CAPITULO IPROPIEDADES FSICAS DE LOS SUELOS 1.1. Fases del suelo, smbolos y definicionesSuelo: material trifsico, constituido por partculas slidas rodeada por espacios de agua y aire: Suelo mezcla de slidos, agua y aire.

Figura 2.1, representa esquemticamente las proporciones en volumen y peso o masa de las fases que constituyen el suelo. aire

aire agua agua slidos slidos Figura 2.1: Fases del suelo

Fase gaseosa: Comprende especficamente el aire.Fase lquida: Constituida por el agua (libre, especficamente).Fase slida: Partculas minerales del suelo (incluyendo la capa slida absorbida).

En el modelo de fases, se separan volmenes (V) y pesos (W), as:

Volmenes Pesos Va F.G Wa = 0 Vv Vw F.L Ww Vm = Vt Wm = Wt Vs F.S Ws

a) Volmenes:

Vm = Vt = Volumen total de la muestra de sueloVa = Volumen del aire o de la fase gaseosaVw = Volumen de agua o de la fase lquidaVs =Vol. de las partculas slidas o de la fase slidaVv = Volumen de vacos de la muestra de suelo Vm = Vt = Vv + Vs = Va + Vw + Vs Vv = Va + Vw

Al agruparse las partculas minerales unas a otras para formar el suelo, quedan espacios vacos (oquedades) que son ocupados por el agua total o parcialmente.

b) Pesos:Wa = Peso del aire o de la fase gaseosa. (Wa = 0)Ww = Peso del agua o de la fase lquida.Ws = Peso de las partculas slidas o de la fase slidaWm = Peso total de la muestra de suelo Wm = Ww + Ws Wa = 0

Otros autores consideran la masa en lugar del peso, es decir:Ma = Masa del aire (Ma = 0)Mw = Masa del agua intersticialMs = Masa de las partculas slidasMm = Masa total de la muestra de suelo. Mm = Ms + Mw Ma = 0

Suelo seco: Cuando el suelo no tiene agua. Esta compuesta de dos fases: Slida y gaseosa. Vm = Vs + Va Vw = 0

Suelo saturado: Todos los vacos del suelo estn ocupados por el agua. Conformado por fase slida y fase lquida. Vm = Vw + Vs Va = 0

1.2. Relaciones de volumen: , e, Gw, Ar, Dr

1.2.1. Porosidad (): Probabilidad de encontrar vacos en volumen total del suelo. Por eso 0 < < 100% . Se expresa en porcentaje.

En un slido perfecto = 0. En un suelo 0 y 100%

1.2.2. Relacin de vacos (e): Proporcin de vacos o ndice de poros.Relacin entre el volumen de vacos y el volumen de slidos. Su valor puede ser e >1 y alcanzar valores muy altos. Tericamente: 0 < e .En la prctica, segn Jurez Badillo: 0,25 e 15 e = 0,25; se trata de arenas muy compactas con finos e = 15; Se trata de arcillas altamente compresibles.

Segn: Meter L. Berry David Reid:

a) En suelos granulares: Estado ms suelto, corresponde al mximo volumen de vacos: emx = 0,91, = 47,6%.

Estado ms denso, corresponde al mnimo volumen de vacos: emn = 0,35, = 26%

Prctica: Valores extremos para suelos granulares:Arenas bien graduadas: 0,43 e 0,67. Arenas de tamao uniforme: 0,51 e 0,85

Arenas bien graduadas: 30% e 40%. Arenas tamao uniforme: 34% e 46%

b) En Suelos cohesivos, la proporcin de vacos es mucho ms alta que en suelos granulares, ello se debe a la actividad electroqumica asociada con las partculas de arcilla: 0,55 e 5; 35% 83%.

Compacidad: Grado de acomodo alcanzado por las partculas del suelo, dejando ms o menos vacos entre ellas. En suelos compactos, las partculas slidas que lo constituyen tienen alto grado de acomodo y la capacidad de deformacin bajo cargas ser pequea.

Estado ms suelto = 47,6%, e = 0,91 Estado ms compacto = 26% e = 0,35 Compacidad de un conjunto de partculas iguales

Turba: Se caracteriza por tener alto contenido de materia orgnica.

Gran capacidad para retener y almacenar agua, los valores de e estn en rango de 10 15.

Por tanto: un depsito tpico de turba de 3,0m de espesor podr haber menos de 300mm de materia slida.

