Valladolid
Septiembre de 2010 Publicación online.
Para citar este artículo:
OLMOS, Pedro J. “El terreno como material constructivo en la ingeniería civil desde la perspectiva de la arquitectura de tierra”. En: Arquitectura construida en tierra, Tradición e Innovación. Congresos de Arquitectura de Tierra en Cuenca de Campos 2004/2009. [online]. Valladolid: Cátedra Juan de Villanueva.
Universidad de Valladolid. 2010. P. 267-280. Disponible en internet:
http://www5.uva.es/grupotierra/publicaciones/digital/libro2010/2010_9788469345542_p267-280_olmos.pdf
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Introducción
En la Ingeniería Civil el suelo se puede con- templar como una obra de tierra sometida a una serie de acciones para las cuales debe- mos diseñarla, o como un material constituti- vo de la propia obra de tierra, en cuyo caso debemos exigir al material una serie de espe- cificaciones que nos garanticen un comporta- miento adecuado.
El propósito de esta ponencia es la exposi- ción de los requisitos que se suelen exigir al material suelo, o si se prefiere al material tie- rra, en algunas obras de ingeniería que podrí- amos catalogar como asimilables a las reali-
zadas en la Arquitectura de Tierra, por la utili- dad que se le da en ambos casos al material terreo, con el fin último de presentar una metodología de trabajo, que siendo coinciden- te en algunos aspectos, podría suponer en otros una transferencia de tecnología.
Vamos a analizar las características de los materiales térreos, los ensayos de identifica- ción y control más habituales, y las especifica- ciones de proyecto circunscritas a tres tipos de obras:
- La formación de rellenos y terraplenes - Las presas de materiales sueltos
- Las capas granulares de firmes de carretera.
EL TERRENO COMO MATERIAL CONSTRUCTIVO EN LA INGENIERIA CIVIL DESDE LA PERSPECTIVA DE LA ARQUITECTURA DE TIERRA
Pedro J. Olmos Martínez. Dr. Ingeniero de Caminos. Profesor Titular de Ingeniería del Terreno. Escuela Técnica Superior de
Arquitectura. Universidad de Valladolid, España
V Congreso de Tierra en Cuenca de Campos, Valladolid, 2008
Vamos a hacer una breve descripción de estas obras de Ingeniería Civil.
Como rellenos entendemos los localizados en el trasdós de obras de fábrica, formados por terrenos naturales o de préstamo general- mente granulares, colocados con una buena compacidad y disponiendo de una alta capa- cidad drenante.
Denominamos terraplenes a la extensión y compactación por tongadas de materiales térreos con objeto de formar una plataforma de trabajo (generalmente de una infraestruc- tura viaria) a una cota determinada, destinada a recibir acciones externas.
Las presas de materiales sueltos son aqué- llas que están formadas por elementos que no están ligados entre sí por conglomerantes hidráulicos. Dentro de las presas de materia- les sueltos podemos distinguir dos tipos de presas cuyos elementos son de tierra:
- Presas homogéneas construidas con tierras de una sola calidad, de impermeabilidad sufi- ciente para impedir el paso del agua.
- Presas heterogéneas formadas por materia- les diferentes, agrupados adecuadamente en distintas zonas de la presa, en función de sus características.
Por último en cuanto a las capas granulares de los firmes de carretera nos estamos refi- riendo al material granular de granulometría continua utilizado en las capas de base y sub- base conocido como zahorra. Según su pro- cedencia se distinguen dos tipos de zahorras:
- Zahorras naturales formadas por materiales naturales no triturados.
- Zahorras artificiales formadas por partículas parcial o talmente trituradas en la proporción mínima que se indique en cada caso.
Características del material suelo
La estructura física de los suelos está consti- tuida a base de partículas sólidas o granos que constituyen el esqueleto mineral resisten- te del mismo y de una serie de huecos entre las partículas que pueden contener aire, agua o ambas cosas. Algunos autores definen al suelo como un material en el que coexisten las tres fases: sólida (partículas), líquida (agua) y gaseosa (aire).
Clasificación de los suelos
Las partículas de los suelos en función de su tamaño desarrollan un tipo distinto de estruc- tura que permiten diferenciar el comporta- miento de los suelos en dos grandes grupos:
suelos de grano grueso o granulares, y suelos de grano fino o cohesivos (la cohesión es una fuerza de atracción entre las partículas) Como vemos en la tabla el tamaño crítico de división de los suelos de grano grueso y fino es 0,06 mm (Figura 1).
