MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES
CAPÍTULO B.2.1
CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE
SUELO
Efraín Ovando Shelley*
María del Carmen Cabrera Velásquez**
María Guadalupe Olín Montiel**
Natalia del Pilar Parra Piedrahita**
Marzo de 2008
Elaborado por:
Instituto de Ingeniería, UNAM
Proyecto 7541
*Investigador, Instituto de Ingeniería, UNAM
Este capítulo se divide en dos partes. La primera se refiere a la Identificación de suelos en el campo y la segunda, a la Exploración y muestreo de suelos. El primer tema se desarrolló con base en comentarios elaborados en torno a la aplicación del Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (S.U.C.S.) a situaciones de campo. A esos comentarios se agregaron otros para la identificación de campo de suelos con problemas especiales, no incluidos explícitamente en el S.U.C.S.
El material que aquí se presenta se concentra en un solo documento mientras que en los anteriores manuales apareció publicado, por separado, en diferentes secciones o incluso en tres fascículos diferentes.
TEMA
2 MECÁNICA DE SUELOS
CAPÍTULO 1 CARACTERIZACIÓN DE LOS
DEPÓSITOS DE SUELOS
CONTENIDO
1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS ... 1
1.1 IDENTIFICACIÓN DE SUELOS EN CAMPO. ... 1
1.1.1 Identificación en campo según el S.U.C.S. ... 1
1.1.1.1 Clasificación de suelos gruesos ... 2
1.1.1.2 Clasificación de suelos finos ... 11
1.1.1.3 Identificación de suelos de grano fino orgánicos. ... 16
1.1.1.4 Clasificación Geológica de los depósitos de suelo. ... 16
1.1.2 Identificación en campo de suelos con problemas especiales ... 18
1.1.2.1 Suelos orgánicos ... 18
1.1.2.2 Suelos expansivos ... 24
1.1.2.3 Suelos residuales ... 28
1.1.2.4 Suelos dispersivos ... 30
1.1.2.5 Suelos colapsables ... 31
1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS ... 33
1.2.1 Programa de exploración geotécnica ... 33
1.2.1.1 Estudios preliminares ... 33
1.2.1.1.1 Recopilación de la Información ... 34
1.2.1.2 Reconocimiento de campo. ... 36
1.2.1.3 Estudios de detalle ... 37
1.2.2 Supervisión de los trabajos de exploración. ... 38
1.2.3 Técnicas de Perforación... 39
1.2.3.1 Pozos a cielo abierto, cortes y zanjas. ... 39
1.2.3.1.1 Equipo ... 42
1.2.3.1.2 Operación ... 43
1.2.3.2 Perforación por lavado ... 43
1.2.3.2.1 Equipo. ... 43
1.2.3.2.2 Operación ... 44
1.2.3.3 Perforación a rotación con agua o lodo ... 46
1.2.3.3.1 Equipo ... 48
1.2.3.3.2 Operación ... 49
1.2.3.4 Perforación en seco con barras ... 49
1.2.3.5 Perforación mixta ... 52
1.2.4 Equipo de perforación ... 52
1.2.4.1 Máquinas perforadoras ... 52
1.2.4.1.1 Máquinas de perforadora rotatoria ... 54
1.2.4.1.2 Máquinas de perforadora de percusión ... 54
1.2.4.2 Bombas de perforación ... 56
1.2.4.3 Barras y Ademes de perforación ... 56
1.2.4.4 Brocas de perforación ... 58
1.2.4.4.1 Broca tríconica ... 59
1.2.4.4.2 Broca Drag ... 59
1.2.4.4.3 Broca de aletas ... 60
1.2.4.4.4 Broca de cola e pescado ... 60
1.2.4.5 Lodos de perforación ... 61
1.2.4.5.1 Lodos de perforación de agua dulce ... 61
1.2.5 Técnicas de exploración ... 66 1.2.5.1 Métodos Indirectos ... 66 1.2.5.1.1 Exploración geofísica ... 66 1.2.5.2 Métodos directos ... 68 1.2.5.2.1 Exploración y muestreo ... 68 1.2.5.2.2 Tipos de sondeos ... 68
1.2.5.3 Determinación del tipo, número, espaciamiento, la localización y profundidad del sondeo ... 72
1.2.5.3.1 Número y espaciamiento de sondeos. ... 73
1.2.5.3.2 Determinación de la profundidad del sondeo ... 78
1.2.6 Tipo de Muestras y Procedimientos de Muestreo ... 81
1.2.6.1 Tipos de Muestras ... 81
1.2.6.1.1 Muestras alteradas ... 82
1.2.6.1.2 Muestras Inalteradas ... 82
1.2.6.2 Calidad de las Muestras ... 82
1.2.6.2.1 Muestras alteradas ... 82
1.2.6.2.2 Muestras Inalteradas ... 83
1.2.6.3 Muestreo Alterado ... 86
1.2.6.3.1 Método Manual ... 86
1.2.6.4.1 Método Manual ... 92
1.2.6.4.2 Muestreadores hincados a presión ... 94
1.2.6.4.3 Muestreador de pistón ... 98
1.2.6.4.3.1 Muestreadores Sueco y tipo Delft ... 108
1.2.6.4.4 Muestreador de Tubo Rotatorio Dentado ... 113
1.2.6.4.5 Muestreadores de doble barril ... 117
1.2.6.4.6 Método de muestreo por congelación ... 126
1.2.6.4.7 Criterios de selección de muestreadores ... 129
1.2.7 Manejo de muestras ... 130
1.2.7.1 Muestras alteradas ... 130
1.2.7.2 Muestras cúbicas inalteradas ... 131
1.2.7.3 Muestras inalteradas contenidas en tubos ... 131
1.2.7.4 Recomendaciones para el embalaje de las muestras (ASTM D 4220-00) 134 1.3 REFERENCIAS ... 144
1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS
1.1 IDENTIFICACIÓN DE SUELOS EN CAMPO.
1.1.1 Identificación en campo según el S.U.C.S.
El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (S.U.C.S.) divide a los suelos en grupos que exhiben intervalos de propiedades mecánicas e hidráulicas semejantes, basándose en los siguientes conceptos:
1.- Los suelos están formados por un conjunto de partículas cuyo tamaño puede variar en un intervalo muy amplio, que va desde los cantos rodados, con más de 15 cm, de diámetro equivalente, hasta las partículas de arcilla coloidal, con menos de dos micras, muchas de las cuales son visibles solamente con la ayuda de un microscopio electrónico. Entre estos extremos se encuentran materiales en tamaños de partículas intermedias y que se denominan: gravas, arenas, limos y arcillas.
2.- Las propiedades mecánicas e hidráulicas de los suelos son el resultado de la interacción de sus partículas. La interacción depende de:
• La granulometría, dada por las proporciones relativas de los diferentes tamaños de las partículas.
• La plasticidad, que es una propiedad físico-química de las partículas coloidales contenidas en la fracción más fina del suelo, constituida por partículas menores de 0.075 mm; este es el intervalo de tamaños asignado a limos y arcillas.
Es conveniente realizar la clasificación en campo con base en la clasificación manual y visual del suelo siguiendo las siguientes recomendaciones:
La muestra a clasificar deberá ser lo más representativa posible del estrato de suelo para lo cual se requiere haberla obtenido siguiendo lineamiento estándar.
La cantidad mínima de material para una descripción e identificación exacta de acuerdo con la siguiente tabla.
Tabla B.1. Tamaño mínimo de espécimen en función del tamaño de las partículas. Tamaño máximo de partículas Tamaño mínimo del espécimen material seco 4.75 mm (Nº 4) 100 g (0.25 lb.) 9.5 mm (3/8”) 200 g (0.5 lb.) 19.0 mm (3/4”) 1.0 Kg. (2.2 lb.) 38.1 mm(1/2”) 8.0 Kg. (18 lb.) 75.0 mm (3”9 60.0 Kg. (132 lb.)
Nota: Si la muestra o espécimen de campo es menor que el mínimo recomendado deberá especificarse en las observaciones.
