Mecánica de suelos

Tamices de laboratorio. Una investigación sobre suelos siempre conlleva la caracterización de tamaños de partículas, lo que se denomina granulometría. Las granulometrías son básicas para el estudio de suelos.

El mecanismo primario de creación de suelos es la erosión de rocas. Todos los tipos de rocas (ígneas, metamórficas y sedimentarias) pueden ser reducidas a partículas menores para crear suelo. Los mecanismos de erosión dependen del agente, pudiendo ser físico, químico y biológico. Las actividades humanas como las excavaciones, explosiones y deposición de residuos y material pueden crear también suelos. A lo largo del tiempo geológico los suelos pueden ser alterados por presión y temperatura hasta convertirse en rocas metamórficas o sedimentarias, o volver a ser fundidos y solidificados, volviendo a ser ígneos y cerrando el ciclo de las rocas.

La erosión física incluye los efectos de la temperatura, heladas, lluvia, viento, impacto y otros mecanismos. La erosión química incluye la disolución del compuesto de la roca y la precipitación en forma de otro mineral. La arcilla, por ejemplo, puede formarse a través de la erosión del feldespato, que es uno de los minerales más comunes de las rocas ígneas. El mineral más común de la arena es el cuarzo, que es también un componente importante de las rocas ígneas y se le llama Óxido de silicio (IV). En resumen todos los suelos del mundo son partículas más pequeñas provenientes de las rocas. Las partículas más grandes son denominadas gravas. Si las gravas se parten en partes más pequeñas pueden convertirse en arena, de esta al limo y de este a la arcilla, que es la división más pequeña.

De acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, las partículas limosas tienen un rango de tamaños entre los 0,002 mm a los 0,075 mm y las partículas de arena tienen un tamaño entre 0,075 mm a 4,75 mm. Las partículas de gravas se consideran entre un rango que va de los 4,75 mm a los 76,2 mm y por encima de esto se denominan rocas.

Arcillas, limos, arenas y gravas están clasificados por su tamaño, pero eso pueden consistir en una gran variedad de minerales. Debido a la estabilidad del cuarzo respecto a otras rocas minerales, es el material constituyente más común de la arena y el limo. Mica y feldespato son otros minerales comunes presentes en arenas y limos. Los minerales constituyentes de gravas suelen ser muy similares a los de la roca madre.

Los minerales más comunes en las arcillas son la montmorillonita, la esmectita, la ilita y la kaolinita. Estos minerales tienden a formar estructuras en placa con un rango entre ${\displaystyle 10^{-7}m}$ y ${\displaystyle 4x10^{-6}m}$ y un rango de grosores entre ${\displaystyle 10^{-9}m}$ y ${\displaystyle 2x10^{-6}m}$, y tienen una superficie específica relativamente grande. La superficie específica es definida por el ratio de área superficial de partículas entre la masa de la partículas. Los minerales de la arcilla tienen un rango de superficie específica de 10 a 1000 metros cuadrados por gramo. Esto hace que las arcillas tengan unas propiedades químicas y electrostáticas completamente distintas a la de otros materiales.

Los minerales de los suelos están predominantemente formados por átomos de oxígeno, silicio, hidrógeno y aluminio, organizados en formas cristalinas. Estos elementos junto con el calcio, sodio, potasio, magnesio y carbono constituyen más del 99 por ciento de la masa sólida de La Tierra.

Un diagrama de fase de suelo indicando la masas y volúmenes del aire, sólido, líquido y huecos.

Hay una gran variedad de parámetros[2] usados para describir las proporciones relativas de aire, agua y sólidos en un suelo. Esta sección define estos parámetros y algunas de sus interrelaciones. La notación básica sería:

${\displaystyle V_{a}}$, ${\displaystyle V_{w}}$, and ${\displaystyle V_{s}}$ representa el volumen de aire, agua y sólidos en una mezcla de suelos;

${\displaystyle W_{a}}$, ${\displaystyle W_{w}}$, and ${\displaystyle W_{s}}$ representa el peso del aire, agua y sólidos en una mezcla de sólidos;

${\displaystyle M_{a}}$, ${\displaystyle M_{w}}$, and ${\displaystyle Ms}$ representa la masa del aire, agua y sólidos en la mezcla de sólidos;

${\displaystyle \rho _{a}}$, ${\displaystyle \rho _{w}}$, and ${\displaystyle \rho _{s}}$ representa las densidades de los constituyentes (aire, agua y sólidos) en una mezcla de suelo;

Nótese que el peso, W, puede ser obtenido multiplicando la masa, M, por la aceleración de la gravedad, g, e.g., ${\displaystyle W_{s}=M_{s}g}$

Gravedad específica es el ratio entre la densidad del material y la densidad del agua pura (${\displaystyle \rho _{w}=1g/cm^{3}}$).

