suelos. geotecnia
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Caracteristicas de los suelos. CórdobaArgTRANSCRIPT
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GEOTECNIA I
Segunda Parte
2013
Departamento de Construcciones Civiles
Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
Universidad Nacional de Córdoba
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INDICE
LOS SUELOS 1
El Suelo Edáfico 1
La Formación del Suelo y el Clima 3
Los Grandes Grupos Edáficos 3
El Suelo desde el punto de vista ingenieril 6
Los Suelos Residuales 8
Los Suelos Transportados 10
Partículas Constituyentes de los Suelos 12
Arenas 13
Arcillas y Coloides 14
Limos 19
Suelos Combinados 19
Textura y Estructura de los Suelos 19
Clasificación por Textura 20
Clasificación por Estructura 23
El Agua en el Suelo 27
Resumen de los puntos principales 32
Referencias 33
PROPIEDADES FISICAS E INDICES DEL SUELO
34
Sistema SI 34
Fases en la Composición del suelo y la roca 35
Pesos Unitarios 37
Presiones Intergranulares 42
Estados de Consistencia de los suelos 53
Granulometría de los suelos 55
Resumen de los puntos principales 66
Referencias 66
CLASIFICACION DE LOS SUELOS
Generalidades 67
Suelos Gruesos 68
Suelos Finos 69
Resumen de los puntos principales 74
Referencias 74
3
LOS SUELOS
Los suelos son objeto de diferentes análisis por parte de ingenieros, geólogos y agrónomos,
quienes estudian sus distintos aspectos.
Los agrónomos (pedólogos) se ocupan de la fertilidad del suelo, zonación, textura,
estructura, materia orgánica y contenido de humedad.
Los geólogos ven al suelo como un componente de la zona superficial de la corteza donde
las rocas son transformadas en residuos superficiales (regolito) por procesos de
meteorización física y química.
Los ingenieros se interesan en las propiedades físicas y mecánicas ya que una buena parte
de la ingeniería civil está relacionada con la excavación, drenaje, reconstitución o
construcción en suelos.
Estos distintos enfoques pueden producir confusiones semánticas ya que la terminología
tiene distintos significados según quién la use. En la Tabla 1.1 se formulan las
equivalencias.
TABLA 1.1. TERMINOLOGIA SEGUN LAS DISTINTAS ESPECIALIDADES
INGENIERIA PEDOLOGIA GEOLOGIA
Suelo vegetal: capa
superficial capaz de
soportar vegetales.
Horizonte A: zona de
crecimiento vegetal y de
lavado.
Suelo: capas alteradas de
materiales sueltos
Horizonte B: zona de
acumulación.
Horizonte C: zona de
transición.
Regolito o suelo: perfil
completo desde la superficie
hasta la roca inalterada.
Roca: depósitos duros y
rígidos. Horizonte R: roca madre
Roca: depósitos frescos,
consolidados o no.
EL SUELO EDÁFICO
Los mapas agronómico s pueden ser útiles en aquellas áreas donde no existen datos
ingenieriles y sirven de antecedentes. Asimismo, son necesarios en ingeniería de
comunicaciones y en desarrollos urbanos. Por esta razón es interesante tener conocimientos
elementales sobre ellos.
Aquí, el suelo es una mezcla mecánica de partículas inorgánicas de variado tamaño,
residuos orgánicos y agua, cada uno de los cuales pueden estar ausentes o ser dominantes.
La meteorización tiende a desarrollar una secuencia de horizontes dentro de la zona de
alteración, siempre y cuando la erosión no los destruya. Todos estos horizontes
considerados en conjunto incluido la roca madre, forman el perfil de suelo. La parte situada
por encima de la roca madre se denomina solum.
Los horizontes pueden mostrar diferencias en uno o todos los siguientes aspectos:
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1. Grado de partición de la roca madre
2. Materia orgánica
3. Tipo y cantidad de minerales secundarios
4. pH
5. Distribución de tamaño de partículas
Un perfil vertical realizado en los primeros metros de suelo muestra horizontes que se
designan con las letras mayúsculas O A, B, C y R. Sus espesores pueden variar entre unos
pocos milímetros a unos pocos metros. Los horizontes y sus subdivisiones tienen las
siguientes particularidades:
1. O - Horizontes Orgánicos
1. Formados o en formación encima de partes minerales.
2. Dominado por materia orgánica fresca o parcialmente descompuesta.
3. Contiene más del 30% de materia orgánica si la fracción mineral contiene más del
50% de arcilla, o más del 20% orgánico si la fracción mineral no tiene arcilla.
2. A - Horizontes minerales consistentes en:
1. Acumulación de materia orgánica humificada en o adyacentemente a la superficie.
No es reconocible como materia orgánica y usualmente imparte colores oscuros al
horizonte.
2. Horizonte lixiviado de arcilla, hierro o aluminio con concentraciones de cuarzo u
otros minerales resistentes tamaño arena o limo.
3. Horizonte dominado por 1 o 2 pero en transición a uno subyacente B o C.
3. B - Horizontes con uno o más de lo siguiente:
1. Concentración iluvial de arcilla, hierro, aluminio o humus
2. Concentración residual de hierro u-óxidos de aluminio o arcilla, formada por6tros
medios que solución y remoción de carbonatos o más sales solubles.
3. Cubiertas de óxidos adecuadas para dar colores conspicuamente oscuros, o rojizos
a los horizontes sub o suprayacentes.
4. Una alteración que oblitera la estructura original de la roca, y que forma arcillas
silicatadas, óxidos libres o ambas, y que forma estructuras granular, blocosa o
prismática si las texturas son tales que cambios volumétricos acompañan cambios
en humedad.
4. C - Una capa, excluyendo el bedrock, de material similar o disímil del cual el solum se ha
formado presumiblemente, sólo afectado ligeramente por el proceso de formación del
suelo y careciente de las propiedades diagnósticas de los horizontes A y B.
5. R - Bedrock consolidado subyacente
El horizonte A, usualmente el más oscuro por su contenido de humus, está formado por
pequeñas partículas provenientes de la descomposición de hojas, raíces, y restos de
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animales. Posee abundante cantidad de organismos y microorganismos, todos viviendo en
un microcosmos ecológico.
Los minerales de la parte superior son mayormente arcillas y minerales insolubles
residuales como el cuarzo. Los minerales solubles están ausentes.
El horizonte B tiene relativamente poca materia orgánica, y están presentes los minerales
solubles y óxidos de hierro y aluminio.
El horizonte C es el bedrock ligeramente alterado, fracturado y mezclado con arcillas. En su
base se encuentra el bedrock fresco.
Para propósitos agronómicos es común describir los suelos usando la textura y la estructura
como los principales parámetros, (fig.1.1), y como rasgos secundarios el color, la estructura
y la consistencia.
Fig. 1.1 Clasificación según la textura del Suelo. Fuente: testudines.org. http://www.madrimasd.org/blogs/universo/2010/12/08/137600
La formación de los suelos en relación con el clima
La lluvia y la temperatura afectan la formación de los suelos edáficos. Un suelo toma un
largo tiempo en formarse. El lapso varía en el horizonte A desde cientos a miles de años
mientras
que el horizonte B, lleva un tiempo aún mayor.
La formación del suelo edáfico puede ser diagramada como un proceso de
retroalimentación complejo positivo. Involucra la respuesta al decaimiento de los minerales
y la meteorización con las variables de tiempo, temperatura y lluvias, y la acción biológica
que está influenciada por los tres primeros factores.
Los grandes grupos de suelos edáficos
Los científicos del suelo lo han clasificado en una gran cantidad basada en las propiedades
químicas y físicas, climas y topografía. Se han reconocido tres grandes clases en base a los
minerales presentes en los horizontes A y B.
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Las Lateritas son un suelo rojo subido de los trópicos en los cuales los silicatos
están completamente alterados, dejando mayormente óxidos de hierro y aluminio.
Aun la sílice puede ser lixiviada. Si el contenido de hierro de la roda madre es bajo,
se puede formar una bauxita. (fig. 1. 2 a).
Los Pedocals están formados en climas cálidos y secos. El carbonato de calcio es un
importante constituyente. Alguno de ellos pueden ser disueltos por ocasionales lluvias, pero
en un clima cálido y seco, la mayor parte del agua se evapora, dejando como precipitados o
“nódulos" en el horizonte B. Ellos contienen menos arcillas y los silicatos están menos
alterados. Es menos fértil debido a la menor población de microorganismos.(fig. 1.2 b)
Los Pedalfers están formados en áreas de alto contenido de lluvias, donde las zonas A y B
son lixiviadas. El suelo resultante es rico en cuarzo insoluble, minerales arcillosos y los
productos de alteración del óxido de hierro. El carbonato de calcio está ausente. (fig. 1.2 c).
Fig. 1.2 Grupos edáficos. Fuente: http://www.efn.uncor.edu/dep/GeoBas/GeoGral/progra14.jpg. Departamento de Geología Básica, Escuela de Geología, Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, Universidad Nacional de Córdoba
Los suelos antiguos o paleosuelos se identifican por sus asociaciones típicas de oxidaciones
y minerales arcillosos, y la evidencia de disolución de los minerales originales de las rocas
La sistemática de los suelos tiene que encarar el problema de clasificar las unidades
superiores reuniendo los grandes grupos de suelos mundiales en función de sus génesis y
de sus propiedades fundamentales. El objetivo es lograr una única jerarquización, que
abarque todas las categorías de unidades. Las superiores deben ser poco numerosas y las
unidades inferiores cada vez más subdivididas y múltiples.