1.1.1.1 Clasificación de suelos gruesos
a) Cuando las partículas de la muestra a clasificar sean de fracción gruesa, se estima el porcentaje de tamaños mayores que la malla N° 4 (para efectos prácticos puede usarse el tamaño de 5 mm como el equivalente a la malla N° 4, ver tabla B.2). b) Si más del 50% de la muestra resulto mayor que la malla N° 4 clasifique al suelo
como grava, de lo contrario clasifíquelo como arena.
c) Estime el porcentaje de partículas finas (menores que la malla N° 200)
d) Si el porcentaje estimado de partículas menores que la malla N° 200 varía entre el 0% y 5%; el suelo se clasifica como grava o arena limpia, dependiendo de lo obtenido.
e) Si el porcentaje estimado de partículas menores que la malla N° 200 varía entre el 15 y 50% del total de la muestra, clasifique al suelo como grava o arena arcillosa o limosa, dependiendo de la clasificación de los finos (ver figura B.2).
f) Para gravas y arenas limpias estime su graduación. Si la muestra contiene partículas de todos los tamaños y cantidades apreciables de todos los tamaños grandes e intermedios, se puede clasificar como grava o arena limpia bien graduada (ver figura B.1). Clasifique al suelo de acuerdo con lo establecido en la figura B.2 y apóyese en el anexo B.1.
g) La identificación de los finos como limosos o arcillosos deberá llevarse a cabo como se indica en el subcapítulo 1.1.1.2.
h) Si el porcentaje de finos se estima entre 5% y el 15% deberá realizarse lo indicado en el punto anterior y se les deberá asignar símbolo doble por ejemplo una grava bien graduada arcillosa se clasificara como GW-GC tal como se indica en la figura B.2, apóyese en el anexo B.1.
Tabla B.2. Clasificación de suelos según su tamaño. Malla N° mm m FRAGMENTOS EPICLASTICOS FRAGMENTOS PIROCLASTICOS 750 0.75 Grandes Fragmentos de Roca Gruesos Bombas y bloques 200 0.20 Medianos 3” 76 0.076 Chicos Fino Gruesa Grava Mediana Lapilli 4 4.76 Fina Gruesa Arena Mediana Gruesa Ceniza volcánica 200 0.074 Fina Grueso Limo Mediano Fina Fino Gruesa Arcilla Mediana Fina
Figura B.1. Tamaño y graduación de las partículas.
Suelo grueso limpio Suelo grueso con
finos
A continuación se proporciona información descriptiva para clasificación de suelos gruesos.
a) Angulosidad.- Describe a las arenas (granos de algunos tamaños perceptibles a simple vista), gravas, guijarro y roca como angulosos, sub-angulosas, sub-redondeada y redondeados de acuerdo con el criterio de la tabla B.3 y la figura B.3. La angulosidad puede variar de redondeada a angulosa.
b) Forma.- Describe la forma de las gravas a guijarros y de las rocas como tabular, alargadas, o equidimensionales, de acuerdo con el criterio de la tabla B.4 y las figuras B.4 y B.5. Se indica la fracción de las partículas que tienen la forma indicada como por ejemplo: “Una tercera parte de las partículas de grava de la muestra son tabulares”.
c) Color.- Describe el color. El color es una propiedad importante en la identificación de suelos orgánicos, y para identificar los suelos de acuerdo a su origen geológico (ver tabla B.16). Si la muestra contiene estratos o manchas de colores variados, esto debe ser descrito adecuadamente (ver tabla B.5). El color que se reporte debe ser de muestras húmedas. Si el color representa la condición seca, este estado deberá reportarse en la clasificación (ver figura B.6).
d) Olor.- Es necesario describir el olor, ya sea orgánico o alguno inusual. Los suelos que contienen una cantidad significante de materia orgánica usualmente tienen un olor distintivo de vegetación descompuesta. Esto aparece en muestras especialmente recientes, pero si las muestras son secas, el olor puede frecuentemente ser recuperados con la calefacción o el humedeciendo de la muestra. Si el olor no es peculiar como de productos derivados del petróleo, químicos o sus equivalentes, esto deberá ser descrito claramente.
e) Condiciones de humedad.- describe las condiciones húmedas, secas, o saturadas de acuerdo con el criterio de la tabla B.6.
f) Reacción al Acido clorhídrico.- Describe la reacción al acido clorhídrico como nula, débil y fuerte de acuerdo al criterio de la tabla B.7.
g) Cementación.- Describe la cementación de integridad de suelos de grano grueso como débil, moderado y fuerte de acuerdo con el criterio de la tabla B.8 y la figura B.7.
h) Estructura.- Describe la estructura del suelo de acuerdo al criterio de la tabla B.9.
i) Dureza.- Describe la dureza de las partículas de arena grande y gruesa como dura o el estado que tengan cuando las partículas son golpeadas por un martillo.
Tabla B.3. Criterio para describir la angulosidad de partículas de grano grueso (ASTM D 2488-06).
DESCRIPCIÓN CRITERIO
Angulosa Partículas que tienen esquinas agudas y bordes afilados.
Sub-angulosa Similar a la descripción anterior pero con algunas
esquinas redondeadas.
Sub-redondeada Se distinguen pero no se siente las aristas ni los bordes.
redondeada No se distinguen esquinas o bordes al rolarlo.
Tabla B.4. Criterio para describir las formas de las partículas de grano grueso (ASTM D 2488-06).
La forma de las partículas se describen como sigue donde longitud, ancho y espesor de las partículas; mas grande, intermedia y de menos dimensiones respectivamente.
DESCRIPCIÓN CRITERIO
Tabular Partículas con ancho y espesor ancho/espesor > 3 (ver
figura B.5).
Alargada Partículas con longitud/ancho > 3.
Equidimensional Partículas con ambos criterios.
Tabla B.5. Características de la coloración.
COLOR DESCRIPCIÓN
Uniforme
Manchas Un color discordante, de tamaño apreciable sobre un fondo
uniforme.
Moteado Manchas pequeñas (pecas) sobre un mismo fondo.
Marmoleado Dos o más colores que ocurren con igual frecuencia. No hay
predominio de color.
Tabla B.6. Criterio para describir las condiciones de humedad (ASTM D 2488-06).
DESCRIPCIÓN CRITERIO
Seco Falta de humedad, polvoriento, seco al tacto.
Húmedo Con humedad pero el agua aun no es visible.
Saturado Agua visible, usualmente el espejo de agua se ve por
encima del suelo.
Tabla B.7. Criterio para describir la reacción al acido clorhídrico, HCL (ASTM D 2488-06).
DESCRIPCIÓN CRITERIO
Nula Reacción no visible.
Débil o media pero no
permanente Poca reacción formando pequeñas burbujas.
Fuerte o permanente Reacción violenta formando burbujas rápidamente.
Tabla B.8. Criterio para describir la cementación (ASTM D 2488-06).
DESCRIPCIÓN CRITERIO
Débil Desmoronable o deleznable con las manos o con poca
presión de los dedos.
Moderado Desmoronable o frágil con considerable presión de los
dedos.
Fuerte No desmoronable ni frágil con presión de los dedos.
Tabla B.9. Criterio para describir la estructura (ASTM D 2488-06).
DESCRIPCIÓN CRITERIO
Estratificada Estratos alternados de materiales variados o colores con
estratos de menos de 6 mm de espesor.
Laminada Estratos alternados de variados materiales o colores con
estratos de menos 6 mm de espesor.
Fisurada Rotura o fractura a lo largo de Planos definidos con poca
resistencia al fracturamiento. Superficie de
deslizamiento Planos de fractura con apariencia pulida.
Bloques Suelos cohesivos que pueden quebrarse.
Lentes
Inclusiones de pequeñas bolsas de arena de diferentes suelos tal como pequeños lentes de arena dispersa y lentes de arcilla.
Homogénea Mismo color y apariencia.
Figura B.3. Angulosidad de las partículas de grano grueso.
Angulosa Redondeada
Figura B.4. Forma de partículas.
Figura B.5. Criterio para clasificar la forma de las partículas (ASTM D 2488-06).
Equidimensional Alargada Tabular W= Ancho T= Espesor L= Longitud Plana o tabular: W/T>3 Alargada: L/W>3 Tabular y Alargada: ambos criterios
Figura B.6. Materiales que pueden dar diferente coloración al suelo. Blanco:
- Caolin
- Granos de calcita
- Carbonatos vidrio volcánico
- Materia orgánica animal
- Cuarzo
Negro:
- Minerales ferromagnesianos
Biotita, hornblenda, magnetita, etc
- Evaporación de algunos óxidos de fierro
- Materia orgánica
- Ceniza volcánica
Gris en diferentes tonos
Café amarillento (ocre): - De limolita
Blanco Ocre claro Negro Café olivo Café obscuro (en general orgánico)
Rojo:- Feldespato óxidos de Fe por gases sulfúricos, materia orgánica
Blanco
Negro
Verde Olivo:-Reducción óxidos de Fe por gases
sulfúricos, materia orgánica
Blanco
Negro
Verde olivo claro Verde olivo grisáceo Verde olivo obscuro Rosa
Rojo obscuro (Mineral, materia orgánica)
Café: Blanco Café claro
-Oxido de hierro Café grisáceo Negro Café obscuro
Limo Arcilla Sílice Sesquióxidos Alúmina Compuestos orgánicos Cementantes Comunes: Ca (calcita) Mg (dolomita) Carbonatos Fe (siderita) Ca, Mg, Fe (ankerita)
Figura B.7. Cementantes comunes.
