RELACIONES VOLUMTRICAS Y GRAVIMETRICASINTRODUCCIN El suelo es un material constituido por el esqueleto de partculas slidas rodeado por espacios libres (vacos) , en general ocupados por agua y aire . Para poder describir completamente las caractersticas de un depsito de suelo es necesario expresar las distintas composiciones de slido, lquido y aire , en trminos de algunas propiedades fsicas. En el suelo se distinguen tres fases : Slida :formada por partculas minerales del suelo, incluyendo la capa slida adsorbida. Lquida : generalmente agua (especficamente agua libre), aunque pueden existir otros lquidos de menor significacin. Gaseosa: comprende sobre todo el aire, si bien pueden estar presentes otros gases, por ejemplo: vapores de sulfuro, anhdridos carbnicos, etc. La capa viscosa del agua adsorbida, que presenta propiedades intermedias entre la fase slida y la lquida , suele incluirse en esta ltima pues es susceptible de desaparecer cuando el suelo es sometido a una fuerte evaporacin (secado) . Algunos suelos contienen, adems, materia orgnica (residuos vegetales parcialmente descompuestos) en diversas formas y cantidades. Pese a que la capa adsorbida y el contenido de materia orgnica son muy importante desde el punto de vista de las propiedades mecnicas del suelo, no es preciso considerarlos en la medicin de pesos y volmenes relativos de las tres fases principales. Sus influencias se tomarn en cuenta ms fcilmente en etapas posteriores del estudio de ciertas propiedades de los suelos. Las fases lquida y gaseosa conforman el Volumen de Vacos, mientras que la fase slida constituye el Volumen de Slidos. Un suelo est totalmente saturado, cuando todos sus vacos estn ocupados nicamente por agua; en estas circunstancias consta, como caso particular, de slo dos fases: la slida y la lquida. Muchos suelos bajo la napa, estn saturados. Entre estas fases es preciso definir un conjunto de relaciones que se refieren a sus pesos y volmenes, las cuales sirven para establecer la necesaria nomenclatura y para contar con conceptos mensurables, a travs de cuya variacin puedan seguirse los procesos ingenieriles que afectan a los suelos. En los laboratorios de Geotecnia puede determinarse fcilmente el peso de las muestras hmedas, el peso de las muestras secadas al horno, y el peso especfico de los suelos.

Estas magnitudes no son las nicas cuyo clculo es necesario; es preciso obtener relaciones sencillas y prcticas a fin de poder medir algunas otras magnitudes en trminos de stas. Su dominio debe considerarse indispensable para la aplicacin rpida y sencilla de las diversas teoras que conforman la Geotecnia. En la figura (1) aparece un esquema de una muestra de suelo separada en sus tres fases, y en ella se acotan los pesos y volmenes cuyo uso es de gran inters. Proporciones en VolmenesVa Vv V Vt Vs

Proporciones en PesoAireAgua SueloWa

W Wt Ws

Figura N 1 El significado de los smbolos es el siguiente: Vt : volumen total de la muestra del suelo. ( volumen da la masa) Vs: volumen de la fase slida de la muestra ( volumen de slidos) V: volumen de la fase lquida ( volumen de agua) Va: volumen de la fase gaseosa ( volumen de aire) Vv: volumen de vacos de la muestra de suelo ( volumen de vacos). Vv = V + Va Vt = Vv + Vs Vt = V + Va + Vs Wt : Peso Total de la muestra de suelo. (Peso de la Masa). Ws : Peso de la fase slida de la muestra. W: Peso de la fase lquida (peso del agua). Wa :Peso de la fase gaseosa, convencionalmente considerado como nulo en Geotecnia. Existe un problema para poder definir el peso slido, o sea del suelo seco, obtenido eliminando la fase lquida. El problema proviene del hecho de que la pelcula de agua adsorbida no desaparece por completo al someter al suelo a una evaporacin en horno, a temperatura practicas; la cuestin est convencionalmente resuelta en Geotecnia, al definir:SUELO AGUA AIRE

como estado seco de un suelo al que se obtiene tras someter el mismo a un proceso de evaporacin en un horno, con temperaturas de 105 C a 110 C, y durante un perodo suficiente para llegar a peso constante, el cual se logra generalmente en 18 a 24 horas. 1.- RELACIONES DE PESOS Y VOLMENES