La clasificación de los suelos edáficos es muy compleja y en la actualidad hay varios
a) LATERITA b) PEDOCAL c) PEDALFER
CLIMA HUMEDO CLIMA SECO CLIMA TEMPLADO
Capa de humus
delgado o ausente
Masa irregular de
limonita
Arcillas ricas en
hierro e hidróxidos
de aluminio
Zona lixiviada
delgada
Rocas máficas
Capa de humus y
suelo lixiviado
Precipitación de
nódulos de
carbonato de calcio
Roca madre:
areniscas, pizarras y
calizas
Capa de humus y
suelo lixiviado
Precipitación de
óxidos de hierro y
aluminio
Roca madre:
granito
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sistemas. Algunos consideran al clima como factor determinante de la evolución del suelo
(clasificaciones climáticas).
Otras estiman como dominante al quimismo de los diferentes horizontes del perfil de suelo
(clasificaciones químicas).
Por último, otras meritan conjuntamente las propiedades químicas de los suelos y su
evolución climática (clasificaciones mixtas).
Una clasificación norteamericana muy usada es la de Baldwin, Kellog y Thorp, publicada en
1938. (Tabla 1.2)
Las más modernas presentan 10 órdenes, 47 subórdenes, 206 grandes grupos, subgrupos,
familias y series (10.000 aproximadamente en E.U.A.) tal como la del U.S.D.A. Soil
Conservation Service.
TABLA 1.2. CLASIFICACIÓN DE SUELOS EN CATEGORÍAS MAYORES (Los grandes grupos
señalados con (1) son nuevos o modificados)
Suelos Zonales
1. Suelos de zonas frías Suelos de tundra
2. Suelos de colores claros de regiones áridas
Desérticos
Rojos de desierto
Sierozom
Brown (Pardos)
Pardos rojizos
3. Suelos de colores oscuros, de vegetación graminosa semiárida, subhúmeda y húmeda
Castaños
Castaños Rojizos
Chernozom
Suelos Pradera
Pradera Rojiza
4. Suelos de transición bosque – vegetación graminosa
Chernozon degradado
Pardo no cálcico o suelos Pardo Shantung
5. Suelos claros, podsolizados de las regiones boscosas
Podsol
Grises de bosque (Gray Wooded) o grises podsólicos (1)
Pardos podsólicos (Brown podsolic)
Pardo – grises podsólicos (Gray – Brown Podsolic)
Rojo – Amarillos podsólicos (Red – Yellow Podsolic)
6. Suelos lateríticos de regiones boscosas templado – cálidas y tropicales
Pardo rojizos lateríticos (Reddish – Brown Lateritic)
Pardo Amarillos lateríticos (Yellowish – Brown Lateritic)
Suelos de lateritas (1)
Suelos Intrazonales
1. Suelos halomórficos (salinos y alcalinos de regiones áridas mal drenadas y depósitos litorales
Solonchak o suelos salinos
Solonets
Solod
2. Suelos hidromórficos de pantanos, marismas, áreas de infiltración y depresiones
Humic Gley (incluye Wiesenboden) (1)
Suelos de prados alpinos
Bog y Half - Bog
Low – Humic Gley
Planosoles
Podsoles hidropédicos
8
Lateritas hidropédicas
3. Suelos calcimórficos Pardos forestales (Braunerde)
Rendsinas
Suelos Azonales
Litosoles
Regosoles (incluye arenas medanosas)
Suelos aluviales
EL SUELO DESDE EL PUNTO DE VISTA INGENIERIL
Desde el enfoque dado por la Ingeniería, el suelo es pensado como un agregado granular
trifásico cuyos poros están más o menos -- llenos con agua, coloides y minerales arcillosos
o los tres.
Técnicamente se los distingue de las rocas por la facilidad con la que pueden ser
removidos. Si se puede emplear medios de poca energía corno el agua, el material se
considera suelo, mientras si es necesario usar explosivos, se lo considera roca.
Esto trae innumerables inconvenientes para un amplio grupo de materiales provenientes de
sedimentos poco consolidados, o rocas ígneas y metamórficas muy alteradas que tienen un
comportamiento intermedio. Algunas veces se habla de rocas de transición.
Una clasificación amplia de los suelos incluyen los grupos dados por la Tabla 1.3
TABLA 1.3. LOS PRINCIPALES DEPOSITOS DE SUELOS
DIV
ISIO
N
MA
YO
R
PRINCIPALES SUELOS
SU
EL
OS
AU
TO
CT
ON
OS
Residuales Material formado por meteorización de rocas madres o materiales parcialmente consolidados
Arenas residuales y fragmentos de gravas. Formados por solución y lixiviación de materiales cementados, dejando las partículas más resistentes, comúnmente cuarzo.
Arcillas residuales. Formadas por meteorización de rocas silicatadas, de pizarras y solución de rocas calcáreas. Con pocas excepciones es más compacta y menos alterada en profundidad. En estadios intermedios puede reflejar la composición, estructura y estratificación de la roca madre.
Orgánicos Acumulación de material altamente orgánico formado in situ por el crecimiento y el subsecuente decaimiento de las plantas
Turba. Agregado fibroso de vegetación en descomposición y materia descompuesta con color oscuro y olor a podrido.
Muck. Depósito de turba en avanzado estado de descomposición a tal punto de resultar indistinguible los rasgos botánicos.
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SU
EL
OS
TR
AN
SP
OR
TA
DO
S
Aluviales Material transportado y depositado por las aguas
Depósitos de llanura de inundación: Depósitos dejados por una corriente en la porción del valle sujeta a inundaciones. Bancos. Depósitos alternativos de altos y bajos formados dentro de una curva de migración de un río. Los depósitos de los altos consisten en limas y arenas, mientras que los bajos son rellenados con arcillas. Rellenos de canal de estiaje. Depósitos dejados lazos de meandros abandonados cuando el río acorta su curso. Están compuestos primariamente por arcillas, aunque suelos arenosos y limosos son encontrados aguas arriba y abajo. Pantanos. Prolongada acumulación de sedimentos de inundaciones en las planicies que bordean los ríos. Los materiales son generalmente arcillas pero tienden a ser más limosos cerca de los bancos del río.
Depósitos de terrazas aluviales. Son superficies remanentes de llanuras de inundación planas, relativamente angostas, formadas por entrincheramiento de ríos y procesos asociados.
Depósitos estuarinos: Son depósitos de origen marino y aluvial yacientes en canales amplios en la desembocadura de ríos y que están influenciados por las mareas.
Depósitos aluvio-lacustres. Son materiales depositados dentro de lagos (no asociados con glaciación) por olas, corrientes, y procesos químico-orgánicos. Consisten en arcillas no estratificadas orgánicas o arcillas en las porciones centrales del lago y típicamente gradadas a limos estratificados y arenas en las zonas periféricas.
Depósitos deltaicos. Son los formados en desembocaduras de ríos.
Depósitos de piedemonte. Son depósitos aluviales y por acción de la gravedad, de colinas o montañas. Comprenden conos de deyección aislados o yuxtapuestos.
Eólicos Materiales transportados y depositados por el viento
Loess. Depósito no estratificado de limos y limos arenosos o arcillosos atravesados por una red de tubos formados por las antiguas raíces de plantas
Arenas de duna. Colinas, lenguas o acumulaciones de arena fina con granos redondeados y lustrados.
Glaciales Materiales transportados por glaciares, y por el derretimiento de glaciares
Till glaciar. Es una acumulación de derrubios depositados debajo, al costado (morenas laterales) o en el límite inferior de un glaciar (morena terminal). El material yace en capas irregulares (morena de fondo).
Depósitos glaciofluviales. Material grueso depositado por corrientes de deshielo. Se deposita más allá de la morena terminal en una planicie. Contiene los kames y eskers.
Depósitos glaciolacustres. Son materiales depositados dentro de lagos por agua de deshielo. Consisten en arcillas en las partes centrales del lago y capas alternantes de limos arcillosos o limas y arcillas (varves) en las partes periféricas
Marinos Material transportado y depositado por olas oceánicas y corrientes en las costas y áreas costa afuera.
Depósitos de costa. Son depósitos de arenas y gravas formadas por la acción de transporte y selección de las olas en la línea de costa.
Arcilla marina. Son depósitos orgánicos e inorgánicos de materiales finos
Coluviales Materiales transportados y
Talus. Depósitos creados por acumulación gradual de fragmentos de roca y derrubios en la base de los acantilados.