1.1.1.2 Clasificación de suelos finos
También en este caso el sistema considera a los suelos agrupados con un criterio similar al usado para los suelos gruesos (ver figura B.8 y apoyarse en el anexo B.1) y dando lugar a las siguientes subdivisiones:
a) Limos inorgánicos de símbolo genérico M (del sueco mo y mjala). b) Arcillas inorgánicas, de símbolo genérico C (clay).
c) Limos y arcillas orgánicas, de símbolo O (orgánica).
A continuación se proporciona información descriptiva para la clasificación de suelos finos.
a) Dilatancia (Prueba de movilidad de agua).
Con los pasos siguientes se podrá realizar correctamente la prueba: • Elimine a mano las partículas de suelos mayores a 0.50 mm.
• Forme una pastilla de suelo húmedo, bien homogeneizada, de
aproximadamente 15 cm3 (que quepa en la palma de las manos).
• En caso necesario añada agua para obtener una mezcla suave pero no pegajosa.
• Coloque la pastilla en la palma de la mano y agite horizontalmente golpeando contra la otra mano varias veces.
• Estime la velocidad con que le aparece el agua en la superficie de la pastilla y esta se torna lustrosa y aquella con la que desaparece al apretar la pastilla entre los dedos.
• Catalogue la velocidad como rápida, lenta o nula (ver tabla B.10) y de acuerdo con lo establecido en la parte inferior izquierda del anexo B.1.
• Elimine de la muestra las partículas con tamaño mayor que 0.50 mm.
• Moldee una pastilla de suelo hasta que alcance la consistencia de una masilla añadiendo agua si es necesario.
• Deje secar totalmente la pastilla al sol y al aire.
• Estime la resistencia de la pastilla seca tratando de desmoronarla o romperla con los dedos.
• Catalogue la resistencia como nula ligera, media o alta y clasifique al suelo de acuerdo al criterio de la tabla B.11 y al anexo B.1.
c) Prueba de tenacidad
Con los pasos siguientes se podrá realizar correctamente la prueba: • Elimine de la muestra las partículas mayores de 0.50 mm.
• Moldee un espécimen de suelo de aproximadamente 15 cm3
hasta alcanzar una masilla. Si el suelo está seco agregue agua; si al contrario está pegajoso, extiéndalo para formar una capa delgada de suelo que permita la pérdida de humedad por evaporación.
• Cuando se tenga la consistencia esperada, role la pastilla de suelo con la mano sobre una superficie lisa, o entre las palmas tratando de formar un rollito de aproximadamente 3 mm de diámetro.
• Repita esta operación varias veces, hasta que el rollito pierda su plasticidad (se ponga tieso y se desmorone).
• Recolecte los pedazos y júntelos nuevamente amasando la pastilla con los dedos hasta que se vuelva a desmoronar.
• Catalogue la debilidad del rollito en el límite plástico y la facilidad con que la pastilla se desmorona y pierde la cohesión una vez que se ha rebasado este límite, como baja, media o alta y clasifique al suelo de acuerdo al criterio de la tabla B.12 y anexo B.1.
d) Plasticidad
Una de las observaciones básicas hechas durante la prueba de tenacidad es que se describe la plasticidad siguiendo los criterios de la tabla B.13.
e) Consistencia
Para la integridad de suelos de grano fino se describe la consistencia como muy blanda, blanda, firme, dura y muy dura de acuerdo al criterio de la tabla B.14. Esta condición se da únicamente en suelos finos que no tengan considerables contenidos de gravas.
f) Ejemplos de clasificación.
• Identificación de suelos finos inorgánicos
• Identificación del suelo como de baja compresibilidad, CL, si el suelo tiene media a alta resistencia en estado seco o baja dilatancia y media tenacidad y plasticidad apoyándose en la tabla B.15 y del anexo B.1.
• Identificación de arcilla de alta compresibilidad, CH, si el suelo tiene alta a muy alta resistencia en estado seco, no dilatancia, y alta tenacidad y plasticidad apoyándose en la tabla B.15 y del anexo B.1.
• Identificación de suelo como limos ML, si el suelo tiene baja resistencia en estado seco, dilatancia rápida, y de baja a media tenacidad y plasticidad apoyándose en la tabla B.15 y del anexo B.1.
• Identificación de suelo como limo de alta compresibilidad apoyándose en la tabla B.15 y del anexo B.1.
Tabla B.10. Criterio para describir la dilatancia (ASTM D 2488-06).
DESCRIPCIÓN CRITERIO CLASIFICACIÓN
Nula No hay cambio visible en el
espécimen. CH
Lenta
El agua aparece lentamente sobre la superficie durante el agitado y no desaparece, y aparece lentamente sobre el suelo.
MH ó CL
Rápida
El agua aparece rápidamente sobre la superficie del espécimen durante el agitado y desaparece rápidamente en el exprimido.
ML
Tabla B.11. Criterio para describir la resistencia al estado seco (ASTM D 2488-06).
DESCRIPCIÓN CRITERIO CLASIFICACIÓN
Nula
El espécimen seco se desmorona y se pulveriza con una simple presión de las manos.
ML
Ligera
El espécimen seco de desmorona y se pulveriza con la presione de algunos dedos.
CL
Media
El espécimen seco se rompe en algunas piezas o desmorona con considerable presión de los dedos.
CL ó MH
Alta
El espécimen seco no se puede romper con presión de los dedos el espécimen se rompe en piezas entre el pulgar y una superficie dura.
CL ó MH
Muy alta
El espécimen seco no se puede romper entre el dedo pulgar y una superficie dura.
Figura B.8. Esquema para clasificar suelos de grano fino (ASTM D 2488-06). Tabla B.12. Criterio para describir la tenacidad (ASTM D 2488-06).
DESCRIPCIÓN CRITERIO CLASIFICACIÓN
Baja
Se requiere una pequeña presión en el rollito para estar cerca del límite plástico y los rollito son débiles y blandos.
ML
Media
Se requiere de una presión media en el rollito para estar cerca del límite plástico. La masa y el rollito tienen mediana firmeza.
CL ó MH
Alta
Se requiere de una considerable presión para estar cerca del límite plástico. La masa y el rollito tienen muy alta firmeza.
Tabla B.13. Criterio para describir la plasticidad (ASTM D 2488-06).
DESCRIPCIÓN CRITERIO
Nula A 1/8” (3mm) no se puede hacer el rollito por el contenido
de agua.
Baja Se puede hacer escasamente el rollito y la masa no puede
ser formada cuando es tan seco como el límite plástico.
Media
Se puede hacer fácilmente el rollito y no requiere mucho tiempo encontrar el limite plástico. El rollito no se puede rehacer cuando después de haber encontrado el limite plástico. La masa se desmorona cuando es tan seco como el límite plástico.
Alta
Se tarda un tiempo considerable en hacer el rollito, amasar y buscar el límite plástico. El rollito puede ser conformado varias veces antes de encontrar su límite plástico y puede ser formado con los restos del desmoronamiento cuando es tan seco como el límite plástico.
Tabla B.14. Criterios para describir la consistencia (ASTM D 2488-06).
DESCRIPCIÓN CRITERIO
Muy blanda No se requiere presión para penetrar el pulgar en el suelo
más de 1” (25 mm).
Blanda El pulgar se hunde fácilmente. Se puede moldear
fácilmente con los dedos.
Firme Se requiere presión para que el pulgar penetre o deje
huella. Es decir opone resistencia a la deformación.
Dura El pulgar no penetra. Opone mucha resistencia a la
deformación. Se puede marcar con la uña.
Tabla B.15. Identificación de los suelos finos en la prueba manual (ASTM D 2488-06).
