CAPACIDAD DE CARGA DE SUELOS ESTRATIHCADOS: SUELO MÁS FUERTE SOBRE SUELO MÁS DÉBIL

Las ecuaciones para la capacidad de carga presentadas en las secciones anteriores, implican casos en que el suelo que soporta la cimentación es homogéneo y se extiende hasta una profundidad considerable. La cohesión, el ángulo de fricción y el peso específico del suelo fueron supuestos constantes en el análisis de la capacidad de carga. Sin embargo, en la práctica se encuentran frecuentemente perfiles de suelo estratificado. En tales casos, la superficie de falla bajo carga última puede extenderse a través de dos o más estratos. La determinación de la capacidad de carga última en suelos estratificados se hace sólo en un número limitado de casos. Esta sección muestra el procedimiento para estimar la capacidad de carga de suelos estratificados propuesto por Meyerhof y Hanna (1978) y Meyerhof (1974).

La figura 3.20 muestra una cimentación superficial corrida soportada por un estrato de suelo más fuerte sobre un suelo ILLáS débil, extendida hasta una gran profundidad. Para los dos estratos de suelo, los parámetros físicos son los siguientes: 

Bajo carga última por área unitaria (qu), la superficie de falla en el suelo será como muestra la figura 3.20. Si la profundidad H es relativamente pequeña comparada con el ancho B de la cimentación, ocurrirá una falla por cortante de punzonamiento en la capa superior de suelo seguida por una falla por cortante general en el estrato inferior, como muestra la figura 3.20a. Sin embargo, si la profundidad H es relativamente grande, entonces la superficie de falla estará completamente localizada en el estrato superior de suelo, que es el límite superior para la capacidad de carga última, como muestra la figura 3.20b.

La capacidad de carga última, q, para este tipo problema, lo muestra la figura 3.20a, y puede darse como

CIMENTACIONES SUPERFICIALES: Efecto de la compresibilidad del suelo.

En la sección 3.3, las ecuaciones (3.3), (3.7) y (3.8), que son para el caso de falla general de corte, fueron modificadas en las ecuaciones (3.9), (3.10) y (3.11) para tomar en cuenta el cambio de modo de falla en el suelo (es decir, falla local por corte). El cambio se debe a la compresibilidad del suelo. Para tomar en cuenta la compresibilidad del suelo, Vesic (1973) propuso la siguiente modificación a la ecuación (3.25),

donde Fα, Fqc y Fy factores de compresibilidad del suelo
Factores de compresibilidad del suelo, obtenidos por Vesic (1973) a partir de la analogía de expansión de cavidades. De acuerdo con esa teoría, para calcular Fα, Fqc y Fy deben darse los siguientes pasos: 

Técnicas para Tratar Suelos Expansivos.

Con el fin de minimizar los cambios volumétricos producidos por la presencia de suelos expansivos en Colombia se han utilizado con mayor frecuencia las siguientes técnicas.

• El reemplazo por lo menos de 1.0 ml de suelo expansivo por un material seleccionado con las características exigidas para materiales de terraplén.

• Tratamientos con cal, mediante el procedimiento de mezclado in situ con ayuda de Pulvimixer, mejorando espesores alrededor de los 0.30 mts.

Estabilización Electroquímica de Los Suelos de Subrasante utilizando algunos compuestos químicos tales como aceites sulfonaclos, ácidos fosfóricos, cloruros de sodio, etc., midiendo en todos los casos el efecto de estos productos mediante investigaciones de laboratorio, donde el criterio de selección son las pruebas que permiten evaluar la reducción de los cambios volumétricos del suelo por humedecimiento.

Técnicas de ensayo para identificación de suelos expansivos: Métodos combinados.

Métodos indirectos 

Métodos directos

Estos métodos involucran la correlación de los métodos indirectos y directos para originar una mejor clasificación de acuerdo a la severidad de los cambios volumétricos.

La correlación que se utiliza más comúnmente es la de los límites de Atterbeg (límite liquido, índice de plasticidad y límite de contracción), contenido de partículas coloidales, actividad y % de cambio volumétrico y presión de expansión utilizando el consolidómetro bajo diferentes condiciones de carga.

Esta técnica por lo general da origen a una categorización de acuerdo a la relativa severidad de los cambios volumétricos. No obstante, en algunos casos se han obtenido ecuaciones de predicción basadas en comparaciones estadísticas de las propiedades medidas.

Entre los métodos combinados, la literatura menciona una serie importante de ellos, pero los más comunes y de aplicación en nuestro medio son los siguientes:

El Método del Bureau of Reclamation (Holtz y Gibbs): Este método correlaciona el contenido de partículas menores de 1 micra, con el índice de plasticidad y el límite de contracción. El porcentaje de cambio volumétrico se determina usando el consolidómetro, sobrecargando la muestra con una presión de 0.07 kg/cm2 y llevándola de un estado seco al aire a saturación. Las correlaciones obtenidas son las siguientes: 

El porcentaje de partículas coloidales se mide mediante una prueba de hidrómetro lo que ha originado algunas críticas por no ser ésta prueba un ensayo de rutina en todos los laboratorios.

Método Akmeyer: Este método sugiere correlaciones entre el porcentaje de hinchamiento, el límite de contracción y la contracción lineal. El porcentaje de hinchamiento se mide en el consolidómetro con muestras compactadas al 90% de la densidad máxima obtenida en ensayo proctor estándar y con una sobrecarga de 0.33 kg/cm2. Los resultados de estas correlaciones son los siguientes.