Los suelos de grano grueso están constitui- dos por partículas con una estructura simple, entendiendo por tal a la formada por partícu- las de forma sensiblemente esféricas puestas en contacto unas con otras y sometidas úni- Figura 1. Clasificación de los suelos
camente a las fuerzas de rozamiento inter partícula.
Los suelos de grano fino están formados por partículas alargadas en forma de hoja o aguja constituyendo estructuras muy abiertas debi- do a que a las fuerzas de rozamiento se suman otras fuerzas internas que denomina- mos cohesivas, conformando otros tipos de estructuras, las floculadas y las dispersa, en las que entran en juego enlaces electrostáti- cos. Una de las consecuencias más importan- tes es que estos suelos presentan una pro- piedad que denominamos plasticidad (capaci- dad de deformación sin rotura).
Existen distintas clasificaciones de suelos, la estadounidense ASTM, las europeas DIN y UNE. Hoy día se ha consolidado en España la clasificación UNE que establece la clasifi- cación utilizando una progresión geométrica con los números 2 y 6 (Figura 2).
El nombre de un suelo se designa por el del tamaño predominante de sus partículas. En los suelos en los que no predomina claramen- te un tamaño se denominan con dos o más nombres, utilizando los secundarios de forma adjetiva: arena arcillosa, limo arenoso, etc…
Análisis granulométrico
Denominamos análisis granulométrico de un suelo a la división porcentual en peso de sus partículas en función del tamaño de las mis- mas, con objeto de proceder a su identifica- ción.
Para los suelos de grano grueso se utiliza el método del tamizado; para los suelos de
grano fino el método de análisis granulométri- co que se emplea es el método de sedimenta- ción, si bien hoy día están mucho más exten- didos los métodos que analizan la plasticidad de los suelos de grano fino y permiten de forma indirecta su clasificación.
El método del tamizado consiste en pasar una cantidad de suelo seco, desmenuzado, por una serie de tamices hasta el tamiz 0,080 UNE o el 200 ASTM (0,074 mm). Se obtiene el peso retenido en cada tamiz y el que pasa por el tamiz final (lo que se conoce como rechazo y que constituyen los finos, limos y arcillas, del suelo analizado).
El ensayo está regulado por la norma UNE 103-101, y su resultado es una curva granulo- métrica en la que se representa gráficamente en un diagrama a escala natural el % de suelo que pasa por cada tamiz y a escala logarítmi- ca el tamaño de las partículas.
El método de sedimentación se basa en la ley de Stokes que define la velocidad de caída de un elemento esférico en un fluido. Para su eje- cución se mezcla una fracción de agua y suelo (50 g/l) que pasa por el tamiz 0,080 UNE o el 200 ASTM (0,074 mm). Para lograr la dis- persión de las partículas finas, que tienden a flocular, se añaden anticoagulantes.
El método de laboratorio más utilizado por su rapidez es el conocido como el método del densímetro. Consiste en introducir en la pro- beta en la que se encuentra la mezcla a inter- valos regulares de tiempo un densímetro, lo que permite obtener puntos de la curva granu- lométrica. Esta regulado por la norma UNE 103-102
Figura 2. Clasificación UNE de los suelos
Los límites de Atterberg
La consistencia de los suelos de grano fino depende sul grado de humedad. Partiendo de este hecho Atterberg definió unos límites que permiten establecer la transición de los distin- tos estados del suelo (de mayor a menor humedad): líquido o fluido, plástico, semisóli- do y sólido.
El límite líquido
se define como la humedad del suelo en su tránsito del estado fluido al plástico. Para su determinación se utiliza el método conocido como de la Cuchara de Casagrande (UNE- 103-103-94). Consiste en amasar un suelo que pase por el tamiz 4 UNE. Su humedad se corresponderá con el límite líquido si coloca- do en la cuchara y una vez ranurado con el acanalador, cierra en el fondo de la cuchara 13 mm tras 25 golpes.
Como conseguir el cierre a los 25 golpes es casi imposible, para obtener el valor del límite líquido se hacen dos determinaciones, una que cierre entre 25 y 40 golpes y otra entre 25 y 10 golpes, determinándose
de forma estadística, encajando una recta patrón entre las determinaciones realizadas en un impreso a escala logarítmica.
