la traduce y la coloca en una pantalla de cristal. Con toda la información ya almacenada, el operador, con el simple hecho de tocar la tecla, recibe el contenido de agua por m3, el porcentaje (%) de humedad, la densidad seca, la densidad húmeda, el porcentaje (%) de compactación. El aparato deberá ser colocado en el terreno de manera que el sol no le pegue de frente a la pantalla de cristal líquido. Este equipo posee un sistema para corregir humedad en caso de que el suelo presente alto contenido de hidrógeno. El densímetro nuclear más conocido en el país es el de marca TROXLER en sus diferentes modelos. Además de este, existen otras marcas que sirven a los mismos fines con igual calidad. El sistema de medición científicamente se basa en los siguientes principios: la medición de la densidad y la medición de la humedad. La medición de la densidad puede ser determinada por dos métodos: método directo y método Backscatter (retrodispersión). En el caso del método directo, se hace pasar un haz volumétrico de fotones a través de la masa desuelo y se registra la atenuación obtenida mediante contadores Geiger-Müller debidamente conectados a un circuito electrónico. La radiación atraviesa el suelo en sentido diagonal, de abajo hacia arriba, produciéndose una dispersión de fotones cuya forma es aproximadamente la de dos conos rectos unidos por su base, con sus ápices en la fuente y en los contadores. El volumen del suelo realmente recorrido por los fotones depende de la profundidad de la fuente y viene dado por el volumen de los dos conos. En el caso del equipo nuclear TROXLER 3411-B, es la distancia horizontal entre la fuente de Cesio 137 y los contadores Geiger-Müller de 10 pulgadas (25,4 cm) y por ello se logra un volumen de casi 1900 cm3 de suelo cuando la fuente reactiva está a 8 pulgadas (20.0 cm) de profundidad. En el caso del método Backscatter, no se atraviesa la masa del suelo, sino que se lanza un haz volumétrico de fotones contra la superficie, lográndose una pequeña penetración en el suelo. El haz volumétrico de fotones parte de la fuente radiactiva y tiene forzosamente que penetrar el suelo, entre la superficie del mismo y una profundidad que varía de acuerdo con la densidad. No hay una dirección preferencial, sino más bien una madeja de rayos que penetran el suelo, 66

parte de la cual alcanza los contadores Geiger-Müller al final de su viaje. El recorrido de los fotones no ocurre como en el caso de la transmisión directa cuando se baja la barra dentro del suelo. El método directo es mucho más preciso que el método Backscatter y está menos afectado por las irregularidades de la superficie. Las densidades obtenidas por el método Backscatter están influenciadas por la densidad muy superficial y toma poco en cuenta la densidad promedio de la capa. El equipo conocido como “Cono de Arena”, de 4 pulgadas de diámetro, realiza la medición de la densidad “insitu” en su volumen de aproximadamente1200 cm3, lo que representa el 63 % del volumen sobre el cual mide el equipo nuclear. La medición de la humedad con este equipo se hace basándose en el principio de termalización de electrones, éste consiste en el choque de un neutrón con el núcleo del átomo. La máxima cantidad de energía transferida sólo depende de la masa del núcleo. Mientras más pequeño sea el núcleo del átomo, menor será la energía transferida. Cuando un neutrón choca con el núcleo de un átomo de hidrógeno, toda su energía puede ser transferida al núcleo de hidrógeno, también llamado protón. El relativo bajo número de choques requeridos por el hidrógeno para termalizar neutrones es el fundamento del empleo de los neutrones para medir el contenido de agua en los suelos. Esto se puede explicar con un conocido material de préstamo de la zona, como es el de Los Tanques. Desde el punto de vista geológico, el material de Los Tanques es una Serpentina, roca metaignea proveniente del metamorfis mohidrotermal del Olivino, que es a su vez una roca ígnea de constitución básica, químicamente formada por sílice, hierro y magnesio (Fe Mg (SiO2)). Esta roca, durante el metamorfismo hidrotermal, incorpora dos moléculas de agua (2H2O), además de los otros componentes químicos del proceso. Cuando se produce la termalización de los hidrógenos, estos se confunden con el hidrógeno del agua sobre el suelo y el aparato tiende a dar valores elevados del contenido de humedad, éstos deben ser corregidos con ensayo de humedad al horno, e incorporar estas correcciones a la memoria del microprocesador. 5.- ¿CUÁNDO SE DEBEN ACEPTAR O RECHAZAR LOTES DE SUELO-AGREGADO COMPACTADO? Este es el punto donde la armonía contratista – inspección se pierde, cuando alguna de las dos partes ha fallado. En nuestro país, las normas han exigido tradicionalmente un mínimo de 95 % de la densidad seca máxima de laboratorio, sin embargo, existe una extensa bibliografía y experiencias como las expuestas por el Ing. Roberto Centeno Werner en su libro “Inspección y Control de Obras Civiles” (1982). Como nuestra publicación trata en términos sencillos el problema en caso de obras de pequeña envergadura, se puede, a partir de la curva de compactación, extraer los parámetros de aceptación y rechazo de la manera siguiente: la densidad seca máxima (DSM) del ensayo fue 2200 Kg/m3 con una humedad óptima del 8%. Si la aceptación es el 95 % de la densidad seca máxima, este valor mínimo será 2090 Kg/m3 en los cortes de este valor con la curva de compactación y su proyección con las abscisas se obtiene el rango de humedades y densidades secas de aceptación. En algunos casos, la aceptación y rechazo se basa en métodos estadísticos donde se exige un promedio de la densidad seca máxima dentro de una desviación standard muestral bien definida, por ejemplo, un promedio de 95% con una desviación standard muestral máxima del 1 %. Actualmente, las exigencias de compactación de bases granulares han aumentado y han llegado ya a valores de 97 % de densidad seca máxima. El objeto de limitar estadísticamente los valores de densidad seca máxima con la desviación standard es el de evitar que en algunas 67

obras en un mismo terraplén existan valores tan dispersos como: 90-92-92-93-98-99-99-98.El promedio de estos valores es de 95.13 y una desviación standard de 1.22.En otro lote de terreno compactado se obtuvieron los siguientes valores: 94.5-95-95.5-96-95.9-94.8-96-95.7. El promedio de estos valores es de 95.43 y la desviación standard es de 0.21. Como es de apreciarse, en los casos anteriores el promedio de los dos lotes compactados es el mismo (95%), sin embargo, la desviación standard es distinta (en el primer caso es de 1.22 y en el segundo de 0.21). Con estos valores podemos apreciar cual es el mayor grado de homogeneidad obtenido mediante los métodos empleados para compactar el material. Desde el punto de vista de calidad, el primer lote debe ser rechazado y el segundo aceptado. En futuros boletines discutiremos más a fondo este problema. Existe la eterna creencia de que un porcentaje de compactación de100 % es posible. Sin embargo, puede haber casos en los cuales se produzcan cambios granulométricos, provocando una disminución de la DSM. Esto permite que las pruebas de compactación arrojen valores superiores al 100 %. En el caso del aumento de la DSM se notaría que, a pesar de emplear la misma metodología de compactación, las pruebas indicarían mala calidad de la obra. 6.- ¿QUÉ IMPORTANCIA TIENE UN EFICIENTE PROCEDIMIENTO DECOMPACTACIÓN DE SUELOS? Estos pequeños pero muy significativos detalles deben ser tomados por la inspección, durante un movimiento de tierra, haciendo los análisis periódicos a los préstamos de suelo-agregado que se estén compactando. Se puede decir que la compactación de suelos es un procedimiento de estabilización mecánica que logra en la estructura del suelo un incremento considerable de la resistencia al corte pues es función directa de la densidad y la cohesión. Con la compactación también se logra una disminución de la permeabilidad y compresibilidad del suelo. Es importante mencionar que en suelos con abundante contenido de finos, los procesos de compactación propician un incremento en el potencial de expansión. En este tipo de suelos, la estructura resultante se asocia íntimamente con el proceso de compactación y contenido de humedad a la cual se compacta la masa del suelo. Este concepto es importante, por ejemplo, para compactar núcleos de arcillas en presas de tierra donde fuertes asentamientos podrían causar fracturas endicho núcleo. Se ha demostrado que la estructura “dispersa” del suelo obtenida al compactarlo en la rama húmeda de la curva de compactación da como resultado un suelo con baja resistencia al corte pero capaz de resistir grandes deformaciones sin fallas (fracturas) y las consecuencias posteriores a la estructura. En este tipo de suelos, la compactación en la rama húmeda reduce la permeabilidad, si la comparamos con la misma medida en la rama seca. Desde otro punto de vista, la estructura “floculada” obtenida al compactar un suelo en la rama seca es menos susceptible a la contracción, pero más susceptible a la expansión potencial. La resistencia última de los suelos con estructura floculada es mayor a bajas deformaciones que la resistencia de los suelos con estructuras dispersas. La resistencia residual del suelo compactado en la rama seca es casi la misma que la resistencia última del suelo compactado en la rama húmeda. Por lo tanto, en carreteras donde se desean bajo el pavimento deformaciones unitarias muy pequeñas, el suelo debía compactarse del contenido óptimo hacia la rama seca. 68

