Orígen, estructura y comportamiento de los suelos parcialmente saturados ante situaciones de carga y flujo de agua y aire

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(1)2002-II-IC-10. ORIGEN, ESTRUCTURA Y COMPORTAMIENTO DE LOS SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS ANTE SITUACIONES DE CARGA, Y FLUJO DE AGUA Y AIRE. NICOLÁS ESTRADA MEJÍA. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL SANTAFÉ DE BOGOTÁ, D.C., DICIEMBRE DE 2002.

(2) 2002-II-IC-10. ÍNDICE DE CONTENIDO. Introducción Objetivos generales Objetivos específicos 1. Origen composición y estructura de los suelos no saturados. 1. 1.1. Introducción de una cuarta fase en los suelos parcialmente saturados 2 1.2. Origen de los suelos parcialmente saturados. 3. 2. Características fisico-químicas de los minerales arcillosos. 8. 3. Succión. 15. 3.1. Tensión superficial. 16. 3.2. Capilaridad y ascenso del agua en tubos capilares. 18. 3.3. Succión en suelos saturados y parcialmente saturados. 22. 3.4. Presión parcial de vapor y presión parcial de vapor de saturación. 25. 3.5. Succión, presiones de vapor de agua y humedades relativas. 28. 3.6. Valores típicos de succión. 32. 4. Fenómenos de colapso e hinchamiento. 35. 4.1. Fenómenos de colapso. 35. 4.2. fenómenos de hinchamiento. 37. 4.3. Medición de la expansividad en un suelo. 43. 5. Comportamiento de los suelos parcialmente saturados ante situaciones de carga. 46. 5.1. Tensiones efectivas. 47. 5.2. Tensiones significativas. 53. 5.3. Resistencia al corte de los suelos parcialmente saturados. 57. 5.3.1. Ecuaciones de resistencia al corte. 57. 5.3.2. Envolvente de falla de Mohr-Coulomb extendida a suelos parcialmente saturados 5.3.3. Valores experimentales 5.3.4. No-linealidad de la envolvente de falla de Mohr-. 59 66.

(3) 2002-II-IC-10. Coulomb para suelos parcialmente saturados 6. Métodos de medida y aplicación de succión. 65 67. 6.1. Métodos de medida de succión. 68. 6.1.1. Tensiómetros. 68. 6.1.2. Papel de filtro. 68. 6.1.3. Psicrómetros. 70. 6.1.4. Célula de yeso. 71. 6.1.5. Conductividad térmica. 72. 6.2. Métodos de aplicación de succión. 73. 6.2.1. Placa de succión. 73. 6.2.2. Membrana de presión. 73. 6.2.3. Control de presión de vapor. 74. 6.2.4. Presión osmótica. 75. 6.3. Diferencias entre métodos. 75. 7. Flujo de agua y aire en suelos saturados y parcialmente saturados. 77. 7.1. Permeabilidad del agua. 77. 7.1.1. Relaciones entre la permeabilidad al agua y el grado de saturación. 78. 7.1.2. Relaciones entre la permeabilidad al agua y la succión matricial. 83. 7.1.3. Relaciones entre la permeabilidad al agua y el contenido de humedad. 83. 7.1.4. Histéresis en las funciones de permeabilidad al agua 7.2. Permeabilidad al aire. 86 86. 7.2.1. Relaciones entre la permeabilidad al aire y el grado de saturación. 87. 7.2.2. Relaciones entre la permeabilidad al aire y la succión matricial. 87. 7.3. Flujo de agua en suelos parcialmente saturados. 89.

(4) 2002-II-IC-10. 7.3.1. Ley de Darcy para el agua 7.4. Flujo de aire en suelos parcialmente saturados 7.4.1. Ley de Darcy para el aire 8. Flujo estacionario de agua y aire en suelos parcialmente saturados 8.1. Flujo estacionario de agua. 92 93 95 95. 8.1.1. Flujo estacionario de agua unidimensional. 97. 8.1.2. Flujo estacionario de agua bidimensional. 101. 8.2. Flujo estacionario de aire Conclusiones. 91. 105 107.

(5) 2002-II-IC-10. INTRODUCCIÓN. “Understanding the behaviour of unsaturated soils has now reached a stage where they should be considered the general case in geotechnical engineering, with saturated soils being a special, simpler subset.” [2] pg. 1. El entendimiento del comportamiento de los suelos en los estados en los que normalmente son encontrados en la naturaleza constituye un campo de gran interés para la ingeniería, la geología, la agronomía y algunas otras áreas que tienen que ver de alguna forma con dicho material. Esto ha llevado a una inmensa cantidad de investigadores a tratar de formular teorías y modelos que puedan representar lo más fielmente posible la respuesta de los suelos ante situaciones como la carga, descarga, falla, flujo de agua u otros líquidos y muchas otras de especial interés para la comunidad ingenieril.. Las investigaciones en suelos en la mayoría de los casos, se encuentran soportadas por trabajos experimentales que dan soporte a las teorías existentes o recientemente formuladas. En el campo de la mecánica de suelos se ha logrado reproducir bastante bien la forma como se comportan ciertos suelos bajo condiciones de total saturación, constituyendo una base experimental y teórica que, aunque cambiante, se presenta bastante sólida, convirtiéndose en una herramienta indispensable para casi todas las ramas de la ingeniería. Estos avances a su vez han despertado el interés de la comunidad científica e ingenieril por estudiar el comportamiento de tan importante material bajo otras condiciones como la no-saturación, en la cual la modelación se torna mucho más complicada y la experimentación mucho más costosa. Sin embargo a pesar de dichos inconvenientes la investigación de los suelos no saturados es cada vez más fuerte, respaldándose en la necesidad de entender y poder modelar de forma sistemática y.

(6) 2002-II-IC-10. lo más general posible este material, sabiendo que la condición de no-saturación está presente en la mayoría de los escenarios de interés para la geotecnia.. Aunque la mecánica de suelos saturados arroja resultados bastante útiles, una comprensión más detallada de las condiciones reales del suelo sería invaluable para poder elaborar diseños más precisos reduciendo de forma significativa el grado de incertidumbre, en resistencia, deformabilidad, costos, etc., que se tiene normalmente en los trabajos geotécnicos. Reduciendo el grado de incertidumbre se reducirá también el tan usado factor de seguridad, directamente proporcional al costo de las estructuras. De esta forma se podrán tratar con mayor exactitud problemas en los que la precisión de los resultados es vital, como situaciones de falla en las que se vean involucradas vidas humanas y problemas de flujo y transporte de agua y contaminantes a través del suelo.. En este proyecto de grado se tratará de explicar lo mas claramente posible algunos de los aspectos más relevantes en lo concerniente a los suelos no saturados como su origen, estructura, composición, comportamiento ante situaciones de carga, flujo de agua y aire, y técnicas experimentales utilizadas para la medición de la succión en el suelo. Para ello se llevara a cavo una detallada revisión bibliográfica de las publicaciones referentes al tema, que se concentrará especialmente en los estudios disponibles del profesor Eduardo Alonso de la Universidad Politécnica de Cataluña y algunas de las publicaciones de los profesores D. G. Fredlund y H. Rahardjo..

(7) 2002-II-IC-10. OBJETIVOS GENERALES. • Basándose en una revisión bibliográfica detallada, explicar lo más claramente posible algunos aspectos que el autor de este trabajo de grado considera de vital importancia para iniciarse en el estudio de la mecánica de suelos no saturados. • Redactar un documento que sirva como apoyo para la posible elaboración de un curso sobre mecánica de suelos parcialmente saturados. • Despertar el interés por la elaboración de trabajos de grado referentes a este tema de gran importancia en el ámbito mundial y que abre las puertas a la elaboración de nuevos trabajos de investigación de gran relevancia y alcance..

(8) 2002-II-IC-10. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. • Explicar detallada y claramente algunos aspectos concernientes a los suelos no saturados como lo son su origen, estructura, aplicacio nes e importancia de su estudio, tanto para la ingeniería como para otras áreas que tienen contacto directo con los suelos como la agronomía y la hidrología. • Explicar algunos aspectos referentes a la mineralogía de las arcillas así como los comportamientos especiales que su composición y estructura les confieren. • Describir fenómenos presentes en los suelos no saturados como la succión, el colapso, el hinchamiento y otras situaciones cruciales en el comportamiento de estos suelos ante las situaciones a que son sometidos. • Entender y explicar el comportamiento de los suelos ante la aplicación de cargas cuando se tienen condiciones de parcial saturación. • Hacer una descripción de las técnicas experimentales normalmente usadas en el estudio de los suelos no saturados. • Entender y explicar el fenómeno de flujo de agua y aire a través de matrices de suelo no saturado..

