Propiedades físicas de los suelos (con diagrama)
Casi todas las estructuras de ingeniería civil descansan sobre un suelo que consta de varias partículas con varios vacíos entre ellas. Estos vacíos están parcialmente o totalmente llenos de agua o aire y ayudan a estabilizar el comportamiento del suelo.
Este artículo se está dedicando completamente a las propiedades básicas del suelo como la porosidad, la proporción de vacíos, el contenido de agua, el peso unitario, etc. y las relaciones entre las diferentes propiedades del suelo.
Diagrama de fases:
El diagrama que representa las componentes del suelo se llama diagrama de fase.
El diagrama que representa los tres componentes del suelo, es decir, sólidos, aire y agua se llama diagrama de tres fases (figura 2.1). El diagrama que muestra solo dos componentes del suelo, es decir, sólidos y aire o sólidos y agua, se denomina diagrama de dos fases (figura 2.2 y 2.3)
La masa del suelo es generalmente un sistema trifásico, ya que contiene sólidos sólidos junto con el agua y el aire. El espacio cubierto por el agua y el aire en la masa de los suelos se llama vacíos. Estos vacíos a veces se llenan completamente con agua y, a veces, con agua y aire. Cuando los vacíos están completamente llenos de agua, la masa del suelo se llama totalmente saturada y cuando está parcialmente llena por el agua y en parte por el aire, la masa del suelo se llama parcialmente saturada.
El suelo se llama seco cuando los vacíos se llenan con aire solamente. Los tres constituyentes de la masa del suelo no ocupan espacio separado, sino que están separados entre los sólidos, formando partículas de material complejo, cuyas propiedades dependen del porcentaje relativo de estos constituyentes.
La siguiente relación se puede establecer a partir de la figura 2.6:
En la naturaleza, los tres componentes del suelo nunca ocupan espacios separados, sin embargo, para el cálculo, es conveniente mostrarlos ocupando espacios separados como se muestra en la figura 2.6.
Dejar
V a = volumen de aire
V w = volumen de agua
V s = Volumen de sólidos del suelo
Ma = masa de aire = 0
Mw = Masa de agua Mg = Masa de sólidos
V = Volumen total de la masa del suelo.
M = Masa total del suelo.
Densidad y peso unitario:
La densidad de la masa del suelo es la relación entre la masa del suelo (M) y el volumen (V). Se denota por p. El peso unitario del suelo es la relación entre el peso del suelo (W = Mg) y el volumen (V). Se denota por γ
ρ = M / V ………… .. (2.1)
y γ = W / V = Mg / V (2.2)
Poniendo el valor de M de la ecuación 2.1 a y la ecuación 2.2, obtenemos
γ = ρVg / V = ρg… (2.3)
γ = ρg
La densidad se expresa generalmente en gm / cm 3 o t / m 3 y el peso unitario se expresa en KN / m 3 (1 gm / cm 3 = 1 t / m 3 = 9.8 KN / m 3 )
Densidad de sólidos:
Es la relación de masa de partículas sólidas al volumen de sólidos. Se denota por pg.
ρs = Ms / Vs ………. . (2.4)
Gravedad específica:
La gravedad específica del suelo es la relación entre la densidad de los sólidos y la densidad del agua. Se denota por G y no tiene unidad.
G = Ps / Pw = γs / γw [… γ s = P s g y γ w = P w g]
La gravedad específica puede ser verdadera o absoluta, aparente o aparente o la gravedad específica de masa. Si se excluyen los vacíos presentes en las partículas del suelo para determinar el volumen verdadero de sólidos, la gravedad específica obtenida se denomina gravedad específica absoluta o absoluta. Si se considera la masa del suelo que también incluye vacíos, la gravedad específica obtenida se conoce como gravedad específica aparente o en masa o específica. Se denota por G m
G m = γ / γ m
Si no se especifica nada, la gravedad específica 'G' significa la gravedad específica de los sólidos del suelo.
Densidad seca:
La densidad seca o el peso unitario de secado es la relación entre el peso de los sólidos y el volumen total de la masa del suelo. Se denota por γ d
γ d = W s / v
Densidad saturada (o peso unitario saturado ):
El peso unitario saturado de la masa del suelo es la relación entre el peso saturado del suelo y el volumen total. Se denota por γ sat -
Densidad sumergida (o peso unitario sumergido):
El peso unitario sumergido es la relación entre el peso sumergido del suelo y el volumen total de la masa del suelo. Se denota por γ
γ = (W s ) sub / V
Cuando la masa del suelo está sumergida, su peso se reduce debido a la flotabilidad. El peso sumergido de la masa del suelo, (Ws) sub, es igual al peso en el aire menos el peso del agua desplazada por la masa del suelo. La densidad sumergida también se define como
γ = γ sat -γ w
Grado de saturación :
El grado de saturación de una masa de suelo es la relación entre el volumen de agua presente en la masa del suelo y el volumen de vacíos en la masa del suelo. Se denota por Sr. No tiene unidad. Si los vacíos están completamente llenos de agua, se dice que el suelo está saturado y el valor de S r es 1. Si los vacíos están completamente llenos de aire, es decir, si el suelo está completamente seco,
S r = Vw / Vv
Para suelos completamente saturados, S r = 1
Para suelo seco, S r = 0
Porcentaje de vacíos de aire:
Es la relación entre el volumen de huecos de aire V av y el volumen total de la masa del suelo V. Se denota por V a . No tiene unidad y se expresa en términos de porcentaje.
V a = V av / V
Proporción de vacío:
La relación de vacío de una masa de suelo es la relación entre el volumen total de vacíos y el volumen de sólidos en la masa de suelo. Se denota por e.
e = V v / V s
La proporción de vacíos es una medida de la densidad de una masa de suelo dada. Se utiliza para calcular parámetros del suelo como peso unitario, permeabilidad, gradiente hidráulico crítico, grado de compactación, etc.
Porosidad:
La porosidad de una masa de suelo es la relación entre el volumen total de huecos y el volumen total de masa de suelo. Se denota por n.
Indice de densidad (o densidad relativa):
La compacidad de una masa natural del suelo se puede expresar mediante el índice de densidad. Se define como la relación de la diferencia entre la relación de vacíos en el estado más suelto de la masa del suelo y su relación de vacíos naturales a la diferencia entre la relación de los vacíos en los estados más sueltos y más densos de la masa del suelo. Se denota por l D.
I D = e max -e / e max -e min
Dónde
e max = relación de vacío de la masa del suelo en su estado más flojo
e min = relación de vacío de la masa del suelo es su estado más denso
e = relación de vacíos naturales de la masa del suelo.
El índice de densidad está relacionado principalmente con los suelos sin cohesión cuando e = e max, es decir, el depósito natural del suelo está en su forma más holgada, entonces = 0 y cuando el depósito natural está en su forma más densa, es decir, e = emin, entonces Id = 1. Cuando el depósito natural del suelo se encuentra en un estado intermedio, el valor varía entre 0 y 1. La cohesión menos el suelo se puede describir como muy suelto, suelto, medio denso, denso y muy denso, según los valores de densidad relativa o índice de densidad. La Tabla 2.2 muestra el estado de compactación del índice de densidad del suelo sin cohesión.
Contenido de humedad o contenido de agua:
Se define como la relación entre el peso del agua en la masa del suelo y el peso con respecto a los sólidos del suelo. Se denota con m y se expresa en términos de porcentaje. No tiene unidad
M = W w / W s × 100
El contenido de agua también se puede expresar como el agua libre disponible en una masa de suelo.
El agua presente en los vacíos de una masa de suelo se llama agua del suelo.
El agua del suelo se puede clasificar ampliamente en dos tipos:
(a) Agua libre o agua gravitacional.
(b) Agua retenida.
El agua que es libre de moverse a través de una masa de suelo bajo la influencia de la gravedad conocida como agua libre. Esta agua se puede eliminar del suelo fácilmente calentando la masa del suelo a una temperatura de 105 ° C a 110 ° C.
El agua retenida es la parte del agua retenida en los poros del suelo por algunas fuerzas existentes dentro de los poros. Esta agua no es libre de moverse bajo la influencia de la gravedad y no se puede eliminar fácilmente.
El agua retenida puede subdividirse en tres tipos:
(a) Agua estructural.
(b) Agua adsorbida
(c) Agua capilar.
El agua estructural es el agua que se combina químicamente en la estructura cristalina del mineral del suelo y se puede eliminar solo rompiendo la estructura. El agua adsorbida, también denominada agua higroscópica o humedad de contacto o humedad prohibida en la superficie, es la parte del agua de suelo que las partículas de suelo absorben libremente de la atmósfera por las fuerzas físicas de atracción y se mantienen por la fuerza de adhesión.
El agua capilar es el agua que se mantiene en los intersticios del suelo debido a las fuerzas capilares. El conocimiento del contenido de agua en la masa del suelo es esencial para controlar las operaciones de compactación del suelo, para determinar el límite de consistencia, para calcular la estabilidad de todo tipo de movimiento de tierras y cimientos.
