diapos2 suelos i

8/18/2019 Diapos2 Suelos i

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PROPIEDADES FISICAS DE LOS SUELOS

Las propiedades físicas de la partícula de suelo son lassiguientes:

-Peso específico-Tamaño-Forma-Características mineralógicas-Rugosidad


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2.1 Peso específico:

La parte sólida de los suelos está constituida por partículasdispuestas de una manera determinada, formando un cierto tipode estructura porosa dentro de la masa. El análisis de laspartículas del suelo demuestra que su peso específico varíapoco (para arenas: 2,65 kg/dm3 y para arcillas varía entre 2,5 y2,9 kg/dm3), excluyendo los suelos raros como los orgánicos yotros que contienen diatomeas o diatomitas. Luego, la variacióndel peso específico de las partículas contenidas en los suelos noes muy significativa, ni en las propiedades físicas ni en lasmecánicas, para determinar el comportamiento del suelo.


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No tienen mucha importancia el valor del peso específico sinoen cuanto determina el peso unitario de ese suelo enconsideración (Peso/Volumen) y permite mediante él, calcular latensión que soporta una masa de suelo a una determinadaprofundidad.


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2.2 Tamaño:

Todos los suelos tienen partículas de tamaño variable, es decirque dentro de la parte sólida de los suelos, hay partículas dedistinto tamaño.

Esto conduce de inmediato al análisis de la composicióngranulométrica, es decir, qué clasificación de tamaño de granosexiste dentro de una masa de suelo para ver si ese análisis tienealguna significación en las propiedades del suelo.


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Tamices de laboratorio. Una investigación sobre suelos siempreconlleva su caracterización de tamaños de partículas, lo que sedenomina granulometría. Las granulometrías son básicas parael estudio de suelos.


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El análisis granulométrico se realiza separando las partículas delsuelo en rangos de tamaño a través de tamices de distintasdimensiones. En esta operación de dividir las partículas de sueloen tamaños, nos encontramos con una dificultad práctica, yaque tamizar suelos por tamices inferiores al N° 200 significa unacomplicación ya que éste es muy débil y difícil de manejar. Lamayoría de los suelos tienen partículas mas chicas que 74µ ynaturalmente, es de interés ingenieril conocer las característicasgranulométricas de esta parte del suelo, desde ya entonces,podemos hacer una división en este tamiz N° 200 (74µ) encuanto a los procedimientos a seguir para determinar lagranulometría completa del material.


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Para las partículas superiores a los 74µ se realiza el estudio desu granulometría por tamices representando los porcentajes quepasan por cada tamiz, en función del logaritmo del tamaño,obteniéndose así lo que se llama curva granulométrica delmaterial.

Para el estudio de las características granulométricas de la parteque pasa el tamiz N° 200, no siendo práctica la utilización de lostamices, ni tampoco completa, es necesario recurrir a otroprocedimiento.


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El procedimiento que se utiliza se basa en la ley de Stokes,quien analizó y expresó en fórmulas la velocidad de descensode esferas depositadas en un medio líquido.

Stokes demostró que esa velocidad es función, entre otrosfactores, del diámetro de la esfera, ese diámetro se determinapor el tiempo transcurrido desde el instante en que se coloca enel recipiente.


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Las partículas comprendidas entre el tamiz N° 4 y el tamiz N° 100consisten en granos compuestos (dentro de nuestra zona) principalmentepor cuarzo. Los mismos pueden ser angulares o redondeados(generalmente son redondeados). Algunas arenas contienen un porcentajeimportante de escamas de mica, que las hace muy elásticas y esponjosas.

Para las partículas por debajo del tamiz N° 200 tenemos que: Cada gramoestá constituido generalmente de un solo mineral. Las partículas puedenser angulares, en forma de escamas y ocasionalmente en formas deagujas, y a veces redondeadas. En general, el porcentaje de partículasescamosas aumenta en un suelo dado, a medida que decrece el tamañode las fracciones del mismo. Las partículas menores de 2µ tienenprincipalmente forma de escamas.


