Clasificación del suelo [ editar ]
Los ingenieros geotécnicos clasifican los tipos de partículas del suelo realizando pruebas en muestras de suelo perturbadas (secas, pasadas por tamices y remodeladas). Esto proporciona información sobre las características de los granos del suelo. La clasificación de los tipos de granos presentes en un suelo no tiene en cuenta los efectos importantes de la estructura o el tejido del suelo, términos que describen la compacidad de las partículas y los patrones en la disposición de las partículas en un marco de transporte de carga, así como el tamaño de poro y distribuciones de fluido de poros. Los geólogos de ingeniería también clasifican los suelos en función de su génesis e historial de depósito.
Clasificación de los granos del suelo [ editar ]
En los EE. UU. Y otros países, el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS) se usa a menudo para la clasificación de suelos. Otros sistemas de clasificación incluyen el estándar británico BS 5930 y el sistema de clasificación de suelos AASHTO . [3]
Clasificación de arenas y gravas [ editar ]
En el USCS, las gravas (con el símbolo G ) y las arenas (con el símbolo S ) se clasifican según su distribución de tamaño de grano. Para el USCS, las gravas pueden recibir el símbolo de clasificación GW (grava bien graduada), GP (grava mal graduada), GM (grava con una gran cantidad de limo) o GC (grava con una gran cantidad de arcilla). Del mismo modo, las arenas se pueden clasificar como SW , SP , SM o SC . A las arenas y gravas con una cantidad pequeña pero no despreciable de finos (5–12%) se les puede dar una clasificación dual como SW-SC .
Límites de Atterberg [ editar ]
Las arcillas y los limos, a menudo llamados "suelos de grano fino", se clasifican de acuerdo con sus límites de Atterberg ; Los límites de Atterberg más utilizados son el Límite Líquido (denotado por LL o), Límite de plástico (indicado por PL o) y Límite de contracción (denotado por SL ).
El Límite Líquido es el contenido de agua en el cual el comportamiento del suelo pasa de un sólido plástico a un líquido. El límite plástico es el contenido de agua en el cual el comportamiento del suelo pasa del de un sólido plástico a un sólido quebradizo. El límite de contracción corresponde a un contenido de agua por debajo del cual el suelo no se encogerá a medida que se seque. La consistencia del suelo de grano fino varía en proporción al contenido de agua en un suelo.
Como las transiciones de un estado a otro son graduales, las pruebas han adoptado definiciones arbitrarias para determinar los límites de los estados. El límite de líquido se determina midiendo el contenido de agua para el cual se cierra una ranura después de 25 golpes en una prueba estándar. [8] Alternativamente, se puede usar un aparato de prueba de cono de caída para medir el límite de líquido. La resistencia al corte sin drenar del suelo remodelado en el límite líquido es de aproximadamente 2 kPa. [4] [9]El límite plástico es el contenido de agua por debajo del cual no es posible rodar a mano el suelo en cilindros de 3 mm de diámetro. El suelo se agrieta o se rompe a medida que se enrolla a este diámetro. La tierra remolida en el límite de plástico es bastante rígida, con una resistencia al corte sin drenar del orden de aproximadamente 200 kPa. [4] [9]
El Índice de Plasticidad de una muestra de suelo particular se define como la diferencia entre el Límite Líquido y el Límite Plástico de la muestra; Es un indicador de la cantidad de agua que pueden absorber las partículas de tierra en la muestra, y se correlaciona con muchas propiedades de ingeniería como la permeabilidad, la compresibilidad, la resistencia al corte y otras. En general, las arcillas que tienen una gran plasticidad tienen una menor permeabilidad y también son difíciles de compactar.
Clasificación de limos y arcillas [ editar ]
De acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS), los limos y las arcillas se clasifican trazando los valores de su índice de plasticidad y límite de líquido en una tabla de plasticidad. La línea A en el gráfico separa las arcillas (dado el símbolo USCS C ) de los sedimentos (dado el símbolo M ). LL = 50% separa los suelos de alta plasticidad (dado el símbolo del modificador H ) de los suelos de baja plasticidad (dado el símbolo del modificador L ). Un suelo que se traza por encima de la línea A y tiene LL> 50%, por ejemplo, se clasificaría como CH . Otras posibles clasificaciones de limos y arcillas son ML , CL y MH. Si el límite de Atterberg traza en la región "sombreada" en el gráfico cerca del origen, los suelos reciben la clasificación dual 'CL-ML'.
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Índice de liquidez [ editar ]
Los efectos del contenido de agua sobre la resistencia de los suelos remodelados saturados se pueden cuantificar mediante el uso del índice de liquidez , LI :
Cuando el LI es 1, el suelo remodelado está en el límite líquido y tiene una resistencia al corte sin drenar de aproximadamente 2 kPa. Cuando el suelo está en el límite plástico , el LI es 0 y la resistencia al corte sin drenar es de aproximadamente 200 kPa. [4] [10]
Densidad relativa [ editar ]
La densidad de las arenas (suelos sin cohesión) a menudo se caracteriza por la densidad relativa,
dónde: es la "relación de vacío máxima" correspondiente a un estado muy suelto, es la "relación mínima de vacío" correspondiente a un estado muy denso y es la relación de vacío in situ . Los métodos utilizados para calcular la densidad relativa se definen en ASTM D4254-00 (2006). [11]
Así si la arena o grava es muy densa, y si El suelo es extremadamente suelto e inestable.
Filtración: flujo de agua en estado estable [ editar ]
Si las presiones de fluido en un depósito de suelo aumentan uniformemente con la profundidad de acuerdo con entonces prevalecerán las condiciones hidrostáticas y los fluidos no fluirán a través del suelo. es la profundidad debajo del nivel freático. Sin embargo, si la capa freática está inclinada o hay una capa freática encaramada como se indica en el dibujo adjunto, se producirá una filtración . Para la filtración en estado estable, las velocidades de filtración no varían con el tiempo. Si las capas freáticas están cambiando de nivel con el tiempo, o si el suelo está en proceso de consolidación, entonces no se aplican condiciones de estado estable.
Ley de Darcy [ editar ]
La ley de Darcy establece que el volumen de flujo del fluido poroso a través de un medio poroso por unidad de tiempo es proporcional a la tasa de cambio del exceso de presión del fluido con la distancia. La constante de proporcionalidad incluye la viscosidad del fluido y la permeabilidad intrínseca del suelo. Para el caso simple de un tubo horizontal lleno de tierra
La descarga total, (que tiene unidades de volumen por tiempo, por ejemplo, ft³ / so m³ / s), es proporcional a la permeabilidad intrínseca ,, el área de la sección transversal, , y la tasa de cambio de presión de poro con la distancia, , e inversamente proporcional a la viscosidad dinámica del fluido, . El signo negativo es necesario porque los fluidos fluyen de alta presión a baja presión. Entonces, si el cambio de presión es negativo (en el-dirección) entonces el flujo será positivo (en el -dirección). La ecuación anterior funciona bien para un tubo horizontal, pero si el tubo estuviera inclinado de modo que el punto b tuviera una elevación diferente que el punto a, la ecuación no funcionaría. El efecto de la elevación se explica reemplazando la presión de poro por un exceso de presión de poro , definido como:
dónde es la profundidad medida a partir de una referencia de elevación arbitraria ( dato ). Sustitución por obtenemos una ecuación más general para el flujo:
Dividiendo ambos lados de la ecuación por , y expresando la tasa de cambio del exceso de presión de poro como derivada , obtenemos una ecuación más general para la velocidad aparente en la dirección x:
dónde tiene unidades de velocidad y se llama velocidad de Darcy (o la descarga específica , la velocidad de filtración o la velocidad superficial ). El poro o velocidad intersticial es la velocidad promedio de las moléculas de fluido en los poros; Está relacionado con la velocidad de Darcy y la porosidada través de la relación Dupuit-Forchheimer
(Algunos autores usan el término velocidad de filtración para referirse a la velocidad de Darcy, [12] mientras que otros lo usan para referirse a la velocidad de poro. [13] )
Los ingenieros civiles trabajan principalmente en problemas que involucran agua y trabajan principalmente en problemas en la tierra (en la gravedad de la tierra). Para esta clase de problemas, los ingenieros civiles a menudo escriben la ley de Darcy en una forma mucho más simple: [4] [6] [14]
dónde es la conductividad hidráulica , definida comoy Es el gradiente hidráulico . El gradiente hidráulico es la tasa de cambio de la altura total con la distancia. La cabeza total,en un punto se define como la altura (medida en relación con el dato) a la que se elevaría el agua en un piezómetro en ese punto. La altura total está relacionada con el exceso de presión de agua por:
y el es cero si el dato para la medición de la cabeza se elige a la misma elevación que el origen de la profundidad, z utilizado para calcular .
Valores típicos de conductividad hidráulica [ editar ]
Valores de conductividad hidráulica, , puede variar en muchos órdenes de magnitud según el tipo de suelo. Las arcillas pueden tener una conductividad hidráulica tan pequeña como aproximadamente, las gravas pueden tener una conductividad hidráulica de hasta aproximadamente . Las capas y la heterogeneidad y las perturbaciones durante el proceso de muestreo y prueba hacen que la medición precisa de la conductividad hidráulica del suelo sea un problema muy difícil. [4]
Redes de flujo [ editar ]
La Ley de Darcy se aplica en una, dos o tres dimensiones. [3] En dos o tres dimensiones, la filtración de estado estacionario se describe mediante la ecuación de Laplace . Los programas de computadora están disponibles para resolver esta ecuación. Pero, tradicionalmente, los problemas de filtración bidimensionales se resolvieron mediante un procedimiento gráfico conocido como red de flujo . [3] [14] [15] Un conjunto de líneas en la red de flujo está en la dirección del flujo de agua (líneas de flujo), y el otro conjunto de líneas está en la dirección de la altura total constante (líneas equipotenciales). Las redes de flujo se pueden usar para estimar la cantidad de infiltración debajo de las presas y los pilotes .
Fuerzas de filtración y erosión [ editar ]
Cuando la velocidad de filtración es lo suficientemente grande, puede producirse erosión debido a la fricción ejercida sobre las partículas del suelo. La filtración verticalmente hacia arriba es una fuente de peligro en el lado aguas abajo de las tablestacas y debajo de la punta de una presa o dique. La erosión del suelo, conocida como "tubería del suelo", puede conducir a la falla de la estructura y a la formación de sumideros . La filtración de agua elimina el suelo, comenzando desde el punto de salida de la filtración, y la erosión avanza hacia arriba. [16] El término "hervir arena" se usa para describir la apariencia del extremo de descarga de una tubería de suelo activa. [17]
Presiones de filtración [ editar ]
La filtración en dirección ascendente reduce el estrés efectivo dentro del suelo. Cuando la presión del agua en un punto del suelo es igual al esfuerzo vertical total en ese punto, el esfuerzo efectivo es cero y el suelo no tiene resistencia a la deformación por fricción. Para una capa superficial, el esfuerzo efectivo vertical se convierte en cero dentro de la capa cuando el gradiente hidráulico ascendente es igual al gradiente crítico. [14] A cero estrés efectivo, el suelo tiene muy poca resistencia y las capas de suelo relativamente impermeable pueden levantarse debido a las presiones de agua subyacentes. La pérdida de fuerza debido a la filtración ascendente es un contribuyente común a las fallas de diques. La condición de cero estrés efectivo asociado con la filtración ascendente también se llama licuefacción , arenas movedizas, o una condición de ebullición. La arena movediza se llamó así porque las partículas del suelo se mueven y parecen estar "vivas" (el significado bíblico de "rápido", en lugar de "muerto"). (Tenga en cuenta que no es posible ser 'succionado' en arenas movedizas. Por el contrario, flotaría con aproximadamente la mitad de su cuerpo fuera del agua). [18]
Esfuerzo efectivo y capilaridad: condiciones hidrostáticas [ editar ]
Para comprender la mecánica de los suelos, es necesario comprender cómo las diferentes fases comparten las tensiones normales y las tensiones de corte. Ni el gas ni el líquido proporcionan una resistencia significativa al esfuerzo cortante . La resistencia al corte del suelo es proporcionada por la fricción y el enclavamiento de las partículas. La fricción depende de las tensiones de contacto intergranular entre partículas sólidas. Las tensiones normales, por otro lado, son compartidas por el fluido y las partículas. Aunque el aire de los poros es relativamente compresible y, por lo tanto, requiere poco estrés normal en la mayoría de los problemas geotécnicos, el agua líquida es relativamente incompresible y si los huecos están saturados con agua, el agua de los poros debe exprimirse para juntar las partículas.
El principio del esfuerzo efectivo, introducido por Karl Terzaghi , establece que el esfuerzo efectivo σ ' (es decir, el esfuerzo intergranular promedio entre partículas sólidas) puede calcularse mediante una simple resta de la presión de poro del esfuerzo total:
donde σ es el estrés total yu es la presión de poro. No es práctico medir σ ' directamente, por lo que en la práctica el esfuerzo efectivo vertical se calcula a partir de la presión de poro y el esfuerzo vertical total. La distinción entre los términos presión y estrés también es importante. Por definición, la presión en un punto es igual en todas las direcciones, pero las tensiones en un punto pueden ser diferentes en diferentes direcciones. En la mecánica del suelo, las tensiones y presiones de compresión se consideran positivas y las tensiones de tracción son negativas, lo cual es diferente de la convención de signos de mecánica sólida para la tensión.
Estrés total [ editar ]
Para condiciones de terreno nivelado, la tensión vertical total en un punto, , en promedio, es el peso de todo por encima de ese punto por unidad de área. La tensión vertical debajo de una capa superficial uniforme con densidady grosor es por ejemplo:
dónde es la aceleración debida a la gravedad, y es el peso unitario de la capa suprayacente. Si hay varias capas de tierra o agua por encima del punto de interés, la tensión vertical se puede calcular sumando el producto del peso unitario y el grosor de todas las capas suprayacentes. El estrés total aumenta al aumentar la profundidad en proporción a la densidad del suelo suprayacente.
No es posible calcular el esfuerzo total horizontal de esta manera. Las presiones laterales de la tierra se abordan en otros lugares.
Presión de agua de poro [ editar ]
Condiciones hidrostáticas [ editar ]
Si no hay flujo de agua porosa en el suelo, las presiones de agua porosa serán hidrostáticas . La capa freática se encuentra a la profundidad donde la presión del agua es igual a la presión atmosférica. Para condiciones hidrostáticas, la presión del agua aumenta linealmente con la profundidad debajo de la capa freática:
dónde es la densidad del agua y es la profundidad debajo del nivel freático.
Acción capilar [ editar ]
Debido a la tensión superficial, el agua se elevará en un pequeño tubo capilar sobre una superficie libre de agua. Del mismo modo, el agua se elevará por encima de la capa freática hacia los pequeños espacios de poros alrededor de las partículas del suelo. De hecho, el suelo puede estar completamente saturado a cierta distancia sobre la capa freática. Por encima de la altura de la saturación capilar, el suelo puede estar húmedo pero el contenido de agua disminuirá con la elevación. Si el agua en la zona capilar no se mueve, la presión del agua obedece a la ecuación de equilibrio hidrostático,, pero ten en cuenta que , es negativo por encima del nivel freático. Por lo tanto, las presiones hidrostáticas del agua son negativas por encima de la capa freática. El grosor de la zona de saturación capilar depende del tamaño de poro, pero típicamente, las alturas varían entre un centímetro más o menos para arena gruesa a decenas de metros para un limo o arcilla. [3] De hecho, el espacio poroso del suelo es un fractal uniforme, por ejemplo, un conjunto de fractales D-dimensionales distribuidos uniformemente de tamaño lineal promedio L. Para el suelo arcilloso se ha encontrado que L = 0.15 mm y D = 2.7. [19]
La tensión superficial del agua explica por qué el agua no sale de un castillo de arena mojada o de una bola de arcilla húmeda. Las presiones negativas del agua hacen que el agua se adhiera a las partículas y las atraiga entre sí, la fricción en los contactos de partículas hace que un castillo de arena sea estable. Pero tan pronto como un castillo de arena húmeda se sumerge debajo de una superficie de agua libre, las presiones negativas se pierden y el castillo se derrumba. Considerando la ecuación de estrés efectiva,, si la presión del agua es negativa, el esfuerzo efectivo puede ser positivo, incluso en una superficie libre (una superficie donde el esfuerzo normal total es cero). La presión negativa de los poros une las partículas y provoca fuerzas de contacto entre partículas compresivas. Las presiones negativas de los poros en el suelo arcilloso pueden ser mucho más poderosas que las de la arena. Las presiones negativas de los poros explican por qué los suelos arcillosos se encogen cuando se secan y se hinchan a medida que se humedecen. La hinchazón y la contracción pueden causar grandes molestias, especialmente en estructuras ligeras y carreteras. [14]
Las secciones posteriores de este artículo abordan las presiones de agua de los poros por problemas de filtración y consolidación .
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