UNIDAD 3 RELACIONES VOLUMETRICAS Y GRAVIMETRICAS DEL SUELO

FASES DEL SUELO

En un suelo se distinguen tres fases constituyentes: la sólida, la líquida y la gaseosa. 

• Fase sólida está formada por las partículas minerales del suelo (incluyendo la capa sólida adsorbida)
• Fase líquida por el agua (libre, específicamente), aunque en el suelo pueden existir otros líquidos de menor significación.
• Fase gaseosa comprende sobre todo el aire, pero pueden estar presentes otros gases (vapores sulfurosos, anhídrido carbónico, etc.).

Las fases líquida y gaseosa del suelo suelen comprenderse en el volumen de vacíos (Vv), mientras que la fase sólida constituye el volumen de sólidos (Vs).  Se dice que un suelo es totalmente saturado cuando todos sus vacíos están ocupados por agua. Un suelo en tal circunstancia consta, como caso particular de solo dos fases, la sólida y la líquida. 

Es importante considerar    las    características    morfológicas    de    un    conjunto    de partículas sólidas, en un medio fluido. Eso es el suelo.  Las relaciones entre las diferentes fases constitutivas del suelo (fases sólida, líquida y gaseosa), permiten avanzar sobre el análisis de la distribución de las partículas por tamaños y sobre el grado de plasticidad del conjunto. 

La capa viscosa del agua absorbida, que presentan propiedades intermedias entre la fase sólida y la líquida, suele incluirse en esta última, pues es susceptible de desaparecer cuando el suelo es sometido a una fuerte evaporación (secado). Algunos suelos contienen, además, materia orgánica (residuos    vegetales parcialmente descompuestos) en diversas formas y cantidades. Las fases líquida y gaseosa conforman el Volumen de Vacíos, mientras que la fase sólida constituye el Volumen de Solidos. Un suelo está    totalmente    saturado, cuando    todos    sus    vacíos    están    ocupados únicamente por agua; en estas circunstancias consta, como caso particular, de sólo dos fases: la sólida y la líquida. Muchos suelos bajo la capa están saturados. 

En los laboratorios de mecánica de suelos puede determinarse fácilmente el peso de las muestras húmedas, el peso de las muestras secadas al horno y la gravedad específica de las partículas que conforman el suelo, entre otras.   Las relaciones entre las fases del suelo tienen una amplia aplicación en la Mecánica de Suelos para el cálculo de esfuerzos.  La relación entre las fases, la granulometría y los límites de Atterberg se utilizan para clasificar el suelo y estimar su comportamiento.

Modelar el suelo es colocar fronteras que no existen.  El suelo es un modelo discreto y eso entra en la modelación con dos parámetros, e y h (relación de vacíos y porosidad), con las fases.  El agua adherida a la superficie de las partículas, en la fase sólida.  En la líquida, sólo el agua libre que podemos sacar a 105 °C cuando, después de 24 o 18 horas, el peso del suelo no baja más y permanece constante. 

RELACIONES FUNDAMENTALES DE LAS PROPIEDADES MECANICAS DE LOS SUELOS.

Las relaciones que se dan a continuación son importantísimas, para el manejo compresible de las propiedades mecánicas de los suelos y un completo dominio de su significado y sentido físico; es imprescindible para poder expresar en forma asequible los datos y conclusiones de la mecánica de suelos. 

• Se denomina Relación de vacíos, oquedad o índice los poros a la relación entre el volumen de los vacíos y el de los sólidos de un suelo: 

La relación puede variar teóricamente de 0 (Vv=0) a ∞ (valor correspondiente a un espacio vacío). En la práctica no suele hallarse valores menores de 0.25 (arenas muy compactas con finos) ni mayores de 15, en el caso de algunas arcillas altamente compresibles. La relación de vacíos también puede expresarse en función de la porosidad de la manera siguiente:

• Se llama porosidad de un suelo a la relación entre su volumen de vacíos y el volumen de su masa. Se expresa como porcentaje:

Esta relación puede variar de 0 (en un suelo ideal con solo fase solido) a 100 (espacio vacío). Los valores reales suelen oscilar entre 20% y 95%. La relación de porosidad también puede expresarse en función de la relación de vacíos así:

• Se denomina grado de saturación de un suelo a la relación entre su volumen de agua y el volumen de sus vacíos. Suele expresarse también como un porcentaje:

Varia de 0 (suelo seco) a 100% (suelo totalmente saturado).