La mayor crítica que se ha hecho a este método es el hecho de efectuar la prueba sobre muestras remoldeadas.

Método Seed, Woodward and Lundgren. Este método establece correlaciones entre el potencial de hinchamiento de un suelo, el tamaño de las partículas arcillosas y la actividad del suelo. El potencial de hinchamiento se determina en el consolidómetro con muestras remoldeadas, compactas con humedad y densidad iguales a la humedad óptima y densidad máxima del proctor estándar. 

La mayor crítica que se ha hecho a este método es que las correlaciones obtenidas se basan en pruebas realizadas sobre muestras de minerales arcillosos comerciales, los cuales no representan el comportamiento del suelo en el campo, debido a la composición tan variable de la mayoría de los suelos.

Cambio potencial de volumen de un suelo. Este ensayo es conocido como el P.V.C. (Potencial Volumen Change) definido por Lambe, el cual mide la presión de expansión que es capaz de generar un suelo al absorber agua y se restringe su cambio volumétrico bajo una presión vertical de 1 Ton/m2. El ensayo se realiza en un aparato estándar denominado Expansómetro de Lambe y bajo ciertas especificaciones relacionadas con la preparación de la muestra, contenidos de aguas iniciales, etc. El suelo se inunda con agua y se hacen lecturas de presión a los 5,. 10, 15, 30, 45, 60 y 1 20 minutos; estos datos se grafican y se obtiene una curva asintótica, en la cual se determina la presión máxima de expansión. Esta presión está relacionada con el cambio potencial de volumen del suelo y dependiendo de su valor el suelo se puede clasificar como suelo con cambio potencial de volumen: Nulo, Marginal, Crítico y Muy Critico, valiéndose de un gráfico preestablecido propio de cada equipo.

Método de Viayvergiya y Ghazzaly. El método define el índice de expansión de suelos como la relación entre la humedad natural del suelo y el límite líquido y lo correlaciona con el hinchamiento medido en el consolidómetro, bajo una sobrecarga de 0.1 Kg/cm2 y la presión de  expansión. 

 

Este método es muy simple, pero hay poca experiencia en su aplicación.

El método de Nayak y Christensen. Este método ha desarrollado dos relaciones estadísticas una para medir hinchamiento y otra presión de expansión en función del índice de plasticidad del % de partículas de arcillas y el contenido de humedad inicial. Estas ecuaciones son las siguientes: 

Las correlaciones de estas ecuaciones con los resultados de pruebas en el consolidómetro han sido muy buenas, pero la experiencia con sueLos diferentes a los usados para desarrollarlos es muy limitada. Se recomienda siempre chequear su validez con otros suelos.

Método de Komormk y David. Este método es otra comparación estadística de resultados medidos que han permitido predecir la presión de hinchamiento con base en la determinación del límite líquido (LI), de la densidad seca (yd) y del contenido de humedad natural (Wi).

La ecuación encontrada es la siguiente: 

El uso de métodos descritos anteriormente ha dado en ciertas zonas resultados razonablemente buenos, sin embargo. su aplicación para un suelo determinado debe usarse con precaución y preferiblemente comprobarse con la ejecución de algunos ensayos la calibración del método.

Técnicas de Ensayo para identificación de suelos expansivos: Métodos indirectos, directos.

Una vez realizado el muestreo se pueden utilizar diferentes métodos de ensayo a saber:

• Métodos indirectos: Son indicadores de los cambios potenciales de volumen de un suelo. Se apoyan en las propiedades fisicoquímicas, físicas e índices y en los sistemas de clasificación de suelos comúnmente usados.
• Métodos directos; Involucran medidas directas de cambios volumétricos en aparatos de tipo odeometro o cGnsolidómetro. Estas pruebas pueden medir hinchamiento o presión de hinchamiento, de acuerdo con las necesidades que se tengan en obra.
• Métodos combinados: Esta técnica combina los métodos directos y los indirectos mediante correlaciones con el fin de definir la probable gravedad del problema.

Métodos indirectos

Existe una gran variedad de técnicas para identificar suelos expansivos en forma indirecta y sobre ellas también se encuentra literatura disponible, desafortunadamente en Colombia no se cuenta con experiencia suficiente en el manejo de algunas pruebas.

El primer paso para identificación de suelos expansivos es la observación visual del sitio, la apariencia de Los suelos expansivos después de las desecaciones es distinta de otro tipo de suelos, las grietas de contracción de forma poligonal indican la posible presencia de minerales arcillosos expansivos. Entre mas pequeños sean los polígonos mayor es la cantidad de arcilla presente. En algunos casos, cuando los suelos contienen mucha montmorillonita sódica,  la desecación produce una apariencia similar a la de las palomitas de maíz, textura común en los campos de bentonita.

La identificación mediante algunas pruebas de laboratorio es la más exacta que se puede realizar. La técnica más importante es la de identificación de la cantidad de minerales arcillosos expandibles presentes en una muestra de suelo, mediante ¡a difracción con rayos X (XRD), este es un método rápido y requiere poca cantidad de muestra.

Existen otros métodos para determinar la composición del 5uelo entre los cuales se pueden mencionar: El método de análisis térmico diferencial, el de radiación infrarroja, el de dispersión dieléctrica y el de adsorción de diferentes tinturas.

