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| Consistencia de Suelos Derivados de Cenizas Volcánicas (Manizales, Caldas) |
La
consistencia es la resistencia del suelo a ser deformado o amasado (remoldeado o roto), gobernada por las fuerzas físicas de
adhesión y
cohesión, las cuales dependen del contenido de humedad del material, es por esto que la consistencia se expresa en términos de seca, húmeda y mojada.
Esta cohesión y adhesión del suelo comprende:
- El comportamiento con respecto a la gravedad, presión y tensión.
- La tendencia de la masa del suelo de adhesión a cuerpos extraños o sustancias.
- Las sensaciones que son evidenciadas y sentidas por los dedos del observador.
La
consistencia del suelo, es la manifestación de las fuerzas físicas de cohesión y adhesión que actúan dentro del mismo bajo varios estados de humedad, o sea, resistencia a la deformación o ruptura cuando se aplica una fuerza. La consistencia varía con la textura, materia orgánica, cantidad y naturaleza del material coloidal hasta cierto punto con la estructura y especialmente con el contenido de humedad.
La clasificación de la
consistencia se hace con el suelo seco, húmedo y muy húmedo. Bajo condiciones de sequedad se dice que el suelo es blando, suave, duro, muy duro o cementado, cuando el suelo está húmedo se describe como muy friable, friable o poco friable, cuando está muy húmedo, (por encima de la capacidad de campo) se distinguen dos condiciones: plasticidad y pegajosidad. Así, se habla de suelos poco plásticos, plásticos, muy plásticos y suelos poco pegajosos, pegajosos y muy pegajosos. Pueden darse condiciones combinadas como de alta plasticidad y poca pegajosidad, dependiendo de los tipos de arcillas, sus cantidades y de sus cationes adsorbidos.
A muy bajos contenidos de humedad, el agua cerca de las partículas adquiere gran coherencia y viscosidad y se estima que la viscosidad debe ser cercana a la del hielo. A mayores contenidos de humedad, el suelo se vuelve plástico y pegajoso, esto es, exhibe características de flujo. Las propiedades de viscosidad del suelo se vuelven similares a la del agua en estado líquido.
Un suelo plástico y pegajoso pierde estas propiedades, cuando su contenido de agua decrece. Adquiere entonces características de friabilidad siendo suave al tacto. Si la pérdida de agua incrementa, el suelo pasa al estado seco volviéndose firme y mas aún, duro.
Las sugerencias de clasificación de Atterberg, sin incluir el estado viscoso de los suelos, se han dividido en cuatro estados de consistencia :
- Pegajosa : característica de adherencia a los objetos.
- Plástica : característica para ser moldeado.
- Suave : caracterizado por la friabilidad.
- Firme : caracterizado por su dureza.
El concepto de consistencia del suelo, incluye algunas propiedades tales como la resistencia a la compresión, la friabilidad, la plasticidad, y la viscosidad. Observaciones de campo y de laboratorio, han llevado a la conclusión de que la consistencia del suelo varía con propiedades como: la textura, el contenido de materia orgánica, el total de materia coloidal, la estructura (en cierto grado) y el contenido de humedad.
Los
suelos plásticos cambian su consistencia al variar su contenido de agua, de allí que se pueden determinar sus estados de consistencia si se conoce la frontera entre estos.
Los
estados de consistencia de una masa de suelo plástico, en función del cambio de su contenido de humedad son: sólido, semisólido, plástico y líquido. Estos cambios se dan cuando la humedad en las masas de suelo varía.
El significado de los contenidos de agua que sirven de límite para cada estado físico, fue descrito por el científico de suelos sueco, Albert
Atterberg en 1911. Estas fronteras definieron lo que se conoce hoy en día como
límites de Atterberg.
Para calcular los límites de Atterberg, el suelo se tamiza por la malla No 40 y la porción retenida es descartada.
La frontera convencional entre los estados semisólido y plástico se llama límite plástico, que se determina alternativamente presionando y enrrollando una pequeña porción de suelo plástico hasta un diámetro al cual el pequeño cilindro se desmorona, y no puede continuar siendo presionado ni enrrollado. El contenido de agua a esta condición se anota como límite plástico.
La frontera entre el estado sólido y semisólido se llama límite de contracción, y a la frontera entre el límite plástico y líquido, se llama límite líquido, y es el contenido de agua que se requiere adicionar a una pequeña cantidad de suelo que se colocará en una copa estándar, y ranurará con un dispositivo de dimensiones también estándar, sometido a 25 golpes por caída de 10 mm de la copa a razón de 2 golpes/s, en un aparato estándar para límite líquido; la ranura efectuada deberá cerrarse en el fondo de la copa a lo largo de 13 mm.