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depositados por gravedad Hillwash. Son coluviones finos consistentes en arenas arcillosas, limos arenosos o arcilla
Depósitos de avalanchas. Masas considerables de suelos y rocas que se han deslizado más o menos como unidad desde sus posiciones originales
Piroclásticos Materiales eyectados de volcanes y transportados por gravedad, viento y aire
Eyectados. Depósitos sueltos de cenizas volcánicas, lapilli, bombas, etc
Pumita. Frecuentemente asociada con lava y flujos de barro, o puede estar mezclada con otros sedimentos
LOS SUELOS RESIDUALES
Los suelos residuales han sido formados in-situ, después que el lavado se ha llevado todos
los compuestos generados por la meteorización. El espesor de ellos es muy variable,
dependiendo de la intensidad de la meteorización y de la erosión. Así, los granitos de
Trasvaal están alterados casi 60 metros y los de Hong Kong hasta 90 metros.
En un perfil típico se distinguen tres horizontes: (fig. 1.3)
I. Suelo residual propiamente dicho
II. Roca meteorizada
III. Roca no meteorizada
Fig. 1.3 Suelos residuales.
Fuente:
Dentro del horizonte I se localizan otros tres subhorizontes:
I-A. Zona de lixiviación empobrecida por la infiltración de agua.
I-B. Zona de deposición, a veces cementada.
a) ROCAS METAMÓRFICAS b) ROCAS ÍGNEAS INTRUSIVAS
I A Horizonte A
I B Horizonte B
I C Horizonte C
II B Roca parcial-
mente Meteorizada
II A Transición de
saprolito a Roca
Meteorizada
ZONA
I SUELO RESIDUAL
III ROCA NO METEORIZADA
I I ROCA METEORIZADA
Coluvión u otros Suelos Transportados. “los horizontes de piedras” son comunes aquí
ZONA
I A
I B
I C
II B
II A
III
Coluvión, etc.
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I-C. En el que se reconoce estructuras heredadas o relictas de la roca que suelen constituir
planos de debilidad. Este material recibe el nombre de saprolito y el conjunto es a veces
bastante permeable y susceptible a erosión externa e interna. Asimismo comienzan a
encontrarse bloques residuales de la roca madre que puede llevar a errores de
interpretación y clasificarlo como coluvión o a veces como morena glaciar.
En la zona II se encuentran:
II-A. Transición del saprolito a la roca meteorizada, con gran heterogeneidad y con
presencia de más de 10% de bloques residuales. El suelo es frecuentemente arenoso y
permeable.
II-B. Roca parcialmente meteorizada, en particular a lo largo de litoclasas.
En la zona II encontramos la roca sana, frecuentemente impermeable.
LOS SUELOS TRANSPORTADOS O ALOCTONOS
Los procesos de formación de estos suelos varían según el agente de transporte, y han sido
descriptos precedentemente. A modo de síntesis la Tabla 1.4 muestra un esquema
comparativo. El efecto relativo indicado en la última columna denota la importancia de
acuerdo a la cantidad de sedimentos movidos, siendo 1 el mayor.
TABLA 1.4. COMPARACION DE LOS AGENTES DE TRANSPORTE (adaptado de
Garrels, 1951)
Agente Tipo flujo
Velocidad promedio
Tamaño máximo
arranque
Áreas efecto
Carga por m
3
Tipo de transporte
Efecto Relativo
Corriente agua
turbulento pocos km/h arena todo terreno decenas
de kg
suspensión
solución
arrastre
1
Olas turbulento pocos km/h arena costas decenas
de kg
suspensión
solución
arrastre
2
Viento turbulento 15 km/h arena zonas áridas,
costas 1 kg
suspensión
arrastre 3
Glaciar laminar pocos m/año
bloque altas latitudes
y altitudes centenas
de kg
suspensión
arrastre 3
Agua subterránea
laminar pocos m/año
coloide materia soluble
1 kg solución 3
Gravedad laminar cm/año bloque
taludes, arcillas
sensitivas, arcillas
saturadas
2.000 kg arrastre 3
Los mayores efectos del transporte en las propiedades de los sedimentos son la selección y
la abrasión.
La selección puede ser de dos tipos: una selección local, que produce capas o lentes con
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distribución diferencial de tamaño de granos; y la selección progresiva, que conduce a la
variación selectiva en los tamaños de partículas en la dirección del flujo.
En general, los sedimentos aumentan su tamaño en dirección a su fuente, pero el
reconocimiento de estos factores no significa que el grado de selección en un área
determinada puede ser predicho con alta confiabilidad. Ello se debe a que la interacción y la
variabilidad del agente de transporte producen complejas selecciones.
El tamaño de las partículas y su forma pueden ser modificadas mecánicamente por impacto,
voladura y abrasión. Algunos efectos del transporte están sintetizados en la tabla 1.5.
TABLA 1.5. EFECTOS DEL TRANSPORTE EN LOS SEDIMENTOS
Agua Aire Hielo Gravedad
Tamaño
Reducción por
solución. Abrasión en
carga suspendida.
Abrasión e impacto
en carga traccionada.
Considerable
reducción.
Considerable
trituración e
impacto.
Considerable
impacto
Forma y
redondez
Redondeamiento
de arenas y gravas
Alto grado de
redondeamiento
Angular,
partículas
aplanadas
Angular, no
esférica
Textura
superficial
Arenas: suave,
pulidas, brillante
Limos: poco efecto
Impacto
produce lustre
Superficie
estriada
Superficie
estriada
Grado de
Selección Considerable
Muy
considerable
(progr.)
Muy pequeño Sin selección
Las características gradacionales de los materiales sedimentarios reflejan el modo de
transporte. La fig. 1.4 muestra como los materiales de distinto origen caen en diferentes
zonas del diagrama donde el logaritmo de la razón entre el 75% y el 25% del tamaño de
partícula está en función de la mediana (50%) del tamaño de los granos.
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Fig. 1.4 Influencia de la historia geológica en la gradación de tamaños de partículas.
Fuente: Mitchell p 65(adaptado de Selmer-Olsen, 1964)
PARTICULAS CONSTITUYENTES DE LOS SUELOS
Una muestra de suelo está formada por un conjunto de muchas partículas individuales y por
el aire o agua que rellenan los huecos entre ellas.
El tamaño de una partícula que no tenga forma esférica no puede determinarse
simplemente por una dimensión lineal. El significado de "tamaño" depende, pues, de una
dimensión medida, y de la forma de medición. Más adelante se verá que la determinación
del tamaño de las partículas se hace por el análisis granulométrico por tamizado (para
dimensiones superiores a las 75 micras) y por sedimentación acuosa (para las menores a
75 micras).
El tamaño de las partículas varía desde la dimensión molecular (10-6 mm) hasta los bloques
de roca de varios metros de espesor. La relación entre estas cifras extremas es del orden
de 108, o expresado en forma más apreciable entre el tamaño de una perla y el del globo
terráqueo.
Se ha empleado hasta ahora una serie de nombres para denominar determinados tipos de
suelos, que cubren una cierta gama de tamaños. Los nombres de estos suelos y los
tamaños que les corresponde usualmente se presentan en la Tabla 1.6. Se da entre
paréntesis otros valores límites de cada categoría, también utilizados, ya que no hay
uniformidad en estos límites.
En general se reserva el nombre de suelos para los tamaños de gravas y menores.
Los granos de un tamaño mayor de 0.06 mm pueden ser apreciados a simple vista o con
auxilio de una lupa. Constituyen la fracción muy gruesa y la fracción gruesa de los suelos;
los comprendidos entre 0.06 y 2 micras, que pueden ser examinados con la ayuda del
microscopio forman la fracción fina; los menores de 2 micras constituyen la fracción muy
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fina. Se requiere el uso del microscopio electrónico para percibir su forma y su estructura
molecular puede ser investigada por medio de rayos X.
TABLA 1.6. DENOMINACION DE LAS PARTICULAS
Bloques > 30 cm
Cantos rodados 15 a 30 cm
Grava 2,0 mm (ó 4.76 mm) a 15 cm
Arena 0,06 mm (ó 0,075 mm) a 2 mm (ó 4,76 mm)
Limo 0,002 mm(ó 0,0005 mm) a 0,06 mm (ó 0,075)
Arcilla < 0,002 mm. (ó 0,005 mm)
La mayoría de los suelos naturales contienen partículas de dos o más fracciones. Las
características particulares de un suelo compuesto están principalmente determinadas por
las propiedades de la fracción más fina.
La fracción gruesa actúa como un agregado o parte inerte de un suelo compuesto, y con
participación entre el 80 y 90% del peso seco total, la parte decisiva o activa la constituye el
20 o 10% del resto formado por los finos.
Las fracciones más gruesas (gravas por ej.) consisten en fragmentos de rocas compuestas
por uno o más minerales. Pueden ser angulares, redondeados o chatos, ser sanos o
mostrar signos de descomposición, ser resistentes o deleznables.
Las fracciones gruesas (arenas) son generalmente granos de cuarzo. Los granos pueden
ser angulares o redondeados. Algunos tienen un porcentaje importante de mica que las
hace muy elásticas y esponjosas.
En las fracciones finas v muy finas cada grano está generalmente constituido de un solo
mineral. Las partículas pueden ser angulares o escamosas, pero nunca redondeadas. En
general el porcentaje de partículas escamosas aumenta a medida que decrece su tamaño.
