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Fases de los materiales en el suelo
El suelo consta de tres fases: sólida, líquida y gaseosa. La fase sólida está representada por partículas sólidas, agua líquida y la fase gaseosa por aire cerrado o vapor de agua en los poros del suelo.
Ciertos tipos de suelo pueden consistir en una, dos o tres fases, lo que significa que la composición del suelo puede ser un sistema monofásico, bifásico o trifásico. Las propiedades físicas del suelo dependen de fases individuales.
El suelo incoherente, como arena o grava completamente seca, consta de una sola fase: partículas sólidas. El aire que existe en los poros de ese suelo no está cerrado y no se opone al movimiento de las partículas sólidas, por lo que no puede considerarse una fase.
El suelo húmedo y coherente por encima del nivel freático, que consta de partículas sólidas y poros cerrados, llenos en parte de agua y en parte de aire o vapor de agua, es el suelo del sistema trifásico. En el caso de sólidos en movimiento, el agua y el aire en los poros del suelo se oponen al mismo tiempo.
El suelo debajo del nivel freático, cuyos poros están completamente llenos de agua, de modo que no hay aire ni vapor de agua en ellos, es un sistema de dos fases. Se supone que el suelo en las capas más profundas es un sistema de dos fases, porque el aire cerrado en los poros del suelo a mayores profundidades no tiene un efecto significativo sobre sus propiedades físicas, que en este caso están determinadas por las propiedades de las fases sólida y líquida.
Composición granulométrica
Los ingredientes sólidos del suelo son materia mineral u orgánica de diferentes tamaños, que van desde grandes guijarros y bloques, del tamaño de cientos y miles de milímetros hasta el tamaño de una molécula. Como sabes, una molécula es una millonésima de milímetro, un milimicrón. Se considera que el tamaño más pequeño de los sólidos del suelo es 20 mo micras.
El tamaño de las partículas sólidas del suelo tiene una gran influencia en sus propiedades físicas. Esta aspereza se expresa mediante la composición granulométrica, que representa la relación entre los tamaños de grano individuales por sus partes en peso y el peso total del suelo. La división del suelo según su composición granulométrica es diferente en los distintos países. Nuestra división es la siguiente:
Límites de tamaño de partículas
Tamaño 2 mm – límite entre la composición del suelo de grano grueso y de grano fino. Las partículas sólidas hasta 2mm muestran el ascenso capilar del agua en el suelo. El suelo de grano grueso no tiene capilaridad.
Tamaño 0,2 mm – límite entre arena de grano grueso (afilada) y fina (blanda).
Tamaño 0,02 mm: el límite hasta el cual se pueden reconocer a simple vista granos individuales en el suelo.
Tamaño 0,002 mm – límite entre tierra suelta y arcilla
Tamaño 0,0002 mm – límite entre arcilla y arcilla coloidal.
Los componentes sólidos debajo de 0,002 mm tienen una gran influencia en las propiedades físicas del suelo. Estos ingredientes dan cohesión al suelo, y si son más pequeños y más abundantes en el suelo, la cohesión del suelo es más pronunciada. Sin embargo, la cohesión del suelo también depende de la composición mineral de las partículas sólidas más pequeñas que 0,002 mm. Si estas partículas se forman por la descomposición de minerales muy duros como el cuarzo, entonces su cohesión es muy baja o inexistente, y su absorción de agua también es relativamente baja. Si las partículas siguientes 0,002 mm se crearon mediante la descomposición de materiales arcillosos, entonces tienen propiedades aglutinantes que son tanto más fuertes cuanto más pequeñas son las partículas, mientras que la absorción de agua de dichas partículas es muy alta.
La composición granulométrica del suelo proporciona datos importantes y fiables sobre algunas de sus propiedades físicas. Si en el suelo predominan partículas de arcilla por debajo de 0,002 mm, entonces ya se puede concluir que dicho suelo es plástico, coherente, higroscópico, con alta capilaridad, baja permeabilidad y tiene un ángulo de fricción interno bajo.
La composición granulométrica del suelo está representada por las líneas de la composición granulométrica (fig. 1).
Fig. 1 - Líneas de composición granulométrica del suelo: 1-arena grava; 2-arena polvorienta; 3-polvo arenoso; 4-suelo arcilloso; 5-arcilla
La línea de ordenadas de la composición granulométrica muestra la fracción en peso de partículas sólidas menores que el diámetro representado por la abscisa del punto dado. Por ejemplo, en el punto A de la línea 4 la ordenada muestra que hay partículas 92% más pequeñas que 2 mm, y que las 8% restantes son más grandes que 2 mm.
Clasificación del suelo según composición granulométrica
Los suelos que contienen partículas sólidas mayores que 2 mm se clasifican según la división general del suelo por composición granulométrica, que se muestra en la fig. 1. Al hacerlo, se adopta como fracción básica la que está más representada en el suelo, mientras que las demás son adicionales. Por ejemplo, si la granulación general del suelo es mayoritariamente arena con una menor cantidad de grava, entonces dicho suelo se clasifica como arena gravable, mientras que lo contrario sería grava arenosa. En la clasificación también se puede indicar la proporción de fracciones individuales en el suelo. Por ejemplo, si un suelo contiene arcilla 15%, polvo 45%, arena 30% y grava 10%, se puede clasificar como suelo arcilloso con arcilla 15% y grava 10%.