La técnica más utilizada para la mayoría de los laboratorios para identificar suelos expansivos es la determinación de sus propiedades índices.

La experiencia ha demostrado que los cambios volumétricos se correlacionan razonablemente con el límite de contracción; sin embargo, su aplicación generalizada es de alguna forma controlada por la variación que hay de un área a otra en relación con el cambio volumétrico del suelo. Lo anterior significa que en algunas áreas los cambios volumétricos del suelo son insignificantes para un intervalo de valores de propiedades índices, mientras que esos mismos valores son indicadores de problemas serios en otras áreas. Esto plantea la necesidad de definir bien los intervalos de valores para áreas de comportamiento similar y de complementar estos métodos con los otros que se describen a continuación,

Métodos directos
Estos métodos son los que miden en forma cuantitativa las características de cambios volumétricos de los suelos expansivos. Estas características son el hinchamiento y la presión de hinchamiento. Las cargas aplicadas y la rigidez de la estructura determinan en forma general, cuál de las características (deformación o esfuerzo) controla el diseño de una estructura específica. La medición de estas características se efectúa mediante el uso de procedimientos de ensayo del tipo consolidómetro. Si la deformación (hinchamiento) es la característica requerida, la muestra se carga con una sobrecarga determinada según experiencia o condiciones de esfuerzos en el Sitio, luego se inunda y se deja expandir hasta su condición de equilibrio. 

La relación entre la deformación medida y la altura inicial de ¡a muestra es definida como porcentaje de expansión. Si se requieren conocer las características de esfuerzo (presión expansión) la muestra se carga con una carga de fijación o sobrecarga predeterminada, luego se inunda y se aplica carga para mantener  el volumen constante. Esta carga define la presión de expansión. Otro procedimiento alterno que se ha utilizado para definir la presión de expansión es permitir que el suelo se expanda y luego aplicar una carga para volver la muestra a su altura original Bajo estos procedimientos básicos se han desarrollado y estandarizado métodos de laboratorio que buscan medir hinchamientos y presión de expansión de muestras de suelo alteradas e inalteradas.

Muestreo de suelos expansivos.

Los suelos expansivos tienen consistencias que varían de media a muy alta y es obvio que se pueden usar muchas técnicas de muestreo para obtener muestras alteradas e inalteradas.

Para pruebas que no requieren muestras inalteradas como gravedad específica, límites de consistencia y granulometrías, entre otras, el muestreo puede realizarse durante la realización de los sondeos preliminares.

Si se requiere mayor cantidad de muestra para pruebas de compactación, diseño de estabilizaciones y otras, es necesario realizar apiques o perforaciones mayores.

Para obtener muestras inalteradas en suelos expansivos se pueden usar diferentes tipos de muestradores de pared delgada, sin uniones y preferiblemente de acero inoxidable con diámetro variable entre 2.0 y 5.0 pulgadas. Estos tubos de pared delgada pueden hincarse a presión, a golpes y por sistemas de rotación, los muestradores rotatorios varían de acuerdo al tipo de suelo que se esté investigando.

Identificación de suelos expansivos.

Con el fin de identificar las subrasantes expansivas, es importante realizar un trabajo de exploración de campo a lo largo de la ruta, el cual incluye toma de muestras para pruebas de laboratorio. La identi6cación de suelos expansivos indicará cuál de los suelos es el que posee el mayor cambio potencial de volumen. De este estrato se deben obtener más muestras, con el fin de conocer o predecir el futuro comportamiento del suelo en el sitio.

La cantidad y la variación de los cambios volumétricos cíe la fundación es bastante compleja de determinar; sin embargo, para estimar en forma adecuada el comportamiento en el sitio, se han desarrollado numerosos procedimientos basados en aspectos tecnológicos importantes que se pueden considerar como el estado del arte actual en este campo.

Los procedimientos de identificación se refieren generalmente al potencial máximo de hinchamiento, basado en el conocimiento de la estructura del suelo y de sus condiciones de carga; generalmente para este fin se utilizan ensayos de consolidación unidimensional.

La información obtenida de la exploración y muestreo de campo, combinada con la experiencia y criterio ingenieriles, son importantes para el diseño de estructuras de pavimentos en áreas de suelos expansivos.

Generalidades de los suelos expansivos.

En términos generales, se denomina suelos expansivos aquellos que muestran un cambio volumétrico significativo bajo la presencia de agua.
 

Durante procesos constructivos relacionados con vías terrestres, es factible encontrar algunos materiales rocosos expansivos como son las arcillolitas y suelos arcillosos o suelos residuales que se han formado de rocas existentes o sedimentos. Estos suelos arcillosos poseen características expansivas debido a las características de la roca que los origina (generalmente arcillolitas) y/o proceso de meteorización bajo el cual se han formado.

El grado de expansión de estos suelos depende de la cantidad de minerales arcillosos activos presentes en el material Estos minerales arcillosos activos que influyen más en los cambios volumétricos 5e caracterizan por tener partículas de tamaños muy pequeños, grandes superficies especificas y cargas eléctricas desbalanceadas en la superficie.

El mineral arcilloso más activo es la montmorillonita y bajo ciertas condiciones la clorita y la vermiculita. Las caolinitas y las íllitas no son consideradas activas; sin embargo, pueden contribuir a las propiedades expansivas de los suelos, si se encuentran en apreciable cantidad.

