CAPTULO III

SUELOS

El trmino suelo es bastante amplio en ingeniera. Se puede definir como todo material que cubre las rocas de la corteza terrestre. Es un agregado de un conjunto de granos minerales cuyas partculas son de diferentes tamaos, que van desde grandes cantos rodados, hasta minerales microscpicos que son fcilmente separados por accin mecnica, tal como la agitacin suave en agua.

3.1. FORMACIN DE LOS SUELOSLas fuerzas naturales (viento, lluvia, etc.) son los principales agentes de formacin de los suelos. Bajo este aspecto, los suelos pueden ser:

Residuales Transportados.

Suelos residuales: Son aquellos en los que el material de que estn constituidos, ha estado por largo tiempo a la intemperie. Como resultado de este proceso y debido a la variada estructura mineral de la roca, las capas superiores normalmente estn constituidas por granos finos, relativamente impermeables.

Bajo el material fino se encuentra fcilmente una zona rocosa parcialmente desintegrada, que se desmenuza bajo la accin de una carga o por desgaste posterior. Tiene problemas de drenaje y cimentacin, por lo cual no es aconsejable para trabajos de construccin.

Suelos transportados: La mayora de los suelos utilizados en trabajos de construccin son materiales que han sido transportados o depositados en el lugar en que se encuentran. Los agentes transportadores pueden ser el viento, el agua, el hielo, etc.

3.2. CARACTERSTICAS DE LOS SUELOSCon respecto al material que se debe excavar y mover, se consideran tres caractersticas: densidad, expansin y compresibilidad.

Densidad: Es la relacin entre el peso y el volumen. La densidad aproximada del material que se va a mover, es una de las caractersticas que debe conocerse para evaluar el rendimiento del equipo.

Por ejemplo, un tractor tralla tiene una capacidad de 20m3 y la hoja de especificaciones determina que el lmite del peso de la carga es de 21.250 Kgs.

Si la carga es tierra vegetal, se alcanzar la capacidad del volumen cuando an falta mucho para obtener la capacidad del peso; pero si el material es grava mojada, se sobrepasar la capacidad de peso antes de alcanzar el volumen.

Adems de este problema, la densidad tambin influye en la forma en la cual se carga, se empuja o se esparce.

La densidad influye as mismo, en los virajes, maniobras y acarreo a gran velocidad de las mquinas de movimiento de tierras. En general, entre mayor sea la densidad exceda la capacidad de peso y volumen especificados por el fabricante, el equipo trabaja satisfactoriamente.

Veamos las siguientes definiciones:

Metro cbico en banco (m3b): un metro cbico de tierra como se halla en estado natural.

Metro cbico suelto (m3s): volumen de tierra despus de expandirse, como resultado de haberse excavado.

Expansin: Es el aumento de volumen del material cuando se excava del banco. Por ejemplo, la expansin de tierra vegetal es 43%, lo cual significa que un metro cbico de tierra en estado natural (banco) tendr un volumen de 1.43 m3 cuando est suelta. Expresando esta relacin en una frmula, se tiene:

m3 sueltos = m3 en banco X (1 + % expansin)

m3 suelto = m3 banco X 1.43

o tambin,

m3b = m3 sueltos (1 + % expansin)

Ejemplo 3-1: Hallar el volumen en m3b, de 20m3 sueltos, si su expansin es 25%. m3b = 20 m3 s 1 + 0.25

m3b = 16

Compresibilidad: Es la disminucin de volumen que se produce en un m3 al compactarlo y se expresa mediante la relacin que tiene con un metro cbico en banco.

En ocasiones se requiere hallar el volumen de tierra compactada, conociendo el volumen que tena en estado natural (banco) antes de excavarla para ser utilizada en el relleno.

m3c = m3b x (1-% de compactacin)

Ejemplo 3-2: Cul es el volumen compactado (m3c) de 400 m3b de tierra con un factor de compactacin del 20%?

m3c = m3b x (1-% de compactacin)m3c = 400 x (1-0.20)m3c = 400 x 0.80m3c = 320

Tambin se puede calcular el nmero de m3b que se requieren para obtener un relleno compactado de cierto volumen.

