KAR!. TERZAGHI , l':ALPH B. PECK

SEGUNDA EDICION

MECANICA DE SOElOS EN LA INGENIERIA PRACTICA

L 'EL ATENEO"' S.A.

ME C NICA DE SUELOS EN LA INGBNI BRfA PR C TI C A

MECNICA DE SUELOS EN LA

INGENIERA PRCTICA Po,

KARL TERZAGHI t ProfUDr de la PT6ccia> de la lngenieria Cit:il,

UnlVfflad de Horoord Cun/i:rencianle y Ase.JOI" de fn~igaci6n en Ingeniera Civil

t'nii;ersidad de lUinois .,

RALPH B. PECK l'rofesor de lngenlerla de la.t Fundaciones ,

Uni,;enidad de lUinois

Ve,'1n espaoLa

ORESTE MORETTO Profesor Titular de Mecnica de Suel,n 1/ Fundacione$

y de s:.~a::m::t:i:'f:'pir,:@,

SEGUNDA EOICi N

EDITORIAL EL ATENEO, s. A. BARCELONA BUENOS llES CARACAS UllA

Mixtco - MONTEVIDEO - Rfo DE JANEillO

Titulo ori,inal de la obr111: SOJL MECHANICS IN ENGINEEIIJNG PRACTICE

Secondfflition

Copyright e 1955 by Llbrer. El Ateneo Editorial. Ali rih!s reseived. A.uthorized translation published

by John Wiley & Son,, lnc., New Yorlc. Copyright C 1948, 1967 by John Wiley & Sons, lnc.

A.llrigh1s rescrval.

Primeraedicin. 19S5 himffil rt/mprn16,i, /9S8 ~nd11 rffmprnldn.1961 Tt,ttn1 rrimprn/611. /9611 C1111n11 fflmptti/611 . 1911

Sq11oda edicin. 197) Prl,,1m1 rdmprnl6n. 197$ Str"lld" rdmprnl6n. 1976 T~rctra rtlmprnMn, /918

ISBN: U,7021020-J Depsito Lepl: B. 42.731- 1978

Rexrvados iodos los ckruhos. Prohibida lanproduccio totaio pan:ial sin autorizacin

escritackleditor.

Printed in Spain lmprcsocnEspal'ia

Indw;trias Grificu M. Pareja - Montana, 16 - Barcelona

ADVERTENCU DEL TRADUCTOR

Traducir la 1egunda edicin de ute llbro fue un compromUO adquirido al encarar la primera y consolidado por la upecial deferencia, con.titkracin y amistad que me brindaran JUI autoru. Con el co,,er de lo, aoa han cam biado, empero, de una manera .dngular ltU cfrcun.1tancfa.t en que hube de duarrollar uta ve.:: dicha labor. Por un lado flJt la menor dilpo!tibilldad de tiempo, y por otro, la irresistible tentacin - participada a IOJ autore.t-de agregar comentarlo., a pie de prfglna, 1iemprc quP- la lectura del texto a.1. me lo sugera.

Salv la diJponibilidad de tiempo con la ayuda que me brindilra la miara Susana Centa, quien compar la segunda edicftin ingle.ta con la traduccin de la primera para marcar dNU haba modiJicacionu, mecanografiar y com-poner el borrador de la nuevo traduccin, partiendo de una uerrin dictado a un grabador y corregida a fin de aduarla a una redaccin autellana. Traducir de corrida, dictando, preunta para m el inconveniente de una ten-dencia a mantener una estr11ctura inglesa en lo redaccin, la cual con /re e1umcia requiere en caslellano ua inversin de .frasu. Aun cuando al con'eglr el dii.,iado trat de ,aloa, esa tendencia e, po.tible que en algunru lugares lwya .sobrevivido una e.structuacin inglesa mayor de la dueabU que, .sin ,acrificar el rig.nificndo, qulle un poco d,: fluidez a la lectura.

Control la tentacitn al comentarla, limitando /tu nota., del traductor a aquella, aclaraciones que la en!eanz,, unii;er,itario y la uperfencia pro fu/anal me han ido n ::alando como l1:di,pemable1 para evitar cfrcun.rtan-cialu interpretacione, antofadiur.s y equivocada.,. Se adicionan tambin aira, q11e reflejan 11na prctica in~enierll ligeramente di.ltinta de la preconizada e11 el libro y qve, 1/11 allerar fundamento,, u de uso exteMldo en el mbito en que se deaarrolfa mi actiuidad profelionol. En edo, ca,o,, .ristemtica-menle, refiero ni lector a algu .. ,is publicaciones de la., que soy autor o CO autor, dnnde ,e detallan &as diferenda,, puu ,oy en gran parte respon.table de .ru gestacin. A,imi,mo, se ogegan alguntU nbtas a pie de p6gina que .rirven para actualizar el texto en los poco.s a1peclo1 en que, dude 1t1 apari-cin, ha hnhfdo nmnce, muy !i~nificatlGOI.

RESTE M ORETI'O

Vicen te Lpez, 1972

PREFACIO DE U. SEGUNDA EDICIN

Cran parle del trabafo de reOOidn realizDdo para preparttr uta ,egunda ~~t !:brc;mJ/~~. ;~~ ~~!::.c';,":e /,:Ot1'~:i''~=fh ~ amplitud de lo., cambie, y el doctor Terzaghi haba preparado lo, borra-

't:,e;f;et;"i:~:~~;,fa":;;ira;m;~e,:~~::~ fms;:::i: 1:m:;;;e: ban sido obfeto de ro atencin. Quien suscribe eate prefado ,e .riente agradeddo de que dicha, pgina., reflejen, en la medida en que rutJt6 ,mible, la cootribucin de Terzaghl, pe o al y todo lamenta y debe aceptar la re,ponwbilidad por la., lncultabk, /imiwcione, que pudieron contener y que no hubiesen &capado a la atencidn de aqul en ro cuidado,o y crtica reoi.rin final del manwcrito.

En parl.icultu, el doctor Ter1Aghl prepar la, reoirionu de l.o, artculo, ,obe la utabilidad de talud.e, y lo, n:tenwa agregado, con referencia a !:!~"~Y '';,/U,:"':a:'ia ~~;i:t,;:: }:~,,;a en:::w:: ::, dicho, agregado, pueden con.ritlerarie como la e.senda de ro pen,amlento y ro erperiencia en la materia.

El ter:to ha rido complementada con referencia, y lista, de lectura, selectas que pueden .reroir de gua bibliogrffca. Se 110 adclooado, ademc, un nueoo captulo sobre observaciones del comportamiento en obra, para ayudar al ingeniero en los mtodo, por utllliar en la, medclonu, un paso que hace n la esencia mimla de la eficaz aplicacin de lo m.ecnica de los mela,.

El enorme crecimiento habido en la, ltimas do, dcada, con rUpeeto a la literatura sobre la mecnica de ,ueloa ha aumentado va,tamenle el pro-hlema de ,eleccionar lo lnformocin que deba ,er includa. Para concte-tarlo, la, autora se han atenido al tratamiento ,eguido en el libro.

En la preparaci6n del manwcrlto, la ,eora Jruephlne B. Hegenbart ha ,obrepasado ampliamente lo, lmites de roJ debere, u.wale, de dactilgrafa. Su incan,able ayuda le e, altamente reconocida aquf.

Urbna, l l/inoi, F.nero (U 19ffl

RALPH B. PEa

PREFACIO DE LA PRIMERA ED1ClN

La mecnica de suelo, originse hace varias dcadas ba;o el efecto de la p,esi6n ejercida JJDr la necesidad, a medida que lo, problemas prdclicos que involucraban a los suel-Os crecfan en extensin y se hacia cada vez m6, aparente que lo, instrumentos cienlficos e.tistentes para resolverlos resulta-ban insuficientes. UM intentos para remediar esta situacin empezaron casi rimult6neamenle en Estados Unidns y en Europa y, dentro de un espacio de tiempo relativamente breve, dieron origen a un con;unto enorme de in formacin til.

El hito inicial de este campo de la ciencia aplicada fue tan alenladOf' que dude un principie se tuvo la impresin de que una nueva rama de la ingeniera de las estructuras estaba en formacin, as que la extensin y la p,ofundicuul de las investigaciones tericas aumentaron rpidamente, al mi.s mo tiempo que se desarrollaban mtodos y tcnicas e:rperimentales con un alto gr-ado de refinamiento. Sin los resultados de estas inoestigaciones pro-lijas !f cuidadosas no hubiese sido posible desaTf"ollar un mtodo racional para resoloer- los problemas que plantea la ingenierfa de los suelos.

Inforturllldamente, la i11C&tigacin en mecnica de suelo, tiene un efecto psicolgico que a oeces es nodvo, pues desva lo atencin de muchos in-'vatigadores y profesores, los que olvidan las innumerables limitaciones que la naturalez.a impone a la aplicacin de soluciones matemlicas en la resolu-cin de problema, de la ingeniera de los suelos. Como consecuencia de este efecto, se ha querido dar cada cez m.t nfasis a la necesidad de 11tUizar grandes refinamientos en la obtencin de muestras y en la solucin de esos pocos problemas que pueden resolver.rn con euzctitud, ofoidando que slo se obtienen solucion& exactas cuando los estratos de suelo son prcttcamen-te homogneos y continuos en todas las direcciones horiwntales. Adems, como las investigaciones que conducen a soluciones emctas inoolucran la uta1zac6n de mtodos de muestreo y de en.sayo altamente especialluufus, se fustifican sW en cosos ercepcionoks. En la gran mayora de los caso,, no ,e necesita ms que una precisin aproximada de los fen6mffl0s que se pro-ducirn, precisin que si no puede efectuarse con medios simples, no se puede hacer del todo. Si nn resulta posible efectuar una preoisin aprori mada, hay que observar el comporlamiento del suelo duranle la construcc6n y modificar el proyecto, en caso de ser necesario, a la luz de estas observa cione.t. Est.os hechru constituyen conceptos bsico, en la mec,dca ck s,iefot

PllaAC10 DE U. PfUMD\A IJIICIN XI

y no puetkn aer ignoradru .rin duafinr ""' propritos. Ello, rigen el tf'Dta. miento conceptual del contenido de este libra.

La PatU A trata de la, prOJ}iedotia firica, th b ,uelo, y la Parle B de la, t~ de la mecnica de .tuelol. E,ta,.t do, parlu aon muy brlttlM, pero contienen todo lo que lo, e.rtudiantu y el ngeriiel"o no upecializado neceritan conocer en la actuaUdad con respecto II la mec6nlca de lo, .Ntlo.t.

La Parle C, que con,tituye la parte medular del libro, trota del arle de obtener remltado, 8afufactorlol en la lngenferla th jundacionu, y de .tuelo, en gennal, a 1m costo razonable, a puar de la compltjidad de la utructura de lo, utrato, naturalu de ruelo y de la, ineoitabl& laguna, que riempn quedan en el conodmlento adquirido ,obre la, condk:ionu del .rubmelo. Para alcam:ar este objetivo, el Ingeniero debe oaler.te de todos lo, mtodo, y recurro, que tiene a ,u di.,po.rici6n, incluyendo la teoria, la experiencia y el eruayo de lo, melo.r. Empero, todo, esto, ret:f4rSOI no ,on de ningn be ne/fcio, a meno, de que sean utilJmdo, con cuidado.ta di.tcriminodn, ptW pr4ctfcamente tado problemlJ a ,e,oloer en ute campo de la ciencia pre,enta por lo meno, algn a.,pecto que no tiene precedenle.

