Ud II Estructuras y Clasificacion de Suelos 2012-1

W. David Supo P.

1

UNIDAD DIDÁCTICA II

2. ESTRUCTURA Y CLASIFICACIÓN DE SUELOS

2.1. ESTRUCTURA DEL SUELO Y TEXTURA DE LAS ARCILLAS

2.1.1. ESTRUCTURA

Es tanto el arreglo geométrico de las partículas o granos minerales, como

las fuerzas entre partículas que pueden actuar sobre ellas. Incluye

gradación, relación de vacíos, agentes ligantes, y fuerzas eléctricas

asociadas.

2.1.2. ESTRUCTURA EN SUELOS GRANULARES

El ordenamiento de las partículas individuales en un suelo granular puede

recibir el nombre de arreglo y está fuertemente influido por la distribución

del tamaño de las partículas y por su forma.

El suelo sin cohesión tiende a formar una estructura GRANULAR SIMPLE,

la cual puede ser suelta o densa. Las estructuras granulares simples se

forman cuando los granos de suelo sedimentan independientemente en

una suspensión suelo-agua, a diferencia de la sedimentación por

“floculación”. Generalmente las partículas mayores a cerca de 0.01 mm

formarán estructuras granulares simples. Este tamaño es lo bastante grande

como para que las fuerzas inter-particulares y las fuerzas iónicas del agua

sean insuficientes para vencer las fuerzas gravitacionales que actúan en los

granos del suelo. Los montones de limo puro, arena, grava o mezclas de

arena limosa, grava arenosa, etc. Son estructuras granulares simples. Las

partículas muy pequeñas, del orden de 0.001 mm y menores, son coloides.

Los coloides son lo suficientemente pequeños como para ser más afectados

por las fuerzas interparticulares e iónicas en suspensiones suelo-agua, que

por las fuerzas gravitacionales. Los minerales arcillosos son partículas

menores de 0.002 mm pero su comportamiento es tal que serán

considerados separadamente.

Los suelos que verdaderamente no tienen cohesión, solo pueden ser

encontrados en depósitos de suelos transportados, en los que el viento o el

agua ha removido los contaminantes coloidales o de minerales arcillosos o

UANCV/FICP/CAPIC Mecánica de Suelos I

2

de ambos. Los depósitos sin cohesión típicos incluyen bancos de arena y

grava en corrientes de agua, depósitos aluvionales, glaciares selectos,

algunos drumlines y éskeres, arenas de dunas y playas, y depósitos

similares. A veces se pueden lavar otros depósitos para remover los

materiales cohesivos y producir arenas y gravas.

Imagen 1. Rasgos deposicionales (suelos glaciares)

Tabla 1. Límites de tamaño de suelos granulares

Fuente: Fundamentos de Ingeniería Geotécnica, Braja M. Das

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3

En donde los granos del suelo son de alrededor de 5 a 0.05 mm (arena

gruesa a fina), la presencia de pequeñas cantidades de agua puede alterar

considerablemente el comportamiento de ingeniería. La tensión superficial

del agua en condiciones de Gw mucho menores al 100% es suficiente para

restringir el movimiento de las partículas en este intervalo de tamaños,

produciendo una “cohesión aparente”, que desaparece cuando el suelo

seca. Prácticamente, la cohesión aparente permite cortes casi verticales en

arena o una mayor movilidad de vehículos con neumáticos sobre arena

húmeda. La cohesión aparente inhibe el reordenamiento o produce lo que

comúnmente se denomina abultamiento (o entumecimiento).

Imagen 2. Efecto cualitativo del entumecimiento en el peso

unitario seco.

A un contenido de agua cero, el peso unitario está cercano al máximo

posible para cierto consumo de energía. A contenidos de agua intermedios,

el abultamiento o acumulación de tensión superficial, restringe el

movimiento de partículas y el peso unitario decrece. A medida que se

agrega más agua, algunos de los poros llegan a saturarse, con pérdida de

tensión superficial y aumento de la compacidad. A S=100%, se pierde

todo el efecto de la tensión superficial y junto con cierto efecto de

lubricación en las partículas, se obtiene el peso unitario máximo. En

operaciones de densificación de terreno, en las que agregar agua no afecta


4

en forma perjudicial al suelo adyacente, el inundar una arena (para

asegurar S=100%) ayudará considerablemente a aumentar el peso

unitario.

El arreglo óptimo de un suelo granular resulta en peso unitario más alto y

relación de vacíos mínima, emin. Recíprocamente, un arreglo (o

compacidad) mínimo resulta en el estado más suelto y relación de vacíos

máxima emax. El estado más suelto se obtiene aproximadamente vertiendo

arena seca en un molde calibrado. A veces se permite que la arena caiga a

través de agua para producir peso y volumen conocidos. Con Gs, el

volumen del molde y el peso del suelo en el molde, se calcula fácilmente la

relación de vacíos. El estado más denso se obtiene por vibración de una

masa confinada de arena y midiendo el volumen.

La densidad relativa es una medida de la relación de vacíos in situ,

referida a los valores de laboratorio de los índices de huecos máximo y

mínimo, como:

Es más fácil determinar la Dr

mediante los pesos unitarios,

porque no requiere de una

determinación de la gravedad

específica.

Un gran volumen de

investigación (las últimas han

sido publicadas en ASTM 1973)

indica que la Dr no es una

propiedad índice del suelo muy

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5

confiable. Es muy posible que para dos arenas con valores idénticos, in situ,

de las relaciones de vacíos en y de la Dr se tenga un comportamiento de

ingeniería significativamente diferente, debido a las diferencias en la forma

del grano, la cementación, el confinamiento y la estratificación resultantes

de la depositación y de la historia de tensiones.

