Estructuras Del Suelo

MECÁNICA DE SUELOS I Y LAB. Ing. Alfredo Navarrete Pérez

Estructuración de los suelos.

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Consideraciones Generales. Definición. En general, la estructura del suelo se trata de la naturaleza de las partículas, la orientación y organización en su conjunto. La naturaleza de las partículas incluye sus interacciones físicas y fisicoquímicas. Estructura Primaria. La estructura primaria se refiere a la colocación natural de las partículas que se puede considerar como un sistema continuo, como un lecho de arena o grava. Estructuras Simples. Suelos gruesas (arenas y gravas) suelen formar estructuras simples de granos individuales puestos unos sobre otros. Suelos Masivos. Suelos finos (limos y arcillas) pueden formar estructuras masivas (donde no hay una estructura aparente). Si un suelo grueso de estructura simple se encuentra como estrato uniforme y profundo, se puede considerar que también tiene una estructura masiva. Suelos Estratificados. La estratificación de muchos suelos depositados en agua, por ejemplo, donde hay estratos alternando de suelos gruesos y finos, es una estructura primaria común. Estructura Errática. Se puede considerar que son suelos que tienen una orientación de partículas muy errática. Puede ser el resultado de acción del hielo, derrumbes, sedimentos de inundaciones de ríos, gravedad en suelos superficiales de talud, o ciertos agentes de transporte, que depositan una masa de suelo de gran espesor en un solo evento. Estructura Secundaria. Si el suelo se sujeta a cambios de volumen con cambios de contendido de agua importante, por ejemplo en un suelo expansivo, pueden ocurrir estructuras secundarias en la estructura primaria debidas a los ciclos de expansión y contracción, produciendo una red de grietas de tensión. Se considera a estas grietas una estructura secundaria que puede ser de tamaño macroscópico o microscópico. El sistema de grietas divide a la masa de suelo en aglomeraciones de partículas de formas laminadas.

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Forma, Arreglo y Orientación de Partículas.

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La forma, el arreglo y la orientación de las partículas influyen en la resistencia, compresibilidad, permeabilidad, y la facilidad de compactar sistemas de partículas. La forma de partículas puede ser esférica, cilíndrica, cubica, prismática, acular o de forma de escamas. El arreglo y la orientación de partículas pueden producir sistemas sueltos o compactos. Se puede determinar la forma de partículas suficientemente grandes por observación directa, aun que fácil, sería mucho trabajo realizar para un suelo dado. La Estructura de los Suelos Gruesos Forma Equidimensional. La forma característica de las partículas en los suelos gruesos, (y también de los limos) es la forma equidimensional, en la cual, las tres dimensiones perpendiculares de una partícula son de magnitud comparable. Generalmente se originan de los agentes de la desintegración mecánica. Según la intensidad y lapso de tiempo que estos agentes hayan actuados, se producen las siguientes variaciones en la forma equidimensional: Formas Angulosas. En la forma angulosa de las partículas, se presenta aristas y vértices aguzados (por ejemplo, como en la piedra triturada). Esta forma es típica de arenas residuales. Se encuentra esta forma en arenas volcánicas y a menudo en arenas marinas no en la playa. Formas Subangulosas. En la forma subangulosa, las aristas y vértices están algo redondeados por los afectos de rodamiento y la abrasión mecánica. Se suele producir por el arrastre de las partículas por los agentes de transporte como agua y viento. Formas Subredondeadas. En la forma subredondeada, las aristas y vértices están aun más redondeados por los afectos de rodamiento y la abrasión mecánica, pero ya no están redondeadas. Formas Redondeadas. En la forma redondeada, las partículas son casi esféricas. Esta forma es típica de arenas de río y en algunos depósitos de playa debido al arrastre por el fondo. Arenas eólicas suelen ser de grano fino y redondeado, aunque no muy común.

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Estructura Simple.

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La estructura simple es aquella producida cuando las fuerzas gravitatorias son claramente predominantes en la deposición de las partículas. Esta estructura es típica de suelos de grano grueso de masa comparativamente importante, como gravas y arenas limpias. Las partículas se disponen apoyándose directamente unas en otras y cada partícula tiene varios puntos de apoyo. los factores principales que determinan el comportamiento mecánico e hidráulico de un suelo de estructura simple es la forma, el arreglo y la orientación de sus partículas.

CONDICIÓN MAS SUELTA

CONDICIÓN MAS COMPACTA

La Estructura de Suelos Finos General. Los suelos finos se clasifican como limos y arcillas. Los limos consisten de partículas de forma equidimensional, pero de tamaño menor de 0.074 mm (la división entre arenas y finos). En las partículas de tamaño de limos, las fuerzas de gravedad siguen siendo un factor, pero las fuerzas entre la superficie de la partícula y su ambiente comienza a ser notables, en las arcillas las fuerzas dominantes son las fuerzas entre la superficie de las partículas laminares, muy pequeñas (< 0.002 mm), y su ambiente. La gravedad ejerce una fuerza muy pequeña. Las fuerzas de superficie influyen la deposición de suelos finos transportados que produce estructuras variadas, comunmente con altas relaciones de vacíos.

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Estructura Panaloide. La estructura panaloide es de granos de tamaño menor a 0.02 mm, es decir granos de limo, que se depositan en un medio continuo, normalmente agua y en ocasiones aire. La gravedad ejerce un efecto que hace que las partículas tiendan a sedimentarse, pero dado su pequeña masa, las fuerzas de superficie pueden hacerse de magnitud comparable. Manera de Deposición. Si una partícula de limo, antes de llegar al fondo del deposito, toca a otra partícula ya depositada, la fuerza superficial de adherencia desarrollada entre ambas puede apoyar al peso de ella y no permitirá su descenso. Esto no ocurre con partículas más grandes porque su peso superará a la fuerza de adherencia y la partícula si continuará su descenso, resultándo en una estructura simple. Otras partículas pueden añadírsele y el conjunto de ellas podrá llegar a formar una celda, a modo de panal. Como sigue la sedimentación, se tendrá la estructura panaloide como se muestra en la siguiente figura.