El límite plástico
se define como la humedad del suelo en su tránsito del estado plástico al semisólido. Se caracteriza porque el suelo pierde su plastici- dad y empieza a cuartearse. Se determina obteniendo la humedad de una muestra de suelo (que pasa por el tamiz 4 UNE) que es amasada por enrollamiento, hasta conseguir un cilindro de unos 3 mm. de diámetro que se disgrega en trozos de 0,5 a 5 cm de longitud (UNE-103-104-93)
Figura 3. Curva granulométrica
Figura 4. Los límetes de Atterberg
El límite de retracción
está definido por el contenido de humedad máximo de un suelo para el cual, una reduc- ción de la humedad no supone una disminu- ción de su volumen (UNE-103-108)
Asociado a estos límites se encuentra el índi- ce de plasticidad (IP) que se define como la diferencia entre los límites líquido y plástico, y que nos marca el rango en el que el suelo permanece en estado plástico.
Otro valor que nos permite conocer la consis- tencia de un suelo en función de su humedad natural es el índice de liquidez (IL), que se define mediante la expresión:
El índice de liquidez es inversamente propor- cional a la resistencia al corte del suelo.
Figura 5.
Figura 6. Cuchara de Casagrande
Clasificación de los suelos de grano fino Los suelos de grano grueso quedan perfecta- mente clasificados mediante los análisis gra- nulométricos de tamizado.
Para clasificar los suelos de grano fino Casagrande ideó un método basado en los valores de los límites líquido y plástico del suelo. Representó en un ábaco el límite líqui- do en abscisas y el índice de plasticidad en ordenadas. El resultado fue que los suelos de naturaleza arcillosa se situaban siempre por encima de una línea que denominó línea A, y los suelos de naturaleza orgánica y limos por debajo de dicha línea. Así mismo encontró que por encima de otra línea (U o superior) no existían suelos.
Por otro lado fijó el valor del límite líquido igual a 50, para diferenciar los suelos de mayor o menor plasticidad, y asigno una sim- bología (iniciales del nombre en ingles) a los distintos tipos de suelo:
C = Arcillas M = Limos
O = Suelos orgánicos
H = Alta plasticidad L = Baja plasticidad
Denominando a los suelos de la forma que se indica en el ábaco (Figura 7).
Actividad coloidal de los suelos arcillosos Se define la actividad coloidal de una arcilla como el cociente entre el índice de plasticidad y la fracción porcentual de suelo menor de 2 micras.
Si representamos en unos ejes cartesianos el índice de plasticidad de los suelos en función de su fracción de arcilla, los suelos que tienen una misma actividad se encuentran en una recta que pasa por el origen.
En el gráfico de la izquierda se representan suelos arcillosos expansivos de los alrededo- res de Argel. Con líneas de trazos se marcan los potenciales de hinchamiento en función de su actividad. Se ha comprobado que valores Figura 7. Clasificación de los suelos de grano fino según Casagrande
entre 0,6 y 1,0 se corresponden con una gran proporción de illita en el suelo y valores de actividad superiores a 2,0 indican la presen- cia mayoritaria de montmorillonita.
En el grafico de la derecha se representan estos mismos suelos en un ábaco de Casagrande, en el que en función del límite líquido se establece un criterio del potencial de hinchamiento. Podemos observar como a partir de valores del límite líquido por encima de ,el potencial de hinchamiento empieza a ser peligroso (potencial medio)
Equivalencia de arena
Este ensayo, regulado por la norma UNE-EN- 933-8-2000 nos da una relación porcentual entre el contenido real de arena y finos de un suelo. El ensayo pretende liberar de la mues- tra los posibles recubrimientos de arcilla
adheridos a las partículas de arena, para lo cual se prepara una disolución de la muestra en agua y mediante la adición de un coagu- lante, generalmente cloruro cálcico, se produ- ce una suspensión de las partículas finas sobre la arena.
Para realizar el ensayo se utiliza suelo que pase por el tamiz 2 UNE introduciéndolo en una probeta graduada, se añade agua y el aditivo y se agita mecánicamente durante 30 segundos. Tras dejar en reposo durante 20 minutos la probeta, se mide la altura h1 del nivel superior del floculado con relación a la base de la probeta (altura que alcanzan are- nas y finos decantados).