En la Parte C, el utudlo de los problemas prctico, empina con un namen crlffco de los mtodos convencionale, 11 proligue luego pa.,o a paro a describir el progre,o realiWo con la ayuda de lo, rmdtodo, ob1enldo, con la lnv,e,Hgacfd'n en. mecdnfca de melo8. Por uta circt4n.8tancia, le acon-ttfa que el fngenero no upeciallzado empiece a leer el libro por la Parte C y recurra a la, Partu A y B '6lo para referencia, 11 fin de utudiar aquello, concepto, ton lo, cual& no ut familiarluuio. De otro modo ,e oeria obli-gado a digerir una cantidad con.riderable del material canten.Ido en ute libro ante., de que ducubra ,u funcin en el campo de su inter particular.

Lo.t detallu de lo, mtodo, para ruol.oer lo8 problemas prdctfco! tJa. cripta, en la Parte C puetkn cam.b4ar a medido que aumenta la ~ . y alguno, pueden tomarle ob&oleto, en el tbmfno de poco, ailos, pue, no .ron md.r que recurso, temporarios. No olmante, 1e conridera que el mtodo general, de ,ol.uci6n semicmplrlca, preconi%0do tiene mrito, que ion Inde-pendiente, del tiempo.

Al final de coda artculo, el luto, encontrard en la Parte C una lta de referencial. Para ,u eleccf6n ,re dio prioridad a aquella, publfcaclonu que por ,u noturalna incitan y demm>llan la tendencia a la ob.teroacl6n cuidadosa e lnteligerite del comportamiento de la, estructura, en el terreno. En relaci6n con tsf4I referencia, debe hacene nota, que alguna., de la., di,. curione.t, y contutacion& a la, ml.tma.t, pueden contener Informacin m4.t Importante que los art:ulos originales.

Como el campo de accl6n de la ingeniena de los .Ntlor e, dema.rlado amplio pera ,er cubierto en forma. adecuada en 1m ,ola volumen, vario, t6pcos lmpo,tantu, como 1er: camino,, aerop11e110, y t6nelel, han rido e.rcluido,. En un apndice, se han resumido alguna, referendo, brew1 C011 cemiente1 a uta, t6pico,.

Lo, primeros borradoru del original del Ubro fueron utudlados en for ma crltica por el profuor C. P. Si.ea, cuyo, comentarios ruultaron uve dalmente tile,. Lo, autoru tambin agradecen la, .rugerencia8 de oorlo,

Xll PRD'AQO DE: LA PIUMDA IDICIN

ingeniero, uperimentad-OI que leyeron distinta, parte, del tnto. En par-ticular, agradecen a lo, ingeniero., A.. E. Cummlng1, O. K.. Peck !I F. E. Schmidt por ,u utudio ortico de la Parte C, al Dr. R. E. Grim por remar d A.rtfcu-k, 4 y a la Dra. Ruth D. Tenaghi por ,u ayuda en la ptepamci6n del Ar tculo 63.

Toda vez que una tabla o una figura /tu tomada -en porte o en m totalidad- de otra fuente , el heclw se menciona cuando la tabla o la figura aparece en el tezto. dibu& fueron reali%iUUll por el profuor Flmer F. Heate,, al cual lo, autore, estn muy agrodecdo, por .w tnter en cooperar en ute traba;o ,; por la habilidad con que lo, milmol fueron eje-cutadcn.

KAfil. TERZAGJU R.u.Ptt B. ha:

IN DI CE

Parte L Propiedades f[sicas de los suelos .

Captu1o l. Propiedades ndice de los suelos . . .

l. Importancia prctica de las propiedades Indice . .. 2. Principales tipos de suelos . 4 3. Tamao y forma de las partculas de los suelos . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4. Propiedades de los suelos formados de fracciones muy finas . 11 S. Anlisis medico o granulomtrioo de los suelos . 18 6. Agregados de suelo 22 7. Consistencia y sensibilidad de las ardllas . 29 8. Clasificacin de los suelos . 35 9. Requerimientos mlnimos para una descripcin adecuada de los

suelos 41

Capltulo 2. Propiedades hidrulicas y mecnicas de los suelos . 45

10. Significado de las propiedades hidrulicas y mecnicas de los suelos . 45

11. Permeabilidad de los suelos . 45 12. Tensin efectiva, tensin neutra, gradiente hidrulico critico . 56 13. Compresibilidad de estratos confinados de suelo . 61 14. Consolidacin de capas de arcilla . . . . . . . . . . . 82 15. Tensiones y defonn11ciones de los suelos . 86 16. Condiciones de rotura de los suelos . 99 17. Resistencia al corte de suelos no oohesivos 105 18. Resistencia al corte de suelos cohesivos llO 19. Efecto de las vibraciones sobre los suelos . . . lZ1

Captulo 3. Drenaje de los suelos . 131 2. Napa fretica, humedad de suelo, fenmenos capilares . 131 21. Fonnas y tipos de drena}e . 136

XN

Parte II. Mecnica terica de los suelos . 154

Captulo 4, Hidrulica de los suelos . . 155

22. Alcance de los problemas hidrulicos . . 155 23. Clculo de la filtracin . 156 24. Sifonaje 169 2.5. Teora de la con.mlidacin . 172

Captulo 5. Equilibrio p1stico de los suelos . 182

26. Hiptesis fundamentales 182 27. Estados de equilibrio plstico . 185 28. Teora de Rankine del empuje de las tierras . . . 191 29. Influencia de la rugosidad del muro en la forma de la superficie

de desli7.amiento 198 30. La teora de Coulomb del empuje activo contra muros de sosteni-

mientos 200 31. Punto de aplicacin del empuje . .205 32. Empuje pasivo en el caso de superficie$ de contacto rugosas . 2

XV

Captulo 8. Empuje de tiel'TllS y estabilidad de !aludes . 3S7 46. Muros de sostenimiento . 35i 47. Drenaje de excavacones . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 48. Entibacin de excavaciones a cielo abierto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389 49. Estabilidad de laderas y de taludes de desmontes y excavaciones . 409 50. Compactacin de suelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436 51. Proyecto de terraplenes, malecones y diques de tierra . . . . . . 446 52. Estabilidad de la base de templenes y diques de tierra . 454

Capltu1o 9. Fundaciones 467

53. Fundaciones de estructuras ,un 54. Fundaciones sobre zapatas 475 55. Plateas de fundacin . . . . . 500 56. Fundaciones sobre pilotes . 521 57. Pilares de fundacin . 553

Captulo 10. Asentamientos debidos a causas no comunes . 567

58. Asentamientos debidos a los procesos constructivos . . . . . . . . . . . 5lfl 59. Asentamientos producidos por la depresin de la napa . . . 577 60. Asentamientos causados por hu vibraciones . . 582.

C.ptulo U, Presas y fundaciones de las presas . 586

61. Presas de tierra . . . 586 62. Presas de escollera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596 63. Presas de honnign fundadas sobre sedimentos . . . . . . . . . . 608 64. Supervisin de los embalses durante la construccin . . . . 620

Capitulo 12. Observaciones de comportamiento . 624

65. Propsito y amplitud de las observaciones de comportamiento . 624 66. Medicin de desplazamientos . 629 ffl. Medicin de empujes de tierra . . . 644 68. Medicin de la presin de poros . . . . . . . . . . . .. .. 6.55 69. Registro de las observaciones Cfo obra y del terreno 660

NOMENCLATURA

Los simbolOII que ,e utiliuo en este libro c:oacuerdan en genenl ooo lo, propuestos en 1941 por la Americau Society of Civil Enineen (Soll Mulla.du N~. M-nll&l of Enl.neermg Practice N~ 22.) auaque 1e han he

XVIII

, (lcg/aal) = swna de la fria:in y 11 ,dherenci, entre P.elo y pilotl:! o pilar de fund,rin f = coefk:lente de friccin.entresuelo y bue de un, estructura ,. (J/,e) = frecuencia n&tun.l (vibnclooa) /, (U,e) = frecuilncia del Jmpolw (vibn.ciones) C, =rebd6iiespaclode'11'(! (drenaio) H (on) = espesor de un estrato, e%Cepto cuando se refiere una e11pa en co,uo\idaci6o.

En este caso, H = espe$0r de un1 e11p11 11emi1bierta o un medio del eqieor de uM cap111blerta

H (cm) = altura d e calda del mll'lillo (hinca de pllotes) 11, (cm)= altura critica de un talud h (on) =carahldriulica h,. (on) =carppie~trica Ah (cm)= cald1 depotencial (hidriulU:.) h,(on) =altlU'ldea,censin.capilar;1lturacrlicaderotun.p01"sifon.a}e h .. (cm) = altura de saturacin completa de un suelo drenado h .. de, ca~tia, de rotuni por sifon&je ten el cilculo b:uado ea el IMtodo de 1" U-h, = presin relativa de vapor h,. = humedtd relativa I,= lndicedeliquidez l .. = tndlce plbtico f=n.dleoteh!driulico L.,:;;:gradlente hldriullcocrlico

:: ~~r= :.::~c~a~ =o.'mnosi1) K = rellcin eatre la intensidad de la presin horiwntal y la de la pre$ln ~rtica l en un

mismo punto de una masa de 1uelo. K. = coeficiente de la presilm latera l de 111 liern.s en reposo; es decir, valor de K pan. el

esbdo inici,ldeequilibrioelblico K. = coeficiente del empuje ,c:tivo de las ticrU ~=coeficiente de] empuje pasivo de !u~ K (aal) = permeabilidad K. (kJonS) = coeficimle de retod6n de la lUbrasanle k (on/leg) = coeficiente de penneabilldad k1 (cm/,eg) = coeficiente de permeabilidad en dlreedn paralela a loa pla!IOI de estrati

ficacln k,, (cm/se) = coeficiente de perme11billdad en direcciu normal a los planos de estr,l.li

ficacl6n k,(,;:m/,e)=coeficlenffldepermeabilidaddean::llla1m1sada ko' k, (kg/ml) = coeficientes Pin. calcular el empue que se ejeroe sobre un muro de so1-

tenlmlento k, (an/ie) =coeficiente de penne,.bllldad en la direccin horiz.ontal k, (cm/seg) =coefideotede permeabilldadenladlrecdpvertical k, (an/,eg) = coeficiente de penneabiUd,d electroosmtica L (a:o) = lonihid de b. lnea de recorrido; longitud L,. = Hmite liquido l( cm)=k,rigitud

:~?,:! J: == t:m':,~=tra co=i'..::ones de cortes a delo abierto/ m, ( cmlA:g cml/gm) = coeficiente de compresibilidad volumtrica m~ = coefldeote (,nlisis de est:abilldd ,ein ecuaciOO 35 . 11 ) N = coeficiente sin dimeruin (N., N., y N, = coeficientes de c&pjidd,d de cara;

N, = coeficiente de estabilidad en la toorla de la estabilidad de taludes); nmero de golpe1 para hincar la cuchan. saetmuestras durar,te la efecucln de un ensayo nor

mal de penetracin . N,=valor de fluencia = tgt (45 ' +11>/2)

N, = Nmero de caldas de poten

XIX

n = porosidad 11mero de pllotes ea UD grupo n. = relad6o entre la distan.da del punto de aplici,ci6n de la resultante del einpuje al

bordemlerbde la estrvc::tutade IOlteuimiento y la altun: total de esta 6ltima n.=factord.pdundidad (estabilidad de taludee) ", = flltenl:ldad de UD te:mmol:O P= poromtaje de grauoe 111enores de untamaio dado :. (~f:!f:' :n~::!1':~o hay electo de arco {muros de sostenimiento;

estadoaeuvodeRanktne) P. (!~ .biert7fe acti~ cualldo hay efecto de uoo (entibacin de es:cavacioaes P, (on) = NJN!taote de lu fuenu de gn.widad IDbre una particula P, (kg/m) = empuje puiw. l'\oede dividirse en P/, que depende del pe111 unitario del

ruek,, yen P,", que depende de la cobesi6o y de la 90brecar Pr" puede a ni vez subdivldlne eo P. y P,, req,ect{vamente

