1

3. CLASIFICACION E IDENTIFICACIÓN DE SUELOS 3.1.1 SISTEMAS DE CLASIFICACIÓN BASADOS EN CRITERIOS DE GRANULOMETRÍA. Las características más importantes de las partículas de un suelo, en Mecánica de Suelos, son su forma, tamaño y mineralogía, pues ellas determinan las propiedades mecánicas de la masa del suelo, como lo son la permeabilidad, la compresibilidad, la resistencia, las relaciones esfuerzo-deformación y las propiedades dinámicas. Las características físicas y la apariencia de un suelo granular dependen principalmente de la distribución del tamaño de las partículas en el depósito de suelo Por tanto, la fracción granular de un suelo se clasifica de acuerdo con esta distribución. El análisis granulométrico de un suelo consiste en separar y clasificar por tamaños los granos que lo componen. El objetivo de la clasificación de los suelos es aportar unas bases sobre las cuales puedan agruparse los suelos dependiendo de sus propiedades físicas y de su apariencia, con el propósito de comparar diferentes suelos, describir sus propiedades y estimar su conveniencia para la utilización en un trabajo de ingeniería específico. La distribución de los granos por tamaños solo tiene importancia en el caso de los suelos gruesos. Para determinar la granulometría se utiliza un juego de mallas o tamices a base de filamentos de acero inoxidable, identificadas ya sea por el tamaño de la abertura en pulgadas o por el número de hilos por pulgada cuadrada como se indica a continuación:

U. S. BUREAU OF STANDARDS

Malla No.

3” 2” 1” ¾” ½” 3/8” 4 10 20 40 60 100 200

Abertura (mm)

76.2 50.8 25.4 19.1 12.7 9.52 4.76 2.0 0.84 0.42 0.25 0.149 0.074

Los granos de un material se identifican por su “nombre” de acuerdo con su tamaño como se indica:

Nombre del Grano

Propiedad

Tamaño (mm)

Fragmento de Roca No Aplica Mayor de 76

GRAVA Gruesa 30 a 76

Media 19 a 30

Fina 4.76 a 19

ARENA Gruesa 2 a 4.76

Media 0.42 a 2

Fina 0.074 a 0.42

Para poder separar los diferentes tamaños de los granos, las mallas deben estar ordenadas de mayor a menor abertura y limpias de impurezas que se pudieran haber incrustado en pruebas anteriores. El material debe manejarse con cuidado para no perder finos antes del pesado. Los fragmentos muy grandes deben limpiarse con una brocha gruesa y colocarse uno por uno para evitar que el equipo se dañe, la arena y finos resultado de esta acción deben regresarse a la muestra; el resto del material debe hacerse pasar por agitado evitando que los granos pasen forzados por las mallas. El material retenido en cada malla se pesa seco y se registra en el formato correspondiente. Se calculan los porcentajes retenidos parciales para cada malla, retenidos acumulados y los porcentajes acumulados.

2 3.1.2 ANÁLISIS MECÁNICO Comprende todos los métodos para la separación de un suelo en diferentes fracciones, según sus tamaños. De todos los métodos existen dos que merecen atención especial: el cribado por mallas y el análisis de una suspensión del suelo con hidrómetro (densímetro). El primero se usa para obtener las fracciones correspondientes a los tamaños mayores del suelo; generalmente se llega así hasta el tamaño correspondiente a la malla No. 200 (0.074 mm). La muestra de suelo se hace pasar sucesivamente a través de un juego de tamices de aberturas descendentes, hasta la malla No. 200; los retenidos en cada malla se pesan y el porcentaje que representan respecto al peso de la muestra total se suma a los porcentajes retenidos en todas las mallas de mayor tamaño; el complemento a 100% de esa cantidad da el porcentaje del suelo que es menor que el tamaño representado por la malla en cuestión. Así puede tenerse un punto de la curva acumulativa correspondiendo a cada abertura. El método se dificulta cuando estas aberturas son pequeñas y por ejemplo, el cribado a través de las mallas No. 100 (0.149 mm) y No. 200 (0.074 mm) suele requerir agua para ayudar el paso de la muestra (procedimiento de lavado). 3.1.3 REPRESENTACIÓN DE LA DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA. El resultado de una prueba de granulometría se representa con una grafica granulométrica que suele dibujarse con porcentajes como ordenadas y tamaños de las partículas como abscisas. Las ordenadas se refieren a porcentaje en peso, de las partículas menores que el tamaño correspondiente. La representación en escala semilogaritmica (eje de abscisas en escala logarítmica) resulta preferible a la simple representación natural, pues en la primera se dispone de mayor amplitud en los tamaños finos y muy finos, que en escala natural resultan muy comprimidos, usando un módulo práctico de escala. La forma de la curva da inmediata idea de la distribución granulométrica del suelo; un suelo formado por partículas de un solo tamaño (suelo mal graduado), estará representado por una línea vertical (pues el 100% de sus partículas, en peso, es de menor tamaño que cualquiera mayor que el que el suelo posea. Una curva muy tendida indica gran variedad de tamaños (suelo bien graduado)