Gravedad específica de sólidos, ${\displaystyle G_{s}={\frac {\rho _{s}}{\rho _{w}}}}$

Nótese que las unidades de peso convencionales ${\displaystyle \gamma }$ pueden ser obtenidas multiplicando la densidad${\displaystyle \rho }$ por la aceleración debida a la gravedad, ${\displaystyle g}$.

Densidad o Densidad húmeda ${\displaystyle \rho }$, son los nombres distintos que se le da a la densidad de la mezcla, es decir el total de aire, agua y sólido dividido por el volumen de agua, aire y sólidos. (la masa del aire se aproxima a cero para propósitos prácticos):

${\displaystyle \rho ={\frac {M_{s}+M_{w}}{V_{s}+V_{w}+V_{a}}}={\frac {M_{t}}{V_{t}}}}$

Densidad seca, ${\displaystyle \rho _{d}}$, es la masa de sólidos dividida por el volumen total de aire, agua y sólidos:

${\displaystyle \rho _{d}={\frac {M_{s}}{V_{s}+V_{w}+V_{a}}}={\frac {M_{s}}{V_{t}}}}$

Densidad de flotación, o Densidad sumergida ${\displaystyle \rho '}$, se define como la densidad de la mezcla menos la densidad del agua, lo cual es útil en suelos sumergidos:

${\displaystyle \rho '=\rho \ -\rho _{w}}$

donde ${\displaystyle \rho _{w}}$ es la densidad del agua

Contenido en agua o Humedad, ${\displaystyle w}$ es el ratio de masa de agua respecto a la masa de sólido. Es fácil de medir ya que es el cociente entre la muestra natural y la muestra secada al horno y pesada de nuevo. El procedimiento está estandarizado por la ASTM.

${\displaystyle w={\frac {M_{w}}{M_{s}}}={\frac {W_{w}}{W_{s}}}}$

Índice de huecos, ${\displaystyle e}$, o relación de vacíos, es el rango de volumen de huecos por el volumen de sólidos:

${\displaystyle e={\frac {V_{V}}{V_{S}}}={\frac {V_{V}}{V_{T}-V_{V}}}={\frac {n}{1-n}}}$

Porosidad, ${\displaystyle n}$, es el ratio entre el volumen de huecos y el volumen total, y está relacionado con el índice de huecos:

${\displaystyle n={\frac {V_{v}}{V_{t}}}={\frac {V_{v}}{V_{s}+V_{v}}}={\frac {e}{1+e}}}$

Grado de saturación, ${\displaystyle S}$, ratio entre el volumen de agua y el volumen de huecos, así una muestra S=1 estará completamente húmeda y no admitirá más agua:

${\displaystyle S={\frac {V_{w}}{V_{v}}}}$

De las definiciones de arriba se pueden derivar las siguientes:

${\displaystyle \rho ={\frac {(G_{s}+Se)\rho _{w}}{1+e}}}$

${\displaystyle \rho ={\frac {(1+w)G_{s}\rho _{w}}{1+e}}}$

${\displaystyle w={\frac {Se}{G_{s}}}}$

Para condiciones a nivel de suelo, la presión vertical total en un punto, ${\displaystyle \sigma _{v}}$, en promedio, es el peso de todo lo que quede por encima de dicho punto por unidad de área. La tensión vertical bajo una capa superficial uniforme con densidad ${\displaystyle \rho }$, y grosor ${\displaystyle H}$ es por el ejemplo:

${\displaystyle \sigma _{v}=\rho gH=\gamma H}$

donde ${\displaystyle g}$ es la aceleración debida a la gravedad, y ${\displaystyle \gamma }$ en la unidad de masa de la capa superior. Si hay varias capas encima de distintas densidades o capas de agua se puede obtener el valor total sumando el producto de todas las capas. La tensión total aumenta con el incremento de la profundidad en proporción a las densidades de las capas superiores. Para calcular la tensión total horizontal se tiene que acudir a otras fórmulas, basada en la tensión vertical.

