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Trujillo-Perú 2021

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TESIS

PARA OBTENER EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERO DE MATERIALES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MATERIALES

“Influencia del cloruro de sodio sobre la resistencia, permeabilidad y relación de soporte de California de suelos arcillosos urbanos”

AUTORES:

• Br. Pérez Tacanga, Aaron Servillon del Carmen

• Br. Rosas Rodriguez, Luz Andrea ASESOR:

• Dr. Alvarado Quintana, Hernán Martin

Trujillo-Perú

2021

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i DEDICATORIA

Inmensamente agradecida con nuestro padre celestial, porque ha guiado toda mi vida, mis caminos, siempre dándome la fuerza necesaria para afrontar difíciles momentos y haberlos superado hasta poder culminar esta etapa tan importante para mí.

A mis padres, porque reconozco el esfuerzo que realizaron día a día por sacar adelante a mí y mis hermanas para así brindarnos educación superior y sé que este logro es muy enorgullecedor para ellos.

A mi familiares, amigos, docentes y personas en general que de alguna manera con palabras de motivación contribuyeron a que esto sea posible.

Gracias

Luz

(3)

ii DEDICATORIA

Dedico el significado que tiene esta tesis, a las personas que más aprecio.

A mis padres, Raquel Tacanga y Milabe Perez; junto a mi hermano mayor y menor, Daniel y David; por darme el apoyo incondicional permanente en todos y cada uno de los aspectos necesarios que requerí, para alcanzar cualquier meta que tuve en la vida, y claramente incluida esta.

Infinitas gracias.

Aaron

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iii AGRADECIMIENTO

Nuestro profundo agradecimiento a la Escuela de Ingeniería de Materiales de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Trujillo por habernos permitido desarrollar la Investigación en los ambientes del Laboratorio Materiales Cerámicos.

Un especial agradecimiento a nuestro asesor el Dr. HERNAN MARTIN ALVARADO QUINTANA por su constante exigencia, apoyo, paciencia y generosidad al brindarnos la oportunidad de recurrir a su experiencia profesional.

Un merecido agradecimiento al Ing. Jorge Barrantes Villanueva y al grupo INCERMAT por prestarnos las instalaciones e instrumentos del Laboratorio de Materiales Cerámicos, su apoyo para la realización de los ensayos, orientación para que este trabajo sea mejor.

Los Autores

(5)

iv ÍNDICE

DEDICATORIA ... i

AGRADECIMIENTO ... iii

ÍNDICE ... iv

LISTA DE FIGURAS ... vii

LISTA DE TABLAS ... viii

RESUMENf ... ix

ABSTRACT ... x

1. INTRODUCCIÓN ... 1

1.1. Realidad problemática ... 1

1.2. Antecedentes Empíricos ... 2

1.3. Antecedentes Teóricos ... 4

1.3.1. Pavimentos ... 4

1.3.1.1. Tipos de pavimentos ... 5

1.3.1.2. Componente de un pavimento ... 5

1.3.2. Suelos ... 6

1.3.2.1. Definición ... 6

1.3.2.2. Composición del suelo ... 7

1.3.2.3. Propiedades físicas del suelo ... 8

1.3.2.4. Tipos de suelo ... 12

1.3.2.5. Clasificación de los suelos SUCS ... 16

1.3.2.6. Clasificación de la AASHTO ... 17

1.3.3. Tubificación o Sufusión... 20

1.3.3.1. Tipos de tubificación: ... 21

1.3.4. Estabilizadores ... 23

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v

1.3.4.1. Requisitos de la estabilización ... 23

1.3.4.2. Tipos de estabilización ... 25

1.3.5. Cloruro de sodio (NaCl) ... 27

1.3.5.1. Cloruro de Sodio como estabilizador: ... 27

1.3.5.2. Propiedades del cloruro de sodio ... 28

1.3.6. Ensayos ... 30

1.3.6.1. Permeabilidad ... 30

1.3.6.2. Resistencia de compresión no confinada ... 34

1.3.6.3. Relación De Soporte De California (Cbr) ... 36

1.4. Problema ... 38

1.5. Hipótesis ... 38

1.6. Objetivos ... 39

1.6.1. Objetivo General ... 39

1.6.2. Objetivos Específicos ... 39

1.7. Justificación ... 39

2. MATERIAL Y MÉTODOS ... 40

2.1. Material de estudio ... 40

2.1.1. Universo objetivo ... 40

2.1.2. Población o universo muestral ... 40

2.1.3. Muestra ... 40

2.2. MÉTODOS Y TÉCNICAS ... 40

2.2.1. Diseño de investigación ... 40

2.2.2. Matriz de diseño ... 41

2.2.2.1. Ensayo de Relación de Soporte de California (CBR) ... 41

2.2.2.2. Ensayo de Permeabilidad ... 41

(7)