Por ejemplo:

Cuntos m3b se necesitan para un relleno compactado de 1.050 m3c, si el factor de compresibilidad es de 14%?

m3b = m3c (1-% de compactacin)m3b = 1.050 (1-0.14)m3b = 1.050 0.86m3b = 1.220.93

La figura 3-1 muestra el cambio de volumen ocasionado por el manejo, y la tabla No. 09 da el factor de conversin de volumen de algunos materiales.

Ejemplo 3-3: Cul es el volumen compactado (m3c) de 1.000 m3b de arcilla arenosa?

m3c = m3b x factor (tabla No. 09)m3c = 1.000 x 0.90m3c = 900

3.3. CLASIFICACIN DE LOS SUELOSPara la clasificacin de los suelos hay dos sistemas universalmente aceptados, que son: Sistema de Clasificacin Unificado (USC) y el Sistema AASHO (Caminos Pblicos Revisado).

Sistema de Clasificacin Unificado: Es el ms general. Se basa especialmente en las caractersticas del suelo, las cuales van a determinar su comportamiento como material de construccin en ingeniera. Este sistema clasifica los suelos en tres categoras:

Suelos de grano grueso. Son aquellos de los cuales ms del 50% queda retenido en el tamiz No. 200. Suelos de grano fino. Son aquellos de los cuales, ms del 50% pasa el tamiz No. 200. Suelos altamente orgnicos. Son aquellos constituidos casi exclusivamente por materia orgnica.

La tabla No. 10 muestra el Sistema de Clasificacin Unificada para suelos.

Sistema AASHO. Este mtodo comprende siete grupos, que van desde el A-1 hasta el A-7 y clasifica los suelos as:

- Material gruesoRetenido en tamiz No. 10- Material finoPasa tamiz No. 10Retenido tamiz No. 40- Arena finaPasa tamiz No. 40Retenido tamiz No. 200- Finos (arcilla, limo)Pasa tamiz No. 200- Suelo finoEl que pasa por el tamiz No. 400 y se emplea para determinar constantes fsicas.

La tabla No. 11 muestra el Sistema de Clasificacin de Caminos Pblicos Revisado.

3.4. CONTENIDO DE HUMEDADTodos los materiales, en un estado natural, contienen cierto porcentaje de humedad, de acuerdo con las condiciones de tiempo y drenaje y las caractersticas de absorcin del mismo. Para determinar el contenido de humedad se emplea la siguiente expresin:

W = Peso suelo hmedo Peso suelo seco X 100 Peso suelo seco

Estos datos se obtienen despus de secar la muestra y obtener los pesos correspondientes.

3.5. PROPIEDADES FSICAS DE LOS SUELOSEn los trabajos de movimiento de tierras, antes de iniciar los clculos, es necesario conocer las propiedades fsicas de los suelos, a saber:

Estabilidad: Es la propiedad que tienen los suelos de recobrar su estado original sin sufrir grandes deformaciones, despus de haber sido sometidos a la accin de determinadas cargas.

La estabilidad depende de dos factores:

a) Friccin interna y rozamiento. Es la fuerza que opone el deslizamiento de unas partculas sobre otras, dependiendo de la forma de stas.

Es importante que en los agregados para construccin de carreteras existan materiales angulosos, ya que estos proporcionan estabilidad en tiempo seco, cuando la cohesin que da la arcilla debido a la humedad disminuye considerablemente; en tiempo hmedo estos materiales angulosos refuerzan la cohesin, siempre que la humedad est dentro de los lmites tolerables.

B) Cohesin. Es la fuerza que hace conservar unidas entre si a las partculas, independientemente de la presin externa

Puede haber cohesin (atraccin molecular propia de las partculas) o cohesin capilar (debido a la partcula superficial del agua que rodea las partculas de los suelos).

Permeabilidad. Es la velocidad con que desciende el agua a travs del suelo, por gravedad; las arenas y los suelos de partculas grandes son los materiales permeables.

Los suelos impermeables son apropiados para empleo en cimentaciones, rellenos y sub-rasantes.