Tubo capilar de agua

Si no hubiera flujo de agua entre los poros, la presión de los poros de agua sería hidrostática. La tabla de agua o nivel freático está situada a la profundidad donde la presión de agua es igual a la presión atmosférica. Para condiciones hidrostáticas, la presión de agua aumenta linealmente con la profundidad por debajo del freático.

${\displaystyle u=\rho _{w}gz_{w}}$

donde ${\displaystyle \rho _{w}}$ es la densidad del agua, y ${\displaystyle z_{w}}$ es la profundidad por debajo del nivel freático.

Agua en los contactos de los granos

Debido a la tensión superficial el agua puede subir mediante los pequeños huecos que se producen en el suelo. De esta forma el agua puede ascender por encima de la tabla de agua por los pequeños poros entre las partículas de suelo. De hecho el suelo puede saturarse completamente por encima de la tabla de agua. Por encima de la altura de saturación capilar, el contenido de agua en el suelo puede disminuir con la cota. Si el agua en la zona capilar no se está desplazando, la presión del agua obliga al equilibrio de la ecuación hidrostática, ${\displaystyle u=\rho _{w}gz_{w}}$, sin embargo ${\displaystyle z_{w}}$ es negativa por encima del nivel freático. Por tanto, las presiones hidrostáticas del agua por encima del nivel freático son negativas. El grosor de la zona de capilaridad depende del tamaño de las partículas del suelo, pero generalmente, las alturas pueden variar entre centímetros (para un suelo arenoso) a decenas de metros (para un suelo arcilloso o limoso)

Fuerza de contacto intergranular, debida a la tensión superficial.

En Estados Unidos y otros países se usa el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (Unified Soil Classification System o USCS). En Reino Unido se emplea la Norma British Standard BS5390 y también es muy conocida la clasificación del suelo de la AASHTO. En España se usa la clasificación del PG-3 para obras de carreteras.[3]

En el USCS, gravas (que tienen el símbolo G) y arenas (con el símbolo S) están clasificadas de acuerdo al tamaño del grano y su distribución. Para el USCS, las gravas pueden ser clasificadas por GW (grava bien gradada), GP (grava pobremente gradada), GM (grava con una gran cantidad de limo), o GC (grava con una importante cantidad de arcilla). Igualmente las arenas pueden ser clasificadas como SW, SP, SM o SC. Arenas y gravas con una pequeña pero importante cantidad de finos (entre el 5% y 12%) pueden tener una clasificación doble, como por ejemplo SW-SC.

Arcillas y limos, a veces llamados "suelos de finos", son clasificados en función de sus límites de Atterberg; los más usados son el Límite Líquido (denotado por LL o ${\displaystyle w_{l}}$), Límite Plástico (denotado por PL o ${\displaystyle w_{p}}$), y el límite de retracción (denotado por SL). El límite de retracción corresponde al contenido de agua por debajo del cual el suelo no se retrae si se seca.

El límite líquido y el límite plástico están arbitrariamente determinados por la tradición y convenciones. El límite líquido se determina midiendo el contenido en agua de una cuchara cerrada después de 25 golpes en un test estandarizado.[4] También se puede determinar mediante un test de caída en un cono. El límite plástico es el contenido de agua por debajo del cual no es posible moldear cilindros con la mano menores de 3 milímetros. El suelo tiende a quebrarse o deshacerse si baja esa humedad.

El índice de plasticidad es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico del extracto de suelo. Es un indicador de cuanta agua puede absorber el suelo.

Gráfica para clasificar suelos finos por el sistema USCS.

De acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, los limos y arcillas están clasificados en función de los valores de su índice de plasticidad y límite líquido en una gráfica de plasticidad. La línea A de la gráfica separa las arcillas (C) de los limos (M). El límite líquido de 50% separa los suelos de alta plasticidad (se añade la letra H) de los de baja plasticidad (se añade la letra L). Otras posibles clasificaciones de limos y arcillas están dadas por ML, CL y MH. Si los límites de Atterberg caen en un punto de la gráfica cercano al origen pueden recibir una clasificación dual 'CL-ML'.

Los efectos del contenido del agua en la resistencia de los suelos saturados puede ser cuantificada por el uso del índice de liquidez o leche:

${\displaystyle LI={\frac {w-PL}{LL-PL}}}$

La densidad de arenas (suelos sin cohesión) está caracterizada a veces por su densidad relativa, ${\displaystyle D_{r}}$

${\displaystyle D_{r}={\frac {e_{max}-e}{e_{max}-e_{min}}}100\%}$