Propiedades, Origen y Clasificación de los Suelos: Una Introducción a la Geotecnia

Propiedades Índice de los Suelos

PREGUNTA 1. Explique a qué se refieren las propiedades índice de los suelos:

Respuesta.

Las propiedades índice de los suelos son métodos para diferenciar los distintos tipos de suelos dentro de una misma categoría. Se basan en ensayos de clasificación que determinan características particulares de cada suelo. Estas características incluyen la granulometría, consistencia, cohesión y estructura, las cuales determinan la aptitud del suelo para su uso en la construcción de obras civiles. Las propiedades índice se dividen en dos grupos:

• Propiedades de los granos de suelo: Se relacionan directamente con la forma y tamaño de las partículas que constituyen el suelo.
• Propiedades de los agregados de los suelos: Para suelos no cohesivos, se considera la densidad relativa; para suelos cohesivos, la consistencia.

Definiciones Clave en Geotecnia

PREGUNTA 2. Defina lo que es:

1. Mineral.
2. Suelo.
3. Roca.
4. Mecánica de suelos.
5. Ingeniería de suelos.
6. Ingeniería geotécnica

Respuesta.

a) Mineral: Un mineral es una sustancia inorgánica natural con una composición química particular, o una variación de esta, y una estructura atómica regular íntimamente relacionada con su forma cristalina. Los minerales son los principales constituyentes sólidos de las rocas, otorgándoles características físicas, ópticas y químicas como color, lustre, forma y dureza. Los minerales dominantes en los suelos suelen ser cuarzo y feldespatos.

b) Suelo: En ingeniería, el suelo se define como un agregado no cementado de partículas minerales y materia orgánica en descomposición (partículas sólidas), junto con líquido (generalmente agua) y gas (normalmente aire) en los espacios vacíos (Das, 1998).

c) Roca: La roca es un agregado natural sólido con contenido mineral, que posee propiedades físicas y químicas. Las rocas son materiales cementados, usualmente con baja porosidad. Pueden encontrarse en procesos de descomposición con sus propiedades físicas y químicas alteradas, presentan discontinuidades y su comportamiento es complejo bajo esfuerzos.

d) Mecánica de suelos: La mecánica de suelos es la rama de la ciencia que estudia las propiedades físicas del suelo y el comportamiento de las masas de suelo sometidas a diversos tipos de fuerzas. Las propiedades estudiadas incluyen: origen, distribución de tamaño de partículas, plasticidad, capacidad de drenaje, compresibilidad, resistencia al corte y capacidad de soporte (Das, 1998).

e) Ingeniería de suelos: Se considera la aplicación de los principios de la mecánica de suelos a problemas prácticos en la ingeniería, complementada con experiencia y conocimiento adquirido (Das, 1998).

f) Ingeniería geotécnica: La ingeniería geotécnica es una subdisciplina de la ingeniería civil que involucra materiales cercanos a la superficie terrestre (roca, suelo y agua subterránea), estableciendo relaciones para el diseño, construcción y operación de proyectos de ingeniería. Es altamente empírica e incluye la aplicación de los principios de la mecánica de suelos y la mecánica de rocas para el diseño de cimentaciones, estructuras de retención y estructuras terrestres (Das, 1998).

Origen del Suelo

PREGUNTA 3. Explique el origen del suelo.

Respuesta.

El suelo es producto de la meteorización de las rocas, es decir, la desintegración de estas en fragmentos minerales cada vez más pequeños. Estos fragmentos, en contacto con el medio (agua, aire), se unen formando el suelo. La meteorización y otros procesos geológicos actúan sobre las rocas cercanas a la superficie terrestre, transformándolas en material no consolidado, comúnmente llamado suelo. (La meteorización se detalla en la pregunta 5).

Ciclo de las Rocas

PREGUNTA 4. Explique el ciclo de la roca.

Respuesta.

El ciclo de la roca es un proceso geológico extremadamente lento que da origen a tres categorías principales de rocas: ígneas, sedimentarias y metamórficas.

• Rocas ígneas: Se forman por la solidificación del magma derretido, expulsado desde las profundidades de la Tierra.
• Rocas sedimentarias: Se forman por la compactación de minerales sueltos (gravas, arenas, limos y arcillas) bajo sobrecargas, que luego son cementados por agentes como óxido de hierro, calcita, dolomita y cuarzo. Estos agentes cementantes son transportados por aguas subterráneas que llenan los espacios vacíos entre las partículas.
• Rocas metamórficas: Se forman por procesos metamórficos, que implican cambios en la composición y textura de las rocas (sin fundirse) debido a la presión o el calor.

Meteorización

PREGUNTA 5. Explique lo que es la meteorización:

Respuesta.