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El predominio de partículas escamosas en la fracción menor de2µ de los suelos naturales es una consecuencia de los procesosgeológicos de su formación. La gran mayoría de los suelosderiva de procesos químicos debidos a la acción de los agentesclimáticos sobre las rocas, los que están constituidos, en parte,de minerales menos estables. Los agentes climáticostransforman los minerales menos estables en una masa friablede partículas muy pequeñas de minerales secundarios quecomúnmente tienen forma de escamas, mientras que losminerales estables permanecen prácticamente inalterados.


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Es así como el proceso de descomposición por los agentes climáticosreduce las rocas a un agregado consistente en fragmentos de mineralesinalterados o prácticamente inalterados, embebidos en una matrizcompuesta principalmente de partículas en forma de escamas. Durante eltransporte por agua que sigue a este fenómeno, el agregado esdesmenuzado y sus elementos sujetos a impactos y al desgaste.

El proceso puramente mecánico de desgaste, no alcanza a reducir losgranos duros y equidimensionales de minerales inalterados en fragmentosmenores de unos 10µ.

En contraposición, las partículas friables constituidas por mineralessecundarios en forma de escamas, aunque inicialmente muy pequeños,son fácilmente desgastadas y desmenuzadas en partículas aún menores.


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2.4 Rugosidad:

Esta característica sólo podría tener importancia, a simple vista,en el caso de las partículas mayores que el tamiz 200.

En realidad, su importancia es secundaria dado que los granosnaturales son por lo general igualmente rugosos. No obstante,se podría fabricar especialmente una arena de piedra partida, encuyo caso sí habría diferencias de comportamiento.

La naturaleza se ha encargado de uniformizar la rugosidad delos granos, de manera que esta propiedad no tenga importanciasignificativa.


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3.- ACTIVIDAD DE LAS PARTICULAS DE ARCILLA

3.1. Conceptos fisicoquímicos:

Los átomos o partes más pequeñas de los elementos quecomponen la materia se conciben hoy con una estructuraplanetaria, de tal forma que alrededor del núcleo del átomo girauna nube de corpúsculos aún mas pequeños, cargadosnegativamente, denominados electrones, de tal forma que lasatracciones eléctricas y magnéticas entre los electrones y elnúcleo son neutralizadas por la fuerza centrífuga de loselectrones.


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Como resultado de las atracciones entre moléculas presentesen una solución, se producen los contactos entre las moléculasde cargas eléctricas opuestas.

La molécula de agua que tiene un átomo de Oxígeno y dos deHidrógeno es un dipolo ya que los átomos de Hidrógeno concargas positivas no se ubican en forma simétrica con el átomode Oxígeno, sino que su distribución se presenta como se indicaen la figura, formando un ángulo de 105° en el centro del átomode Oxígeno.


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Como resultado de esto, la molécula de agua tiene una carganegativa en una cara y otra positiva en la cara opuesta,formando un dipolo.

3.2 Capacidad de cambio:

La superficie de toda partícula de arcilla de suelo lleva unacarga eléctrica negativa, cuya intensidad dependeprincipalmente de sus características mineralógicas. Lasmanifestaciones físicas y químicas debidas a la carga de lasuperficie constituyen lo que se llama Capacidad de Cambio.


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La Capacidad de cambio de cationes de un mineral describe su aptitudpara adsorber cationes, su valor se expresa en Mili equivalente por 100grs. de suelo seco.

En la tabla siguiente se indican algunos valores de la capacidad de cambiode cationes y de aniones de algunas arcillas típicas


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3.3 Doble capa difusa

Cuando a una arcilla se la pone en contacto con agua, alrededor de laspartículas de arcilla comenzarán a flotar las moléculas de aguapolarizadas, en forma conjunta con los cationes, tal como se indica en lafigura.