Los suelo granulares pueden adquirir denominaciones en cuanto al estado

de su compasidad, como se muestra en la tabla siguiente:

Tabla 2. Denominación según la compasidad

Tabla 3. Valores típicos de Gs

Suelo Gs Arena Grava Arcilla (inorgánica) Arcilla (orgánica) Limo

2.65 – 2.68 2.65 – 2.68 2.68 – 2.72 2.62 – 2.66 2.65 – 2.68

Fuente: (1)


6

Tabla 4. Compacidad máxima y mínima de suelos granulares

PROBLEMAS ILUSTRATIVOS

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8

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9

FUENTE: Mecánica de Suelos, J. Badillo


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2.1.3. ESTRUCTURA EN SUELOS COHESIVOS

Puede definirse un suelo cohesivo una colección de partículas minerales

que tienen un índice de plasticidad definido por los límites de Atterberg y

que forma una masa coherente al secarse, de tal forma que se requiere una

fuerza para separar los granos microscópicos individuales. Los ingredientes

necesarios para dar cohesión a un depósito son los minerales arcillosos. El

grado de cohesión depende de los tamaños relativos y de las cantidades de

diversos granos de suelos y materiales arcillosos presentes. Generalmente,

cuando más del 50% del depósito está formado por partículas de 0.002

mm y menores, el depósito se llama “arcilla”. Con este porcentaje relativo,

las partículas mayores del suelo están suspendidas en una matriz de suelo

fino. Cuando 80 a 90% del material del depósito es menor que la malla No.

200 (0.075 mm), una pequeña cantidad, 5 a 10% de arcilla, puede dar al

suelo el nombre de cohesivo.

Rara vez existe en estado natural un depósito de pura arcilla, está casi

siempre contaminada con limo y/o partículas de arena fina, así como

también con tamaños coloidales (<0.001 mm). Los coloides, a veces

llamados polvo de roca, son el subproducto de la abrasión de la roca y no

poseen propiedades de los minerales arcillosos, aunque el intervalo de los

tamaños sea similar.

La descripción completa de la estructura de un suelo cohesivo de grano

fino requiere de un conocimiento de las fuerzas interparticulares y del

arreglo geométrico o textura de las partículas.

Las fuerzas entre partículas parecen originarse de tres tipos diferentes de

cargas eléctricas:

a. Enlaces iónicos1. Debidos a una deficiencia de electrones en las capas

exteriores de átomos que componen las unidades básicas del suelo.

b. Enlaces de van der Waals2. Enlace debido a alternaciones en el número

de electrones en cualquier instante a un lado del núcleo atómico.

1En química, el enlace iónico es la unión que resulta de la presencia de fuerzas de atracción electrostática entre los iones de

distinto signo, es decir uno fuertemente electropositivo (baja energía de ionización) y otro fuertemente electronegativo (alta

afinidad electrónica). Así pues se da cuando en el enlace uno de los átomos capta electrones del otro. 2En química física, la fuerza de van der Waals (o interacción de van der Waals), denominada así en honor al científico

holandés Johannes Diderik van der Waals, es la fuerza atractiva o repulsiva entre moléculas (o entre partes de una misma

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c. Otros. Incluye enlaces de hidrógeno y la atracción gravitacional entre

dos cuerpos.

Las primeras descripciones del suelo cohesivo incluían estructuras

panaloides, floculentas y dispersas. Estos términos son todavía

ampliamente usados para describir la estructura total del suelo cohesivo. La

estructura panaloide bien puede corresponder a una situación en la que los

grumos forman agrupamiento particulares durante la sedimentación. La

estructura floculenta puede corresponder a una situación en la que los

granos de limo atraen revestimientos de minerales arcillosos o formaciones

de grupos de grumos y así producir la estructura floculenta porosa y

errática.

A) Estructura panaloide.

Esta estructura se considera típica en granos de pequeño tamaño (0.002

mm de diámetro o algo menores) que se depositan en un medio continuo,

normalmente agua y, en ocasiones aire.

En estas partículas, la gravitación ejerce un efecto que hace que tiendan a

sedimentarse, pero dada su pequeña masa, otras fuerzas naturales pueden

hacerse de magnitud comparable; concretamente, si la partícula, antes de

llegar al fondo del depósito, toca a otra partícula ya depositada, la fuerza de

adherencia desarrollada entre ambas, puede neutralizar al peso, haciendo

que la partícula quede detenida antes de completar su carrera; otra

partícula puede ahora añadírsele y el conjunto de ellas podrá llegar a

formar una celda, con cantidad importante de vacíos, a modo de panal (ver

figura).

molécula) distintas a aquellas debidas al enlace covalente o a la interacción electrostática de iones con otros o con moléculas

neutras.


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Imagen 3. Estructura panaloide


B) Estructura floculenta.

Cuando en el proceso de sedimentación, dos partículas de diámetros

menores de 0.02 mm llegan a tocarse, se adhieren con fuerza y se

sedimentan juntas; así, otras partículas pueden unirse al grupo, formando

un grumo, con estructura similar a un panal.

Cuando estos grumos llegan al fondo forman a su vez panales, cuyas

bóvedas no están ya formadas por partículas individuales, sino por los

grumos mencionados. El mecanismo anterior produce una estructura muy

blanda y suelta, con gran volumen de vacíos, llamada floculenta y, a veces,

panaloide de orden superior.

