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Relaciones volumetricas y gravimetricas de los suelos parte 1

Por Ingeniero Guillermo Arizpe Narro

Definiciones. Lo suelto o lo compacto de una muestra de suelo puede determinarse cuantitativamente en el laboratorio. Los términos porosidad, relación de vacíos, y el peso específico relativo de los sólidos se usan comúnmente para definir la densidad de la muestra.

La fig. 1.4 es un diagrama de una muestra de suelo en un recipiente sellado, con el aspecto que presentaría si fuera posible separa las fases sólida, líquida y gaseosa. El volumen de sólidos se designa por el símbolo Vs, el volumen de agua por Vw, y el volumen de gas por Vg. Como la relación entre  Vg  y Vw cambia usualmente con las condiciones del agua en el subsuelo, así como bajo el efecto de las cargas aplicadas, es conveniente designar todo el volumen que no está ocupado por material sólido como volumen de vacíos, Vv . Si se designa el volumen total de la muestra por V, entonces la porosidad se define con la ecuación:

Porosidad, n = Vv / V                                                                          1.1

Figura 1.4. Diagrama de una muestra de suelo que ilustra el significado de los símbolos usados en las relaciones gravimétricas y volumétricas.

Usualmente, este valor se expresa como porcentaje. Cuando un suelo se comprime, cambian los valores de la ecuación anterior tanto del numerador como del denominador, por lo que es conveniente en muchos de los cálculos que es necesario efectuar para determinar los asentamientos, referir el espacio vacío a un denominador invariable. Por esta razón se usa la cantidad conocida como relación de vacíos u oquedad. Se define como:

Relación de vacíos, e = Vv / Vs 1.2

Una de las propiedades índice más importantes de los suelos finos es el contenido de agua o humedad, w. Se define como:

Humedad, w (%) = 100 Ww / Ws 1.3

En esta ecuación, Ww es el peso del agua y Ws es el peso de la material sólida secada en el horno. El peso del agua se refiere a la cantidad invariable Ws en vez de al peso total de la muestra. Al aumentar la temperatura de una mezcla de suelo y agua que se está secando, la mezcla continua perdiendo humedad, hasta que a una temperatura relativamente elevada, los minerales que constituyen el suelo se descomponen y pierden el agua de constitución. Por esta razón, las comparaciones de humedades no tienen significado, a menos que la temperatura a la que se seca el suelo se estandarice. La temperatura estándar del horno es de 105° a 115°C.

Muchos suelos que se encuentran abajo del nivel del agua freática y algunos suelos finos que están arriba del mismo, se encuentran saturados. Sin embargo, los vacíos de la mayor parte de los suelos que están arriba del nivel del agua freática están llenos en parte de agua y en parte de aire. Incluso algunos suelos sumergidos tienen una proporción importante de aire o de gas. El grado de saturación se define como:

Grado se saturación,  Sg (%) = 100Vw / Vv                                                                           1.4

Por lo tanto, cuando el grado de saturación es de 100 por ciento todo el espacio vacío está lleno de agua.

El peso por unidad de volumen o peso volumétrico g es una de las propiedades físicas más importantes de un suelo. Por ejemplo, deberá conocerse para poder calcular la presión de tierra o la producida por sobrecargas.

Por definición:

Peso volumétrico, g = W / V                                                                                                                       1.5

en la que W es el peso total del suelo incluyendo el agua y V es el volumen total. Es conveniente indicar los valores especiales del peso volumétrico por medio de subíndices. Si el suelo está completamente saturado, es decir, si Vg = 0, su peso volumétrico se designa por gsat . Si el suelo está secado en el horno, su peso se indica con gd llamándose peso volumétrico seco, y se define.

Peso volumétrico seco,  gd = Ws / V                                                                               1.6

Si se conoce la humedad, puede calcularse el peso volumétrico seco de la siguiente manera:

1.6 a

En estudios de compactación de suelos en ocasiones es útil calcular el peso volumétrico seco que se hubiera obtenido, si se hubiera disminuido el volumen de una muestra húmeda, expulsando el aire hasta que el grado de saturación de la muestra llegara al 100 por ciento. A este estado se le designa exento de huecos con aire. Este peso volumétrico puede calcularse con la expresión. El peso volumétrico del suelo seco exento de huecos con aire.

1.7

En la práctica, con frecuencia es inconveniente determinar directamente el valor de g, midiendo el peso total y el volumen total. Es más común determinarlo indirectamente basándose en el conocimiento del peso volumétrico de los componentes sólidos gs . Esta cantidad se define como:

Peso unitario de los componentes sólidos.

gs = w´S / vS 1.8

Frecuentemente, es preferible utilizar el peso específico relativo de los sólidos G, definido como:

G = gs / gw 1.9

Donde gw es el peso volumétrico del agua, tomado como 1 g/cm³. El valor de ys o G puede determinarse por pruebas en el laboratorio, pero puede estimarse usualmente con suficiente precisión. Para los cálculos de rutina, puede tomarse como 2.65 el valor de G para las arenas. Las pruebas efectuadas en gran número de suelos de arcilla han indicado que el valor de G usualmente está comprendido en el intervalo de 2.5 a 2.9 con un valor promedio de aproximadamente 2.7.

La tabla 1.3 proporciona el peso específico relativo de los sólidos de los componentes de los suelos más importantes. Puede ayudar a estimar el valor de G para un suelo de composición mineralógica conocida.

En la tabla 1.4 se da una lista de los valores típicos de la porosidad, relación de vacíos, y de pesos volumétricos de varios suelos.

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Guillermo Arizpe Narro

Ingeniero Civil / Consultor

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