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Geotecnia I (Geología para Ingenieros) - Carrera de Ingeniería Civil. Departamento Construcciones Civiles. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales - Universidad Nacional de Córdoba (2013)

DESCRIPCION DE SUELOS CON FINES INGENIERILES Original: Ing. María Gabriela Goio1

La descripción de una masa de suelo se realiza, en líneas generales, de la misma forma que la vista macizos rocosos, es decir, es válido todo lo referente a las características de color, forma y composición de las partículas y estado de meteorización. Para poder ejecutar un adecuado proyecto de la fundación de una estructura en una masa de suelo es necesario reconocer el perfil del subsuelo, tarea que deberá ser planificada. La planificación del reconocimiento o estudio del suelo, cuyo estudio intensivo será desarrollado oportunamente en el curso de Geotecnia II, tiene dos condicionantes: el conocimiento del suelo y el de la estructura a ejecutar sobre él. El primero se refiere a una idea general, según se ha visto en prácticos anteriores, sobre los tipos genéricos de suelo a encontrar en la zona de estudio, información que se puede obtener de fuentes de datos zonales como mapas geológicos o geotécnicos, fotos aéreas, etc., de acuerdo a la importancia del proyecto a realizar; en algunos casos, estudios de suelos anteriores en las cercanías e incluso las perforaciones para provisión de agua o pozos absorbentes pueden servir de base para definir los trabajos a realizar. Los datos más importantes a obtener son: - Agentes de formación de los estratos. - Espesores aproximados de los mismos. - Tamaño máximo de las partículas. - Nivel de la capa freática. El condicionante referido a la construcción a realizar implica conocer o tener los elementos para valorar la estructura, su superficie, costo, destino, materiales de construcción a utilizar, asentamientos aceptables, cargas por columnas y distancia entre éstas últimas. La cantidad y tipo de sondeos o perforaciones a ejecutar dependen de estos condicionantes; aunque existen normas indicativas sobre esta tema, el primer reconocimiento determinará, si existen problemas geotécnicos, la realización de un estudio más exhaustivo. El acceso a los lugares que se desea estudiar se puede hacer por métodos a cielo abierto, aquellos en que una persona puede acceder a la observaci6n in situ del perfil del suelo, o por medio de perforaciones con equipos manuales o mecánicos. En todos los casos es necesario extraer muestras para realizar los ensayos de campo o de laboratorio, con los que se obtendrá la información necesaria para determinar el comportamiento del suelo. Se pueden obtener dos tipos de muestras:

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Goio, M.G., 1991. Descripción de Suelos con Fines Ingenieriles. En: Geotecnia I. Temas de Trabajos Prácticos. Departamento de Construcciones Civiles. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Universidad Nacional de Córdoba. Pp 154-160. Edición digital: M.G. Goio, Octubre de 2013

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Muestras inalteradas: Son indispensables para conocer algunas características del suelo como compresibilidad, resistencia al corte, permeabilidad, etc., las cuales dependen de la estructura del suelo in situ. Si bien el solo hecho de ejecutar la excavación modifica las condiciones imperantes en el terreno (descompresión por retiro del material de tapada, pérdida de humedad, etc.) se pueden obtener muestras mínimamente alteradas por estos factores. Los distintos métodos de extracción de la muestra inalterada perturban más o menos las condiciones iniciales de la misma. En todos los casos la muestra debe ser aislada del aire para evitar mayores pérdidas de humedad, y ser resguardada de golpes bruscos que pudieran producir su rotura o resquebrajamiento.

Muestras alteradas: para la ejecución de ensayos de identificación, tanto en el campo como en el laboratorio (granulometría y plasticidad) es necesario desmenuzar o amasar la muestra, de manera que para ello se utilizan muestras alteradas. En el caso de que no se extraigan simultáneamente ambos tipos de muestras, las muestras alteradas se deben proteger de la pérdida de humedad colocándolas en bolsas de plástico bien cerradas, pues pueden ser necesarias algunas determinaciones complementarias.

Propiedades de los suelos. Para el desarrollo adecuado de un estudio de suelos es necesario tener en cuenta las siguientes propiedades: 

Vinculadas con la resistencia: fundamentalmente con la resistencia al corte, está conformada por dos factores: 

Fricción interna: por la cual los granos se oponen al deslizamiento de unos sobre otros cuando se ejerce una acción externa, debido a la fricción en los puntos de contacto entre partículas.