Para medir la altura de la arena sedimentada utilizamos introducimos en la probeta suave- mente un pistón tarado hasta que su pié repo- se en el sedimento (arena), midiendo la altura Figura 8. Tipos de suelos
Clasificación general de los suelos
Casagrande estableció una clasificación generalizada de los suelos que ha sido adop- tada por la ASTM, utilizando la clasificación de los suelos finos ya expuesta y otra simbo- logía para los suelos de grano grueso:
G = Gravas S = Arenas
W = Bien graduadas P = Mal graduadas
De este modo podemos identificar los siguientes suelos (Figura 8).
Ensayos de control
Dentro de los distintos ensayos de control que se realizan a las obras de tierras de las obras civiles que estamos analizando, las que pre- sentan una mayor relevancia, desde la pers- pectiva de su aplicación a la Arquitectura de tierra son:
- Ensayos de compactación - Ensayos de placa de carga
- Determinación de la permeabilidad en labo- ratorio.
Ensayos de compactación
El fin de la compactación de un suelo es la formación de una estructura resistente y poco compresible, y el grado de compactación alcanzado depende de dos factores básica- mente, la energía de compactación y su con- tenido de humedad.
Al compactar un suelo la variación de su den- sidad seca, en función de su humedad, pre- senta un máximo que se corresponde con un
valor que denominamos humedad óptima, que nos proporciona la máxima compacta- ción. Este máximo depende de la energía de compactación, de forma que al aumentar ésta, aumenta su densidad máxima y dismi- nuye su humedad óptima.
En laboratorio el ensayo de compactación más extendido es el ensayo Proctor, que en función de sus características se presenta en dos formas:
- Ensayo Proctor normal (UNE-103-500-94) - Ensayo Proctor modificado (UNE-103-501- 94)
En la figura 9 se representan los ensayos Proctor normal y modificado de un suelo. El que alcanza la mayor densidad seca es el de mayor energía de compactación (ensayo Proctor modificado).
Los ensayos consisten en la compactación de una muestra de suelo en tongadas sucesivas dentro de un molde cilíndrico. El apisonado de cada capa se hace mediante un pisón que cae desde una altura establecida, una serie de veces, con objeto de obtener una cierta energía de compactación.
Ensayos de placa de carga
Este es un ensayo de tensión-deformación que se realiza cargando el terreno con una placa rígida de sección circular o cuadrada, generalmente de 30 cm de diámetro de lado, mediante un gato hidráulico. Para el control del ensayo se dispone de un manómetro y de tres extensómetros.
Figura 9. Ensayos Proctor normal y modificado
Mediante la norma NLT-357 se define el módulo de compresibilidad del suelo, obteni- do a partir de un ensayo de placa de carga, mediante la expresión:
Donde:
= módulo de compresibilidad (MN/m2) r = radio placa (mm)
= Variación de tensión entre el 30% y el 70% de la tensión máxima del
ensayo (MN/m2)
= Variación del asiento correspondiente al intervalo de presiones (mm)
El valor del módulo de compresibilidad lo define la NLT para la fase de carga inicial
y para la fase de recarga del ensayo.
En las especificaciones de la capacidad de soporte de los suelos compactados, se suele
exigir un valor mínimo del módulo de compresibilidad del segundo ciclo de carga y un valor máximo del cociente de ambos módulos.
Figura 10. Tabla de los ensayos Proctor normal y modificado
Figura 11.Tabla de la compresibilidad del suelo
Determinación de la permeabilidad en labora- torio
Los ensayos de permeabilidad se realizan en laboratorio en permeámetros basados en el que en 1856 Darcy utilizó para estudiar el movimiento del agua a través de las arenas de Dijon.
Para suelos arenosos limpios o con finos el permeámetro mas utilizado es el permeáme- tro de carga constante y flujo ascendente.
Para obtener el coeficiente de permeabilidad (K) se mide el volumen (V) que atraviesa la muestra colocada dentro del permeámetro en el tiempo (t) de ensayo, y se aplica la siguien- te expresión:
donde:
S = Sección del permeámetro
H = Longitud de muestra atravesada por el flujo de agua
= Diferencia de potencial entre los extre- mos de la muestra.
El coeficiente de permeabilidad se expresa en las mismas unidades que la velocidad (cm/s, m/s).
Especificaciones técnicas
A continuación vamos a exponer las especifi- caciones técnicas que se exigen en la norma- tiva vigente en las obras de tierra de las obras civiles que se están analizando en esta ponencia, con objeto de establecer su posible transferencia y aplicación a las obras de Arquitectura de Tierra.