En Geotecnia se relaciona el peso de las distintas fases con sus volmenes correspondientes, por medio del concepto de peso especfico, es decir, la relacin entre el peso de la sustancia y su propio volumen, y de los pesos por unidad de volumen, que relacionan los pesos totales (de una o ms sustancias) con los volmenes totales. 1.1.- Pesos Especficos. Se define al peso especfico relativo como la relacin entre el peso especfico de una sustancia y el peso especfico del agua destilada a 4 C sujeta a una atmsfera de presin. o : Peso especfico del agua destilada, a 4 C. y a la presin atmosfrica correspondiente al nivel del mar. o = 1,000 gr/ cm w : Peso especfico del agua en condiciones reales de trabajo, su valor difiere un poco del o , en la prctica se toma igual que o. s : Peso especfico del suelo, tambin llamado peso volumtrico de los slidos. s = Ws /Vs

Arenas: 2,65 gr/cm En forma general podemos decir que para: Arcillas: 2,5 a 2,9 gr/cm Con un valor medio estadstico de 2,7 gr/cm3

1.2.- Densidad o Peso por Unidad de Volumen. * Con una humedad diferente a la correspondiente a su saturacin

h= Wt/ Vt= Ws+ Ww+ Wa = Ws+ WwVs +Vv Vs +Vv

= Wt / VtConvencionalmente Wa = cero

* Para = sat (Va = 0 ) .

sat = Wt/ Vt= Ws WwVs Vv* Cuando W = 0 (seco)

d= Wt /Vt = WsVs+Vv

La relacin que existe, para un mismo volumen total , entre el peso por unidad de volumen seco, el peso por unidad de volumen con una humedad distinta a la de saturacin , y el peso por unidad de volumen saturado , es la siguiente : d < < sat Ello se debe al progresivo aumento del peso total a causa del incremento del contenido de agua en los vacos del suelo. 1.3.- Densidad o Peso por Unidad de Volumen de los Suelos Sumergidos. Los cuerpos sumergidos en agua (en este caso los suelos) pesan menos que en el aire, a causa del efecto del empuje dado por la ley de Arqumedes. En consecuencia: Peso sumergido = Ws - Vs*w

= Ws Vsw Vt

Sumando y restando (V.w) = Ws Vsw Vww Vww Vt

=( Ws+ Ww) (Vs +Vw ).w Vt = Ws+ Ww (Vs +Vw ). w Vt Vt

= sat - w

Esta frmula, que es de uso prcticamente permanente en Geotecnia, se estudiar con mayor detalle en el tema de Presiones Neutras y Efectivas.2.- RELACIONES FUNDAMENTALES Las relaciones que se dan a continuacin son muy importantes para el manejo comprensible de las propiedades mecnicas e hidrulicas de los suelos. Tener un completo dominio de su significado y sentido fsico es imprescindible para poder expresar en forma asequible los datos y conclusiones de la Geotecnia. 2.1.- RELACIONES DE VACOS Y POROSIDAD. La proporcin de vacos en un elemento de suelo se expresa en funcin de la Relacin de Vacos, Razn de vacos o ndice de Poros, denotada con e, o en funcin de la Porosidad, denotada con n . Teniendo en cuenta el grfico figura 1, estas propiedades se definen de la siguiente manera. e = Vv/ Vs n = Vv/ Vt Ambas propiedades, e y n son parmetros adimensionales, y con frecuencia n se expresa en porcentaje. Como se observa, e vincula el volumen de vacos con una magnitud constante, para un determinado tipo de suelo, en el tiempo; en tanto n lo hace con un valor que vara en el tiempo ( por cargas, desecamiento, o humectacin). Estas dos relaciones se pueden vincular de la siguiente manera:

= sat w

e= Vv/ Vs = Vv/ Vt Vv

e= Vv/ Vt 1Vv/ Vt e= n 1 n n= e 1+e

Para tener una idea de las magnitudes que pueden alcanzar e y n se analizan, a continuacin, algunas situaciones particulares para cada tipo de suelo: a.- Suelos granulares Los rangos de valores de relacin de vacos y porosidad que se encuentran comnmente en los suelos granulares dependen de la organizacin de las partculas en el esqueleto del suelo. En condiciones extremas pueden ilustrarse considerando un suelo ideal con partculas esfricas de tamao uniforme.