Cohesión: es la acción que mantiene los granos unidos entre sí independientemente de las fuerzas externas actuantes. Está relacionada con las características mineralógicas y físico-químicas de las partículas que componen el suelo.

Vinculadas con las deformaciones: 

Plasticidad: está íntimamente relacionada con la cohesión, es la propiedad por la cual un suelo se deja moldear y conserva la forma dada aún cuando se han dejado de ejercer las acciones externas. Relacionados con esta propiedad se pueden definir tres estados de consistencia, los cuales se separan entre sí por medio de límites convencionales. Los estados de consistencia son:

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Fluido viscoso: en el cual el material se comporta como un líquido denso. Sólido plástico: puede deformarse sin rebote elástico y sin variación de volumen. Sólido: no disminuye su volumen por secado. 

Elasticidad: por la cual un suelo deformado por acciones externas, retoma su forma primitiva al cesar las acciones. Para que haya una reacción elástica debe haber cierto grado de compacidad.

Compresibilidad: por la cual un suelo puede perder parte de su volumen al ser sometido a cargas. La reducción de volumen se debe al acercamiento entre las partículas, reduciendo el volumen de poros.

Compresibilidad de suelos. Fuente: http://commons.wikimedia.org/wiki/File: Vibration_driven_compaction.svg?uselang=es 

Vinculadas con el agua en la masa de suelo: 

Permeabilidad: es la mayor o menor resistencia que opone un suelo a ser atravesado por un fluido. Se evalúa a través del coeficiente de permeabilidad k.

Infiltración del agua a partir de un surco de riego en dos suelos de diferente textura. Fuente: Coony y Pehrson. (1955) Avacado Irrigation. California Expt. Sta Leaflet.50.

Capilaridad: es fenómeno de capilaridad por tensión superficial aplicado a los suelos, materiales porosos por excelencia, en los cuales el agua se puede desplazar a través de los distintos canalículos, produciendo movimientos en cualquier dirección y sentido, incluso en contra de la gravedad.

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Efecto capilar en suelos. Fuente: N.C. Brady (1984) The Nature and Properties of Soils. Mac Millan Pub.

IDENTIFICACIÓN DE SUELOS EN EL CAMPO El problema de la identificación de 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 sitúe; naturalmente, según ya se dijo, la experiencia juega un papel importante en la utilidad que se pueda sacar de la clasificación. En el Sistema Unificado hay criterios para clasificación de suelos en el laboratorio; estos criterios de tipo granulométrico y de investigación de características de plasticidad, ya han sido suficientemente descritos. Además, ésta es una de las ventajas del Sistema, se ofrecen criterios para identificación en el campo, es decir, en aquellos casos en que no se disponga de equipo de laboratorio para efectuar las pruebas necesarias para una identificación estricta. Estos criterios, simples y expeditos, se detallan a continuación:

Procedimiento de identificación de campo de suelos gruesos. Los materiales constituidos por partículas gruesas se identifican en el campo sobre una base prácticamente visual. Extendiendo una muestra seca del suelo sobre una superficie plana puede juzgarse, en forma aproximada, su graduación, tamaño de partículas, forma y composición mineralógica. Para distinguir las gravas de las arenas puede usarse el tamaño 1/2 cm como equivalente a el tamiz n° 4 y para la estimación del contenido de finos basta considerar que las partículas de tamaño correspondiente a el tamiz N° 200 son aproximadamente las más pequeñas que puedan distinguirse a simple vista. En lo referente a la graduación del material, se requiere bastante experiencia para diferenciar los suelos bien graduados de los mal graduados mediante un examen visual. Esta experiencia se obtiene comparando graduaciones estimadas con las obtenidas en laboratorio en todos los casos en que se tenga oportunidad de hacerlo. Para examinar la fracción fina contenida en el suelo, deberán ejecutarse las pruebas de identificación de campo de suelos finos que se detallarán más adelante, sobre la parte que pase la malla N° 40; si no se dispone de esta malla, el cribado puede substituirse por una separación manual equivalente. En ocasiones puede ser importante juzgar la integridad de las partículas constituyentes de los suelos, en cuyo caso será preciso un examen especialmente cuidadoso. Las partículas

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procedentes de rocas ígneas sanas se identifican fácilmente; las partículas intemperizadas se reconocen por las decoloraciones y la relativa facilidad con que se desintegran.