Capilaridad. Es la propiedad de los suelos de absorber agua por contacto con una fuente adyacente y de transmitirla en todas las direcciones, sin importar la gravedad. Si un suelo presenta mucha capilaridad, es una desventaja considerable, que se traduce en dificultades para el drenaje.

Expansin volumtrica (tabla No. 8). Es la propiedad que tiene el suelo de aumentar su volumen al ser perturbado su estado natural. Normalmente se expresa mediante un determinado porcentaje de aumento de volumen. El material, al ser excavado, permite el aumento del espacio entre partculas, al penetrar el aire, resultando un aumento en el volumen.

Factor de conversin = Volumen por peso (suelto) Volumen por peso (banco)

Ejemplo: Una yarda cbica de arcilla en banco = 1.4 yardas de arcilla suelta.

Entonces una yarda de arcilla suelta = 1 = 0.72 de arcilla en banco 1.4

Entonces, si una tralla tiene capacidad para 25 yardas3, podr llevar aproximadamente 25 x 0.72 = 16 yardas3 de arcilla en banco.

Esta expansin volumtrica es de importancia capital en el movimiento de tierras, ya que implica un aumento de equipo para mover este material.

Compresibilidad (compactibilidad) (tabla No. 09). Es la propiedad de un suelo de reducir su volumen al ser comprimido.

El grado de compactibilidad es la diferencia en porcentaje de volumen, entre el material en su estado natural (en banco) y el material compactado mecnicamente.

No debe confundirse con el grado o porcentaje de compactacin requerido en determinados trabajos.

Densidad (tabla No. 08). Es la relacin que existe entre el peso y el volumen de un material.

Peso (tabla No. 08). El peso del material que se ha de mover, es indispensable para seleccionar el equipo a emplear.

a) Forma de pesar un material. Mediante la bscula se resta del peso bruto, el peso del vehculo.b) Peso del material. Afecta la forma de cargar, el equipo de acarreo, el trabajo del tractor que empuja y/o la operacin de la motoniveladora.

Del peso depende directamente la eficiencia del equipo para mover tierra, maniobrar y acarrear materiales a altas velocidades.

En general, mientras mayor sea el peso, mayor ser la potencia que necesita desarrollar el equipo para acarrearlo.

3.6. CARACTERSTICAS DE LOS MATERIALES PARA CARRETERAS Y AEROPUERTOSLa tabla No. 07 muestra las caractersticas, divisiones y usos de los suelos para los trabajadores en carreteras y aeropuertos.

3.7. ESTABILIZACIN DE LOS SUELOSDesde el punto de vista de la ingeniera, el suelo con que se trabaja no siempre es ideal. Por lo tanto, el ingeniero debe evitar problemas potenciales, bien cambiando el lugar, o bien eliminando el suelo indeseable y sustituyndolo por un suelo adecuado. La primera de las opciones ya no se acostumbra. Se impone la construccin en el lugar, aunque haya que resolver un sinnmero de problemas.

Otro mtodo para resolver el problema de los suelos malos es la ADAPTACIN del proyecto a las condiciones existentes. Por ejemplo, los problemas de asentamiento y estabilidad, asociados con los suelos blandos, pueden tratarse mediante las cimentaciones flotantes o profundas.

Existe otro mtodo, que es la MEJORA del suelo, y es el ms utilizado actualmente. Tambin se conoce con el nombre de ESTABILIZACIN, que en su sentido ms amplio, es la modificacin de cualquier propiedad del suelo, para mejorar su comportamiento.

Todos estos mtodos, a su vez, pueden clasificarse de acuerdo con la naturaleza del proceso aplicado, del material aadido, del resultado deseado, etc.

El principal mtodo y el ms empleado para mejorar un terreno, es el aumento de la calidad de compactacin, que tiene tres (3) modalidades:

Compactacin: Aumento de la calidad por medios mecnicos, generalmente rodillos. Precarga: Aumento de su calidad por la colocacin de una carga temporal. Drenaje: Eliminacin del agua intersticial y/o reduccin de la presin intersticial.