Terraplenes
Las especificaciones que se exigen a los terraplenes figuran en el artículo 330 de Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para obras de carreteras y puentes, docu- mento conocido como PG-3.
En el PG-3 se distinguen cuatro zonas en los terraplenes: coronación, núcleo cimiento y espaldón; y cinco tipos de suelos.
El PG3 (Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para obras de carreteras y puen- tes) dedica su artículo 330 a los terraplenes, distinguiendo cuatro zonas en ellos: seleccio- nados, adecuados, tolerables, marginales e inadecuados.
En función de la zona del terraplén se permi- te la utilización de uno u otro tipo de suelo.
A todos los suelos se le exigen las dos condi- ciones granulométricas siguientes:
"Que pase más del 70% por el tamiz 20 UNE
"Que pase a lo sumo el 35% por el tamiz 0,080 UNE.
Figura 12.
Figura 13.Tabla de Himat (1984), se indica la calidad de los materiales a emplear en presas homogéne- as
Figura 14.
Figura 15.
Figura 16.
Las características más importantes exigidas a estos suelos son las que figuran en la tabla adjunta (Figura 12).
Los marginales son los que no cumpliendo algunas características exigidas a los otros suelos tengan un contenido en materia orgá- nica menor del 5% y un hinchamiento libre menor del 5%.
Presas de materiales sueltos
Unos de los parámetros más exigentes en el diseño de presas de materiales sueltos es el coeficiente de permeabilidad exigible a los materiales que la constituyen. Así en el núcleo de la presa en las presas heterogéne- as, o en su conjunto en el caso de presas homogéneas, los valores exigidos están entre 10-7 y 10-9 m/s.
Dentro de las presas de materiales sueltos las de mayor interés para nuestros propósitos son las presas homogéneas. En función del porcentaje de arcilla que tiene el material terreo su empleo en el cimiento en el cuerpo de presa puede o no ser adecuado.
En la tabla adjunta, debida a Himat (1984), se indica la calidad de los materiales a emplear en presas homogéneas (Figura 13).
Capas de firmes de carreteras
El PG3 dedica su artículo 510 a las zahorras, imponiendo una serie de prescripciones técni- cas al material para su uso en capas de fir- mes de carreteras.
En lo relativo al análisis granulométrico marca unos husos granulométricos entre los que debe encontrarse el material para ser apto, designándose el tipo de zahorra en función del tamaño máximo nominal, que se define como la abertura del primer tamiz que retiene más de un diez por ciento.
Los husos granulométricos para las zahorras artificiales se detallan en la figura 14.
Para las zahorras naturales los husos granu- lométricos se detallan en la figura 15.
Otras especificaciones son relativas a su plasticidad, exigiendo a todas las zahorras una plasticidad nula, permitiéndose en las zahorras naturales para tráficos T4:
LL < 25 IP < 6
Y respecto a su equivalente de arena las limi- taciones para los distintos tipos de tráfico son las que se representan en la figura 16.
Propuesta planteada
Como conclusión final se propone una pro- puesta de características exigibles al material terreo a utilizar en obras de Arquitectura de Tierra.
Análisis granulométrico de tamizado - Limitación del tamaño máximo de árido - Limitación del porcentaje de material que pasa el tamiz 0,080 UNE
- Huso granulométrico recomendado Figura 17.
- Limitación de la retracción
Exigencias de compactación
- Indicación del porcentaje exigible de la den- sidad Proctor de referencia.
- Recomendación de la humedad de compac- tación respecto a la óptima de referencia.
una tongada de tapial de 10 cm de espesor y una superficie de compactación de 30 x 30 cm, con el ensayo Proctor Normal (Figura 17).
Bibliografía
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JIMENEZ SALAS J.A y de JUSTO ALPAÑÉS J.L.
Geotécnia y Cimientos I. Propiedades de los sue- los y de las rocas.. Ed. Rueda 1.971 Madrid.
España
Norma UNE-103-103-94. Determinación del límite líquido de un suelo por el método del aparato de Casagrande. Ed. AENOR.
Norma UNE-103-104-93. Determinación del límite plástico de un suelo. Ed. AENOR.España
Norms UNE-103-108-96. Determinación de las características de retracción de un suelo. Ed.
AENOR. España
Norma UNE-103-500-94. Ensayo de compactación Proctor Normal. Ed. AENOR. España