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De esta forma en la fase líquida alrededor de las partículas dearcilla se forma una concentración de cationes y de aguadipolar, formando lo que se conoce como la doble capa difusa,donde coexiste una elevada concentración de cationes y deaniones (estos últimos en menor cantidad) en las cercanías dela lámina de arcilla que va perdiendo concentración a medidaque nos alejamos de ella.


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3.4 Propiedades físicas

La variación que en las propiedades físicas de un suelo puedencausar las bases de cambio, depende tanto de la naturaleza delsuelo como de los cationes permutables.

A causa de los fenómenos relacionados con la actividad de lasuperficie todo suelo saturado consiste no de dos sino de treselementos diferentes:

- Partículas sólidas,

- Sustancias absorbidas en la doble capa difusa

- Agua libre normal.


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El espesor de las capas absorbidas parece ser independiente del tamañode las partículas correspondientes a un mismo mineral de igual complejode absorción así que el porcentaje de volumen total ocupado por lassustancias absorbidas aumenta a medida que disminuye el tamaño de losgranos. Si las partículas son muy pequeñas y además tiene forma deescamas, las sustancias absorbidas constituyen una porción muy grande

del volumen total. Para ello vale observar los espesores de la doble capadifusa que se forma en la partícula de Monmorillonita y compararla con laque se forma en otra de Caolinita. En la primera el aumento de espesorllega al 1400 % con respecto al espesor original de la partícula sola,mientras que en segundo caso el aumento solamente es del 180 %.

Esto explica porqué las monmorillonitas experimentan un hinchamientoimportante cuando tienen la posibilidad de incrementar su contenidounitario de agua.


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Todo lo enunciado hasta ahora, indudablemente plantea deinmediato una diferencia en los factores determinantes de lossuelos situados por encima del tamiz 200 y de los situados pordebajo de dicho tamiz.

Las partículas cuyo tamaño está por encima del tamiz 200,constituyen las partículas gruesas del suelo, mientras que lasque están por debajo del tamiz 200, son las partículas finas.


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Los suelos que tienen sólo partículas superiores al tamiz 200 yestán secos se disgregan cuando no están contenidas, sin exigirningún esfuerzo de tracción porque no tienen cohesión.

Los que tienen en su masa partículas menores que el tamiz 200en porcentajes importantes, son suelos cohesivos y exigen uncierto esfuerzo de tracción para separar sus partículas.


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La arcilla es un suelo cohesivo, la fuente de esta cohesión no parece estaren la atracción molecular de las partículas en sus puntos de contacto sinoen la resistencia al corte de las capas absorbidas que separan laspartículas en dichos puntos. Esta hipótesis está corroborada por el hechode que la cohesión de una muestra de la fracción muy fina de un suelodeterminado a un contenido dado de humedad, depende en gran parte dela naturaleza del complejo de absorción. Si el contenido de humedad de unsuelo muy fino saturado disminuye, el volumen ocupado por las sustanciasabsorbidas permanece constante. Por consiguiente, la cohesión aumentaal disminuir el contenido de humedad.

Si se amasa completamente una muestra de la fracción muy fina de unsuelo y luego se la deja reposar sin que sufra alteración alguna, la masaadquiere con el tiempo mayor resistencia cohesiva, dicha resistenciaaumenta al principio en forma rápida y luego mas y mas lentamente.


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Si la muestra es nuevamente amasada a contenido de humedadconstante, su cohesión disminuye en forma considerable, pero si se la dejareposar, vuelve a recuperar su valor.

Este fenómeno se conoce con el nombre de Tixotropía.

La pérdida y el subsiguiente retorno de la resistencia cohesiva parecedeberse a la destrucción y subsiguiente reordenación de la estructuramolecular de las capas absorbidas.

El poder separar los distintos tamaños del suelo mediante un análisisgranulométrico posibilitó comprobar que existían dos fracciones que secomportaban en forma totalmente distinta. Ellas son las que conforman lossuelos no cohesivos y los cohesivos que estudiaremos por separado.Dicho estudio se encarará estableciendo qué influencia tienen en elcomportamiento del agregado de suelo las propiedades de los granos delsuelo.