vi

2.2.2.3. Ensayo de Compresión no confinada ... 42

2.3. Procedimiento experimental ... 43

2.3.1. Reducción de muestras de campo a tamaños de muestras de ensayo ... 44

2.3.2. Caracterización del suelo ... 45

2.3.2.1. Análisis granulométrico de suelos por tamizado (ASTM D 422) ... 45

2.3.2.2. Análisis granulométrico por medio del hidrómetro (ASTM D 422) ... 45

2.3.3. Proctor modificado (ASTM D 1557)... 47

2.3.4. Ensayos ... 48

2.3.4.1. Compresión no confinada (ASTM D 2166) ... 48

2.3.4.2. Relación de soporte de California de suelos (ASTM D 1883) ... 48

2.3.4.3. Permeabilidad (ASTM D 5856) ... 50

2.3.5. Análisis de datos ... 51

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 52

3.1. Resultados de caracterización del suelo ... 52

3.1.1. Suelo estudiado ... 52

3.1.2. Suelo de referencia ... 53

3.2. Resultados de los ensayos ... 54

3.2.1. Índice de Soporte California (CBR) ... 54

3.2.2. Compresión No Confinada ... 55

3.2.3. Permeabilidad ... 56

4. CONCLUSIONES ... 58

5. RECOMENDACIONES ... 59

6. BIBLIOGRAFÍA ... 60

7. APÉNDICE ... 64

8. ANEXOS ... 134

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vii LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Sección típica de un pavimento. ... 6

Figura 1. Composición del suelo ... 8

Figura 2. Clasificación del suelo según su textura ... 9

Figura 3. Porosidad del suelo ... 10

Figura 4. Componentes de la estructura del suelo. ... 11

Figura 5. Gravas. ... 13

Figura 6. Arena. ... 13

Figura 7. Suelo limoso natural. ... 15

Figura 8. Diferentes tipos de arcillas. ... 15

Figura 10. Tubificación retrograda. ... 21

Figura 11. Tubificación por fractura hidráulica. ... 22

Figura 12. Tubificación por sumidero. ... 22

Figura 13. Estructura del cloruro de sodio. ... 28

Figura 14. Permeámetro de compactación. ... 32

Figura 15. Permeámetro de carga constante con flujo ascendente. ... 33

Figura 16. Permeámetro de carga variable con flujo ascendente. ... 33

Figura 17. Tipos de edómetros o consolidometro. ... 36

Figura 18. Diagrama esquemático del problema de investigación. ... 38

Figura 19. Diagrama del procedimiento experimental para la evaluación de la resistencia de la compresión no confinada, CBR y permeabilidad del suelo trujillano influenciado por cloruro de sodio. ... 43

Figura 20. Influencia del añadido de cloruro de sodio en suelo arcilloso sobre el índice de CBR... 54

Figura 21. Influencia del añadido de cloruro de sodio en suelo arcilloso sobre la resistencia a la compresión no confinada. ... 55

Figura 22. Influencia del añadido de cloruro de sodio en suelo arcilloso sobre la permeabilidad. ... 56

Figura 23. Incremento de la resistencia a la compresión, permeabilidad e índice de CBR en

función al añadido de cloruro de sodio en suelo arcilloso. ... 57

(9)

viii LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Clasificación según AASHTO ... 20

Tabla 2 Susceptibilidad de los suelos a la tubificación... 21

Tabla 3 Características del cloruro de sodio (NaCl). ... 29

Tabla 4 Permeabilidad según la textura del suelo. ... 30

Tabla 5 Diseño experimental. ... 40

Tabla 6 Diseño de la matriz experimental para el ensayo de CBR. ... 41

Tabla 7 Diseño de la matriz experimental para el ensayo de permeabilidad. ... 41

Tabla 8 Diseño de la matriz experimental para el ensayo de compresión no confinada. ... 42

Tabla 9 Datos de estratigrafía de suelo investigado... 52

Tabla 10 Datos de estratigrafía de suelo de referencia. ... 53

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ix RESUMEN

En el presente trabajo se evaluó la influencia de la adición de cloruro de sodio (NaCl) en suelos arcillosos urbanos de la ciudad de Trujillo, respecto a la resistencia a la compresión no confinada, permeabilidad e índice de CBR.

La muestra de suelo arcilloso se obtuvo de la extracción de los cimientos de una construcción de una vivienda ubicada en la urbanización “Los Rosales de San Andrés”, distrito de Trujillo, provincia de Trujillo- la Libertad, para realizar el estudio correspondiente.

Para cada ensayo se realizaron 4 repeticiones para las muestras patrón y para las muestras que fueron adicionadas con NaCl cuyas dosis fueron 1.5, 3 y 4.5 % en peso.

Al finalizar los ensayos se determinó que el tipo de suelo patrón es un suelo arcilloso arenoso con media plasticidad clasificándose como un suelo “CL” según el método SUCS y

“A-6” para el método AASHTO. Y que al añadirle 1.5 % de NaCl al suelo arcilloso de muestra, se obtiene las mejores propiedades; teniendo un aumento de 315% en el índice de CBR, aumento en 82% en la compresión no confinada y una reducción de la permeabilidad del 21%.

Finalmente, se verificó que el cloruro de sodio tiene influencia significativa en suelos arcillosos, y que puede ser de utilidad para mitigar el fenómeno de tubificación, al reducir la permeabilidad y mejorar sus otras propiedades importantes como la compresión no confinada e índice de CBR.

Palabras clave: Suelo arcilloso, estabilización, tubificación, permeabilidad, CBR,

resistencia a la Compresión inconfinada.

(11)

x ABSTRACT

In this paper, the influence of the addition of sodium chloride (NaCl) in urban clay soils of the city of Trujillo was evaluated, regarding resistance to unconfined compression, permeability and CBR index.