• Se conoce como contenido de agua o humedad de un suelo, la relación entre el peso de agua contenida en el mismo y el peso de fase sólida. Suele expresarse como un porcentaje:

Varía teóricamente de 0 a ∞. En la naturaleza la humedad de los suelos varía entre límites muy amplios. En arcilla japonesas se han registrado contenidos de agua 1,200 – 1,400%, si bien estos valores son excepcionales. En México, existen valores de 1,000% en arcillas procedentes de la región surestes del país. En el valle de México son normales humedades de 500 – 600%.

• El grado de saturación de aire es una magnitud de escasa importancia práctica, respecto a las anteriores relaciones. Se define:

•  Compacidad relativa. En los suelos formados por partículas gruesas, como las gravas y las arenas, es muy importante conocer su estado de compacidad, que viene definida por la llamada “compacidad relativa” y que se expresa como sigue:

Generalmente la “compacidad” relativa se expresa en porcentaje. Cuando los suelos tienes cantidades apreciables de arcilla o limo, la C r pierde su significado por no tener valores definidos la e max y la e min. Asi e max , e min y e nat son la relación de vacíos en su estado más suelto, en su estado más compacto y en su estado natural, respectivamente. Luego entonces, la compacidad relativa indica el grado de compacidad de un suelo granular en su estado natural, determinado mediante la relación del máximo incremento posible de su relación de vacíos a la amplitud total de variación de dicha relación.

FORMULAS PARA DETERMINAR RELACIONES VOLUMETRICAS Y GRAVIMETRICAS DE SUELOS SATURADOS Y PARCIALMENTE SATURADOS.

DETERMINACION EN EL LABORATORIO DEL PESO ESPECIFICO RELATIVO DE SOLIDOS.

LA DENSIDAD DE LOS SOLIDOS

Se define como la relación que existe entre el peso de los sólidos y el peso del volumen del agua desalojado por los mismos. Generalmente la variación de la densidad de sólidos es de 2.60 a 2.80, aunque existen excepciones como en el caso de la turba en la que se han registrado valores de 1.5 y aún menores, debido a la presencia de materia orgánica. En cambio en suelos con cierta cantidad de minerales de hierro la densidad de sólidos ha llegado a 3

APLICACION

El Peso específico relativo de los sólidos es una propiedad índice que debe determinarse a todos los suelos, debido a que este valor interviene en la mayor parte de los cálculos relacionados con la Mecánica de suelos, en forma relativa, con los diversos valores determinados en el laboratorio pueden clasificarse algunos materiales. Una de las aplicaciones más comunes de la densidad (Ss), es en la obtención del volumen   de   sólidos, cuando   se   calculan   las   relaciones   gravimétricas   y volumétricas de un suelo.

OBJETIVO

Determinar la densidad de una arena y/o un suelo fino (dado que es el mismo procedimiento para ambos suelos), empleando para ello un matraz de fondo plano, con su correspondiente curva de calibración.  Determinar la densidad y la absorción en una grava de río y en una caliza triturada.

EQUIPO Y MATERIAL QUE SE UTILIZA

• Matraz aforado a 500 ml.
• Balanza con aproximación al 0.1 gr.
• Termómetro
• Embudo
• Probeta de 500 ml. de capacidad
• Pizeta o gotero
• Pipeta
• Bomba de vacíos
• Horno o estufa
• Franela o papel absorberte
• Curva de calibración del matraz
• Canastilla
• Charola de aluminio
• Espátula
• Cristal de relo

PROCEDIMIENTO

Para la determinación de la densidad de arena y finos;

1. Se seca el suelo en estudio al horno, se deja enfriar y se pesa una cantidad de material entre 50 y 100 grs. (Ws).
2. Se vierte agua al matraz hasta la mitad de la parte curva, se vacían los sólidos empleando para esto un embudo y en la parte inferior del matraz se coloca un fólder, por si se cae algo de material pueda ser recogido posteriormente y vaciado al matraz.
3. Se extrae el aire atrapado en el suelo, empleado la bomba de vacíos; el material con el agua se agita sobre su eje longitudinal, se conecta a la bomba de vacíos por 30 seg.
4. Se repite el paso anterior unas 5 veces.
5. Se completa la capacidad del matraz con agua hasta la marca de aforo, de tal manera que la parte inferior del menisco coincida con la marca (500ml).
6. Se pesa el matraz + agua + sólidos (Wmws).
7. Se toma la temperatura de la suspensión, con esta, se entra a la curvade calibración del matraz y se obtiene el peso del matraz + agua hasta la marca de aforo (Wmw).
8. Se sustituyen los valores obtenidos en la fórmula siguiente y se obtiene la densidad