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Los geólogos definen los suelos o terrenos como rocasalteradas, mientras que los ingenieros prefieren definirlos comoel material que sostiene o carga el edificio por su base.

Los materiales que están presentes en los suelos naturales seclasifican en cuatro tipos:

- arenas y grava

- limos

- arcillas

- materia orgánica.


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Las arenas y grava son materiales granulares no plásticos.

Las arcillas, se componen de partículas mucho más pequeñas,exhiben propiedades de plasticidad y son muy cohesivas.

Los limos son materiales intermedios en el tamaño de suspartículas y se comportan, de modo típico, como materialesgranulares, aunque pueden ser algo plásticos.

La materia orgánica consta principalmente de desechosvegetales.


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El origen de las capas de suelo o terreno (edafológicas) y laforma como se depositan, arroja mucha luz sobre su naturalezay variabilidad en el campo.

Los suelos son de dos orígenes: residual y sedimentario.

Los suelos residuales se forman in situ por la intemperizaciónquímica de las rocas y, puesto que jamás han sido perturbadosfísicamente, conservan las características geológicas menoresdel material rocoso de origen. (En el campo, la transición deroca a suelo suele ser gradual.)


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Los suelos sedimentarios son transportados y depositados por la acción deríos, mares, glaciares y vientos. En general, el mecanismo desedimentación regula la granulometría (tamaño de las partículas), susvariaciones, y la estratigrafía y uniformidad de las capas edafológicas.

Para la completa identificación de un suelo o terreno el ingeniero necesitasaber lo siguiente:

- tamaño

- granulometría

- forma

- orientación

- composición química de las partículas

- las fracciones coloidales y sedimentables que contiene.


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No obstante, las propiedades físicas del suelo pueden hacersevariar considerablemente mediante la incorporación depequeñas cantidades de sustancias químicas la aplicación demétodos electroquímicos.

Cuando las propiedades superficiales de las partículas sonimportantes, las formas de éstas adquieren por lo menos lamisma importancia que la granulometría. En condicionesnormales, una característica significativa es la ubicación relativade las partículas dentro del suelo, lo que determina laresistencia a los desplazamientos internos y constituye, por lomenos, una medida cualitativa de las fuerzas de resistencia alas fuerzas cortantes y a la compresión.


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Un suelo o terreno cualquiera puede exhibir propiedades sólidas, viscosas,plásticas o líquidas; por tanto, cuando es posible predecir su verdaderoestado físico, el diseño estructural de las cimentaciones se realizatomando en cuenta esa información.

En contraste, los sólidos son materiales que tienen densidad, elasticidad yresistencia interna constantes, que se ven poco afectados por cambiosnormales de temperatura, variaciones en la humedad o vibraciones deintensidad inferior a los valores sísmicos.

La deformación por fuerzas cortantes ocurre a lo largo de dos conjuntos deplanos paralelos, cuyo ángulo es constante para cada material eindependiente de la naturaleza o intensidad de las fuerzas externas queinducen a la deformación.


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Humedad del suelo

El agua suele estar presente en los suelos o terrenos en forma de unadelgada capa absorbida a la superficie de las partículas o como líquidolibre entre éstas.


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Si el contenido de agua de un suelo está principalmente enforma de capa, o humedad absorbida, entonces no se comportacomo líquido. Todos los sólidos tienden a absorber o condensaren su superficie cualquier líquido (y gas) que entra en contactocon ellos.

El tipo de ión, o de elemento metálico, presente en lacomposición química de un sólido, influye considerablemente enla cantidad de agua que éste pueda absorber. Por tanto, losprocedimientos de intercambio iónico para la estabilización delos suelos y el control de la percolación forman parte importantede la mecánica de suelo.


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Las capas delgadas de agua son más fuertes que el agua de poros. En1920, Terzaghi estableció que las películas de agua de menos de 5.04 x10-5 mm de espesor se comportan como semi-sólidos; no hierven ni secongelan a temperaturas normales.