Para que un procedimiento de compactación sea eficiente, el equipo utilizado debe ser el adecuado, según sea el tipo de material a compactar. En el mercado, hoy en día, existe una muy variada gama de equipos de compactación de suelos, y constantemente salen al mercado nuevas y sofisticadas maquinarias que aumentan la eficiencia en esta labor. De un modo muy general, tenemos que los suelos se dividen en dos grandes grupos: suelos cohesivos y suelos granulares. Los suelos cohesivos puros (arcillas plásticas) deben compactarse con rodillos “pata de cabra”; esencialmente en suelos intermedios como las arenas y gravas arcillosas y algunos esquistos frágiles, la combinación de pata de cabra con vibro compactadores ha dado buenos resultados. Sin embargo, los suelos eminentemente granulares se deben compactar exclusivamente con vibrocompactadores. El uso de los equipos de compactación adecuados y un sistemático procedimiento de inspección y control de calidad son los elementos esenciales que dan como producto final una obra sana y duradera, con una importancia sin precedente en esta época de inflación incontrolada en la industria de la construcción. Las personas involucradas en el campo de la construcción de obras de tierra así como las empresas de servicio encargadas del control de calidad debemos enfocar nuestros esfuerzos hacia el desarrollo de la ingeniería ecuatoriana: Nervio Motor del proceso de desarrollo nacional. CONCEPTO DE PRESIÓN TOTAL Concepto de presión total, presión efectiva (intergranular) y presión intersticial en una masa de suelo. μ = (N – Ni)/(S – s) Presión intersticial σi = Ni/S

Presión intergranular

σi = N/S

Presión total

PRESIÓN DE POROS Y ESFUERZO EFECTIVO

Desde que la resistencia al corte de un suelo es determinada en esta prueba en términos del esfuerzo total, es decir, el esfuerzo efectivo más la presión de poros, la resistencia depende de la presión desarrollada en el fluido de poros durante la carga. Si se permite que el líquido fluya desde o dentro de los poros de un espécimen de suelo mientras se aplica la carga, la presión de poros resultante, y por lo tanto la resistencia, difiere del caso en el que no puede ocurrir drenaje. En este método no se permite el drenaje a través de las fronteras del espécimen, en consecuencia, la resistencia medida en términos del esfuerzo total generalmente no será aplicable a problemas de campo en donde ocurra drenaje. Además, las resistencias determinadas utilizando ensayo de compresión triaxial no podrían aplicarse a casos en donde las condiciones de deformación en el campo difieran significativamente de aquellas en la prueba de compresión triaxial. CONDICIONES DE ESFUERZOS PREVIOS DE LOS SUELOS Los suelos en su estado natural constantemente están sometidos a esfuerzos que cambian con el paso del tiempo y como consecuencia el suelo se consolida, la forma de consolidación tiene una significativa influencia en la resistencia al corte que presente el suelo. En la Figura 6.12 se muestra al punto A de un suelo sujeto a distintos esfuerzos efectivos en su historia geológica. Inicialmente (t = 0) el punto A se encuentra sobre la superficie de terreno natural, a continuación se deposita una capa de suelo h1 (t = 1), luego se erosiona este material hasta una altura h2 (t = 2), finalmente se presenta deposición del suelo y el punto A se encuentra bajo el suelo con una altura h3 (t = 3). Este proceso es muy lento y por lo que la lenta deposición del material no ocasiona un exceso de presión de poros, como resultado se mantendrá el nivel de agua constante.

Figura 6.12.Variación de espesores en un perfil de suelo (Simons & Menzies, 2000). Este suelo en su historia geológica ha estado siempre sometido a esfuerzos y el orden en que estos se aplican estos influirá en la consolidación

Figura 6.13.Línea de consolidación del suelo. En la Figura 6.13 se ha graficado el índice de vacíos en función del esfuerzo efectivo en escala logarítmica y puede apreciarse de mejor forma la influencia de estos esfuerzos en la historia geológica del suelo durante la consolidación. Una consolidación lenta y continua del suelo produce teóricamente una línea de consolidación normal que será una línea recta cuando el vacíos y a su vez un determinado volumen, mientras el esfuerzo aumenta el índice de vacíos decrece por lo cual se expulsa algo de agua de los poros y el suelo cambiará de volumen; a este proceso se lo llama consolidación. Si en algún momento el esfuerzo reduce con respecto al último aplicado mientras aun este saturado, como el caso del estado t = 2, se presenta una expansión en el suelo la cual describirá una trayectoria lineal llamada línea de expansión, pero este incremento de volumen no seguirá un comportamiento lineal con respecto a la línea de consolidación normal. Cuando actúa el esfuerzo de t = 3 nuevamente el índice de vacíos decrece siguiendo la trayectoria de la línea de expansión, para luego ajustarse a la trayectoria de la línea de consolidación normal. Si el proceso continuara se tendría una reducción gradual del volumen hasta que se alcance un equilibrio entre el suelo y el esfuerzo de consolidación. Se dice que un suelo está normalmente consolidado (NC) cuando el esfuerzo que actúa es mayor a cualquier otro que actuó en toda su historia geológica, como el caso del estado t = 3. Se dirá que el suelo está sobreconsolidado (SC) cuando el esfuerzo actuante es menor a algún esfuerzo anterior en la historia geológica del suelo, como es el caso del estado t = 2.

Figura 6.14. Arcilla normalmente consolidada y sobreconsolidada. (a) Variación del contenido de humedad y el esfuerzo de corte, respecto al esfuerzo efectivo de consolidación. (b) Niveles de deposición y erosión en toda la historia geológica. La Figura 6.14 muestra un ejemplo del proceso de consolidación de un suelo arcilloso en un lecho lacustre, en la Figura 6.14a se observa la variación del contenido de humedad y el esfuerzo de corte, respecto al esfuerzo efectivo de consolidación y en la Figura 6.14b se ve gráficamente el proceso de deposición en la historia geológica del suelo. El punto “a” representa las condiciones en que se encuentra la arcilla inmediatamente después de su deposición en un lecho lacustre, la deposición de más arcilla provoca el incremento del esfuerzo efectivo y una reducción del contenido de humedad. El estado representado por el punto “b” corresponde a la arcilla normalmente consolidada, en el sentido de que ésta no ha estado sujeta a un esfuerzo efectivo mayor al actual en toda su historia geológica. El punto “c” corresponde a un estado de mayor deposición y por ende al máximo esfuerzo efectivo que actúa en toda su historia geológica, este esfuerzo es llamado presión de sobreconsolidación, finalmente el punto “d” representa un estado de descarga debido a erosión, donde la arcilla está sobreconsolidada. La descarga está acompañada por un incremento del contenido de humedad debido a la expansión, pero dicho incremento está muy lejos que reflejar la reducción del contenido de humedad durante la consolidación. Aunque la arcilla en el punto “d” está bajo el mismo esfuerzo efectivo que el punto “b”, el contenido de humedad de una arcilla sobreconsolidada es considerablemente menor. Las partículas están en un estado de empaquetamiento más denso y consecuentemente la resistencia al corte del suelo es mayor que la de una arcilla normalmente consolidada. La consolidación del suelo, se evalúa con el índice de sobreconsolidación OCR, que es a la relación entre el esfuerzo efectivo máximo aplicado en la historia geológica del suelo llamado también esfuerzo es efectivo de preconsolidación y el esfuerzo efectivo actual, que será:

Donde: 0

= Esfuerzo efectivo de preconsolidación.

Cuando el valor de OCR > 1, se dirá que el suelo es sobreconsolidado y se ubicada en cualquier punto de la línea de expansión, cuando el valor de OCR = 1 el suelo se denomina como normalmente consolidado y siempre se ubica en la línea de consolidación normal. CONDICIONES DE DRENAJE EN LOS SUELOS El agua tiene una importante influencia en el suelo y también en la resistencia al corte. Se puede comparar al suelo con una esponja, en el sentido de que tanto la esponja como el suelo son materiales que contienen espacios vacíos en su interior (poros), por lo que ambos pueden almacenar cierta cantidad de agua. Si se aplica una carga uniforme a una esponja saturada de agua, el esfuerzo (?) que transmite esta carga a los poros ocasionará que el agua salga por los orificios de esta, lo hará con facilidad si el tamaño de los orificios es grande como el caso de la Figura 6.10a. Sin embargo, la Figura 6.10b muestra que si los orificios son muy pequeños y se aplica la misma carga, el agua no saldrá con la misma facilidad que en el primer caso, esta requiere más tiempo. Este mismo comportamiento se aprecia en los suelos.

Figura 6.10. Ejemplo del drenaje en suelos. (a) Esponja de orificios grandes. (b) Esponja de orificios muy pequeños. Los suelos de grano grueso como ser arena y grava permiten un drenaje inmediato del agua al estar sometidos bajo un esfuerzo, debido a su alta permeabilidad asemejándose al caso de la Figura 6.10a. Mientras que la Figura 6.10b muestra el comportamiento de los suelos finos como la arcilla, debido a que el esfuerzo es aplicado instantáneamente el agua no puede salir con facilidad por la baja permeabilidad del suelo, lo que origina una presión interna adicional en los poros a la que se llama exceso de presión de poros ( ). Sin embargo, si la carga que origina este esfuerzo fuera aplicada muy lentamente hasta su totalidad, de tal forma que la presión interna que originaría esta carga en los poros se disiparía conforme al aumento gradual de la carga, en ningún momento se originaría un exceso de presión de poros. En el capítulo anterior, se estableció que se tendrán condiciones drenadas cuando la masa de u = 0), por lo cual a los parámetros de resistenci u > 0) que irá disipándose gradualmente a lo largo del tiempo, por lo que a los parámetros de resistencia al corte para 73

este caso se los condiciones drenadas a corto y largo plazo, en cambio para los suelos finos se tendrán u u a largo plazo. La Figura 6.11, muestra un terraplén que se ha construido rápidamente en un suelo arcilloso saturado de agua, inmediatamente se han instalado piezómetros en distintos lugares para medir la presión de poros del suelo. Debido a que el terraplén fue construido rápidamente, este ha inducido una carga que transmite un esfuerzo u tiempo t > 0 y t >> 0 (condición a mediano plazo) esta presión va disminuyendo, hasta que a u

Figura 6.11. Incremento de la presión de poros por el terraplén (Simons & Menzies, 2000). El exceso de presión de poros es determinado utilizando la siguiente expresión: u=

w·

[6.7]

Donde: w

= Peso unitario del agua. p

= Variación de la altura piezométrica debida a la carga.