The clay soil sample was obtained from the extraction of the foundations of a construction of a house located in the urbanization "Los Rosales de San Andrés", district of Trujillo, province of Trujillo-la Libertad, to carry out the corresponding study.

The soil was characterized by the SUCS and AASHTO methods, carrying out the tests of sieving granulometry, sedimentation granulometry (hydrometry), consistency limits and natural humidity.

The compaction test was carried out by means of the modified Proctor test on the standard sample and the samples with the addition of NaCl, to obtain the maximum dry density and humidity, using them as a reference in the unconfined compression, CBR and permeability tests. For each test, 4 repetitions were carried out for the standard samples and for the samples that were added with NaCl whose doses were 1.5, 3 and 4.5% by weight.

At the end of the tests, it was determined that the type of standard soil is a sandy clay soil with medium plasticity, being classified as a “CL” soil according to the SUCS method and

“A-6” for the AASHTO method. And that by adding 1.5% NaCl to the sample clay soil, the best properties are obtained; having a 315% increase in the CBR index, an 82% increase in unconfined compression and a 21% reduction in permeability.

Finally, it is verified that sodium chloride has a significant influence on clay soils, and that it can be useful to mitigate the tubing phenomenon, by reducing permeability and improving its other important properties such as unconfined compression and CBR index.

Keywords: Clay soil, stabilization, piping, permeability, CBR, Unconfined

Compressive Strength.

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1 1. INTRODUCCIÓN

1.1. Realidad problemática

La ciudad de Trujillo está ubicada en la costa norte del Perú, por lo se encuentra expuesta a un fenómeno climático global producido por el calentamiento en las aguas del Pacifico denominado, El Niño-Oscilación del Sur (ENSO), que en su fase de enfriamiento en las zonas tropicales y ecuatorial provoca fuertes estragos debido a las intensas y continuas lluvias, afectando drásticamente los litorales por meses.

El Niño es un fenómeno que se manifiesta de manera erráticamente cíclico, por lo que se presentara innumerables veces sin un patrón, causando fuertes lluvias e inundaciones en la ciudad; lo que conlleva a que afecte no solo de manera superficial en las costas, sino que incluso por debajo de esta, debilitando cimientos y generando socavones en los pavimentos en toda la ciudad, por las filtraciones de agua en el suelo (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, 2018).

Este problema de socavones en las calles, no solo se dan por el fenómeno del Niño con las lluvias e inundaciones, sino en gran medida también por las fallas en las redes de alcantarillado y agua. La provincia de Trujillo afronta una grave crisis de saneamiento, luego de que varias redes de alcantarillado colapsaran. En Trujillo, de los 1.369 kilómetros de redes de alcantarillado que tiene la ciudad, 548 kilómetros, o sea el 40%, han superado largamente su tiempo de vida útil y se trata de tuberías muy deterioradas que pueden llegar a tener 50 y hasta 70 años de antigüedad (Actualidad Ambiental, 2017).

Estos huecos en su mayoría son impredecibles y en su tamaño pueden variar desde

hoyos que atrapen una llanta de un vehículo generando detención del tráfico donde se produzca,

hasta socavones que hunden completamente automóviles lo que pone en grave peligro la vida

de todos los ciudadanos que viajen en algún tipo de vehículo (La Industria, 2019). Este

problema se vuelva cada vez más grave, en este presente año 2019, la aparición de nuevos

(13)

2 socavones se hace cada vez más frecuentes, llegando hasta aparecer 2 nuevos socavos en menos de un mes, lo que preocupa a las autoridades de Defensa Civil (La Industria, 2019).

Lo que esta investigación busca es proponer una solución al problema que acaecen en las calles de la ciudad de Trujillo ante el fenómeno de tubificación, lo que ocasiona el fallo y colapso de sus pistas en forma de socavones, los cuales suelen ser producidos por fenómenos naturales o en su mayoría por las redes de agua y alcantarillado; además porque hay pocas publicaciones al respecto; y proponer alguna alternativa de solución.

1.2. Antecedentes Empíricos

Takahashi (2014) elaboro un estudio paramétrico sobre la influencia de dos variables, el nivel de esfuerzo efectivo y el contenido inicial de finos, sobre el mecanismo de la sufusión.

La consecuencia mecánica de la sufusión se evaluó mediante pruebas de compresión monotónica drenada de muestras erosionadas. Los resultados de la prueba revelaron que, el progreso de la sufusión, la conductividad hidráulica disminuyo con el aumento de finos. Se erosionaron grandes cantidades de finos y, se produjo, se produce una tensión volumétrica contractiva. Las pruebas de compresión monotónica indicaron que la sufusión causo la reducción de la resistencia del suelo en la etapa principal del esquileo escurrido.

Guamán (2016) determino el comportamiento de un suelo arcilloso estabilizado con Cal y Cloruro de Sodio con porcentajes de 2,5%, 7,5% y 12,5%. La muestra de suelo extraída de una calicata a 1 m de profundidad en la ciudad del Puyo y se utilizó todo el volumen de la calicata para realizar los ensayos de laboratorio con muestras alteradas e inalteradas.

El Cloruro de Sodio se pulverizó para una mejor reacción con las partículas de arcilla.