(9) 2002-II-IC-10. 1. 1. ORIGEN COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA DE LOS SUELOS NO SATURADOS. Los suelos no saturados pueden ser el resultado de procesos naturales o artificiales en los que el suelo por la forma en la que se formó o se depositó dejo atrapada dentro de si cierta cantidad de aire o algún tipo de gas. También es posible encontrar suelos en los que esa cantidad de aire presente en su composición se ha adquirido mediante procesos de secado y se presenta variable dependiendo de las características hidrológicas a las que se encuentre expuesto, ver fig. 1.1. Esta fase gaseosa comúnmente encontrada en las matrices de suelo, no exclusivamente en las que se encuentran cerca de la superficie del terreno, confiere a estos medios parcialmente saturados comportamientos especiales que en algunos casos llegan a ser bastante alejados de los encontrados en los suelos saturados. REF [2]. Muestra Parcialmente Saturada. Muestra Saturada. Suelo Agua Aire. Figura 1.1, Componentes de una muestra parcialmente saturada y saturada de agua..

(10) 2002-II-IC-10. 1.1. INTRODUCCIÓN. 2. DE. UNA. CUARTA. FASE. EN. LOS. SUELOS. PARCIALMENTE SATURADOS. Cuando se piensa en estudiar un suelo es importante establecer el número de fases que lo componen. Esta importancia se debe a que el número de fases que están interactuando determinaran el número de variables de estado o variables no materiales que definirán el estado tensional del suelo como se explicará más adelante, REF [9] pg. 14. Estrictamente hablando un elemento de suelo parcialmente saturado está compuesto por tres fases, la fase sólida (partículas minerales), el agua y el aire. La introducción de una supuesta membrana contractil en el menisco, aunque basada en una falsa imagen física, resulta ser de gran utilidad para el entendimiento de la succión y los efectos que esta tiene en este tipo de suelos.. Puede hablarse de una fase independiente cuando se cumplen las dos siguientes condiciones:. 1- Cuenta con propiedades diferentes a las de los materiales adyacentes. 2- Puede distinguirse una frontera que delimita el espacio ocupado por dicha fase.. De esta forma es posible identificar tres fases en los suelos parcialmente saturados, las partículas sólidas, el agua y el aire. Puede también definirse una cuarta fase, siendo esta la membrana contractil existente en la interfase agua-aire. Se ha demostrado que la membrana contractil como tal no existe pero que sin embargo el estudio de la interfase agua-aire usando la supuesta existencia de esta cuarta fase arroja resultados exactos y su consideración hace mucho más sencilla la formulación de las posibles variables tensionales y sus relaciones con la deformación. Es por esta razón que es común encontrar documentos en los que se hable con propiedad de la cuarta fase del suelo no saturado, siendo esta la supuesta membrana contractil producida por las fuerzas de tensión superficial, ver fig. 1.2..

(11) 2002-II-IC-10. 3. Suelo. Agua Membrana contractil Aire. figura 1.2, descomposición de un elemento de suelo parcialmente saturado en cuatro fases.. 1.2. ORIGEN DE LOS SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. Dentro de los suelos no saturados pueden distinguirse dos grandes grupos, los suelos naturales y los suelos artificiales. Los suelos naturales pueden ser clasificados en suelos de tipo sedimentario y de origen residual, y los artificiales en suelos compactados y no compactados. En cualquiera de estas clases la forma en la que el depósito fue creado tiene gran influencia sobre la estructura de la matriz y por ende sobre la distribución y el tamaño de los poros que alojan o alojarán la fase gaseosa tras los procesos de desecación correspondientes. REF [2]. Los suelos sedimentarios transportados son el resultado de la meteorización de las rocas y el posterior transporte de los materiales meteorizados. Dicho transporte puede darse por varias causas como pueden ser las acciones fluviales, eólicas o glaciales. En el caso del transporte fluvial lacustre o glacial, los suelos depositados suelen encontrarse en estados de total saturación en el momento de la formación del.

(12) 2002-II-IC-10. 4. depósito, pero cuando se encuentran expuestos a procesos de secado, gran parte del agua que alojan puede llegar a ser evaporada, haciendo que el aire presente en la atmósfera ocupe los espacios que quedaron libres. En el caso de los depósitos eólicos, las características del transporte son las causantes de la formación de estructuras a menudo bastante sueltas, con una considerable cantidad de vacíos, haciendo que los suelos formados por este medio sean propensos a alcanzar condiciones de parcial saturación cuando se ven afectados por procesos de precipitación o altas humedades atmosféricas. REF [2].. Los suelos residuales son los depósitos de roca meteorizada o suelos en formación que aún se encuentran en su lugar de origen. Ejemplos de suelos residuales son los depósitos de suelo que se encuentran cubriendo rocas en procesos de exfoliación o congelamiento.. Los suelos artificiales por otra parte son especialmente propensos a presentar condiciones de parcial saturación gracias a la alteración y el remoldeo del material. En los compactados y con mayor razón en los no compactados, la cantidad de aire introducida en los procesos de manipulación del material es considerable y muy difícil de extraer por completo, haciendo casi en la totalidad de los casos se trabaje con condiciones de parcial saturación. Estos suelos han sido objeto de muchas investigaciones con respecto a su comportamiento mecánico y características de compactación. Este interés se le ha dado a los suelos artificiales gracias a su común utilización en los trabajos de construcción, como terraplenes, vías, rellenos, etc.. En síntesis el origen de los suelos no saturados puede resumirse como se muestra en la tabla 1.1..

(13) 2002-II-IC-10. 5. SUELOS NO SATURADOS. Suelos Naturales. Suelos artificiales. Suelos Sedimentarios Suelos Residual Suelos Compactados Suelos no Compactados -Medios acuosos -Medios aéreos -Medios glaciales. Tabla 1.1, Clasificación de los suelos Parcialmente saturados.. La estructura de los depósitos de suelos parcialmente saturados depende enormemente de la cantidad y el tipo de materiales que los conforman pues son estas características determinantes en el tamaño, la forma y la distribución de los poros. Cuando un suelo tiene un alto porcentaje de finos, este material tiende a ocupar los espacios que resultan entre las partículas de mayor tamaño, esto hace que se descarte la posibilidad de tener burbujas grandes de aire y hace mucho más difícil el transporte de gas o agua en el medio volviéndolo menos permeable. Es por esto que un estrato de suelo de arena limpia siempre será más permeable que unos de arena que contenga una fracción de finos significativa. Siendo también el estrato de arena limpia mucho mas propenso a alcanzar condiciones de parcial saturación rápidamente, pero también a perderlas en poco tiempo.. Normalmente se observan en los suelos parcialmente saturados varios tipos de poros, que a grandes rasgos podrían clasificarse como microporos y macroporos. Se llama microporos a aquellos espacios libres de suelo que alojan las partículas de agregado.

(14) 2002-II-IC-10. 6. entre sí, por ejemplo el espacio entre dos láminas de arcilla. El tamaño de los microporos depende evidentemente del tamaño de las partículas más pequeñas que componga la mezcla de suelo. Las partículas normalmente tienden a agruparse, formando grumos por medio de puentes cementantes o agua capilar y dando origen a otro tipo de poros de mucho mayor tamaño llamados macroporos. Los macroporos hacen posible la existencia de fenómenos como el colapso que se explicará más adelante. La distribución de los poros puede variar enormemente y es decisiva en el comportamiento de la matriz de suelo, tanto en lo que respecta a su respuesta mecánica como a su permeabilidad al agua o al aire. Varios tipos de configuraciones, en las que varía la composición del medio, se muestran en la figura 1.3.. Partículas de Arena Partículas de Arcilla Aire. Figura 1.3, distribución de poros (Macroporos y Microporos), en tres suelos de diferente composición.. Cuando se tienen regímenes hidrológicos variables, pueden llegar a encontrarse suelos en estados de parcial saturación sin importar cual sea su composición..

