Propiedades y estabilización de suelos: Técnicas y ensayos

Propiedades de los Suelos

Cohesión

La cohesión es la adherencia entre las partículas del suelo debido a la atracción entre ellas en virtud de las fuerzas moleculares. Es la fuerza que une a las partículas de arcilla desde el estado seco hasta el Límite Líquido (LL).

Entumecimiento

El entumecimiento es un fenómeno característico de los suelos plásticos, que consiste en un aumento de volumen cuando se incrementa la humedad. Al aumentar el volumen, disminuye la cohesión, por esto una adecuada compactación disminuye la capacidad de entumecimiento. Se puede dar tanto en suelos arcillosos como limosos. Este fenómeno produce una pérdida de resistencia a esfuerzos cortantes y normales, por lo que aumenta el peligro de corrimientos y de asientos.

Rozamiento Interno

El rozamiento interno o fricción interna, es aquel ángulo que determina el movimiento de un sólido, cuando es sometido a un determinado esfuerzo.

Ensayo a Corte Directo

El ensayo a corte directo es un procedimiento utilizado para determinar las componentes del esfuerzo de corte de un suelo, la cohesión y el ángulo de rozamiento interno. Para llevarlo a cabo, se emplea un aparato diseñado con Casagrande, que consta de una armadura o semicaja inferior, fija, y otra superior, móvil. La muestra se coloca entre ambas armaduras con placas porosas en la superficie superior e inferior, y se somete a una carga P distribuida uniformemente en toda la superficie de la muestra a través de una placa. Se somete también a un esfuerzo tangencial, aumentándolo progresivamente hasta que llegue un punto en que se venza la resistencia al corte del suelo, desplazándose la parte superior sobre la inferior. La fuerza tangencial aplicada en este momento la denominamos F. Si dividimos el valor de P por el área de la base de la muestra, obtenemos el valor del esfuerzo normal aplicado por unidad de superficie, y dividiendo el esfuerzo tangencial F por la misma área, se obtiene el valor de la resistencia de corte. Si se repite el ensayo dos veces, tenemos un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas: a partir de las cuales podemos obtener el valor de la cohesión y del ángulo de rozamiento interno.

Ensayo CBR

El ensayo CBR (Índice Portante Californiano) se emplea para calcular el valor relativo de soporte normal del suelo, su resistencia a la deformación bajo cargas de tráfico o al esfuerzo cortante. Se trata de una prueba a punzonamiento, en la que se obliga a un pistón cilíndrico a penetrar en la muestra de suelo a una velocidad constante y uniforme de 1,27 mm/minuto. Se calcula como porcentaje, con respecto a una muestra tipo de piedra triturada, de la carga necesaria para alcanzar una determinada penetración con un pistón de sección circular en la muestra. Se puede realizar en muestras compactadas en el laboratorio mediante el ensayo Proctor y saturadas de agua, o sobre muestras naturales con la humedad existente. Se calcula el índice para diferentes profundidades de penetración y se dibuja una curva. La capacidad portante será mayor cuanto mayor sea el CBR. Valores entre 5 y 15 indican suelos regulares, y por debajo de 5, malos.

Métodos de Cálculo

Método de Peltier

Se basa en calcular el valor de soporte (F) de un suelo aplicando directamente la fórmula: F = 4250 / (IP * LL). Si F > 20 no se considera válido.

Método Trocchi

Se basa en una fórmula empírica para calcular el CBR, tiene en cuenta, además del Límite Líquido (LL) y el Índice de Plasticidad (IP), el Índice de Grupo (IG) y peso volumétrico seco máximo (D) obtenido en el ensayo Proctor. CBR = [(22 - IG) * D / 1.45] / (1 - LL * IP / 750). Válida para valores menores o iguales a 20 plásticos.

Otros Ensayos

Equivalente de Arena

Sirve para calcular aproximadamente la proporción de elementos finos que contiene un material granular. Si su valor es bajo indica un alto contenido de finos. La forma de proceder es introducir una muestra del material en una probeta que previamente se ha llenado con una solución de agua destilada, cloruro cálcico, glicerina y formaldehído. Se agita y se deja reposar, se habrán separado tres fases. En la parte de abajo se habrá depositado la arena, en la zona intermedia la arcilla y en la parte superior el líquido sobrante.