Además de las propiedades químicas y mineralógicas de estos materiales, hay algunas propiedades físicas que influyen o contribuyen a los cambios volumétricos y tienen aplicación a los materiales tanto en el sitio como en el laboratorio; entre ellas se pueden mencionar:
1. El tamaño de las partículas, su superficie específica y su estructura como ya se han mencionado.

2. La densidad seca: Entre mayor sea la densidad seca para un contenido de humedad constante mayor es la presión de expansión que puede ejercer el suelo, debido a la concentración de materiales arcillosos por unidad de volumen y a la mayor interacción entre partículas.

3. Las propiedades del agua de los poros: Fluidos con altas concentraciones de cationes, como las sales disueltas, tienden a minimizar los cambios volumétricos; sin embargo, el agua con poca concentración de iones hace más susceptible el suelo a tos cambios volumétricos.

4. El confinamiento: Los suelos con sobrecargas o cargas externas tienden a reducir la magnitud del cambio volumétrico; por esta razón, cuando los suelos expansivos están debajo de otro no expansivo se reducen las posibilidades de dañs.

5. El tiempo para que aparezca el primer cambio volumétrico y la forma como estos cambios continúan, depende de la permeabilidad del suelo. La expansión se inicia cuando hay contacto con el agua y continúa hasta cuando el suelo alcanza su condición de equilibrio.

6. La concentración del material y la cantidad de discontinuidades, grietas y fisuras influyen en el cambio volumétrico de un  material. Los materiales cementados como las arcillolitas poseen menos propiedades expansivas que aquellos materiales no cementados.

7. El espesor del manto del suelo expansivo: Entre mayor es su espesor, mayor es el cambio potencial de volumen del suelo.

8. La profundidad en el contenido de humedad: Generalmente, esta profundidad es mayor en los climas más cálidos y más secos.

9. La capa vegetal: En zonas donde antes de construir las vías existía vegetación como árboles, arbustos y diversidad de pastos, la humedad era usada por éstos y al removerse la capa vegetal la humedad se acumula debajo de la estructura del pavimento propiciando los cambios volumétricos. En las ciudades, Ja vegetación con un sistema de raíces grande localizada en la proximidad del pavimento produce cambios de humedad que inducen cambios diferenciales de volumen.

10. Las características de drenaje superficial: Un drenaje superficial pobre permite la acumulación de humedad que se convierte en un suministro de agua permanente para subrasantes expansivas. Este problema puede evitarse si las cunetas se separan lo más que se pueda de la vía y asegurándose de que el gradiente sea el apropiado para que el agua superficial pueda escurrir fácilmente. También es importante conocer la posible ascensión capilar del agua, ya que si se construyen estructuras de pavimentos dentro de esta zona de ascensión, la subrasante expansiva tendrá suministro permanente de agua.

11. Las fuentes de agua Entre las fuentes de agua que pueden causar cambios volumétricos se mencionan: La infiltración de aguas lluvias a través de materiales porosos, grietas, taludes de los bordes, la migración de humedad proveniente del nivel freático, las variaciones de humedad causadas por el hombre como las actividades de irrigación y otras como la falta de un sistema adecuado de alcantarillado.

Suelos Arcillosos Blandos Compresibles y Suelos Orgánicos.

Por las condiciones climáticas de zona tropical con elevadas humedades, altos porcentajes de saturación en el aire y niveles freáticos superficiales ocasionados por las características de drenaje natural, son frecuentes los depósitos de arcillas blandas altamente compresibles y de suelos orgánicos de deficientes características.

Si durante el proceso de exploración y muestreo, se detectan posibles depósitos de estos suelos, se recomienda definir con mayor exactitud la extensión del depósito y la compresibilidad del mismo. Para lograr el nivel de detalle requerido, se sugiere aumentar la frecuencia de los sondeos por lo menos al doble de la especificada para una exploración geotécnica normal para el diseño de pavimentos y muestrear con tubo Shelby para la evaluación precisa de la consistencia y compresibilidad del suelo, mediante los resultados de laboratorio utilizando ensayos como el de resistencia a la compresión simple, límites de consistencia del suelo, humedad natural y el cálculo del índice de liquidez.

Algunos valores que sirven para identificar este tipo de suelos se presentan en la siguiente tabla:

En pavimentos y en general en obras viales, se han utilizado diferentes procedimientos que han permitido superar los problemas ocasio nados por estos tipos de suelos. Entre las soluciones más generalizadas, se destacan:

• En vías de menor orden se han empleado las empalizadas simples y dobles con rellenos de material de la zona poco plástico que proporcione un perfil adecuado para la posterior colocación de la capa de afirmado.
• El uso de geotextil no tejido de alta resistencia a la tensión con 70 a 80 cms de relleno de material granular con finos poco plásticos.
• En suelos orgánicos sedimentarios se ha utilizado una solución combinada de empalizada y geotextil con su respectivo relleno.

Las soluciones anteriores van acompañadas con la construcción de obras de drenaje y subdrenaje.

De acuerdo con las experiencias obtenidas en el país y la disponibilidad de métodos analíticos para la solución de estos problemas, lo más aconsejable es el manejo de geotextiles no tejidos con altas resistencias a la tensión y un relleno cuyo espesor puede determinarse con ayuda de teorías disponibles en la literatura.