El ensayo de Resistencia a la compresión simple se utilizaron bloques que fueron ensayados a

los 7, 14 y 21 días. Como resultado obtuvieron que los suelos con mayor contenido de cloruro

de sodio mejoro su trabajabilidad y su compactación fue más rápida. Con el suelo estabilizado

con cal se observó que también mejoro su trabajabilidad, pero en menor medida comparada

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3 con el cloruro de sodio. Con cloruro de sodio se requirió menor cantidad de agua para llegar a su contenido de humedad óptimo, la cal requirió más agua, para llegar a su contenido de humedad óptimo.

Roldan (2010) investigo el tratamiento adecuado de suelos para intensificar sus propiedades físicas y mecánicas ya que existen suelos que no son aptos empleando el cloruro de sodio. El cloruro de sodio agregado al suelo, incremento los porcentajes de CBR, en proporción con porcentajes de NaCl no mayores al 2% en condiciones críticas. Sin embargo, los mejores resultados se observaron cuando se perdió la humedad y se incrementó el contenido de sal en el suelo, se obtuvo una cimentación firme con la mezcla suelos – cloruro de sodio.

Los materiales analizados fueron arena limoso color beige (selecto) y arena caliza, en ambos materiales se obtuvieron resultados positivos, sin embrago el selecto reacciono mejor con el estabilizante.

Fernández (2016) utilizo cloruro de sodio como estabilizador químico de suelos arcillosos, buscando reducir su elevada plasticidad, capacidad de soporte e inestabilidad de volumen en función de la humedad. Determino la concentración optima de cloruro de sodio que las propiedades físicas y estas fueron medidas mediante procedimientos de laboratorio.

Trabajó con diferentes porcentajes de cloruro de sodio, 2%, 5%, 10%, 20%, 30% y 50%.

Los resultados obtenidos en el índice de plasticidad de 9.4 con cloruro de sodio al 50%

siendo el índice de plasticidad inicial de 38.2 sin cloruro de sodio y CBR (capacidad de soporte), alcanzo un valor de 4.1% al adicionarle sal al 5% siendo el CBR inicial de 1.8% esta fue la concentración óptima para este tipo de suelo arcilloso.

Castañeda (2017) determino la estabilización y durabilidad de la sub base con el uso

del agregado de la cantera de Challhua con la adición del cloruro de sodio en porcentajes de

2%, 4% y 6% realizado en la ciudad de Huaraz.

(15)

4 El aumento del índice CBR con la adición de cloruro de sodio en los diferentes porcentajes mencionados y además verifico su durabilidad, modificando sus propiedades físicas y mecánicas. Se evaluó mediante ensayos de granulometría, límites de Atterberg, proctor modificado y CBR. Se determinó que la adición del cloruro de sodio en porcentaje de 2% aumento el CBR en un 3,1% respecto al patrón mejoró la resistencia, en el ensayo de durabilidad se obtuvo los porcentajes de perdida siendo 9,364% y 5,56% del agregado grueso y fino respectivamente por lo que el material obtuvo gran resistencia al desgaste.

1.3. Antecedentes Teóricos 1.3.1. Pavimentos

Se llama pavimento al conjunto de capas de material seleccionado que reciben en forma

directa las cargas del tránsito y las transmiten a los estratos inferiores en forma disipada,

proporcionando una superficie de rodamiento, la cual debe funcionar eficientemente. Las

condiciones necesarias para un adecuado funcionamiento son las siguientes: anchura, trazo

horizontal y vertical, resistencia adecuada a las cargas para evitar las fallas y los agrietamientos,

edemas de una adherencia adecuada entre el vehículo y el pavimento aun en condiciones

húmedas. Deberá presentar una resistencia adecuada a los esfuerzos destructivos del tránsito,

de la intemperie y del agua. Debe tener una adecuada visibilidad y contar con un paisaje

agradable para no provocar fatigas. Puesto que los esfuerzos en un pavimento decrecen con la

profundidad, se deberán colocar los materiales de, mayor capacidad de carga en las capas

superiores, siendo de menor calidad los que se colocan en las terracerías además de que son los

materiales que más comúnmente se encuentran en la naturaleza, y por consecuencia resultan

los más económicos. La división en capas que se hace en un pavimento obedece a un factor

económico, ya que cuando determinamos el espesor de una capa el objetivo es darle el grosor

mínimo que reduzca los esfuerzos sobre la capa inmediata inferior. La resistencia de las

diferentes capas no solo dependerá del material que la constituye, también resulta de gran

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5 influencia el procedimiento constructivo; siendo dos factores importantes la compactación y la humedad, ya que cuando un material no se acomoda adecuadamente, éste se consolida por efecto de las cargas y es cuando se producen deformaciones permanentes.

1.3.1.1. Tipos de pavimentos

Básicamente existen dos tipos de pavimentos: rígidos y flexibles.

• El pavimento rígido se compone de losas de concreto hidráulico que en algunas ocasiones presenta un armado de acero, tiene un costo inicial más elevado que el flexible, su periodo de vida varía entre 20 y 40 años; el mantenimiento que requiere es mínimo y solo se efectúa (comúnmente) en las juntas de las losas.

• El pavimento flexible resulta más económico en su construcción inicial, tiene un periodo de vida de entre 10 y 15 años, pero tienen la desventaja de requerir mantenimiento constante para cumplir con su vida útil. Este tipo de pavimento está compuesto principalmente de una carpeta asfáltica, de la base y de la sub-base (Rodriguez, 2009).