Ensayo de Ángeles

Este ensayo sirve para determinar la facilidad de disgregación bajo la acción de una presión. El procedimiento consiste en mezclar la muestra de material grueso que se desea analizar con unas bolas de acero que actúan como material abrasivo, y hacerlas girar dentro de una máquina. Una vez finalizado el proceso de giro, se extrae la muestra del cilindro y se tamiza. El material que queda retenido en ese tamiz, se lava, seca y pesa. El resultado representa el porcentaje de pérdida de peso con respecto al peso inicial.

Estabilización de Suelos

Estabilización Granulométrica (Natural o Mecánica)

Consiste en la mezcla de dos tipos de suelo, de granulometría diferente y complementaria, de forma que se obtenga un producto con unas características físicas mejoradas.

• Suelo de arcilla: (susceptible a cambios de humedad) le añadimos un suelo granular para que actúe de esqueleto y mejorará su comportamiento ante los cambios que puedan producirse.
• Suelo de gravas o arenas: La dificultad estriba en conocer cuál es la proporción óptima de cada uno de los componentes para conseguir la mezcla idónea, un exceso de material fino podría provocar un entumecimiento y un exceso de gravas le haría carecer de la cohesión necesaria.

Existen diferentes tipos de estabilización granulométrica, estableciendo unas condiciones para cada uno de ellos y unos intervalos cuyos límites marcan la cantidad mínima y máxima que puede pasar por cada tamiz. Los tipos más frecuentes de estabilización granulométrica son: a 2" (huso A), a 1" (huso B), arena-arcilla y de suelos.

Estabilización Suelo-Cemento

Consiste en añadir al suelo natural cemento y agua en las proporciones adecuadas; aumenta en gran medida la estabilidad y resistencia. Los efectos que produce en el suelo son: disminución del Límite Líquido (LL) y del Índice de Plasticidad (IP), aumento del Límite de Retracción (LR), aumento de la cohesión y ángulo de rozamiento interno, reducción de la capacidad de hinchamiento del suelo, aumento de la resistencia a la compresión y al esfuerzo cortante. Cualquier tipo de suelo puede ser estabilizado con cemento siempre que la plasticidad no sea muy elevada.

Estabilización Grava-Cemento

No suele ser empleada en la construcción, supone un coste elevado, aunque por sus excelentes resultados resulta interesante para determinadas vías que tienen que soportar tráfico pesado. El esqueleto está formado por gravas o piedras trituradas y han de cumplir: contenido en materia orgánica < 0.05%, contenido en terrones de arcilla < 0.5%. Estas condiciones se indican para evitar que el fraguado se vea perjudicado. La cantidad de cemento no debe sobrepasar el 5% ya que el aumento de resistencia que se consigue no compensa con la pérdida de flexibilidad que se produce.

Estabilización con Cal

Recomendable en suelos arcillosos, debido a que la cal produce la floculación de las partículas de arcilla, reduciendo su plasticidad y confiriendo una gran estabilidad. Se produce una reducción del LL y aumento del Límite Plástico (LP) por lo que el IP disminuye notablemente. Habrá una disminución de la capilaridad y los cambios de volumen del suelo estarán más limitados. Se emplea cal obtenida por calcinación de materiales calizos con un contenido superior al 90% de óxido de calcio y magnesio. Se utilizará cal hidratada en forma de polvo, con contenido en óxido de calcio superior al 75%. La cantidad a emplear es aproximadamente 5% de Ca(OH)₂.

Estabilización con Productos Bituminosos

Estabilización raramente utilizada en la construcción de caminos rurales por su coste superior. Consiste en la mezcla íntima de suelo, agua, ligante bituminoso y determinadas adiciones cuyo fin es mejorar las características resistentes del suelo, disminuyendo su capacidad de absorción de agua o/y aumentando su cohesión, por defecto de la incorporación de ligante.

Dimensionamiento de Firmes

Definición de los materiales y espesores de las capas que los constituyen.

• Analíticos: requieren modelización previa tanto de la sección estructural como de las cargas, a partir de la misma se establecen los correspondientes algoritmos para el cálculo de las tensiones, deformaciones y desplazamientos. No se emplean en caminos rurales.
• Empíricos: proponen secciones estructurales cuyo comportamiento ha sido contrastado experimentalmente. Suelen ser de difícil aplicación fuera del ámbito en el que ha sido diseñado.
• Grupo que no se basa en métodos de la norma 6.1IC: método índice grupo, CBR, Peltier y Massachusetts.
• Grupo que se basa en normas 6.1IC: método de la norma 6.1 y IC (1975), norma 6.1 y 2IC (1989), norma 6.1 y 2IC (modificado).