También, dependiendo de la disponibilidad, se puede considerar la factibilidad de usar rellenos construidos con escorias de fondo o con cenizas volantes o con mezclas de estos residuos con material granular. Los residuos mencionados, por su bajo peso unitario y considerable resistencia al corte, resultan adecuados para la construcción de rellenos sobre suelos blandos compresibles. Esta alternativa puede ser, en muchos casos, una solución económica que además contribuye a minimizar el impacto ambiental causado por la forma como ellos se disponen al medio ambiente y porque de esta manera también se disminuye la explotación masiva de canteras.

Durabilidad en la vías asociadas a los suelos.

Se involucran en este concepto aquellos factores que se refieren a La resistencia al intemperismo. a la erosión o a la abrasión del tráfico; de esta manera, los problemas de durabilidad en las vías terrestres suelen estar muy asociados a suelos situados relativamente cerca de la superficie de rodamiento. En rigor, estos problemas pueden afectar tanto a los suelos naturales como a los estabilizados, si bien en estos últimos los peores comportamientos suelen ser consecuencia de diseños inadecuados, tales como una mala elección del agente estabilizador o un serio error en su uso, tal como podría ser el caso cuando se ignora la bien conocida susceptibilidad de los suelos arcillosos estabilizados con cemento a la presencia de sulfatos.

Actualmente, una deficiencia importante en los estudios de las estabilizaciones es la carencia de pruebas adecuadas para estudiar la durabilidad. Las pruebas de intemperismo a veces no son adecuadas para el estudio de agregados para pavimentos por no reproducir en forma eficiente el ataque a que estarán sujetos. En las pruebas con aplicación de efectos cíclicos, no se tiene aún una correlación precisa entre el tránsito y las pruebas en que se somete a los especímenes a efectos de secado y humedecimiento que son más bien de orden cualitativo que cuantitativo. la durabilidad es, pues, uno de los aspectos más difíciles de cuantificar y la reacción común ha sido la de sobrediseñar, lo cual a veces puede so ser lo más adecuado.

Compresibilidad de los suelos.

Los cambios en volumen o compresibilidad, tienen una importante influencia en las propiedades de lo suelos, pues se modifica la permeabilidad, se alteran las fuerzas existentes entre las partículas tanto en magnitud corno en sentido. lo que tiene una importancia decisiva en la modificación de la resistencia del suelo al esfuerzo cortante y se provocan desplazamientos.

En el caso de arcillas saturadas, si no se permite el drenaje y se aplican esfuerzos, éstos serán tomados por el agua. En el momento en que se permita el drenaje, los esfuerzos son transmitidos gradualmente al esqueleto o estructura del suelo; este proceso produce una compresión gradual de dicha estructura, fenómeno conocido como consolidación.

Ahora bien, la compresibilidad de un suelo puede presentar variaciones importantes, dependiendo de algunos factores tales corno la relación de la carga aplicada respecto a la que el suelo soportaba anteriormente, tiempo de aplicación de la carga una vez que se ha disipado la presión cíe poro en exceso de la hidrostática, naturaleza química del líquido intersticial, aunados estos factores a los originados por el muestreo, sensitividad del suelo y aún la forma de ejecutar las pruebas que se utilizan para estudiar la consolidación.

Es un tanto obvio que al remoldear un suelo se modifica su compresibilidad, por lo que esta característica se puede modificar mediante procedimientos de compactación. Se ha encontrado que la humedad de compactación tiene una gran importancia en la compresibilidad de suelos compactados, pues si se compactan dos especímenes al mismo peso volumétrico pero uno en la rama seca de la curva cíe peso volumétrico contra humedad y el otro en la rama húmeda, se tendrá que para presiones de consolidación bajas el especimen compactado del lado húmedo será más compresible debido a que su estructura se encuentra más dispersa, pero para grandes presiones se tienen colapsos y reorientaciones en la estructura del espécimen que se encuentra en el lado seco, lo cual provoca que éste sea ahora más compresible. Bajo presiones muy altas., ambas muestras llegan a la misma relación cíe vacíos ya que se llega a una orientación similar.

Permeabilidad de los suelos.

No es difícil modificar substancialmente la permeabilidad de formaciones de suelo por métodos tales como la compactación, la inyección, etc. En materiales arcillosos, el uso de defloculantes (por ejemplo, polifosfatos) puede reducir la permeabilidad también significativamente; el uso de floculantes (muchas veces hidróxido de cal o yeso) aumenta correspondientemente el valor de la permeabilidad.

En los suelos la permeabilidad se plantea,. en términos generales, en dos problemas básicos, como lo son el relacionado con la disipación de las presiones de poro y el relacionado con el flujo del agua a través del suelo. El tener presiones de poro excesivas puede originar deslizamientos en explanadones y el flujo de agua puede originar tubificaciones y arrastres

Si se compacta un suelo arcilloso con humedades muy bajas o prácticamente en seco, se obtendrá finalmente una afta permeabilidad en el suelo debido a los grumos que no se disgregan, resistiendo al esfuerzo de compactación y permitiendo con ello que se forme una gran cantidad de vacíos intersticiales. Mientras mas alta sea la humedad de compactación se producirán menores permeabilidades en el suelo compactado, ya que éste tiene mayores oportunidades de deformarse, eliminándose así grandes vacíos.

La resistencia de los suelos.