En el caso de los suelos de grano grueso la acción de una carga que origina el drenado produce una variación inmediata y pequeña en el volumen, sin embargo en el caso de los suelos finos la acción de la carga no produce ninguna variación inmediata del volumen a corto plazo, sino que la variación del volumen será consecuente al drenado hasta que a largo plazo para la condición drenada se producirá el cambio total de volumen. Todos los suelos siempre llegarán a un estado drenado (parámetros efectivos), por lo que este estado constituye ser un campo común para analizar la resistencia al corte. RESISTENCIA AL CORTE.

Es fácil describir el comportamiento que tendrá el bloque mostrado en la Figura 6.1a, si la superficie en que se apoya el bloque se inclinara progresivamente.

Figura 6.1. Bloque que se desliza sobre una superficie inclinada. (a) Bloque encima de una superficie plana. (b) Fuerzas resultantes debido a la inclinación. En la Figura 6.1b se observa que mientras esta superficie va inclinándose aparecen fuerzas que actúan en la superficie de contacto, siendo F una fuerza resultante de varios factores que ocasionan que el elemento se deslice sobre la superficie, mientras que T es una fuerza originada por el contacto del elemento con la superficie (rugosidad) que impide que el elemento se deslice. Mientras la inclinación de la superficie vaya incrementando también lo hará la fuerza resultante F, finalmente para una determinada inclinación el valor de F superará a T lo que ocasionara que el elemento ceda y empiece a deslizarse, lo que se llamará falla.

Figura 6.2. Esfuerzo de corte generado en la superficie de contacto. La Figura 6.2 muestra más de cerca lo que ocurre en la superficie de contacto a la que se llamará superficie de corte, la inclinación de la superficie genera un esfuerzo de corte que va incrementándose. Mientras el elemento no ceda, puede decirse que el sistema presenta cierta resistencia al corte. Sin embargo, para una determinada inclinación el esfuerzo de corte superará a la resistencia que ofrece la rugosidad, lo que producirá una falla y el elemento sedará, entonces podría decirse que el sistema ha fallado al corte. Este ejemplo ilustra lo que es la resistencia al corte de los suelos. El comportamiento presentado en la Figura 6.2 es similar al que ocurre con las partículas que componen un suelo, dentro la masa de suelo como se muestra en la Figura 6.3, las partículas están constantemente sometidas a una fuerza resultante N que es normal a la superficie de corte producto de la acción de una carga externa o el peso propio.

Figura 6.3. Fuerzas surgidas por el contacto interpartícular. Esta fuerza normal originará la fuerza resultante F que genera el esfuerzo de corte, la cohesión entre las partículas contribuye a que la masa de suelo ofrezca resistencia al corte representado por la fuerza T, por lo que la resistencia al corte del suelo dependerá de la interacción las partículas. La superficie de corte en una masa de suelo tiene la tendencia a ser circular y no plana, en la Figura 6.4 se muestran dos ejemplos donde comúnmente el suelo falla al corte.

Figura 6.4. Situaciones donde se genera la falla al corte del suelo. (a) Talud. (b) Fundación. Existen muchas situaciones donde se requiere conocer el comportamiento de suelo en lo que respecta al corte, por lo cual muchos investigadores han desarrollado relaciones matemáticas sobre la base de las teorías clásicas de la elasticidad y plasticidad de los materiales. Sin embargo, los suelos se diferencian mucho de otros materiales como ser el acero y el concreto, debido a que está constituido de una innumerable cantidad de partículas que dan al suelo propiedades físicas distintas.

PRESIÓN DE POROS Y ESFUERZO EFECTIVO El esfuerzo (presión) efectivo al cual se encuentra sometido una roca en el yacimiento aumenta a medida que se producen los fluidos del yacimiento y disminuye la presión, debido a que la presión de sobrecarga permanece constante. En la figura 3.1 se muestra una curva típica de la variación de porosidad con el esfuerzo efectivo.

Figura 3.1. Curva de variación de la porosidad con el esfuerzo 76

En esta gráfica se observan las siguientes regiones: - Región elástica: Se observa una pequeña reducción en la porosidad a medida que aumenta el esfuerzo. La roca se comporta elásticamente, de tal manera que al eliminar el esfuerzo, la porosidad regresa a su valor inicial. - Región de colapso de poros: A elevadas tensiones, los poros y los granos sufren un colapso caracterizado por una reducción drástica de la porosidad. La roca se comporta de forma inelástica, de tal manera que al eliminar el esfuerzo, la porosidad adquiere un valor menor que el inicial. A este fenómeno se le llama histéresis y se debe a la deformación permanente de la matriz de la roca. - Región compactada: A muy elevadas tensiones, el colapso de los poros y los granos es total, y ocurre una redistribución de los granos, lo cual produce una disminución en la porosidad, que permanece aproximadamente constante con el incremento del esfuerzo.

Duna del desierto. En una duna no hay agua en los huecos y la tensión efectiva es igual a la tensión normal siendo la presión entre los poros igual a cero ALTURA DE SATURACIÓN CAPILAR

EL PRINCIPIO DE LA CAPILARIDAD La capilaridad es una propiedad física del agua por la que ella puede avanzar a través de un canal minúsculo (desde unos milímetros hasta micras de tamaño) siempre y cuando el agua se encuentre en contacto con ambas paredes de este canal y estas paredes se encuentren suficientemente juntas.

Capilaridad de Aguas Freáticas Conocemos el proceso de capilaridad como el ascenso que tiene un líquido al estar en contacto con las paredes de un tubo de diámetro pequeño. Si tomamos la masa de suelo, como un gran conjunto de poros, los cuales están comunicados, tendríamos una gran red de tubos capilares, los cuales permiten el efecto de capilaridad del agua freática. Al subir el agua por un tubo capilar, esta produce unos esfuerzos de tensión en la parte superior del agua que está dentro del tubo capilar. Esto se puede explicar teniendo como base la hidrostática: (figura 1) Si tenemos que tomamos una presión relativa, teniendo como origen la presión atmosférica, vemos que esta presión, en el punto de la superficie del agua (no dentro del capilar) debe ser cero, y a medida que vamos bajando en el agua, la presión aumenta, linealmente, es así que si subimos del nivel donde el agua está en contacto con el aire, la curva de presiones sigue de 77

igual forma, dando unos esfuerzos de tensión en las partes donde se encuentra por encima de este nivel de referencia, coincidiendo esto con las partes donde tenemos el agua capilar. En conclusión podemos decir que la capilaridad del agua dentro de un suelo, produce unos esfuerzos de tensión, los cuales generarán la compresión de este. Para que se presente la capilaridad del agua freática en un suelo, se debe tener en cuenta que el suelo debe ser fino, para poder que los poros que haya entre las partes sólidas del suelo, sea tan pequeño como un tubo capilar. Si tenemos un suelo como una grava gruesa, no se producirá el fenómeno de capilaridad, haciendo así estos suelos gruesos muy apetecidos en la construcción cuando se tienen niveles freáticos altos. Distribución de las aguas en el subsuelo. Tipos de agua Cuando el agua circula por los poros puede quedar retenida en ellos por efecto de la atracción de las partículas sólidas que lo componen puesto que el agua tiene un carácter polar, la fuerza de retención será mayor cuanto más cerca estén las moléculas de agua de dichas partículas, así existe un agua fuertemente unida (agua ligada) que forma una película alrededor de ellas. Esta agua no es absorbible por las plantas. La película puede ser tanto más gruesa como carga tenga la partícula.

Si dos partículas están suficientemente cerca sus películas de agua pueden atraerse y formar un menisco o puente entre ellas. Las moléculas más alejadas están retenidas con menos fuerza de modo que podrán ser absorbidas por las raíces de las plantas (fuerza de succión) o pueden perderse por gravedad si ésta fuerza es mayor que la de retención (agua gravitacional). El agua que queda retenida venciendo a la fuerza de gravedad se denomina agua capilar porque se sitúa en los poros capilares (de menor tamaño), parte de la cual será absorbible. Distribución vertical de las aguas en el subsuelo. Las aguas infiltradas pueden permanecer en el subsuelo más o menos tiempo, alcanzar diferentes profundidades y estar sometidas a muy diferentes condiciones. Zona de aireación o vadosa (no saturada) Se extiende desde la superficie del terreno hasta el nivel freático. Los poros no están saturados, es decir, están ocupados tanto por agua como por aire en función de las condiciones, y el agua retenida, que puede ser agua de hidratación, de adhesión o capilar, se encuentra a una presión menor que la atmosférica. El agua no retenida se moverá gracias a la gravedad (agua gravitacional o gravifica), y seguirá descendiendo y ocupando eventualmente los poros, grietas, y fisuras de los materiales (percolación), hasta alcanzar algún nivel inferior que sea impermeable o esté saturado

Se pueden diferenciar tres subzonas. Una superficial caracterizada porque una parte de las aguas infiltradas quedará retenida y adherida por fuerzas capilares al terreno, formando la humedad del suelo. El agua aquí contenida puede evaporarse volviendo a la atmósfera, o ser absorbida por los vegetales a través de sus raíces, quienes también la evaporarán por transpiración: a esta zona del suelo comprendida entre la superficie y el límite inferior de las raíces de los vegetales, se la denomina subzona de evapotranspiración, y tiene un espesor variable desde algunos cm hasta varios metros, en función de la cantidad y el tipo de vegetación propios de la región. Subzona intermedia, en la que el agua se mueve por gravedad hacia las zonas inferiores (percolación). Tiene un espesor muy variable, desde algunos cientos de metros en el caso de zonas desérticas, a llegar incluso a no existir en el caso de niveles freáticos muy cercanos a la superficie. Franja capilar, en contacto con la zona saturada. Esta franja se caracteriza porque los estrechos conductos y oquedades situados entre los materiales, se mantienen ocupados por agua sujeta a fuerzas capilares, que asciende desde la zona saturada inferior a una altura tanto mayor cuanto mayor sean estas fuerzas. Aunque esta zona está saturada de agua al igual que la zona de saturación que la sigue, hay una diferencia fundamental entre ambas: el agua de la franja capilar al estar sometida a fuerzas capilares no fluye en general, mientras que la de la zona saturada sí lo hace al ser agua gravífica. El nivel freático. 79

Nivel a partir del cual los materiales se encuentran totalmente saturados de agua. Su profundidad es variable en función de las condiciones climáticas: Después de precipitaciones abundantes, es decir en épocas de recarga subirá, acercándose cada vez más a la superficie o incluso situándose por encima de ella, lo que dará lugar a zonas encharcadas o pantanosas. Por el contrario en épocas secas, o como consecuencia de extracciones abusivas, el nivel bajará progresivamente lo que se traducirá en desecación de humedades, fuentes, descenso de niveles de ríos y pozos, etc.