Las partículas menores de 0.0002 mm = 0.2 micra se consideran ya

coloides; estas partículas pueden permanecer en suspensión

indefinidamente, pues en ellas el peso ejerce poca influencia en

comparación con las fuerzas eléctricas desarrolladas entre las partículas

cargadas negativamente, según ya se dijo y con las fuerzas moleculares

ejercidas por la propia agua; cuando dos de estas partículas tienden a

acercarse, sus cargas ejercen una repulsión que las aleja de nuevo; las

vibraciones moleculares del agua impiden que las partículas se precipiten; el

resultado es un movimiento característico en rápido zigzag, conocido como

browniano (el botánico inglés Brown lo observó por vez primera al estudiar

suspensiones de clorofila al microscopio). Por este mecanismo, las

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partículas coloidales de suelo en suspensión no se sedimentarían jamás. Las

cargas eléctricas de las partículas coloidales pueden, sin embargo,

neutralizarse bajo la influencia de la adición de iones de carga positiva

opuesta; un electrólito, por ejemplo, un ácido tal como el clorhídrico, se

disocia en agua en iones positivos y negativos (Cl- y H+); por el efecto de

los iones H+ en solución, los coloides neutralizan sus cargas y chocan entre

sí, quedando unidos por las fuerzas de adherencia desarrolladas. De esta

manera pueden empezar a formarse los flóculos3 de mayor masa, que ya

tienden a depositarse.

Los flóculos se unen entre sí para formar panales, que se depositan

conjuntamente, formando al tocar fondo nuevos panales y dando lugar a

una forma extraordinariamente difusa de estructura floculenta, en la que el

volumen sólido puede no representar más de un 5-10%. La figura siguiente

muestra un esquema de tal estructura.

Imagen 4. Estructura floculenta


Conforme aumenta el peso debido a la sedimentación continua, las capas

inferiores expulsan agua y se consolidan más. Durante este proceso, las

partículas y grumos se acercan entre si y es posible que esta estructuración

tan poco firme en principio, alcance resistencias de importancia.

3 Masa floculada que es formada por la acumulación de partículas suspendidas. Puede ocurrir de forma natural,

pero es usualmente inducido e orden de ser capaz de eliminar ciertas partículas del agua residual.


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C) Estructuras compuestas.

Se considera que las estructuras anteriores rara vez se presentan puras en la

naturaleza, pues la sedimentación comprende partículas de todos los

tamaños y tipos, para las que rigen las leyes de la naturaleza de modo

diferente. Según las ideas hasta aquí expuestas sobre estructuración, lo

común sería encontrar en los suelos reales estructuras tales como la que

ilustra la figura siguiente. En estas formaciones se define un esqueleto

constituido por los granos gruesos y por masas coloidales de flóculos que

proporcionan nexo entre ellos.

Imagen 5. Estructura compuesta según A. Casagrande


La estructura que aparece en la Imagen 5 se ha formado en condiciones

que permiten la sedimentación de partículas gruesas y finas

simultáneamente; esto ocurre frecuentemente en agua de mar o lagos, con

contenido de sales apreciable, donde el efecto floculante de las sales

coexiste con el arrastre de vientos, corrientes de agua, etc.

El proceso de acumulación de sedimentos arriba de un cierto nivel, hace

que las capas inferiores se consoliden bajo el peso de las suprayacientes; las

partículas más gruesas se aproximan ocasionando que la arcilla floculada

entre ellas disminuya de volumen; la compresión resultante de la arcilla es

mayor en las zonas donde se encuentre más confinada, esto es, en las

regiones de aproximación entre los granos más gruesos, siempre y cuando

no haya flujo lateral de la masa en esas regiones. Si el incremento de carga

es rápido, existirá el flujo lateral y, consecuentemente, la masa coloidal

sufrirá un decremento en volumen más uniforme; pero en la naturaleza la

carga crece muy lentamente, por lo que el flujo lateral tiende a producirse

W. David Supo P.

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en mucho menor medida y las propiedades tixotrópicas de la materia

coloidal pueden ayudar eficazmente a impedirlo casi por completo. Así se

produce en las regiones de aproximación entre los granos gruesos una liga

arcillosa coloidal altamente consolidada que define fundamentalmente la

capacidad del esqueleto para soportar cargas. Estas ligas arcillosas están

sujetas a presiones mucho mayores que el promedio en la masa de suelo,

mientras que la arcilla que llena los vacíos del esqueleto se mantiene blanda

y suelta, sujeta a presiones comparativamente mucho menores. Con las

ideas anteriores es fácil entender la diferencia que presentan las arcillas en

propiedades mecánicas, entre los estados inalterado y remoldeado; el

remoldeo destruye la liga de arcilla altamente consolidada entre las

partículas gruesas y permite que la arcilla suave las rodee, actuando corno

lubricante entre ellas; como resultado, la consistencia en el estado

remoldeado será muy blanda. En tanto no sean destruidas las uniones

consolidadas, la arcilla se comporta elásticamente y posee resistencia a la

acción de las cargas, que depende principalmente de la presión a que fue

consolidada en la naturaleza; la deformación en la falla decrece a mayor

consolidación previa y a mayor diferencia entre la presión en las zonas

arcillosas de acercamiento y la presión promedio en toda la masa; esta

diferencia es tanto mayor cuanto más complicada sea la estructura (arcillas

marinas, por ejemplo).

Algunos autores han atribuido exclusivamente la diferencia de

comportamiento mecánico de las arcillas, entre los estados inalterado y

remoldeado, a las propiedades tixotrópicas de esos materiales. En efecto, la

tixotropía4 produce cierta rígidización reversible en una masa plástica,

aumentando la adherencia en los puntos de contacto; como este aumento

depende de la posición relativa de las partículas, existe una deformación

crítica que rompe la adherencia y vuelve blando al material. Es muy

probable, como ya se dijo, que la tixotropía coopere a la formación de la

estructura compuesta y a la coherencia de su esqueleto, impidiendo el flujo

4 La tixotropía en el suelo se emplea para describir un aumento de la resistencia con el tiempo sin variar su composición

(Lambe y Whitman, 1984b), la tixotropía se puede definir desde un punto de vista geotécnico como el proceso de

ablandamiento del suelo cuando es remoldeado y el tiempo en que empieza a retomar gradualmente su resistencia natural

cuando se deja en reposo, la tixotropía de un material está en función del tiempo de reposo del material, de lo difícil de su

condiciones originales, su contenido de agua y la porosidad del material (Mitchell, 1960, Das, 1997). Citado en (4)


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lateral de la masa coloidal en las regiones de acercamiento de los granos

gruesos; así, en cuanto mayor grado la propiedad se presente en las masas

coloidales, es mayor la posibilidad de mantener el depósito muy suelto bajo

grandes cargas. Sin embargo, la resistencia del material de la liga de arcilla,

no es función de la tixotropía, sino de la intensa concentración de carga en

aquellas ligas, la cual, a su vez, depende de la estructura adoptada y de la

carga máxima que el estrato haya soportado a lo largo de su historia

geológica.