1.3.1.2. Componente de un pavimento

En la Figura 9, se muestra esquemáticamente, los componentes principales de un

pavimento asfáltico. Se puede considerar que la estructura de un pavimento está compuesta por

una superestructura encima de una fundación, esta última debe ser el resultado de un estudio

geotécnico adecuado. En los pavimentos camineros, la superestructura está constituida por la

capa de revestimiento y la capa base; la fundación está compuesta por las capas de subbase y

suelo compactado.

(17)

6 Figura 1. Sección típica de un pavimento.

Fuente: (Ingeniería de pavimentos Brasil, 2000) 1.Capa de Rodadura

2.Capa Base

3.Capa Compactada 4.Suelo Compactado 5.Subrasante

6.Sub-drenaje longitudinal 7.Revestimiento de Hombreras

8.Sub-base de Hombreras (Rodriguez, 2009).

1.3.2. Suelos

1.3.2.1. Definición

Es todo tipo de material terroso, que conforma una delgada capa sobre la corteza terrestre de material, desde un relleno de desperdicio, hasta areniscas parcialmente cementadas o lutitas suaves. Quedan excluidas de la definición las rocas sanas, ígneas o metamórficas y los depósitos sedimentarios altamente cementados, que no se ablanden o desintegren rápidamente por acción de la intemperie.

El suelo se comporta como una estructura más, con unas características físicas propias,

densidad, porosidad, módulo de bajjlasto, talud natural, cohesión y ángulo de fricción interna,

que le confieren ciertas propiedades resistentes ante diversas solicitaciones: compresión,

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7 cizalla, reflejadas en magnitudes como la tensión admisible o lo asientos máximos y diferenciales. (Roldan, 2010)

1.3.2.2. Composición del suelo

Fase sólida; se divide en orgánica e inorgánica:

La inorgánica son los fragmentos de rocas y minerales producto de la meteorización.

Gravas > 2mm y arenas 2mm – 0,02 mm; limos 0,02 – 0,002, arcillas < 0,002.

La orgánica está compuesta por materia orgánica procedente de restos de seres vivos como excrementos, madera…, en mayor o menor grado de descomposición. La materia orgánica retiene más agua, favorece la aireación del suelo al aglutinar partículas minerales haciéndolo más poroso.

Fase líquida; es el agua que lleva en disolución sales minerales y coloides de arcillas y humus. El agua generalmente se encuentra en los poros del suelo de tamaño pequeño o mediano (agua absorbible), si los poros son demasiado pequeños no puede ser absorbida por las raíces (agua retenida que es la que no circula) y si los poros son demasiado grandes tampoco porque se escurre por gravedad (agua de gravitación) para formar parte del agua de acuíferos subterráneos.

Fase gaseosa; es el aire que ocupa los poros de tamaño grande y aquellos en los que el

agua se ha consumido, su composición es similar a la del aire atmosférico, pero con una menor

proporción de O2 (20%) y mucho mayor de CO2 (0,5-1%), debido a la gran actividad biológica

que se desarrolla en el suelo (respiración). La cantidad de CO2 aumenta con la profundidad, la

existencia de materia orgánica y en condiciones óptimas de temperatura y humedad (primavera

y verano). (Universidad de Murcia, 2014)

(19)

8 Figura 2. Composición del suelo

Fuente:(Universidad de Murcia, 2014) 1.3.2.3. Propiedades físicas del suelo

Textura

Es la proporción de las distintas partículas minerales del suelo, clasificadas según su tamaño de grano en tres grupos: arenas, limos y arcillas, es decir, la textura de un suelo se define por las proporciones de arena, limo y arcilla que posee (arenas 2mm – 0,02 mm; limos 0,02 – 0,002, arcillas < 0,002mm). La textura es un factor muy importante en las características del suelo como la permeabilidad, aireación y la capacidad de retención del agua y de nutrientes.

En función del tipo y tamaño de partículas presentes en un suelo, la capacidad de adsorción de moléculas polares e iónicas varía considerablemente. Otros efectos dependientes de la textura son la plasticidad y la cohesión.

Las partículas minerales se clasifican por tamaño en cuatro grupos:

Fragmentos rocosos: diámetro superior a 2 mm, y son piedras, grava y cascajo.

Arena: diámetro entre 0,05 a 2 mm. Puede ser gruesa, fina y muy fina. Los granos de arena son ásperos al tacto y no forman agregados estables, porque conservan su individualidad.

Limo: diámetro entre 0,002 y 0,5 mm. Al tacto es como la harina o el talco, y tiene alta

capacidad de retención de agua.

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9 Arcilla: diámetro inferior a 0,002 mm. Al ser humedecida es plástica y pegajosa; cuando seca forma terrones duros.

Figura 3. Clasificación del suelo según su textura Fuente: (Manual De Carreteras. Seccion 15, Pagina 2) Densidad

Se refiere al peso por volumen del suelo, y está en relación a la porosidad. Un suelo muy poroso será menos denso; un suelo poco poroso será más denso. A mayor contenido de materia orgánica, más poroso y menos denso será el suelo. (Rucks,2004)

Mediante la determinación de la densidad se puede obtener la porosidad total del suelo.

Existen dos tipos de densidad, real y aparente. La densidad real, de las partículas densas del suelo, varía con la proporción de elementos constituyendo el suelo y en general está alrededor de 2,65. Una densidad aparente alta indica un suelo compacto o tenor elevado de partículas granulares como la arena.