La meteorización es el proceso de desintegración de rocas en fragmentos más pequeños mediante procesos mecánicos y químicos. Se divide en dos tipos principales:

• Meteorización mecánica: Causada por la expansión y contracción de las rocas debido a la pérdida y ganancia de calor. El agua que se filtra en los espacios vacíos se congela y expande, generando una gran presión que desintegra la roca sin alterar su composición química. Incluye procesos como descarga mecánica, carga mecánica, expansión y contracción térmica, acumulación de sales (incluyendo la acción congelante), desprendimiento coloidal, actividad orgánica y carga neumática.
• Meteorización química: Los minerales de la roca original se transforman en nuevos minerales debido a reacciones químicas. Incluye procesos como hidrólisis, carbonatación, solución, oxidación, reducción, hidratación, lixiviación y cambio de cationes.

Depósitos de Suelos

PREGUNTA 6. Explique brevemente cada uno de los depósitos formados por el transporte de la meteorización de las rocas.

Respuesta.

Los suelos resultantes de la meteorización pueden permanecer en el lugar de origen o ser transportados a otros lugares por hielo, agua, viento y gravedad. La clasificación de estos suelos depende del modo de transporte y depósito:

• Suelos glaciares: Formados por el transporte y deposición de los glaciares.
• Suelos aluviales: Transportados por corrientes de agua y depositados a lo largo de estas.
• Suelos lacustres: Formados por la deposición en lagos en reposo.
• Suelos marinos: Formados por la deposición en mares.
• Suelos eólicos: Transportados y depositados por el viento.
• Suelos coluviales: Formados por el movimiento de los suelos desde su lugar de origen por efecto de la gravedad (ej., deslizamientos de tierra).
• Suelos residuales: Suelos formados por meteorización que permanecen en su lugar de origen. A diferencia de los suelos transportados, están relacionados con los materiales locales, el clima y la topografía. Se caracterizan por una gradación del tamaño de partículas que aumenta con la profundidad y pueden estar compuestos de materiales altamente compresibles.

Fases del Suelo

PREGUNTA 7. Explique clara y detalladamente cada una de las fases que componen el suelo, dibuje un esquema de las fases del suelo para su mejor entendimiento.

Respuesta.

El suelo, a diferencia de otros materiales, se compone de tres fases simultáneas: sólida, líquida y gaseosa. El comportamiento del suelo depende de la cantidad relativa de cada fase y de su interacción.

• Fase sólida: Siempre presente, constituida por partículas derivadas de rocas (arena, grava, limo, arcilla) e incluso materia orgánica.
• Fase líquida: Ubicada en los espacios vacíos entre partículas, casi siempre agua (en casos particulares, otros líquidos). Para el estudio, se asumirá agua en todos los casos.
• Fase gaseosa: Si el líquido no llena completamente los espacios vacíos, estos son ocupados por la fase gaseosa, generalmente aire (aunque puede ser otro gas). Se asumirá aire para todos los casos.

Donde:

• V_a = Volumen de aire.
• V_w = Volumen de agua.
• V_s = Volumen de sólido.
• V_v = Volumen de Vacíos.
• W_a = Peso del aire.
• W_w = Peso del agua.
• W_s = Peso del sólido.
• W = Peso total.

Existen dos casos alternativos: si los vacíos están llenos de aire y no contienen agua, el suelo está seco. Si todos los vacíos están llenos de agua, el suelo está saturado.

Distribución del Tamaño de Partículas

PREGUNTA 8. Explique clara y detalladamente con ayuda de una tabla o esquema la distribución de tamaño de partículas según las diferentes organizaciones.

Respuesta.

Tabla 1.1. Clasificación del tamaño de partículas.

Análisis Mecánico de Suelos

PREGUNTA 9. Defina claramente lo que es el Análisis mecánico.

Respuesta.

El análisis mecánico determina el rango de tamaño de las partículas presentes en un suelo, expresado como porcentaje del peso total seco. Consiste en separar, por medios mecánicos, los distintos tamaños de partículas, expresando cada tamaño como un porcentaje del peso total seco.

El método más directo es el análisis por tamices, que consiste en hacer pasar una masa de suelo a través de un juego de tamices. Su uso está restringido a suelos gruesos o no muy finos, con diámetros de partículas mayores a 0.075 mm y menores a 3 pulgadas.

Para suelos finos no retenidos por tamices, se aplica el método del hidrómetro, basado en la sedimentación de las partículas finas y la ley de Stokes, que relaciona la velocidad de sedimentación de una partícula esférica con su diámetro. El análisis por hidrómetro se utiliza para diámetros de partículas menores a 0.075 mm.

Curva de Distribución de Tamaño de Partículas

PREGUNTA 10. Explique en qué consiste la curva de distribución de tamaño de partículas.

Respuesta.

La curva de distribución de tamaño de partículas permite determinar el porcentaje de grava, arena, limo y arcilla presentes en un suelo. No solo muestra el rango de tamaños, sino también el tipo de distribución de los diferentes tamaños. La forma de la curva puede ayudar a determinar el origen geológico del suelo y se utiliza para calcular parámetros como el diámetro efectivo, el coeficiente de uniformidad y el coeficiente de gradación.