ARENAS
Son el producto de la disgregación de las rocas en granos pequeños, variando sus
componentes mineralógicos de acuerdo a su procedencia: las hay silíceas, calcáreas,
calizas, micáceas, etc. Son granos duros que han resistido a la acción de erosión y
desgaste por lo que las de mejor calidad son las silíceas, producto de fragmentación de
rocas cuarzosas. Sometido a compresión un suelo arenoso resiste de acuerdo con su
compacidad, y a la dureza de los granos.
Cuando son arenas calcáreas su dureza es menor por lo que suelen efectuarse un ensayo
mecánico de compresión a presión doble de aquella a la que se piensa hacerla trabajar. Si
se clasifica granulométricamente esa muestra antes y después de la compresión, y se
observa un aumento notable de los granos más finos quiere decir que la arena no es apta
pues la presión ha roto muchas partículas originales.
Los granos de arena pueden ser angulosos, subangulares, redondeados o subredondeados
según el grado de desgaste ocasionado por el rodaje y la abrasión. En general los granos
angulosos indican que la arena ha estado expuesta al desgaste por un período corto de
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tiempo, o nada en absoluto, como puede ocurrir con las arenas residuales que han
permanecido siempre en el lugar en que se formaron.
Según la procedencia del material se pueden dividir en arenas:
de río, con granos redondeados por la acción erosiva, aunque con fracción angulosa
en granos pequeños cuando por estar depositada en una playa, escapan a la
abrasión.
de mar, con superficies más ásperas, con intrusiones marinas debido a las sales del
agua de mar. Suelen estar mezcladas con conchillas o intrusiones calcáreas.
de dunas, en general de granos finos y muy redondeados por la acción eólica.
de cantera, con materiales depositados tiempo atrás por ríos o mares, que han
sufrido un proceso de transformación de orden químico, que ha alterado su
superficie haciéndola más rugosa.
Se las puede considerar gruesas, medianas, o finas, dependiendo ello del tamaño de la
mayoría de sus partículas, como se verá más adelante.
La arena es un material sin cohesión, aunque mojada o húmeda la tensión superficial del
agua puede darle una “cohesión aparente” que desaparece si el material se seca o se
satura.
Las arenas constituyen un material de construcción favorable. Tienen excelente capacidad
soporte si están confinadas. Sueltas, sobre todo si se trata de arenas mediana a finas, son
de dudoso comportamiento y malo, especialmente si están saturadas o sometidas a
subpresiones. Para excavaciones, su talud debe ser bastante tendido porque de lo contrario
resultan inestables.
ARCILLAS Y COLOIDES
Son partículas muy pequeñas, de dimensiones menores de 5 micras. En los suelos finos,
producto en general del ataque químico de las aguas a las rocas o a otros suelos, la forma
de los componentes tiende a ser aplastada, por lo que los minerales de arcilla adoptan en
general la forma laminar, en donde dos dimensiones son incomparablemente más grandes
que la tercera. Como excepción, algunos minerales de arcilla poseen forma acicular, con
una dimensión mucho más grande que las otras dos.
Por el sistema de determinación de la granulometría en suelos finos, mediante la
sedimentación en líquidos, las medidas que comúnmente se adjudica a estas partículas no
son las reales (que sólo se pueden medir a través de microscopio electrónico) sino los
diámetros de partículas esféricas que decantarán con igual velocidad que las partículas
laminares de arcilla.
Más importante que la diferencia objetiva entra la forma de la partícula ideal. y la real,
resulta la del comportamiento de este material, que'" depende de su forma laminar y de su
tamaño reducido.
En los granos poliédricos o esféricos, con una máxima relación masa a superficie, priman
las acciones gravitacionales. En las partículas laminares con una superficie específica
(relación superficie a masa) muy elevada cobran gran significación las fuerzas
electromagnéticas desarrolladas en la superficie de los compuestos minerales.
16
En la figura 1.5 se observa que la forma de agruparse de las partículas arcillosas es
sumamente diferente de la que se ve normalmente con los granos redondeados o
poliédricos de la arena. Las arcillas se agrupan dejando poros muy grandes, al punto que
los espacios vacíos (comúnmente llenos de agua) pueden representar volúmenes 5 a 10
veces mayores que el volumen sólido de las partículas.
Fig. 1.5 . Minerales de arcilla Fuente: Código Geológico de Venezuela. http://www.pdv.com/lexico/o2w.htm
Los vínculos que mantienen unidas a las partículas laminares son fundamentalmente
electroquímicos. La superficie plana de las caras laminares suelen poseer carga eléctrica
negativa. Por el contrario, parece haber evidencia de cargas positivas en las aristas. La
intensidad de las cargas depende de la estructura y composición de la arcilla.
La partícula atrae los iones positivos del agua que la rodea (H+) y a cationes de distintos
elementos químicos existentes en ella (Na+; K+ ;Ca++; Al+++; Fe+++, etc). Esto conduce a
que cada partícula individual de arcilla se vea rodeada de una capa de agua orientada
(dipolos) en forma definida y ligadas a su estructura (agua adsorbida). El espesor de esta
película de agua adsorbida por el cristal de arcilla es función no sólo de la naturaleza del
mismo sino también del tipo de los cationes atraídos.
La polarización de la molécula de agua hace que en sus extremos se ubiquen cargas
eléctricas diferentes, y con ello una orientación de la partícula de agua respecto al suelo,
con una cierta atracción entre ellas, y a su vez de la partícula de agua con la vecina;
también dipolo, atracción que se va debilitando a medida que se aleja del grano de suelo.
Resulta de lo expuesto que las partículas de suelo no tienen contacto directo entre ellas.
Las capas de adsorción proporcionan un contacto sui-generis, y según su espesor
permitirán una unión intensa, con gran resistencia al corte entre partículas de suelos, o una
unión más deformable, que permite un cierto desplazamiento entre ellas, sin separarse, lo
que implica lo que se conoce como plasticidad.
Las arcillas están constituidas básicamente por silicatos de aluminio hidratados (a veces de
Mg, Fe u otros metales) en forma de hojas (ver Capítulo de Minerales. Primera Parte).
17
El comportamiento de los coloides no arcillosos, por ejemplo, la sílice y la alúmina, durante
la cristalización juega un papel importante en la determinación de los minerales arcillosos
que se formarán por meteorización. Algunos principios generales se pueden enumerar,
aunque su explicación esté fuera del alcance de este curso:
1. Las tierras alcalinas (Ca, Mg) tienden a flocular la sílice.
2. Los álcalis (K, Na, Li) tienden a dispersar la sílice.
3. Un bajo pH tiende a flocular.
4. Un alto contenido de electrolitos tiende a flocular.
5. Las suspensiones aluminosas son más fácilmente floculables que las silíceas.
6. Las fases dispersivas son más fácilmente removibles por el agua subterránea que las
fases floculadas.
De acuerdo a su estructura reticular, los minerales de arcilla se clasifican en tres grandes
grupos: (figura 1.6)
a) Caolinitas: formadas por la superposición alternada de una lámina de sílice con una
de alúmina. Debido esta estructura sílice-alúmina 1:1, la formación de la caolinita es
favorecida cuando la alúmina es abundante y la sílice es escasa.
Las condiciones climáticas que propician esta situación son aquellas en donde las
precipitaciones son relativamente altas para asegurar la lixiviación de cationes y la oxidación
del hierro. Se requiere un buen drenaje para remover esos materiales.
La mayor parte de la caolinita se forma de la alteración de los feldespatos y micas
pertenecientes a rocas graníticas.
Una unidad fundamental, tiene un espesor de 7,2 Å y se extiende indefinidamente en las
otras dos direcciones.
La partícula de caolinita está formada por bloque de unidades fundamentales (a veces más
de cien) que alcanzan espesores totales del orden de las 10 micras. Se mantienen unidas
mediante enlace de hidrógeno. Esto involucra una relación entre el O del vértice del
tetraedro con un OH del vértice octaédrico de la capa adyacente.
Fig. 1.6 Minerales de arcilla.
B
G
sílice
gibbsita
brucita
caolinita
G
G
esmectita
H2O
illita
G
K
clorita
B-G
B
18
La unión entre las retículas laminares es lo suficientemente firme para no permitir la
penetración de moléculas de agua entre ellas. En consecuencia, las arcillas de este tipo son
muy estables en presencia de agua. La estructura cristalina es bastante rígida.
La partícula de caolinita posee, debido a su tamaño fino, cargas positivas y negativas en los
enlaces rotos de los bordes. Estas cargas insatisfechas pueden adsorber iones.
Otras arcillas del grupo caolinítico son las Haloysitas, semejantes a la anterior, pero con
moléculas de agua intercaladas entre cada dos unidades fundamentales, lo que supone un
enlace débil. Tienen una apariencia de hoja enrollada o tubo, en lugar de la placa plana de
caolinita.
b) Las Esmectitas están formadas por una lámina de alúmina entre dos silícicas,
superpuestas indefinidamente. Se vinculan a paquetes similares por medio de cantidades
variables de agua y cationes (fig. 1.6). Su principal representante es la montmorillonita.
Se generan cuando la sílice es abundante, tal como es el caso donde tanto la sílice como la
alúmina están floculadas.
