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• Jhoan S. Gómez Córdoba

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MECANICA DE SUELOS UNIDAD 3.

Fases del Suelo

3.1 Fases del suelo – Simbología y definiciones •

Es importante conocer la estructura física del suelo tanto para un suelo húmedo como saturado para determinar los cambios en volumen, y en peso del mismo.

•

Del conocimiento o partición de la estructura de suelo tanto en volumen como en peso, es posible determinar características espaciales del mismo así como características influenciadas por la fuerza de gravedad.

•

Se tratarán características tales como la humedad, porosidad, relación de vacíos, grado de saturación, peso unitario (seco, húmedo), gravedad específica.

FASES DEL SUELO – MECÁNICA DE SUELOS

Figura 1.0 Estructura Interna del suelo para el caso de suelo húmedo y saturado. Tomada de: Gómez, E. (2014). Relaciones volumétricas y gravimétricas [Diapositivas]. Medellín, Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín Facultad de Minas.

FASES DEL SUELO – MECÁNICA DE SUELOS

Figura 2.0 Desglose de la estructura Interna del suelo en peso y en volumen. Tomada de: Das, B. M. (2001). Fundamentos de ingeniería geotécnica (No. 624.13). Thomson Learning:.

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3.1 Fases del suelo – Simbología y definiciones •

Inicialmente el suelo se separa para desarrollarse en tres fases (sólida, líquida, gaseosa) (Das, Braja. 2001), por lo tanto una muestra de suelo puede ser expresada como: 𝑉 = 𝑉𝑠 + 𝑉𝑣 = 𝑉𝑠 + 𝑉𝑤 + 𝑉𝑎

•

Ec.1

Donde, • Vs = Volumen de sólidos del suelo. • Vv = Volumen de vacíos. • Vw = Volumen de agua en los vacíos. • Va = Volumen de aire en los vacíos.

FASES DEL SUELO – MECÁNICA DE SUELOS

3.1 Fases del suelo – Simbología y definiciones •

En cuanto al peso se tiene que, a diferencia del volumen en la parte del aire no existe un valor (Das, Braja. 2001), es decir que:

𝑊 = 𝑊𝑠 + 𝑊𝑤 •

Ec.2

Donde, • Ws = Peso de sólidos del suelo. • Ww = Peso de agua en los vacíos.

FASES DEL SUELO – MECÁNICA DE SUELOS

3.2 Relaciones Volumétricas y gravimétricas - Relaciones fundamentales •

Relaciones de volumen

En el uso común en la mecánica de suelos las relaciones más comunes son: •

Relación de vacíos e: Indica la cantidad de vacíos o la razón de estos en una muestra de suelo (Das, Braja. 2001). Es una propiedad que cambia a razón de una fuerza aplicada, y a su vez con la temperatura aplicada (variables impuestas). •

Se define mediante la siguiente expresión:

𝑒=

𝑉𝑣 𝑉𝑠

Ec. 3

•

Es un valor adimensional y se expresa entre 0.5 y 1.1 (Gómez, E.,2014).

•

Cual material tendrá mayor relación de vacíos uno granular o uno fino?

FASES DEL SUELO – MECÁNICA DE SUELOS

Tabla 1.0 Algunas relaciones volumétricas según el tipo de material. Tomada de: http://civildocs.blogspot.com.co/2011/05/relaciones-volumetricas-y-gravimetricas.html

FASES DEL SUELO – MECÁNICA DE SUELOS

3.2 Relaciones Volumétricas y gravimétricas - Relaciones fundamentales •

Relaciones de volumen

•

Porosidad n: A diferencia de la relación de vacíos, esta propiedad concentra el volumen de vacíos respecto a toda la masa de suelo en cuanto a su volumen (Vs, Vw, Vv) (Das, Braja. 2001). , está influenciado por variables naturales que no son constantes a lo largo del tiempo (cargas, desecamiento, humectación). •

Se define mediante la siguiente expresión:

𝑛= •

𝑉𝑣 𝑉

Ec.4

Está expresado porcentualmente, que teóricamente se mueve en un rango entre 0% y 100%, pero prácticamente entre 20% y 95% (Gómez, E.,2014). FASES DEL SUELO – MECÁNICA DE SUELOS

3.2 Relaciones Volumétricas y gravimétricas - Relaciones fundamentales •

Relaciones de volumen

•

Relación entre la porosidad n y la relación de vacíos e, tomado de (Das, Braja. 2001). 𝑉𝑣 𝑉𝑣 𝑒= = 𝑉𝑠 𝑉 − 𝑉𝑣 𝑉𝑣 = 𝑉 𝑉 𝑉𝑣 − 𝑉 𝑉 =

•

𝑛 1−𝑛

Ec.5

Así mismo si determinamos la relación de vacíos a partir de la porosidad quedaría (Tomado de (Das, Braja. 2001)):