(15) 2002-II-IC-10. 7. Existiendo por esta razón materiales granulares, limosos, arcillosos etc. en grados de saturación inferiores al 100% y superiores a la condición seca. El grupo de suelos en el que se presenta mayor variabilidad en cuanto a comportamiento y por consiguiente cuya modelación y entendimiento se vuelve más complicado, es obviamente el grupo de los minerales arcillosos. Las características físicas y químicas de las arcillas les confieren propiedades especiales, en especial en lo que se refiere a su interacción con los medios acuosos, razón por la cual dichas propiedades entran a ser determinantes en el estudio de los suelos parcialmente saturados. En cuanto a las arenas y gravas, su tamaño considerablemente mayor al de las arcillas, hace que las fuerzas químicas de superficie no sean tan determinantes en el comportamiento de la matriz de suelo, al interactuar con el agua o cualquier otro líquido. Por esta razón se dedicó el siguiente capítulo a explicar de forma general y clara algunas de las características que hacen posible el especial comportamiento de las arcillas..

(16) 2002-II-IC-10. 8. 2. CARACTERÍSTICAS FISICO-QUÍMICAS DE LOS MINERALES ARCILLOSOS. Normalmente se llaman minerales arcillosos a las partículas de suelo de tamaño menor a dos micras, formadas por la meteorización química de las rocas. En la actualidad gracias a la investigación de dichos minerales usando rayos X y microscopios electrónicos sabemos que las arcillas son la mezcla de especies minerales claras como sílice, aluminio, hierro, magnesio, etc. en su mayoría, y en una menor proporción geles amorfos de sílice y sesquióxidos que con el tiempo pueden llegar a alcanzar estados cristalinos, pero cuya presencia contribuye enormemente a la considerable variabilidad de los suelos compuestos por minerales con esta composición química. REF [7] pgs. 84 y 85. Los silicatos de aluminio, hierro, magnesio, etc., de los que se componen las arcillas, tienen dos sistemas principales de cristalización, siendo estos el tetraédrico y el octaédrico. Ejemplos de estas estructuras cristalinas son el tetraedro formado al rededor de un átomo de silicio y los octaedros formados al rededor de átomos de aluminio, hierro o magnesio, ver fig. 2.1. REF [7] pg. 85. Los cristales formados se agrupan formando capas y haciendo que las partículas de arcilla tengan estructuras químicas bastante ordenadas y a la vez desbalances zonales eléctricos en su superficie y bordes, aún cuando la partícula completa se encuentre balanceada. REF [7] pg. 85. Las capas formadas por la unión de cristales también se agrupan formando minerales (partículas) de capas dobles y triples, con comportamientos variables debidos a las distintas combinaciones que pueden lograrse entre capas de cristales, y de los cationes.

(17) 2002-II-IC-10. 9. o aniones que contengan los cristales. El hecho de que las capas de cristales se encuentren formadas por tetraedros u octaedros termina siendo el responsable de la forma de la partícula de arcilla, tendiendo normalmente las capas tetraédricas a curvar la placa agrupando los cristales en una estructura mas compacta.. Atomos de Silicio (Si) Atomos de Oxígeno (O). Atomos de Aluminio (Al) Atomos de Oxígeno (O). Figura 2.1 Cristales tetraédrico y octaédrico formados al rededor de átomos de silicio y aluminio respectivamente.. Como se mencionó anteriormente, la distribución de los átomos en la partícula hace posible la existencia de un desbalance zonal eléctrico negativo en la superficie de la.

(18) 2002-II-IC-10. 10. misma. Este desbalance tiende a neutralizarse ya sea con agua o con los cationes que se encuentren disueltos en la fase líquida del medio. Un ejemplo típico de una arcilla de capa triple en la que el desbalance se debe a los oxígenos ubicados en los extremos de la estructura ordenada, es la pirofilita con fórmula química (Si8Al4OH4O20), ver fig 2.2. La neutralización del desbalance se alcanza en el momento en el que se logre un equilibrio entre las fuerzas de atracción que se crean entre la partícula y los cationes que se encuentren neutralizando la carga y las fuerzas de repulsión existentes entre partículas, representada por la ecuación 2.1, esto por tener ambas cargas negativas en su superficie. REF [8] pg. 10. F=. 1 qq ' 4πε0 d 2. (2.1). En donde : F : Fuerza de repulsión. ε 0 : Constante de permitividad. q : Carga de una de las partículas. q' : Carga de la otra partícula. d : Distancia entre partículas..

(19) 2002-II-IC-10. 11. 6-O -12 4-Si +16 4-O -10 2-OH 4-Al +12 2-OH 4-O -10 4-Si +16 6-O -12. Figura 2.2 Placa de Pirofilita, REF [8] pg. 9. Un aspecto importante a tener en cuenta cuando se estudian los mecanismos de neutralización de los desbalances eléctricos en la superficie de las partículas de arcilla, es el potencial de hidratación de los cationes. El potencial de hidratación podría entenderse como la capacidad del catión de recibir y enlazar iones hidroxilo que terminan estabilizando el proceso de neutralización. Algunos cationes con bajo potencial de hidratación como el potasio, (K), pueden neutralizar la carga sin la necesidad de la inclusión de iones hidroxilo. En otros como el sodio, (Na), con alto potencial de hidratación, el equilibrio se alcanza con la inclusión de dos iones hidroxilo por cada átomo de sodio. Cationes como el litio, (Li), con muy altos potenciales de hidratación, alcanzan el equilibrio enlazando cuatro iones hidroxilo por cada átomo de litio. Entre mayor sea el potencial de hidratación de los cationes neutralizadores y por consiguiente mayor la cantidad de agua necesaria para alcanzar el equilibrio entre placas, mayor será el potencial expansivo de la arcilla. Lo anterior explica el alto potencial expansivo de la montmorillonita lítica y el bajo potencial expansivo de la montmorillonita potásica, ver fig 2.3. REF [8] pg. 10. Además del desbalance zonal eléctrico que se produce en la superficie de las partículas de arcilla, debido únicamente a su composición y ordenamiento, también.

(20) 2002-II-IC-10. 12. pueden encontrarse desbalances eléctricos en los bordes, en las partículas fracturadas y en aquellas que por alguna razón han sustituido elementos por otros en su red cristalina básica. Estos desbalances hacen que la partícula tenga afinidad por cationes o aniones presentes en el medio que se acercan y unen a las partículas con enlaces relativamente débiles. La atracción por parte de las partículas arcillosas hacia las moléculas de agua y otros elementos químicos disueltos en esta, (especialmente cationes), altera por sus necesidades de neutralización la tendencia natural de los cationes a disolverse uniformemente en todo el volumen del soluto. Por esta razón la concentración de cationes es generalmente alta en la cercanía de la partícula cargada negativamente y disminuye gradualmente al alejarse de la partícula. De esta forma se tiene una cantidad de agua adherida por atracción eléctrica a la partícula, esta capa de agua es normalmente llamada capa difusa puesto que no se conoce su espesor exactamente, dependiendo este del tipo de arcilla así como de los cationes que se encuentren libres en el agua, ver fig. 2.4. REF [7] pgs. 96 y 97. K. Na.

(21) 2002-II-IC-10. 13. Li. Hidroxilos (OH). Figura 2.3 Neutralización del desbalance zonal eléctrico con cationes de diferentes potenciales de hidratación, REF [8] pg. 10.. Cationes. Aniones. Figura 2.4, Distribución de los cationes en la cercanía a la superficie de la partícula arcillosa, REF [7] pg 97. Las. características. físico-químicas. de. los. minerales. arcillosos. descritas. anteriormente, les confieren comportamientos especiales y a menudo diferentes a los.

(22) 2002-II-IC-10. 14. observados en otros tipos de suelos como gravas y arenas, aunque es posible profundizar mucho mas en estos temas, lo anteriormente explicado se consideró suficiente para dar una visión general del tema y entender claramente los siguientes capítulos..

(23) 2002-II-IC-10. 15. 3. SUCCIÓN. Después de haber visto de forma general en el capítulo anterior algunos aspectos referentes a la composición y estructura de los suelos parcialmente saturados, se pasará a explicar algunas de las propiedades que dicha estructura y composición confieren a este tipo de suelos. Entre ellas una de las más importantes y definitivamente determinantes en el estudio de los suelos en estados de parcial saturación, resulta ser la succión, propiciando comportamientos especiales y en la mayoría de los casos diferentes a los observados en condiciones de total saturación.. La succión es la presencia de agua sometida a valores de presión menores a la presión atmosférica ocupando los vacíos del medio poroso. Este fenómeno que pude llegar a presentarse bajo diferentes situaciones.. Cuando se observa un estrato de suelo es posible encontrar succión en dos franjas, ambas situadas por encima del nivel freático. La franja que se encuentra inmediatamente sobre el nivel freático y que está sometida a condiciones de saturación es llamada frecuentemente zona capilar. Por encima de esta franja se encuentra una zona de suelo no saturado en la que los efectos de succión siguen presentándose aunque debida a mecanismos físicos diferentes que se explicarán más adelante. Para lograr un correcto entendimiento de los mecanismos que producen la succión, es importante tener claros varios fenómenos como lo son la tensión superficial y la capilaridad, puesto que son estos fenómenos los que hacen posible la existencia de la diferencia de presiones en la interfase agua-gas, que comúnmente llamamos succión..