Las rocas ricas en tierras alcalinas, tales como las ígneas básicas e intermedias, las
cenizas volcánicas, y sus derivados son los materiales padres. Las condiciones
climatológicas en donde la evaporación excede la precipitación, favorece la formación de
esmectitas. Por ejemplo, en las áreas áridas y semiáridas donde existe lixiviación pobre.
Estas unidades fundamentales cuyo espesor es del orden de 10 A se enlazan en forma
débil por lo que las moléculas de agua pueden introducirse fácilmente en la estructura
originando un gran aumento de volumen de los cristales.
Las partículas tiene forma de escama muy neta, con relación entre la mayor y menor
dimensión del orden de 250 a 1. El volumen del suelo dependerá más que de la parte
sólida propiamente dicha, de la cantidad de agua adsorbida.
Un ejemplo común es la bentonita, que se usa para obturar infiltraciones de agua en
perforaciones, ya que al introducirse en los poros del suelo perforado y adsorber agua, se
expande, obturándolas.
Otro material de este grupo es la vermiculita, utilizada como aislante térmico y acústico, en
estado seco.
Los taludes, tanto naturales como artificiales, constituidos por arcillas esmectíticas, están
sujeto a deslizamientos y fluencia en tiempo húmedo.
c) Las Illitas están constituidas en forma similar a la anterior, por dos capas
tetraédricas de sílice que encierran una octaédrica de alúmina.
Una diferencia fundamental es el equilibrio, mediante átomos de potasio, de las deficiencias
de carga. Ellos se sitúan entre dos unidades fundamentales, y no son intercambiables.
Por esa causa las rocas ígneas o metamórficas ácidas y sus derivados son los materiales
padres. Asimismo la alteración de la muscovita a illita y la de la biotita a vermiculita.
La alta estabilidad de la illita es responsable de que sea tan abundante y persistente.
La estructura de la illita no es expansiva; no admite la entrada de agua entre sus capas. El
espesor de las partículas puede oscilar entre 1:10 y 1:50 respecto al diámetro.
19
Por medio del microscopio óptico no es posible precisar el tipo de arcilla que se observa,
siendo necesario recurrir a los microscopios electrónicos. Como las preparaciones para el
estudio con microscopio son difíciles de realizar sin alterar las propiedades del suelo es
preferible obtener la difracción de rayos X, cuya longitud de onda es del orden de 1 Å,
observando el espectro del mismo. La probeta se prepara en forma de poder someter la a
una cierta torsión, observando que la longitud de onda producida por la distorsión cambia
según el tipo de suelo.
También se usa la balanza térmica, ya que el comportamiento de cada arcilla es distinto
según la temperatura. Se puede identificar los minerales de arcilla mediante las
temperaturas que exige extraer el agua estructural de sus retículas, o para la
transformación de un mineral de arcilla en otro.
d) Las Cloritas se pueden formar por alteración de las esmectitas, ya que la
introducción pe suficiente Mg causa el reemplazo del agua intercapa en la Brucita. Las
cloritas pueden encontrarse a partir de las rocas ígneas y metamórficas de bajo a medio
grado.
Las condiciones enumeradas son una sobresimplificación del problema, ya que puede
haber numerosas ramificaciones, alteraciones y calificaciones de esos procesos.
Una arcilla puede ser alterada a otra arcilla por intercambio catiónico, y meteorización en las
nuevas condiciones. La estructura puede cambiar completamente, por ejemplo de 2:1 a 1:1
Así una montmorillonita puede formarse a partir de rocas ricas en magnesia en condiciones
de humedad, y drenaje moderado, pero si se continúa la lixiviación se alterará para formar
caolinita.
Asimismo, la proporción relativa de potasio y magnesio determina cuanta montmorillonita e
illita se puede formar.
Las partículas de dimensión inferior a 1 micra se suelen designar como arcillas coloidales.
Estas partículas en suspensión en el agua sedimentan a una velocidad extremadamente
lenta, que se anula para tamaños inferiores a 0.2 micras, quedando definitivamente en
suspensión. Estas partículas están dotadas de carga eléctrica, que al ser del mismo signo
impide la atracción mutua entre ellas, las que al repelerse en forma instantánea y
permanente originan lo que en química se conoce como movimiento Browniano.
La cantidad de material coloidal es muy variada pudiendo hablarse de solución coloidal
cuando la densidad es pequeña (soles), o de gelatina coloidal (gel) cuando la densidad es
mayor, o sea cuando es grande la concentración de coloides.
Variando la cantidad de agua se puede pasar del estado de gel al de sol, por absorción de
agua, y desde sol a gel, por eliminación de la misma, cambiando las propiedades del suelo.
Cuando el suelo está en suspensión en un medio acuoso en presencia de sales en
disolución puede actuar neutralizando la carga eléctrica de los coloides. Entonces, sus
masas atraídas por la acción de las restantes, forman pequeños copos de material de muy
poca consistencia, llamados fóculos. Estos tienden a decantar con velocidad mayor que la
de partículas más pequeñas. Este proceso ocurre en los ríos que desembocan en el mar,
originándose los deltas.
Estas circunstancias tienen algunas aplicaciones prácticas. Agregando electrolitos en el
20
agua en tanques de sedimentación, se acelera el proceso de clarificación de aguas
barrosas. Una acción opuesta se puede tener cuando se desea evitar la sedimentación en
dispersiones de suelo, en cuyo caso se agregan dispersantes para mantener el estado de
suspensión. Del mismo modo la presencia de sales disueltas en el agua de mar es la causa
de su claridad, y la presencia o ausencia de tales sales en cantidad apreciable en el agua
de los ríos explica porqué algunos son perfectamente claros mientras otros se presentan
muy barrosos.
LIMOS
Los limos son suelos cuyas partículas tiene tamaños comprendidos entre 2 y 5 micras como
mínimo y de 0.06 a 0.075 mm como máximo, es decir con una composición granulométrica
intermedia entre la de las arenas y la de las arcillas. En general la forma de sus granos y
sus propiedades se asemejan a las arenas finas cuando se trata de limos gruesos y a las
arcillas cuando se presentan elementos más finos.
No solamente es el tamaño lo que identifica a los limos, sino también su comportamiento.
En los limos inorgánicos se puede apreciar alguna cohesión o atracción entre partículas,
que a veces es solo aparente debido a la acción del agua que los humedece y mantiene
unidos los granos por fenómenos de tensión superficial. Esta cohesión desaparece al
secarse el suelo, sobre todo si las partículas son equidimensionales, fragmentos de cuarzo
o polvo de roca.
A veces contienen un porcentaje apreciable de partículas de forma escamosa, semejante a
las arcillas, y tienen algún efecto cohesivo. La presencia de esta cohesión o adhesividad
entre partículas les da algo de plasticidad, pero en general muy baja.
Los limos orgánicos son suelos finos con una mezcla de partículas de materia orgánica
finamente dividida, que les confiere alguna plasticidad, y mucha inestabilidad, pues la
materia orgánica tiende a desaparecer con el tiempo.
Los limos, al ser suelos intermedios tienen también propiedades intermedias, pero en
general se puede decir que su comportamiento es menos favorable que el de los otros
suelos como terreno de fundación.
SUELOS COMBINADOS
Los suelos descriptos en los párrafos precedentes se encuentran en la naturaleza formando
una serie de combinaciones. Si es de dos clases distintas, para identificarlo se utiliza el
nombre del material predominante como sustantivo y el que entre en menor proporción
como adjetivo calificativo. Por ejemplo, arena limosa indica un suelo en el que predomina la
arena y contiene una pequeña cantidad de limo.
Una arcilla arenosa es un suelo con las propiedades de las arcillas y contiene una cantidad
apreciable de arena.
La mezcla de arena, limo y arcilla, generalmente con agregados orgánicos que se
encuentra formando la capa superficial, es designada en agricultura como lQgm y esta
designación fue utilizada en ingeniería vial, donde se debe trabajar principalmente con las
capas superiores del suelo. Hoy la tendencia trata de eliminar ese término ambiguo, y se
utilizan otras designaciones que se verán al tratar clasificación de suelos para uso vial
21
(Clasificiación H.R.B.).
Además de los mencionados al tratarse la formación de suelos, se describirán brevemente
otros bastante frecuentes en la literatura ingenieril.
Marga es un término utilizado en forma vaga para identificar varios tipos de arcillas marinas
calcáreas compactas o muy compactas y de color verdoso.
El término Caliche se aplica en algunos países a ciertas capas de suelos cuyos granos
están cementados por carbonatos calcáreos. Estas capas se encuentran generalmente a
poca profundidad y su espesor puede variar de pocos centímetros a varios metros. Para su
formación parece necesario un clima semiárido.
Greda es un término popular con el cual se designa una variedad grande de suelos, pero
que normalmente están constituidos por arcillas muy plásticas más o menos compactas,
aunque a veces se incluyen dentro de esta denominación hasta areniscas arcillosas, que
como rocas entran en la categoría de rocas blandas.
Tosca es el nombre dado en ciertos países a una fuerte impregnación calcárea de suelos
de composición variable, en general limos de origen eólico-fluvial, dando como resultado un
material de composición y resistencia también variable, pero que regularmente tiene una
gran proporción de calcáreos y es muy compacto. A veces la tosca se presenta como
incrustaciones aisladas de calcáreo en una base de loess-loam.