La resistencia de los suelos, con algunas excepciones, es en general más baja cuanto mayor sea su contenido de humedad. 

Los suelos arcillosos al secarse, alcanzan grandes resistencias teniéndose inclusive la condición más alta de resistencia cuando se calientan a temperaturas muy elevadas como sucede en la fabricación de tabiques y ladrillos. Existen casos en donde la disminución de la humedad puede significar reducción en la resistencia, pues se han presentado casos de deslizamientos de tierra provocados por arcillas que se secaron y se agrietaron, provocando con ello que el comportamiento del material sea el de un suelo friccionante que puede tener menor resistencia que si se considera como cohesivo a humedades mayores. La acción abrasiva del tránsito, por ejemplo, puede hacer que un material cohesivo se pulverice y pierda su cohesión.

Por otro lado, dependiendo de la humedad y energía de compactación, se pueden lograr diferentes características de resistencia en un suelo arcilloso. ya que un suelo de éstos compactado del lado seco en la curva de compactación presenta, con la humedad de compactación, un comportamiento relativamente elástico y con una resistencia relativamente alta; mientras que este mismo suelo compactado con una alta humedad, no obstante que su peso volumétrico seco sea alto, presentaría resistencias bajas y comportamiento plástico o viscoso: este efecto se debe, en general, a que una alta humedad produce en una arcilla efectos de repulsión entre sus partículas. propiciando con ello que la cohesión sea menor que en el caso de emplear humedades de compactación bajas.
De otra parte, se ha visto que en suelos finos, tiene una importancia decisiva la forma de aplicación de la energía de compactación, sobre todo cuando se emplean humedades más altas que la óptima pues, por ejemplo, la energía aplicada por impactos puede ocasionar que un suelo compactado del lado húmedo presente resistencias del orden de hasta un cuarto de veces menor que la resistencia, que, a igualdad de circunstancias, presenta el mismo suelo compactado en forma estática. La explicación a lo anterior reside en la diferente estructuración que adoptan las arcillas al ser compactadas mediante procedimientos de compactación diferentes.

Algunos de los principales procedimientos para incrementar el peso volumétrico de un suelo son:

- Compactación mediante amasado, vibración o impactos.
- Vibroflotación.
- Precarga.
- Drenaje.
- Adición de agentes que reduzcan la fricción y cohesión entre las partículas.

Resulta evidente que los procedimientos que sirvan para mantener a un suelo sin que se produzcan cambios volumétricos, son también adecuados para mantener la resistencia con el suelo, como (o es la adición de agentes que transformen a un suelo fino en una masa rígida o granular. Estos agentes pueden ser químicos o térmicos teniendo entre los primeros al cemento Portland y la cal como los más comunes.

El procedimiento de vibroflotación es especialmente aplicable en la compactación de arenas o suelos con alta permeabilidad y consiste en la inserción, en el suelo arenoso suelto, de un dispositivo vibratorio, capaz de aplicar un chiflón de agua simultáneamente con el vibrado, de tal manera que al encontrarse dicho dispositivo dentro del suelo inyectando agua y vibrando se produce la licuación de la arena lográndose con ello su compactación.

El incremento del peso volumétrico de un suelo arcilloso mediante precarga consiste en la colocación de una carga superficial sobre el suelo en cuestión, con el objeto de preconsolidarlo. Después de la precarga, el suelo tiene todas las características deseables de un terreno preconsolidado, si se compara con uno normalmente consolidado, es decir que es menos compresible y más resistente, aumentándose con ello la capacidad de carga y disminuyéndose los asentamientos. Es muy importante, sin embargo, tener presente que este método de estabilización puede requerir de períodos largos, dependiendo éstos de condiciones tales como las trayectorias de drenaje, permeabilidad del suelo, espesor de las capas, coeficientes de consolidación y grado de saturación.

El drenaje de un suelo hace que se reduzca la cantidad y/o presión en el agua intersticial, lo que suele permitir el aumento del peso volumétrico de un suelo y, de esta manera, mejorar su resistencia. Se suelen utilizar drenes de arena verticales conjuntamente con la precarga, para provocar una rápida consolidación.

Estabilidad volumétrica de los suelos.

La expansión y contracción de muchos suelos, originadas por los cambios de humedad, se pueden presentar en forma rápida o acompañando a las variaciones estacionales o con la actividad del ingeniero. Por tanto, si las expansiones que se desarrollan debido a un incremento de humedad no se controlan en alguna forma, estas presiones pueden ocasionar graves deformaciones y rupturas en el pavimento y, en general, en cualquier obra. Es por ello que resulta necesario detectar los suelos expansivos, su composición y el tratamiento mas adecuado.

Actualmente, las soluciones para evitar cambios volumétricos en suelos expansivos consisten en introducir humedad al suelo en forma periódica, aplicar cargas que equilibren la presión de expansión, utilizar membranas impermeables y apoyar la estructura a profundidades tales, que no se registre variación estacional en la humedad. Otro medio podría consistir en modificar la arcilla expansiva transformándola en una masa rígida o granular cuyas partículas estén lo suficientemente ligadas para resistir la presión expansiva interna de la arcilla, lo cual puede lograrse por medios químicos o térmicos. En estos casos, cuando la capa a estabilizar sea de poco espesor, deberá tenerse en cuenta que el suelo subyacente es aún susceptible de expandirse, pero tales movimientos podrían tolerarse, siempre y cuando la capa estabilizada se mueva en forma uniforme.