El índice de plasticidad (IP), es el rango de contenido de agua para el cual el suelo se comporta plásticamente. Numéricamente es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico del suelo.
Los
límites de Atterberg mas importantes en la Ingeniería Geotécnica, son aquellos que definen la plasticidad.
El grado máximo de consistencia se alcanza en el rango seco debido a las fuerzas de cohesión; mientras que el máximo de adhesión se localiza dentro del rango húmedo.
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| Variación de la Consistencia con la Humedad |
Al comparar los dos "puntos máximos de las curvas", se observa que el relacionado con la adhesión, aunque origina un valor de consistencia menor en el rango húmedo, es el estado óptimo para la realización de las labores agrícolas, puesto que el suelo no opone tanta resistencia como ocurre en el rango seco.
En los rangos donde el contenido de agua es mayor (mojado y saturado), el peligro radica en la degradación estructural por la poca resistencia que ofrece el suelo a su deformación con lo cual se corre el riesgo de "amasarlo" o compactarlo.
Los Puntos de Máxima Consistencia son:
- En estado seco debido a la cohesión.
- En estado húmedo debido a la adhesión.
Consistencia de suelos secos
Un suelo seco con una compactación normal generalmente exhibe una extremada dureza o coherencia. La medida de esta coherencia va a variar con la estructura del suelo, ya que, la porosidad determina el número de partículas por unidad de volumen.
La coherencia de suelos secos, por lo tanto, debe ser visualizada como dependiendo de la cantidad de contactos superficiales por unidad de volumen de la masa del suelo y la magnitud de las fuerzas atractivas en la superficie; se da en ausencia de moléculas de agua en la superficie y por la atracción entre las partículas sólidas.
- Suelo Suelto: Se utiliza en aquellos horizontes que carecen de estructura o que aquella es particular. No existen agregados y las partículas del mismo no están unidas entre sí. Los horizontes que la presentan están muy bien aireados y son muy penetrables, pero las raíces tienen poco contacto y la retención de agua es muy débil.
- Suelo Blando: Los agregados se rompen entre los dedos. Este tipo de consistencia suele estar asociado a estructuras migajosas o granulares. El suelo está bien aireado, es fácil de penetrar y ofrece buen contacto a las raíces. La retención de agua es, en general, buena y se laborea bien, aunque es conveniente que presente un cierto nivel de humedad para que no se destruyan los agregados.
- Suelo Duro: Los agregados son difíciles de romper con la mano, y en algunos casos es necesario recurrir al martillo. La aireación es escasa y las raíces penetran con mucha dificultad en los agregados y suelen crecer a través de las fisuras. Retiene gran cantidad de agua aunque el drenaje puede resultar escaso.
Consistencia en húmedo
- Suelo Suelto: Se corresponde con el término análogo en seco y presenta un comportamiento semejante.
- Suelo Friable: El término deriva de "friare" que significa desmenuzar. Se desmenuza con cierta facilidad. En seco, suele ser "blando" o algo "duro” y su comportamiento es el equivalente a ellos.
- Suelo Firme: No se desmenuza con facilidad. En seco suele ser duro o muy duro y con un comportamiento semejante. Puede ser muy proclive a la formación de suelas de arada. Usualmente existe una correspondencia entre la consistencia en seco y en húmedo, si bien en esta situación los agregados se desmenuzan con mayor facilidad.
Consistencia en mojado
- Suelo Adherente: Se utiliza para indicar que la tierra se pega a las manos. Suele ir asociada a suelos duros en seco y poco friables o firmes en húmedo. Cuando el suelo es muy adherente es debido a la presencia de partículas finas no coloidales que no se unen unas a otras para constituir agregados. La presencia de este limo hace que, al no estar adherido, el suelo húmedo se vuelva resbaladizo y se enfangue.
- Suelo Plástico: Tiene la capacidad de poder ser moldeado. La plasticidad se mide formando un cordón y estableciendo lo largo y fino que se hace antes de que se rompa. Está en función del contenido y tipo de arcilla. Cuando a la plasticidad se añade la presencia de arcillas expansibles que provocan grandes cambios de volumen, pueden ocasionar deslizamientos.
La Cohesión del Suelo
Esta
fuerza es debida a atracción molecular en razón, a que las partículas de arcilla presentan carga superficial, por una parte, y la atracción de masas por las fuerzas de Van der Walls, por otra (gavande, 1976). Además de estas fuerzas, otros factores tales como los compuestos orgánicos, carbonatos de calcio y óxidos de
hierro y
aluminio, son agentes que integran el
mantenimiento conjunto de las partículas.