D) Estructuras en “castillo de naipes”.

Algunos otros investigadores como Goldschmidt y Lambe han sugerido una

interpretación diferente sobre la génesis de una estructura floculenta y la

estructura resultante en sí. Según estas ideas la forma laminar típica de los

minerales de arcilla es fundamental en la estructuración resultante para los

suelos finos.

Las investigaciones realizadas en partículas de caolinitas, ilitas y

montmorillonitas demuestran que la longitud de ellas es del mismo orden

de magnitud que su ancho y que el espesor varía de 1/100 de estas

dimensiones, en las montmorillonitas, a 1/10 en las caolinitas, ocupando las

ilitas una posición intermedia. Con estos datos es posible estimar que la

superficie específica de estas partículas (metros cuadrados de área

superficial por gramo de peso) es del orden de 10 en las caolinitas, 80 en

las ilitas y 800 en las montmorillonitas; estas cifras cobran toda su

importancia al considerar la acción de las fuerzas superficiales como factor

que interviene en la estructuración, no siendo difícil concebir que tal factor

llegue a ser determinante.

Además en las investigaciones de referencia se ha podido notar que, si bien

la partícula de suelo posee carga negativa, según ya se dijo, parece cierto

que en sus aristas existe una concentración de carga positiva que hace que

esa zona localizada se atraiga con la superficie de cualquier partícula,

vecina. Tomando esto en consideración, los investigadores mencionados

han propuesto para las arcillas una estructura tal como la que se muestra en

la figura siguiente, a la cual se ha denominado en "castillo de naipes" o

floculada.

W. David Supo P.

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Imagen 6. Estructura en “castillo de naipes”


Debe notarse que, según esta hipótesis de estructuración, también

corresponde al suelo un importante volumen de vacíos y que las reflexiones

anteriores sobre consolidación de zonas bajas por el peso de las

suprayacientes conservan su validez.

E) Estructura dispersa

Algunas investigaciones modernas han indicado que una hipótesis

estructural del tipo de "castillo de naipes", en la cual las partículas tienen

contactos mutuos, si bien puede aceptarse como real en muchos casos,

quizá no es la más estable en la que pudiera pensarse. Cualquier

perturbación que pueda existir, como deformación por esfuerzo cortante,

tiende en general a disminuir los ángulos entre las diferentes láminas de

material. Conforme esto sucede actúan entre las partículas presiones

osmóticas inversamente proporcionales al espaciamiento entre ellas. Las

presiones osmóticas tienden a hacer que las partículas se separen y adopten

una posición tal como la que esquemáticamente se muestra en la figura

siguiente.


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Imagen 7. Estructura dispersa

Aunque a primera vista no lo parezca, algunos autores opinan que este

arreglo es el más estable; ésta es la estructura dispersa.

En las partes a) y b) de la figura se muestra el mecanismo por el cual la

presión osmótica5 tiende a hacer, para llegar a una condición más

uniforme, que las partículas se separen. En la parte c) se muestra la

estructura en su condición final.

Debe hacerse notar que el conjunto de estructuras antes someramente

descrito no constituye una serie de posibilidades reales en la naturaleza,

sino, simplemente, algunas de las hipótesis de estructuración de que hoy se

habla. Muchos investigadores, que aceptan alguna de las explicaciones

anteriores, rechazan otras y no existe pleno acuerdo al respecto. También

ha de observarse que con las estructuras en "castillo de naipes" o dispersa

se generarán estructuras compuestas análogas a las ya tratadas con las

formas estructurales más clásicas.

5La presión osmótica puede definirse como la presión que se debe aplicar a una solución para detener el flujo neto de

disolvente a través de una membrana semipermeable.

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2.1.4. ARCILLA Y MINERALES ARCILLOSOS

Las arcillas son substancias terrosas formadas principalmente por silicatos6

alumínicos con materia coloidal y trozos de fragmentos de rocas, que generalmente

se hacen plásticas cuando están húmedas y pétreas a altas temperaturas. Estas

propiedades dan a las arcillas su utilidad, puesto que se les puede moldear en casi

todas las formas, las cuales conservan después de ser sometidas a la acción del

fuego. La arcilla tiene muchos otros usos además de la cerámica, principalmente en

la construcción e industria.

La arcilla no es un mineral sino un agregado de minerales y de substancias

coloidales que se han formado mediante la desintegración química de las rocas

alumínicas. Está compuesta principalmente por sílice, alúmina y agua; conteniendo

también otras substancias como fragmentos de rocas, de óxidos hidratados de

hierro, álcalis y materiales coloidales. En esencia los minerales de la arcilla son

silicatos de aluminio. En algunas arcillas los elementos alcalinos se presentan

como constituyentes; en otras el magnesio, el hierro o ambos elementos sustituyen

total o parcialmente al aluminio. La mayoría de las arcillas se han formado por la

desintegración de rocas con un alto contenido de alúmina, a pesar de que algunas

son producto del metamorfismo. Estas últimas aparecen sólo en pequeñas

cantidades.