(24) 2002-II-IC-10. 16. 3.1 TENSIÓN SUPERFICIAL. A causa de las fuerzas de atracción entre las moléculas de agua, la superficie del agua líquida es capaz de resistir cierta cantidad de fuerza o tensión llamada tensión superficial, anteriormente atribuida a la falsa imagen física consistente en la existencia de una membrana en la superficie de agua. Hoy en día se sabe que dicha membrana no existe y que la tensión es debida a las fuerzas intermoleculares de cohesión y adhesión. REF. [7] pg. 143.. Dicha tensión resulta ser proporcional a los radios de curvatura del menisco que se forma en el caso de la ascensión en tubos capilares o en los meniscos formados en los puntos de contacto entre partículas mojadas con algún tipo de líquido. Estas fuerzas de tensión superficial hacen posible la existencia de la diferencia de presiones presente en la interfase líquido-gas. Haciendo un diagrama de cuerpo libre de un pequeño tramo de dicha interfase o menisco tendríamos: ver fig 3.1. AGUA Pw. Pa. σS. σS R1. R1 AIRE. Figura 3.1, Diagrama de cuerpo libre de un tramo de la interfase agua-aire..

(25) 2002-II-IC-10. 17. Las fuerzas descritas anteriormente se relacionan comúnmente con la siguiente expresión, para un equilibrio de fuerzas entre la tensión superficial y la diferencia de presiones existente: REF. [7] pg 143.  1 1 ∆p = σ s  +   R1 R2 . (3.1). En donde: ∆p : Diferencia de presiones en la interfase líquido-gas. σ s : Tensión superficial. Siendo R1 y R2 los radios de curvatura del menisco en dos direcciones perpendiculares. Cuando estos dos radios son iguales como en el caso de un tubo capilar de sección circular o el contacto entre dos partículas esféricas, la ecuación 3.1 se convierte en:. ∆p =. 2σ s R. (3.2). En donde: R : Radio de curvatura del menisco..

(26) 2002-II-IC-10. 18. 3.2 CAPILARIDAD Y ASCENSO DEL AGUA EN TUBOS CAPILARES. Entre las moléculas de agua se pueden distinguir dos tipos de fuerzas en lo referente a los fenómenos capilares. Las primeras son llamadas fuerzas de cohesión y representan las fuerzas que mantienen unidas las moléculas de agua entre sí. Las segundas son llamadas fuerzas de adhesión y representan las fuerzas de atracción entre las moléculas de agua y las moléculas de otro material que se encuentre en contacto con el agua. La diferencia en magnitud existente entre estas dos fuerzas determinará la respuesta del agua cuando se le ponga en contacto con otro material como por ejemplo un tubo capilar o un suelo.. Si se sumerge parcialmente un tubo de vidrio delgado, o tubo capilar, en un recipiente con agua, se notará un ascenso de esta dentro del tubo. Esto se debe a que las fuerzas de adhesión agua-vidrio son mayores que las fuerzas de cohesión. Cuando esto pasa, el agua trata de mojar la superficie del tubo, pero al mismo tiempo tratando de minimizar la superficie de agua en contacto con el aire. Un efecto diferente puede observarse cuando el líquido en el recipiente no es agua sino mercurio, en este caso las fuerzas de cohesión son bastante mayores que las del agua y que las fuerzas de adhesión mercurio-vidrio, causando que el líquido descienda por el tubo tratando de no mojarlo y por consiguiente formando un menisco de curvatura opuesta al que se forma cuando el experimento se hace con agua, ver fig. 3.2.

(27) 2002-II-IC-10. 19. PP≤ <Patm Patm. Figura 3.2, Distribución de presiones de agua en el interior de un tubo capilar.. Puesto que la fase de agua sigue siendo continua dentro y fuera del tubo, cualquier molécula que se encuentre a la altura del nivel original pero dentro del tubo estará sometida a presión atmosférica. La presión disminuye linealmente conforme aumenta la altura del punto con respecto a un nivel de referencia, por esta razón las moléculas de agua que estén por encima del nivel original pero dentro del tubo estarán sometidas a presiones inferiores a la atmosférica, es decir a presiones de succión.. Las fuerzas de tensión superficial en el menisco formado en la superficie del agua en el interior del tubo capilar, tendrán por lo tanto que soportar el peso de la columna de agua suspendida dentro del tubo. De esta forma puede deducirse la magnitud de las fuerzas de tensión superficial en función de la altura de ascensión capilar de la siguiente forma:. Las fuerzas de tensión superficial integradas a lo largo del contacto entre la superficie del agua y un tubo capilar redondo de radio r serán:.

(28) 2002-II-IC-10. 20. σ s 2πrr. En donde: r : Radio del capilar. Por otro lado el peso de la columna de agua será: ρghc πr 2. En donde: ρ : Densidad del agua g : Aceleración de la gravedad hc : Altura de ascensión capilar. Igualando estas dos expresiones y despejando las fuerzas de tensión superficial tenemos:. σs =. ρghc r 2. ó. hc =. 2σ s ρgr. (3.3). De donde se deduce que la altura de ascensión capilar es inversamente proporcional al radio del tubo capilar y que por lo tanto se tendrán mayores alturas de ascensión capilar en cuanto menor sea el radio del tubo o el conducto de agua utilizado.. También sabemos que la presión se distribuye linealmente y que si en un punto con altura igual a la del nivel original la presión es igual a la presión atmosférica, la.

(29) 2002-II-IC-10. 21. presión a la que se encuentra sometida una molécula de agua inmediatamente bajo la superficie del menisco será: ρghc. Y la diferencia de presiones existentes entre las dos fases en la parte superior del tubo será: ∆p = patm − p w = ρghc. (3.4). En donde: Patm : presión atmosférica Pw : Presión del agua. Si usamos el peso específico en lugar de la densidad tendríamos: ∆p = γ w hc. (3.5). En donde: γ w : Peso específico del agua. Aunque lo anterior se cumple con bastante exactitud para tubos de sección circular, en los conductos irregulares como los formados en los suelos se ha observado un comportamiento diferente. En estos conductos el agua no ocupa la totalidad de la sección sino una cierta porción de esta como se observa en la fig. 3.3. En el.

(30) 2002-II-IC-10. 22. entendimiento de este fenómeno resulta ser de gran utilidad la medición de la dimensión fractal de la sección, como una medida de la rugosidad del conducto.. Figura 3.3, Ascenso del agua en tubos capilares de sección irregular, L. E. Vallejo (2001).. 3.3 SUCCIÓN EN SUELOS SATURADOS Y PARCIALMENTE SATURADOS. Como se mencionó anteriormente en los suelos es posible encontrar agua sometida a valores de presión inferiores a la atmosférica, o succión, en dos franjas principalmente. La zona ubicada inmediatamente sobre el nivel freático que se encuentra sometida a condiciones de saturación total, comúnmente llamada franja capilar, y la zona situada por encima de la franja capilar en la que el suelo se encuentra parcialmente saturado.. Gracias a los fenómenos de ascensión capilar, en la franja capilar el agua cuenta con una deficiencia de presión frente a la presión atmosférica, o succión que puede.

(31) 2002-II-IC-10. 23. calcularse fácilmente si se conoce la posición o profundidad del nivel freático, ver fig. 3.4.. Franja no saturada. P < Patm. Franja capilar saturada NF,. P = Patm. P > Patm. Franja saturada. Figura 3.4, Distribución de la presión de agua en un estrato saturado de suelo con franja capilar.. De esta forma la presión relativa a la que se encontrará sometida una partícula de agua dentro de la franja capilar será: scap = γ w z = patm − pw. En donde: scap : Succión capilar γ w : Peso específico del agua. (3.6).