La cohesión es la atracción entre partículas de la misma naturaleza.
La Adhesión del Suelo
Se debe a la tensión superficial que se presenta entre las partículas de suelo y las moléculas de
agua. Sin embargo, cuando el contenido de agua aumenta, excesivamente, la adhesión tiende a disminuir. El efecto de la adhesión es mantener unidas las partucilas por lo cual depende de la proporción Agua/
Aire. De acuerdo a lo anterior, la consistencia del suelo posee dos puntos máximos; uno cuando esta en
estado seco debido a cohesión y otro cuando húmedo que depende de la adhesión.
La
adhesión es la atracción entre partículas de distinta naturaleza.
Las fuerzas intermoleculares que enlazan moléculas similares entre sí, (por ejemplo puentes de hidrógeno) son llamadas fuerzas cohesivas, y las que enlazan una sustancia a una superficie se llaman fuerzas adhesivas.
La Coherencia del Suelo
Se refiere a la cohesión entre las partículas sólidas. Las fuerzas de la cohesión y coherencia explican la unión de las partículas entre sí en los distintos estados de consistencia. El número de películas de agua depende del contenido de coloides.
Los suelos arcillosos exhiben por lo tanto mayor cohesión que los arenosos. Las partículas laminares producen mayores efectos cohesivos que las esféricas.
La Pegajosidad de los Suelos
Representa el contenido de humedad en el cual el suelo no se adhiere más a un objeto extraño. Es generalmente determinado pasando una espátula a través de una masa húmeda y amasada de suelo. El contenido de humedad es regulado hasta que se alcance el punto en que el suelo no se adhiere a la espátula.
En suelos altamente plásticos, el punto de despegado se encuentra levemente por debajo del limite superior. En suelos levemente plásticos, el punto de despegado se encuentra por encima del límite superior. Los efectos de la arcilla y la materia orgánica en el punto pegajoso son semejantes a sus influencias en los límites inferior y superior de plasticidad.
La Friabilidad del Suelo
La friabilidad caracteriza la facilidad de desmenuzar un terrón de suelo.
El rango de humedad en el cual los suelos están friables, es también el rango de humedad en el cual la condición es óptima para la labranza o excavación, ya que se minimiza el efecto de cementación. Por otro lado, no hay suficiente agua presente para causar la formación de distintas películas de agua, alrededor de los contactos de partículas para producir la cohesión que existe en el rango plástico.
Los agregados están unidos, al menos en parte, por la orientación de moléculas de agua (bipolo) entre partículas individuales.
Los límites de Atterberg o estados de consistencia de un suelo, se determinan en muestras completamente amasadas, por lo tanto deben tomarse como una medida del comportamiento de los suelos después de destruir completamente su estructura original.
La friabilidad se caracteriza por la facilidad de desmenuzamiento de un suelo húmedo. Las condiciones de humedad que determinan la friabilidad son aquellas que mejor se adaptan a las condiciones de mecanización porque el suelo es suave y la cohesión apropiada.
La adhesión se refiere a la atracción de la fase líquida sobre la superficie de la fase sólida, mientras la cohesión es la unión entre partículas debido a las fuerzas de atracción mutua que surgen de mecanismos físico - mecánicos, o sea, la fuerza de cohesión varía inversamente con el contenido de humedad y aumenta con el contenido de las arcillas.
La Capilaridad del Suelo
La capilaridad es una propiedad física del agua mediante la cual ella puede avanzar a través de un canal vertical de menor diámetro (desde unos milímetros hasta micras) siempre y cuando, el líquido se encuentre en contacto con ambas paredes del canal y estas paredes se encuentren cercanas.
La cohesión, la adhesión y la tensión superficial causan la
capilaridad (movimiento de agua hacia arriba de un capilar). La distancia del movimiento a través del capilar, se debe a la atracción que ejerce la periferia de la superficie polar del capilar (adhesión) sobre el agua y a la tensión superficial del agua, que tiende a minimizar el área superficial.
La adhesión y la tensión superficial, ejercen tensión sobre las moléculas de agua, justamente bajo la superficie y causan su movimiento hacia la parte alta del tubo, hasta equilibrar la fuerza de adhesión con el peso de la columna de agua.
El agua se adhiere a un capilar debido a que las fuerzas adhesivas entre el agua y las paredes del capilar son más grandes que las fuerzas cohesivas entre las moléculas de agua.
La capilaridad, es el fenómeno al cual se debe, parcialmente, el ascenso de la savia desde las raíces hasta las hojas. El ascenso capilar es inversamente proporcional al radio del tubo.