Suelo granular ideal de partculas esfricas, ordenadas en un arreglo cbico con seis puntos de contacto por esfera. Figura N2 Suelo granular ideal de partculas esfricas, ordenadas en un arreglo rmbico con doce puntos de contacto.

Figura N 3.

Figura 2: Representa el estado ms suelto (corresponde al mximo volumen de vacos). Mximo e = 0,91 mximo n = 47,6 % Figura 3: Simboliza el estado ms denso ( corresponde al mnimo volumen de vacos). Mnimo e = 0,35 mnimo n = 26,0 %

Los valores extremos que se obtienen en la prctica para suelos granulares se encuentran notablemente limitados por los valores tericos. Los rangos tpicos son los siguientes. arenas bien graduadas : e = 0,43 - 0,67 n = 30 % - 40 %

arenas de tamao uniforme: e = 0,51 - 0,85 n = 34 % - 46 % Es claro que el conocimiento de la relacin de vacos de un suelo en su estado natural no proporciona en s mismo una informacin suficiente para establecer si el suelo se encuentra en su estado suelto o denso. Esta informacin puede obtenerse slo si la relacin de vacos e in situ se compara con la relacin de vacos mxima y mnima emax y emin , que pueden obtenerse con ese suelo. Tal comparacin puede expresarse numricamente en trminos de la Densidad Relativa Dr del depsito de suelo, la cual se define como: Dr= e mx e / e mx e mn

Esta ecuacin indica que 0 Dr 1. Valores bajos de Dr indican que el suelo natural se encuentra en estado suelto, en tanto que los valores altos indican que el suelo est en estado denso. Otra forma de expresar la Densidad Relativa es haciendo uso de los pesos por unidad de volumen secos en estado natural , en estado suelto , y en estado de mxima densidad, como se indica a continuacin :

Dr = d dmn dmxdmn

dmx d

b.- Suelos cohesivos: Estos suelos generalmente poseen una proporcin de vacos mucho ms alta que la que es posible en suelos granulares. Esto se debe a la actividad electroqumica asociada con las partculas de mineral de arcilla , que dan lugar a la formacin de estructuras muy abiertas del tipo panel de abejaso similar . En general, pueden tomarse como valores tpicos, los

rangos siguientes: e = 0,55 - 5,00 n = 35% - 83 %

2.2.- HUMEDAD (), GRADO DE SATURACIN (S) y CONTENIDO DE AIRE (A). Todas ellas se suelen expresar en porcentaje. a.- Se define el Contenido de Agua o la Humedad de un suelo, como la relacin entre el peso del agua contenida en el mismo y el peso de la fase slida. w (%)=.Ww x 100 Ws b.- La proporcin de vacos ocupada por el agua se expresa en trminos del Grado de Saturacin, y se define como la relacin entre el volumen de agua y el volumen de vacos. Vara entre 0 % ( suelo seco) y 100 % ( suelo totalmente saturado). S (%)= Vw x100 Vv c.-- El contenido de aire, Grado de Aireacin , expresa la proporcin de aire presente en un elemento de suelo . Es una magnitud de escasa importancia prctica respecto a las anteriores, su definicin es: A (%)= Va x 100 Vv 0 % A 100 % Ntese que S (%) + A (%) = 100 % 2.3.- FACTORES QUE AFECTAN A e y . a) y e no dependen del dimetro de las partculas siempre que sean uniformes y conserven la misma disposicin.

e1 ; 1 e 1= e 2y tambin.1=

e 2;

2

2 puesto que en los dos casos , el Vs es el mismo y el Vt

b) e y son funcin de la disposicin de las partculas.

h

h

e1 ; 1 e1 > e2 y 1 < reducen Vv y Vt .2 dado

e2 ; 2 que para la segunda disposicin, con un mismo Vs se

c) e y son funcin de la graduacin en el tamao de las partculas .

o e1 ; 1 e1> e2 y 1