Como roca, en geología una arcilla es un material fino, terroso, natural, compuesto

por los minerales arcillosos. De esta forma se incluyen, además de las arcillas

propiamente dichas, las lutitas y los suelos que tengan propiedades argiláceas.

Según el origen se puede distinguir dos categorías de arcillas: las residuales y las

transportadoras, dentro de estas últimas se encuentran las (a) marinas, (b) lacustres,

(c) aluviales, (d) estuarias, (e) deltaicas, (f) glaciales y (g) eólicas.

Por consiguiente, desde el punto de vista geológico las arcillas tienen una

distribución prácticamente universal; a pesar de ello los yacimientos de alta calidad

son difíciles de localizar.

Las propiedades físicas más importantes de las arcillas son: (1) plasticidad, que

permite que sea moldeada; (2) resistencia a compresión, tensión o cizallamiento; (3)

6Los silicatos son el grupo de minerales de mayor abundancia, pues constituyen más del 95% de la corteza terrestre, además

del grupo de más importancia geológica por ser petrogénicos, es decir, los minerales que forman las rocas. Todos los silicatos

están compuestos por silicio y oxígeno. Estos elementos pueden estar acompañados de otros entre los que destacan aluminio,

hierro, magnesio o calcio.


20

retracción tanto en el secado como mientras está en el horno; (4) temperatura de

cocción y vitrificación; y (5) color de calcinación, que se debe principalmente a los

óxidos de hierro presentes.

Hay dos unidades elementales para armar la estructura de los minerales arcillosos.

Una es la unidad de sílice:

Imagen 8. Unidad de sílice

En la que cuatro oxígenos forman las puntas de un tetraedro y encierra un átomo de

silicio, produciendo una unidad de 4.6 Å7 de alto aproximadamente. En la otra

unidad está encerrado un átomo de aluminio o magnesio (y a veces Fe, Ti, Ni, Cr, o

Li) por seis oxidrilos, que tiene la configuración de un octaedro de alrededor de 5.05

Å de altura.

Imagen 9. Unidad octaédrica

7Å = Angstrom = 10-10 m

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La unidad octaédrica se llama brucita si el átomo metálico es principalmente

magnesio y gibsita si es aluminio. Todas las combinaciones posibles de estas

unidades básicas para formar minerales arcillosos producen una carga negativa en el

exterior de los grumos. Una suspensión de suelo suelo-arcilloso-agua tendrá, en

consecuencia, una reacción alcalina (pH >7) a menos que el suelo esté

contaminado con una substancia acidificante.

A) Caolinita Al2(OH)4[Si2O5]

El nombre “caolinita” es una modificación de

“Kauling”, el nombre de un risco alto de una

colina cerca de Jauchau Fu, China, donde

hace varias centurias se obtuvo una arcilla

blanca caolinítica. El término caolín

comprende actualmente varios minerales

arcillosos distintos.

La unidad estructural de caolinita consta de

capas alternadas de tetraedros de silicio con

las puntas embebidas en una unidad

octaédrica de alúmina (gibsita). Esta

alternancia de capas de silicio y gibsita

produce lo que a veces se llama una unidad básica 1:1. La lámina unitaria plana

resultante es de alrededor de 7 Å de espesor y se extiende infinitamente (relativa a 7

Å) en las otras dos direcciones.

Imagen 10. Capa de tetraedros de caolinita


22

Imagen 11. Capa de octaedros de caolinita

Tabla 5. Estructura de la caolinita, Al2(OH)4[Si2O5]

(a)

(b)

(c)

(d)

a)Estructura atómica, b) diagrama simplificado, c) representación simbólica, d) Estructura

completa de la caolinita.

W. David Supo P.

23

El grumo de caolinita es una pila de 70 a 100 o más de estas láminas de 7 Å, como

un libro con enlaces de hidrógeno y fuerzas de van der Waals en la interface.

Imagen 12. Microfotografía de Caolinita

FUENTE: (2)

Imagen 13. Lámina simple de caolinita de aprox. 1.5 µ de longitud


24

Las arcillas caoliníticas y haloisíticas se utilizan en abundancia para fabricar

porcelana, debido a la ausencia de hierro y subsecuente descoloración de éste a

altas temperaturas. La arcilla caolinítica es ampliamente usada como absorbente

intestinal para combatir infecciones estomacales, i.e., en medicamentos

antidiarréicos y para desórdenes digestivos.

La caolinita tiende a ser encontrada en regiones de fuerte precipitación pluvial como

en el sudeste de Estados Unidos, China, partes de Europa, Sudamérica y otras áreas

más locales.

B) Ilita.

La ilita es un término genérico para designar un grupo de arcillas descubiertas en

Illinois. Estos minerales arcillosos tienen la ecuación general:

(OH)4Ky(Si8-yAly)(Al4 Mg6 Fe4 Fe6)O20

En la que “y” está entre 1 y 1.5. La ilita se obtiene principalmente de la muscovita

(mica) y las biotitas y a menudo se llama arcilla micácea.

La ilita consiste en una lámina de gibbsita enlazada a dos láminas de sílice, una arri-

ba y otra abajo, y es denominada a veces mica arcillosa. Las capas de ilita están

enlazadas entre sí por iones de potasio. La carga negativa para balancear los iones

de potasio proviene de la sustitución de aluminio por silicio en las láminas

tetraédricas. Esto produce un mineral 1:2 con la diferencia adicional de que algunas

de las posiciones del silicio están llenadas con átomos de aluminio y de que entre las

capas están adheridos iones potasio para producir la deficiencia de carga. Esta unión

se traduce en una condición menos estable que la de la caolinita y, en consecuencia,

la actividad de la ilita es mayor.

La sustitución de un elemento por otro, sin cambio en la forma cristalina, se conoce

como sustitución isomorfa8. Las partículas de ilita tienen generalmente dimensiones

que varían entre 1000 y 5000 Å y espesores de 50 a 500 Å. La superficie específica

de las partículas es aproximadamente de 80 m2/g.