SIMBOLO DEL SUELO
RESISTENCIA EN
ESTADO SECO DILATANCIA TENACIDAD
ML Nula o Baja Lenta a Rápida Baja o imposible
formarse el rollito
CL Media a Alta Nula a Lenta Media
MH Maja a Media Nula a Lenta Baja a Lenta
CH Alta a muy Alta Nula Alta
1.1.1.3 Identificación de suelos de grano fino orgánicos.
Esta clasificación se encuentra descrita en detalles en el numeral 1.1.2.1.
1.1.1.4 Clasificación Geológica de los depósitos de suelo.
En la tabla B.16 se muestran los nombres empleados en la Geología para designar diferentes clases de depósitos de suelos, así como la relación que existe entre el proceso de depositacion y su influencia en la textura, estructura y compacidad.
Tabla B.16. Clasificación de los suelos según su origen geológico (Tamez, 2001). CLASIFICACION PROCESO DE FORMACION NATURALEZA DE LOS
DEPOSITOS TEXTURA ESTRUCTURA CONSISTENCIA
Residuales In situ Granular o coloidal Fracturas de la roca madre Blanda a dura Aluviales Tran s p orta d o s Abanicos Granular, media y subangulosa Heterogénea Suelta a semi-compacta Llanuras Terrazas Deltas Granular, fina a coloidal Heterogénea, lenticular o estratificada Suelta a compacta Marinos Lacustres Granular, media a fina o coloidal Homogénea estratificada Suelta a compacta Blanda a dura Coluviales Talus Granular, gruesa y angulosa Heterogénea Suelta Glaciares Morrenas Fluviales Marinos Lacustres Granular, gruesa o coloidal Heterogénea Estratificada Compacta Blanda a dura Eólicos Dunas Loess Granular, fina
y uniforme Homogénea Muy suelta
Piro-clástico Superficiales Marinos Lacustres Granular, gruesa a fina Heterogénea, estratificada y homogénea Suelta a compacta Orgánicos Ninguno o Aluviales Residuales Marinos Lacustres Coloidal o
1.1.2 Identificación en campo de suelos con problemas
especiales
El objetivo de este título, es dar una definición general de los suelos con problemas especiales que se pueden encontrar en la república mexicana y algunas recomendaciones para su identificación en campo.
Los suelos que se consideran especiales para fines de este título son algunos suelos orgánicos; también se incluyen suelos expansivos, residuales, dispersivos y colapsables.
1.1.2.1 Suelos orgánicos
La identificación de suelos orgánicos en campo va ligada con la identificación durante la exploración y el reconocimiento de campo, de problemas de asentamientos importantes debido a la degradación de la fracción orgánica de los suelos y la presencia de suelos no recomendables como soporte para la cimentación de estructuras.
Esto se debe a que la actividad de la materia orgánica es comparable con la de los minerales de arcilla, influenciando cambios en las propiedades geológicas del suelo. (Myslinska, 2003).
Los suelos orgánicos presentan un alto contenido de materia orgánica. Están conformados por material vegetal en descomposición y/o por residuos sólidos orgánicos. Estos se pueden definir como aquellos que presentan reacción ante el agua oxigenada
H2O2, tienen un contenido mayor del 2% de materia orgánica (Myslinska, 2003), índice de
plasticidad alto y alta pérdida de masa por calentamiento a temperaturas por encima de 440ºC. También, son altamente compresibles, con baja resistencia al esfuerzo cortante no drenada y potencialmente corrosivos (Sabatini y colaboradores, 2002).
De acuerdo al Sistema Unificado de Clasificación de Suelos S.U.C.S. (ASTM D 2488-06),
los suelos de grano fino orgánico se clasifican como OL/OH, cuando se identifica la
presencia de partículas de materia orgánica que influyen en las propiedades del suelo, como se mencionó anteriormente. El esquema para la clasificación de este tipo de suelos se observa en la figura B.9.
La turba “Pt” y los suelos altamente orgánicos se identifican en campo fácilmente, por su color, olor, sensación esponjosa (Manual CFE, 1980) y por ser altamente compresibles (U.S. Army Corps, EM 1110-1-1804). A continuación se sugieren las siguientes características a identificar:
• Fábrica: los suelos orgánicos están conformados por materia orgánica parcialmente descompuesta, pasto y otro tipo de vegetación (U.S. Army Corps, EM 1110-1-1804).
• Color: Su color es oscuro, variando desde el café mate al negro.
• Textura: varía de grumosa finamente dividida en el caso de la turba resultado de una descomposición avanzada de tipo aerobio, a una textura fibrosa en la turba que ha estado siempre sumergida (Manual CFE, 1980).
• Olor: los suelos orgánicos tienen un olor rancio que disminuye al exponerlo al aire. El olor puede ser reavivado con el calentamiento de la muestra húmeda o por la exposición de la muestra fresca (U.S. Army Corps, EM 1110-1-1804).
• Contendido de Materia Orgánica: La presencia de materia orgánica en los suelos, se detecta adicionando a una muestra del suelo de interés, algunas gotas
de Peróxido de Hidrógeno H2O2 (agua oxigenada).
La Turba “Pt”, es un suelo de origen natural, altamente orgánico de acuerdo al S.U.C.S., el cual está compuesto principalmente por fibras vegetales en varios grados de descomposición, que le dan una textura entre fibrosa y amorfa. Su color varía entre café oscuro y negro, y presenta olor orgánico. Este tipo de suelo no entra dentro de la clasificación presentada en la figura B.9., y se diferencia de otros suelos orgánicos por su bajo contenido de ceniza, menor al 25% (ASTM D 4427-92).
La turba Pt, puede dividirse en tres tipos de acuerdo a la tabla B.17.
De acuerdo a su origen geológico secundario, los depósitos de turba se forman en depresiones correspondientes a zonas de asentamiento o de topografía irregular, deltas, antiguos cauces, esteros, planicies de inundación fluvial y bordes de lagos. En ellos no se define estratificación.
En el caso de suelos orgánicos no superficiales, se pueden identificar durante la exploración geotécnica de la siguiente manera:
- Con la utilización del cono eléctrico con medición de punta y fricción, los suelos orgánicos presentan una relación de fricción mayor a 5.1% y con cono eléctrico esta relación es mayor a 8.1% (EPRI, Manual Soil Prop Estimating, section 2. Basic soil characterization). En la figura B.10, se observa la clasificación de distintos suelos usando la prueba CPT. Este método sólo proporciona una orientación o guía que debe verificarse. Otras clasificaciones de los suelos orgánicos, de acuerdo a la literatura existente, se puede realizar de acuerdo a diferentes criterios. Algunos de estos se presentan a continuación:
Tabla B.17. Tipos de turba de acuerdo a su textura, según S.U.C.S. (ASTM D 4427-92)
TIPOS DE TURBA TEXTURA
Fibrosa
Contiene un 67% de fibra, está conformada por restos de materia vegetal parcialmente descompuesta en donde se puede identificar claramente las plantas. Esta turba no se escurre entre los dedos y el agua que arroja es clara o con una ligera turbidez. Consistencia media a firme, plasticidad baja a moderada y baja contracción por secado.
Seudo-fibrosa
Contiene entre 37% y 67% de fibra, está conformada por materia orgánica entre moderada y completamente descompuesta siendo difícil identificar las plantas. El agua que arroja es turbia o enlodada y la cantidad de turba que se escurre entre los dedos esta entre 0% y 30%. Plasticidad media a alta y alta contracción por secado.
Amorfa
Contiene menos del 37% de fibra, está conformada por materia orgánica con alta descomposición. Entre el 50% y el 100% de la turba se escurre entre los dedos. El color de la turba puede varias entre negro, verde olivo y amarillo o combinaciones de estos. Alta contracción por secado.
Clasificación de acuerdo al origen del suelo orgánico:
De acuerdo a su origen, la acumulación de suelos orgánicos tomando en cuenta los factores hidrogeológicos, tiene lugar en tres ambientes básicos (Tobolski, 2000 y Myslinska, 2003).
Fluvial: típico para la formación de gyttja (Materiales de origen orgánico, como cadáveres
de animales y plantas, que se descomponen en aguas estancadas, con un contenido de carbonato de calcio mayor al 80%).
Fluvio-terrestre: Ambiente propicio para la formación de turba de ciénaga (fen-peat) y de
lodos.
Terrestre: responsable de la formación de turba de pantano (bog-peat), turba de
transición y suelos húmicos (compuestos principalmente por el humus resultante de la descomposición de la materia orgánica vegetal y animal).
Figura B.10. Clasificación de suelos con prueba CPT (Fuente: EPRI, Manual Soil Prop Estimating, section 2. Basic soil characterization).