Mientras que las superficies de un lago o un río son superficies planas horizontales, no ocurre lo mismo con el nivel freático. Este no se dispone en forma de superficie plana, sino que reproduce toscamente la superficie topográfica del terreno, de manera que se encuentra a mayor altura en las zonas elevadas y desciende en las deprimidas. Esta disposición se debe al hecho de que el agua subterránea se desplaza en general muy lentamente a través de los poros de las rocas, por lo que las aguas que se infiltran en las sucesivas precipitaciones tienden a acumularse en las zonas elevadas, ya que tardarán mucho tiempo en alcanzar las zonas bajas de descarga. Desde la superficie del terreno no es posible detectar la situación del nivel freático, salvo en los casos en los que corte o esté por encima de dicha superficie (zonas pantanosas, lagos, fuentes...). Sin embargo, se puede conocer de manera bastante aproximada a qué profundidad se encuentra, que coincidirá con la altura del agua de los pozos que existan en la zona, siempre que estén perforados en acuíferos libres, ya que los pozos son perforaciones en el subsuelo hasta alcanzar este nivel. (De hecho, etimológicamente nivel freático significa nivel de los pozos, ya que freatos=pozo, en griego).

ZONA SATURADA

Su límite superior viene marcado por el nivel freático, y el inferior por los materiales impermeables a partir de los cuales se ha acumulado el agua. Se caracteriza porque los poros, grietas y fisuras de las rocas están completamente ocupados por agua, que se encuentra a una presión variable: igual a la atmosférica en el nivel freático, y progresivamente mayor a medida que se profundiza. Las aguas de esta zona son las que se consideran verdaderas aguas subterráneas. Han llegado aquí a partir de la infiltración de las aguas de lluvia, o de las aguas superficiales (deshielo, ríos, lagos). Una vez en esta zona y dependiendo de las condiciones, su flujo natural las llevará de nuevo a la superficie dando lugar a manantiales y fuentes, alimentando ríos, lagos y zonas húmedas, o descargando directamente en el mar. También si las condiciones lo permiten, pueden ser captadas en cantidades significativas para el consumo humano. Con frecuencia se utilizan los términos agua freática y circulación freática, para aludir al agua de esta zona saturada y a su movimiento. Ambos términos derivan del gr. freatos = pozo, luego etimológicamente se está aludiendo al agua que llega, o puede llegar, a un pozo y a su circulación. Problemas de Capilaridad en la construcción Una de los grandes problemas que tiene el proceso de capilaridad del agua freática en la construcción, es que al subir esta agua, se humedecen los cimientos de las diferentes estructuras, provocando la corrosión del acero de refuerzo en los cimientos, y algunas veces esta agua freática, cuando los niveles son muy altos, alcanza a subir por capilaridad a las paredes de la edificación, generándose problemas en los ladrillos y los acabados de la edificación. Una solución a este problema es cambiar el suelo sobre el que descansa el cimiento, por un suelo más grueso, que no permita la capilaridad del agua freática. También encontramos soluciones de aditivos para el concreto (inclusores de aire), para poder generar impermeabilidad en este, y de morteros para recubrir estructuras (sika 101) con el fin de ganar impermeabilidad. En el momento que la cimentación de cualquier estructura, sea una cimentación profunda (pilotes, pilas o cajones), se debe tener en cuenta que esta estructura estará sumergida parcialmente por aguas freáticas, y que esta estructura de cimentación, sufrirá cambios de humedad por la subida y la bajada del nivel Freático. Humedades por capilaridad

Cuando veamos unas manchas de humedad, en la parte baja y a lo largo de gran parte de las paredes, que ascienden hasta una cierta altura, y nos encontramos en una planta en contacto 82

con el suelo, podemos asegurar que estas humedades son producidas por capilaridad, esto es, la ascensión del agua del subsuelo, a través de las paredes de la construcción. ¿Qué es la capilaridad?

Es la propiedad que tienen los líquidos, que depende de su tensión superficial, que le otorga la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar de un radio determinado. Esto es lo que hace, que el agua del subsuelo, en casos de terrenos húmedos, o empapados por la lluvia, ascienda a través de los pequeños poros del material empleado (como el ladrillo y mortero), mojando la pared y presentando, las típicas manchas blancas de salitre. Este tipo de humedades, es muy frecuente, en construcciones de principios de siglo, de ladrillo macizo, de mampostería o tapial, que su cimiento se realizaba igualmente con materiales porosos. Hay veces, que aunque la edificación disponga de sótano, se ven las paredes de éste todas humedecidas, ascendiendo el agua a través de ellas, hasta salir en la planta baja.

Este tipo de humedades, se ve mucho en las zonas costeras, también en Barcelona, con niveles freáticos muy altos y materiales porosos. Si para evitarlo, se alicata o impermeabiliza las paredes a forma de arrimadero, la humedad, al no poderse evaporar, sigue su ascenso hasta superar la barrera. Para solucionarlo, se deben realizar perforaciones en el muro a tratar, inyectando un gel antihumedad, para crear una barrera hidrófuga, que impide la subida de la humedad. Debido a las sales acumuladas en los muros, se debe sustituir el revestimiento, por otro que neutralice el 83

efecto de las sales. Existen otras soluciones por electro-ósmosis, pero son más sofisticadas y más costosas. Existe en el mercado productos de muy fácil aplicación, incluso por un simple “bricolajero”. Ya sabéis, para las humedades de capilaridad, no sirve el colocar un arrimadero impermeable, ya que lo único que lograremos, es que la humedad suba mal alta, o sea, que lo que precisamos, es parar la subida del agua, con una barrera impermeable. ALTURAS CAPILARES EN SUELOS

100 • • • • • • •

hcx: altura capilar máxima hcs: altura de saturación capilar hcr: altura de ascención capilar hcn: altura capilar mínima hcx > hcr hcs > hcn Tiempo necesario para alcanzar altura capilar depende de tipo de suelo.

CARGAS CAPILARES (LANE & WASHBURN, 1946)

FLUJO UNIDIMENSIONAL

APUNTES IMPORTANTES Propiedades del Suelo

Jhojan Adolfo Herrera Barbosa

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

jhojan_herrera@hotmail.com

Propiedades físicas del suelo Textura Estructura Color Permeabilidad Porosidad Drenaje Profundidad efectiva Consistencia

1. PROPIEDADES FÍSICAS DEL SUELO. Como se ha explicado, el suelo es una mezcla de materiales sólidos, líquidos (agua) y gaseosos (aire). La adecuada relación entre estos componentes determina la capacidad de hacer crecer las plantas y la disponibilidad de suficientes nutrientes para ellas. La proporción de los componentes determina una serie de propiedades que se conocen como propiedades físicas o mecánicas del suelo: textura, estructura, color, permeabilidad, porosidad, drenaje, consistencia, profundidad efectiva. TEXTURA. La textura de un suelo es la proporción de los tamaños de los grupos de partículas que lo constituyen y está relacionada con el tamaño de las partículas de los minerales que lo forman y se refiere a la proporción relativa de los tamaños de varios grupos de partículas de un suelo. Esta propiedad ayuda a determinar la facilidad de abastecimiento de los nutrientes, agua y aire que son fundamentales para la vida de las plantas. Para el estudio de la textura del suelo, éste se considera formado por tres fases: sólida, líquida y gaseosa. La fase sólida constituye cerca del 50 % del volumen de la mayor parte de los suelos superficiales y consta de una mezcla de partículas inorgánicas y orgánicas cuyo tamaño y forma varían considerablemente. La distribución proporcional de los diferentes tamaños de partículas minerales determina la textura de un determinado suelo. La textura del suelo se considera una propiedad básica porque los tamaños de las partículas minerales y la proporción relativa de los grupos por tamaños varían considerablemente entre los suelos, pero no se alteran fácilmente en un determinado suelo. El procedimiento analítico mediante el que se separan las partículas de una muestra de suelo se le llama análisis mecánico o granulométrico y consiste en determinar la distribución de los tamaños de las partículas. Este análisis proporciona datos de la clasificación, morfología y génesis del suelo, así como, de las propiedades físicas del suelo como la permeabilidad, retención del agua, plasticidad, aireación, capacidad de cambio de bases, etc. Todos los suelos constan de una mezcla de partículas o agrupaciones de partículas de tamaños similares por lo que se usa su clasificación con base en los límites de diámetro en milímetros. Clasificación de las partículas del suelo según el United States Departament of Agriculture.