Ensayos de identificación de campo para suelos finos o fracciones finas de suelo. Estos procedimientos se ejecutan con la fracción que pasa el tamiz N° 40 (aproximadamente 0.5 mm). Para fines de clasificación en el campo si no se usa el tamiz simplemente se quitan a mano las partículas gruesas que interfieren con las pruebas. 

Dilatancia. (Reacción al agitado).

Se debe preparar una pastilla de suelo húmedo de 10 cm3, aproximadamente. Si es necesario, añadir suficiente agua para dejar el suelo suave pero no pegajoso. Se coloca la pastilla en la palma de la mano y se agita horizontalmente golpeando contra la otra mano varias veces. Una reacción positiva consiste en la aparición de agua en la superficie de la pastilla, la cual cambia adquiriendo una consistencia de hígado y se vuelve lustrosa. Cuando la pastilla se aprieta entre los dedos el agua y el lustre desaparecen de la Ensayo de dilatancia. Fuente: http://www2.ing.puc.cl/ ~ingeot/ice1603/lab1/lab1.htm superficie, la pastilla se vuelve tiesa y finalmente se agrieta o se desmorona. La rapidez de la aparición del agua durante el agitado y de su desaparición durante el apretado sirve para identificar el carácter de los finos en un suelo. Al disminuir la uniformidad en estos suelos, la reacción se hace menos rápida. La aparición de agua en la superficie de la muestra se produce porque los suelos con mayor tamaño de partículas (limos y arenas finas) se compactan por la acción dinámica de los impactos contra la mano, lo cual reduce la relación de vacíos del material, expulsando el agua de ellos. Cuando se los vuelve a amasar aumenta la relación de vacíos y el agua se restituye a estos vacíos. Los suelos arcillosos no sufren estos efectos bajo cargas dinámicas, por lo cual no producen reacción De acuerdo a este ensayo los suelos se identifican según las siguientes categorías: 

Reacción rápida. Arenas finas uniformes y limpias, no plásticas.

Reacción rápida moderada: algunos limos inorgánicos (polvo de roca) y también tierras diatomáceas.

Reacción lenta: Limos inorgánicos y orgánicos ligeramente plásticos.

Reacción extremadamente lenta o nula. Arcillas orgánicas de alta plasticidad.

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Resistencia en estado seco. (Características al rompimiento).

Se moldea una pastilla de suelo hasta alcanzar una consistencia de masilla añadiendo agua si es necesario. La pastilla se deja secar completamente en un horno, al sol o al aire se prueba su resistencia rompiéndola y desmoronándola entre los dedos. Esta resistencia es una medida del carácter y cantidad de la fracción coloidal que contiene el suelo. La resistencia en estado seco aumenta con la plasticidad. Los resultados de este ensayo se evalúan de acuerdo a: 

Alta Resistencia en Seco: Arcillas inorgánicas del grupo CH

Ensayo de resistencia en estado seco. Fuente: ttp://www2.ing.puc.cl/~ingeot/ice1603/lab1/lab1.htm

Ligera Resistencia: Un limo inorgánico, se puede distinguir por el tacto al pulverizar al espécimen seco. La arena fina se siente granular mientras que el limo típico da una sensación de suavidad.

No representan ninguna Resistencia en Estado Seco: Son los limos exentos de plasticidad, sus muestras se desmoronan con muy poca presión digital (el polvo de roca y la tierra diatomácea).

Resistencia en Estado Seco Bajo: Es representativa de todos los suelos de baja plasticidad y también, de algunas arcillas inorgánicas muy limosas.

Tenacidad. (Consistencia cerca del Límite Plástico).

Se moldea un espécimen de aproximadamente 10 cm3 hasta alcanzar la consistencia de masilla. Si el suelo está muy seco debe agregarse agua, pero si está pegajoso debe extenderse el espécimen formando una capa delgada que permita algo de pérdida de humedad por evaporación. Posteriormente el espécimen se rola a mano sobre una superficie lisa o entre las palmas hasta hacer un rollito de 3 mm de diámetro aproximadamente, se amasa y se vuelve a rolar varias veces. Durante estas operaciones el contenido de humedad se reduce gradualmente y el espécimen llega a ponerse tieso, pierde finalmente su plasticidad y se desmorona cuando se alcanza el Límite Plástico. Después de que el rollo se ha desmoronado, los pedazos deben juntarse continuando el amasado ligeramente entre los dedos hasta que la masa se desmorona nuevamente.