Clasificación biogénica:
Esta se debe a Marks (1992), quien subdivide los depósitos biogénicos en los siguientes grupos:
• Depósitos sapropélicos de lago: Son aquellos que se originan de lodo rico en materia orgánica putrefacta, principalmente de restos de plancton animal. Estos se dividen también en dy y en gyttja.
- El dy se origina tanques distróficos (cuerpos de agua ácidos que contiene
muchas plantas pero pocos peces, debido a la presencia de grandes cantidades de materia orgánica) y tiene contenidos mayores al 50% de materia orgánica coloidal alóctona (que no es originaria del lugar donde se encuentra) de color café oscuro, parecido a la turba, es ácido con pequeñas cantidades de calcio. Se puede incluir dentro de la gyttja o turba extremadamente descompuesta.
- La gyttja se origina de depósitos sapropélicos (provenientes de lodo rico en
materia orgánica putrefacta) de lagos eutróficos (abundantes en nutrientes como nitrógeno y fósforo que favorecen el crecimiento de algas y otros organismos) ricos en oxígeno y materia orgánica. Se caracterizan por la presencia de partículas orgánicas como plancton, presencia de materia orgánica, carbonato de calcio y partículas de minerales no carbonatados. • Depósitos húmicos de pantano: formados de restos de plantas.
• Turbas: se forman en la orilla de las zonas de lago y en zonas cubiertas de plantas pero con humedad.
Clasificación de acuerdo al contenido de ceniza:
Esta clasificación fue propuesta por la Escuela de Agricultura de Varsovia (Wolski, 1996) y se basa en el contenido de ceniza (porcentaje de partículas minerales de tamaño inferior a 2 mm). Esta se presenta en la tabla B.18.
Tabla B.18. Clasificación de suelos orgánicos de acuerdo al contenido de cenizas. Tipo de suelo orgánico Contenido de ceniza
Turba de bajo contenido de
ceniza. 0 – 25%
Turba de contenido medio
de ceniza. 25% – 50%
Lodos con alto contenido de
ceniza. 50% - 80%
Arcillas y arenas orgánicas (suelos orgánicos –
minerales).
80% - 98% Gyttja y marga de lago
(suelos orgánico-calcáreos).
Clasificación independiente del contenido de ceniza.
Clasificación de acuerdo a los parámetros físicos del suelo orgánico:
Esta clasificación, que se presenta en la tabla B.19, fue propuesta por Borys (1996) y se basa en valores de los parámetros físicos del suelo orgánico (tipo de suelo, grado de descomposición de la turba, contenido de carbonato de calcio, contenido de ceniza sin carbonato de calcio, humedad, ángulo de fricción interna, etc.).
Tabla B.19. Clasificación de suelos orgánicos de acuerdo a parámetros físicos. Descripción del Suelo
Orgánico Contenido de Ceniza Otros componentes
Suelos orgánicos de madera (Warps)
80% - 98% -
Lodos 25% - 80% -
Turba fangosa 25% - 80% -
Turba no fangosa (amorfa, amorfa – fibrosa, fibrosa)
0% - 25% -
Gyttja mineral Mayor al 65% CaCO3 menor al 20%
Gyttja orgánica Menor al 65% CaCO3 0% - 20%
Gyttja carbonatada Menor al 60% CaCO3 20% - 90%
Clasificación de acuerdo al contenido de materia orgánica (ISO 2001):
En esta clasificación, que es la vigente en Europa, los suelos orgánicos se identifican microscópicamente por su color oscuro y su olor característico. Además, se subdividen con base a su contenido de materia orgánica (determinado en relación a la masa seca del suelo de tamaño de grano mayor a 2 mm de diámetro). Esta clasificación se presenta en la tabla B.20.
Tabla B.20. Clasificación de suelos orgánicos de acuerdo al contenido de materia orgánica (ISO 2001(a) y 2001(b)).
Tipo de suelo orgánico Contenido de Materia Orgánica C.M.O. Suelos con bajo contenido de
materia orgánica.
2% - 6% Suelos con contenido medio
de materia orgánica.
6% - 20% Suelos con contenido alto de
materia orgánica.
Mayor al 20%
Además las normas ISO 2001(a) e ISO 2001(b), clasifica estos suelos por su origen y algunas propiedades así:
- Turba fibrosa: se caracteriza por su estructura fibrosa en donde se distinguen
restos de plantas y algo de resistencia remanente.
- Turba seudo-fibrosa: Se reconoce por contener restos de plantas pero presenta
disminución en su resistencia.
- Turba amorfa: no es visible una estructura de planta y su consistencia es blanda.
- Gyttja: contiene restos de animales y plantas descompuestas y puede contener
constituyentes inorgánicos.
- Suelos húmicos: contiene restos de plantas, organismos vivientes y sus excretas,
gran contenido de constituyentes inorgánicos. Forman la capa vegetal.
Clasificación de acuerdo al contenido de materia orgánica (ASTM D 2974):
Esta clasificación fue propuesta por Landva y colaboradores (1983), de acuerdo al contenido de materia orgánica, según la norma “Standard Test Method for Moisture, Ash, and Organic Matter of Peat Material and Other Organic Soils ASTM D 2974.
Landva dividió los suelos orgánicos en cuatro grupos: (1) turba (Pt), (2) Suelo orgánico con turba (PtO), (3) suelo orgánico (O), y (4) arcillas y limos con contenido orgánico. En la tabla B.II.23., se muestra dicha clasificación (Sabatini at al, 2002).
Tabla B.21. Clasificación de suelos orgánicos y turbas de acuerdo al contenido de materia orgánica (ASTM D 2974).
Tipo de Suelo Contenido de materia orgánica
Contenido de
agua (wn) específica (Gs) Gravedad Contenido de fibra
Pt <20% >500% <1.7 >50%
PtO 20-40% 150 – 800% 1.6 – 1.9 <50%
O 10 – 95% 100 – 500% >1.7 Despreciable
MO, CO 95 – 99% <100% >2.4 Ninguno
La materia orgánica influye de manera importante en las propiedades del suelo, haciéndolo altamente compresible y susceptible a asentamientos importantes, por lo cual este tipo de suelos no es recomendable como suelo de desplante. La identificación de suelos orgánicos en el campo es crucial para prevenir o mitigar oportunamente problemas como este.
Dentro de las clasificaciones existentes para suelos orgánicos, las que están basadas en el contenido de materia orgánica, son las de mayor aplicación para la ingeniería práctica.
1.1.2.2 Suelos expansivos
Los suelos expansivos, son principalmente arcillas cuya composición mineral es la motmorillonita. Están formados por una lamina alumínica entre dos sílicas con enlaces débiles, lo que facilita la penetración de moléculas de agua a su estructura reticular. Otros autores y dependencias clasifican a los suelos expansivos de la siguiente manera: Según la clasificación del sistema FAO-UNESCO, 1970, modificada por la Dirección General de Geografía del Territorio Nacional (Secretaria de Programación y Presupuesto, 1981) se utilizan las características morfológicas, físicas y químicas para separar los suelos en unidades que proporcionen información referente a su aplicación práctica con fines diversos, entre los que se encuentran los de Ingeniería civil. De acuerdo a la edafología, los vertisoles (suelos de color obscuro, de textura uniforme, fina a muy fina y con contenido bajo de materia orgánica, la mayoría de los cuales contienen carbonato de calcio) son el principal tipo de suelo expansivo.
Donalson (1969) dividió en dos a los grupos de materiales que dan origen a suelos expansivos. El primer grupo comprende las rocas ígneas básicas (basaltos y gabros); el segundo a las rocas sedimentarias que contienen motmorillonita constituyente, las cuales se desintegran mecánicamente para formar los suelos expansivos (Chen, 1988).
Los suelos expansivos abundan en aquellos sitios donde la evapotranspiración excede la precipitación.
Un indicativo de la presencia de suelos expansivos en el campo es la desecación de la superficie, así como la aparición de grietas y fisuras en los depósitos de arcilla. También pueden observarse ondulaciones en el terreno.
El procedimiento sugerido para la identificación de los suelos expansivos en campo es el siguiente:
a) Estimar los cambios previsibles de humedad (datos meteorológicos del sitio). b) Estimar el espesor de la capa activa.
c) Estimar visualmente las propiedades de expansión de la arcilla. d) Reunir información de la zona con los habitantes del lugar.
e) Estimar de manera cualitativa el grado de expansión de la arcilla mediante la prueba de hinchamiento de campo.