(32) 2002-II-IC-10. 24. z : Altura con respecto al nivel freático Patm : presión atmosférica Pw : Presión del agua. La magnitud de dicho ascenso capilar en el medio depende directamente del tamaño de las partículas que de alguna u otra forma determinarán el tamaño del conducto. De forma análoga al diámetro del capilar, entre menor sea el tamaño de las partículas del medio poroso mayor será el espesor de la franja capilar pues el peso de los hilos de agua que debe ser soportado por las fuerzas de tensión superficial será menor.. En la franja de suelos no saturados siguen teniéndose valores de presión de agua menor a la atmosférica o succión, debida en este caso a las fuerzas de tensión superficial presentes en el menisco que se forma entre las partículas o grupos de partículas del suelo. La diferencia de presiones ∆p entre la fase líquida y la fase gaseosa en el caso de los suelos parcialmente saturados, es lo que comúnmente llamamos succión matricial o capilar, principal componente de la succión total. De esta forma la ecuación 3.4 también podría escribirse:. scap = p g − pw =. 2σ s R. En donde: Pg : Presión del gas. (3.7).

(33) 2002-II-IC-10. 25. Si se hace un diagrama de cuerpo libre, como el de la fig. 3.5, de una porción de agua en el punto de contacto es posible observar como esta componente de succión es de suma importancia para el comportamiento del esqueleto de suelo, pues termina por convertirse en una fuerza de atracción entre las partículas entre las cuales se está formando el menisco de agua. Esta fuerza de atracción afecta directamente variables como el esfuerzo efectivo, aumentándolo y dándole a la matriz de suelo una especie de resistencia adicional al corte. Para este aumento en la resistencia al corte se han propuesto varias ecuaciones de las que se hablará más adelante.. P = Pa σs Partícula de suelo. P = Pw. succion... ( Pa − Pw ) σs. P = Pa. Figura 3.5, Fuerza de atracción entre partículas causada por la succión matricial.. 3.4 PRESIÓN PARCIAL DE VAPOR Y PRESIÓN PARCIAL DE VAPOR DE SATURACIÓN. Se dice que el vapor de agua está en equilibrio con un volumen de agua cuando se ha alcanzado la presión parcial de vapor de saturación. La presión parcial de vapor de.

(34) 2002-II-IC-10. 26. saturación es la presión parcial que alcanza el vapor de agua en el momento en el que las tasas de evaporación y condensación se igualan. Puede también decirse que dichas tasas se han igualado cuando el número de moléculas de agua que abandonan la fase líquida en la superficie de la misma, es igual al número de moléculas de agua que dejan de pertenecer a la fase gaseosa en forma de vapor de agua y entran en la fase líquida.. En la naturaleza, rara vez se encuentra vapor de agua en condiciones de equilibrio. Una forma de saber que tan lejos se encuentra el vapor de agua de su condición de equilibrio o saturación, es medir su presión parcial de vapor o calcular su humedad relativa, definida como el cociente entre la presión parcial de vapor y la presión parcial de vapor de saturación a una misma temperatura. Cuando la presión de vapor de agua a cierta temperatura sea menor que su presión de vapor de saturación, el medio gaseoso se encontrara en condiciones de subsaturación y por ende la tasa de evaporación se volverá mayor que la tasa de condensación buscando alcanzar la condición de saturación o equilibrio. Por el contrario cuando la presión parcial de vapor sea mayor que la presión parcial de vapor de saturación el medio gaseoso estará sobresaturado y la tasa de condensación se hará mayor que la de evaporación buscando nuevamente alcanzar la condición de equilibrio. REF [9] pg. 27.. De esta forma, la presión parcial de vapor define hasta que grado el aire está saturado con vapor de agua para una temperatura específica. Conociendo la presión parcial de vapor y la temperatura, es fácil calcular la humedad relativa RH, siendo esta igual a 100% cuando se tienes condiciones de equilibrio, menor al 100% cuando se tiene subsaturación y mayor al 100% cuando se tiene sobresaturación. La humedad relativa se define con la expresión 3.8:. RH =. po p. (3.8).

(35) 2002-II-IC-10. 27. En donde: po :Presión de vapor sobre una superficie horizontal. p :Presión parcial de vapor en el estado de equilibrio sobre el menisco.. Se hace énfasis en la igualdad de temperaturas entre la presión parcial de vapor y la presión parcial de vapor en estado de equilibrio puesto que esta última es función. Presión de vapor de saturación (Pa). únicamente de la temperatura, como se muestra en la gráfica 3.1. 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 -20. 0. 20. 40. Temperatura (°C). Gráfica 3.1, Variación de la presión de vapor de saturación con la temperatura, REF [6] pg. 61..

(36) 2002-II-IC-10. 28. 3.5 SUCCIÓN, PRESIONES DE VAPOR DE AGUA Y HUMEDAD RELATIVA. Las fuerzas de tensión superficial también pueden verse desde el punto de vista de la transferencia de masa existente entre las fases líquida y gaseosa, guardando de esta forma una estrecha relación con la presión parcial del vapor de agua ejercida sobre la superficie y los efectos que esta sufre con la formación del menisco y la presencia de solutos disueltos en la fase líquida.. En condiciones normales en la zona de interacción de las fases líquida y gaseosa, algunas de las moléculas de agua que se encuentran en la superficie del agua, logran escapar en forma de vapor de agua hacia la fase gaseosa (evaporación) y algunas se integrarán nuevamente a la fase líquida (condensación), inicialmente a tasas diferentes siendo la tasa de evaporación mayor a la de condensación, en el caso que la fase gaseosa sea aire en el estado inicial. En el momento en el que la presión parcial del vapor de agua iguale la presión de vapor de agua, las tasas de evaporación y condensación serán iguales y se habrá alcanzado el equilibrio o la condición de saturación.. Si la superficie de la fase líquida no es plana como ocurriría al contener el agua en un recipiente amplio (de diámetro grande), sino que es curva como cuando se tiene un menisco causado por fuerzas de tensión superficial, la presión parcial del vapor de agua al alcanzar la condición de saturación disminuye conforme aumente la curvatura del menisco, haciendo mayor la diferencia entre la presión parcial de vapor en condiciones de equilibrio (saturación) y la presión de vapor del agua en equilibrio existente en el menisco. Esta diferencia corresponde a la componente matricial o capilar de la succión..

(37) 2002-II-IC-10. 29. Cuando la fase líquida no está compuesta por agua pura y se tienen sales u otras sustancias disueltas en el agua, la presión parcial del vapor en condiciones de equilibrio también disminuye, aumentando aunque en magnitud mucho menor la diferencia de presiones de vapor. Esta parte de la diferencia de presiones causada por los solutos disueltos en el agua se conoce normalmente como la componente osmótica de la succión, comúnmente despreciada, según el método de medición utilizado, puesto que la contribución matricial o capilar es mucho mayor.. Es posible representar la relación entre la presión parcial de vapor en condiciones de equilibrio y las fuerzas de tensión superficial que causan la curvatura del menisco y hacen posible la diferencia de presiones observada entre el agua y el gas, de acuerdo con la ecuación de Kelvin: REF. [7] pgs. 146 y 147.  po  ln  =  p. 2σ s M   2 ρRT  1  1 +   R1 R2.      . (3.9). En donde: po :Presión de vapor sobre una superficie horizontal. p :Presión parcial de vapor en el estado de equilibrio sobre el menisco. M :Peso molecular del líquido. ρ :Densidad del líquido. R :Constante universal de los gases ideales. T :Temperatura en grados Kelvin.. Teniendo en cuenta que:.

(38) 2002-II-IC-10. 30. M = 18.06 para el agua. R = 8.3166 × 10 7. ergios. J mol . K = 8316.9 mol . K. También, sabiendo que la diferencia de presiones. (p. g. ). − pw se relaciona con la. tensión superficial por medio de las ecuaciones 3.2 y 3.7 , es fácil transformar la ecuación 3.9 en:. (.  p  M pg − pw ln o  = ρRT  p. ). (3.10). De esta ecuación es posible deducir que una reducción en la presión parcial de vapor p en el estado de saturación, se encuentra relacionada con un aumento en la diferencia. (p. g. ). − pw o succión. Ejemplos claros de esta estrecha relación entre la. presión de vapor y las fuerzas de tensión superficial son interfaces líquido-gaseosas de líquidos como el aceite en las que se observan presiones de vapor muy bajas y fuerzas de tensión superficial muy altas, e interfaces líquido-gaseosas de líquidos como la gasolina y otros disolventes en las que se observan presiones de vapor muy altas y fuerzas de tensión superficial muy bajas.. Dada la estrecha relación entre la presión parcial de vapor y la succión, es posible explicar cada una de las componentes de la succión en términos de esta magnitud. Según define Aitchinson la succión (1965): REF[8] pg 12 “Succión matricial (…) es la diferencia entre la presión parcial de vapor de agua en equilibrio con el agua intersticial del suelo, y la presión parcial de vapor de agua en equilibrio con una solución de composición igual a la del agua intersticial pero contenida en un recipiente amplio”..