Nombre de la partícula límite del diámetro en milímetros

TAMAÑO

Arena

0.05 a 2.0

Muy gruesa

1.0 a 2.0

Gruesa

0.5 a 1.0

Mediana

0.25 a 0.5

Fina

0.10 a 0.25

Muy fina

0.05 a 0.10

Limo

0.002 a 0.05

Arcilla

menor de 0.002

Figura 2: Triángulo textural según clasificación del USDA

Clases de texturas Los nombres de las clases de textura se utilizan para identificar grupos de suelos con mezclas parecidas de partículas minerales. Los suelos minerales pueden agruparse de manera general en tres clases texturales que son: las arenas, las margas y las arcillas, y se utiliza una combinación de estos nombres para indicar los grados intermedios. Por ejemplo, los suelos arenosos contienen un 70 % o más de partículas de arena, los areno-margosos contiene de 15 a 30 % de limo y arcilla. Los suelos arcillosos contienen más del 40 % de partículas de arcilla y pueden contener hasta 45 % de arena y hasta 40 % de limo, y se clasifican como arcilloarenosos o arcillo-limosos. Los suelos que contienen suficiente material coloidal para clasificarse como arcillosos, son por lo general compactos cuando están secos y pegajosos y plásticos cuando están húmedos. Las texturas margas constan de diversos grupos de partículas de arena, limo y arcilla y varían desde margo-arenoso hasta los margo-arcillosos. Sin embargo, aparentan tener proporciones aproximadamente iguales de cada fracción. ESTRUCTURA. La estructura es la forma en que las partículas del suelo se reúnen para formar agregados. De acuerdo a esta característica se distinguen suelos de estructura esferoidal (agregados redondeados), laminar (agregados en láminas), prismática (en forma de prisma), blocosa (en bloques), y granular (en granos). La estructura del suelo se define por la forma en que se agrupan las partículas individuales de arena, limo y arcilla. Cuando las partículas individuales se agrupan, toman el aspecto de partículas mayores y se denominan agregados.

Grados de estructura del suelo El grado de estructura es la intensidad de agregación y expresa la diferencia entre la cohesión dentro de los agregados y la adhesividad entre ellos. Debido a que estas propiedades varían según el contenido de humedad del suelo, el grado de estructura debe determinarse cuando el suelo no esté exageradamente húmedo o seco. Existen cuatro grados fundamentales de estructura que se califican entre O y 3, de la manera siguiente: 0 Sin estructura: condición en la que no existen agregados visibles o bien no hay un ordenamiento natural de líneas de debilidad, tales como:  Estructura de aglomerado (coherente) donde todo el horizonte del suelo aparece cementado en una gran masa;  Estructura de grano simple (sin coherencia) donde las partículas individuales del suelo no muestran tendencia a agruparse, como la arena pura; 1 Estructura débil: está deficientemente formada por agregados indistintos apenas visibles. Cuando se extrae del perfil, los materiales se rompen dando lugar a una mezcla de escasos agregados intactos, muchos quebrados y mucho material no agregado; 2 Estructura moderada: se caracteriza por agregados bien formados y diferenciados de duración moderada, y evidentes aunque indistintos en suelos no alterados. Cuando se extrae del perfil, el material edáfico se rompe en una mezcla de varios agregados enteros distintos, algunos rotos y poco material no agregado; 3 Estructura fuerte: se caracteriza por agregados bien formados y diferenciados que son duraderos y evidentes en suelos no alterados. Cuando se extrae del perfil, el material edáfico 88

está integrado principalmente por agregados enteros e incluye algunos quebrados y poco o ningún material no agregado. Clases y tipos de estructura del suelo La clase de estructura describe el tamaño medio de los agregados individuales. En relación con el tipo de estructura de suelo de donde proceden los agregados, se pueden reconocer, en general, cinco clases distintas que son las siguientes:  Muy fina o muy delgada;  Fina o delgada;  Mediana;  Gruesa o espesa;  Muy gruesa o muy espesa; El tipo de estructura describe la forma o configuración de los agregados individuales. Aunque generalmente los técnicos en suelos reconocen siete tipos de estructuras del suelo, sólo usaremos cuatro tipos. Estos se clasifican del 1 al 4, de la forma siguiente: 1 Estructuras granulares y migajosas: son partículas individuales de arena, limo y arcilla agrupadas en granos pequeños casi esféricos. El agua circula muy fácilmente a través de esos suelos. Por lo general, se encuentran en el horizonte A de los perfiles de suelos;

2 Estructuras en bloques o bloques subangulares: son partículas de suelo que se agrupan en bloques casi cuadrados o angulares con los bordes más o menos pronunciados. Los bloques relativamente grandes indican que el suelo resiste la penetración y el movimiento del agua. Suelen encontrarse en el horizonte B cuando hay acumulación de arcilla;

3 Estructuras prismáticas y columnares: son partículas de suelo que han formado columnas o pilares verticales separados por fisuras verticales diminutas, pero definidas. El agua circula con mayor dificultad y el drenaje es deficiente. Normalmente se encuentran en el horizonte B cuando hay acumulación de arcilla;

4 Estructura laminar: se compone de partículas de suelo agregadas en láminas o capas finas que se acumulan horizontalmente una sobre otra. A menudo las láminas se traslapan, lo que dificulta notablemente la circulación del agua. Esta estructura se encuentra casi siempre en los suelos boscosos, en parte del horizonte A y en los 89

suelos formados por capas de arcilla* COLOR. El color del suelo depende de sus componentes y puede usarse como una medida indirecta de ciertas propiedades. El color varía con el contenido de humedad. El color rojo indica contenido de óxidos de hierro y manganeso; el amarillo indica óxidos de hierro hidratado; el blanco y el gris indican presencia de cuarzo, yeso y caolín; y el negro y marrón indican materia orgánica. Cuanto más negro es un suelo, más productivo será, por los beneficios de la materia orgánica. El color del suelo puede proporcionar información clave sobre otras propiedades del medio edáfico. Por ejemplo, suelos de colores grisáceos y con presencia de “moteados o manchas” son síntomas de malas condiciones de aireación. Horizontes superficiales de colores oscuros tenderán a absorber mayor radiación y por consiguiente a tener mayores temperaturas que suelos de colores claros. La medición del color del suelo se realiza con un sistema estandarizado basado en la “Tabla de Colores Munsell”. En esta tabla se miden los tres componentes del color: • Tono (hue) (En suelos es generalmente rojizo o amarillento) • Intensidad o brillantez (chroma) • Valor de luminosidad (value)

Hoja de colores 10YR de la Tabla de Colores Munsell. Este tono (hue) es uno de los más utilizados en suelos. PERMEABILIDAD. Permeabilidad es la propiedad que tiene el suelo de transmitir el agua y el aire y es una de las cualidades más importantes que han de considerarse para la piscicultura. Un estanque construido en suelo impermeable perderá poca agua por filtración. Mientras más permeable sea el suelo, mayor será la filtración. Algunos suelos son tan permeables y la filtración tan intensa que para construir en ellos cualquier tipo de estanque es 90

preciso aplicar técnicas de construcción especiales. En un volumen de esta colección que aparecerá próximamente se ofrecerá información sobre dichas técnicas. ¿Qué factores afectan a la permeabilidad del suelo? Muchos factores afectan a la permeabilidad del suelo. En ocasiones, se trata de factores en extremo localizados, como fisuras y cárcavas, y es difícil hallar valores representativos de la permeabilidad a partir de mediciones reales. Un estudio serio de los perfiles de suelo proporciona una indispensable comprobación de dichas mediciones. Las observaciones sobre la textura del suelo, su estructura, consistencia, color y manchas de color, la disposición por capas, los poros visibles y la profundidad de las capas impermeables como la roca madre y la capa de arcilla, constituyen la base para decidir si es probable que las mediciones de la permeabilidad sean representativas. El suelo está constituido por varios horizontes, y que, generalmente, cada uno de ellos tiene propiedades físicas y químicas diferentes. Para determinar la permeabilidad del suelo en su totalidad, se debe estudiar cada horizonte por separado. La permeabilidad del suelo se relaciona con su textura y estructura El tamaño de los poros del suelo reviste gran importancia con respecto a la tasa de filtración (movimiento del agua hacia dentro del suelo) y a la tasa de percolación (movimiento del agua a través del suelo). El tamaño y el número de los poros guardan estrecha relación con la textura y la estructura del suelo y también influyen en su permeabilidad. Variación de la permeabilidad según la textura del suelo Por regla general, como se muestra a continuación, mientras más fina sea la textura del suelo, más lenta será la permeabilidad: Arenosos 5.0 cm/HR Franco arenosos

2.5 cm/HR

Franco

1.3

cm/HR

Franco arcillosos

0.8

cm/HR

Arcilloso limosos

0.25 cm/HR

Arcilloso

0.05

cm/HR

Variación de la permeabilidad según la estructura del suelo La estructura puede modificar considerablemente las tasas de permeabilidad mostradas anteriormente de la forma siguiente: Tipo de estructura Permeabilidad - Gran traslapo Laminar - Ligero traslapo En bloque

De muy lenta a muy rápida

Prismática Granular

POROSIDAD. Como consecuencia de la textura y estructura del suelo tenemos su porosidad, es decir su sistema de espacios vacíos o poros. 91

Los poros en el suelo se distinguen en: macroscópicos y microscópicos. Los primeros son de notables dimensiones, y están generalmente llenos de aire, en efecto, el agua los atraviesa rápidamente, impulsada por la fuerza de la gravedad. Los segundos en cambio están ocupados en gran parte por agua retenida por las fuerzas capilares. Los terrenos arenosos son ricos en macroporos, permitiendo un rápido pasaje del agua, pero tienen una muy baja capacidad de retener el agua, mientras que los suelos arcillosos son ricos en microporos, y pueden manifestar una escasa aeración, pero tienen una elevada capacidad de retención del agua. La porosidad puede ser expresada con la relación;

Donde: 

Ve = volumen de espacios vacíos, comprendiendo los que están ocupados por gases o líquidos;  V = volumen total de la muestra, comprendiendo sólidos, líquidos y gases. La porosidad puede ser determinada por la fórmula:

Donde:   

P = porosidad en porcentaje del volumen total de la muestra; S = densidad real del suelo; Sa = densidad aparente del suelo. En líneas generales la porosidad varía dentro de los siguientes límites:  Suelos ligeros: 30 – 45 %  Suelos medios: 45 – 55 %  Suelos pesados: 50 – 65 %  Suelos turbosos: 75 – 90 % DRENAJE. El drenaje de un suelo es su mayor o menor rapidez o facilidad para evacuar el agua por escurrimiento superficial y por infiltración profunda. ¿Cómo saber si el drenaje es bueno o malo? 1. Si tras una lluvia o riego se forman charcos en el suelo que permanecen varios días, es síntoma de mal drenaje. 2. O haz esta prueba: cava un hoyo de unos 60 cm de diámetro y 60 cm de profundidad y llénalo de agua. Si queda un poco de agua en el fondo después de algunos días, es que el drenaje es deficiente.