TEXTURA Y ESTRUCTURA DE SUELOS
El término textura se refiere al grado de fineza y uniformidad del suelo, y se describe por
medio de términos tales como harinoso, suave, arenoso, áspero, etc. según cuál sea la
sensación que produce al tacto.
En los suelos esta sensación táctil, o visión externa del material dependerá de la proporción
con que entran en la composición de los distintos tamaños de granos.
Se denomina estructura de un suelo al arreglo o disposición que adoptan sus partículas
minerales. Es obvio que la estructuración que tenga un suelo dado juega un papel
fundamental en su comportamiento especialmente en lo que se refiere a la resistencia,
compresibilidad y permeabilidad.
El suelo nunca es un mero agregado desprovisto de organización; por el contrario, sus
partículas se disponen siempre en forma organizada siguiendo leyes naturales que
dependen del proceso geológico que lo ha formado.
En los suelos gruesos la aglomeración de partículas se produce por acción gravitacional. El
mecanismo de estructuración es fácil de concebir, y dado el tamaño de los granos cualquier
hipótesis es verificable a simple vista.
En los suelos finos, las fuerzas que definen la estructura son de naturaleza
electromagnética, mucho más difíciles de concebir.
Existe la dificultad adicional de que cualquier hipótesis de estructuración que se haga será
mucho más compleja y sólo parcialmente verificable por métodos indirectos, relativamente
complicados.
22
Clasificación por textura
La textura se relaciona en forma directa con la granulometría del suelo, por lo que se
presentará aquí las clasificaciones basadas en características granulométricas.
Estas clasificaciones, que resultan incompletas e insuficientes sirven para familiarizarse con
la literatura y a distinguir por un nombre algunos tipos de suelos. En descripciones o en
conversación es más expresivo el término arena gruesa que "fracción comprendida entre
0.6 y 2 mm".
En la figura 1.7 se dan tres clasificaciones de las más usadas:
Fig. 1.7 Clasificación por textura de acuerdo a distintos organismos. Fuente:
Todas estas clasificaciones tienen algo de arbitrario pues no se pueden establecer
divisiones claras entre los elementos de una serie continua. Las divisiones deberían
corresponder, aunque en forma aproximada con cambios importantes en las propiedades de
los suelos y las distintas fracciones deberían ser reconocibles a simple vista o mediante
ensayos de campo sencillos.
Estas condiciones se cumplen en el sistema de clasificación Instituto Tecnológico de
Massachustts (M.I.T.), que difiere poco de la D.I.N. Las Tablas 1.7, 1.8 y 1.9 distinguen a
suelos
los indicados por el M.I.T.
Los términos "limo" o "arcilla" son utilizados aquí para indicar tamaños de partículas, y no su
comportamiento, que depende de otros factores. Por ello para su empleo correcto debe
utilizarse
expresiones tales como "partículas de tamaño de arcillas".
Los suelos naturales, mezcla de dos o más fracciones granulométricas, como se indicó
previamente, pueden identificarse por medio de los nombres principales, en forma
simplificada con el uso de diagramas como el de la figura 1.8, en el cual cada uno de los
tres ejes coordenadas sirve para representar una de las tres fracciones granulométricas:
arena, limo y arcilla.
23
Fig. 1.8 Diagrama para identificación de Suelos
del Bureau of Public Roads, USA
Fuente: Mecánica de Suelos, Terzaghi y Peck, p 38
El diagrama está dividido en zonas y a cada una de ellas se le asigna un nombre. Las tres
coordenadas de un punto representan los porcentajes de las tres fracciones presentes en
un suelo cualquiera y determinan la zona a la cual pertenece. Por ejemplo un suelo mixto,
compuesto de 20% de arena, 30% de limo y 50% de arcilla es representado por el punto S y
se clasifica como arcilla.
Las clasificaciones granulométricas son incompletas y sólo permiten agrupar los suelos con
una idea muy vaga de su comportamiento, pues como se comenta más adelante, en las
clasificaciones modernas se incluye otros parámetros que identifican cada categoría en
forma mucho más dirigida a las aplicaciones ingenieriles.
No obstante, el gráfico del Bureau of Public Roads permite apreciar algo muy significativo, y
es la preponderancia de la fracción fina en el comportamiento del suelo: porcentajes de
arcillas en un 30%, permiten ubicarlo como un suelo arcilloso. Se requiere del 80% de arena
para que el suelo sea ubicado en esa categoría.
TABLA 1.7
DIFERENCIAS ENTRE GRAVAS Y ARENAS
Gravas (> 2 mm ) Arenas (entre 0,06 y 2 mm)
Los granos no se apelmazan aunque estén
húmedos, debido a la pequeñez de las
tensiones capilares.
Los granos se apelmazan si están húmedos,
debido a la importancia de las tensiones
capilares.
Cuando el gradiente hidráulico es mayor que 1,
se produce en ellas flujo turbulento.
No se suele producir en ellas flujo turbulento
aunque el gradiente hidráulico sea mayor
que 1.
Es difícil perforar un túnel en gravas con agua
mediante aire comprimido, porque la pérdida de
aire es muy alta.
El aire comprimido es adecuado para
perforar en él
24
TABLA 1.8
DIFERENCIAS ENTRE ARENAS Y LIMOS
Arenas (entre 0,06 y 2 mrn) Limos (entre 0.002 y 0,06 mrn )
Partículas visibles. Partículas invisibles.
En general, no plásticas. En general, algo plásticos.
Los terrenos secos tienen una ligera cohesión,
pero se reducen a polvo fácilmente entre los
dedos.
Los terrones secos tienen una cohesión
apreciable, pero se pueden reducir a polvo con
los dedos.
Fácilmente erosionadas por el viento. Difícilmente erosionados por el viento.
Fácilmente drenadas mediante bombeo. Casi imposible de drenar mediante bombeo.
Los asentamientos de las construcciones
realizadas sobre ellas suelen estar terminados
al acabar la construcción.
Los asentamientos suelen continuar después de
acabada la construcción
TABLA 1.9
DIFERENCAS ENTRE LIMOS y ARCILLAS
Limos (entre 0,002 y 0,06 mm) Arcillas ( < 0,002 mm)
No suelen tener propiedades coloidales, Suelen tener propiedades coloidales.
A partir de 0,002 mrn, y a medida que aumenta
el tamaño de las partículas, se va haciendo
cada vez mayor la proporción de minerales no
arcillosos.
Consisten en su mayor parte en minerales
arcillosos.
Tacto áspero. Tacto suave.'
Se secan con relativa rapidez y no se pegan a
los dedos. Se secan lentamente y se pegan a los dedos.
Los terrones secos tienen una cohesión
apreciable, pero se pueden reducir a polvo con
los dedos.
Los terrones secos se pueden partir, pero no
reducir a polvo con los dedos
Clasificación por estructura
La forma de acomodarse de las partículas para constituir la estructura del suelo tienen como
causal principal fuerzas gravitacionales en los suelos gruesos y las acciones
electromagnéticas en las partículas finas. De ello surgen los conceptos de estructuras
simples, panaloides, floculenta y compuesta que son ya tradicionales.
En épocas más recientes se han introducido otros mecanismos de estructuración en base a
técnicas de investigación antes desconocidas. Se presentan las más difundidas. .
25
Estructura simple
Es aquella producida cuando las fuerzas debidas al campo gravitacional son claramente
predominantes en la disposición de las partículas. Es típica de suelos de grano grueso
(gravas y arenas limpias) de masa comparativamente importante. Las partículas se
disponen apoyándose directamente unas en otras, y cada partícula posee varios puntos de
apoyo.
Desde el punto de vista ingenieril, el comportamiento mecánico e hidráulico de un suelo de
estructura simple queda definido principalmente por dos características:
-la compacidad del manto
-la orientación de sus partículas.
El término compacidad se refiere al grado de acomodamiento alcanzado por las partículas
de suelo dejando más o menos vacíos entre ellas. En un suelo compacto las partículas
sólidas que lo constituyen tienen un alto grado de acomodo y la capacidad de deformación
del conjunto bajo carga será pequeña.
En suelos poco compactos el grado de acomodo es menor. En ellos, el volumen de vacíos y
por ende la capacidad de deformación son mayores.
La orientación de las partículas de arena sedimentadas en agua es tanto más pronunciada
cuanto más se aparta su forma de la esférica. Esta orientación produce como efecto
principal una muy distinta permeabilidad del suelo según que el flujo del agua sea normal o
paralelo a la dirección de orientación. El efecto aumenta notablemente si el suelo contiene
un porcentaje apreciable de partículas laminares.
Aún en arenas naturales con formas prácticamente equidimensionales el efecto de la
orientación sobre la permeabilidad es apreciable.
Estructura panaloide
Esta estructura se considera típica en granos de pequeño tamaño (0.02 mm 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 sedimentar,
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 otras
partículas ya depositadas, la fuerza de
adherencia desarrollada entre ambas
puede neutralizar su peso, haciendo que la
partícula quede detenida antes de
completar su carrera.
Otra partícula puede añadírsele después, y el conjunto de ellas podrá llegar a formar una
celda, con cantidad importante de vacíos, a modo de panal (figura 1.9).