Sin embargo, para suelos de grano fino que contienen partículas sólidas menores que 2 mm, la clasificación en función de su composición granulométrica se suele realizar según un diagrama triangular. Existen varios diagramas de este tipo, de los cuales enumeraremos el más básico de la Oficina de Suelos de EE. UU., fig. 2.
Fig. 2 - Diagrama triangular de la Oficina de Suelos de EE. UU.
El diagrama consta de tres ejes de coordenadas plegados en un triángulo equilátero, en el que cada eje representa una fracción, a saber, arena, polvo y arcilla en % en peso de toda la masa del suelo. La superficie del diagrama está dividida en zonas 10, cada una de las cuales representa un tipo de suelo distinto. Cada lado del triángulo representa una abscisa a partir de la cual se levantan ordenadas paralelas a las otras dos abscisas.
Cada punto en este diagrama tiene coordenadas 3 que representan los porcentajes de la fracción 3 especificada en un suelo determinado y determinan el tipo de suelo. Así, por ejemplo, el punto M en el diagrama representa arcilla. Se obtiene de la forma que a partir del diagrama de composición granulométrica fig. 1 determina las fracciones individuales, que en este caso serían (línea 4 en la Fig. 1): 35% arcilla, 25% polvo, 40% arena, mientras que la cantidad de 8% grava se desprecia ya que es menos de 10%.
Esta clasificación se refiere a las fracciones de arena, polvo y grava según la división americana, pero aún así se adopta como tal por los valores comparativos y la experiencia que se tiene con dicha clasificación.
Grado de irregularidad del suelo
Según Allen Hazen, el grado de irregularidad del suelo es la relación (fig. 3)
U=d60/d10
donde d60 es el diámetro de grano correspondiente a la ordenada 60%, y d10 es el diámetro de grano correspondiente a la ordenada 10%.
Para U < 5 tlo je ravnomernog sastava,
para U = 5 – 15 el suelo es de composición moderadamente desigual,
para U > 15 el suelo tiene una composición desigual.
Cuando la línea de composición granulométrica es empinada, el valor del grado de desnivel U es pequeño, mientras que el de una línea plana es grande. El valor más pequeño para U es 1. Si la línea de composición granulométrica es más plana, el valor de U es mayor. Para arena suele ser U=1-15, para suelos arcillosos U=10-90, pero para suelos con una composición muy desigual U puede tener valores muy altos.
Fig. 3 - Determinación del diámetro de grano d60 y d10
Regla de filtro
Esta regla se basa en la composición granulométrica del filtro, cuya tarea es reducir el gradiente hidráulico en el contacto entre el suelo y la capa de drenaje de piedra en el tamaño de grano de transición, para evitar el lavado de pequeñas partículas del suelo por el agua subterránea. Las condiciones básicas que debe cumplir la capa filtrante son que sea permeable al agua y estable.
Existen varias reglas para la composición de filtros, entre las cuales solo la regla de Terzaghi aparecerá aquí como la más famosa.
La regla de Terzaghi
La regla de Terzaghi dice: La granulación del filtro debe ser tal que sus granos en la cantidad de 15% partes en peso de toda la masa del filtro (F15) sean al menos 4 veces más grandes que las partículas más grandes del suelo sobre el que descansa el filtro (bases) en la cantidad de 15% partes en peso de la base (B15) sin ser mayor que 4 veces B85, es decir, tamaños de las partículas más pequeñas en 85% partes en peso de la base. Esta regla se puede expresar mediante las relaciones:
F15/B15 > 4 y F15/B85 < 4.
La primera relación asegura la permeabilidad al agua del filtro, mientras que la segunda garantiza su estabilidad.
Fig. 4 - Regla de filtro Terzaghia
Las partículas más pequeñas y más grandes de la base se presentan en la fig. 4 líneas fronterizas 1 y 2. Las líneas de límite del filtro son 3 y 4. La condición F15 > 4_B15_ está representada por el punto a en la línea límite 3, la condición F15 < 4_B85_ tačkom b na liniji 4.
Se recomienda que la línea de la composición granulométrica del filtro sea aproximadamente paralela a la línea de la composición granulométrica de la base.
En lugar de dos líneas extremas de la composición granulométrica de la base como en la fig. 4, puede ser una línea de granulación media. En ese caso, los puntos B15 y B85 están en la misma línea (como en la Fig. 5).
Muy a menudo, la diferencia de granulación entre la base y la capa de drenaje es tal que una zona de filtrado no es suficiente para la transición entre la base y la capa. En este caso, el filtro se compone de varias zonas de filtrado, que se determinan según la misma regla hasta alcanzar el mayor tamaño de grano del depósito de drenaje.
Fig. 5 - Ejemplo de cálculo de capas de filtro
Las divisiones, tamaños límite y reglas enumerados se transfieren de una fuente histórica y no sustituyen a una clasificación geotécnica, informe de laboratorio, diseño de filtro o plan de rendimiento actuales. El suelo real y el sistema de drenaje requieren muestreo representativo, pruebas adecuadas, verificación de aguas subterráneas y superficiales, erosión y estabilidad interna, así como una evaluación por parte de un experto autorizado de acuerdo con la normativa vigente y las condiciones del proyecto específico.