Propiedades. Como se ve, la estructura panaloide tiene una alta relación de vacíos. En general, se puede esperar resistencia más baja que suelos gruesos de estructura simple y un potencial de alta compresibilidad. La estructura es principalmente inestable si se aplica una fuerza suficientemente grande para colapsar los panales. Un colapso de la estructura panaloide produce asentamientos repentinos por reducción volumétrica. Si el suelo está saturado, el colapso puede producir una perdida de resistencia temporal.

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Estructura Floculenta. La estructura floculenta puede ocurrir donde las partículas son de tamaños menores de 0.002 mm, se sedimentan en agua con muy poca a nula velocidad. Manera de Deposición. Se piensa que al tocarse dos partículas de arcilla, en el proceso de sedimentación, se adhieren y se sedimentan juntas. antes de que este conjunto llegue al fondo, otras partículas pueden unirse a las dos anteriores, formando un grumo con una estructura vacía como un panal que ahora tiene peso mayor. Al llegar al fondo, los grumos se puede adherir con otros grumos ya sedimentados en el fondo, debido a que las fuerzas superficiales de adherencia son mayores a las fuerzas de la gravedad. Se ha utilizado el término de panaloide de orden superior porque se forma una estructura panaloide pero a base de grumos. Partículas de Coloides. Las partículas menores de 0.0002 mm o 0.2 micras se consideran coloides o partículas coloidales, estas partículas pueden permanecer en solución indefinidamente. La doble capa difusa con carga eléctrica similar, alrededor de cada partícula, hace que las partículas tiendan a separarse, que en combinación con las vibraciones de las moléculas de agua (movimiento browniano) hacen que se permanezcan en suspensión permanente sin precipitarse. La adición de un electrolito a la solución reduce las fuerzas repulsivas y permite que las partículas se acercan y se forman flóculos o grumos de mayor masa, que pueden depositarse relativamente rápido. Es la manera comun de deposición de arcillas coloidales, la sal en solución en las aguas del mar es un electrolito. Donde los ríos llevan arcilla en suspensión, y comienza a mezclarse con el agua del mar en su desembocadura, o en los estuarios, se encuentra depósitos de arcillas floculentas o floculadas. Propiedades. Estos suelos floculentos tienen una muy alta relación de vacíos (mucho más alta que en la estructura panaloide). El volumen de sólidos puede representar apenas 5 a 10% del volumen total, en el caso de arcillas coloidales, este mecanismo de sedimentación produce suelos muy blandos, que tienen muy baja resistencia y muy alta compresibilidad.

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ESTRUCTURA FLOCULENTA

Estructura en “Castillo de Naipes”. Como las superficies de las partículas de arcilla están negativamente cargadas y las aristas están positivamente cargadas, se supone que las aristas de unas partículas se atraen a las superficies de otras partículas. Como se ha dicho, comunmente se requiere un electrolito en solución para reducirse el tamaño de la doble capa difusa de agua alrededor de las partículas, tal que se puedan acercar lo suficiente para ligarse.

ESTRUCTURA EN “castillo de naipes”

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Estructuras Compuestas Las estructuras panaloides y floculentas de forma individual no se presentan de forma frecuente en la naturaleza, porque en muchos casos la sedimentación comprende partículas de tamaños y tipos diferentes. La estructura compuesta considera depósitos de partículas de todos tamaños, de limo y arcilla, en estos depósitos se observa un esqueleto compuesto de partículas equidimensionales de limo, partículas de arcilla y flóculos o grumos de partículas coloidales que proporcionan el nexo entre ellos. Condiciones de Deposición. Esta estructura supone condiciones que permiten la sedimentación de partículas de limo, arcillas, y partículas coloidales simultáneamente. Esto ocurre frecuentemente en agua del mar o lagos con contenidos de sales apreciables, donde el efecto de las sales hace posible la formación de flóculos de tamaño y masa similar a partículas más gruesas, tales que tienden sedimentarse al mismo tiempo.

ESTRUCTURA COMPUESTA

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Estructuras Dispersas. Se ha considerado que si se deposita una suspensión de arcilla, donde la fuerza neta entre las partículas es de repulsión, se produce la estructura dispersa. Las fuerzas repulsivas mantienen una separación entre las partículas, lo que resultan en que las partículas laminares se sedimentan con las láminas más o menos paralelas, los depósitos lacustres arcillosos sedimentados en agua dulce tienden ser arcillas dispersas. En la sedimentación de suelos dispersos, los pequeños cristales de arcilla se depositan individualmente y puede haber una estratificación de acuerdo con los tamaños de partículas y la velocidad de agua. Las arcillas dispersas suelen tener una relación de vacíos mucho menos de las arcillas floculentas, es decir que suele ser más densa su masa. Propiedades. Se puede esperar que la resistencia al corte es anisotrópico, que quiere decir que no es isotópico, donde tiene la misma resistencia para cualquiera inclinación de plano de falla al corte. Si el plano de falla al corte se orienta paralelo a la orientación de las partículas laminares, la resistencia es mucho menos que la resistencia para un plano de falla orientado cruzando a la orientación de las partículas laminares. Se puede esperar que la compresibilidad será alta a media según el grado de consolidación adquirido.

ESTRUCTURA DISPERSA