La prueba de hinchamiento de campo, consiste en tomar una muestra representativa del material, con la cual se moldea un cubo de aproximadamente 1.5 cm de lado. Luego se coloca dentro de una bureta con agua destilada y se registra su altura. Se toman lecturas antes y después de 24 horas. Si el hinchamiento presentado es mayor al 4%, el suelo podría ser expansivo (González de Vallejo, 2004).
Para una mejor identificación del grado de expansibilidad de los suelos es recomendable seleccionar una muestra representativa del sitio y llevarla a laboratorio para identificar su mineralogía, obtener sus límites de consistencia (limite liquido, plástico y de contracción línea), realizar pruebas por los métodos USBR, método de la actividad y método del PVC (potencial del cambio de volumen), los cuales se describen en el volumen B.2.2 de este manual (Pruebas de laboratorio para determinar las propiedades de los suelos), y obtener otras propiedades como la expansión libre y su contenido coloidal
La mayoría de las arcillas expansivas se clasifican al grupo CH de acuerdo con el SUCS. Los suelos expansivos generalmente presentan consistencia de mediana a firme, con capacidades de carga admisibles superiores a 100kN/m², su peso específico suele ser mayor que el de la mayoría de los suelos.
En la figura B.11. se presenta una carta de plasticidad con los suelos mexicanos, en la cual se encuentran caracterizados algunos suelos expansivos de varias ciudades del país.
Figura B.11. Carta de plasticidad de suelos expansivos en México (Zepeda y 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 LIMITE LIQUIDO, en % IN D ICE PLAS TI CO, e n % p T ijuana Mexicali Hermosillo Cd. Obregón Navojoa Los Mochis Culiacán Cd. Juárez Durango Irapuato León Matamoros Nvo. Laredo Querét aro Reynosa Salamanca Celaya Cuernavaca % CL-ML ML OL OH ML MH CH ML CH Línea B Simbología 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 LIMITE LIQUIDO, en % IN D ICE PLAS TI CO, e n % p T ijuana Mexicali Hermosillo Cd. Obregón Navojoa Los Mochis Culiacán Cd. Juárez Durango Irapuato León Matamoros Nvo. Laredo Querét aro Reynosa Salamanca Celaya Cuernavaca % CL-ML ML OL OH ML MH CH ML CH Línea B Simbología
En México los suelos expansivos se presentan en regiones con depósitos de arcilla donde ocurren variaciones significativas de humedad: en zona monzónicas, con estaciones muy diferentes, y en zonas semidesérticas en las cuales se alteran extensas temporadas de sequía con pequeños periodos de precipitación. En especial los suelos expansivos se encuentran en las zonas semiáridas de las regiones con clima templado y tropical en las cuales la evapotranspiración anual es mayor que la precipitación anual. Los estados que presentan el problema de arcillas expansivas son: Querétaro, Durango, Guanajuato, Michoacán, Tamaulipas, Morelos, Sonora, Baja California Norte, Veracruz, Chiapas y Campeche. En la figura B.12, se muestra esquemáticamente las zonas potenciales de suelos expansivos en México (Zepeda y Castañeda, 1987).
1.1.2.3 Suelos residuales
Estos suelos se caracterizan por los cambios en sus propiedades mecánicas en estado seco y su tendencia a la expansión en presencia de humedad.
El suelo residual, es el resultado de la intemperización (meteorización química) in situ de la roca madre y el cual sufre poca o ninguna alteración por transporte. Provienen de esquistos, arcillolitas y limolitas que se degradaron al contacto con el agua y el aire.
Estos procesos son más acelerados en ambientes tropicales, donde existen cambios de temperatura con predominio de temperaturas altas y lluvias abundantes.
Su naturaleza es casi invariable, pero con la profundidad llegan a ser más compactos y menos intemperizados. Pueden tener capas alternadas duras y blandas o estratificación de la roca madre, si la intemperización es incompleta. El producto de la intemperización completa es arcilla cuyo tipo depende del proceso de meteorización y de la roca madre, además de la cantidad de partículas de sílice resistente. El suelo en etapa intermedia refleja la composición de la roca madre.
En la naturaleza este proceso, se presenta en tres etapas: la primera de ellas es la desintegración, en la cual se abren las discontinuidades y se desintegra la roca, formando más discontinuidades por fractura. En esta etapa hay disminución de la cohesión, aumento en la relación de vacíos y en la permeabilidad.
La segunda etapa es la descomposición, en la cual se incrementa el contenido de arcilla debido a procesos químicos o biológicos. Entre los procesos químicos que ocurren están la hidrólisis y el intercambio iónico, mientras que entre los biológicos se incluyen los efectos de las raíces, la oxidación bacteriológica y la reducción de hierro y compuestos de azufre.
La última etapa es la oxidación y recementación, en la cual aumentan los óxidos de hierro y aluminio, los cuales tienen propiedades cementantes que incrementan la cohesión y la estabilidad del suelo.
El comportamiento geotécnico de estos suelos está influenciado por su mineralogía, su fábrica y las condiciones geoquímicas del medio (González de Vallejo, 2004). En las zonas de ladera y montaña, donde hay buen drenaje, por lo regular se forman suelos rojos con alto contenido de haloysitas (mineral arcilloso perteneciente la grupo del caolín, con apilamiento desordenado de las capas) los cuales presentan cambios en sus propiedades mecánicas debido a la desecación.
En las zonas bajas y llanas con drenaje pobre, los suelos resultantes de la meteorización son de color negro debido a su contenido de esmectita (mineral arcilloso con presencia de cationes débilmente hidratados que favorece la penetración de moléculas de agua). Estos suelos se caracterizan por sus problemas de expansión al aumentar el contenido de agua. Por otra parte, se pueden formar suelos encostrados de buen comportamiento geotécnico en superficie, en zonas donde las condiciones de drenaje son deficientes y favorezcan la precipitación de altos contenidos de un mineral predominante, como aluminio en el caso de los suelos de tipo laterita, hierro en el tipo Ferricrita, sílicio en el tipo silcritas o calcio en el tipo calcrita.
La meteorización avanza desde la superficie hacia abajo y a través de las discontinuidades de la roca, produciendo distintas intensidades y dejando bloques sin descomponer. En la figura B.13, se presenta un perfil tipo de suelos residuales.
Figura B.13. Perfil típico en suelo residual.
En la figura B.13, se puede observar que el perfil de un suelo residual típico, se puede dividir en tres zonas: una zona superior, conformada por los suelos completamente intemperizados, donde ocurre cierto arrastre de materiales; una zona intermedia, altamente intemperizada o saprolito, en cuya parte superior existe una cierta meteorización, pero también cierto grado de deposición hacia la parte inferior de la misma, y una zona ligeramente intemperizada que sirve de transición entre el suelo residual y a la roca original inalterada.
Para la identificación de los suelos residuales en campo se sugiere lo siguiente:
• Identificar en el campo, afloramientos de roca o cortes producto de la disección de ríos o quebradas, o en taludes artificiales mayores a 10 m de altura.
• Estimar el grado de meteorización mediante una prueba de consistencia en campo, como se explica a continuación:
se observa la facilidad con que se puede cortar. En la siguiente tabla se clasifica el grado de descomposición (Suarez, 1998).
Tabla B.22. Medición del grado de descomposición de feldespatos. Grado de
Descomposición Consistencia Modo de Reconocimiento
Poco Dura No puede ser cortado por una navaja, ni raspado
por una puntilla.
Moderado Arenosa Puede ser cortado por un cuchillo o raspado por
una cuchilla.
Alto Deleznable Puede ser desmoronado a fragmentos de limo
con las manos.
Completo Blanda Puede ser moldeado fácilmente con las manos.
1.1.2.4 Suelos dispersivos
Los suelos dispersivos tienden a flocular en presencia de agua, perdiendo parte de las partículas de arcilla con elevada concentración de sales disueltas. Al separarse el flóculo, quedan partículas de menor tamaño que son fácilmente arrastradas por el agua con cierta velocidad, causando la erosión interna de estos suelos.