Parámetros del Suelo

PREGUNTA 11. Explique cuáles son los parámetros de un suelo y qué determinan cada uno de estos.

Respuesta.

Los parámetros del suelo, como el diámetro efectivo, el coeficiente de uniformidad y el coeficiente de gradación, se definen a continuación:

• Diámetro efectivo (D₁₀): Diámetro en la curva de distribución de tamaño de partículas correspondiente al 10% más fino. Es una buena medida para estimar la conductividad hidráulica y el drenaje en suelos granulares.
• Coeficiente de uniformidad (C_u): Expresa la uniformidad del suelo. Se define como:

Un suelo con un C_u menor a 2 se considera uniforme. En realidad, es un coeficiente de no uniformidad, ya que su valor decrece a medida que la uniformidad aumenta.

• Coeficiente de gradación o curvatura (C_c): Mide la forma de la curva entre D₆₀ y D₁₀. Valores de C_c muy diferentes de la unidad indican la falta de una serie de diámetros entre D₁₀ y D₆₀.

• Coeficiente de clasificación (S_o): Otra medida de uniformidad, utilizada principalmente en trabajos geológicos y menos frecuente en ingeniería geotécnica. Se expresa como:

Características de las Arcillas

PREGUNTA 12. Explique cuáles son las principales características de las arcillas.

Respuesta.

Las arcillas se caracterizan por:

• Estructura laminar.
• Alto grado de plasticidad.
• Gran resistencia en seco.
• Carga negativa neta en sus superficies, lo que provoca que las cargas positivas del hidrógeno del agua se adhieran a la superficie.

Consistencia y Límites de Atterberg

PREGUNTA 13. Explique qué es la consistencia, cuáles son los límites de consistencia y qué determinan cada uno de ellos.

Respuesta.

La consistencia se refiere al estado de una masa de suelo como resultado de la unión de sus componentes. Está muy relacionada con el contenido de humedad. En suelos finos, se definen cuatro estados de consistencia: sólido (suelo seco), semisólido, plástico y líquido.

La transición entre estados es progresiva. Se han definido límites de consistencia (o límites de Atterberg): límite de contracción, límite plástico y límite líquido. Estos límites son válidos para fracciones de suelo que pasan por el tamiz N° 40.

• Límite de contracción (LC): Separa el estado semisólido del sólido. Se determina en laboratorio. Al secarse progresivamente, el volumen disminuye en proporción a la pérdida de humedad. El LC es el contenido de humedad donde el volumen alcanza su valor más bajo y se mantiene constante.

Para calcular el LC, se necesitan:

1. El contenido de humedad de la muestra saturada (w_i).
2. La variación del contenido de humedad (Δw).

Entonces:

LC = w_i - Δw

• Límite plástico (LP): Separa el estado plástico del semisólido. Se determina amasando una muestra de material fino en forma de rollito.
• Límite líquido (LL): Separa el estado líquido del plástico. Se determina utilizando la cuchara de Casagrande.

Índices de Consistencia

PREGUNTA 14. Explique cuáles son los índices de consistencia y qué determinan cada uno de ellos.

Respuesta.

Los índices de consistencia indican el grado de liquidez o plasticidad de una masa de suelo, permitiendo comparaciones entre diferentes suelos.

• Índice de plasticidad (IP): Diferencia entre el límite líquido y el límite plástico. Expresa el rango de humedad en el que un suelo se comporta como plástico.

En algunos casos, el LL o el LP pueden no ser determinantes. Algunas arcillas, antes de ser alteradas, pueden tener una humedad mayor al LL pero no ser líquidas. La resistencia de diferentes suelos arcillosos en el LL no es constante. En arcillas muy plásticas, la tenacidad en el LP es alta; en arcillas de baja plasticidad, es baja.

Algunos suelos finos y arenosos pueden parecer arcillas, pero al intentar determinar su LP, no se pueden formar rollitos, revelando falta de plasticidad. En estos suelos, el LL puede ser igual o menor al LP, resultando en un IP negativo. En estos casos, se usa el índice de liquidez.

• Índice de liquidez (IL):

Cuando el contenido de humedad es mayor que el LL, el IL es mayor que 1, y el suelo se transforma en una pasta viscosa. Si el contenido es menor que el LP, el IL es negativo y el suelo no puede ser amasado.

• Índice de consistencia (IC):

IC = 1 - IL

Si el contenido de humedad (w) es igual al LL, entonces el IL es 1 y el IC es 0 (consistencia líquida). Si w = LP, entonces IC = 1.

Actividad de las Arcillas

PREGUNTA 15. Defina qué es la actividad.

Respuesta.

La actividad se usa como un índice para identificar el potencial de aumento de volumen de suelos arcillosos. Define el grado de plasticidad de la fracción de arcilla. Es la pendiente de la línea que correlaciona el índice de plasticidad y el porcentaje de partículas de minerales de arcilla: