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Facultad de Ingeniería y Arquitectura
ESTRUCTURA DE LOS SUELOS
Mecánica de Suelos I Cajamarca, marzo del 2011
Facultad de Ingeniería y Arquitectura
Estructura del suelo.
Es la forma de agregación natural de las partículas del suelo, para formar
unidades de mayor tamaño con carácter más persistente. Estas unidades
se denominan agregados. Su formación se debe a la presencia de cargas
eléctricas en la superficie de las arcillas, lo que da como resultado
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interacciones físico-químicas con los demás componentes del suelo.
La estructura de los suelos condiciona diversas propiedades del suelo
como por ejemplo: porosidad, permeabilidad, etc. La estructura se
encuentra siempre cambiante, bajo la influencia de las fuerzas mecánicas
y del movimiento del agua originada por la lluvia, la evaporación, la
congelación, la descongelación.
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La estructura del suelo es un estado y no una propiedad, cuando el suelo
está seco se agrieta y se manifiesta la estructura, pero si está húmedo, el
suelo se vuelve masivo, sin grietas y la estructura no se manifiesta.
Debido que este estado varía según el contenido de humedad del suelo, el
grado de estructura debe determinarse cuando el suelo no esté
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exageradamente húmedo o seco.
En el suelo se presenta microestructrua y macroestructura
• Microestructura : es el arreglo de las partículas primarias (arena, limo,
arcilla) para formar las secundarias.
• Macroestructura: se ve a simple vista y es el arreglo de las partículas
secundarias y primarias.
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� Estructura primaria, microestructura o textura
Es la disposición y estado de agregación de las partículas del
suelo en su estado natural, depende del ambiente de
meteorización en los suelos residuales, o del ambiente de
deposición en los suelos transportados. Esta es la fábrica textural
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deposición en los suelos transportados. Esta es la fábrica textural
que hereda el suelo.
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La estructura primaria puede ser:
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� Estructura secundaria o macroestructura
La estructura continua es frecuentemente alterada por condiciones
locales para producir la macroestructrura que lo constituyen
aspectos estructurales a mayor escala. Cuando las partículas
individuales se agrupan, toman el aspecto de partículas mayores y
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individuales se agrupan, toman el aspecto de partículas mayores y
se denominan agregados.
La estructura del suelo se define por la forma en que se agrupan las
partículas individuales de arena, limo y arcilla.
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• Estructura laminar
se compone de partículas de suelo agregadas en láminas o capas finas
que se acumulan horizontalmente una sobre otra.
Los agregados tienen forma aplanada, con predominio de la dimensión
horizontal. A menudo las láminas se traslapan, lo que dificulta
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horizontal. A menudo las láminas se traslapan, lo que dificulta
notablemente la circulación del agua y del aire.
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• Estructuras en bloques angulares o bloques subangulares
Son partículas de suelo que se agrupan en bloques casi cuadrados o
angulares con los bordes más o menos pronunciados. Los bloques
relativamente grandes indican que el suelo resiste el ingreso y el
movimiento del agua. Los agregados tienen forma de bloque, sin
predominio de ninguna dimensión.
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predominio de ninguna dimensión.
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Estructura angular Estructura subangular
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• Estructuras prismáticas y columnares
Son partículas de suelo que han formado columnas o pilares verticales
separados por fisuras verticales diminutas, pero definidas. El agua circula
con mayor dificultad y el drenaje es deficiente.
- Prismática. Los agregados tienen forma de prisma, de mayor altura que
anchura. Es típico de suelos con mucha arcilla.
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anchura. Es típico de suelos con mucha arcilla.
- Columnar. Semejante a la estructura prismática, pero con la base
redondeada.
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Estructura prismática Estructura columnar
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• Estructuras granulares
Son partículas individuales de arena, limo y arcilla agrupadas en granos
pequeños casi esféricos. El agua y el aires circulan muy fácilmente a través
de esos suelos.
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Los agregados son esferas imperfectas, con tamaño de 1 a 10 mm de
grosor. Esta estructura permite la circulación de agua y aire.
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Sin estructura
Condición en la que no existen agregados visibles o bien no hay un
ordenamiento natural de líneas de debilidad, tales como:
• Estructura de aglomerado (coherente) donde todo el estrato del suelo
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• Estructura de aglomerado (coherente) donde todo el estrato del suelo
aparece cementado en una gran masa (masivos endurecidos).
La cementación puede considerarse una forma de cohesión, donde
partículas de diferentes tamaños están unidas por un agente
cementante, por lo general un carbonato.
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• Estructura de grano simple (sin coherencia) donde las partículas
individuales del suelo no muestran tendencia a agruparse, como la
arena pura o partículas sueltas pulverulentas de suelos secos.
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Arcilla
No es un mineral sino un agregado de minerales y de substancias
coloidales que se han formado mediante la descomposición química de las
rocas.
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Las arcillas están constituidas básicamente por silicatos de aluminio
hidratados, presentándose además en algunas ocasiones silicatos de
magnesio, hierro u otros metales, también hidratados. Estos minerales
tienen casi siempre, una estructura cristalina definida cuyos átomos se
disponen en láminas. Existen dos variedades de tales láminas: la silícica y
la alumínica.
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• Lámina silícica está formada por un átomo de silicio, rodeado de
cuatro de oxígeno, disponiéndose el conjunto en forma de tetraedro.
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Estos tetraedros se agrupan en unidades hexagonales, sirviendo un átomo
de oxígeno de nexo entre cada dos tetraedros. Las unidades hexagonales
repitiéndose indefinidamente constituyen una retícula laminar .
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• Láminas alumínicas están formadas por partículas de octaedros
dispuestos con un átomo de aluminio al centro y seis de oxígeno
alrededor. También ahora es el oxigeno el nexo entre cada dos
octaedros vecinos para constituir la retícula
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De acuerdo con su estructura reticular, los minerales de arcilla se encasillan
en tres grandes grupos: caolinitas, montmorilonitas e ilitas.
• Caolinitas
Están formadas por una lámina
silícica y otra alumínica, que se
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superponen indefinidamente. La
unión entre todas las retículas es lo
suficientemente firme para no
permitir la penetración de
moléculas de agua entre ellas
(adsorción).
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En consecuencia las arcillas
caoliníticas serán relativamente
estables en presencia del agua. Son
de color blanco.
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Estas arcillas son de color blanco
moderadamente plásticas, de mayor
permeabilidad y mayor fricción
interna. En la “Carta de Plasticidad”
las caolinitas están bajo la línea A,
están ubicadas como limos.
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Usos de la caolinita
Usado como terraplén y como material crudo en la formulación de
placas de vidrio. En pistas para aterrizaje de aviones. En mezclas
termoplásticas para techar. En revestimientos plásticos para ductos,
ladrillos para pisos y para sellar mezclas. En el concreto mejora la
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durabilidad, remueve el hidróxido de calcio químicamente activo,
mejora la porosidad y la adhesión entre el cemento, la arena y la
grava.
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• Montmorillonitas o bentonitas
Están formadas por una lámina
alumínica entre dos silícicas,
superponiéndose
indefinidamente. En este caso
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la unión entre las retículas del
mineral es débil, por lo que las
moléculas de agua pueden
introducirse en la estructura con
relativa facilidad, a causa de las
fuerzas eléctricas generadas
por su naturaleza dipolar.
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Lo anterior produce un incremento en el
volumen de los cristales lo que se traduce
macro físicamente en una expansión. Las
arcillas montmorillonitas, especialmente en
presencia del agua presentarán fuerte
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tendencia a la inestabilidad. Las bentonitas son
arcillas del grupo montmorillonitas, originadas
por la descomposición química de las cenizas
volcánicas y presentan la expansividad típica
del grupo en forma particularmente aguda, lo
que las hace sumamente críticas en su
comportamiento mecánico.
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Además de ser expansiva, la montmorillonita es muy plástica y se
contrae al secarse, mejorando su resistencia y haciéndose
impermeable.
Estas arcillas aparecen desdichadamente, con frecuencia en los
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trabajos de campo, para cimentación de construcciones, la
montmorillonita es uno de los terrenos en los que se deben tomar más
precauciones debido a su carácter expansivo.
por otra parte, en ocasiones ayudan al ingeniero en la resolución de
ciertos problemas prácticos como el uso en los pozos de puesta a
tierra. Son de color pardo o gris
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• Ilitas
Por lo general están estructuradas análogamente como las
montmorillonitas, pero su constitución interna manifiesta tendencia a
formar grumos del material, que reduce el área expuesta al agua por
unidad de volumen, por ello, su expansividad es menor que el de las
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montmorillonitas y en general, las arcillas ilitas, se comportan
mecánicamente en forma más favorable para el ingeniero.
El coeficiente de fricción interno y la permeabilidad son menores que en
la caolinita y mayores que en la montmorillonita.
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Arcillas caolinitas, montmorillonitas e ilitas
Los constituyentes químicos esenciales de los minerales de arcilla varían
no solo en cantidad sino también en el modo en que se combinan o
presentan en los diferentes minerales.
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Los minerales arcillosos más importantes se encuentran en el grupo de
las caolinitas y de las montmorilinitas . Las arcillas esenciales de los
sedimentos arcillosos son el resultado de la meteorización de rocas
ígneas y metamórficas.
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En condiciones de escasa precipitación el magnesio de las rocas
ígneas máficas permanecen en la zona de meteorización y la arcilla
producida es la montmorillonita.
Si la precipitación es considerable, se efectúa una lixiviación
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completa de la roca, el magnesio es separado y el producto de la
meteorización es la caolinita .
A partir de una roca ígneas ácida se origina la illita y
montmorillonita en condición de meteorización con tal que ocurra
retención de potasio y magnesio, pero se formaría caolinita de
prevalecer una lixiviación excesiva.
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Propiedades de las arcillas
Consistencia
Se define como su resistencia al esfuerzo cortante; es la oposición que
presenta la masa de suelo a que se le deforme.
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Sensibilidad o susceptibilidad de una arcilla
Es la propiedad por la cual, al perder el suelo su estructura natural,
cambia su resistencia, haciéndose menor, y su compresibilidad,
aumenta.
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Actividad (A)
Propiedad plástica de los suelos que resulta del agua adsorbida que
rodea a las partículas de arcilla, el tipo de minerales arcillosos y sus
cantidades proporcionales en un suelo afectarán los límites líquido y
plástico. La actividad se usa como índice para identificar el potencial de
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expansión de los suelos arcillosos.
Tixotropía.
Fenómeno consistente en la pérdida de resistencia de una arcilla
cuando es amasada, y en la posterior recuperación de dicha resistencia
después de un cierto tiempo de reposo. Este fenómeno suele ser
intenso en las proximidades del LL y casi nulo en el LP.
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Estructura del suelo
También se refiere a la forma en la que
el suelo está compuesto y al modo en
que se encuentran dispuestas sus
diversas partes. El suelo en su
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evolución natural origina una
estructura vertical, conocida como
perfil. En la estructura del suelo se
pueden observar diferentes capas que
es producto de su movimiento interno
y del transporte vertical, estas capas
son conocidas como estratos.
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Comportamiento de los suelos
a. Parámetros que permiten definir el comportamiento del su elo
- parámetros de identificación
- parámetros de estado
- parámetros estrictamente geomecánicos
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� Parámetros de identificación
Los principales son la granulometría y la plasticidad
• Ganulometría, distribución de los tamaños de grano que
constituyen el agregado. El tamaño de las partículas va desde los
tamaños granulares conocidos como gravas y arenas, hasta los
finos como la arcilla y el limo.
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• Plasticidad, variación de consistencia del agregado en función del
contenido en agua.
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� Los parámetros de estado
Fundamentales son la humedad y la densidad.
• Contenido de humedad , cantidad de agua en la masa del suelo
• Densidad, referida al grado de compacidad que muestren las
partículas constituyentes.
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� Parámetros geomecánicos
El comportamiento geomecánico del suelo está en función de la variación
de los parámetros de identificación y de los parámetros de estado,
definiéndose así un segundo orden de parámetros tales como la
resistencia al esfuerzo cortante, la deformabilidad, la permeabilidad.
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La composición química y/o mineralógica de la fase sólida también
influye en el comportamiento del suelo, dicha influencia se manifiesta
esencialmente en suelos de grano muy fino (arcillas). De la composición
depende la capacidad de retención del agua y la estabilidad del volumen,
presentando los mayores problemas los minerales arcillosos. Éstos son
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capaces de retener grandes cantidades de agua por adsorción, lo que
provoca su expansión, desestabilizando las obras si no se realiza una
cimentación apropiada.
También son problemáticos los sustratos colapsables y los suelos
solubles.
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b. Comportamiento del suelo
� Por el tamaño de las partículas de suelo
Las propiedades físicas del suelo dependerán del tamaño de sus
partículas, mayores tamaños de partículas significará mayor espacio
entre ellas, resultando un suelo más poroso; menor tamaño de
partículas tendrán menor espacio entre ellas dificultando el paso del
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partículas tendrán menor espacio entre ellas dificultando el paso del
aire y el agua, por lo tanto este suelo será menos poroso. Los
tamaños de grano se han clasificado con base en las dimensiones
dadas en determinados estándares
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Cuando se realiza un análisis físico de una muestra de suelo se definen
dentro de ella variados tamaños de grano que se enmarcan dentro de
rangos específicos definidos por diversas entidades o agrupaciones.
Para clasificar a los constituyentes del suelo según su tamaño de
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Para clasificar a los constituyentes del suelo según su tamaño de
partícula se han establecido muchas clasificaciones granulométricas.
Básicamente todas aceptan los términos de grava, arena, limo y arcilla,
pero difieren en los valores de los límites establecidos para definir cada
clase.
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Nombre de la Organización Tamaño de grano (mm)
Grava Arena Limo Arcillla
Instituto tecnológico de Massachusset (MIT)
> 2 2 a 0.006 0.006 a 0.002 < 0.002
Departamento de agricultura de E.U (USDA)
> 2 2 a 0.05 0.05 a 0.002 < 0.002
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Asociación americana de funcionarios del Transporte y carreteras estatales (AASHTO)
76.2 a 2 2 a 0.075 0.075 a 0.002 <0.002
Sistema unificado de clasificación de suelos(SUCS), Army corps of Engineers , Bureau of reclamation y American Society for Testing and Materials (ASTM)
76.2 a4.75
4.75 a0.075
Finos (Es decir limos yarcillas) < 0.0075
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Grava
son fragmentos grandes de roca,
fácilmente identificables a simple
vista.
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Arena
Están compuestas por partículas
de un tamaño considerable,
tienen un mayor espacio entre
partículas, el agua drena muy
rápidamente a través de ella.
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Limo
Compuesto por partículas intermedias
entre la arcilla y la arena, en estado
húmedo es difícil de trabajar, a
diferencia de la arcilla que cuando está
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diferencia de la arcilla que cuando está
seca es elástica y granulosa.
Los limos son fracciones microscópicas
del suelo que constituyen granos muy
finos de cuarzo y algunas partículas en
forma de escamas que son fragmentos
de minerales micáceos.
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Arcilla
Las arcillas son principalmente partículas
submicroscópicas en forma de escamas que
desarrollan propiedades de plasticidad
cuando se mezclan con agua. La arcilla
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tiene la habilidad de retener el agua, se
caracteriza por un pobre drenaje y aireación.
La arcilla húmeda es difícil de trabajar,
mientras que cuando está seca es muy dura.
Las partículas se clasifican como arcilla con
base en su tamaño de grano y no contiene
necesariamente minerales arcillosos.
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Determinación del tamaño de las partículas
Las partículas no están sueltas sino que forman agregados, siendo por
lo tanto necesario destruir la agregación para separar las partículas
individuales y poder determinar las diferentes tamaños que existen.
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• Permeabilidad
Es la propiedad que tiene el suelo de transmitir el agua y el aire y es
una de las cualidades más importantes que han de considerarse para
estructuras de tierra.
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Mientras más permeable sea el suelo, mayor será la filtración.
Algunos suelos son tan permeables y la filtración tan intensa que para
construir en ellos cualquier tipo de estructura es preciso aplicar
técnicas de construcción especiales.
En suelos finos la permeabilidad es baja y en suelos granulares la
permeabilidad es alta.
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• capilaridad
Los vacios en suelos tienen ancho variable y se comunican entre sí
formando canales muy pequeños. Si estos se comunican con el agua,
por la parte inferior, el agua asciende después que se satura
completamente ocupando los vacios pequeños y los mayores quedan
con aire.
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con aire.
En suelos finos la capilaridad es alta y en suelos granulares la
capilaridad es baja
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� Forma de las partículas del suelo
La forma de las partículas tiene tanta importancia como su tamaño, en lo
que respecta al comportamiento del suelo, sin embargo no se considera,
pues es difícil medirla y describirla cuantitativamente. La forma de los
granos puede ser de tres clases: redondeados, laminares o escamosos y
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aciculares
� Forma redondeada
Cuando el largo, el ancho y el espesor de una partícula son del mismo
orden de magnitud, se forman por la desintegración mecánica de las
rocas, rara vez son más finos que 0.001 mm de diámetro. Las
características significativas de estos granos son: la esfericidad y la
angulosidad.
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o La esfericidad: describe las diferencias entre el largo, ancho y
espesor
o La angulosidad: se describe cualitativamente
- angulares : partículas redondeadas que se forman por la
trituración de la roca
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- Subangulares : las aristas afiladas se han suavizado
- Subredondeadas : Cuando las áreas entre las aristas están algo
suavizadas y los vértices comienzan a desgastarse.
- Redondeada s: Cuando las irregularidades están prácticamente
suavizadas, pero se debe apreciar la forma original.
- Redondeada s: cuando ha desaparecido todo rastro de la forma
original.
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Las partículas pequeñas de arena cuando están cerca de su lugar de origen
tienden a ser muy angulosas, mientras que las gravas del mismo lugar son
entre sub redondeas y redondeadas
Las arenas del mar son entre subangulares y redondeadas. Las arenas que
son transportas por el viento y se depositan en médanos son muy
redondeadas
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redondeadas
� Forma laminar o escamosa
Son finas pero no necesariamente alargadas, parecen hoja de papel en
cuanto a sus dimensiones relativas. Pueden resistir los desplazamientos.
� Forma acicular
Son partículas demasiado alargadas, son elásticas y se rompen con facilidad
bajo los efectos de la carga.
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Efecto de la forma de las partículas
Los suelos compuestos de granos redondeados soportan cargas estáticas
pesadas con pequeña deformación, especialmente si los granos son
angulosos, sin embargo por efecto de los choques o vibraciones se
desplazan fácilmente.
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Los suelos compuestos por granos laminares se comprimen y deforman
fácilmente bajo el efecto de cargas estáticas, en cambio son relativamente
estables a los efectos de los choques y vibraciones. Un pequeño
porcentaje de partículas laminares es suficiente para cambiar el
comportamiento de un suelo y hacer que se comporte como material
laminar.
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� Comportamiento del suelo por el contenido de humedad
El contenido de agua con que se produce el cambio de estado varía
de un suelo a otro, para el cual el suelo presenta un comportamiento
plástico, es decir, acepta deformaciones sin romperse (plasticidad)
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Según su contenido de agua en forma decreciente, un suelo
susceptible de ser plástico puede estar en cualquiera de los
siguientes estados de consistencia
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• Estado líquido el suelo tiene las propiedades y apariencias de una
suspensión.
• Estado Semilíquido el suelo presenta las propiedades de un fluido
viscoso.
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• Estado Plástico el suelo se comporta plásticamente.
• Estado semi sólido el suelo tiene la apariencia de un sólido, pero aún
disminuye de volumen al estar sujeto a secado.
• Estado sólido el volumen del suelo no varia con el secado.
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Los estados de consistencia están separados por los llamados límites
de consistencia, los cuales son propiedades índices de los suelos, con
que se definen la plasticidad y se utilizan en la identificación y
clasificación de un suelo.
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Plasticidad de los suelos
La plasticidad es un fenómeno inherente a los suelos de partículas muy
finas, limos y arcillas. En la periferia de las partículas tiene efecto un
fenómeno eléctrico superficial, ya que ésta posee carga negativa y por
tanto, atrae los iones positivos del agua. Debido a estas fuerzas
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tanto, atrae los iones positivos del agua. Debido a estas fuerzas
electrostáticas, el fenómeno produce una interacción de las partículas, por
lo que tienden a permanecer y moverse unidas. La plasticidad es, pues,
una consecuencia directa se estos fenómenos.
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Consistencia Relativa (Cr)
Es un parámetro de los suelos finos que nos permite evaluar las condiciones de
soporte y mantenimiento de proyectos, está definida por Cr = (LL - w) / (LL - LP)
Supongamos que se desea realizar el dragado de un canal marino para el
proyecto de un puerto. Antes de empezar la ejecución de la obra, el contratista
requerirá de los servicios de un ingeniero de suelos, quien procederá a extraer
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requerirá de los servicios de un ingeniero de suelos, quien procederá a extraer
muestras del lecho submarino. A estas muestras se les determinará su contenido
de humedad en estado natural (W), el límite líquido (LL) y el límite plástico (LP).
Aplicando la fórmula de la consistencia relativa, si se obtuviera un valor negativo,
este nos indicaría que el contenido de humedad natural está por encima del límite
líquido y que, por tanto, el suelo no conservaría la forma propia, escurriéndose e
imposibilitando el corte y por tanto la ejecución de la obra.
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Hinchamiento, contracción y expansión
Los materiales arcillosos altamente expansivos se contraen y se expanden
debido a cambios en el contenido de humedad. Esas fluctuaciones de la
humedad pueden ser causadas por condiciones del medio ambiente tales
como lluvias estaciónales, variaciones de temperatura o debido a
actividades humanas que generan filtraciones debido a sistemas de
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actividades humanas que generan filtraciones debido a sistemas de
irrigación o ruptura de tuberías de agua.
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Estructuras tales como caminos, áreas de parqueo, casas y edificios
construidos sobre materiales arcillosos expansivos, a menudo sufren
daños como resultado de los movimientos del suelo.
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Las arcillas son de carácter expansivo,
es decir, que al humedecerse tienden a
hincharse y al secarse tienden a
contraerse. Esta condición las hace
muy susceptibles a los cambios de
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muy susceptibles a los cambios de
humedad, pudiendo afectar con el
tiempo a las edificaciones cimentadas
superficialmente en estos terrenos a
causa de los asentamientos
diferenciales en el mismo.
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El ingeniero que proyecta una cimentación sobre el suelo potencialmente
expansivo necesita un dato importante: el valor de la presión de
expansión del suelo, determinado en laboratorio mediante el método
edométrico
Pequeñas zapatas que soportan cargas livianas son más fácilmente
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Pequeñas zapatas que soportan cargas livianas son más fácilmente
levantadas o movidas por el suelo arcilloso expansivo, lo mismo sucede
en las vigas de cimentación.
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Propiedades ingenieriles de los componentes del suelo
La arenas y las materias orgánicas presentan buena permeabilidad en
estado seco o húmedo. Las arcillas no, sobre todo la illita y la
montmorillonita.
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La estabilidad volumétrica de arenas, limos, es buena, mientras la de las
arcillas no, y en particular la de la montmorillonita que es muy baja.
La plasticidad y cohesión son muy altas en la montmorillonita y muy baja
en los limos.
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La resistencia del material seco es muy alta en la montmorillonita, y del
material húmedo es muy baja en limos, montmorillonitas y materia
orgánica. La compactación con humedad óptima es muy alta en arcillas,
pero muy baja en montmorillonitas y materia orgánica.
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La estabilidad al intemperismo es muy alta en la arena y los carbonatos
y muy baja en materia orgánica. La abrasividad es alta en las arenas y
muy baja en arcillas, sobre todo en la illita y la montmorillonita
La arena muy fina es abrasiva y no manifiesta cohesión; presenta
además problemas ingenieriles cuando el material es uniforme.
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La caolinita no es expansiva, es de baja plasticidad y baja cohesión, mientras
que la illita y más aún la montmorillonita, son expansivas, de plasticidad media
e impermeables. En ambas como en la clorita, hay que considerar la salinidad.
Deben tenerse en cuenta suelos con problemas ingenieriles como los suelos
expansivos, colapsables, desleibles y dispersivos. En el medio ambiente
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expansivos, colapsables, desleibles y dispersivos. En el medio ambiente
puede haber sustancias activas y reactivas, y factores que alteren el suelo
provocándole daños de composición, químicos y mecánicos, según sus
componentes constitutivos.
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La materia orgánica es de alta permeabilidad, difícilmente compactable y
rápidamente degradable por oxidación. No sirve como material de
fundación y debe evitarse en la base de los rellenos. El potencial de
licuación de una arena aumenta cuando el material es fino y suelto y debe
existir un ambiente saturado y amenaza sísmica con eventos de suficiente
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energía.
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