El fenómeno de dispersividad ocurre en arcillas firmes saturadas, con un contenido salino excepcional o en suelos ácidos, en las cuales las fuerzas repulsivas entre las partículas finas (arcillas), exceden a las fuerzas de atracción entre las mismas (González-De Vallejo, 2004). Las partículas pueden permanecer indefinidamente en contacto con el agua, sin sufrir alteración, pero si se secan, se dispersan rápidamente al ponerse nuevamente en contacto con el agua (Jiménez Salas, 1990). Cuando este tipo de arcillas se sumerge en agua, la fracción de arcilla tiende a comportarse de forma similar a las partículas granulares. Esto se debe a que en las arcillas dispersivas predominan los cationes de sodio en el agua de los poros (en arcillas ordinarias hay preponderancia de cationes de calcio, potasio y magnesio), los cuales tienen una única carga positiva (si se compara con las cargas por calcio e iones de magnesio) que produce un desequilibrio en las fuerzas electroquímicas que causa repulsión entre partículas. Como las partículas de la arcilla son muy pequeñas y tienen poca masa, se desagregan fácilmente y son transportadas por el agua (Garay, 1999).
Los suelos dispersivos pueden identificarse en el campo a partir de reconocimientos visuales de la zona, buscando indicios superficiales como:
• Erosión visible en taludes expuestos en carreteras o huecos longitudinales a lo largo del cauce en corrientes naturales de agua o en cortes naturales o excavaciones.
• Hondonadas profundas en terrenos planos o casi planos. • Turbidez excesiva en cualquier depósito de agua.
• Áreas cultivables de bajo rendimiento o crecimiento mal desarrollado que puede indicar presencia de suelos altamente salinos.
Sin embargo, en ausencia de estas evidencias, no es posible descartar la posibilidad de encontrar arcillas dispersivas en estratos profundos.
En campo se puede realizar el ensaye de la migaja (USBR 5400-89), con el fin de determinar si un suelo es dispersivo. El ensaye consiste en preparar un espécimen cúbico de 15 mm de lado, con el suelo y luego se deja secar al aire. Una vez seco, el cubo se coloca cuidadosamente en aproximadamente 250 ml de agua destilada en un recipiente transparente. Mientras el suelo se hidrata, se observa la tendencia de las partículas coloidales para deflocularse y entrar en suspensión, lo cual ocurre después de 5 a 10 minutos de inmersión. Luego se usa la guía de interpretación que se presenta en la siguiente tabla (Garay, 1999).
La identificación de suelos dispersivos en campo, es indispensable en proyectos donde la presencia de agua es obligatoria, como en el caso de las presas e instalaciones de drenajes profundos, por ser propensos a la falla por tubificación.
Tabla B.23. Identificación de grado de dispersión del suelo por el ensaye de la Migaja.
Tipo de Comportamiento
dispersivo
Descripción de
la reacción Modo de Reconocimiento
Grado 1
Ninguna reacción – No
dispersivo
El suelo se desmorona y se esparce en el fondo del recipiente formando una capa, sin ningún signo de turbiedad en el agua causada por coloides en suspensión.
Grado 2 Reacción ligera Insinuación de nubosidad en el agua en la
superficie del suelo.
Grado 3 Reacción
moderada
Nubosidad de coloides en suspensión fácilmente reconocible. Usualmente diseminado en trazas delgadas en el fondo del recipiente.
Grado 4 Reacción fuerte
Nubosidad coloidal que cubre casi la totalidad del fondo del recipiente, usualmente en una superficie muy delgada. En casos extremos, toda el agua del recipiente se vuelve turbia.
1.1.2.5 Suelos colapsables
Los suelos colapsables se caracterizan por tener una estructura muy abierta y suelta, pero son estables en estado seco, debido a que están ligeramente cementados por cristales de sulfatos o por partículas más finas que llenan los poros.
Cuando se incrementan los contenidos de agua en este tipo de suelo, se puede destruir su estructura inicial, lo cual hace que disminuya considerablemente su volumen, produciendo asentamientos importantes y arrastre de material. A este fenómeno se le llama colapso.
El fenómeno del colapso puede presentarse casi en cualquier suelo, más o menos cementados, en determinado estado del mismo (Jiménez Salas, 1990).
Este tipo de suelo se caracteriza por ser fácilmente erosionable y por sufrir colapso irrecuperable por inundación. Por tal motivo, es necesario evaluar las características del material en el contenido de humedad de diseño.
Algunos de los suelos susceptibles de ser colapsables son: suelos de deposición eólica (loes cementados con carbonato de calcio), suelos compactados del lado seco, suelos en áreas cubiertas por zonas de inundación y en conos de deyección de ríos torrenciales, suelos en zonas desérticas, limos cementados con sulfato cálcico, suelos residuales cementados con hidróxidos o compactados, arcillas de cementación marina altamente preconsolidadas (Jiménez Salas, 1990), coluviones y arenas cementadas (Sabatini at al, 2002). Algunos de estos suelos se describen a continuación:
Los loes son suelos de deposición eólica, conformados por partículas de tamaño de limo y con cohesión aparente resultado de la arcilla calcárea que sirve como aglutinante, manteniendo juntas las partículas de limo (Sabatini et al, 2002).
El coluvión es un material erosionado que migra y se acumula en la ladera o en el pie de un talud. Está conformado por material granular fino o cuarzoso con fragmentos de roca, que puede formar estratos delgados débiles que influencian la estabilidad de los taludes y la acumulación de agua en la interfase roca-coluvión. Estas formaciones ocurren en ambientes húmedos y templados (Sabatini et al, 2002).
Las arenas cementadas, consisten en suelos arenosos con sal o de vinculación calcárea en los puntos de contacto grano-grano. Si el agente cementante es soluble, el material puede ser potencialmente colapsable. En campo aparece como una arena densa, dando rechazo en el ensaye de penetración estándar, pero es quebradizo (Sabatini et al, 2002). Los rellenos no compactados, que quedan con una estructura suelta, permitiendo que el agua, en los contactos entre las partículas, forme meniscos de succión que aumentan las fuerzas intergranulares comprimiendo las partículas. Esto les otorga una resistencia aparente considerable en condiciones normales de humedad (Gonzalez-De Vallejo, 2004).
Finalmente, las arcillas de cementación marina están conformadas por lodos y arcillas
con baja compresibilidad que han sido filtradas por sal, lo que origina que su estructura sea inestable (Sabatini et al, 2002).
En general, los suelos colapsables, se presenta en el terreno con valores bajos de peso unitario seco y contenido de agua, lo cual les da una apariencia resistente con una ligera cohesión aparente.
En estado natural, estos suelos pueden soportar cargas moderadas y sufrir pequeños asentamientos, pero en presencia de agua, se pierde la cohesión en el suelo y ocurren asentamientos de gran magnitud bajo carga constante.
En el caso de los Loes, se puede comprobar si es un suelo colapsable realizando la prueba del ácido, con el fin de detectar la presencia de carbonato de calcio.
Esta prueba se realiza adicionando al suelo, algunas gotas de solución de acido clorhídrico (3 partes de agua por 1 parte de ácido). La cantidad relativa de ácido clorhídrico en el suelo, puede determinarse por la cantidad de efervescencia que ocurre (reacción de burbujeo). En suelos muy secos no-calcáreos se puede confundir la efervescencia con la absorción del ácido en el suelo, por lo que es conveniente humedecer la muestra antes de aplicar el ácido (U.S. Army Corps, EM 1110-1-1804).
La identificación de suelos colapsables en campo es difícil en zonas planas. Sin embargo, en zonas de laderas se pueden identificar rasgos propios de movimientos de ladera asociados con el fenómeno de colapso. A continuación mencionan algunas de estos indicios (González-De Vallejo, 2004):
• Presencia de erosión y de acumulación de material en las laderas, que se visualizan como anomalías en la pendiente.
• Identificación de deslizamientos antiguos en la zona. • Presencia de grietas y escarpes.
• Daños en viviendas, construcciones, alcantarillas, cunetas, vías aledañas, etc. • Formas atípicas en la vegetación existente, como inclinación de los troncos de los
árboles, desprendimiento de las raíces y zonas de pérdida de vegetación. • Investigación con la comunidad sobre antecedentes del fenómeno en la zona. La presencia de suelos colapsables esta asociada a la inestabilidad de laderas, cuyo factor detonante es el cambio de humedad.
En este caso, la mejor manera de reconocerlos, dada la amplia gama de suelos susceptibles al colapso, es buscando en campo los signos de movimiento en el terreno activos o inactivos.
En el caso de proyectos en zonas planas, los suelos colapsables no se pueden detectar fácilmente con una inspección visual. Por este motivo, se debe realizar una investigación de campo con el apoyo de la comunidad, para encontrar antecedentes en la zona de problemas de colapso.
1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS
1.2.1 Programa de exploración geotécnica
El programa de exploración geotécnica deberá proporcionar información sobre las condiciones estratigráficas del sitio en estudio y consta de 3 etapas.