Ensayo de tenacidad. Fuente: http://www2.ing.puc.cl/~ingeot/ice1603/lab1/lab1.htm

La potencialidad de la fracción coloidal arcillosa de un suelo se identifica por la mayor o menor tenacidad del rollito al acercarse al Límite Plástico y por la rigidez de la muestra al romperse finalmente entre los dedos. 6


Según este ensayo, los suelos se identifican: 

Alta tenacidad: Arcillas inorgánicas.

Media tenacidad: Arcillas glaciales.

Poca tenacidad Limos arcillosos, arcilla inorgánica de baja plasticidad o de materiales tales como arcilla del tipo caolín y arcillas orgánicas que caen abajo de la "línea A". Las arcillas altamente orgánicas se sienten muy débiles y esponjosas al tacto en el Límite Plástico.

OTROS ELEMENTOS DE IDENTIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN  En las situaciones en que sea posible determinar el contenido de humedad natural y los Límites Líquido y Plástico se puede calcular el Índice de Consistencia:

I. C. =

wL − w wL − wP

WL: Límite Líquido WP: Límite Plástico W: Contenido de humedad natural

Este parámetro se puede relacionar con algunos de los resultados de los ensayos anteriores, usando la siguiente tabla:

TERMINO

RESULTADO ENSAYO

Muy blando Blando

I. C.

Exuda entre los dedos al ser presionado con la mano. Puede ser moldeado con ligera presión de los dedos.

< 0,05

RESISTENCIA [g/cm2] < 20

0,05 a 0,25

20 a 40

Firme

Idem. anterior pero con fuerte presión.

0,25 a 0,75

40 a 75

Rígido

No puede ser moldeado con los dedos pero puede ser marcado

0,75 a 1,00

75 a 150

Muy rígido Sólo puede ser marcado con la uña.

> 1,00

> 150

 Para suelos gruesos, la compacidad del depósito puede estimarse usando ensayos de campo muy simples, como son el hincado de una pala o una estaca. En el caso de la estaca, debe ser de sección cuadrada y con una punta de 100 mm de longitud. La evaluación de este ensayo es de acuerdo a la siguiente tabla: Término

Resultado del ensayo

Suelto

Puede excavarse a pala. Una estaca de madera de 50 mm puede ser hincada fácilmente.

Denso

Requiere pico para su excavación. La estaca de 50 mm se hinca con dificultad.

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Ligeramente cementado

Examen visual, el pico remueve terrones o trozos que pueden ser gastados.

 La densidad relativa de las arenas puede calcularse cuando es posible determinar la relación de vacíos natural (in situ) y las correspondientes a los estados más suelto y más denso (obtenidas en laboratorio) emax − e Dr = . 100 emax − emin

Este parámetro también puede determinarse in situ mediante el Ensayo de Penetración Standard (SPT). En la tabla siguiente se da una escala en función del número de golpes N. Término

N (SPT)

Dr

Muy suelto

0a4

< 20

Suelto

4 a 10

20 a 33

Moderadamente denso

10 a 30

33 a 66

Denso

30 a 50

66 a 90

Muy denso

>50

90 a 100

DESCRIPCIÓN DE LA MASA DE SUELO El material debe describirse primeramente como suelo o como una combinación o mezcla de suelos tipos y luego adicionar la información de significación ingenieril concerniente a la masa de suelo. En la descripción deben presentarse las características principales de los suelos, teniendo en cuenta los siguientes aspectos: a) Características de la masa del suelo  compacidad  estratificación  discontinuidades  intemperización. b) Características de los materiales constituyentes del suelo  color  forma y composición de la partícula