𝑛=

𝑒 1+𝑒

Ec.6 FASES DEL SUELO – MECÁNICA DE SUELOS

3.2 Relaciones Volumétricas y gravimétricas - Relaciones fundamentales •

Relaciones de volumen

•

Grado de saturación S: Es definido como la relación entre el volumen de agua y el volumen de vacíos, expresando la proporción de vacíos ocupada por el agua (Leoni, A,. 2010). •

Se define mediante la siguiente expresión:

𝑆= •

𝑉𝑤 𝑉𝑣

∗ 100 =

𝑉𝑤 𝑉𝑤 +𝑉𝑎

∗ 100

Ec.7

Está expresado porcentualmente, y tanto teóricamente como en la práctica se mueve en un rango entre 0% y 100 (Gómez, E.,2014).

FASES DEL SUELO – MECÁNICA DE SUELOS

3.2 Relaciones Volumétricas y gravimétricas - Relaciones fundamentales •

Relaciones de peso

•

Están influenciados por la fuerza de gravedad expresadas en proporción respecto a una unidad determinada como lo es el volumen así como respecto a su propio peso (Leoni, A,. 2010).

•

Entre las más comunes se encuentran la humedad y el peso unitario.

•

Contenido de humedad w: Se expresa como el peso del agua respecto al peso de los sólidos en un volumen dado de suelo mostrando finalmente el contenido de agua (Leoni, A,. 2010).

𝑤=

𝑊𝑤 𝑊𝑠

Ec.8

FASES DEL SUELO – MECÁNICA DE SUELOS

3.2 Relaciones Volumétricas y gravimétricas - Relaciones fundamentales •

Relaciones de peso

•

Peso unitario γ: Corresponde al peso del suelo por unidad de volumen,

γ= •

Ec.9

Es posible expresar el peso unitario en término respecto al peso de los sólidos y a la humedad (Das, Braja. 2001).

γ= •

𝑊 𝑉

𝑊 𝑉

=

𝑊𝑠 +𝑊𝑤 𝑉

=

𝑊𝑠 𝑊𝑠

𝑤 +𝑊 𝑊𝑠

𝑉 𝑊𝑠

=

𝑊𝑠 (1+𝑤) 𝑉

Ec.10

El peso unitario es expresado normalmente como el peso unitario húmedo de una muestra de suelo (Das, Braja. 2001). FASES DEL SUELO – MECÁNICA DE SUELOS

3.2 Relaciones Volumétricas y gravimétricas - Relaciones fundamentales •

Relaciones de peso

•

Peso unitario seco γd: En este caso es la proporción de peso de un suelo seco respecto al volumen que el mismo ocupa.

γ𝑑 = •

Ec.11

A su vez el peso unitario seco expresado en función del peso unitario húmedo se relaciona como:

γ𝑑 = •

𝑊𝑠 𝑉

γ 1+𝑤

Ec.12

Se expresa como una unidad de masa (kN, kg) y una unidad de volumen (m3, cm3), (Das, Braja. 2001).

FASES DEL SUELO – MECÁNICA DE SUELOS

3.2 Relaciones Volumétricas y gravimétricas - Relaciones fundamentales •

Factores que afectan a e y γ

•

No dependen del diámetro de las partículas siempre y cuando exista uniformidad (Leoni, A,. 2010). Figura 3.0 Factores de uniformidad cuando afectan a e y γ del suelo. Tomado de: Leoni, A. (2010). Relaciones volumétricas y gravimétricas [Documento en línea]. Buenos Aires - Argentina, Universidad Nacional de La Plata. URL http://www.ing.unlp.edu.ar/catedras/C0107/descargar.php?doc=334 _Relaciones%20gravimetricas%20y%20volumetricas-2010.pdf.

e1;γ1 •

e2;γ2

Según (Leoni, A,. 2010) “e1= e2 y γ1= γ2 dado que en los dos casos, el Vs es el mismo y el V lo es también”.

FASES DEL SUELO – MECÁNICA DE SUELOS

3.2 Relaciones Volumétricas y gravimétricas - Relaciones fundamentales •

Factores que afectan a e y γ

•

La relación de vacíos y el peso unitario son función de la disposición de partículas (Leoni, A,. 2010). Figura 4.0 Factores de función de forma cuando afectan a e y γ del suelo. Tomado de: Leoni, A. (2010). Relaciones volumétricas y gravimétricas [Documento en línea]. Buenos Aires - Argentina, Universidad Nacional de La Plata. URL http://www.ing.unlp.edu.ar/catedras/C0107/descargar.php?doc =334_Relaciones%20gravimetricas%20y%20volumetricas-2010.pdf.

e1;γ1 •

e2;γ2

Según (Leoni, A,. 2010) “e1> e2 y γ1 e2 y γ1