La turba es un material muy compresible y los depsitos superficiales podran experimentar una deformacin del 50% o ms, si es sometido a la accin de una carga equivalente a 1,0 m del suelo de relleno.

1.2.3. Grado de saturacin (Gw): Probabilidad de encontrar agua en los vacos del suelo. (proporcin de vacos ocupada por el agua).

Relacin entre el volumen de agua y el volumen de vacos, se conoce tambin como humedad relativa del suelo.

Su valor puede variar entre: 0% Gw 100%.

Fsicamente Gw 0; pero admitiendo los extremos: Gw = 0% , si se trata de un suelo seco. Gw = 100%, si se trata de un suelo saturado.

1.2.4. Contenido de aire (Ar): Probabilidad d encontrar aire en los vacos del suelo. (proporcin de aire presente en el suelo). Se expresa como la relacin entre el volumen de aire y el volumen total de la muestra de suelo.

Su valor puede variar entre: 0% Ar 100%

En suelo saturado, los vacos estn ocupados por el agua: Ar = 0%

En suelo seco: No hay agua y Ar = 100%. Naturalmente que Gw + Ar = 100%.

En la prctica: 0 Ar

1.2.5. Contenido de agua o de humedad del suelo (): Expresa la proporcin de agua presente en el suelo.

Relacin entre el peso de agua del espcimen, al peso de los slidos (porcentaje).

Problema: Cul es el peso del agua?

Existen varias formas de agua en el suelo, unas requieren ms T y tiempo de secado que otras para eliminarlas.

En consecuencia, el concepto suelo seco es arbitrario, como lo es el agua que pesemos en el suelo de muestra.

Suelo seco: Proceso de secado en la estufa, a T 105C -110C, hasta peso constante durante 24 o 18 horas (con urgencia).

Valor terico del contenido de humedad: 0 w . En la prctica: vara de 0 a 100%, incluso lmites muy amplios. P.ej.: Suelos valles de Mxico, humedad normal entre 500 600%. Arcillas japonesas: registro contenidos de agua de 1200 1400%.

1.2.6. Densidad Relativa (Dr) o Compacidad Relativa: Parmetro nos informa si un suelo esta cerca o lejos de los valores mximos y mnimo de densidad.

Adems 0 Dr 1, siendo ms reciente el suelo cuando esta compactado y Dr 1, y menor cuando esta suelto yDr 0. Se puede calcular por la frmula de Terzaghi.

emx = Rel. vacos de un suelo en su estado + suelto.emn = Rel. vacos de un suelo su estado + compacto.enat. = Relacin vacos de un suelo en estado natural

OTRA FORMA: En funcin de peso unitario (PU) seco o peso esp. Seco; mediante el BUREAU RECLAMATION, frmula emprica, utilizada en diseo y construccin de presas de tierra:

dmx. = PU seco del suelo en su estado + compacto, es decir cuando la relacin de vacos es mnimo.dmn = PU seco del suelo en su estado + suelto es decir cuando la relacin de vacos es mximo. d = PU seco insitu (p. volumtrico seco en estado nat.)

Suelos cohesivos, generalmente tienen mayor proporcin de vacos que los granulares, los valores tpicos de y e son: e = 0,55 - 5,0 y = 35% - 83%.

Tabla N 1.1: Estado de un material granular (grava o arena), por su Dr.

ESTADO

Dr o Cr (%)

Muy flojo

Flojo

Medio

Denso

Muy denso

0 -15

16 -35

36 - 65

66 - 85

86 - 100

1.3. Relacin entre e y Estos parmetros se relacionan del siguiente modo: a) Como: ; dividiendo entre volumen total o Vm, se tiene:

Tambin: y Igualando tenemos: Despejando: Ahora, como: Remplazando, tenemos: Luego:

1.4. Peso Especfico del sueloEs la relacin entre el peso del suelo y su volumen.

Tambin se llama peso volumtrico (peso del suelo contenido en la unidad de volumen).

o = P.especfico del agua destilada; a T de 4C y 01 atmsfera de presin equivale a 1,0 gr/cm2

Tenemos: P. especficos Absolutos y p.esp. relativos.

1.4.1. Pesos Especficos absolutos:a) P. especfico slidos: Se denomina tambin , peso especfico real, peso especfico verdadero.

b) Peso especfico del agua: Contenida en el suelo gr/cm3

En problemas prcticos, tomamos:

c) Peso especfico total de la masa de suelo:

gr/cm3

Tambin se denomina Peso especfico hmedo. p.e. aparente. p.e. peso volumtrico del suelo, p.e. volumtrico hmedo del suelo.