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nombre del suelo (p.e. arcilla), graduación (p.e. fina) y plasticidad cuando corresponda. c) Formación geológica, era y tipo de depósito cuando corresponda. d) Clasificación y símbolo. Asimismo, debe tenerse en cuenta la estructura geológica y la distribución de los tipos de suelos en el terreno. Los grandes aspectos estructurales se relacionan con pliegues y fallas de depósitos estratigráficos e interestratificados. Suelen presentarse estratos, capas y lentes de diferentes tipos de suelos e incluso haber cambios gradacionales de un tipo básico a otro dentro de una misma capa. Los plegamientos y fallamientos introducen serios defectos en la masa de suelos y la interestratificación suele acarrear heterogeneidad y anisotropía, y todos estos aspectos suelen ser más importantes desde el punto de vista ingenieril que las propiedades individuales de los tipos de suelos. Debe describirse cuidadosamente la presencia de estratificación entrecruzada, las láminas de limos en arcillas o arena fina 'en limo, por ejemplo; las intercalaciones de arcillas blandas o materia orgánica, materiales solubles, etc; también deben ser registradas características edafológicas, tales como presencia de raíces u orificios causados por las mismas. Las discontinuidades en suelos se deberán describir detallando si son fisuras, fallas, diaclasas, planos, etc., incluyendo su ubicación, dirección y ángulo de buzamiento. Asimismo, se describirán las aperturas, la textura de sus superficies (áspera, lisa, lustrosa, etc.) y el eventual material que las rellena. El perfil de meteorización en la masa de suelo debe describirse igual que los macizos rocosos. Para ello se adapta la tabla dada a fin de hacerla aplicable a los suelos. TERMINO FRESCO

LIGERAMENTE METEORIZADO

DESCRIPCION No hay signos visibles de meteorización. Tal vez decoloración leve en las superficies de las discontinuidades mayores. En suelos finos la decoloración indica meteorización del material suelo y de las superficies de las discontinuidades. No hay un cambio marcado en la consistencia del suelo decolorado. Hay relictos de suelo fresco presente.

GRADO I

II

En suelos gruesos hay decoloración en los fragmentos individuales y discontinuidades No hay cambios marcados en la discontinuidad relativa.

MODERADAMENTE METEORIZADO

En suelos finos hay decoloración, con menos del 35 % del suelo con cambios de consistencia. Hay relictos de grado I y II En suelos gruesos, menos del 35 % del suelo tiene una Dr marcadamente menor.

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III


ALTAMENTE METEORIZADO

En suelos finos el material está decolorado y más del 35 % muestra un marcado cambio en la consistencia. Hay relictos de grado II.

IV

En suelos gruesos, más del 35 % del suelo tiene una Dr marcadamente menor. EXTREMADAMENTE METEORIZADO

En suelos finos el material está decolorado, no hay relictos de grado II, el suelo muestra un marcado cambio en la consistencia.

V

En suelos gruesos hay marcado decrecimiento de la densidad relativa.

La siguiente tabla (extraída del Anteproyecto Reglamento CIRSOC 401) resume las características de los suelos y las recomendaciones necesarias, que permiten realizar una clasificación elemental en campo, basada fundamentalmente en las apreciaciones táctiles y visuales obtenidas en un laboratorio de campaña. Esta información debe verificarse, completarse y/o corregirse en base a las determinaciones realizadas en laboratorio

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Anteproyecto de Reglamento Argentino de Estudios Geotécnicos - CIRSOC 401Instituto Nacional de Tecnología Industrial.

Archimbaud C., Armal G., Aubert, J. en etat des carrieres. Bull. I.A.E.G. 29, pp 205-208

Aubertim M., Larochelle F. (1984) Durabilite des granulants: L`essai au sultate. Bull. I.A.E.G. 29, pp 339-342.

Balliby, G. y Dayre M. (1984) Correlations entre les properties phisico-mecaniques des roches et le comportement des granulants manufactures. Bull. I.A.E.G. 29, pp 339-342

Geological Society Engineering Group Working Party. (1972) The description of rock masses for engineering purpose. Q.Joun.Eng. Geol. Vol 10, pp 355-388.

Hoek, E. and Bray, J (1981) Rock slope engineering. I.M.M. Londres

Holtz, R. (1976). Soil properties and soil sampling related to Engineering Geology. In selected Geotechnical design principles for practicing engineering geologist. Chicago. U.S.A.

Hudec P. (1984) Statistical methods of aggregate durability evaluation. Bull. I.A.E.G. 29, pp 377-380

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Descripcion de suelos con fines ingenieriles