3. Los técnicos, viendo los horizontes del suelo, también lo saben. Se abre un agujero o perfil y si a unos 50 cm. de profundidad o más, la tierra tiene un color gris, verde o gris con manchas rojas, es señal de que esa zona del suelo permanece saturada de agua parte del año. En la fotografía de la izquierda se aprecia una "masilla" de color gris bastante impermeable. ¿Cuál es el problema del mal drenaje? Las plantas, ya sean árboles, arbustos, flores, hortalizas o césped, lo pasan mal porque las raíces se asfixian y los hongos que viven en el suelo aprovechan la situación para infectarlas y "rematarlas". Cierto es que hay especies vegetales que son más resistentes que otras al exceso de agua, hasta el punto que hay un grupo de Plantas Acuáticas que permanecen con las raíces permanentemente inundadas. ¿Cuándo hay más riesgo de problemas de drenaje? • Si el suelo es arcilloso, más riesgo que si es arenoso. Aunque no todos los suelos arcillosos drenan mal. • En áreas planas o cóncavas del terreno. • Al pie de pendientes, que es donde llega toda el agua de escorrentía. • Un jardín cerrado por paredes o que carezca de una salida natural del agua por superficie puede acumular más agua de lo conveniente. ¿Cómo se mejora el drenaje? Si el drenaje es realmente malo lo mejor será instalar una red de tuberías de drenaje. Si no es para tanto, realizando algunas operaciones de las que siguen será suficiente. 1. Crea pendientes Moldea el terreno dando pendientes suaves al terreno para que escurra el agua hacia un lado y salga por allí o bien se recoja con una canaleta. Hay que "guiar" al agua de lluvia y riego hacia donde nos interese dando pendientes adecuadas. Esta labor es fundamental al construir el jardín

. Nivelación Nivela el terreno con el fin de suprimir las hondonadas o depresiones que acumulen agua.

3. Canaletas o zanjas Coloca una canaleta o zanja al pie de una pendiente.

4. Drenes verticales En el campo se usa a veces este sistema que consiste en abrir hoyos o pozos que llegan hasta un estrato poroso del subsuelo al que va a parar el agua de drenaje. Algunas veces se lo designa "pozo de drenaje o de infiltración".

5. Aporta arena y materia orgánica al suelo En el momento de plantar, aporta una buena cantidad de mantillo, compost, turba o estiércol para esponjar el suelo y airearlo. Si además le echas arena de río, mezclándolo todo bien, mucho mejor.

PROFUNDIDAD EFECTIVA. La profundidad efectiva de un suelo es el espacio en el que las raíces de las plantas comunes pueden penetrar sin mayores obstáculos, con vistas a conseguir el agua y los nutrimentos indispensables. Tal información resulta ser de suma importancia para el crecimiento de las plantas. La mayoría de las últimas pueden penetrar más de un metro, si las condiciones del suelo lo permiten. Un suelo debe tener condiciones favorables para recibir, almacenar y hacer aprovechable el agua para las plantas, a una profundidad de por lo menos del susodicho metro. En un suelo profundo las plantas resisten mejor la sequía, ya que a más profundidad mayor capacidad de retención de humedad. De igual manera, la planta puede usar los nutrimentos almacenados en los horizontes profundos del subsuelo, si éstos están al alcance de las raíces. Cualquiera de las siguientes condiciones puede limitar la penetración de las raíces en el suelo: 1. Roca dura sana 2. Cascajo (pedregosidad abundante) 3. Agua (nivel, napa o manto freático cercano a la superficie) 4. Tepetales Con vistas a planificar su uso, los suelos pueden clasificarse en cuatro grupos, de acuerdo con su profundidad efectiva:   

Suelos profundos tienen un metro o más hasta llegar a una capa limitante. Moderadamente profundos tienen menos de un metro pero más de 0.60 m. Suelos poco profundos tienen menos de un metro pero más de 0.60 m. 94

 Suelos someros tienen menos de 0.25 m. La profundidad de 0.60 m, es la mínima recomendable con vistas a la producción comercial de especies, tales como los cítricos. Esta determinación se puede hacer abriendo un perfil de al menos un metro de profundidad o haciendo uso de una barrena o sonda de suelos.

Recordemos que por estas razones la descripción y clasificación de suelos de la FAO se lleva a cabo teniendo en cuenta tan solo el metro superficial (si el material parental o la roca madre no afloran antes). Por el contrario, la USDA Soil Taxonomy tiene en cuenta los horizontes de suelos existentes hasta 2 metros de profundidad.

Barrena para muestreo de suelos CONSISTENCIA. La consistencia: es la característica física que gobierna las fuerzas de cohesión-adhesión, responsables de la resistencia del suelo a ser moldeado o roto. Dichas fuerzas dependen del contenido de humedades pro esta razón que la consistencia se debe expresar en términos de seco, húmedo y mojado. Se refiere a las fuerzas que permiten que las partículas se mantengan unidas; se puede definir como la resistencia que ofrece la masa de suelo a ser deformada o amasada.- Las fuerzas que causan la consistencia son: cohesión y adhesión. Cohesión: Esta fuerza es debida a atracción molecular en razón, a que las partículas de arcilla presentan carga superficial, por una parte y la atracción de masas por las fuerzas de Van der Walls, o por otra (gavande, 1976)… Además de estas fuerzas, otros factores tales como compuestos orgánicos, carbonatos de calcio y óxidos de hierro y aluminio, son agentes que integran el mantenimiento conjunto de las partículas. La cohesión, entonces es la atracción entre partículas de la misma naturaleza. Adhesión: Se debe a la tensión superficial que se presenta entre las partículas de suelo y las moléculas de agua. Sin embargo, cuando el contenido de agua aumenta, excesivamente, la adhesión tiende a disminuir. El efecto de la adhesión es mantener unidas las partículas por lo cual depende de la proporción Agua/Aire. De acuerdo a lo anteriormente expuesto se puede afirmar que la consistencia del suelo posee dos puntos máximos; uno cuando está en estado seco debido a cohesión y otro cuando húmedo que depende de la adhesión. Limite Plástico: Se puede llamar una tira cilíndrica cuya finalidad es hacer una pasta de suelo con agua luego es amasada hasta crear o formar un cilindro de 10cm x 0.5cm el grosor.

Después fragmentar con una espátula, lo cual consiste en reunir los fragmentos y empezar en el número 2. Determinar la cantidad de humedad en 105°C Para evaporarse, es decir el cambio de consistencia de friable a plástica. Luego se debe aplicar la siguiente formula: PW = Psh – Pss x 100 ----------------Pss Donde: PW = Contenido de Humedad. Psh = Peso de Suelo Húmedo. Pss = Peso de Suelo Seco. Límite Líquido: En este límite el contenido de humedad (PW) en la película de agua se hace tan gruesa que la cohesión decrece y la masa de suelo fluye por acción de la gravedad. Se realiza este proceso en la cazuela y se hace una pasta de suelo: Agua. Colocar en la cazuela y realizar una ranura con una espátula trapezoidal para hacer una ranura por medio en dos golpear hasta que a los 20 – 25 golpes. Índice de Plasticidad: Es un parámetro físico que se relaciona con la facilidad de manejo del suelo, por una parte, y con el contenido y tipo de arcilla presente en el suelo, Por otra: Se obtiene de la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico: IP = LL – LP > 10 plástico. IP = LL – LP < 10 no plástico. Valores Menores de 10 indican baja plasticidad, y valores cercanos a los 20 señalan suelos muy plásticos. Determinación de la consistencia del suelo mojado La prueba se realiza cuando el suelo está saturado de agua, como por ejemplo, inmediatamente después de una abundante lluvia. En primer lugar, determine la adhesividad, que es la cualidad que tienen los materiales del suelo de adherirse a otros objetos. Después, determine la plasticidad, que es la cualidad por la cual el material edáfico cambia continuamente de forma, pero no de volumen, bajo la acción de una presión constante, y mantiene dicha forma al desaparecer la presión. Ensayo de campo para determinar la adhesividad del suelo mojado Presione una pequeña cantidad de suelo mojado entre el pulgar y el índice para comprobar si se adhiere a los dedos. Después, separe los dedos lentamente. Califique la adhesividad de la manera siguiente: 0 No adherente, si el suelo no se adhiere o prácticamente no queda material adherido a los dedos;

1 Ligeramente adherente, si el suelo comienza a adherirse a ambos dedos, pero al separarlos uno de ellos queda limpio y no se aprecia estiramiento cuando los dedos comienzan a separarse;

2 Adherente, si el suelo se adhiere a ambos dedos y tiende a estirarse un poco y a partirse y a no separarse de los dedos

3 Muy adherente, si el suelo se adhiere fuertemente a ambos dedos, y cuando ambos se separan se observa un estiramiento del material.