En consecuencia con lo anterior, los suelos o terrenos saturados secongelan con más facilidad que los suelos anegados, y los cristales dehielo crecen al tomar humedad libre de los poros. Luego un deshielorepentino libera grandes cantidades de agua, lo que suele tener drásticosresultados. Cuando los líquidos se evaporan, lo primero que hacen esformar capas, por lo que se requiere un considerable aumento térmicopara efectuar el cambio de estado entre la película líquida y el vapor. Porconsiguiente, el efecto de temperatura sobre el estado físico del suelo seexplica en términos de la reducción del espesor de las capas de líquido alelevarse dicha temperatura.


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La presencia de humedad en el suelo o terreno es fundamentalpara controlar la compactación. La mejor manera de efectuar lacompactación de suelos, sea por medios artificiales o naturales,es bajo condiciones de humedad bastante definidas, ya que laredistribución de las partículas del suelo para que ocupen unmenor volumen no es posible cuando se carece de suficientehumedad para cubrir cada gránulo. La película de agua hace

las veces de lubricante, lo que facilita los movimientos relativosde las partículas, y su tensión capilar las sostiene en su sitio.Desde luego, si los granos son de menor diámetro se necesitamás agua a fin de lograr mejor estabilización que en el caso departículas más gruesas.


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Resistencia de los suelos a la presión

Fue Coulomb (1773) quien aplicó a los suelos las leyesfundamentales de la fricción. Él descubrió que la resistencia a lolargo de una superficie de falla dentro de un suelo es funcióntanto de la carga por unidad de área como de la superficie decontacto. Puede considerarse como la primera contribuciónimportante a la Mecánica de Suelos.

La resistencia de los suelos a la deformación depende, sobretodo, de su resistencia a la fuerza cortante. Esta resistenciaequivale, a su vez, a la suma de dos componentes: fricción ycohesión.


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La resistencia friccional surge de la irregularidad de loscontactos entre partículas y es proporcional a la fuerzaperpendicular entre ellas. La cohesión que es la resistenciamáxima a la tensión de un suelo, es resultado de las fuerzas deatracción que hay entre gránulos en contacto íntimo y nodepende de la presión normal. Sin embargo, es muy raroencontrar esta cohesión verdadera; lo más común es que lossuelos tengan cierta resistencia friccional.


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PROPIEDADES DEL SUELO IMPORTANTES EN INGENIERÍA

Las propiedades edafológicas normalmente muy importantes son las quese exponen a continuación.

a. Densidad:

La cantidad de materia sólida presente por unidad de volumen recibe elnombre de densidad en seco del material. En el caso de los suelosgranulares y orgánico-fibrosos, la densidad en seco es el factor másimportante desde el punto de vista de sus propiedades ingenieriles. Una deesas propiedades es el estado o grado de compactación, que se expresa

generalmente en términos de densidad relativa, o razón (como porcentaje)de la diferencia entre la densidad del suelo natural en seco y su densidaden seco mínima, dividida entre la diferencia que hay en sus densidadesmáxima y mínima en seco.


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Sin embargo, durante la construcción de rellenos ingenieriles, el grado decompactación suele especificarse como el cociente de densidad real enseco, in situ, dividida entre la densidad máxima en seco, determinada conuna prueba de laboratorio diseñada para el cálculo de la relaciónhumedad-densidad (ASTM Dl557 o D698).

b. Fricción Interna:

La fricción pura de Coulomb equivale a la simple resistencia a la fuerzacortante en la teoría de la elasticidad. La fricción interna suele expresarsegeométricamente como el ángulo de fricción interna ö (phi), donde tan ö =f, el coeficiente de fricción. Entonces la componente friccional de laresistencia a la cortante, Tmáx de una masa de suelo, equivale a N tan ö ,donde N es la fuerza perpendicular que actúa sobre dicha masa.