La primera, estudios preliminares, deberá permitir la definición tentativa de los problemas geotécnicos del sitio; la segunda, la recopilación de información, lo que servirá para fundamentar la tercera etapa de investigación de detalle; que incluye la realización de sondeos y pruebas de campo y laboratorio.
1.2.1.1 Estudios preliminares
Consiste esencialmente en analizar la información existente de las áreas del proyecto incluye visitas de reconocimiento del sitio, a fin de contar con las observaciones y datos que permitan definir los lugares más adecuados para la construcción de la obra, con base en las condiciones geológicas y geotécnicas de la zona (CFE, 1979).
A continuación se enlistan algunos puntos que usualmente se desarrollan en la investigación preliminar:
• Recopilación de información geológica y geotécnica del sitio en estudio. Planos topográficos y planos del proyecto preliminar.
• Inspección del sitio por el especialista en geotecnia encargado del estudio acompañado del ingeniero geólogo asesor, para verificar o ampliar la información disponible.
• Planteamiento del programa de trabajos de campo necesarios para definir: -Estratigrafía general del sitio.
-Clasificación geológica y geotécnica de cada estrato de suelo o de roca.
-En rocas, las características de las discontinuidades naturales relativas a: orientación e inclinación de planos de estratificación o de flujo; orientación e inclinación de planos de fisuramiento; dimensiones de las rocas, presencia de las fallas geológicas, de zonas de contacto entre deformaciones rocosas, de zonas de alteración de las rocas y cavernas naturales o artificiales.
• Ejecución de trabajos exploratorios de campo.
• Presentación de un informe técnico que debe contener: -La descripción detallada de los trabajos realizados.
-El análisis de la información geológica y geotécnica obtenida.
-Las conclusiones de los análisis referentes a las características geológicas y geotécnicas del sitio estudiado.
-La identificación de los problemas de diseño y construcción previsibles en función del análisis preliminar de la información geotécnica.
-El programa de estudios adicionales, de campo y laboratorio, necesarios para medir, con precisión adecuada, las propiedades mecánicas e hidráulicas de los distintos suelos y rocas que serán afectados por la cimentación.
1.2.1.1.1
Recopilación de la Información
Es necesario obtener la mayor cantidad de información, derivada de estudios desarrollados en el área o cercana a ella, recurriendo a las dependencias u organismos que disponga de ella; ésta debe ser analizada y sintetizada para obtener datos generales relacionados con la topografía, hidrología, estratigrafía y problemas geotécnicos característicos de la región.
El estudio geotécnico se inicia con la recopilación de la información disponible sobre topografía, geología y comportamiento de estructuras construidas en predios y zonas cercanas a las del proyecto. Conviene reunir planos topográficos, geológicos y edafológicos, cartas de uso potencial del subsuelo, así como datos de la estratigrafía y características estructurales de la región. La información que se reúna se estudiará para identificar, de manera preliminar, las condiciones geológicas y geotécnicas que prevalecen en el sitio de estudio. Parte de esta información puede consultarse en algunas instituciones, las cuales la distribuyen y publican; En la tabla B.24 se presentan algunas de estas instituciones.
Tabla B.24. Información a consultar durante los estudios preliminares.
Tipo Información Institución
Topografía -Mapas topográficos
-Fotografías aéreas
-Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI). Geología
-Mapas geológicos
-Informes y memorias geológicas -Mapas edafológicos
-Fotografías aéreas
-Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática, (INEGI). -Instituto de Geología UNAM.
Geotécnia -Publicaciones geotécnicas
-Informes geotécnicos -Mapas geotécnicos
-Instituto de Ingeniería de la UNAM (IIUNAM).
-Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos (SMMS).
-Centro Nacional de prevención de Desastres (CENAPRED).
-Comisión de Vialidad y Transporte Urbano (COVITUR)*.
-Secretaria de Comunicación y Transporte (SCT).
-Petróleos Mexicanos, PEMEX. -Instituto Mexicano del Petróleo (IMP).
Comisión Federal de Electricidad (CFE).
-Colegio de Ingenieros Civiles de México (CICM).
-Reglamento de construcciones para el Distrito Federal (RCDF).
-Secretaría de Desarrollo Urbano y Vialidad (SEDUVI).
- Secretaria de Energía (SENER). Hidrogeología e
Hidrológica
-Mapas Hidrogeológicos. -Mapas topográficos. -Fotografías aéreas. -Datos de pozos y sondeos.
-Comisión Nacional del Agua (CNA). -Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA).
- Secretaria de Energía (SENER). Datos
Meteorológicos
-Registros pluviométricos y de temperaturas.
-Instituto de Geofísica, UNAM.
-Servicio Meteorológico Nacional (SMN).
-Centro de Ciencias de la Atmósfera (CCA).
Datos Sísmicos
-Datos de Terremotos y normas sismorresistentes.
-Instituto de Ingeniería UNAM -Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos.
-Instituto de Geofísica UNAM. -Servicio Sismológico Nacional. -Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica.
Minería y Carreteras
-Mapas de rocas industriales. -Registros de minas y canteras. -Mapas e inventarios.
-Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI). -Comisión de Vialidad y Transporte Urbano (COVITUR)*.
-Secretaria de Comunicación y Transporte (SCT).
-Secretaria de Transporte y Vialidad (SETRAVI).
Tipo Información Institución - Secretaria de Energía (SENER).
-Cámara de la Industria Minera Usos de suelo
-Planes de ordenación y usos del suelo.
-Mapas Topográficos. -Fotografías aéreas.
-Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI).
Construcciones y servicios existentes
-Mapas Topográficos. -Fotografías aéreas.
-Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI). -Delegaciones.
-Ayuntamientos.
*Ya no existe esta dependencia, únicamente se localiza información impresa.
1.2.1.2 Reconocimiento de campo.
El reconocimiento es la inspección del sitio que permite evaluar la información recopilada previamente por el ingeniero con conocimientos en mecánica de suelos en compañía de un especialista en geología y completarla con observaciones de campo para determinar la factibilidad de construcción de alguna obra civil y fundamentar el programa detallado de exploración.
El alcance de este primer contacto físico con la región dependerá de la importancia de la obra y las características del subsuelo. Algunas veces basta este conocimiento para desechar el sitio previamente elegido.
El reconocimiento de campo deberá proporcionar información acerca de la accesibilidad, recursos humanos y materiales del sitio, permitir conocer el ambiente geológico general, identificar las estructuras geológicas (localizar fallas, fracturas, fisuras y rellenos) y clasificar a los suelos superficiales, conocer la geomorfología, los procesos erosivos actuales en el sitio, el tipo de drenaje superficial y subterráneo y el espesor del suelo y finalmente proponer y/o revisar el programa de exploración, el cual podría estar integrado por una investigación preliminar y posteriormente una investigación de detalle cómo se muestra en la figura B.14.
ESTUDIO PRELIMINAR
Recopilación de la información disponible del sitio Interpretación de fotografías aéreas de la zona
Información fotografíca Recorrido de campo ESTUDIOS DE DETALLE LEVANTAMIENTO GEOLÓGICO EXPLORACIÓN GEOFÍSICA
Interpretación geológica del sitio Reconocimiento de discontinuidades Identificación de fenómenos geodinámicos
Método de resístividad eléctrica Método geosísmico de refracción
Pruebas de resistencia Muestreo de suelos y rocas Pruebas de penetración EXPLORACIÓN, MUESTREO Y PRUEBAS DE CAMPO Pruebas de permeabilidad Propiedades índice Propiedades mecánicas PRUEBAS DE LABORATORIO
Puntos de referencia superficiales
INSTRUMENTACIÓN
DE CAMPO
Indicadores de nivel freático Piezómetros
Bancos de nivel
Figura B.14. Programa de Investigación Geotécnica (Enrique Santoyo Villa, 2001).
1.2.1.3 Estudios de detalle
Los estudios detallados para un proyecto, se deberán hacer principalmente durante la etapa de exploración. Su uso no queda restringido a esta parte de la investigación de un
sitiopara lo cual deberá considerar la aplicación de las técnicas que se mencionan más
adelante y fundamentar su propuesta en la información de la investigación preliminar, resultando útiles tanto en la etapa del anteproyecto como en las de construcción y operación de la obra. En términos generales, los procedimientos de estudio detallado de un sitio, se dividen en dos tipos: Métodos indirectos y directos.
Con base en los planteamientos de las alternativas preliminares se puede definir la información de campo y laboratorio adicional, necesarias para determinar las propiedades