Ensayo de campo para determinar la plasticidad del suelo mojado Amase una pequeña cantidad de suelo mojado entre las palmas de las manos hasta formar una tira larga y redonda parecida a un cordón de unos 3 mm de espesor. Califique la plasticidad de la manera siguiente: 0 No plástico, si no se puede formar un cordón;

1 Ligeramente plástico, si se puede formar un cordón, pero se rompe fácilmente y vuelve a su estado anterior; 2 Plástico, si se puede formar un cordón, pero al romperse y volver a su estado anterior, no se puede formar nuevamente 3 Muy plástico, si se puede formar un cordón que no se rompe fácilmente y cuando se rompe, se puede amasar entre las manos y volver a formarlo varias

Determinación de la consistencia del suelo húmedo Ensayo de campo para determinar la consistencia del suelo húmedo El ensayo se realiza cuando el suelo está húmedo pero no mojado, como, por ejemplo, 24 horas después de una abundante lluvia. Trate de desmenuzar una pequeña cantidad de suelo húmedo, presionándolo entre el pulgar y el índice o apretándolo en la palma de la mano. Califique la consistencia del suelo húmedo de la manera siguiente: 0 Suelto, si el suelo no tiene coherencia (estructura de grano suelto);

1 Muy friable, si el suelo se desmenuza fácilmente bajo muy ligera presión, pero se une cuando se le comprime nuevamente;

2 Friable, si el suelo se desmenuza fácilmente bajo una presión de ligera a moderada; 3 Firme ,si el suelo se desmenuza bajo una presión moderada, pero se nota resistencia;

4 Muy firme , si el suelo se desmenuza bajo fuerte presión, pero apenas es desmenuzable entre el pulgar y el índice;

5 Extremadamente firme, si el suelo se desmenuza solamente bajo una presión muy fuerte, no se puede desmenuzar entre el pulgar y el índice, y se debe romper pedazo a pedazo.

Determinación de la consistencia del suelo seco Ensayo de campo para determinar la consistencia del suelo seco El ensayo se realiza cuando el suelo se ha secado al aire. Trate de romper una pequeña cantidad de suelo seco, presionándola entre el pulgar y el índice o apretándola en la palma de la mano. Califique la consistencia del suelo seco de la manera siguiente:

0 Suelto, si el suelo no tiene coherencia (estructura de grano suelto); 1 Blando, si el suelo tiene débil coherencia y friabilidad, se deshace en polvo o granos sueltos bajo muy ligera presión; 2 Ligeramente duro, si el suelo resiste una presión ligera, pero se puede romper fácilmente entre el pulgar y el índice;

3 Duro, si el suelo resiste una presión moderada, apenas se puede romper entre el pulgar y el índice, pero se puede romper en las manos sin dificultad;

4 Muy duro, si el suelo resiste una gran presión, no se puede romper entre el pulgar y el índice, pero se puede romper en las manos con dificultad;

5 Extremadamente duro, si el suelo resiste una presión extrema y no se puede romper en las manos.

1. Consistencia de los suelos y plasticidad. Definición de los límites de Atterberg de un suelo La consistencia de los suelos hace referencia a los estados que se encuentra una muestra de suelo a diferentes niveles de humedad. Los límites entre dichos estados son los límites de Atterberg. Partiendo de un suelo arcilloso, seco y no desmenuzable que presenta un estado duro se le añade agua gota a gota hasta que se hincha. En ese momento se llega al límite de retracción donde el aporte de agua hace pasar el suelo al estado blando donde la muestra se puede desmenuzar. Si se sigue con el aporte de agua se llega a un punto en el que una gota mas de agua convertiría el suelo en una masa moldeable, se trata pues del límite y estado plástico. Con el aporte seguido de agua se llegaría al estado líquido caracterizado por la fluidez que presentaría la muestra, el punto de transición del estado plástico al líquido es el límite líquido. EL – LL – EP – LP – EB – LR - ED La diferencia entre el estado líquido y el estado plástico se denomina índice plástico. 99

IP = LL - LP 2. Objeto de la clasificación de suelos. Señalar los dos principales sistemas de clasificación de suelos, desde el punto de vista de su comportamiento mecánico, sus principales características y sus aplicaciones específicas.

El objeto de la clasificación de los suelos es caracterizar los suelos según sus características y propiedades teniendo un marco de referencia. Una vez clasificado, se podrá actuar sobre el suelo ya que se sabrá su comportamiento a diferentes condiciones. Los dos principales sistemas de clasificación de suelos son la clasificación ASTM y la clasificación AASHTO. 3. Concepto de presión total, presión efectiva (intergranular) y presión intersticial en una masa de suelo. μ = (N – Ni)/(S – s) Presión intersticial σi = Ni/S

Presión intergranular

σi = N/S

Presión total

La presión intersticial o neutra es la tensión debida a la humedad de los poros. Es igual a la fuerza que ejerce la humedad, o diferencia fuerza normal total y fuerza de contacto, dividido por la superficie total menos la superficie de contacto de las partículas, es decir, la superficie que hay en un poro. La presión intergranular es la fuerza de contacto entre partículas del suelo partido por la superficie de contacto. Es pues la tensión que hay entre partículas. La presión total es igual a la fuerza en los poros más la fuerza de contacto (fuerza normal total) dividido por la superficie total. 4. Concepto de suelo normalmente consolidado y suelo sobreconsolidado, diferencias de comportamiento mecánico entre ambos tipos de suelos. Suelo consolidado: el suelo que se encuentra en el estado máximo de carga Suelo sobreconsolidado: se trata de suelos cargados a una elevada presión debido a causas geológicas 5. Clasificación de los tipos de vías forestales. Vías de baja intensidad: 1. Vías de uso general 2. Vías de uso reservado 3. Vías agrícolas i forestales Vías forestales principales Vías forestales secundarias Pistas Trochas Calles

100

6. El principio de Terzaghi. Demostración de la expresión y aplicación para la determinación de las presiones en una masa de suelo. N = μ(S – s) + Ni Resuelto en pregunta 2 7. Resistencia de corte al suelo. Principio de rotura Mohr-Coulomb. La resistencia al corte es la que ofrece el suelo cuando es sometido a un esfuerzo cortante, es decir la resistencia al desplazamiento de sus partículas entre sí. Principio de rotura Mohr-Coulomb; τ = c + σ · tg (ϕ) τ = resistencia al corte del suelo c = cohesión del suelo σ = tensión intergranular ϕ = ángulo de rozamiento interno Con una determinada tensión intergranular, la resistencia al corte del suelo depende de la cohesión del suelo (adherencia de las partículas del suelo debido a la atracción entre ellas) y del ángulo de rozamiento (depende de la uniformidad de las partículas del suelo, del tamaño y forma de los granos y de la presión normal). 8. El ensayo CBR; descripción y principal aplicación. El CBR es un ensayo de penetración para calcular la capacidad de soporte de una explanada, por tanto su aplicación va dirigida al dimensionamiento de firmes. Se trata de un molde donde se sumerge en agua durante 4 días la muestra, que será compactada conforme se dejará en la explanación. El ensayo consistirá en penetrar un vástago en el suelo desplazándose a una velocidad uniforme. El índice CBR se calcula como la razón entre la presión necesaria para que el pistón penetre en el suelo hasta una cierta profundidad y la presión correspondiente a la misma penetración en una muestra patrón. 9. Ensayo Proctor; descripción, aplicación e interpretación del mismo. En el ensayo Proctor consiste en colocar capas de suelo en un molde metálico de 1000cm3 del cual se apisonará dichas capas, con una maza, un número determinado de golpes. En el ensayo se compacta varias porciones de suelo con diferentes humedades de tal manera que se obtiene diferentes puntos de la curva densidad seca-humedad relativa. Se buscará en la curva densidad seca – humedad relativa el punto con mayor densidad seca, que coincidirá con el máximo de la curva. A menos humedad de dicho punto la densidad es menor ya que aumenta el volumen de aire en los poros, y a mayor humedad se evita que la densidad seca aumente porque la energía se emplea para aumentar la presión neutra.