0, 01 0, 1 1 10 100

Abertura de la malla (mm)

% q

ue

pa

sa

30

100

90

80

70

60

50

40

20

10

0

3 Como una medida simple de la uniformidad de un suelo, Allen Hazen propuso el Coeficiente de Uniformidad:

10

60

D

DCu

En donde:

Cu Coeficiente de Uniformidad

60D = Tamaño tal, que el 60%, en peso del suelo, sea igual o menor.

10D = Llamado por Hazen diámetro efectivo; es el tamaño tal que sea igual

o mayor que el 10%, en peso, del suelo. En realidad, la relación anterior (Cu) es un Coeficiente de No Uniformidad, pues su valor numérico decrece cuando la uniformidad aumenta. Los suelos con Cu < 3 se consideran muy uniformes; aun las arenas naturales muy uniformes rara vez presentan Cu < 2. Como dato complementario, necesario para definir la graduación, se define el Coeficiente de Curvatura del suelo con la expresión:

))((

)(

1060

2

30

DD

DCc

D30 se define igualmente que los valores de D10 y D60 anteriores. Esta relación tiene un valor entre 1 y 3 en suelos bien graduados, con amplio margen de tamaños de partículas y cantidades apreciables de cada tamaño intermedio. 3.1.4 ANALISIS MECÁNICO COMBINADO Cuando un suelo contiene a la vez suficiente material grueso y fino como para ameritar un análisis por medio de mallas y otro por hidrómetro, se hace necesario emplear un procedimiento de análisis mecánico combinado. Si predominan en el suelo los tamaños finos, puede efectuarse la prueba del hidrómetro con la muestra total, tras lo cual, la suspensión deberá cribarse a través del tamiz No. 100 (0.149 mm) o 140 (0.105 mm), secando el material retenido antes de someterlo al análisis por mallas. Cuando la fracción predominante en el suelo sea la gruesa, es recomendable ejecutar la separación de las fracciones gruesa y fina antes del análisis por hidrómetro, lo cual puede lograrse cribando la muestra, ayudando su paso con agua (lavado), a través de la malla No. 200 o por decantaciones sucesivas.

4 3.1.5 TEORIA DE LA PRUEBA DEL HIDRÓMETRO Los tamaños menores del suelo exigen una investigación fundada en otros principios. El método del hidrómetro o densímetro es hoy, quizá, el de uso más extendido. Este método se basa en el hecho de que la velocidad de sedimentación de partículas en un líquido es función de su tamaño. El método fue propuesto independientemente por Goldschmidt en Noruega (1926) y por Bouyoucos en los Estados Unidos (1927). En los Estados Unidos el Public Road Administration encomendó al Dr. Arturo Casagrande la investigación de los errores que afectaban las pruebas originales, para su eliminación y necesaria corrección. Como resultado de sus estudios propuso el hidrómetro aerodinámico, calibrado en pesos específicos relativos y algunos cambios radicales en el procedimiento de la prueba, con el objeto de eliminar los errores principales; obtuvo también fórmulas para las correcciones necesarias en ciertos pasos, cuyos errores no pudieron eliminarse al cambiar el procedimiento. La ley fundamental de que se hace uso en el procedimiento del Hidrómetro es debida a Stokes y proporciona una relación entre la velocidad de sedimentación de las partículas del suelo en un fluido y el tamaño de esas partículas. 3.1.6 METODO DEL HIDRÓMETRO. Este método es el más usado para hacer la determinación indirecta de los diámetros d y las fracciones N de partículas finas, es decir, las que pasan a través de la malla No. 200 (0.074 mm). Por medio de este aparato es posible conocer la ley de variación del peso volumétrico de una suspensión a medida que transcurre el tiempo, y determinar, aplicando la Ley de Stokes, los diámetros equivalentes de las partículas que, al sedimentarse, pasan a la altura del centro de carena del hidrómetro. Durante los dos primeros minutos del ensayo, el hidrómetro debe permanecer sumergido dentro de la suspensión y en tal caso la fórmula para calcular los diámetros de las partículas es la siguiente:

)1(

18

Ssd

w

t

Z

En las lecturas subsecuentes, para las cuales el hidrómetro se introduce cada vez, la fórmula es:

)1(

18

Ssd

w

t

A

VZ

j

Hr

2

En donde:

d Diámetro equivalente de la partícula

Viscosidad del líquido

w Peso volumétrico del agua

Ss Densidad de sólidos Zr Altura de caída

Aj Area de la sección transversal de la probeta

t Tiempo VH Volumen del Hidrómetro

5

3.2 P L A S T I C I D A D En un suelo arcilloso las características físicas dependen de su adherencia y su plasticidad, propiedades que están asociadas con su composición mineralógica y su contenido de humedad, y también de su textura natural o macro estructura.

Cuando existen minerales de arcilla en un suelo de grano fino, este puede ser remodelado en presencia de alguna humedad sin desmoronarse. Esta naturaleza cohesiva es debida al agua adsorbida que rodea a las partículas de arcilla. En Mecánica de Suelos se define la PLASTICIDAD como la “propiedad de un material por la cual es capaz de soportar deformaciones rápidas, sin rebote elástico, sin variación volumétrica apreciable y sin desmoronarse ni agrietarse” Una de las características más importante de las arcillas es su plasticidad. La magnitud de la plasticidad que presenta una arcilla natural depende de su composición mineralógica y contenido de humedad. Además la consistencia de una arcilla natural, varía de acuerdo con el contenido de humedad, desde un estado sólido en condición seca, pasando por un estado semisólido para bajos contenidos de humedad en que el suelo se desmorona y no presenta plasticidad, pasando también por un estado plástico para altos contenidos de humedad, hasta llegar finalmente a un estado esencialmente líquido para contenidos de humedad muy altos. Puesto que la humedad es una propiedad que se mide fácilmente, se desarrolló un método de clasificación de las arcillas basado en estos contenidos de humedad límites. 3.2.1 ESTADOS DE CONSISTENCIA DE LOS SUELOS. A principios de 1900, un científico sueco, Albert Mauritz Atterberg desarrolló un método para describir la consistencia de los suelos de grano fino con contenidos de agua variables. Atterberg hizo ver que la plasticidad de un suelo exige, para ser expresada en forma conveniente, la utilización de dos parámetros: el Límite Líquido (LL) y el Índice Plástico (IP) Según su contenido de agua decreciente, un suelo susceptible de ser plástico puede estar en cualquiera de los siguientes estados de consistencia, definidos por Atterberg.

1.

ESTADO LIQUIDO

Con las propiedades y apariencia de una suspensión

LIMITE LIQUIDO (LL) LIMITE PLASTICO (LP) LIMITE DE CONTRACCION (LC)

2.

ESTADO PLÁSTICO

En que el suelo se comporta plásticamente, según la definición anterior

3.

ESTADO SEMISÓLIDO

En que el suelo tiene la apariencia de un sólido, pero aún disminuye de volumen si se sigue secando

4.

ESTADO SÓLIDO

En que el volumen del suelo ya no varía con el secado.

6 Los anteriores estados son fases generales por las que pasa el suelo al irse secando y no existen criterios estrictos para distinguir sus fronteras. El establecimiento de estas ha de hacerse en forma puramente convencional. Atterberg estableció las primeras convenciones para ello, bajo el nombre general de Límites de Consistencia o Límites de Plasticidad. 3.2.2 LÍMITES DE PLASTICIDAD. Los límites de Atterberg significan poco por sí mismos, pero como índices de las propiedades características del suelo son muy útiles. Se ha encontrado que el Límite Líquido es proporcional a la compresibilidad del suelo; la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico, que se llama índice de Plasticidad (IP) representa la variación en humedad que puede tener un suelo que se conserva en estado plástico. La mayoría de los suelos arcillosos con que se encuentra un ingeniero, están en estado plástico. Con base en los estudios de Atterberg, el Dr. Arturo Casagrande definió los límites de los estados del suelo del siguiente modo: LÍMITE LÍQUIDO (LL): es la humedad que tiene un suelo, para la cual el mismo pasa de un estado líquido o semilíquido a uno plástico. El LL es el contenido de agua para el cual el suelo tiene una resistencia al esfuerzo cortante de 27 gr/cm2. Su valor se determina en laboratorio usando la Copa de Casagrande. LÍMITE PLÁSTICO (LP): Es la humedad que tiene un suelo para la cual el mismo pasa de un estado plástico a un estado semisólido. También es el contenido de agua para el cual el suelo comienza a perder sus propiedades plásticas, para pasar a un estado semisólido. Su determinación se lleva a cabo en el laboratorio. LÍMITE DE CONTRACCIÓN (LC). Es la humedad que tiene un suelo para la cual el mismo pasa de un estado semisólido a un estado seco ó sólido. Cuando un suelo pierde agua su volumen disminuye debido a las fuerzas de tensión capilar producidas por el agua intersticial. El Límite de Contracción es el contenido de agua a partir del cual el volumen del suelo permanece constante aunque la humedad disminuya El rango de variación de contenidos de humedad en el que la arcilla presenta plasticidad se denomina INDICE DE PLASTICIDAD o INDICE PLÁSTICO (IP) y está dado por:

IP = LL – LP

el contenido de humedad natural (w), que presenta una arcilla en el campo puede compararse con sus Límites Líquido y Plástico mediante el INDICE DE LIQUIDEZ (IL ) que se define como:

w - LP IL = -----------------

IP El INDICE DE LIQUIDEZ se expresa por lo general en porcentajes, de tal modo que un valor de IL próximo al 100 % indica que la arcilla natural presenta en el campo una consistencia próxima a la que corresponde a su límite líquido, en tanto que un valor de IL próximo al 0 % indica que está presente una consistencia próxima a la correspondiente a su Límite Plástico. La mayor parte de arcillas naturales se presentan en el terreno en un estado plástico y por eso los valores de IL están normalmente en el rango de 0 a 100 %, sin embargo es necesario destacar que el valor de IL puede ser negativo.

7 3.2.3 DETERMINACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO (LL) Para la determinación del Límite Líquido (LL), se emplea la técnica basada en el uso de la Copa de Casagrande, que es un recipiente de bronce o latón con un tacón solidario del mismo material; el tacón y la copa giran en torno a un eje fijo unido a la base. Una excéntrica hace que la copa caiga periódicamente, golpeándose contra la base del dispositivo, que es de hule duro o micarta 221, la altura de caída de la copa es, por especificación, de 1 cm, medido verticalmente desde el punto de la copa que toca la base al caer, hasta la base misma, estando la copa en su punto más alto. Es importante que este ajuste se haga con todo cuidado, usando un prisma metálico de 1 cm de lado; para hacer la calibración este prisma se introduce entre la base y la copa, cuidando que su arista superior quede en contacto con el punto de la copa que golpee la base (en las copas usadas este punto se delata por la brillantez causada por el desgaste) La copa es esférica, con radio interior de 54 mm, espesor de 2 mm y peso de 200 +/- 20 g incluyendo el tacón. Sobre la copa se coloca el suelo y se procede a hacerle una ranura trapecial con las dimensiones mostradas en las siguientes figuras: a) Dispositivo para la prueba (Copa de Casagrande); b) Ranurador; c) Pasta de suelo antes de la Prueba; d) Pasta de suelo después de la prueba.

8

. Procedimiento: Para hacer la ranura debe usarse el ranurador laminar. La copa se sostiene con la mano izquierda, con el tacón hacia arriba y el ranurador se pasa a través de la muestra, manteniéndolo normal a su superficie, a lo largo del meridiano que pasa por el centro del tacón, con un movimiento de arriba hacia abajo. La prueba se ejecuta en un cuarto húmedo. Un ambiente seco afecta la exactitud de la prueba debido a la evaporación durante el remoldeo y manipulación en la copa; esto es suficiente para que el número de golpes muestre un incremento demasiado rápido. A partir de extensas investigaciones sobre los resultados obtenidos por Atterberg con su método original ya descrito y usando determinaciones efectuadas por diferentes operadores en varios laboratorios, se estableció que el Límite Líquido obtenido por medio de la Copa de Casagrande corresponde al de Atterberg, si se define como el contenido de agua del suelo para el que la ranura se cierra a lo largo de 1.27 cm (1/2”), con 25 golpes en la copa. Esta correlación permitió incorporar a la experiencia actual toda la adquirida previamente al uso de la copa. De hecho, el Límite Líquido se determina conociendo 3 ó 4 contenidos de agua diferentes en su vecindad, con los correspondientes números de golpes y trazando la curva Contenido de Agua – Número de Golpes. La ordenada de esa curva correspondiente a la abscisa de 25 golpes es el contenido de agua correspondiente al Límite Líquido. Se encontró experimentalmente (A. Casagrande) que usando papel semilogarítmico (con los contenidos de agua en escala aritmética y el número de golpes en escala logarítmica), la curva anterior, llamada de Fluidez, es una recta cerca del Límite Líquido.