Estabilización de Suelos.

Con frecuencia, el ingeniero debe enfrentarse con suelos que tiene que utilizar para una obra determinada y cuyas características le obligan a tomar alguna de las siguientes posibles decisiones;

- Aceptar el material tal como se encuentra, pero teniendo en cuenta en el diseño las restricciones impuestas por su calidad. 
- Eliminar el material insatisfactorio o abstenerse de usarlo, sustituyéndolo por otro de características adecuadas.
- Modificar las propiedades del material existente para hacerlo capaz de cumplir en mejor forma los requisitos deseados o, cuando menos, que la calidad obtenida sea adecuada.

La última posibilidad es la que da origen a la estabilización de suelos, que es el tema al cual se refiere este capítulo.

Las propiedades de un suelo se pueden alterar por cualquiera de los siguientes procedimientos:

- Estabilización por medios mecánicos, de los que la compactación es el mas conocido, pero entre los que las mezclas de suelos se utilizan también muy frecuentemente.

Estabilización por drenaje.
- Estabilización por medios eléctricos, de los que la electrósmosis y la utilización de pilotes electrometálicos son probablemente los mejor conocidos..
- Estabilización por empleo de calor y calcinación.
- Estabilización por medios químicos, generalmente lograda por la adición de agentes estabilizantes específicos, corno el cemento, la cal, el asfalto u otros.

Teniendo en cuenta la variabilidad de los suelos y la composición de los mismos, es de esperarse que cada método resulte sólo aplicable a un número limitado de ellos.

Las propiedades de los suelos que deben ser tenidas en cuenta por el ingeniero, son las siguientes:

-  Estabilidad volumétrica de los suelos.

-  La resistencia de los suelos.

-  Permeabilidad de los suelos.

-  Compresibilidad de los suelos.

-  Durabilidad en la vías asociadas a los suelos.

 

Ejemplo de Relaciones Gravimétrica y Volumétricas de los Suelos.

En un estudio de suelos se determinaron las características mecánicas de un estrato de arena encontrándose que, al obtener una muestra representativa, su volumen era de 450 cm3 y su peso húmedo de 780 gramos. Después de secado al homo el espécimen pesó 660 gramos. El peso unitario de las partículas sólidas fue de 2.63, determinar: 

a) Porcentaje de humedad de la muestra.
b) Relación de vacíos de la arena en su estado natural.
c) Porosidad de la arena en su estado natural.
d) Grado de saturación de la arena.
e) Densidad húmeda de la arena.
f) Densidad seca de la arena.

Solución:
a) El porcentaje de humedad es:

b) La relación de vacíos es: 

c) La porosidad de la arena es:

d) El grado de saturación es:

e) La densidad húmeda de la arena es:

f) La densidad seca de la arena es:

Relaciones Gravimétrica y Volumétricas de los Suelos.

En los suelos se distinguen tres fases: la sólida, constituida por las partículas minerales,, la líquida que generalmente es el agua contenida en la masa de suelo, y la gaseosa que es el aire que se encuentra dentro de los poros. Entre estas fases es necesario definir un conjunto de relaciones que están vinculadas a sus pesos y volúmenes, las cuales permiten establecer el comportamiento del suelo desde el punto de vista geotécnico. En la Figura 3.4 se presenta un esquema de una muestra de suelo con sus tres fases y en ella se acotan las siglas de los pesos y volúmenes cuyo uso es de interés.

Las relaciones entre los pesos y los volúmenes más utilizados en el estudio de los pavimentos son los siguientes:

a) Peso unitario total o densidad húmeda del suelo 

                                                              3.4

b) Peso unitario de las partículas sólidas 

                                                              3.5

c) Peso unitario seco o densidad seca del suelo

                                                              3.6
La expresión anterior también se puede anotar de la forma siguiente:

                                                               3.7

d) Peso específico relativo de los sólidos del suelo o gravedad específica.

                                                               3.8

e) Relación de vacíos

                                                              3.9
E, teoría se puede variar de O a infinito (vacío perfecto), sin embargo, en la práctica sus límites están comprendidos entre 0.25 para arenas muy compactas con finos, y 15 para arcillas altamente compresible.

f) Porosidad:

                                                              3.10
Esta relación puede variar de O (en un suelo ideal con solo fase sólida), a 100 (espacio vacío). Los valores reales suelen oscilar entre 20% y 95%.

g) Grado de saturación:

                                                              3.11
El grado de saturación varía de 0% en suelos secos a 100% en un suelo en el que todos los vacíos estuvieran llenos de agua, al que se llama suelo sawrado.

h) Contenido de agua o humedad

                                                              3.12
En teoría el contenido de agua varía de O a infinito, sin embargo, en la práctica es difícil encontrar valores superiores a 100%. 

-  Ejemplo de Relaciones Gravimétrica y Volumétricas de los Suelos.

Perfil de Suelos.

Un perfil de suelo es una sección vertical del suelo a través de todos sus horizontes y se extiende dentro de las variaciones que pueden ocurrir en un perfil dado.

En las áreas en las cuales no se impide el drenaje hay tres capas mayores u horizontes. La capa superficial u horizonte A, que es una zona permeable; la capa siguiente es el horizonte B o zona de acumulación; debajo de la zona B se encuentra el horizonte C o Material Principal (ver Figura 3.3). Fuera de los horizontes A y 8 existen las partes alteradas del perfil como consecuencia del clima y la vegetación. El horizonte C es relativamente no meteorizado.