Porosidad

El espacio poroso del suelo se refiere al porcentaje del volumen del suelo no ocupado por sólidos. En general el volumen del suelo está constituido por 50% materiales sólidos (45%

minerales y 5% materia orgánica) y 50% de espacio poroso. Dentro del espacio poroso se

pueden distinguir macro poros y micro poros donde agua, aire y gases pueden circular o

(21)

10 retenerse. Los macro poros no retienen agua contra la fuerza de la gravedad, son responsables del drenaje, aireación del suelo. (Portal de Suelos de la FAO, 2019)

Figura 4. Porosidad del suelo

Fuente: (Principios y Fundamentos de la Hidrología Superficial) Consistencia

Consistencia del suelo es usualmente definida como el término que designa las manifestaciones de las fuerzas físicas de cohesión y adhesión, actuando dentro del suelo a varios contenidos de humedad. Estas manifestaciones incluyen:

a) El comportamiento con respecto a la gravedad, presión y tensión.

b) La tendencia de la masa del suelo de adhesión a cuerpos extraños o sustancias.

Esta definición implica que el concepto de consistencia del suelo incluye algunas propiedades del suelo, como resistencia a la compresión, friabilidad, plasticidad, viscosidad.

Al observador de campo estas propiedades son expresadas a través de los sentidos.

Observaciones de campo e investigaciones experimentales indican que la consistencia del suelo varía con textura, materia orgánica, el total de materia coloidal, estructura (en cierto grado) y contenido de humedad. Atteberg describió los cambios en consistencia de una masa de suelo.

Estructura del suelo

Es la forma en que las partículas del suelo se reúnen para formar agregados. De acuerdo

a esta característica se distinguen suelos de estructura esferoidal (agregados redondeados),

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11 laminar (agregados en láminas), prismática (en forma de prisma), blocosa (en bloques), y granular (en granos).

El arreglo de las partículas del suelo se debe entender por partículas, no solo las que fueron definidas como fracciones granulométricas (arena, arcilla y limo), sino también los agregados o elementos estructurales que se forman por la agregación de las fracciones granulométricas. Por lo tanto, «partícula» designa a toda unidad componente del suelo, ya sea primaria (arena, limo, arcilla) o secundaria (agregado o unidad estructural).

El arreglo entre las partículas del suelo, la estructura, determina el espacio entre las mismas, que son predominantemente macroporosos. Según el nivel de observación, se puede hablar de macroestructura o microestructura. La macroestructura, es el arreglo de las partículas secundarias y primarias visibles a simple vista. La microestructura es el arreglo de las partículas primarias para formar las secundarias; de ella depende en alto grado la macroestructura. En la microestructura, se observa que los componentes coloidales del suelo (plasma) actúan como cemento de los granos más gruesos (esqueleto). (Rucks, 2004)

Figura 5. Componentes de la estructura del suelo.

Fuente: (Lozano, 2014)

(23)

12 1.3.2.4. Tipos de suelo

Suelos granulares

Este tipo de suelos está formado por partículas agregadas y sin cohesión entre ellas dado el gran tamaño de las mismas. Su origen obedece fundamentalmente a procesos de meteorización física: lajamiento, termoclástia, hialoclástia o fenómenos de hidratación física.

Las características principales de este tipo de suelos son su buena capacidad portante y su elevada permeabilidad, lo que permite una rápida evacuación del agua en presencia de cargas externas. Esta capacidad de drenaje es proporcional al tamaño de las partículas, o, dicho de otro modo, al volumen de vacíos o porosidad del suelo. Es destacable que, para un determinado grado de humedad, las partículas más finas presentan una cohesión aparente que desaparece al variar el contenido de agua.

Dentro de esta clase de suelos se distinguen dos grandes grupos: el de las gravas y el de las arenas. El límite entre ambos grupos viene dado por su granulometría, ya que se considera arena la fracción de suelo de tamaño comprendida entre 2 mm y 0.05 mm, según las normas AASTHO; y entre 4.75 mm a 0.075 mm, según el sistema unificado SUCS. Dentro de esta clasificación pueden establecerse otras subdivisiones.

Las características mecánicas y resistentes de los suelos granularen vienen en un alto porcentaje determinadas por el ángulo de fricción interna.

Gravas

Las gravas son acumulaciones sueltas de fragmentos de rocas y que tienen más de 2

milímetros de diámetro, según las normas AASHTO; y de 4.7 milímetros de diámetro, según

el sistema unificado SUCS. Dado el origen, cuando son acarreadas por las aguas, las gravas

sufren desgaste en sus aristas y son, por lo tanto, redondeadas. Como material suelto suele

encontrársele en los lechos, en los márgenes y en los conos de deyección de los ríos, también

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13 en muchas depresiones de terrenos rellenados por el acarreo de los ríos y en muchos otros lugares a los cuales las gravas han sido transportadas.

Figura 6. Gravas.

Fuente: (Ruano, 2012) Arenas

La arena es el nombre que se le da a los materiales de granos finos procedentes de la denudación de las rocas o de su trituración artificial, y cuyas partículas varían entre 2 mm y 0.05 mm para las normas AASHTO y entre 4.75 mm y 0.075 mm para el sistema unificado SUCS de diámetro.