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c. cohesión:

Es la máxima resistencia del suelo a la tensión. Resulta de la complejainteracción de muchos factores, como la adherencia coloidal de lasuperficie de las partículas, la tensión capilar de las películas de agua, laatracción electrostática de las superficies cargadas, las condiciones dedrenaje y el historial de esfuerzos. Sólo existe verdaderamente cohesiónen el caso de arcillas que tienen contacto de canto con cara entre suspartículas.

Los suelos o terrenos no plásticos de grano fino pueden exhibir unacohesión aparente cuando están en condiciones de saturación parcial.

El valor de cohesión que se utiliza al diseñar depende directamente de las

condiciones de drenaje bajo la carga impuesta, así como del método deprueba que se emplee para calcularlo, por lo que todo se debe evaluarcuidadosamente.


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d. Compresibilidad:

Esta propiedad define las características de esfuerzo-deformación del suelo. La aplicación de esfuerzos agregados auna masa de suelo origina cambios de volumen ydesplazamientos.

Estos desplazamientos, cuando ocurren a nivel de lacimentación, provocan asentamientos en ella. La limitación delos asentamientos a ciertos valores permisibles suele regir eldiseño de las cimentaciones, sobre todo cuando los suelo oterrenos son granulares.


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En el caso de los suelos granulares, la compresibilidad seexpresa en términos del módulo de Young E, el cual sueleconsiderarse equivalente al módulo secante de la curva deesfuerzo-deformación, obtenida por medio de una prueba triaxialestándar. El módulo disminuye al aumentar el esfuerzo axial,pero se incrementa al elevar la presión de confinamiento y alsometer la muestra a cargas repetitivas.


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La comprensibilidad de las arcillas saturadas se expresa comoel índice de compresión Cc, junto con una evaluación de lamáxima presión a la que hayan sido sometidos antes.

Ambos valores se calculan por medio de pruebas delaboratorios unidimensionales estándar de consolidación (ASTMD2435). Cc, representa el cambio en la proporción de vacíos porciclo logarítmico de esfuerzo y es una función del historial deesfuerzos del terreno. Para fines prácticos, es necesario saberel valor dentro de los límites específicos de esfuerzos que sedesea manejar.


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Permeabilidad:

Es la capacidad de una masa de suelo o terreno de permitir elflujo de líquidos a través de un gradiente hidráulico. En el diseñode cimentaciones, por lo general lo único que es necesariosaber es la permeabilidad en condiciones de saturación. Laspermeabilidades de casi todos los tipos de suelo son muyvariables y dependen en gran medida de variacionesrelativamente pequeñas de la masa edafológica.


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Puesto que generalmente depende del tamaño y la continuidad delespacio poroso del suelo y, en consecuencia, del tamaño de las partículasde éste, la permeabilidad es típicamente una propiedad anisotrópica cuyovalor es más alto en la dirección horizontal que en la vertical.

Los valores de permeabilidad de las distintas clasificaciones del suelo o

terreno varían por un factor de más de 10 millones, lo que se haconstatado directamente por medio de pruebas de permeabilidad en elcampo o en el laboratorio, e indirectamente por pruebas de consolidación yanálisis del tamaño de las partículas. Las mejores cuantificaciones seobtienen con pruebas de bombeo en pozos a cielo abierto en el campo.


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Otras propiedades:

Existen algunas otras propiedades menores de los suelo oterrenos que, en ciertos casos, adquieren relevancia.

Por ejemplo, el contenido de materia orgánica del suelo puedeafectar la fijeza de cualquiera de las propiedades inducidas portratamiento. Así los suelos muy ricos en materia vegetaldescompuesta, que contienen ácidos tánicos, no son adecuadospara la estabilización con cemento.

A modo de ejemplo, los suelos o terrenos con un alto contenidode polvo de caliza se debilitan con el flujo de agua a través delsuelo o se desintegran con la percolación de aguas de albañal oalgunos otros líquidos residuales.


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