Las arcillas ilíticas y vermiculíticas y las lutitas arcillosas son ampliamente usadas en

la confección de agregados livianos.

8 Dos sustancias con la misma estructura cristalina se dice que son isomorfas. (6)

W. David Supo P.

25

Las arcillas ilíticas se encuentran por lo común en áreas de precipitación pluvial

moderada como en la parte central de Estados Unidos, Inglaterra y Europa.

Imagen 14. Microfotografía de ilita

FUENTE: (2)

C) Montmorillonita.

Montmorillonita fue el nombre dado (1847) a un mineral arcilloso encontrado en

Montmorillon, Francia, y de fórmula general

(OH)4 Si8 Al4 O20 nH2O

En la que nH2O es la intercapa (n capas) de agua absorbida. También se usa el

término esmectita para este grupo de minerales arcillosos.

La montmorillonita está formada de unidades laminares ordenadas, también como

una unidad 1:2, tal como se puede apreciar en la imagen siguiente:


26

Imagen 15. Diagrama de la estructura de la montmorillonita

El enlace interlaminar está constituido principalmente por la fuerzas de Van der

Waals y es, en consecuencia muy debil si se compara con los enlaces hidrógeno u

otros iones. Se producen varias sustituciones, incluyendo Al por Si en el tetraedro y

Mg, Fe, Li o Zn por Al en la capa octaédrica. Estos intercambios producen una carga

negativa neta relativamente grande en el mineral con la resultante gran capacidad de

intercambio de cationes y afinidad por el agua con los iones H+ en la ausencia de

iones metálicos.

La bentonita es una arcilla montmorilonítica que se encuentra en depósitos

volcánicos parcialmente meteorizados en Wyoming, Suiza y Nueva Zelandia. Este

mineral arcilloso es particularmente activo en términos de expansión en presencia de

agua y ha sido extensamente empleado en la perforación de pozos petrolíferos y en

la exploración de suelos, como lodo de perforación y como lechada arcillosa. La

bentonita es algo variable en sus propiedades dependiendo de su origen y del grado

de meteorización del material volcánico original. En la actualidad, se encuentran

disponibles sacos con arcillas de alta actividad, que son ofrecidos con ligereza como

“bentonita”, aunque son simplemente arcillas montmorilloníticas.

W. David Supo P.

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Imagen 16. Microfotografía de montmorillonita

FUENTE: (2)

La montmorillonita tiene una estructura similar a la ilita, es decir, una lámina de

gibbsita intercalada entre dos láminas de sílice. En la montmorillonita hay sustitución

isomorfa9 de magnesio y hierro por aluminio en las láminas octaédricas. Los iones

de potasio no están aquí presentes como en el caso de la ilita y una gran cantidad de

agua es atraída hacia los espacios entre las capas. Las partículas de montmorillonita

tienen dimensiones laterales de 1000 a 5000 Å y espesores de 10 a 50 Å. La

superficie específica es aproximadamente de 800 m2/g.

9Isomorfismo mineral. En mineralogía y química se llama isomorfismo el fenómeno por el que dos sustancias distintas, por el

hecho de presentar la misma estructura, distribución de átomos y dimensiones en sus moléculas, son capaces de formar

conjuntamente una sola red cristalina.


28

(a)

(b)

(c)

(d)

a) Estructura atómica, b) diagrama simplificado, c) representación simbólica, d) Estructura

completa de la caolinita.

Figura 1. Tamaños de partículas de suelo

FUENTE: (3)

W. David Supo P.

29

2.2. CLASIFICACIÓN DE SUELOS

Para clasificar un suelo en la actualidad existen diversos criterios; dos de los cuales son de

amplia aceptación en todo el hemisferio occidental y gran parte de los países asiáticos y

europeos

a) El sistema de la AASHTO

b) El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS)

Para ambos sistemas de deben ejecutar ensayos previos en las muestras de suelo por

clasificar, estos son el análisis granulométrico y plasticidad.

2.2.1. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN AASHTO

Este sistema de clasificación fue desarrollado en 1929 como el Public Road Administration

Classification System (Sistema de Clasificación de la Oficina de Caminos Públicos). Ha

sufrido varias revisiones, con la versión actual propuesta por el Committee on Classification

of Materials for Subgrades and Granular Type Roads of the Highway Research Board

(Comité para la Clasificación de Materiales para Subrasantes y Caminos Tipo Granulares del

Consejo de Investigaciones Carreteras) en 1945 (Prueba D-3282 de la ASTM; método

AASHTO M145). El Sistema de Clasificación AASHTO clasifica una muestra de suelo en

siete grupos mayores: A-l al A-7. Los suelos clasificados en los grupos A-l, A-2 y A-3 son

materiales granulares, donde 35% o menos de las partículas pasan por la criba No. 200. Los

suelos de los que más del 35% pasan por la criba No. 200 son clasificados en los grupos A-

4, A-5, A-6 y A-7. La mayoría están formados por materiales tipo limo y arcilla. (2)


30

Tabla 6. Clasificación de materiales para subrasantes de carreteras

Fuente: AASHTO M 145-82 (Specifications - Parte 1, 1986). ASTM D 3282-93

Tabla 7. Clasificación de suelos y mezclas de suelo-agregado

FUENTE: (3)ASTM D 3282-93 R04

W. David Supo P.

31

1. Tamaño del grano: Grava: fracción que pasa la malla de 75 mm y es retenida en la

malla No. 10 (2 mm) de Estados Unidos, Arena: fracción que pasa la malla No. 10 (2

mm) U.S. y es retenida en la malla No. 200 (0.075 mm) U.S. Limo y arcilla: fracción

que pasa la malla No. 200 U.S.