(39) 2002-II-IC-10. 31. “Succión osmótica (…) es la diferencia entre la presión de vapor de agua en equilibrio con una solución de composición idéntica a la del agua intersticial contenida en un recipiente amplio y la presión de vapor de agua en equilibrio con agua pura contenida en un recipiente amplio”. “Succión total (…) es la diferencia entre la presión parcial de vapor de agua en equilibrio con el agua intersticial del suelo y la presión de vapor de agua en equilibrio con agua pura contenida en un recipiente amplio”.. Siendo la succión total la suma de la contribución capilar o matricial y la contribución osmótica, podemos escribir: stot = scap + sosm. (3.11). En donde: stot : Succión total sosm : Succión osmótica. Despreciando la componente osmótica se llega a escribir la succión en forma más general: stot = scap = p g − pw. (3.12). La clara relación entre la presión parcial de vapor en condiciones de saturación y las fuerzas de succión nos lleva a utilizar como una mas de las variables importantes en el estudio de los suelos no saturados, la humedad relativa. Definiéndose esta como el.

(40) 2002-II-IC-10. 32. cociente entre la presión de vapor del líquido y su presión parcial de vapor en condiciones de equilibrio, mediante la expresión:. RH =. po p. (3.13). Relacionando así, la presencia de humedades relativas bajas en sistemas cerrados con presiones parciales de vapor bajas y por consiguiente con valores altos de succión.. De la ecuación 3.13 es fácil deducir que los efectos de succión se ven profundamente afectados por la humedad, directamente relacionada con el porcentaje de humedad relativa RH.100% , y por ende con el grado de saturación presente en el medio poroso. Al aumentar el grado de saturación, la geometría y el tamaño de los meniscos que se forman entre los granos de suelo cambian sustancialmente aumentando sus radios de curvatura y por consiguiente la acción capilar, haciendo que el efecto de la succión se vuelva nulo bajo condiciones de total saturación.. 3.6 VALORES TÍPICOS DE SUCCIÓN. En la tabla 3.1 se muestran algunos valores típicos de succión en una arcilla de Regina y un limo glacial para humedades un poco menores a las humedades óptimas resultantes de un ensayo de compactación Proctor: Tipo suelo. de. Contenido. Succión. Succión. Succión. de. Matricial. Osmótica. total. humedad. (Kpa.). (Kpa.). (Kpa.).

(41) 2002-II-IC-10. 33. (%) Arcilla de. 28.6. 354. 202. 556. Regina. 30.6. 273. 187. 460. Optima Limo. 13.6. 556. 293. 849. Glacial. 15.6. 310. 290. 600. Optima. Tabla 3.1, Valores típicos de succión, REF [9] pg. 66.. Debido a la estrecha dependencia que tienen la humedad del terreno y los regímenes hidrológicos, la succión en campo se vuelve un parámetro sumamente variable tanto espacial como temporalmente. En la gráfica 3.1 se muestra la curva de retención de un limo glacial..

(42) 2002-II-IC-10. 34. 2000 1800. Succión (KPa). 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 10. 12. 14. 16. 18. Humedad (%) Succión Matricial. Succión Osmótica. Succión Total. Gráfica 3.1 Succión Total, Matricial y Osmótica para un limo Glacial, (Krahn y Fredlund, 1972)..

(43) 2002-II-IC-10. 35. 4. FENÓMENOS DE COLAPSO E HINCHAMIENTO. 4.1 FENÓMENOS DE COLAPSO. Uno de los fenómenos más interesantes que se observan al estudiar los cambios de volumen propios de los suelos sometidos a estados de parcial saturación, es el colapso del esqueleto de suelo. El colapso consiste en la aparición de considerables disminuciones de volumen bajo la acción de cargas externas constantes.. El conocimiento del funcionamiento de dicho fenómeno es de gran importancia para la mecánica de suelos parcialmente saturados, pues la colapsividad de dichos suelos puede llegar a causar graves perjuicios a las estructuras construidas con este tipo de suelos o sobre ellos. Los fenómenos de colapsividad pueden llegar a ser responsables de deslizamientos y depresiones del terreno cuando se le expone a cambios en las condiciones climáticas sin que estos sean especialmente drásticos, pequeños cambios en la humedad y por consiguiente en el grado de saturación presente en cierto estrato de suelo pueden propiciar fácilmente la aparición del fenómeno de colapso.. Este tipo de problemas se vuelven especialmente comunes y graves en construcciones en las que se utilizaron suelos artificiales o rellenos de origen limoso o arcilloso, pues la construcción de dichos suelos favorece la formación de estructuras granulares propensas a colapsar.. Normalmente las estructuras de suelo con poros de gran tamaño pueden mantenerse estables bajo la influencia de ciertas cargas sin romper los enlaces que favorecen la formación de macroporos en la estructura granular hasta el momento rígida. Cuando.

(44) 2002-II-IC-10. 36. los enlaces entre partículas pierden resistencia la deformación en el poro se hace inminente y la estructura tiende a reacomodarse en una configuración más compacta, produciendo de esta forma las disminuciones de volumen de las que se está hablando. Estos enlaces entre partículas pueden deberse a la presencia de materiales cementantes, como arcillas o agua capilar, ver figura 4.1. REF. [1] pg. 87.. q q. Figura 4.1, Reordenamiento de un esqueleto granular con macroporos en una estructura más compacta sin macroporos, o con macroporos de menor tamaño.. Los enlaces que se forman entre las partículas podrían clasificarse de la siguiente forma, REF [1]:. -. Cementantes calcáreos o sales: cuando en el suelo se encuentran cementos como por ejemplo materiales de origen calcáreo o cierto tipo de sales, en la ausencia de la cantidad de humedad suficiente para disolver o quitar rigidez a dichos cementantes, llegan a formarse enlaces que confieren al macroporo resistencia suficiente para mantener su forma..

(45) 2002-II-IC-10. -. 37. Puentes de arcilla: las arcillas presentes en matrices de suelos arenosos o limosos también pueden formar puentes entre los granos o partículas de mayor tamaño como la arena, contando con resistencia considerable cuando la humedad no es muy alta.. -. Agua capilar: Como se explicó en el capítulo anterior, los meniscos formados por la acción de las fuerzas de tensión superficial causan atracciones intergranulares, proporcionales también al contenido de humedad presente en la estructura de suelo.. En cualquiera de los tres casos expuestos anteriormente los aumentos en el grado de saturación pueden debilitar sustancialmente los enlaces que conferían la estabilidad a la matriz de suelo, hasta el punto de la ruptura de los enlaces dando paso a la reacomodación de las partículas y la consiguiente gradual disminución de volumen de la estructura granular sin que la magnitud de la carga externa haya cambiado, ver figura 4.2. La magnitud del colapso se ve afectada naturalmente por el tipo de suelo que se esté considerando y por la carga aplicada, que puede ya haber contribuido anteriormente a la reacomodación, incluso hasta el punto de hacer nula la colapsividad del suelo. REF. [1] pg. 87.. 4.2 FENÓMENOS DE HINCHAMIENTO. Definimos el hinchamiento como el aumento de volumen que sufren los suelos parcialmente saturados como respuesta a un aumento en la humedad bajo situaciones de carga constante. El proceso de hinchamiento podría dividirse principalmente en dos etapas, una de carácter mecánico y otra de carácter físico-químico. REF [1] pg. 88..