9 La ecuación de la curva de flujo es:

W = - Fw log N + C

w Contenido de agua, como porcentaje del peso seco

Fw

Índice de Fluidez, pendiente de la curva de fluidez, igual a la variación del contenido de agua correspondiente a un ciclo de la escala logarítmica.

N

Número de Golpes. Si N es menor de 10, aproxímese a medio golpe; por ejemplo, si en el 6° golpe se cerró la ranura 0.63 cm (1/4”) y en el 7° se cerró 1.9 cm (3/4”), repórtese 6.5 golpes.

C

Constante que representa la ordenada en la abscisa de 1 golpe; se calcula prolongando el trazo de la curva de fluidez.

Para construir la curva de fluidez sin salirse del intervalo en que puede considerarse recta, A. Casagrande recomienda registrar valores entre los 6 y los 35 golpes, determinando 6 puntos, tres entre 6 y 15 golpes y tres entre 23 y 32 golpes. Para consistencias correspondientes a menos de 6 golpes se hace ya muy difícil discernir el momento del cierre de la ranura y si esta se cierra con más de 35 golpes, la gran duración de la prueba causa excesiva evaporación. En pruebas de rutina basta con determinar 4 puntos de la curva de fluidez. La fuerza que se opone a la fluencia de los lados de la ranura proviene de la resistencia al esfuerzo cortante del suelo, por lo que el número de golpes requerido para cerrar la ranura es una medida de esa resistencia, al correspondiente contenido de agua. De lo anterior puede deducirse que la resistencia de todos los suelos en el Límite Líquido debe ser la misma, siempre y cuando el impacto sirva solamente para deformar el suelo, como en el caso de los suelos plásticos; pero en el caso de los suelos no plásticos (arenosos), de mayor permeabilidad que las arcillas, las fuerzas de impacto producen un flujo de agua hacia la ranura, con la consecuencia de que el suelo se reblandece en las proximidades de aquella, disminuyendo su resistencia al esfuerzo cortante; por ello en esos suelos, el límite líquido ya no representa un contenido de agua para el cual el suelo presente una resistencia al corte definida. Por medio de pruebas de laboratorio se determinó que el límite líquido de un suelo plástico corresponde a una resistencia al corte de 25 g/cm2.

w (%)

Número de Golpes

25

LL

10 3.2.4 DETERMINACIÓN DEL LÍMITE PLÁSTICO (LP) La frontera convencional entre los estados plástico y semisólido fue llamada por Atterberg LÍMITE PLÁSTICO y definida también en términos de una manipulación de laboratorio. Atterberg rolaba un fragmento de suelo hasta convertirlo en un cilindro de espesor no especificado; el agrietamiento y desmoronamiento del rollito, en un cierto momento, indicaba que se había alcanzado el límite plástico y el contenido de agua en tal momento era la frontera deseada. La prueba para la determinación actual del Límite Plástico (LP), contempla la condición de que el diámetro del rollito sea de 3 mm (1/8”). La formación de los rollitos se hace usualmente sobre una hoja de papel totalmente seca, para acelerar la pérdida de humedad del material; también es frecuente efectuar el rolado sobre una placa de vidrio. Cuando los rollitos llegan a los 3 mm, se doblan y presionan, formando una pastilla que vuelve a rolarse, hasta que en los 3 mm justos ocurra el desmoronamiento y agrietamiento; en tal momento se determinará rápidamente su contenido de agua, que es el límite plástico. 3.2.5 DETERMINACIÓN DEL LÍMITE DE CONTRACCIÓN (LC) El método original de Atterberg para la determinación del Límite de Contracción de un suelo consistía en la realización de mediciones frecuentes de la longitud y peso de un mismo prisma, hasta que ya no se observara ninguna disminución de su longitud. Teniendo en cuenta que la gran mayoría de los suelos no presentan, prácticamente, disminución de volumen durante el proceso de secado abajo del límite de contracción, Terzaghi sugirió un método más simple de determinación, que consiste en medir el peso y el volumen de una muestra de suelo totalmente seca; en tal momento, puede decirse que el límite de contracción sería la humedad de la muestra seca si tuviese sus vacíos llenos de agua. De esta idea y teniendo en cuenta la siguiente figura, puede deducirse:

100)1

(100

)(

(%)SsWs

Vm

Ws

Ss

WsVm

LC o

o

o

O bien:

)11

(100(%)SsSm

LC

Esquema que ilustra la obtención del Límite de Contracción según Terzaghi

Ws

Wm = Ws

Pesos

Volúmenes

Ws

Ss o

Vm

AIRE

SÓLIDOS