2. Plasticidad: El término limoso se aplica cuando las fracciones de finos del suelo tienen

un índice de plasticidad de 10 o menor. El término arcilloso se aplica cuando las

fracciones de finos tienen un índice de plasticidad de 11 o mayor.

3. Si cantos rodados y boleos (tamaños mayores que 75 mm) están presentes, éstos se

excluyen de la porción de la muestra de suelo que se está clasificando. Sin embargo, el

porcentaje de tal material se registra.

Para clasificar un suelo de acuerdo con la Tabla 6. Clasificación de materiales para

subrasantes de carreteras, los datos de prueba se aplican de izquierda a derecha. Por un

proceso de eliminación, el primer grupo desde la izquierda en el que los datos de prueba se

ajusten, es la clasificación correcta.

Para la evaluación de la calidad de un suelo como material para subrasante de carreteras, se

incorpora también un número llamado índice de grupo (GI) junto con los grupos y

subgrupos del suelo. Este número se escribe en paréntesis después de la designación de

grupo o de subgrupo. El índice de grupo está dado por la ecuación:

Ecuación 1. Índice de Grupo

Donde: F = porciento que pasa la malla No. 200 LL = límite líquido PI = índice de plasticidad

El primer término de la ecuación Ecuación 1: (F - 35)[0.2 + 0.005(LL - 40)], es el

índice de grupo parcial determinado a partir del límite líquido. El segundo término: 0.01 (F -

15)(PI - 10), es el índice de grupo parcial determinado a partir del

índice de plasticidad. A continuación se dan algunas reglas para determinar el índice de

grupo:

1. Si la ecuación Ecuación 1 da un valor negativo para GI, éste se toma igual a 0.

2. El índice de grupo se redondea al número entero más cercano (por ejemplo, GI = 3.4 se

redondea a 3; GI = 3.5 se redondea a 4).

GI = (F - 35) [0.2 + 0.005(LL - 40)] + 0.01 (F - 15)(PI - 10)


32

3. No hay un límite superior para el índice de grupo.

4. El índice de grupo de suelos que pertenecen a los grupos A-l-a, A-l-b, A-2-4, A-2-5, y A-

3 siempre es 0.

5. Al calcular el índice de grupo para suelos que pertenecen a los grupos A-2-6 y A-2-7, use

el índice de grupo parcial para PI ó

GI = 0.01(F - 15)(PI - 10)

En general, la calidad del comportamiento de un suelo como material para subrasantes es

inversamente proporcional al índice de grupo. (2)

Con la Figura 2, se puede determinar gráficamente el índice de grupo.

Figura 2. Carta de índice de grupo

FUENTE: (3)ASTM D 3282-93 R04

W. David Supo P.

33

Para clasificar los materiales finogranulares a partir de los valores de LL y de IP utilice la

Imagen 17. Todos los valores de límites de consistencia se presentan como números enteros.

Si aparecen números fraccionarios en los informes de ensayo, aproxímelos al número entero

más próximo para utilizarlo en la clasificación.

Imagen 17. Carta de plasticidad AASHTO

2.2.1.1. Ejemplos de cálculo de IG

Los siguientes ejemplos ilustran los cálculos para obtener el índice de grupo.

- Un material A-6 tiene 55% que pasa el tamiz de 75 |im (#200), un LL de 40 y un IP de

25, entonces:

índice de grupo= (55-35)[0.2+0.005(40-40)]+[0.01 (55-15)(25-10)]

= 4+6

= 10

- Un material A-7 tiene 80% que pasa el tamiz de 75 |im (#200), un LL de 90 y un IP de

50, entonces:

índice de grupo= (80-35) [0.2+0.005(90-40)]+[0.01 (80-15)(50-10)]

= 20.3+26


34

= 46.3 (regístrelo como 46)

- Un material A4 tiene 60% que pasa el tamiz de 75 |im (#200), un LL de 25 y un IP de

1, entonces:

índice de grupo= (60-35)[0.2+0.005(25-40)]+[0.01(60-15)(l-10)]

= 3.1-4.1 = -1.0 (regístrelo como cero)

- Un material A-2-7 tiene 30% que pasa el tamiz de 75 |im (#200), un LL de 50 y un IP

de 30, entonces:

índice de grupo = 0.01(30-15) (30-10)

= 3

(Note que sólo se utilizó la parte de la formula que contiene el IP)

2.2.1.2. Discusión del índice de grupo

a) Los valores del índice de grupo, deben ser utilizados solo para comparar suelos dentro

del mismo grupo y no entre grupos diferentes.

b) La fórmula empírica del índice de grupo diseñada para conseguir una evaluación

aproximada intragrupo de los materiales granulares arcillosos, y los materiales

limoarcillosos, se basa en las siguientes suposiciones.

- Los materiales que se encuentran en los grupos A-l-a, A-l-b, A-2-4, A-2-5 y A-3 son

adecuadas como subrasantes cuando están adecuadamente drenados y

compactados bajo un espesor moderado de pavimento (base y carpeta de

rodadura) de un upo adecuado para el tráfico que soportará, o que puede

adecuarse por adiciones de pequeñas cantidades de ligantes naturales o artificiales.

- Los materiales granulares arcillosos de los grupos A-2-6 y A-2-7 y los materiales

limosos y arcillosos de los grupos A-4, A-5, A-6, y A-7, pueden calificarse para su

utilización en subrasantes desde adecuadas como materiales de subbase

equivalentes a las categorías A-2-4 y A-2-5, hasta regulares e inadecuadas hasta el

punto de requerir una capa de subbase o una capa mayor de base que la requerida

de acuerdo con la suposición anterior, para proporcionar un adecuado soporte a las

cargas de tráfico.

W. David Supo P.

35

- Se supone que un 35% o más de material que pasa el tamiz de 75 µm (#200) es

crítico si se omite la plasticidad, pero el mínimo crítico es sólo el 15% cuando se ve

afectado por IP mayor que 10.