;: \~C:) ~=.td~1':za'~ia:":rficle de una partkula P. =llmitopltioo

:,1'~;/; =-~ ~'::.i7~ :'t ~te p,, ., , (kg/cml) = tensiones principales: mayor, intermedia y meoor p (kg/cml) = praln efectiva (la. buTa puMe s,,r omitida); pres!l1 efectiva de la cu,.

blerta, cuando s,e \111 en la upruio c/p P (ltg/aal) = lntensld,.d del rmpuje activo unitario p, {kg/cml) = prulo atrnodhica p, (kg/cml) = pnlilm de confinamiento; pn!Si6n hidrostitlcl, triu!al p. (kg/aaJ) = prai6a borhvatl.l lllhre UD piaoo Yfftlcal p. {kg/cml) .:: preslII Yeftlml ,obre UD plano borizoai.) Po {kg/cmt) = pn,l>fl capilar . Pt (kglcml) = aumeuto dt, prnl6n tobre un rquro de tDStenim!eato debido a wia Jobco.

cargaqporunldaddeiea p', (kg/m) = 1umento de presin ,obre uu muro de ,ostenimi,mto debido a la IObro-

~ q' por unidad de loogltud pan.le}a a la creta p. (kg/aal) = pruilm de flltndq p. (kg/cml ) = pral6n que oonuponde al pu:ato b, figura 22o p. (kg/cml ) = paln inicial; presin ~ como oon,ec,,,mda d, la cubierta de

-,,.. (kg/cmt) = rnh:ima pffSl6n d, consolidacin 4"' acta sobre el suelo eo la natu ..... ~ (:f::::~ =~blo de p,aln; trnsilm de con,nlld~ praln a.da! adiclorllll eo Ap.(kg/cml)=ruiJtenr:ladeadhe~ Ap, (kg/cml) = difermcia de tensin m rotuno 4. (kg/cm1) = valor fhw cia de tensin Q (cm' oeint) = descarp. totalen la unidad de tiempo Q (kg) =c.waoonoentrada Q. (kg) =carga adtn.u:lb1' deun pilnte Q, (kg) = capacidad de carp de falla esttica de UD pilote Q ( kg q/m ) = carp. critica de una z:apalll o ~ de fl1Ddaci6o q ue descanSI, en

Alelo denloofeli.stmte. Puededividine eo Q', debldt. al pe,o del suelo y Q", de-bldaalacohesl6oy a la IObrecarp. La capacidad de~ de um. zapata in:u.laT se de:sina por Q,.; la de una zapata cuadrada por Q,,

Qo' (kg kg/m) = cuga critica JObre ,ma upa ta o un pilu dt fundacin que def. c:amaeoruelosudtooblando

Q .. (kg) = reslsteoda de UD pilote 1 )a penetracin diDAmlca Q, (kg) = fricdnlatenl (total) Q, (kg) = capacidad de carga a rotura de UD grupo de pilotes Q, (k&) = resislenda de punta de un piJote

XX

Q, (k-) = resiltfflclafrlccionaJdt UD piloteo piludefundaci6a Q, (kg) = cugii, neta ad:111.11te m una zapati, o pbtea de fund.ci6o; ali formada por

la ruma de la carga permanente neta, Q.., y de la sobrecarga propiamente dicha, Q,. Carp11,1bre unpllote;e$t formada por la JIIIIIJ. del esfuera) Qefe:rddo por el

q

XXI

:.(c-m) :profundidaddelasrietudetraccin u::ngulo a=facrordereducdndelaresistenciadelaarctllaeocootactoconelfll$ledeunpila,

deflllldaein Jl(grados) ='ngulodeltalud y (gm/cm1 ) = peso unitario (sudo, agua y aire) y' (gm/cml) = pe!iO unitario del nielo sumergido ~: (f:!~~J) ~ 1:so ~=odd~~:a cuando toda el agua es remplmid1 por aire y, (gmlcml) = peso unitario de los elemeot0:1 .slidos A= incremento '1 (kg/cm) = energia perdida durante la hinca de pilotes l, (grados) ='ogulode friccioeotresueloy111UtO: iDguloeotre la teraioresultante

ylanonnalalplaoo t = base de loslogaritmosneptrlanol; deformacin unitaria 11 (gm/cm2 seg) = viscoMad 6 (grados)= ngulo; ingulo cmtral .:::: ooeficiente de Poison, micrn ~=potencial de ~locidad (red de filtracin) f> (grados)= tngulodefricci6nintema; e:u la ecuacin de Coulomb, ngulo de ricdo

in tema (gradol) = ,l.ugulo de resistencia al corte correspondiente a la1 condiciones del en-

sayo consolldado oo drenado f>, (gndos) = -'nulo de friccin entre partlculu en SU.li puntos de contacto f>, (grados) ::::,l.ngulode resistencia al oorte ruidual t, (grados)= ngulo de ,edrtencia al corte de la artilla preoonsolidada 1=coeficientequerel1cionalapresi6ndeporosdelafa1egaseosaylafeeliquida

del suelo Joga::::Jogaritmorieperiar,o (natural ) dea log..a ::::logaritmodecimaldea ~::::distru:acla ab,medidaalolargodeuna lnea-,ta ab = di1tandaab, medida a lo largo da un arco - 11itnifica: aproximadamente igual a 15.3 indica: ecuacin 3, artkulo 15. El nmero del articulo aparece en la cabecera de

laspgiDU ten6n (kg/anl) = esi,ieno unitario en el Jentido m. amplio de la e,;pre$1n: rom

presin, tracd6n o esiueno bWendal

INTROOUCCION

Mecnica de Suelo., en lo lnger.ieria Pr6ctica se ha dividido en las tres partes siguientes:

J. Propiedades Fsicas de los Suelos. 11 . Meclllca Terica de los Suelos.

III. Problemas del Proyecto y de la Construccin. La Parte I trata de las propiedades fsicas y mecnicas de probetas

homogneas de suelos inalterados y de suelos amasados. Estudia aquellas propiedades que sirven de criterios tiles para distinguir entre d diferentes suelos, y da instrucciones para describir los suelos en forma adecuada. Tam- bin estudia aquellas propiedades de los suelos que estfo directamente re-lacionadas con el comportamiento de las masas de suelo durante y despus de la comtrucci6n de las obras.

La Parte II provee al lector de un conocimiento elemental de las teoras que se necesitan para resolver problemas que involucran la estabilidad o la capacidad de carga de los suelos, o bien que ataiien a la accin mutua entre suelo y agua. A pesar de que todas estas teoras se basan en hiptesis radi-calmente simplificativas respet'IO de las propiedades mecnicas e hidrulicas de los suelos, cuando se aplican con propiedad, los resultados que se obtienen con estos procedimientos aproximados son suficientemente exactos para la mayora de los propsitos prcticos.

La Parte III trata de la aplicacin de nuestro conocimiento actual del comportamiento ele los suelos y de las teorlas de mecnica de suelos al pro-yecto y a la oonstrocci6n en el campo de las fundaciones y de la ingeniera de los suelos.

Las propiedades fsicas de los suelos podran estudiarse muy bien en un curso general sobre las propiedades de los materiales de construccin, y las teoras de la mecnica de suelos constituyen una parte del panorama general que abarca la mecnic-a terica. Pero el proyecto y la comtrucci6n de undaciones y obras de tierra, que fonna la tercera y ms extensa parte de este libro, es un tema independiente, con caractersticas propias, pues involucra mtodos de razonamiento y de procedimiento que no tienen se-mejanza con los utilizados en otras ramas de la ingenierla de las estructuras. En otras especialidades, el ingeniero estudia el efecto que las fuerzas ejercen sobre estructuras construidas con productos manufacturados, como ser el ace-ro y el honnign, o con materiales naturales seleccionados cuidadosamente, como lo son la madera y la piedra utilizadas con ese propsito. Como W

XXN

propiedades de estos materiales pueden detenninarse con exactitud, los pro-blemas que plantea el proyecto pueden casi siempre resolverse por aplicacin directa de la teora, o de los resultados de ensayos sobre modelo.e:.

Por contraposicin, toda manifestacin o conclusin relativa al compor !amiento de los suelos en el terreno involucra muchas incertidumbres, y, en casos extremos, los conceptos que gobiernan el proyecto no alcanzan a ser m&s que crudas hiptesis de trabajo, que pueden estar let()s de la realidad. En estos casos, el riesgo de una falla total o parcial puede eliminarse sola-mente con el uso de lo que podramos llamar el procedimiento experimental, basado en la observacin del comportamiento real de la obra. Este proce-dimiento se lleva a la prctica haciendo observaciones apropiadas del com portamiento de la obra desde el inicio de su construccin, a fin de descubrir cualquier signo que indique que las condiciones reales divergen de las su-puestas por el proyectista; en cuyo caso se modifica el proyecto o el mtodo constructivo, ajustndolo a dichu conditiones.

Estas consideraciones determinan el orden y el mtodo de presentacin de los temas que se estudian en la Parte lll. En lugar de empezar con ins-trucciones pam aplicar los principios tericos en el proyedo, la Parte lI{ tfllta primero la tcnica a utilizar para obtener, en un lugar dado, datos respecto de las condiciones del subsuelo por medio de perforaciones, aus-cultaciones, muestreo y ensayos. A pesar de que esta exploracin del terreno requiere siempre mucho tiempo y trabajo, los resultados que se obtienen dejan comnmente mucho lugar para la interpretacin personal.

Los captulos siguientes contienen un estudio de los principios generales a uti!i7.ar en el proyecto de muros de sostenimiento, diques de tierra y fun-daciones. El comportamiento de estas estructuras depende principalmente de las propiedades fsicas de los suelos y de las condiciones del subiuelo. Como nuestro conocimiento de las rondiciones del subsuelo es siempre in-completo, es inevitable que exista cierta incertidumbre con respecto a la validez de las hiptesis fundamentales que se utilizan en la confeccin del proyecto. E.ta incertidumbre requiere y recibe atencin constnnte en la com-posicin de este libro. Tales disquisiciones no son necesarias en los libros de texto que tratan de las otras ramas de la ingeniera estnictural, ya que casi siempre se puede tomar como segura la exactitud de las hiptesis fun-damentales relativas a las propiedades de los otros materiales comunes de construccin.

PA RTE 1

Propiedades fsicas de los suelos

La parte I est dividida en tres capltulos. El primero se ocupa de los procedimientos comnmente utilizados para diferenciar los distintos suelos o distintos estados de un mismo suelo. El segundo, trata de las propiedades hidrulicas y mecnicas de los suelos y de los mtodos experimenta1es uti-lizados para determinar valores numricos representativos de esas propieda-des. El tercer captulo estudia los procesos fsicos relacionados con el drenaje de los suelos.

Captulo 1

PROPIEDADES INDICE DE LOS SUELOS

AkT. 1 IMPORTANCIA PRCTICA DE LAS PROPIEDADES INDICE

En fundaciones y mecnica de suelos, ms que en cualquier otra rama de la ingeniera civil, es necesaria la experiencia para actuar con xito. El proyecto de las estructuras comunes fundadas sobre suelos, o de aquellas destinadas a retener suelos, debe necesariamente basarse sobre simples reglas empricas, as! que stas pueden ser utiliudas con propiedad sola-mente por el ingeniero que posee un bagaje suficiente de experiencia. Las obras de mayor vuelo, con caractersticas poco comunes, suelen jwtificar . la aplicacin extensiva de mtodos cientficos en su proyecto, pero, a,menos que el ingeniero a cargo de ellas posea una gran experiencia, no podr preparar inteligentemente el programa de ensayos requeridos ni interpretar sus resultados en la forma debida.