El ensayo se puede realizar con diferentes alturas, lo que consecuentemente significa diferentes energías de compactación y diferentes curvas de densidad seca-humedad%. Uniendo los máximos de las curvas se obtiene la curva de saturación. El ensayo Proctor sirve de referencia a la hora de compactar un suelo. Por ejemplo se puede compactar a un 80% del ensayo Proctor normal. 101

También nos sirve para tener una idea de que relación densidad seca-humedad debemos manejar, intentando pues no alejarnos de la curva de saturación. Por último, al realizarse los ensayos Proctor de diferentes suelos con una determinada energía, nos da una idea de las propiedades de estos suelos. Curvas en los apuntes Estudiar efectos de la compactación 10. Cargas de tráfico y su efecto sobre los firmes. Cuantificación relativa del efecto destructivo de las cargas de tráfico. Un vehículo ligero puede llegar a transmitir al firme una carga de 800 kg/eje mientras que un vehículo pesado puede llegar a transmitir 13000 kg/eje, lo que significa 16 veces más. No obstante, vehículo pesado tiene un efecto destructivo 70000 veces superior al de un vehiculo ligero. Por eso se considera menospreciable la influencia de un eje simple. El efecto destructivo, por tanto, crece exponencialmente respecto el valor de la carga. 11. Concepto de capacidad soporte de la explanada. Factores de los que depende. Tipos de ensayo para su estimación. La capacidad soporte de una explanada es su resistencia a la deformación bajo las cargas del tráfico. Depende de la resistencia al esfuerza cortante del suelo que lo constituye, por tanto es función del tipo de suelo de la explanada como de su densidad y humedad. Para evaluar los suelos se emplean, por un lado, los ensayos triaxiales que estiman la resistencia al esfuerzo cortante. Pero los ensayos que más se realizan son el CBR y los de carga con placa para la caracterización mecánica de los suelos. 12. Concepto de peralte y sobreancho de una curva. Descripción de las transiciones o empalmes de ambos elementos con el tramo recto de una vía forestal. Peralte es la inclinación de la plataforma hacia el centro de la curva. Tiene por objetivo evitar que los vehículos se salgan de la vía en una curva por su propia inercia. La altura en la transición es; h = a tgα Donde a es la anchura de la calzada y α el ángulo que determina el peralte. El sobreancho es el área que se amplía en el interior de una curva para que los vehículos de gran envergadura puedan girar sin ocupar toda la vía. Esta superficie es igual a; S = (l2/2) x R Donde l es la longitud del vehículo y R el radio de curvatura en metros. Estudiar otros elementos de la carretera 13. La ley de Darcy. Concepto de permeabilidad de un suelo. Tras una serie de experimentos en los que se hacía pasar agua por unos tubos llenos de agua se demostró la siguiente ley; Q = (KxAxΔp)/L Es decir que el caudal que atraviesa los tubos es directamente proporcional a la sección de los mismos (A) y a la diferencia de presiones en sus extremos, e inversamente proporcional a la longitud de dichos tubos. 102

La constante K es la permeabilidad y según la fórmula se deduce que es la propiedad de no dejar fluir el agua en el propio suelo. 14. Representar el esquema de la distribución del agua en el suelo, describiendo las diferentes zonas. De constitución Adsorbida Agua libre Zona de capilaridad Zona de presión Resuelto en los apuntes 15. Concepto de porosidad (n), grado de saturación (Sr), peso específico seco (γd) y peso específico aparente (γap) de un suelo. n = (Vh/Vt)x100 del volumen total que proporción hay de poros. Sr = (Vw/Vh)x100 del volumen de poros que proporción hay de agua γd = (GxVs)/Vt densidad de la parte sólida del suelo γap = (γwxVw + GxVs)/Vt densidad de la parte sólida más la parte líquida del suelo. Es aproximadamente igual a la densidad total del suelo ya que el peso de la parte gaseosa es cercano a 0. Estudiar las otras expresiones 16. Indicar los cuatro orígenes posibles de la presencia de humedad en la explanación de una vía forestal, y las posibles medidas a adoptar para evitarlo, en cada uno de los casos. Los orígenes del agua en la explanación son; -

cuando cae directamente sobre la explanación

por el talud de desmonte

si se infiltra agua en una cuneta encharcada

por elevación del nivel freático

Las soluciones respectivas a estos problemas son; -

bombeo de la explanación, es decir creando una pendiente transversal

creación de la cuneta

creación de un dren longitudinal

creación de la capa anticontaminante que es una capa de piedras

17. Influencia del valor de la carga por eje y del número de repeticiones de la misma, en los efectos que se producen sobre el firme de una vía forestal.

18. Pendiente transversal de una vía forestal: función, valores recomendados y factores de los que depende. Su función es evacuar el agua de las lluvias hacia las cunetas, evitando que penetre en el firme. 103

Depende de: -

Rugosidad del pavimento

Pluviometría de la zona

Tipo de tráfico

Pendiente longitudinal

La pendiente transversal ha de ser la mitad de la longitudinal. Los valores recomendados son: Pend long

Pendiente transversal

Menor del 3%

1,5%

Del 3% al 6%

Mayor del 6%

19. Medida y control de las compactaciones. Ensayo a realizar, descripción e interpretación del mismo. Resuelto en pregunta 9 20. Indicar todos los elementos que definen la sección tipo de una vía forestal como representada en la figura. Igual que la siguiente

21. Indicar todos los elementos que componen la sección tipo de una vía forestal definiéndolos y dibujándolos esquemáticamente. Sección transversal -

Calzada

Arcenes

Bombeo

Cunetas

Explanada

Firme - Capa de rodadura - Base - Sub-base

Carril

Arcenes

Esquema en los apuntes 22. Objetivos que se persiguen con la estabilización de suelos y principales métodos de estabilización.

Se dice que un suelo es estable si tiene buena resistencia a la deformación y es poco sensible a la presencia de agua. 104

La estabilidad consistirá en mejorar la cohesión y ángulo de rozamiento, variables del criterio de rotura Mohr-Coulomb. Por tanto, se planteará no rebasar la carga crítica, es decir que la carga máxima ha de ser menor que la extraída en la ecuación de Mohr-Coulomb.

Para estabilizar un suelo lo primero que se intenta es reducir los huecos que hay en el suelo. Esto se consigue con la compactación de suelo, pues un suelo compactado es un suelo más estable. También se pretende que el suelo tenga una buena graduación granulométrica con el fin de rellenar los huecos que se presentan.

Por último existe la estabilización de tipo química. Esta estabilización consiste en añadir productos químicos, de procedencia industrial y ligantes como el cemento, cal, grava-cemento, productos bituminosos, etc. 23. Describir los tipos de firme existentes, señalando las diferencias de comportamiento entre ellos. Señalar las capas o estratos en que se divide un firme. Tipos de firme: rígidos y flexibles. RIGIDOS: son firmes que se crean con una o varias capas de hormigón, donde bajo de la capa, o capas, de hormigón se proyecta otra capa de grava. Estos firmes no se deforman al paso del tráfico permaneciendo rígidos. FLEXIBLES: estos firmes están constituidos por elementos granulares y a diferencia de los rígidos sí que se deforman. Se dividen en la subbase, base y capa de rodadura, pudiendo faltar la capa de rodadura y la subbase. 24. Concepto y fundamento de la estabilización de suelos. Señalar los principales métodos de estabilización de suelos. Resuelta en la pregunta 22 25. Concepto y fundamento de la estabilización química de suelos. Señalar los principales métodos de impermeabilización. Resuelta en la pregunta 22 26. Describir esquemáticamente las principales zonas de un terraplén. Señalar en cada una de ellas las exigencias de compactación requeridas. 27. Determinación al esfuerzo cortante de un suelo. Enumerar y describir brevemente los métodos. Resuelta en pregunta 7 Los ensayos para determinar la cohesión de un suelo y su ángulo de rozamiento interno son; -

Por el aparato de corte directo de Casagrande

La muestra inalterada se coloca en su interior y se somete a un esfuerzo tangencial y a una carga. Variando las cargas, se observando los correspondientes esfuerzos de rotura y con esos valores se traza la envolvente de los círculos de Mohr que darán a conocer los valores de cohesión y ángulo de rozamiento. -

Por la prueba de compresión triaxial

Este ensayo es más complejo que el anterior. Se caracteriza por ejercerse la fuerza con un sistema hidráulico 105

28. Enumerar las diferentes fases del proceso de ejecución de la explanación de una vía forestal. 1. Replanteo. Marcar trazado y zona a ocupar 2. Desbroce y destoconado 3. Transporte al vertedero de tierra vegetal 4. Excavación en desmonte 5. Transporte a terraplén o vertedero 6. Perfilado y compactación de terraplenes 7. Perfilado de taludes y apertura de cunetas 29. Enumerar los principales tratamientos asfálticos de especial aplicación a la construcción de vías forestales. 1. Riesgos asfálticos Sin gravilla Con gravilla 2. Lechadas bituminosas (Slury) 3. Mezclas bituminosas Aglomerados asfálticos en frío Aglomerados asfálticos en caliente 30. Subbase: definición y funciones específicas. Señalar tres tipos de materiales para su utilización en la construcción de subbases. FIRME: estructura superior del camino que transmite las cargas del tráfico a la explanación. También tiene como funciones proteger a la carretera de la humedad y facilitar la circulación de los vehículos. El firme esta compuesto por: SUBBASE: Estrato inferior del firme, que descansa directamente sobre la explanación. Sirve de aislante entre la explanación y las capas superiores, reduce las tensiones transmitidas por la base y abarata los costes del firme. Materiales: Materiales granulares, de arena y arcilla, y estabilizadas con cal BASE: Capa fundamental del firme sobre la que circulan los vehículos cuando no hay capa de rodadura. Los materiales con los que se forma deben ser de mejor calidad que los de la subbase. Materiales: Macadam, Bases granulares, de suelo-cemento y grava-cemento CAPA DE RODADURA: Capa sobre la que circulan los vehículos. Su fin es facilitar la circulación. Materiales: Material bituminoso y gravilla seleccionada 31. Finalidades de la capa de rodadura. Señalar algunos ejemplos de materiales que se puedan emplear en la construcción de esta capa. Resuelta en pregunta 29 y 30 32. Principales tipos de riegos asfálticos y su aplicación en las vías forestales. Determinación de la dotación de ligante y gravilla. Regla del décimo. 106

Resuelto en pregunta 29 La regla del décimo se utiliza en los riegos con gravilla y simplemente consiste en que la dotación de betún tiene que ser la décima parte de la dotación de gravilla.

33. Principales tipos de obras de fábrica en las vías forestales. Tipología estructural de las obras de paso. Mirar en los apuntes 34. Tipología de muros por su función y por su comportamiento mecánico. Concepto de empuje activo y empuje pasivo. Por su función -

Muro de sostenimiento: se utiliza en explanaciones para sostener un relleno

Muro de contención: en desmontes sostiene el suelo naturalmente

Muro de revestimiento:

Por su comportamiento mecánico -

Muro de gravedad

Muro ménsula

Muro contrafuerte

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