Las fuerzas de adherencia causantes de estas estructuras son fuerzas superficiales
Fig. 1.9 Estructura panaloide. Fuente:
26
electromagnéticas ya mencionadas anteriormente.
Estructura floculenta
Cuando en el proceso de sedimentación dos partículas de diámetro menores de 0.002 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
formadas por partículas individuales sino por los grumos agrupados.
Este mecanismo produce una estructura muy blanda y suelta, con gran volumen de vacíos
llamada floculenta, estructura muy difusa en la que el volumen sólido representa no más del
5-10% del total.
Las partículas menores de 0.2 micra s se
consideran coloides que pueden
permanecer indefinidamente en
suspensión. En las aguas de mar las sales
contenidas actúan como un electrolito
haciendo posible la floculación. En otras
aguas naturales la disociación normal de
algunas moléculas (H+, OH-) que siempre
se produce, la presencia de sales, etc.
logran el mismo efecto.
Conforme aumenta el peso debido a la
sedimentación continua, las capas inferiores expulsan agua y se consolidan más. Durante
ese proceso las partículas y grumos se aproximan entre sí y es posible que esta estructura
tan poco firme en principio, alcance resistencia de importancia.
Estructuras compuestas
Rara vez se presentan en la naturaleza las estructuras citadas en su forma pura, sino que la
sedimentación de las partículas se produce con el arrastre simultáneo de granos de
distintos tamaños de manera que se formaría un esqueleto de partículas gruesas, y masas
coloidales floculadas proporcionarían un nexo entre ellas (figura 1.11).
El proceso de acumu-
lación de sedimentos da
origen al fenómeno de
consolidación de las capas
inferiores que bajo el peso
de las suprayacentes
drenan parte del agua
contenida en sus flóculos,
los que se comprimen
disminuyendo de volumen,
especialmente en las
zonas donde está más
confinada, es decir, en las
Fig. 1.10 Estructura floculenta. Fuente:
Fig. 1.11 Estructura compuesta (según A. Casagrande). Fuente:
27
proximidades de los granos gruesos.
Se produce así en las regiones de aproximación entre los granos gruesos una liga arcillosa
coloidal altamente consolidada, que define la capacidad del esqueleto de 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.
Esto explica la diferencia de comportamiento de los suelos entre el estado natural y remo
Ideado , pues el amasado o remoldeo destruye la liga de arcilla rígida, consolidada y la
reemplaza por una arcilla suave, blanda, incapaz de soportar cargas.
Finalmente existe una propiedad, la tixotropía que permite la regeneración de las fuerzas
cohesivas que vinculan los distintos elementos una vez que se deja en reposo y se vuelva a
producir la orientación de los dipolos, o sea la polarización que asegura las fuerzas de
atracción entre partículas.
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.
Otras estructuras
En épocas más modernas se han introducido como fundamentales los conceptos de
floculación y dispersión.
Se ha sugerido una explicación distinta de la estructura floculenta, basándose en la forma
laminar de las partículas arcillosas. En esta hipótesis cobra importancia fundamental la
relación de largo y ancho de las láminas de arcilla respecto a su espesor (de 1/10 a 1/100)
y lo elevado del valor de su superficie específica (de 10 a 800 m2 de área superficial por
gramo de peso) .
Si bien la partícula posee carga negativa, parece cierto que en sus aristas se presenta una
concentración de carga positiva que hace que esa zona localizada se atraiga con la
superficie de cualquier partícula vecina. La estructura supuesta toma la forma que muestra
la figura 1.12 que se denomina en "castillo de naipes" o floculado.
Cabe hacer notar que según esta hipótesis también
corresponde al suelo un importante volumen de
vacíos, y que es válido cuando se ha dicho antes
sobre la consolidación de las capas inferiores por el
peso de las ubicadas más arriba.
Algunas investigaciones modernas han indicado que
la hipótesis estructural de "castillo de naipes" en la
que las partículas tienen contactos mutuos, si bien
puede aceptarse como real en muchos casos, quizá
no es suficientemente estable.
Fig. 1.12 Estructura floculada o “castillo de naipes” Fuente:
28
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. Estas presiones
osmóticas tienden a hacer que las
partículas se separen y adopten una
posición tal como la que
esquemáticamente se aprecia en la figura
1.13.
Aunque a primera vista no lo parezca,
algunos autores opinan que este arreglo es el más estable, y constituye la estructura
dispersa.
En la partes a) y b) de la figura se muestra el mecanismo por el cual la presión osmótica
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 observarse que el conjunto de estructuras para suelos finos someramente descripto
en lo que antecede no constituye una serie de posibilidades reales en la naturaleza, sino
simplemente algunas hipótesis de estructuración de las que hoy se habla. Muchos
investigadores aceptan algunas de las explicaciones anteriores, pero no ot.ras, de manera
que no existe pleno acuerdo al respecto.
También ha de observarse que con las estructuras de castillo de naipes, o dispersa se
generarán estructuras compuestas análogas a las ya tratadas con las formas estructurales
más clásicas.
EL AGUA EN EL SUELO
El agua del suelo es un factor de importancia,
tanto desde el punto de vista de la mecánica del
terreno, como de los problemas constructivos.
Afecta por igual, aunque en distinta forma en los
suelos cohesivos como a aquellos sin cohesión.
En los suelos incoherentes pueden presentarse
problemas en excavaciones, en compactación,
en la resistencia del material, y aun pueden
surgir problemas de licuefacción. En los suelos
cohesivos las variaciones en el contenido de
agua pueden producir cambios en la plasticidad y
en la resistencia al corte, incrementados en los
casos de rebajamiento o ascenso del nivel del
acuífero.
Fig. 1.13 Ordenamiento de partículas Fuente:
Fig. 1.14 Distintas fases en la masa de suelo Fuente: http://www.tesis.bioetica.org/pab2-
1_archivos/image010.gif
29
En un suelo existen tres partes constituyentes: partículas sólidas, agua y aire.
La organización de las partículas minerales es tal que el agua está presente en todo el
suelo, en mayor o menor cantidad, y puede, si hay suficiente, tener "continuidad" en el
sentido de la distribución de presiones.
El agua no ocupa huecos aislados, sin intercomunicación. Puede humedecer todas las
partículas, dejando buena parte de los poros con aire, o bien llenar todos los poros que
dejan entre sí las partículas, y que se intercomunican, de manera que el agua forma una
masa continua que contiene al mineral en su seno.
En términos técnicos se suele llamar humedad al contenido de agua que contienen los
poros del suelo.
Esta humedad no suele está distribuida uniformemente ni en equilibrio estático por la
influencia de los agentes atmosféricos, tales como temperatura y presión. Esto es
especialmente cierto mientras más cerca de la superficie está el punto considerado.
Aparentemente, a mayor profundidad la humedad se distribuye con mayor uniformidad y es
más estable.
En general es difícil establecer límites precisos entre las distintas formas en que puede
presentarse el agua (o humedad) en el suelo, y a cada forma corresponde una incidencia
diferente en el comportamiento del mismo. Se puede considerar:
Agua libre o gravitacional
Humedad higroscópica
Humedad capilar
Agua de adsorción
Agua libre o gravitacional
Por debajo de cierto nivel las capas de suelo pueden estar saturadas de agua,
estableciéndose continuidad en el medio líquido.
Dentro del medio fluido, las presiones se distribuyen hidrostáticamente, y las fuerzas
actuantes son las de la gravedad. La primera capa de agua de este tipo se llama freática y
sobre ella, en su superficie actúa la presión atmosférica. A mayor profundidad, en mantos
permeables, pero confinados por capas impermeables pueden existir otras capas acuíferas.
A éstas se las designa en general aguas subterráneas
Tanto el agua freática como las otras capas subterráneas se hallan en movimiento,
obedeciendo a las leyes gravitacionales.
Esto las diferencia de otras formas de agua, en donde esta acción de la gravedad es
despreciable frente a las fuerzas moleculares de tensión superficial, o a las acciones
electrostáticas que dependen de la estructura atómica del agua y de las partículas sólidas.
Humedad higroscópica
Se denomina así a la humedad que las partículas toman del aire, en la misma forma que lo
hace la sal común. Esta humedad varía con el contenido de sales del suelo, y
principalmente con la temperatura. Si se seca a estufa una muestra de suelo, y se la deja en
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ambiente húmedo absorbe rápidamente humedad del aire y la retiene en sus poros. Esta
humedad se desprende fácilmente calentando el suelo a temperatura de 100 a 105 °C.
Humedad Capilar
Cuando la humedad que rodea las partículas, sin saturar los poros, moja todo su contorno,
la superficie exterior de esta agua queda limitada por una película en la que se ejercen las
acciones de la tensión superficial. Estas acciones tienen dos efectos:
a) La posibilidad de desplazar esta agua dentro de los poros del suelo por la capilaridad,
cuando el tamaño de los poros es de dimensión capilar. Este movimiento capilar dentro del
terreno natural comienza a partir de una superficie de aguas libres las cuales se desplazan
en sentido vertical ascendente (aunque pueden moverse por esta acción en cualquier
dirección).
b) La presión capilar, por la cual la película de agua, en virtud de la tensión superficial se
aprieta contra la partícula sólida y la envuelve totalmente. Si adosamos dos partículas
dotadas de esta envoltura de agua capilar, sus membranas acuosas se unifican y la tensión
superficial retiene una contra otra a las partículas con una fuerza compresiva que trata de
mantenerlas unidas. Por ese motivo, los granos de arena húmeda manifiestan una cierta
cohesión que permite modelar los castillos de arena, y esa cohesión desaparece cuando el
suelo se seca.