El origen y la existencia de las arenas son análogas a las de gravas: las dos suelen encontrarse juntas en el mismo depósito. La arena de río contiene muy a menudo proporciones relativamente grandes de grava y arcillas. Las arenas estando limpias no se contraen al secarse, no son plásticas, son menos compresibles que la arcilla y si se aplica una carga en su superficie, se comprimen casi de manera instantánea.

Figura 7. Arena.

Fuente: (Ruano, 2012)

(25)

14 Suelos cohesivos

A diferencia de los suelos granulares, esta categoría de suelos se caracteriza por un tamaño más fino de sus partículas constituyentes (inferior a 0.08 mm, según el sistema unificado SUCS), lo que les confiere unas propiedades de superficie ciertamente importantes.

Esto se debe a que la superficie específica (relación entre la superficie y el volumen de un cuerpo) de dichas partículas es más que considerable.

La cohesión es la principal propiedad desde el punto de vista mecánico de este tipo de suelos; se define como la fuerza interparticular producida por el agua de constitución del suelo, siempre y cuando no esté saturado. La cohesión es importante desde el punto de vista de la estabilidad de taludes, ya que aumenta la resistencia de un suelo frente a esfuerzos cortantes o de cizalla. (Roldan, 2010)

Limos

Los limos son suelos de granos finos con poca o ninguna plasticidad, pueden ser limo inorgánico como el producido en canteras, o limo orgánico como el que suele encontrarse en los ríos, este último tiene características plásticas. El diámetro de las partículas de los limos está comprendido entre 0.05 mm y 0.002 mm de acuerdo con las normas AASHTO y en partículas menores a 0.075 mm según el sistema unificado SUCS. Los limos sueltos y saturados son completamente inadecuados para soportar cargas por medio de zapatas.

Su color varía desde gris claro a muy oscuro. La permeabilidad de los limos orgánicos

es muy baja y su compresibilidad muy alta. Los limos, de no encontrarse en estado denso, a

menudo son considerados como suelos pobres para cimentar.

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15 Figura 8. Suelo limoso natural.

Fuente: (Ruano, 2012) Arcillas

Se da el nombre de arcilla a las partículas sólidas con diámetro menor de 0.002 mm según las normas AASHTO y cuya masa tiene la propiedad d volverse plástica al ser mezclada con agua. Químicamente es un silicato de alúmina hidratada, aunque en ocasiones contiene también silicatos de hierro o de magnesio hidratados.

Figura 9. Diferentes tipos de arcillas.

Fuente: (Garcia, 2016)

(27)

16 1.3.2.5. Clasificación de los suelos SUCS

Este sistema fue propuesto por Arturo Casagrande como una modificación y adaptación más general a su sistema de clasificación propuesto en el año 1942 para aeropuertos.

Esta clasificación divide los suelos en:

• Suelos de grano grueso

• Suelos de grano fino

• Suelos orgánicos

Los suelos de granos grueso y fino se distinguen mediante el tamizado del material por el tamiz Nº 200.

Los suelos gruesos corresponden a los retenidos en dicho tamiz y finos a los que pasan, de esta manera forma se considera que un suelo es grueso si más del 50% de las partículas son menores que dicho tamiz.

Los suelos se designan por símbolos de grupo. El símbolo de cada grupo consta de un prefijo y un sufijo. Los prefijos son las iniciales de los nombres en ingles de los seis principales tipos de suelos (grava, arena, limo, arcilla, suelos orgánicos de grano fino y turbas), mientras que los sufijos indican subdivisiones en dichos grupos.

Suelos gruesos: Se dividen en gravas y arena, y se separan con el tamiz Nº 4, de manera que un suelo pertenece al grupo de grava si más del 50% retiene el tamiz Nº 4 y pertenecerá al grupo arena en caso contrario.

Suelos finos: también conocido como suelo dispersivo. El sistema unificado considera

los suelos finos divididos entre grupos: limos inorgánicos (M), arcillas inorgánicas (C) y limos

y arcillas orgánicas (O). Cada uno de estos suelos se subdivide a su vez según su límite líquido,

en dos grupos cuya frontera es LI=50%. Si el límite liquido del suelo es menor de 50% se añade

al símbolo general la letra L (low comprensibility). Si es mayor de 50 se añade la letra H (hig

comprensibility). Obteniéndose de este modo los siguientes tipos de suelos:

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• ML: Limos inorgánicos de baja compresibilidad

• CL: Arcillas inorgánicas de baja compresibilidad

• MH: Limos inorgánicos de alta compresibilidad.

• CH: Arcillas inorgánicas de alta compresibilidad

• OL: Arcillas y limos orgánicas de baja comprensibilidad

• OH: Arcillas y limos orgánicos de alta compresibilidad (Roldan, 2010).

1.3.2.6. Clasificación de la AASHTO

La American Associattion of State Highway Officials adoptó este sistema de clasificación de suelos (AASHTO M 145), tras varias revisiones del sistema adoptado por el Bureau of Public Roads de Estados Unidos, en el que los suelos se agrupan en función de su comportamiento como capa de soporte o asiento del firme. Es el sistema más utilizado en la clasificación de suelos en carreteras.

En esta clasificación los suelos se clasifican en siete grupos (A-1, A-2…, A-7), según su granulometría y plasticidad. Más concretamente, en función del porcentaje que pasa por los tamices nº 200, 40 y 10, y de los Límites de Atterberg de la fracción que pasa por el tamiz nº 40. Estos siete grupos se corresponden a dos grandes categorías de suelos, suelos granulares (con no más del 35% que pasa por el tamiz nº 200) y suelos limo-arcillosos (más del 35% que pasa por el tamiz nº 200).