Como la experiencia personal no llega nunca a ser lo suficientemente extensa, el ingeniero se ve muchas veces obligado a basarse sobre informes acerca de experiencias ajenas. Si estos informes contienen una descripcin adecuada de las pmdiciones_ del suelo, constituyen una fuente estimable cit. conocimientos; de otro modo pueden conducir a conclusiones errneas. En efecto, en el dominio de la ingeniera de las estructuras una descripcin de la rotura de una viga sera de poco valor, a menos que se incluyese, ade-ms de otros datos esenciales, un prrafo indicando si la viga se hizo de acero o de fundicin. En todos los anales antiguos sobre experiencias con fundaciones, la naturaleza de los suelos es descrita simplemente con tnni-nos generales tales como "arena finaN o "arcilla blandan, a pesar de que la diferencia en Jas propiedades mecnicas de dos flrenas finas de distintas localidades puede ser ms importante y de mayores consecuencias que la existente entre acero y fundicin. Por esta ra:t.n, uno de los principales propsitos perseguidos en los esfuenos recientes para reducir los riesgos inherentes a todo trabajo de suelos ha consistido en buscar mtodos pan, diferenciar los distintos tipos de suelos de una misma categora. Las pro piedades en que se basa dicha diferenciacin se conocen con el nombre de propiedades ndice y los ensayos necesarios para determinarlas, ensayos de cla.rificacin.

La naturaleza de cualquier suelo puede ser alterada si se lo somete a un tratamiento adecuado. Por ejemplo, una arena suelta puede trasformarse en densa si se la vibra adecuadamente. Por eso. el comportamiento de los

PROPIEDADES fND10 DI!. LOS SUELOS

suelos en el terreno depende no solo de las propiedades significativas de los granos de su masa, sino que tambin de aquellas propiedades que ~enen su origen en el acomodamiento de las partlculas dentro de ella. De ~ que resulte conveniente dividir las propiedades ndice en dos clases: proptedadu de lo, granos del suelo y propiemules de los agregados de suelo. Las prin cipales propiedades de los granos del suelo son la forma y el tamao, y en los suelos arcillosos, las caractersticas mineralgicas de las partculas ms pequeas. Las propiedad.es mh significati~as de ~os agregad.os de su~lo son a su vez las siguientes: para los suelos sin cohesin, la denndad relativa y, para los suelos cohesivos, la ~asistencia.

El estudio de las propiedades de los granos y de los agregados d~ suelo va precedido, en el ordenamiento de este captulo, por una. de5

AJIT. 2 PIUNCD'AU:S TIPOS DE SUELOS

En climas semiridos o templados los suelos residuales son normalmente firmes y estables y no se extienden hasta gran profundidad. En cambio, en climas calientes y hmedos, en particu1ar donde el tiempo de exposicin ha sido largo, estos tipos de suelos pueden extenderse hasta profundidades de varias decenas de metros y ser fiJmes y estables; pero tambin pueden componerse de materiales altamente compresibles que rodean bloques de rocas menos alteradas (artculo 49). Bajo estas circunstancias llegan a set la fuente de dificultades para las fundaciones y otros tipos de construccin. Igualmente, muchos de los depsitos de suelo trasportados son blandos y sueltos huta profundidades de varias decenas de metros y constituyen la fuente potencial de serios problemu.

Los suelos de origen orgnico se han formado casi siempre in ritu, ya sea como amsecueocia de la descomposicin de vegetales -como en el caso de Lu turbas-, ya sea por la acumulacin de &agmentos de esqueletos inorgnicos o de conchas de ciertos organismos. De all que los suelos de origen orgnico pueden ser tanto orgnicos como inorgnicos. No obstante, la e:rpres:ln ,uelo orgnico se aplica generalmente a suelos trasportados, producto de la descomposicin de lu rocas, que contienen cierta cantidad de materia orgnica vegeta] descompuesta.

Las condiciones de los suelos del lugar donde ha de construirse una estructura son comnmente exploradas por medio de sondeos, perforaciones o e.zcavaciones a cielo abierto. El tcnico que las efecta examina las mues-tras a medida que stas son extradas y las clasifica anotando el nombre del suelo e indicando su compacidad, color y otras caractersticas. Estos datos le sirven luego para preparar el perfil de la perforacin, donde indica cada capa de suelo por su nombre y proporciona las cotas entre las cuales se eitiende. Los datos as obtenidos puedeo ser completados ms tarde con uo resumen de los resulta~os de eosayos de laboratorio efectuados sobre muestras de lus suelos del perfil

A cootinuacio se describen los suelos ms comunes, coo los nombres genera!mente utilizados para su clasificacin en el terreno.

Ls arena, y las gravas o ripio, o cantos rodados son agregados sin cohe-sin de fragmentos grADulares o redondeados, poco o no alterados, de rocas y minera1es. Las partculas menores de 2 milmetros se clasifican como arena, y aquellas de mayor tamdo hasta 15 20 centmetros, como grava o ripio o canto rodado. Los fragmentos de rocas con dimetros mayores se conocen a>mo piedroa-bolar, piedra.s-bochoa, rodado, grande.a, etctera.

Los limo, inorgnico, son suelos de grano fino con poca o ninguna plasticidad. Las variedades meno, plisticas consisten generalmente en partculas ms o menos equidimenskmales de cuarzo y, en algunos pases, se los distingue coo el nombre de poloo tk roca. Los tipos ms plsticos contienen un porcentaje apreciable de partlculas eo fonna de escamas y se denominan limos pUaticru. A causa de su textura suave, los limos inorgni-cos son comnmente tomados por arcillas, pero pueden distinguirse fcilmen-te de stas sin necesidad de efectuar ensayos de laboratorio. Si una pasta de limo inorgnico saturado se sacude en la palma de la mADo, la pasta expele suficiente agua como para producir una superficie brillante que, si la pasta es

PROPJEDAPES NDICE DE LOS SUELOS

posleriormmte doblada entre los dedos, se vuelre nuevamente opaca. Este simple procedimiento se C'01lOCe como m,ayo de ~-

Despus de secada, la pasta de limo inorgnico es frgil, siendo fcil deqx,gar polvo de ella si se la frota con los dedos. Los limos son relativa-mente impermeables, pero cuando se encuentran en estado suelto pueden subir del fondo de una perforacin o excavacin oomo si fueran un espeso fluido viscoso. Los suelos m inestables de esta categora se distinguen a veces como arenas fluidas muy finas.

Los limo, orgnico, son suelos de graoos finos ms o menos plsticos, con una mezcla de partculas de materia orgnica finamente dividida. A veces contienen tambin fragmentos visibles de materia vegetal parcialmente descompuesta o de otros elementos orgnicos. Estos suelos tienen colores que varan de gris a gris muy oscuro, y pueden contener cantidades apre-ciables de HzS, CD: y de otros productos gaseosos originados por descom posicin de la materia orgnica, lo que les da un olor caracterstico. Los limos orgnicos tienen may alta oompresibilidad, y su permeabilidad es muy baja.

Las ardlla.t son agregados de partculas microscpicas y submicrosc-picas derivadas de la descompos:icin qumica que sufren los constituyentes de lu rocas. Son suelos plsticos dentro de limites extensos en contenido de humedad y cuaodo estn secos son duros, sin que sea posible despegar polvo de una pasta frotada con los dedos. Tienen, adems, una permeabi-lidad ertremadamente baja.

Las arcfllaa orgnica, son aquellos suelos de este tipo que derivan algu-nas de sus propiedades fs:icas ms significativas de la presencia de materia orgnica finamente dividida. Cuando estn saturados son generalmente muy compresibles, y secos presentan una resistencia muy alta. Tienen colores que varan de gris oscuro a negro, y pueden poseer un olor caracterstico.

Las turba..t son agregados fibroros de fragmentos macro y microscpicos de materia orgnica descompuesta. Su color vara de un castao claro a negro. Las turbas son tan compresibles que casi siempre resultan inade-cuadas para soportar fundaciones. Si bien es cierto que se han desarrollado varias tcnicas especiales para construir terraplenes sobre depsitos de turba sin correr el riesgo de que se hundan en el terreno, el asentamiento resul-tante suele ser graode y continuar a un ribno decreciente por muchos aos.

Si un suelo est compuesto de una combinacin de dos clases distintas de material, para identificarlo se utiliza el nombre del .material predomi-nante como sustantivo y el del que entra en menor proporcin como adjetivo calificativo. Por ejemplo, arena limosa indica un suelo en el que predomina la arena, que contiene una pequea cantidad de limo. Una arcilla arenosa es un suelQ con las propiedades de las arcillas. que contiene una cantidad apreciable de arena.

AllT. 2 Pl\lNCIPALES nPOS DE SUELOS

Las propiedades de los agregados de granos de arena y grava se descri ben cuaHtativamente por medo de 1os trminos suelta, medianamente den.ta y densa. Los agregados de partculas de arcilla, por los trminos dura, com pacta, medianamente compacta y bkmda. Estas caractersticas son gene ralmente estimadas en el terreno, mientras se efecta la perforacin, basndose en varios factores que incluyen la facilidad o dificultad relativa para hacer avat17.ar las herramientas de sondeo o para sacar muestras y la consistencia de las muestras obtenidas. Como este mtodo de estimacin puede conducir a una concepcin muy errnea de las caractersticas generales del depsito de suelo, toda vez que sus propiedades mecnicas puedan resultar impor tantes para el proyecto a rea1izar, su descripcin cualitativa debe suplemen-tarse con determinaciones cuantitativas de dichas propiedades. Estas deter-minaciones requieren comnmente la realizacin de ensayos de laboratorio sobre muestras inalteradas (artculo 7), o bien ensayos apropiados en el terreno ( articulo 44) .

Para reducir los riesgos de errores en la correlacin de los estratos identificados en los sondeos es conveniente sealar, en su registro, el color de los distintos estratos. El color puede, en ciertos casos, ser tambin una indicacin de que eJ:iste una diferencia real en las caractersticas del suelo. Por ejemplo, si la capa superior de un estrato sumergido de arcilla es amari-llenta o de color castao y ms compacta que la arcilla ms profunda, la diferencia de color suele significar que la capa superior fue temporaria-mente expuesta al secado y a la oiidacin. Cuando en un mismo estrato de suelo hay diferencia de color de punto a punto, suelen utilizarse para clasificarlo los trminos moteado, jaspeado, manchado, etctera. Los colores oscuros y parduscos indican, en general, la presencia de materia orgnica.

Bajo ciertas condiciones geolgicas especiales se fonnan suelos que estn caracterizados por uno o ms rasgos peculiares, tales como la presencia de una estructura debida a la existencia de agujeros dejados por rafees edinguidas o una estratificacin regular poco comn. A causa de estas caractersticas, tales suelos pueden ser fcilmente identificados en el terreno y por ello han recibido nombres especiales. En lo que sigue, se dan las definiciones y descripciones de algunos de estos materiales.

Las morenas son depsitos glaciares no estratificados de arcilla, limo, arena, cantos rodados y piedras que cubren aquellas partes de la supedicie rocosa que estuvieron bajo los hielos en los periodos de avance de los glaciares.

Las tu/as son agregados finos de minerales y fragmentos de roca muy pequeos, arrojados por los volcanes durante las explosiones, y que han sido trasportados por el viento o por el agua.

Los loeu son sedimentos elicos unifonnes y cohesivos, comnmente de color castao claro. El tamao de la mayora de sus partculas oscila entre los estrechos limites comprendidos entre 0,01 y 0,05 mm y su cohesin es debida a la presencia de un cementante que puede ser de naturaleza predominantemente ca1crea o arcillosa. A causa de la presencia universal de agujeros verticales continuos, dejados por las rafees ertinguidas, la per meabilidad en las direcciones horizontales es mucho menor que en la direc

PROPIEDADES NDICE DE LOS SUELOS

cin vertical. Ademis, e1 material se caracteriza por la capacidad de mante-nerse estable en taludes casi verticales. Los depsitos vrgeoeJ no han sido nunca saturados; si lo son, el cementante que mantiene la adherencia entre las partculas se ablanda y la superficie del depsito puede sufrir un asentamiento.

Loess modificad

AftT. 3 T..u.lAAO Y POIIMA DE U.S PARTcuLAs 01: LOS SUELOS

m tambi~. Los depsitos de bentonita son comunes en Nort~rica, incluyendo Mjico. En la Argentina existen depsitos de dicho material en el oeste del pats ,

Todos tos trminos utilizados para la clasificacin de los suelos en el terreno abarcan una variedad ms bien grande de materiales d istintos y, adems, la eleccin del trmino para calificar su densidad o compacidad depende demasiado del criterio de la persona que enmina el material. Por ello, la clasificacin de los suelos en el terreno es siempre m5 o menos ioclerta e incorrecta. Datos m5 especficos pueden obtenerse solamente con ensayos flsicos que proporcionen valores numricos representativos de las propiedades del suelo.

Los mtodos a utilizar para la exploracin del suelo y los procedi?nien-tos a seguir para determinar vaJores nu~ricos promedio de sus propiedades forman parte del programa de estudio para el proyecto y construccin de las obras y son tratados en el capitulo 7, parte IU.

ART. 3 TAMARO Y FORMA DE LAS PARTfCULAS DE LOS SUEWS

El tamao de las partculas que constituyen los suelos vara entre aquel de un canto rodado y el de una molcula grande.

Los granos de un tamao mayor de unos 0,00 milmetros pueden ser en.minados a simple vista o por medio de una lupa, y constituyen la fraccidn muy gruua y la fraccn gruuo de los suelos.

Los granos comprendidos entre 0,08 milmetros y 2 micrones ( 1 micrn - 0,001 milmetro) pueden ser examinados con la ayuda del microscopio y constituyen la fraccin fintJ de los suelos.

Los granos menores de 2 micrones constituyen la fraccin muy fina . De stos, los comprendidos entre 2 micrones y 0,1 micrn pueden ser distin-guidos con el microscopio, aunque no se llegue a percibir su forma. Para los granos menores de un micrn sta puede ser determinada con el micros-copio electrnico, e investigada su estructura molecular por medio de los rayos X.

El proceso de separar un agregado de suelo en sus diferentes fracciones, cada una consistente en granos de tamaos distintos, dentro de ciertos limites, ,e conoce con el nombre de an.Um mecdnico o anU.ri, granulomitrlco. Por medio del anlisis granu1omtrico se ha encontrado que la mayora de las suelos naturales contienen granos de dos o ms fracciones. Las caracterls licu particulares de un suelo compuesto estn casi enteramente determi-nadas por las propiedades de la fraccin m5 fina. En este aspecto, los suelos son similares al hormign, cuyas propiedades estn determinadas principalmente por el cemento, mientras que el agregado, que constituye su mayor parte, acta como inerte. El "'agregado" o parte inerte de un suelo

De i. lista de nombres de suelos lDduld,. en el te.to origina). se han elim!Mdo los nombres de "'hardpu ... "'lake marro "bo~" y .. adobe'", por oo tener en ea5tt.lWJO equ!valen19' de mo corriente, agregando en su Inga, loa de .. gnida. .. y .. tosca ... (N. thl T.)

10 PROPIEDADES iND1a: DE LOS SUELOS

compuesto forma entre el 80 y el 90 por ciento de su peso seco total, y la parte decisiva o activa el resto.

Las fracciones muy gruesas, por ejemplo la grava, consisten en frag-mentos de rocas compuestos de uno o ms minerales. Los fragmentos pueden ser angulares, redondeados o chatOJ. Pueden ser sanos o mostrar slgoos de considerable descomposici6n, ser resistentes o delemables.

Las fracciones gruesas, representadas por las arenas, consisten en granos compuestos por lo general de cuarzo. Los gr&11?5 pueden ser angulares o redondeados. Algunas arenas contienen un porcentaje importante de esca-mas de mica, que las hace muy elAstica.s o esponjosas.

En las fracciones finas y muy flnu cada grano est constituido gene-ralmente de un solo minera]. Las partculas pueden ser angulares, en forma de escamas y ocasionalmente con forma tubular, pero nunca redondeadas. En algunos casos excepcionales, la fn.ocin fina contiene un alto porcentaje de f6siles poroSO!, como diatomeas o radiolarias, que imparten al suelo pro. piedades mecnicas poco comunes. En general, el porcentaje de partculas escamosas aumenta en un suelo dado a medida que decrece e] tamao de sus fracciones.

Si el tamafio de la mayora de los granos de un agregado de partfoulas de suelo est comprendido dentro de los lmites dados para uoa de las fracciones, el agregado constituye un ,uelo uniforme. Los suelos uniformes de granos muy gruesos y gruesos son comunes, pero muy raramente se encuentran suelos muy finos o coloidales de este tipo. Todas las arcillas contienen elementos finos, muy fioos y coloidales y a veces hasta partculas gruesas. Las fracciones ms finas de las arcillas consisten prncipalmente en partlculu con forma de escamas.

El predominio de partculas escamosas en la fraccin muy fina de 10! suelos naturales es una consecuencia de los procesos geolgicos de su forma-cin. La gran mayorla de los suelos deriva de procesos qumicos que se deben a la accin de los agentes climticos sobre las rocas, las que estn constituidas, en parte, de elementos qumicamente muy estables y, en parte, de minerales menos estables. Los agentes climticos trasforman los mine-rales menos estables en una masa friable de partculas muy pequel'ias de minerales secundarios que, comnmente, tienen forma de escamas, mientras que los minerales estables permanecen prcticamente inalterados. Es as como el proceso de descomposicin por los agentes climticos reduce las rocas a un agregado consistente en fragmentos de mioerales inalterados o prcticamente inalterados, embebidos en una matriz compuesta principal-mente de partlculas con forma de escama. Durante el trasporte por agua que sigue a este fenmeno, el agregado es desmenuza.do y sus elementos, sujetos a impactos y al desgaste.

El proceso puramente mecnico de desgaste no alcanza a reducir los granos duros y equidimensionales de minerales inalterad,,s en fragmentos menores de unos 10 micrones (0,01 milmetro). En contraposicin, las part-culas friables, constituidas por minerales secundarios con forma d e escamas, aunque inicialmente muy pequeas, son fcilmente desgastadas y desmenu-zadas en partculas aun menores. Esto explica por qu las fracciones muy

ART. 4 PROPIEDADES DE LOS SUELOS DE PRAOCIONa MUY FINAS 11

finas de los suelos naturales se componen principalmente de tal clase de partculas.

ART. 4 PROPIEDADES DE WS SUEWS FORMADOS DE FRACCIONES MUY FINAS

Cuando se rompe y desmenuza un trozo de cualquier mineral dividindolo en partes o fracciones con granos de diferentes tamaiios, y se saturan las fracciones, se encuentra que la fraccin ms fina exhibe propiedades que estn ausentes en la &accin ms gruesa. Ms an, se observa que estas propiedades dependen en gran mecUda de la naturaleza del mineral

La influencia que ejerce el tamao de las partculas y la naturaleza del mineral se puede explicar comparando algunas propiedades de las dife-rentes fracciones de cuarzo con ciertas propiedades de sendas fracciones de cuarzo y de biotita con granos de tamaos iguales. Si cada una de las frac-ciones en que se ha dividido el cuarzo, constituidas stas por granos de buena cubicidad, es decir, sin partculas alargadas, se mez.cla con agua, se agita y luego se pone a sedimentar, se observa que las porosidades de los respectivos sedimentos estn en relacin directa con la finura de la fraccin de la cual partieron. En la fraccin ms fina del conjunto, las partculas ms pequeas permanecen en suspensin por muchas semanas. No obstante, si se agrega a esta suspensin una gota de una solucin que contenga u\ dectrolito, la sedimentacin comienza casi instantneamente. Ms an, la porosidad del nuevo sedimento es mucho mayor que la del sedimento ms suelto precipitado dentro del agua destilada. Estas observaciones indican que cada partcula est sometida no solamente a la fue17.a de la gravedad P.,. que tieode a provocar su descenso, sino que, adems, tambin hay otras fuerzas, cuya resultante se desigila por P., que tienen su asiento en la super-ficie de las partculas y que interfieren el movimiento de las partculas adyacentes. Se sabe que las fuen:as P. son de naturaleza elctrica.

A medida que disminuye el dimetro D de los granos casi equidimen-lionales de cuarzo, la fuerza P, que acta sobre una partcula disminuye en proporcin a D, mientras que la fuerza de superficie P. lo hace en propor-cin a JYl. Por tanto, la relacin entre P, y P0 decrece en proporcin directa con el dimetro D. Si, por ejemplo, un cubo de cuarzo con un volumen de 1 cm' fuese divicUdo en otros menores con tamao de 1 micrn, la relacin P,IP. disminuirla por el factor 1~. Por tanto, para cubos muy pequeos, las fuerzas de gravedad se toman despreciables en comparacin con las fuerzas de superficie, las que, entonces, ejercen una influencia determi-nante en las propiedades del agregado. As es como, a pesar de que la fraccin gruesa de cuarzo es perfectamente no cohesiva, con la disminucin del tamao de los granos adquiere una cantidad de coherencia que va en aumento. No obstante, ni las fracciones ms finas llegan a tener plasticidad -esa propiedad de poder ser amasadas en pequeos cilindritos dentro de una cierta amplitud en contenido de humedad- que caracteriza a muchos suelos.

Los granos de biotita, en contraste con los de cuarzo, se caracterizan

12 PROPIEDADES NDICE DE . f,OS SUELOS

por ser chatos. Para una partcula chata, en forma de lmina, la relacin entre volumen y superficie y, por consiguiente, la relacin entre P, y P, es relativamente mucho menor que la que tienen las partculas equidimensio-na.les, de modo que la influencia del tamao de los granos en la porosidad y en las otras propiedades fsicas del agregado resulta mucho ms evidente. Adems de adquirir cohesin con la disminucin del tamao de los granos, el agregado de partculas saturadas tambin adquiere un considerable grado de plasticidad.

Las importantes diferencias que existen entre el comportamienlo de las parcu1as de cuano y de biotita tienen su origen en la diferente estructura cristalina de los dos minerales. La estructura cristalina del cuano conduce a un hibito de buena cubicidad mientras que aquella de la blotita lo hace a un Mbito chato. Se ha determinado que el hbito chato que exhiben algu00$ minerales va invariablemente asociado a una estructura cristalina foliada. Ms an, se ha encontrado que las fracciones ms finas de los dife-rentes minerales con estructura cristalina foliada tambin muestran propie-dades algo diferentes, porque las caractersticas elctricas de las superficies de estas hojas dependen de la estructura cristalina particular que corres ponde a cada mineral

Prctk:amente todos los minerales de estructura foliada, presentes en Lis fracciones ms finas de los suelos, pertenecen a un grupo que se conoce como mineralu arcillom,. La mayorla de los minera1es de este grupo se puede clasificar en tres 5Ubgrupos conocidos por: las caaliniuu, las llito& y las montmorilonitar. Cada uno de ellos se caracteriza por una distribucin de ,tomos que produce una carga elctrica negativa en las superficies chatas de los cristales. ,

Una partfoula simple de arcilla puede estar formada por muchas hojas apiladas unas sobre las otras. Cada hoja tiene un espesor definido, pero no est limitada en .rus dimensiones perpendiculares a su espesor. Por ello, las partculas de arcilla tienden a adquirir fonna de lminas o adoptar dispo-siciones que asemejan terrazas chatas (fig. 4.1 ). Las superficies cha~as llevan cargas elctricas residuales negativas, pero los bordes rotos de las lminas o de las tena:zas pueden ser asientos de cargas positivas o negativas, segn cul sea el ambiente en que se encuentran.

En los problemas que interesan al ingeniero civiL las partculas de arcilla estn siempre en CGnlacto con agua. Las interacciones entre las partlculas de arcilla, el agua y los minerales disueltos en ella son las re,ponsabl!S princi-pales de las propiedades de los suelos compuestos por estas partculas.

El agua pura se compone prncipabneote de molculas de H20 , auoque algunas de ellas siempre se disocian en iones de H+ y en Iones hidroxilos OH-. Si hay impurezas., como cidos o bases, stas tambin se disocian en catione5 cargados positivamente y anfooes cargados negativamente. La sal, por ejemplo, se disocia en Na+ y en CI-. Como las superficies planas de los minerales arcillosos llevan carga elctrica negativa, los cationes. incluyendo el H+ proporcionado por la propia agua, son atrados hacia la superficie de las partlcu1as. Se dice que dicho catin est a&orbdo. Los varios minerales arcillosos difieren ampliamente en su propiedad de adsorber cationes; la

/lRT. 4 PROPIEDADES DE LOS SUELOS DE FMCClONES !rlUY FINAS ].']

Fir. 4.1. Miuoo1.,....r.a e!,...trnlc de particu.la, de cao'inila en himinn up~rpQeNU como tffTIIZIIL

capacidad apro~mada de intercambio de cationes ( expresada en trminos del nmero total de cargas positivas absorbidas por cada 100 gramos) de diferentes minerales arcillosos, con partculas de tamao semejante, se mues-tra en la tabla 4.1.

Mineral

Montmorilooita m,a Caolinlta

Nmero tola! de caTgas pol'itivas adsorbidas por 100 g (X 10" )

:J60..500 120-240 20-90

Los iones adsorbidos no estn unidos permanentemente al mineral ard Uoso y si, por ejemplo, una arcilla que contiene iones adsorbidos de Na+ es lavada con una solucin de KCI, la mayor parte de los iones de Na+ se remplaza por iones de K+. Este procedimiento se conoce como intercambio de catione, o tambin como intercambio de baau.

PROPJZDAOD NDICE DE LOS SUELOS

El agua adyacente a las caras negativamente cargadu de las partfoulas minerales puede en s{ misma sufrir una a1teraci6n y sus molculas organi-zane en una disposici6n que viene determinada por la posicin y la natu-raleza de lo, cationes adsorbidos y, en cierta medida, por el espaciamiento del entramado a:istalino del mineral arcilkl$0, Se dice, entonces, que el agua est adsorbida y tiene una estructura. El espesor de agua adsorbida varia considerablemente con el tipo de mineral arcilloso y con tu caractersticas de los cationes presentes. Sus propiedades de adsorcin no han s:ido todava adecuadamente lllvestigadas, pero se sabe, no obstante, que puede ejercer influencia hnportante en las propiedades mecnicas de la masa de arcilla. Los iones adsorbidos, conjuntamente con el agua adsorbida, oomtituyen el com-plejo de ac:uorddn.

Los cationes adsorbido, por una particula mineral se encuentran en movimiento permanente debido a la agitacin trmica, Se distribuyen esta-disticamente cerca de la superficie en un grupo que tiene su mayor densidad de iooes en el inmediato contacto con la superficie y una densidad decre-ciente ooo la distancia, como indica la figura 4.2. Constituyen una zona

n,. 4 . 2. ReprMeatadn d ........... du de la dl.otribudo11 de ea"--THfflla aaa putje1WI de a,elUa eon earga 1uperldal nepth'II.

cargada positivamente o una capa que, conjuntamente con la supedicie car-gada negativamente de la partcula. se conoce como la capa el.ctrica doble. Las capas elctricas dobles que rodean dos partculas adyacentes aproxima-damente para1elas se repelen entre s con una intensidad que depende en gran parte de la naturaleza y concentracin de los iones existentes en el agua. Adems de las repulsiones asociada! con las capas dobles, otros campos de fuerza rodean las partcuJas cargadas. f:stos iocluyen fuerzas de atraccin como de repulsin. A pesar de que la naturaleza de lo, otro! campos de fuena se conoce bastante bien, los factores que afectan la magnitud de ertaJ fuer.zas no han sido analiudos suficientemente, No obstante, la informacin existente permite una interpretacin ra7.0nable, aunque grosera, de muchos de los fenmenos observados y sirve para ilwtrar su complejidad.

Una de las consecuencias de las fuerzas asociadas con las superficies de las partfoulas de arcilla es la e.structura que pueden desarrollar durante

ART. 4 PROPIEDADF.S DE LOS SUELOS DE FRACCIONES MUY FINAS 15

su sedimentacin. Si se introducen partfoulas de arcilla en agua destilada, la carga neg.tiva sobre cada partcu1a ca.usa ]a repulsin de cualquier otra partcula que trate de aproximarse. Ninguna partcula se adhiere a la otra, la fueru de gravedad sobre cualquiera de ellas permanece despreciable. mente pequea y las partculas sedimentan muy despacio o quedan en sus-pensin mostrando movimiento browniano. En las aguas naturales que contienen una suficiente concentracin de electrolitos, como son las aguas de las regiones con piedras calcreas, las superficies de algunas de las par-tculas atraen y adsorben iones de signo opuesto. Tales partculas pueden, entonces, ser atradas por otras, acumularse en lculos, llegando stos a ser suficientemente grandes como para sedimentar en el fondo por efecto gra-vitacional. Bajo ciertas circunstancias, especialmente si los bordes rotos de las lminas que forman las particulas Uevan cargas positivas, las partCu bs del flculo pueden poseer una esttuctura de contacto borde contra cara (fig. 4.3a); en otras, los flculos pueden componerse de partculas dispuestas tsencialmente en una estroctura paralela (fig. 4.3b). Los sedimentos for

lo/ lb/ Fl. 4.S. () D:ltpoei,,~ borde renlra ur de puticlWI, de ue1lla de lof'm lmlnn y rembln11e>Ofl de t. m lam en lctotoe. (1,) Flcul011

de r-eilhi enana dlqlotleln pralel.

mados exclusivaffiente de minerales arcillosos suelen, por tanto, componerse de grupos de flculos de partculas de arcilla, los que, a su vez, estn dis puestos en una estructura suelta, constituida sta con flculos, que tienen una estructura borde contra cara, una estructura paralela o bien alguna otra estructura intermedia. Sin embargo, como la mayora de los sedimentos tam bin contienen particulas ms gruesas, stas alteran de una manera signifi-cativa dicha disposicin {articulo 18) .

Si la presin que acta sobre un sedimento aumenta por la adicin de auevos sedimentos o por la aplicacin de una carga externa, el contenido de ltwnedad del sedimento disminuye, las partculas se ven forzadas a aprolti mane entre s y el suelo se dice que se conwlida. La mayor parte de la mergla que debe gastarse para consolidar el sedimento se consume en pro ducir 1.a rotura estructural de los flculos y en el trabajo que es necesario

16 PROPIEDADES NDICE DE LOS SUELOS

hacer contra las fuerzas de repulsin entre partculas; otra parte se emplea en la defonnacin elstica de stu

Si se retira en cualquier momento la presin, manteniendo el suelo en contacto con agua libre. el contenido de humedad y el volumen aumentan. Este fenmeno se conoce como hinchamiento. Una parte de la energa recu-perada como consecuencia del hinchamiento representa el trabajo realizado por las fuerzas repulsivas para separar las part!culas; otra parte proviene de la restitucin elstica.

Las causas de la consolidacin y del hinchamiento suelen ser distintas para las diferentes fracciones granulomtricas. Si se altera la presin que acta sobre una mezcla de arena gruesa y mica, por ejemplo, mucho de la consolidacin o del hinchamiento se debe a la deformacin elstica o restitu-cin de los granos. En las fracciones muy finas de los suelos, sin embargo, los fenmenos asociados con las cargas elctricas pueden predominar.

Si se pudiese someter a un nico lculo de particulas de arcillas con orientacin paralela, como uno de los que se muestra en la figura 4 .3b, a una deformacin tangencial de corte, la resistencia al desli7.amiento a lo largo de las superficies situadas entre partculas sera extremadamente pequea, siempre y cuando las superficies de las partculas fueran planas. En realidad, las partculas no son planas sino que poseen una configuracin terrazad que supone algunas interferencias que desarrollan resistencia al corte. Si un sedi; mento formado de muchos lculos, cada uno paralelo pero con orientacin diferente, uese sometido al corte, se desarrollarla una resistencia considera-blemente mayor debido a la interferencia entre flculos. Si el sedimento estuviese constituido de lculos que tienen una estructura borde contra cara ( fig. 4.3a), se produirla U:na sustancial interferencia entre particulas". Ms an, se ofrecera tambin resistencia a causa de la atiaccin en los contactos entre los bordes y las caras de las partculas. Las interferencias y atracciones descriptas son responsables de la resistencia al corte del sedimento.

Si un sedimento natural se amasa a fondo , los flculos en su mayora se deshacen y muchas de las partculas de arcilla se orientan fonnando conjuntos casi paralelos. Como consecuencia, la resistencia al corte puede decrecer sustancialmente. Se dice, por tanto, que la arcilla es tt11.ribl.e a una alteracin.

Ciertas arcillas marinas de los pases escandinavos y de la parte oriental del Canad se caracterizan por tener una sensibilidad extraordinariamente alta y son, por ello, identificadas como arcillas fT.uidas. Despus de una alte racin, como puede ser un deslizamiento, estas arcillas toman las caracte-rsticas de un fluido viscoso y comnmente fluyen desplazndose en una gran distancia (artculo 49). Su alta sensibilidad se atribuye a una reduccin de la concentracin de iones de sodio en el agua de los poros como conse-cuencia del lavado por lixiviacin. Esta teora est llpoyada en datos del te rreno, como as tambin en los resultados de experimentos de laboratorio.

Cuando se depositaron, las arcillas fluidas tenan sus huecos ocupados por agua de mar, con un contenido sustancial de sal, en una concentracin que pudo haber alcanzado basta 3.5 g por litro. Los anlisis qumicos del agua de los poros de cierto nmero de arcillu fluidas de Escandinavia han

AR'f', 4 PROPIEDADES DF: LOS SUELOS DE FRACCIONES MuY HNAS 17

demostrado que stas contienen ahora muy poco o nada de sal mientras que, en la misma localidad, el agua de los poros de otras arcillas marinas similares, de solo moderada sensibilidad, posee considerable concentracin de sal. En general, entre las arcillas marinas de Escandinavia que se han analizado, las menores sensibilidades van apareadas con los mayores conte-nidos de sal (Skempton y Northey, 1952).

Si se agrega cloruro de sodio a una muestra amasada de arcilla fluida y se la deja despus reposar, la sensibilidad no aumenta en fonna signifi-cativa. No obstante, si el contenido de sal de la arcilla amasada se separa despus por lixiviacin, la arcilla se toma de nuevo altamente sensitiva { Ro senqvist 1946). El envejecimiento sin la adicin de sal no est asociado con un notable aumento de la sensibilidad.

Despus que una muestra de una fraccin muy fina de suelo ha sido intensamente amasada, las posiciones de las partculas, una respecto de otra, oo estn necesariamente asociadas con el equilibrio de las otras fuen.as de atraccin y repulsin. Por lo tanto. las partculas pueden tender a rotar y asumir configuraciones ms estables a volumen inalterado. La resistencia a1 corte puede aumentar paralelamente. El suelo exhibe as tixotropa.

Un fenmeno algo similar, conocido como sinresis, hace disminuir len-tamente la porosidad de la capa superior de muchos sedimentos frescos, a wia velocidad que disminuye hasta que la capa se reduce a una pequea haccin de su volumen original. La contraccin gradual no se puede explicar ffl base a las fuer.tas de la gravedad. En algunas arcillas pnxluce una red dt> fisuras capilares.

Como consecuencia de las mltiples repercusiones prcticas de los intrin-cados procesos fisicoqumicos y de la gran demanda de arcillas con propie-dades fsicas especficas para propsitos industriales, se han realizado muchas imoestigaciones durante las ltimas dcadas con respecto a la mineraloga ,. a la interaccin entre partculas de arcilla y el medio que las rodea. Se han hecho tambin muchas investigaciones para estudiar las relaciones entre b procesos fisicoqumicos y las propiedades ingenieriles de los suelos arci-losos. No obstante, para la mayora de los problemas prcticos de la inge-aieria, los beneficios que se obtienen de dichas investigaciones son todava -,y limitados a causa del gran nmero de factores responsables de las iwopiedades significativas que posee la arcilla. La inluencia combinada de todas las interacciones fisicoqumicas se refleja en las propiedades ndices (artculo I) , que son expeditivas y econmicas de determinar. Una situa-cin similar prevalece en la tecnologa del honnign.

Los procesos por los cuales el cemento Portland adquiere su resistencia DI tambin intrincados e imperfectamente conocidos, pero a pesar de ello, el hormign es una rama ya antigua y bien establecida de la ingenieria ele estructuras. Se basa sobre hiptesis que han sido derivadas de ensayos de ldiorator:io, de carcter puramente mecnico, ejecutados sobre probetas ele blnign, y algunas de sus propiedades, tales como el aumento de resistenci

18 PROPW>ADES NDICE DE LOS SUELOS

1.eet .......... .......:1 .. Loshitosprincipalesde1desam:illode las presentes ideas, relativas a la influencia

de la estructura y de los prota0$ fulooqulmlcos en las propiedades de los suelos de granos finos, estm contenidos en las siguientes referencias dispuestas en Oroell cronolgico: Atterberg, A. (1911). "Oa the investigatlon of the physical properties of soils and. the

plasticityofcla}'l~,eu alerml.n,Jnt.MltleflungtnfrBoden~,vol.l,p.g.10. Terzaghi, K. (1925). "Structure and volwne of voids of soils", r! 10-13, ErdbourM-

.chanlk awf Botkflphyrikalirhn Grundlag11, A. Casagrmde, ,- ~-- ,..C,W foundation engt-4, p.g. 168.

~. Jiwmal [/mlotl

ART. 5 ANLISIS MECANICO O GRANVLOMtTRJCO DE WSSUEWS

Mfodo, de anlim El r,.ropsito del anlisis mecnico o anlisis granulomtrico es determi-

nar el tamao de las partculas o granos que constituyen un suelo y fijar, en porcentaje de su peso total, la cantidad de granos de distintos tamaos que contiene. El mtodo ms directo para separar UD suelo en fracciones de distinto tamao consiste en hacerlo pasar a travs de un juego de tamices. Pero como la abertura de la malla ms fina que se fabrica C01Tientemente es de 0,07 mm, el uso de tamices est restringido al anlisis de arenas limpias, de modo que, si un suelo contiene partculas menores de dicho tamao, debe ser separado en dos partes por lavado sobre aquel tamiz.

La parte de suelo retenida por el tamiz es sometida al tamizado mientras que, aquella demasiado fina para ser retenida por tamices y que ha sido arrastrada por el agua, es analizada por medio de mtodos de anUisis gra-nulomtricos por vla hmeda, basados en la sedimentacin o en la levigacin.

Los mtodos para efectuar anlisis granulomtricos por va hmeda estn basados en la ley de Stokes, que fija la velocidad a que una partcula esfrica de dimetro dado sedimenta en un lquido en reposo. En el mtodo que se utiliu comnmente en mecnica de suelos de 20 a 40 gramos de suelo arci-lloso o de 50 a 100 gramos de suelo arenoso, ,e mezclan con un litro de agua, se agitan y se vierten en un recipiente. A intervalos de tiempo dados,

,UI.T, 5 ANLJsJS MECNICO O CRANULOMtnuCO DE LOS SUELOS 19

se mide la demidad de la suspensin por medio de un hidrmetro especial.

~l ~::~~e/b~J:i:~as u:~n::~:~~ti:1::d:,q;edC:~cu~: =: de la ley de Stokes, mientras que con la densidad de la suspensin a dicho nivel se determina el peso de las partfculH menores que ese tamao, es decir, el peso de las partculas que an no han sedimentado por debajo del nivel en que se mide la.densidad. El ensayo requiere varios das para su realizacin.

Por medio del anlisis por vfa hmeda se pueden separar las partculas del suelo hasta un tamaiio de 0,5 micrones. Las fracciones ms finas pueden separarse utilizando una centrfuga, pero los resultados de mtodos tan refi-nados son de inters solo en relacin con investigaciones de carcter cientffico.

La agitacin en agua trasforma a muchas arcillas en suspensiones que no estn formadas por partlculas individuales sino por flculos y, al efecto de dividir dichos flculos en granos individuales o sea dispersar el suelo, se debe agregar al agua un agente defloculante. Los enores ms comunes que se cometen al efectuar anlisis granulomtricos por va hmeda se originan de una dispen.in incompleta de las partculas del suelo.

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lo'1 O (mn,J Fic, 5. 1. RePNHnlMin aemllo,:ari1mka de los re,rul1ados

del an.,li gnnWOm1rleo.

Los resultados del anlisis granulomtrico por va hmeda no son estric tarnente comparables con los obtenidos por tamizado, porque lo"s granos no son nunca esfricos; los ms pequeos tienen, por lo comn, forma de ncama~. Con el tamizado, lo qu~ se mide es el ancho d~ la partcula, mien-tras que la dimensin que se obtiene po~ sedimentacin es el dimetro de ia esfera que sedimenta a la misina velocidad que la partcula, dimetro que puede ser mucho menor que el ancho de sta.

La forma ms conveniente para representar el anlisis granulomtrico la proporciona el grfico semi logartmico indicado en la figura 5. l. En nte, las abscisas representan el logaritmo del dimetro de las partculas, y las ordenadas el porcentafe P en peso de los granos menores que el tamao imdicado por la abscisa. Cuanto ms uniforme es el tamao de los granos, tanto ms inclinada es la curva; una lnea recta vertical representa a un polvo perfectamente uniforme.

La ventaja ms importante de la representacin semilogartmica estriba

en que lu curvas granulomtricas de suelos de igual uniformidad tienen formas idnticas, cualquiera sea el tamao medio de sus partculas y en que, adems, la distancia hori7.ontal entre dos curvas de la misma forma es igual al lngaritmo de la relacin entre los tamaos medios de los granos de los suelos representados.

La figura 5.2 muestra varias curvas granulomtricas tipicas. La curva a es una del tipo ms comn y se asemeja a la curva de frecuencia normal, que representa una de las leyes fundamentales de la estadstica. Como la granulometra es un fenmeno estadstico, se han querido utili:r.ar los tnni-n;os y los conceptos de la estadstica para describir los resultados de los an!\isis granulomtricos, pero tales refinamientos no son aplicables a la mec-nica pri.ctica de lossuek>s.

2 ,.o Fls. 5.2. Curv .. J rHu/omitri r .. t ipicQ. (11) Cur de N!

All.T. 5 ANuslS MECNICO O C:I\ANULOMTIUOO DE LOS 5\/ELOS 21

reciente son comnmente similares a la indicada en la figura 5 . 2b. A medi-da que la edad geolgica de un suelo aumenta, el tamaDo medio de sus graDOJ disminuye a causa de la descomposicin de sus elementos, y la curva granulomtrica se hace mb suave (figura 5.2.a). Las curvas granulom-tricas de suelos maduros se asemejan a la indicada en la figura 5.2c, aunque granulometras similares a las representadas en b y e son tambin comunes en los suelos de origen glaciar o fluvioglaciar. La ausencia de granos de tamao medio en suelos sedimentarios con curvas granulomtricas como la de la figura 5 . z.d es comn en las mC2.Clas de arena y grava que fueron depositadas por ros de corriente rpida que llevaban en suspensin un exceso de sedimentos. Se dice que las gravas de este tipo estn pobremente graduadas. Se puede obtener tambin una curva como la de la figura 5.2d si se mezclan los materiales de dos capas diferentes antes de realizar el arJ.lisis mecnico. Una quebradura neta en la curva granulomtrica puede tambin indicar que el suelo ha sido fonnado por el depsito simultneo de los sedimentos trasportados por dos agentes distintos. Por ejemplo, nna fraccin del suelo pudo ser llevada por un ro a un lago glaciar, mientras que la otra fraccin deriva del deshielo de bloques desprendidos del glaciar. Se ve entonces que la fonna de la curva granulomtrica puede ayudar a la detenninacin del origen geolgico de un suelo y reducir as! el riesgo de errores en la interpretacin de los datos obtenidos mediante las perforaciones.

Repruenlaci6n abrffiada fU la 1ra1Ud'ameiria Cuando se tienen que proporcionar los resultados esenciales de los

anlisis mecnicos de un gran nmero de suelos puede resultar conveniente expresar las caractersticas granulomtricas de cada suelo por medio de valores numricos indicativos de algn tamao de grano caracterstico y del grado de uniformidad, o bien por medio de nombres o sr.ibolos que pun-tualizan la fraccin de suelo predominante. El procedimiento mb utilizado es el conocido con el nombre de mtodo de Allen Hazen. A raz de un grao nmero de ensayos realizados con arenas para filtros, Hazen (1892) encontr que la permeabilidad de dichas arnas, en estado suelto, depende de dos cantidades que denomin dimetro efectioo y coeficiente de unifor-midad. El dimetro efectivo, Du>, es el tamao de partcula que corresponde a P "" 10 por ciento en la curva granulomtrica, de modo que el 10 % de la, partlculas son ms finas que D10 y el 90 % ms gruesas. El coeficiente de unifonnidad U es igual a D.,, / D10 en que D.,, es el tamao de particula que corresponde a P = 60 por ciento.

Las experiencias de Hazen indujeron a otros investigadores a suponer, en forma mis o menos arbitraria, que las cantidades D10 y U eran tambin apropiadas para expresar las caracterlsticas granulomtricas de los suelos naturales de granulometras mixtas, pero con el mejor conocimiento de las propiedades de los suelos de granos finos se ha hecho evidente que las caractersticas de stos dependen principalmente de la fraccin ms fina que P - 20 % y que puede resultar preferible seleccionar D2o y D111 como canti-

22 PIIOPIJ!DAX>E.S J,.'l)JCE DE LOS sua.os

dades representativas. Sin embargo, las ventajas a obtener p:ir este cambio oo son de importancia suficiente como para justificar la modificacin de una prctica bien establecida.

En el artculo 8 se describe el uso de slmbolos para indicar las c&TI.C teristicas granulomtricas.

Leduru leleeefontldu

Las diferentes tcnicas utiliudu pan. realiz.ar anuis mecnicos y otros em&)'OI de clasifie.eln M hallan descrit.N en Soil lating fo, fflginttn. T. W. Lambe (1951) , New York, John Wlley & Som, 165 ~p.

ART. 6 AGREGADOS DE SUEW

lntrotlucci6n El tnnino agregado se refiere al suelo mismo, en contraposicin con

cada uno de sus elementos constituyentes. Cualitativamente, los agregados de suelo pueden diferir en textura, estructura y coruistencla. Cuantitativa-mente, pueden diferir en porosidad, densidad relativa, contenido de hume dad y de gas, y tambin en consistencia. Los datos cualitativos se obtienen en el terreno por inspeccin visual y sirven como base para preparar los perfiles de las perforaciones y obtener otras informaciones que permitan describir la sucesin de los estratos del subsuelo. Los datos cuantitativos se obtienen por medio de ensayos de laboratorio o ensayos In .ritu. Sin estos datos, toda descripcin de un suelo resulta inadecuada.

Textura, utructaro y con.,Utenda El trmino Jeztura se refiere al grado de fineza y uniformidad del suelo

y se describe por medio de trminos tales como harino.ro, .tUOve, areno,o, spero, etctera, segn cul sea la sensacin que produce al tacto.

El trmino emudura se refiere a la forma en que las partculas se disponen dentro de la masa del suelo.

Los suelos de granos ffnos pueden ser estables aun cuando cada partcula no toque a varias de sus vecinas. Si no existen partlculas gruesas, el suelo puede tener una eatructu,4 dispersa, en la cual todas las partculas estn orientadas paralelamente entre s, o una estructura en castill-0 de naipe5 o estru.ctura floculema, en la cual muchas de las partlculas tienen contacto borde contra cara (articulo 4). Si el !uelo consiste en un arreglo suelto de niaoojos de partculas, independientemente de la disposicin de las par tculas dentro de ls manojos, se dice que tiene una estructura en nido, de abeja,J.

Casi invariablepente, los suelos naturales de granos muy finos contienen partculas ms gruesas. Los graoos gruesos alteran las estructuras descritas, de modo que stas raramente se encuentran en la naturaleza. En algunos casos los granos gruesos fonnan un ~ueleto con sus intersticios parcial-

.'\flT. 6 AGREGADOS DE SUELO 23

mente llenos de un agregado relativamente suelto de los constituyentes ms linos del suelo. Esta disposicin de las partculas se denomina estructura en esqueleto y es, probablemente, la causa que explica la notable inesta-bilidad de muchos suelos apenas cohesivos con partculas cuyos tamaos estn comprendidos entre 0,05 y 0,005mm (artculo 17). En las arcillas blandas la inestabilidad de la estructura en esqueleto aparece disimulada por la cohesin.

Algunos pocos suelos ms bien excepcionales, que incluyen ciertas mar-gas, consisten en una aglomeracin de granos compuestos, relativamente grandes, que forman a su vez un agregado de estructura granular o en nidos de abeja. Los granos mismos estn formados de un denso conglomerado de partculas de limo o arcilla. Se dice que los suelos formados por dichos conglomerados tienen una estructura en conglome,adO;S. Tal tipo de estruc-tura se ha encontrado tanto en los depsitos de arcillas residuales como en las sedimentarias. Los procesos geolgicos responsables de su formacin no son todava conocidos y pueden ser muy distintos para los diferentes suelos. No obstante, la influencia de la estructura en conglomerados en las propie-dades ingenieriles de los suelos es siempre benfi ca. A pesar de que los suelos con este tipo de estructura son muy compresibles, su hinchamiento como resultado de la descarga es imperceptible, y el amamdo a contenido de inalterado de humedad reduce su permeabilidad a una fraccin pequea de la que tiene el mismo suelo .. in situ" (Tenaghi 1958b, Fitz Hugh et al., 1947). .

Todo sedimento contiene al menos un pequeo porcentaje de partcu-las en forma de escamas o de discos. Cuando estas partculas sedimentan de una suspensin, sus caras chatas tienden a mantener una posicin hori-zontal y, como consecuencia, en el sedimento dichas partculas estil.n orienta-das mil.s o menos paralelamente a los planos horizontales. El aumento de las presiones por el aporte de nuevos sedimentos acenta ms esta tendencia. Cuando un sedimento contiene partlculas orientadas, se dice que presenta i.sotropa trasversal.

La inspeccin visual de la estructura de los suelos de granos finos o muy linos no es practicable, de modo que se debe juzgar sobre la base de la porosidad y de otras propiedades del suelo. Las arcillas resistentes pueden contener agujeros tubulares dejados por ralees de plantas que se extienden hasta varios metros por debajo de la superficie, o bien pueden estar divididas por fisuras capilares en fragmentos prismticos o irregulares que se separan tan pronto como la presin de confinamiento desaparece. Los movimientos relativos de las paredes ele las fisuras producen pequeas estras y pulen sus superficies, las que por su lisura reciben el nombre ele espeos de friccin. El origen, naturaleza e importancia prctica de tales defectos en los estratos de suelo se tratan en el captulo 7, parte III.

El trmino consistencia se refiere al grado de adherencia entre las par-tculas del suelo y a la resistencia ofrecida a las fuerzas que tienden a defor-m.ir o a romper el agregado de suelo. La consistencia se describe por medio de palabras tales como duro, resistente, f,~il, friable, pegajmo, plstico

24 PROPIEDADES NDJCE DE LOS SUELOS

y bland-0. Cuanto rn5 se aproxima un suelo a las caractersticas de las arci-llas, tanto mayor es la variedad de estados de consistencia en que puede presentarse. El grado de plasticidad se expresa a veces por medio de los trmi l'lO!I grtuO y rMgro. Una arcilla magra es poco plbtica, debido a la presencia de una proporcin grande de limo o arena. La consistencia de las arcillas se trata con mayor extensin en el articulo 7.

Por~idad, ~nkrtido de humedad y ,,,o unitario La porosidad n es la relacin entre el volumen de vados y el volumen

total del suelo, entendindose como oolumen de vaco., aquella parte del volumen total no ocupada por los granos. Si la porosidad se expresa en porcentaje, se denomina porcelltafe de vaco,.

La relaci6n de vaco., e es la relacin entre el volumen de los vados y el volumen de los slidos. Si

V - volumen total

V . volumen total de vacos,

"-i, (6.la) (6.lb)

La relacin de vaces y la porosidad estilo relacionadas por las frmulas:

" e - -=-;; (6 .2")

e n = TTe (6.2b)

La porosidad de una masa estable no cohesiva de esferas iguales depeo de de la fonna en que stas estn dispuestas. En la disposicin ms densa posi-ble, n es igual a 26 por ciento y en el estado ms suelto a 47 por ciento. La porosidad de un depsito natural de arena depende de la forma de sus granos, de la unifonnidad del tamao de stos y de las condiciones de sedimentacin, y vara entre extremos que se extienden de .25 a 50 por ciento.

El efecto que la forma de los granos ejerce sobre la porosidad de los agregados de suelo puede ser ilustrado mezclando varios porcentajes de mica con arena angular uniforme. Si los porcentajes en peso de mica en las mezclas se hacen iguales a O, 5, 10, 20 y 40 por ciento, las porosidades resultantes, cuando las mezcla~ son vertidas en forma suelta en un reci piente, alcaDZlil,D respectivamente a 47, 60, 70, 77 y 84 por ciento (Cilboy 1928) . La porosidad de las arcillas naturales blandas, que oontienen un

AHT. 6 AC:M;CADOS DE SVELO

porcentaje apreciable de partculas lajosas, vara comnmente entre el 30 y el 00 por ciento, pudiendo aun exceder el 90 por ciento. La gran influencia que .sobre la porosidad ejerce la forma de los granos y el grado de unifor-midad hace que la porosidad por s misma no proporcione una indicacin de si un suelo es suelto o denso. Dicha informacin puede obtenerse solo por comparacin entre la porosidad de un suelo dado y las porosidades de ese mismo suelo en sus estados ms denso y ms suelto posibles. El estado de densidad de los suelos arenosos puede ser expresado numricamente por medio de la den,idod relativa D,, deinida por la ecuacin:

(6.3 1

en la que:

e, = relacin de vacos del suelo en su estado ms suelto, estable; e,.1 = relacin de vacos en el estado ms denso que puede obtenerse

en el laboratorio; e - relacin de vados del suelo natura l en el terreno.

Para llevar una arena mediana o gruesa a su estado ms suelto posible. correspondiente a una relacin de vados e0, la arena es primero secada }' luego vertida desde una altura muy pequea dentro de un recipiente. Las arenas finas y muy finas pueden, en ciertas circunstancias, ser llevadas a su estado ms suelto mez.clando una muestra con suficiente agua para tras-formarla en una espesa suspensin que despus se deja sedimentar. El valor de eo es igual a la relacin de vacos del sedimento obtenido. En otros casos, el estado ms suelto se puede obtener depositando cuidadosamente arena ligeramente hmeda, ele modo tal que las fuerzas capila res den lugar a una estructura en nido de abeja, para elespus permitir el ascenso lentu ele! nivel del agua a fin de producir el derrumbe de la estructura inestab!c. El estado ms denso se obtiene por vibracin prolongada bajo una pequea carga vertical a uoa frecuencia de 20 a 30 ciclos por segundo.

La densidad relativa de la arena tiene un significado bien definido, y:i que su valor es prcticamente independiente de la presin esttica a q11e el material est sometido. Depenele principalmente del proceelimiento utili --zado para sedimentario y compactarlo. Por el contrario, el grado de densi dad de las arcillas y de otros suelos cohesivos depenele en fonna primordial de las cargas que stos han soportado y, en algunos casos, de la velocidad con que las cargas fueron aplicadas. Por ello el grado ele densielad de los suelos cohesivos es reflejado en forma ms clara por medio del lnelice ele liquidez 1, (articulo 7 ).

El contenido de humedad w de un suelo se define como la relacin entre el peso del agua conteniela en el suelo y el peso ele] suelo seco, y Ml epresa comnmente en porcentaje. En las arenas y otros suelos situados por arriba de la napa fretica, parte ele los vacos pueden estar ocupados

.. PAOPIEOAl>ES !

ART, 6 AGREGADOS DE SUELO

El pe30 unitario de un agregado de suelo se define como el peso del agregado (suelo ms agua) por unidad de volumen. Depende del peso de los elementos. slidos, de la porosidad y del grado de saturacin. Puede calcu-larse en la siguiente forma:

TMa 6,z

r- Np,,ci/iM lt.olMro "' io. -- alidotF m i"',-uniu "' lor ,,w.,.

,_ Montmorillonita

"""= Caolinita lilita Clorio c-T,lo, Calcita Muscovita

2,32 2,, 2,'6 2,6 2,6 2,6-3,0 ~66 2,7 2,72 2,&-2,9

Dolomita Aragonita Biotita Augita Homblenda Umon!ta Hematita hidratada Magnetita Hematita

2,87 2,9' ,1,0-3,1 3,2-3,4 3,2-.3,5 3,6 4,3 5,17

"

y. = trmino medio de los pesos especficos absolutos de los elementos slidos.

y,. = peso es~fico del agua ,_ 1 gr/cm n = porosidad (expresada como una relacin)

El peso unitario del suelo se:co (S, = O%) es: y,= (1- n) y. (6.5)

y el peso unitano del suelo saturado (S, = 100 %): y = (1 - n) y. + ny .. = y. - n (y. - y.,,) (6.6)

La tabla 6 .2 proporciona el peso especfico absoluto de los principales elementos que constituyen la parte slida de los suelos. Para los granos de arena, el trmino medio de los pesos especificos absolutos es generalmente 7,.6.S gramos por centmetro Cl1bico y para las arcillas vara entre 2,5 y 2,9 gramos por centmetro cbico, con un trmino medio estadstico de 2,7.

En la tabla 6.3 se indican las porosidades y los pesos unitarios de suelo, tpfcos s.\turados, incluyndose adems pa,a los suelos arenosos su peso unitario seco. Les pesos unit