La Plasticidad del Suelo
La
plasticidad es la propiedad que tienen algunos suelos de deformarse sin agrietarse, ni producir rebote elástico.
La plasticidad del suelo, es aquella propiedad que permite a las arcillas cambiar de forma cuando están sujetas a una fuerza deformante superior a las fuerzas cohesivas, y mantener esa forma cuando la fuerza deja de ser aplicada.
La plasticidad es el efecto resultante de una presión y una deformación. La magnitud de la deformación que puede soportar un suelo, con un determinado contenido de humedad, está dada por la distancia que las partículas pueden distanciarse, sin romperse los enlaces entre estas.
La presión que se requiere para producir una deformación específica es un índice de la magnitud de las fuerzas de cohesión que mantienen las partículas juntas. Estas fuerzas, varían con el espesor de las películas de agua entre las partículas minerales del suelo. Por tanto, la plasticidad es la propiedad que expresa la magnitud de las fuerzas de las películas de agua dentro del suelo, ya que éstos, a su vez, permiten que el suelo sea moldeado sin romperse hasta un determinado punto.
Los suelos plásticos pueden clasificarse como arcillas o limos. Arcillas son aquellos suelos de tamaño menor a dos micras y que su composición química obedece a la fuerzas de atracción molecular de los átomos de Alúmina y Sílice y que sus partículas son de forma laminar.
La
plasticidad de las arcillas es circunstancial y depende del contenido de humedad. Por lo que para calcular la cantidad de plasticidad se obtiene el índice de plasticidad, como la diferencia entre los límites líquido y plástico.
La plasticidad varía también con el tamaño y forma de las partículas ya que es un fenómeno relacionado con películas de agua. Las partículas gruesas no exhiben plasticidad. Atterberg fue el primero en anotar que las partículas laminares eran las mas plásticas, o sea, que la plasticidad era función de la cantidad de superficie y número de contactos, por superficie disponible. Además, influye considerablemente la naturaleza mineralógica de la arcilla. La plasticidad en los suelos implica las características de formar masas y manejar las hasta adquirir la forma que se desee, manteniéndola después que la fuerza deformante ha cesado. Más aún, la forma permanece después que el agua ha sido removida. La orientación de las partículas también influye en la plasticidad.
La plasticidad de un suelo se debe a su contenido de partículas más finas de forma laminar, que ejerce gran influencia en la compresibilidad del suelo mientras el pequeño tamaño de tales partículas hace que la permeabilidad del conjunto sea baja.
La plasticidad puede estudiarse con base en curvas esfuerzo - deformación de los materiales, cuya forma depende de las características del material. Para esfuerzos bajos la relación esfuerzo-deformación es reversible (comportamiento elástico), para esfuerzos mayores es irreversible (comportamiento plástico).
La distinción entre el comportamiento elástico y plástico comprende dos aspectos:
- Influencia de la historia de esfuerzos.
- Razón de variación actual de esos esfuerzos.
El primero se relaciona con dos características o puntos de fluencia (de tensión y compresión), mostrando el material comportamiento elástico mientras el esfuerzo actual se mantenga entre esos límites; al principio tales características son aproximadamente iguales y en el caso de material perfectamente plástico, permanecen constantes. Para materiales donde hay endurecimiento por deformación progresiva, los valores de esos límites dependen de la historia de esfuerzos.
Los minerales de la arcilla, y en particular el grupo de las esmectitas, son eminentemente plásticos, por lo que los materiales compuestos total o parcialmente por minerales arcillosos exhibirán un comportamiento plástico en presencia de agua, pudiendo estar ésta última presente en un amplio rango de cantidades.
El comportamiento plástico de los minerales de la arcilla se debe principalmente a su estructura laminar y a su tendencia a rodearse de numerosas moléculas de agua, que se fijan a la superficie mediante puentes de hidrógeno, además de hidratar los numerosos cationes intercambiables que se encuentran en torno a éstas. Esto hace que, como respuesta a un esfuerzo dado, los materiales arcillosos respondan deslizándose unas láminas con respecto a otras.
Este deslizamiento tiene lugar a favor de las superficies de discontinuidad definidas a lo largo de los espacios interlaminares que existen entre dichas laminas. La presencia de agua en estos espacios favorece la separación de las láminas y, por consiguiente, la disminución de la energía de enlace entre ellas, con el consiguiente deslizamiento relativo.
Es, por tanto, el contenido de agua en mayor o menor proporción, el factor que determina la consistencia y deformabilidad de un suelo de estas características. Desde que en 1926 Terzaghi indicó su utilidad, los límites de Atterberg han sido ampliamente estudiados y aplicados en los laboratorios de geotecnia de todo el mundo.