Los horizontes A y B se llaman además “Suelos del Solum”. Los suelos del Solum se distinguen por la base de contenido orgánico, los cambios de textura, los cambios químicos y otros factores.

Horizontes A y B:
A través de la acción de infiltración del agua, del hielo y deshielo, de las reacciones químicas y otros factores, los materiales son removidos del horizonte A y depositados en el 8. Estas transferencias pueden ocurrir mediante soluciones químicas o movimientos mecánicos de las partículas de los suelos. El horizonte B se caracteriza por su densidad, la cual se produjo en primera instancia por la colmatación de los vacíos con los finos procedentes del horizonte A. Tales finos aumentan también el porcentaje de llenante en la gradación del material del horizonte B, produciendo con frecuencia un aumento en la plasticidad y una disminución en la permeabilidad. Acumulaciones de calcio y carbonato de magnesio, gelatinas, silicosas y otros coloides complejos pueden ocurrir como resultado de la precipitación de las soluciones. Tales depósitos pueden modificar significativamente la actividad que presentan las partículas arcillosas aumentando o disminuyendo su plasticidad; pueden por ejemplo, cambiar el pH de los materiales y pueden también trabajar como agentes cementantes y provocar la formación de capas duras.

Horizonte C:
Consiste en el material parental, el cual puede estar constituido por un manto rocoso parcialmente descompuesto o desintegrado (suelo residual) o puede haber sido transportado y depositado en un nuevo lugar. En los suelos residuales el tipo de roca Madre le da la descripción al material principal. Si el material principal es de origen transportado, se indicará el agente de transporte (agua, viento, hielo, etc), y además se anotarán los métodos de deposición (depósitos, lacustres, depósitos de playas, sedimentos, marinos, acarreos glaciares, material aluvial, etc).

Horizonte D:
El pedologista se refiere a este horizonte como cualquier estrato localizado por debajo del horizonte C, el cual es simplemente diferente del horizonte C, que puede o no tener influencia en el desarrollo de la porción meteorizada del perfil. 

Si el horizonte es relativamente pequeño (0.90 a 1.8 mm), probablemente su influencia en las características de los suelos superiores va a repercutir en el perfil del suelo y por consiguiente deberá anotarse en el mismo. Sin embargo, si el horizonte D es profundo y no contribuye a la formación del material superior, no deberá tenerse en cuenta.  

 

 

Suelos Finos.

El sistema unificado considera los suelos finos divididos en tres grupos: limos inorgánicos (M), arcillas inorgánicas (C) y limos y arcillas orgánicos (O). Cada uno de estos suelos se subdivide a su vez, según su límite líquido, en dos grupos cuya frontera es LI = 50%. Si el límite líquido del suelo es menor de 50 se añade al símbolo general la letra L (Low Compresibility). Si es mayor de 50 se añade la letra H (high compresibility). Obteniéndose de este modo tos siguientes tipos de suelos:

ML = Limos inorgánicos de baja compresibilidad.
OL = Limos y arcillas orgánicas de baja compresibilidad.
CL = Arcillas inorgánicas de baja compresibilidad.
CH =Arcillas inorgánicas de afta compresibilidad.
MH= Limos orgánicos de alta compresibilidad.
OH = Arcillas y limos orgánicos de alta compresibilidad.

Los suelos altamente orgánicos, como las turbas, se designan con el símbolo Pt.

La clasificación de los suelos finos se hace con la carta de plasticidad, Tabla 3.5, en la que sus diferentes zonas aparecen delimitadas por dos líneas básicas: la Línea A que separa ¡as arcillas de los limos y suelos orgánicos; la linea B que separa los suelos de alta y baja compresibilidad. 

 

 

Arenas.

• Si el porcentaje de finos, contenido en la arena, es menor del 5%, la arena puede ser, bien gradada (SW) si cumple que 1 <Cc <3 y Cu >6 si no cumple los coeficientes anteriores, la arena será mal gradada (SP).
• Si el porcentaje de finos, contenido en la arena, es mayor del 12%, la arena puede ser arcillosa (SC).. silos finos son arcilla. o limosa (SM) silos finos son limo.
• Si el porcentaje de finos está entre 5 y 12% se usa símbolo doble, por ejemplo, SP-SM.

Los coeficientes de curvatura (Cc) y de uniformidad (Cu) que permiten comparar y calificar granulometrías se definen así: 

Ejemplo:
Dada la curva granulométrica de un suelo que clasifica como arena Limosa mal gradada la cual se encuentra representada en la Figura 3.2, el coeficiente de uniformidad se halla determinado en la intersección de la curva con la línea del 60% y se anota el tamaño de las partículas correspondientes a este punto. para este caso el valor es 4.2 mm. Se repite para la línea 10% y se obtiene un valor de 0.1 mm., por tanto, Cu=4.2/0.1=42. Procediendo de igual forma se tiene que el coeficiente de curvatura es: 

La clasificación de los suelos por el sistema unificado se facilita con el empleo de las Tablas 3.4 y 3.5.

Figura 3.2 Representación grafica del análisis granulométrico. 

 Tabla 3.4 Clasificación Unificada de los suelos.