- Se supone que el LL igual o mayor que 40 es crítico.

- Se supone que el IP igual o mayor que 10 es crítico.

c) No hay un límite superior de valor de índice de grupo obtenido por esta fórmula: Los

valores críticos adoptados del porcentaje que pasa el tamiz de 75 µm (#200), el LL, y el

IP, están basados en una evaluación de los materiales de subrasante, subbase y base

por varias entidades que utilizan los ensayos involucrados en este sistema de

clasificación.

d) Bajo condiciones promedias de drenaje y una compactación completa y adecuada,

puede suponerse que la calificación de un material como subrasante, tiene una relación

inversa con su índice de grupo: esto es, un índice de grupo de 0 indica un buen material

de subrasante "bueno", y un índice de grupo igual a 20 o mayor, indica un material de

subrasante "muy malo".

2.2.1.3. Ejemplos de clasificación por el sistema AASHTO

Clasifique los siguientes suelos:


36

2.2.2. SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS S.U.C.S.

Este sistema fue propuesto por Arthur Casagrande como una modificación y adaptación

más general a su sistema de clasificación propuesto en 1942 para aeropuertos.

Como se observa en la Tabla 8, los suelos de partículas gruesas y los suelos de partículas

finas se distinguen mediante el cribado del material por la malla # 200. Los suelos gruesos

corresponden a los retenidos en dicha malla y los finos a los que la pasan, y así un suelo se

considera grueso si más del 50% de las partículas del misino son retenidas en la malla 200, y

fino si más del 50% de sus partículas son menores que dicha malla.

Los suelos se designan por símbolos de grupo. El símbolo de cada grupo consta de un

prefijo y un sufijo. Los prefijos son las iniciales de los nombres ingleses de los seis principales

tipos de suelos (grava, arena, limo, arcilla, suelos orgánicos de grano fino y turba) mientras

que los sufijos indican subdivisiones en dichos grupos.

W. David Supo P.

37

Tabla 8. Carta de clasificación de suelos SUCS

FUENTE: ASTM D 2487-93


38

2.2.2.1. SUELOS DE PARTICULAS GRUESAS

En los suelos gruesos se tienen las gravas (G) y las arenas (S) de tal modo que un

suelo pertenece al grupo de las gravas (G) si más de la mitad de la fracción gruesa

es retenida por la malla #4, y pertenece al grupo de las arenas (S) en caso

contrario.

Tanto las gravas como las arenas se dividen en cuatro grupos (GW, GP, GM, GC y

(SW, SP, SM, SC) respectivamente, como puede verse en la Tabla 8.

En el símbolo GW, el prefijo G (gravel) se refiere a las gravas y W (Well graded)

quiere decir bien graduado. De igual modo el símbolo GP indica gravas

pobremente graduadas o mal graduadas (poorly graded gravel), el símbolo GM

indica gravas limosas, en la que el sufijo M proviene del sueco mo, y el símbolo GC

indica gravas arcillosas. El sufijo C indica arcilla (clay).

De igual manera los símbolos SW, SP, SM y SC, indican arenas (sands) bien

graduadas, arenas mal graduadas, arenas limosas y arenas arcillosas,

respectivamente.

El criterio de clasificación de estos suelos en el laboratorio viene indicado en el lado

superior derecho de la tabla.

2.2.2.2. SUELOS DE PART’ICULAS FINAS

También en los suelos finos el sistema unificado los considera agrupados en tres

grupos para los limos y arcillas con límite líquido menor de 50%, en tres grupos

para los limos y arcillas con límite líquido mayor de 50% y en un grupo para los

suelos finos altamente orgánicos. Si el límite líquido del suelo es menor de 50%, es

decir, si el suelo es de compresibilidad baja o media, se añade el sufijo L (low

compresibility) a los prefijos M, C y O, obteniéndose de ese modo los símbolos ML

(limos inorgánicos de baja compresibilidad) y CL (arcillas inorgánicas de baja

compresibilidad) y OL (limos orgánicos de baja compresibilidad).

Si el límite líquido es mayor de 50%, es decir, si el suelo es de compresibilidad alta,

se añade el sufijo H (high compresibility) a los prefijos M, C y O, obteniéndose así

los símbolos MH (limos orgánicos de alta compresibilidad), CH (arcillas inorgánicas

de alta compresibilidad) y OH (arcillas orgánicas de alta compresibilidad).

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

W. David Supo P.

39

3. Bibliografía

1. Bowles, Joseph E. Propiedades Geofísicas de los Suelos. Bogota - Colombia : McGraw-

Hill Inc., 1982.

2. K. Terzaghi, et. al. Soil Mechanics in Engineering Practice. Toronto : Jhon Wiley &

Sons, Inc., 1996. ISBN 0-471-08658-4.

3. T. William Lambe, Robert V. Whitman. Mecánica de Suelos. México : Limusa, 1999.

ISBN 9681818946 9789681818944.

4. Das, Braja M. Fundamentos de Ingeniería Geotécnica. s.l. : [S.l.]: Cengage Learning

Latin Am, 2001.

5. ASTM. ASMT Designation: D 3282 - 93 (Reapproved 2004). May de 2004.

6. Análisis de la pérdida de resistencia por remoldeo de suelos arenosos de la zona estuarina

de Nayarit. J. C. Romero-Cervantes, M. L. Pérez-Rea. 2, Querétaro - México :

Universidad de Guanajuato, Septiembre de 2008, Enlace Químico, Vol. 2. 04-2006-

022718133800-102.

7. Wild, A. Condiciones del suelo y desarrollo de las plantas segun Russell. Madrid : Mundi

Prensa Libros, S.A., 1992. ISBN 9788471144003.

Ud II Estructuras y Clasificacion de Suelos 2012-1

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