(46) 2002-II-IC-10. Cementación con cementantes calcáreos o sales.. 38. Cementación con puentes de arcilla.. Cementación con agua capilar.. Figura 4.2, Tipos normales de cementación entre partículas de suelo, cementación con cementantes calcáreos o sales, cementación con puentes de arcilla y cementación con agua capilar.. En la etapa mecánica, el aumento en la humedad conlleva a una disminución de las fuerzas de succión y por consiguiente a una disminución de las fuerzas de atracción intergranular que esta produce. Cuando las fuerzas de atracción intergranular disminuyen, la estructura sufre una especie de relajación, similar a la que ocurre al disminuir el esfuerzo efectivo en los suelos saturados. Si la estructura granular que se tiene es potencialmente inestable, la disminución de la atracción intergranular será la responsable de la ocurrencia de un fenómeno de colapso, como los explicados en la sección anterior. Por otro lado si la estructura es lo suficientemente compacta como para que no ocurran fenómenos de colapso, se producirá un esponjamiento del esqueleto de suelo, aumentando de esta forma su volumen sin haber cambiado la carga en ningún momento. REF [1] pg. 88.. En la etapa físico-química, el hinchamiento se produce gracias a las propiedades mineralógicas tanto de las partículas como de los cationes que se encuentren en el medio, o más exactamente de su potencial de hidratación. El desbalance zonal eléctrico presente en la superficie de las partículas y el potencial de hidratación de los.

(47) 2002-II-IC-10. 39. cationes, atraerán a las moléculas de agua causando prácticamente un crecimiento de la partícula que en este punto pasa a ser partícula mineral + agua absorbida, ver figura 4.3. Este crecimiento de las partículas debido a su afinidad química con las moléculas de agua, evidentemente se traduce en un aumento de volumen en el esqueleto de suelo.. Partícula mineral.. Partícula mineral + agua absorbida.. Figura 4.3, Aumento de tamaño por absorción de agua en una partícula mineral de arcilla seca.. Terminado este proceso se pasa a la formación de la capa doble difusa con la cual se logrará neutralizar las fuerzas de repulsión existentes entre partículas, como se explicó en el capítulo 2, ver figura 4.4. Dependiendo de que tan alta sea la concentración de los cationes en el medio, el agua que aún está libre puede iniciar un proceso osmótico que tendrá como fin reducir la concentración de cationes en la cercanía de la partícula. El agua que entra en los espacios intergranulares, disminuyendo la concentración, a su vez aumenta el espesor de la capa difusa, traduciéndose esto en un aumento de volumen de la estructura de suelo, ver figura.

(48) 2002-II-IC-10. 40. 4.5. REF [1] pg. 88. Este proceso puede aumentar considerablemente el tamaño de la partícula dependiendo de la naturaleza de los cationes neutralizadores, como se cita a continuación: “En el caso de la montmorillonita durante este proceso pueden situarse hasta cuatro capas de moléculas de agua en los espacios interlaminares y el aumento de volumen que ello representa puede llegar a ser del 100% ( la separación interlaminar pasa de 6.9 Å a 20 Å )”. REF [1] pg. 89.. Catión neutralizador.. Molécula de agua.. Figura 4.4, Formación de la capa doble difusa entre dos partículas de arcilla hidratadas al neutralizar el desbalance zonal eléctrico existente.. Tanto el hinchamiento como el colapso, constituyen fenómenos de gran importancia en el estudio de los suelos, pues con frecuencia llegan a causar graves daños a las obras civiles construidas sobre suelos susceptibles a sufrir este tipo de cambios de volumen. Aunque su completo entendimiento y caracterización especialmente en el caso de las arcillas se hace complicado por su carácter microscópico, se han identificado una serie de factores que influyen de forma importante sobre su aparición y magnitud..

(49) 2002-II-IC-10. 41. Catión neutralizador.. Molécula de agua.. Figura 4.5, Aumento de la distancia entre dos partículas de arcilla gracias a la disminución en la concentración de los iones, (proceso osmótico).. En general puede hablarse de varios factores que afectan los fenómenos de hinchamiento en un suelo: REF [1] pg. 89.. -. Mineralogía de la arcilla: la composición del suelo es determinante en la rapidez con que se absorba el agua, la cantidad de agua que se absorbe, la formación de la capa difusa y la neutralización del desbalance zonal eléctrico.. -. Magnitud de la carga aplicada: en cuanto mayor sea la carga aplicada menor será la libertad del suelo para expandirse venciendo los efectos de dicha carga.. -. Tiempo de hidratación: algunos suelos arcillosos pueden llegar a ser bastante impermeables, impidiendo la rápida entrada del agua necesaria en los procesos de expansión. Las bajas permeabilidades pueden hacer que los fenómenos de.

(50) 2002-II-IC-10. 42. hinchamiento sean imperceptibles en días aún cuando la muestra o el estrato en consideración se encuentre sumergido.. -. Naturaleza del fluido: la presencia de compuestos químicos en el fluido intersticial, puede afectar considerablemente los procesos de neutralización y formación de la capa difusa. “Concentraciones altas de sal en el agua tienden a reducir el hinchamiento.” REF [1] pg. 90.. -. Humedad inicial del suelo: suelos con humedades bajas tienen una alta avidez por el agua y por ende un alto potencial expansivo, mientras que en los suelos con altas humedades muy seguramente la magnitud de la expansión, si es que esta se produce, es mucho menor.. -. Succión: como se mencionó anteriormente, la succión se encuentra íntimamente ligada a la humedad presente en el suelo, siendo la succión mayor en cuanto menor sea el grado de saturación y por ende la humedad. Suelos arcillosos con succiones altas serán susceptibles a hincharse al aumentar la humedad y reducir la succión relajando el esqueleto de suelo, ver gráfica 4.1..

(51) Densidad Seca (g/cm3.). 2002-II-IC-10. 43. 1,9 1,85 1,8 1,75 1,7 8. 10. 12. 14. 16. 18. 20. 18. 20. Humedad de Compactación (%.). Hinchamiento Libre (%.). 6 5 4 3 2 1 0 -1 8. 10. 12. 14. 16. Humedad de Compactación (%.). Gráfica 4.1, Densidad seca e hinchamiento libre para diferentes humedades de compactación en una muestra con arena 50%, ilita comercial 25% y caolín comercial 25%; carga aplicada en el edómetro: 0.7 T/m2. REF [7] pg. 243. , Seed et Al., 1962, ASCE.. 4.3 MEDICIÓN DE LA EXPANSIVIDAD EN UN SUELO:. Tradicionalmente cuando se quiere medir y cuantificar el potencial expansivo de un suelo se usan dos ensayos, llamados hinchamiento libre y presión de hinchamiento..

(52) 2002-II-IC-10. 44. Estos dos ensayos se realizan en un edómetro y arrojan índices que nos dirán que tan expansivo es el suelo ensayado. REF [7] pg. 242.. En el ensayo de hinchamiento libre la muestra se monta en el edómetro y se inunda la piedra porosa inferior, permitiendo de esta forma la entrada de agua a la muestra sin restringir la salida de aire de la misma. El aumento de altura de la muestra sin carga, o con una carga pequeña ( de 0.2 a 0.7 T/m2 ), se mide con un deformímetro y el hinchamiento libre se calcula como porcentaje del espesor de la muestra ensayada. REF [7] pg. 242.. En el ensayo de presión de hinchamiento se monta la muestra de igual forma pero se le aplican cargas para impedir su hinchamiento, la mayor carga que se tenga que aplicar para que el hinchamiento sea nulo se registra como presión de hinchamiento. Después de registrar la presión de hinchamiento, se retiran las cargas y se miden los hinchamientos hasta registrar el valor correspondiente a la situación de carga nula. El valor de hinchamiento bajo carga nula suele ser menor al hinchamiento libre en una muestra del mismo suelo, siendo la reducción del orden del 50% o mayor. REF [7] pg. 242.. Como se dijo anteriormente el potencial expansivo de un suelo depende enormemente de las características, forma de compactación y humedad del mismo. Cambios en la humedad inicial o la humedad de compactación afectan de forma importante el hinchamiento como se observa claramente en la gráfica 4.2..

(53) 2002-II-IC-10. 45. 30. Succión (Kp/cm3.). 25 20 15 10 5 0 0. 2. 4. 6. 8. 10. Hinchamiento Libre (%.). Gráfica 4.2, Variación del hinchamiento libre con la succión de una muestra de suelo; carga aplicada en el edómetro 0.2 T/m2. REF [7] pg 251..