1.4.2. Pesos Especficos Relativos del SueloRelacin entre el p. especfico de una sustancia y el peso especfico del agua.

a) P. especfico relativo de slidos: llamado tambin gravedad especfica:

o

b) P. especfico relativo de la masa de suelo:Se conoce como p. volumtrico de la masa de suelo

Peso Unitario de referencia (o) : El peso PU de referencia es o, que es el valor del PU para el agua destilada y a 4C.

(Para g = 1 m/seg2)

Este es el resultado de multiplicar la densidad del agua por la gravedad.

Dado que densidad es masa sobre volumen yPeso, es el producto de la masa por la gravedad.

1.6. Gravedad especfica de los slidos (Gs)Relacin del peso unitario de un cuerpo referida a la densidad del agua, en condiciones de laboratorio y por lo tanto a su peso unitario o.

En geotecnia solo interesa la gravedad especfica de la fase slida del suelo. Esta dada por:

Pero referida al Peso Unitario de la fase lquida del suelo (w), para efectos prcticos.

1.7. P. Unitario del suelo: Producto de su densidad por la gravedad. El valor depende, entre otros, del contenido de agua del suelo. Puede variar del estado seco hasta el saturado

1.8. Peso Unitario del agua y de los slidos: a) Suelo seco: P. U. Seco ob) PU del agua: c) Suelo hmedo (parcialmente saturado): P.U. Hmedo:

En el suelo, Ws es prcticamente una constante, no as Ww, ni Wt. Adems se asume que, siendo Gs un invariante.No se trabaja nunca con el PU de los slidos (s), sino con su equivalente, Gs. w. En la prctica los suelos presentan gravedades especficas (Gs) con valores comprendidos entre 2,5 y 3,1 (adimensional). El ms frecuente es 2,65 (adimensional), se asume como mximo valor de Gs terico. Algunos valores de p. unitario seco de los suelos, los que resultan de inters

Tabla N 1.2: Valores de y d para suelos granulares (MS Lambe)

DESCRIPCION (%) d (gr/cm3)

Arena limpia y uniforme 29 50 1,33 1,89

Arena limosa 23 47 1,39 2,03

Arena miccea 29 55 1,22 1,92

Limo INORGANICO 29 52 1,28 1,89

Arena limosa y grava 12 46 1,42 2,34

Arena fina a gruesa 17 49 1,36 2,21

1.9. Peso unitario sumergido ( ) Los suelos sumergidos se ubican debajo del nivel fretico, son suelos saturados. Esto supone considerar el suelo saturado y sumergido. Al sumergirse, segn Arqumedes, el suelo experimenta un empuje, hacia arriba, igual al peso del agua desalojada.

Entonces, el PU sumergido es: (Que es la situacin bajo el NF del suelo).

1.10. Gravedad especfica del espcimen: Podemos considerar la muestra total (Gt), pero el valor no tiene ninguna utilidad.

La fase slida (Gs) que es de vital importancia por describir el suelo, y

La fase lquida (Gw), que se asume es igual a 1 por ser w el mismo del agua en condiciones de laboratorio.

En cualquier caso, el valor de referencia es o y o w.

Relacin bsica entre , Gw, e, y Gsya que

Cancelamos: e introducimos:

Otra relacin fundamental que surge de considerar el PU hmedo, es:Hay que tener presente que no se escribi S sino Gs.W. Ahora sustituimos Gs. por Gw.e , y obtenemos las expresiones para el PU hmedo, seco y saturado. Si: Gw = 1 (PU Saturado) Si: Gw = 0 (PU seco)

Dos relaciones deducibles, tiles en geotecnia, al analizar resultados de compactacin son:

Pero Entonces

LuegoLuego, efectuando la suma de volmenes

1.11. DIAGRAMAS DE FASES CON BASE UNITARIAa) Para , y Vs =1 . En el grfico necesariamente Vv = e ; Sabiendo que: recordando que: , y tambin: Va F. G Wa = 0 Vv = e Vt Vw = wGs F. L Ww = wGs Wt

Vs = 1 F. S Ws = GsW

Fig. N 1.3: Suelo con tres fases (Parcialmente saturado)

b) Para: ; con Vt = 1; en el grfico necesariamente: Vv = , donde:

F.G

1=Vs F. S Ws=GsW (1-)

Fig. N 1.4: Suelo con tres fases

n=Vv F. L Ww=wGsw(1-)