En los suelos finos este efecto capilar, cuando el suelo se seca, tiende a apretar las
partículas entre sí, disminuyendo el volumen total, seccionándolo en fracciones, que al
comprimirse se separan por grietas de contracción.
Agua de adsorción
Este es uno de los aspectos más interesantes de la geotecnia, y uno de los que la
diferencian del comportamiento de otros materiales. Tiene especial significado en los suelos
muy finos.
Tal como se vio precedentemente, el agua de adsorción tiene sus moléculas polarizadas
(dipolos). La carga negativa de la superficie de las partículas de suelo atrae los iones
positivos de las moléculas de agua (H+) y a cationes de diferentes elementos químicos
tales como Na+, K+, Ca++, Mg++, Al+++, Fe+++, etc. Lo anterior conduce, en primer lugar, al
hecho de que cada partícula individual de arcilla se ve rodeada por una capa de agua
orientada en forma definida y ligadas a su estructura cristalina (agua adsorbida). Cuando la
partícula atrae cationes de otros elementos químicos, estos atraen a su vez a otras
moléculas de agua orientadas, por lo que el espesor de la película de agua adsorbida por el
cristal de arcilla es función no sólo de la naturaleza del mismo, sino también del tipo de los
cationes atraídos.
Esta capa adsorbida forma lo que suele llamarse agua de constitución que se compone de
una parte inmóvil (de ligazón estable) y otra difusa (de ligazón floja). (figura 1.15)
A cierta distancia de la superficie de las partículas minerales, que supera el radio de acción
de las fuerzas superficiales, las moléculas de agua pasan al estado libre de gravitación. El
espesor de esta capa adsorbida es del orden de 10 Å a 50 Å por lo cual su acción es
despreciable en granos gruesos como los de arena. El nivel energético del enlace del agua
inmóvil (de constitución estable) es muy alto.
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Fig. 1.15 Esquema de la interacción molecular de las fuerzas en el siste-ma “fase sólida-agua” (según N. A. Schitovich) a: esquema de la estructura de la
película liosorbente de agua. b: disposición de los dipolos de agua
alrededor de una partícula cargada eléctricamente
c: diagrama de los cambios de la magnitud de las fuerzas moleculares en dependencia de la distancia hasta la superficie de la partícula mineral
Fuente:
Las propiedades del agua de la capa adsorbida se diferencian ostensiblemente del agua
libre. Su densidad alcanza a 2 gr/cm3. El contenido máximo de agua de constitución estable,
en arcillas oscila entre el 0,2 y el 30%, principalmente dependiendo del grado de
dispersividad y de la composición mineral.
El número de moléculas de agua adsorbida por los cationes crece con su carga y con el
radio y volumen iónico. Así un catión Ca++ (Volumen iónico 4,99) adsorbe más moléculas de
agua que uno de Na+ (Volumen iónico 3.99). Pero por cada catión de Ca pueden
adsorberse a la superficie del cristal dos cationes de Na (Volumen 7,88) por cuyo motivo los
suelos sódicos tienen una capa de agua adsorbida más gruesa alrededor de los cristales
Esta agua está adsorbida al suelo con presiones muy elevadas, del orden de 20.000 Kg/cm2,
lo cual eleva la temperatura de solidificación que para presiones por encima de 6.000 kg/cm2
sube notablemente por encima de O °C. (Para 10.000 kg/cm2 se solidifica a 30 °C).
Una propiedad muy importante de los suelos es la del cambio de bases que es la facultad
de cambiar los cationes adsorbidos en su superficie. Así una arcilla hidrogenada puede
convertirse en sódica por una constante filtración de agua que contenga sales de Na
disueltas. Estos cambios pueden emplearse para reducir la permeabilidad, variar su
plasticidad, etc. de modo que son de gran interés sobre todo en la técnica de estabilización
de suelos. La cantidad de cationes permutables de un suelo es lo que se llama capacidad
de cambio.
La capacidad de cambio aumenta con la acidez de los cristales del suelo. Una medida de
ella, cuando es considerada como suspensión, es su pH, si bien este último se refiere
principalmente a la acidez de las partículas solubles.
Cuanto menor sea el pH mayor será la actividad de los hidrogeniones, y por consiguiente
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mayor su acción corrosiva sobre los metales que sólo se manifiestan en presencia de
humedad.
La corrosión del hierro y acero enterrados en el suelo es posible en presencia de humedad y
aumenta con la acidez del suelo porque las soluciones ácidas facilitan la formación de pares
eléctricos entre el hierro y las impurezas que contiene la superficie del metal. Se produce
una acción electrolítica y el oxígeno liberado se combina progresivamente con el hierro
originando el óxido o herrumbre. Este fenómeno es frecuente entre cañerías conductoras de
agua y materiales de transportes eléctricos, por la acción de corrientes eléctricas extremas,
o entre cañerías de hierro y plomo, por la formación de pares eléctricos.
La variación en las propiedades físicas de un suelo causadas por la capacidad de cambio
iónico, depende tanto de la naturaleza del suelo como de los cationes permutables.
Se ha encontrado que a igual contenido de humedad, en estado semisólido, la resistencia al
corte de una arcilla varía sensiblemente, decreciendo con los cationes adsorbidos, según el
orden siguiente:
H+ Fe+++ Al+++ Mg++ Ba++ Ca++ Na+ Li+
La plasticidad varía aproximadamente en el mismo orden, pero en sentido opuesto. El
fenómeno se puede explicar por la formación de finas películas de agua de gran viscosidad,
adsorbidas por los cationes permutables de la superficie de las partículas de suelo. Estas
películas pueden ser relativamente gruesas en el caso de cationes ávidos de agua (Li y Na),
pero muy delgadas con el H.
Cuando las partículas están separadas por una película viscosa gruesa, con propiedades
semisólidas, son más plásticas aún con bajos contenidos de humedad, y tienen
relativamente menor resistencia al corte.
RESUMEN DE LOS PUNTOS PRINCIPALES
1. Las propiedades de los suelos en un perfil dependen de:
a. la naturaleza de los componentes del suelo
b. modo de formación del terreno
c. la alteración del perfil después de su formación.
2. Las partículas de suelos varían desde tamaños muy pequeños a bloques
muy grandes.
3. Generalmente las partículas de arena y limo suelen ser aproximadamente
equidimensionales, pero las de arcilla sonde forma aplanada (escamosa)
4. Existe interacción química entre el fluido intersticial y las partículas minerales. Esta
interacción influye en la compacidad del suelo, y por lo tanto en su resistencia.
5. El tamaño, forma y actividad de las partículas pueden explicarse a partir de la
química cristalina de ellas.
6. Cada partícula de suelo posee cargas eléctricas en su superficie y por lo tanto atrae
iones a la misma con el fin de neutralizar su carga eléctrica total. A su vez estos
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iones atraen moléculas de agua, que se adosa a la superficie de las partículas. De
ahí que todas las partículas tiendan a estar rodeadas por una capa de agua.
7. Entre las partículas de suelo actúan fuerzas de atracción y repulsión, las cuales son
más importantes (respecto al peso de las partículas) en los suelos finos. Estas
fuerzas tienen
influencia sobre la forma en que se ordenan las partículas en el proceso de
sedimentación y dan lugar a que los suelos finos presenten un esqueleto mineral
muy abierto, de pequeño peso específico.
8. La estructura del suelo tiene trascendencia en la forma de soportar las cargas
aplicadas en suelos formados por partículas equidimensionales, las presiones se
transmiten a través del suelo por las fuerzas de contacto mineral-mineral. En suelos
formados únicamente por pequeñas laminillas arcillosas orientadas cara con cara,
las presiones se transmiten a través de fuerzas eléctricas, pudiendo estar las
partículas separadas distancias de 100 Å o más.
9. La transmisión de presiones en suelos arcillosos naturales se produce mediante un
proceso intermedio entre ambos casos límites.
10. El agua en el suelo juega un papel importante por cuanto modifica o regula su
comportamiento. En suelos gruesos el agua libre y la capilar tienen significación. En
suelos muy finos el agua de adsorción y el complejo iónico que la acompaña
condicionan su comportamiento.
REFERENCIAS
Denen W. and Moore B. (1985) Geology and Engineering. W. Brown
Jimenez Salas J. y Justo Alpañez J. (1980) Geotecnia y Cimientos. Vol l. Ed. Rueda.
Juarez Badillo E. y Rico Rodriguez A. (1975) Mecánica de Suelos. Ed. Limusa
Mitchell J. (1975) Fundamentals of soil behavior. Ed.Wiley
Paniukov P. (1981) Geología aplicada a la Ingeniería. Ed.Mir
Terzaghi K. y Peck R. (1973) Mecánica de Suelos en la Ingeniería Práctica. El Ateneo