Según
indicó Terzaghi en 1926: "
Los resultados de la determinación de los limites de Atterberg dependen precisamente de los mismos factores físicos que determinan la resistencia y permeabilidad de los suelos (forma de las partículas, tamaño efectivo,uniformidad, etc.). Si diferentes suelos con orígenes geológicos similares tienen los mismos límites sus propiedades físicas serán también idénticas, y será suficiente investigar uno de ellos con mayor detenimiento. Si conocemos los tres límites de un suelo, nos encontramos en disposición de comparar este suelo con otros y podemos, en principio, anticipar cuáles serán sus propiedades. Si además conocemos otro suelo con límites muy parecidos, podemos afirmar que ya sabemos cuál será su comportamiento"
En los problemas prácticos, el aspecto más importante consiste en reconocer si una arcilla ha sido o no preconsolidada. Casi seguramaente lo será, si la humedad natural se aproxima más al límite plástico. Los depósitos que tienen humedades cercanas al límite líquido son usualmente mas blandos que los que tienen humedades cercanas al límite plástico.
La mayor parte de los suelos esmectíticos muestran un comportamiento plástico a lo largo de un amplio rango de humedades. Este comportamiento surge de la capacidad de los minerales de contener una gran cantidad de agua entre las partículas y todavía conservar su estructura coherente gracias a las fuerzas eléctricas existentes entre ellas.
En este contexto, el límite plástico podría considerarse la proporción de agua suficiente para hidratar todas las partículas, ya sea por adsorción directa a la superficie o por hidratación de los cationes de cambio que se encuentran en torno a ellas. Por encima de este valor, las partículas presentarán un comportamiento plástico gracias a la formación de películas de agua que permite el deslizamiento de unas con respecto a otras.
Yong y Warkentin (1966) definen el límite plástico como la mínima humedad para la cual la cohesión entre partículas o grupos de partículas es lo suficientemente baja como para permitir su movimiento, pero lo suficientemente alta para que éstas mantengan su nueva posición tras el remoldeo.
En el intervalo existente entre límite plástico y límite líquido, la distancia entre las partículas va aumentando a medida que se incrementa la cantidad de agua en el sistema. Esto provoca una debilitación de las fuerzas de atracción existentes entre ellas.
A partir del límite liquido, las partículas están lo suficientemente alejadas como para que las fuerzas de atracción sean muy débiles. Esta situación permite el flujo del suelo (comportamiento viscoso) en cuanto éste es sometido a la acción de cualquier esfuerzo externo al sistema. En el caso de los minerales expansivos como las esmectitas, una cantidad considerable del agua del límite líquido puede encontrarse hidratando los cationes interlaminares. Esta cantidad de agua interlaminar depende engran medida del tipo de catión interlaminar. Por tanto, se puede afirmar que en los minerales del grupo de las esmectitas, la naturaleza del catión interlaminar ejerce una gran influencia sobre el valor del límite líquido que presente el material arcilloso.
La Expansividad de los Suelos
El hinchamiento es el proceso opuesto a la consolidación.
Consiste en la expansión deun material arcilloso por efecto de una reducción de
presión y una entrada de agua enlos poros que rodean a las partículas.
Se puede clasificar la expansividad de una arcilla (Skempton, 1953) por medio del número de actividad (A), que representa la relación del índice de plasticidad de un suelo entre el porcentaje por peso de las partículas que poseen un diámetro equivalente menor que 0.0002 mm. Si el número de expansividad es mayor que 1, la arcilla es de alta expansividad.
Asímismo, la diferencia entre los suelos orgánicos e inorgánicos puede realizarse llevando a cabo dos ensayos para determinar dos valores de límite líquido con el mismo material; una con suelo húmedo secado al aire y otra con el suelo secado al horno.
El suelo secado al horno produce cambios irreversibles en los componentes orgánicos y producen un límite líquido significativamente inferior al realizado con el suelo secado al aire. Si la muestra secada al horno es inferior a 0.75 veces al de la muestra secada al aire, el suelo puede clasificarse como orgánico.
La Compresibilidad del Suelo
Si se conoce la plasticidad de los suelos, se pueden conocer la deformación de estos suelos, mediante el cálculo del indice de compresibilidad (Cc).
El Cc esta íntimamente relacionado al límite líquido (LL) de los suelos plásticos. La relación entre las dos cantidades fue formulada por Skempton en 1944 y es:
Cc = 0.009 * (LL-10)
Esto permite calcular el asentamiento aproximado de una estructura cimentada sobre un estrato plásticos.
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Referencias:
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