(54) 2002-II-IC-10. 46. 5. COMPORTAMIENTO DE LOS SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS ANTE SITUACIONES DE CARGA. Cuando se busca describir el comportamiento de un suelo ante situaciones de carga o de deformación, es necesario definir sus parámetros de estado. “ se denominan parámetros de estado a aquellas variables que son suficientes para describir completamente el estado del suelo sin necesidad de hacer referencia a su historia previa”, REF [1] pg. 93.. En el caso de los suelos saturados, la determinación de los parámetros de estado se hace bastante simple pues solo es necesario conocer su estado tensional y su índice de poros o humedad, sabiendo previamente si el suelo se encuentra en estado de normal consolidación o de sobreconsolidación.. Para los suelos parcialmente saturados la situación se torna difícil al tener que incluir dos variables más, determinantes en la respuesta del suelo ante las cargas o deformaciones impuestas. Estas dos variables adicionales son el estado de saturación, que se encuentra íntimamente ligado a la succión, y algún otro parámetro que haga referencia a la estructura del suelo, de gran importancia el la forma como interactuan las partículas sólidas, el agua y el aire en los poros. Matyas y Radhakrishna sugieren que la representación de los cambios de succión y rigidez del suelo puede hacerse posible usando el estado tensional y la succión. REF [1] pg. 93.

(55) 2002-II-IC-10. 47. 5.1 TENSIONES EFECTIVAS. Según Terzaghi, las tensiones efectivas en suelos saturados representan el estado tensional del suelo, estando las deformaciones referidas a este estado tensional y siendo nulas si el estado tensional se conserva. REF [1] pg. 93. Según Lambe, las tensiones efectivas en un suelo saturado pueden escribirse de la siguiente forma: , ver fig. 5.1. σ. R− A Pw. Pw. σ. Figura 5.1, Representación de las tensiones efectivas en un suelo saturado según Lambe. REF [1] pg. 79. σAt = σ Ac + Pw Aw +. R− A At. En donde:. σ : Esfuerzo aplicado.. (5.1).

(56) 2002-II-IC-10. 48. At : Area total. Ac : Area de contacto entre partículas. Aw : Area ocupada por el agua. σ : Tensión de contacto. Pw : Presión del agua. R : Fuerza de repulsión entre partículas. A : Fuerza de atracción entre partículas.. Las fuerzas de repulsión y atracción pueden despreciarse en suelos granulares en los que se vuelven predominantes las fuerzas de contacto entre granos, en este caso podemos eliminar el tercer término de la ecuación 5.1 y escribir la expresión correspondiente al esfuerzo efectivo σ ' .. σAt = σ Ac + Pw Aw A A σ = σ c + Pw w At At  A − At  Ac + Pw  w  At  At . σ ' = σ − Pw = σ. En donde Aw − At = − Ac , luego:. (. σ ' = σ − Pw. )A. Ac. Siendo el término Pw. σ'≅ σ. (5.2). t. Ac Fc = At At. Ac A mucho menor que el término σ c podemos escribir: At At. (5.3).

(57) 2002-II-IC-10. 49. En donde: Fc : Fuerza de contacto entre las partículas.. Haciendo el mismo planteamiento para un suelo parcialmente saturado, ver fig. 5.2, podríamos escribir:. σ σ. Τ. Pw. Τ. R− A Pa. Pa. Pw. σ. Figura 5.2, Representación de las tensiones efectivas en suelos parcialmente saturados, REF [1] pg. 79.. σAt = σ Ac + Pw Aw + Pa Aa +. R− A − ∫Τ Γ At. En donde: Pa : Presión del aire. Aa : Area ocupada por el aire.. (5.4).

(58) 2002-II-IC-10. 50. Τ : Tensión superficial.. Γ : Intersección del menisco con la superficie considerada en el corte. Despreciando nuevamente el efecto de las fuerzas de repulsión y atracción entre partículas puesto que se están incluyendo en el término correspondiente a la succión, podemos llegar a una expresión equivalente a la ecuación 5.3. σAt = σ Ac + Pw Aw + Pa Aa − ∫ Τ Γ. σ Ac Aw Aa ∫ΓΤ = σ − Pw − Pa + At At At At Si suponemos que el área de contacto entre partículas Ac es muy pequeña podemos escribir: At ≅ Aw + Aa. ( At − Aw ) + ∫ΓΤ Fc A = σ − Pw w − Pa At At At At Fc A ∫Τ = (σ − Pa ) + ( Pa − Pw ) w + Γ At At At. (5.5). Dada la alta similitud entre las ecuaciones 5.3 y 5.5, se han hecho muchos intentos por escribir ecuaciones que representen tensiones efectivas en suelos parcialmente saturados. Algunas de ellas recopiladas por Wood (1979), Fredlund y Morgenstern (1977) se muestran en la tabla 5.1. EUACIÓN. AUTOR. PARÁMETROS. σ ' = σ − βPw. Croney,. β = f ( Aa , Aw , Ac ). Coleman Black (1958). y.

(59) 2002-II-IC-10. 51. σ ' = σ − Pa + χ ( Pa − Pw ) σ = σ Ac + Aa Pa + Aw Pw +. Bishop (1959) R− A At. σ ' = σ + ψp''. χ = f (Sr ). Lambe (1960). Atchinson. ψ : Parámetro del. (1961). suelo entre 0 y 1 p'' : Diferencia de presiones de aire y agua.. σ ' = σ + βp''. Jennings. β = f ( Ac ). (1961) σ ' = σ − Ps + χm ( Pa + hm ) + χ s ( Pa +. Richards (1966). χm , χ s = f (Sr ) hs :. Succión. osmótica hm :. Succión. Matricial σ ' = σ + η( Pa − Pw ) − Pa (1 − a ). Sparks (1963). η = f (Τ, Aw , Pa − P a = f ( Ac ). Tabla 5.1, Tensiones efectivas en suelos parcialmente saturados Wood (1979), Fredlund y Morgenstern (1977), REF [1] pg. 269.. De todas las ecuaciones mostradas en la tabla 5.1, la más utilizada y estudiada ha sido la de Bishop (1959). σ ' = σ − Pa + χ ( Pa − Pw ). En donde:. (5.6).

(60) 2002-II-IC-10. 52. χ = f (Sr ) S r : Grado de saturación. Sr = 1 ⇒ χ = 1 Sr = 0 ⇒ χ = 0 Sin embargo la determinación del parámetro χ es complicada. Atchinson (1960) derivó una expresión para encontrar el parámetro χ en función de la relación entre el grado de saturación y la succión. Esta relación se muestra en la ecuación 5.7 REF [1] pg. 94.. χ = Sr +. ( Pa − Pw ) f. 0.3( P − P )∆S ( P − P ) ( ∑) 1. w. f. Pa − Pw = 0. a. w. r. (5.8). Este tipo de relaciones han sido de poca utilidad, así como la ecuación de Bishop, ecuación 5.6. Los ensayos han demostrado que el parámetro χ depende también de la composición del suelo y de la trayectoria de tensiones que se halla seguido. Finalmente se demostró que la ecuación solo sirve para suelos en estados cercanos a la saturación. Este grado de saturación crítico, para el cual la ecuación deja de servir, probablemente representa el punto en el que la succión tiende a cero y deja de tener influencia sobre la matriz sólida. Por encima del grado de saturación crítico también podría decirse que el agua rodea completamente las partículas de suelo. Siendo este el caso se hace mucho más simple la utilización de la ecuación 5.8, siendo esta válida incluso cuando el agua se encuentra en succiones pequeñas. Estas succiones críticas y los grados de saturación críticos se muestran en las tablas 5.2 y 5.3 para diferentes tipos de suelos. REF [1] pgs. 94 y 95. σ ' = σ − Pw. (5.8).

(61) 2002-II-IC-10. 53. TIPO DE SUELO. Sr CRÍTICO. Arcillas. 0.86. Limos. 0.5. Arenas. 0.2. Tabla 5.2, Valores críticos de grado de saturación para diferentes suelos, por debajo de los cuales no se recomienda la aplicación de la ecuación de Bishop (1959). REF [1] pg. 94.. TIPO DE SUELO. SUCCIÓN CRÍCICA (Kg/cm2). Caolín. 15. Arcilla de Londres. 200. Arena. 0.02. Tabla 5.3, Bishop et Al (1975), Valores de succión por debajo de los cuales es aplicable la ecuación 5.8. REF [1] pg. 95.. Descartando el uso de las tensiones efectivas por los problemas que implica el tratar de generalizar este tipo de ecuaciones, se pasa a tratar de explicar el comportamiento de los suelos parcialmente saturados refiriéndose a las tensiones totales y presiones de agua y aire, también llamadas tensiones significativas.. 5.2 TENSIONES SIGNIFICATIVAS. Para lograr describir las relaciones entre los estados tensionales y los cambios de volumen en el suelo, se propone usar los tensores totales σ ij , la presión del agua Pw y la presión del aire Pa . En 1963 Bishop y Blight sugieren usar relaciones.