La categoría de los suelos granulares; gravas, arenas y zahorras; está compuesta por

los grupos A-1, A-2 y A-3, y su comportamiento en explanadas es, en general, de bueno a

excelente, salvo los subgrupos A-2-6 y A-2-7, que se comportan como los suelos arcillosos

debido a la alta plasticidad de los finos que contiene, siempre que el porcentaje de estos supere

el 15%. Los grupos incluidos por los suelos granulares son los siguientes:

(29)

18

• A-1: Corresponde a una mezcla bien graduada de gravas, arenas (gruesa y fina) y finos no plásticos o muy plásticos. También se incluyen en este grupo las mezclas bien graduadas de gravas y arenas sin finos.

• A-1-a: Incluye los suelos con predominio de gravas, con o sin material fino bien graduado

• A-1-b: Incluye suelos constituidos principalmente por arenas gruesas, con o sin material fino bien graduado.

• A-3: Corresponde, típicamente, a suelos constituidos por arena fina de playa o de duna, de origen eólico, sin finos limosos o arcillosos o con una pequeña cantidad de limo no plástico. También incluyen este grupo, los depósitos fluviales de arena fina mal graduada con pequeñas cantidades de arena gruesa o grava.

• A-2: Este grupo comprende a todos los suelos que contienen un 35% o menos de material que pasa por el tamiz nº 200 y que no pueden ser clasificados en los grupos A-1 y A-3, debido a que el porcentaje de finos o la plasticidad de estos (o ambas cosas) están por encima de los límites fijados para dichos grupos. Por todo esto, este grupo contiene una gran variedad de suelos granulares que estarán entre los correspondientes a los grupos A-1 y A-3 y a los grupos A-4, A-5, A-6 y A-7.

• A-2-4 y A-2-5: En estos subgrupos se incluyen los suelos que contienen un 35%

o menos de material que pasa por el tamiz nº 200 y cuya fracción que pasa por el tamiz nº 40

tiene las características de los grupos A-4 y A-5, de suelos limosos. En estos subgrupos están

incluidos los suelos compuestos por grava y arena gruesa con contenidos de limo o índices de

plasticidad por encima de las limitaciones del grupo A-1, y los suelos compuestos por arena

fina con una proporción de limo no plástico que excede la limitación del grupo A-3.

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• A-2-6 y A-2-7: En estos subgrupos se incluyen suelos como los descritos para en los subgrupos A-2-4 y A-2-5, excepto que los finos contienen arcilla plástica con tienen las características de los grupos A-6 y A-7.

La categoría de los suelos limo-arcillosos está compuesta por los grupos A-4, A-5, A- 6 y A-7, cuyo comportamiento en explanadas ve de regular a malo. En esta categoría los suelos se clasifican en los distintos grupos atendiendo únicamente a su límite líquido y a su índice de plasticidad, según las zonas del siguiente gráfico de plasticidad. De esta forma se clasifican también los suelos del grupo A-2 en los distintos grupos.

Los grupos incluidos en los suelos granulares son los siguientes:

• A-4: El suelo típico de este grupo es un suelo limoso no plástico o moderadamente plástico, que normalmente tiene un 75% o más de material que pasa por el tamiz Nº 200. También se incluyen en este grupo los suelos constituidos por mezclas de suelo fino limosos y hasta un 64% de gravas y arenas.

• A-5: El suelo típico de este grupo es similar al descrito en el grupo A-4, salvo que suele tener carácter diatomáceo o micáceo, y pueden ser muy compresibles, como indica su elevado límite líquido.

• A-6: El suelo típico de este grupo es un suelo arcilloso plástico, que normalmente tiene un 75% o más de material que pasa por el tamiz Nº 200. También se incluyen en este grupo las mezclas de suelo fino arcilloso y hasta un 64% de gravas y arenas.

• A-7: El suelo típico de este grupo es similar al descrito en el grupo A-6, salvo que tiene las características de elevado límite líquido del grupo A-5, y puede ser elástico y estar sujeto a grandes cambios de volumen.

• A-7-5: Se incluyen en este subgrupo los suelos con un índice de plasticidad

moderado en relación con el límite líquido y que pueden ser altamente compresibles, además

de estar sujetos a importantes cambios de volumen.

(31)

20

• A-7-6: Se incluyen en este subgrupo los suelos con un índice de plasticidad elevado en relación con el límite líquido y que están sujetos a cambios de volumen muy importantes. (Fernández, 2018)

Tabla 1

Clasificación según AASHTO

Fuente: (Fernández, 2018) 1.3.3. Tubificación o Sufusión

La tubificación es un problema de erosión que empieza por la remoción bajo un gradiente hidráulico de las partículas más pequeñas de suelo que no están confinados, cuando la carga hidráulica se lleva estas partículas, le es más fácil llevarse las de siguiente tamaño mayor y de esa manera se va generando un “tubo” en el suelo desde la superficie hacia el interior.

Este tipo de erosión se produce fundamentalmente en suelos incoherentes que tienen

muy poca resistencia a las fuerzas de filtración. Los suelos arcillosos gracias a su cohesión

tienen mayor resistencia a tubificar, salvo las arcillas dispersivas. (López B & Torcal S, 2013)

Referencias

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