Efecto de la fracción arcillosa en el comportamiento del suelo
Tradicionalmente, la mayoría de los textos y trabajos sobre Mecánica de Suelos han presentado la información claramente dividida en dos tipos de materiales: arenas y arcillas. Sin embargo, en la práctica nos encontramos a menudo en presencia de suelos mixtos. Surge, entonces, la siguiente pregunta: ¿cómo estimar el comportamiento de estos materiales mixtos? Uno de los principales aspectos a tener en cuenta a la hora de abordar esta cuestión es el efecto de la fracción de arcilla en el comportamiento del material. ¿Quieres saber más? Seguir leyendo este post…
Contenido
Consideraciones generales sobre el comportamiento del suelo
En un post anterior hemos hablado de la naturaleza del suelo, diferenciando entre suelos gruesos y finos, y presentando algunas nociones básicas sobre su comportamiento. Conviene repasar esta información antes de seguir leyendo este post. Aquí está el enlace: https://geo-webonline.com/en/la-naturaleza-del-suelo/.
La textura de los suelos, especialmente de los de grano grueso, guarda cierta relación con su comportamiento en ingeniería. En el caso de los suelos de grano fino, la presencia de agua gratley afecta a su respuesta ingenieril. El agua afecta a la interacción entre los granos minerales, y esto puede afectar a su plasticidad (definida en términos generales como la capacidad del suelo para moldearse) y a su cohesividad (su capacidad para adherirse). Mientras que las arenas son no plásticas y no cohesivas (sin cohesión), las arcillas son plásticas y cohesivas. Los limos se sitúan entre las arcillas y las arenas: son de grano fino, pero no plásticos ni cohesivos (Holtz et al, 2011).
Figura 1 Imágenes microscópicas de arcillas, limos y arenas (Fuente: modificado de Jozefaciuk et al, 2021 and Akbari & Ahmadi, 2016).
En general, las partículas finas rellenan los espacios porosos entre las partículas de mayor tamaño, controlan la permeabilidad de los suelos, determinan si una determinada condición de carga es drenada o no drenada y aumentan la deformación elástica y la resistencia a la degradación de los suelos. Además, un porcentaje relativamente pequeño de finos puede formar contactos estables entre los granos gruesos, proporcionando resistencia y rigidez al suelo. El Sistema Uniforme de Clasificación de Suelos (SUCS) reconoce estas observaciones, separa claramente los finos de los suelos gruesos, capta la importancia de los finos en los suelos gruesos, e incluso aborda si esos finos son de alta o baja plasticidad (Santamarina et al, 2002).
Sin embargo, es importante señalar que la presencia de incluso una pequeña cantidad de minerales de arcilla (partículas cristalinas muy pequeñas, de menos de 0,002 mm de tamaño, muy activas electroquímicamente) puede afectar notablemente a las propiedades de ingeniería de la masa de suelo. A partir de numerosas investigaciones, se reconoció que a medida que aumenta la cantidad de arcilla, el comportamiento del suelo se rige cada vez más por las propiedades de la arcilla (Holtz et al, 2011; Mitchell, 1976; Monkul & Ozden, 2007). De esa forma, como complemento de la información proporcionada por la aplicación del SUCS, comprender el efecto de la presencia de minerales de arcilla es fundamental para entender el comportamiento del suelo.
Efecto de la fracción arcillosa en el comportamiento del suelo
En primer lugar, es importante mencionar que los suelos cuyo comportamiento se ve fuertemente afectado por la presencia de minerales arcillosos, para simplificar, suelen denominarse arcillas. Sin embargo, en realidad nos referimos a suelos que contienen suficientes minerales arcillosos como para afectar a su comportamiento en ingeniería. Esta simplificación debe entenderse para evitar confusiones.
La influencia de la presencia de minerales arcillosos en el comportamiento de la masa del suelo fue ampliamente estudiada por varios autores en las últimas cuatro décadas. Entre los trabajos que considero más relevantes, cabe destacar los siguientes: 1) Lupini et al (1981), quienes mencionaron que el comportamiento residual de corte cambia significativamente a medida que aumenta el contenido de arcilla de los suelos cohesivos y se produce un cambio en el mecanismo de corte; y 2) Skempton (1985), quien mencionó que si la fracción de arcilla es menor al 25%, el suelo se comporta de manera muy similar a un suelo grueso (arena o limo).
Para explicar la influencia de la fracción arcillosa en el comportamiento del suelo, podría considerarse el modelo bifásico propuesto por Mitchell (1976). Según dicho modelo, la relación de vacíos de la fase granular (eg) puede definirse como la relación entre el volumen de los vacíos intergranulares y el volumen de sólidos granulares:
Donde Vv, Vc y Vg son el volumen de los vacíos, las partículas de arcilla y las partículas gruesas (limos, arenas o gravas), respectivamente. Por lo tanto, Vv + Vc es el volumen de los espacios intergranulares. En ese modelo se supone que la contribución de los finos (partículas de arcilla) al sostenimiento de las fuerzas internas es secundaria si la cantidad de finos se mantiene dentro de un cierto margen. En cambio, la matriz de grano más grueso es dominante en la transferencia de fuerzas de fricción de contacto (Biscontin et al, 2007).
Siguiendo el modelo bifásico, los suelos saturados que contienen una mezcla de suelos cohesivos y granulares pueden idealizarse como una combinación de las dos fases: (1) la fase arcilla-agua, denominada matriz arcillosa; y (2) la fase granular. La figura 2 ilustra el modelo.
Figura 2 Modelo conceptual bifásico (Fuente: modificado de Biscontin et al, 2007).
Para la mayoría de los fines prácticos, Gc ≈ Gg = Gs, y la fracción volumétrica de arcilla fc puede aproximarse mediante la fracción gravimétrica de arcilla FF. Las relaciones de vacío de las fases arcilla-agua y granular, ec y eg respectivamente, pueden determinarse a partir de la relación de vacío global e y la fracción volumétrica de arcilla, de acuerdo con las siguientes expresiones:
A partir de la última expresión, si eg ≥ 1, significa que la fase arcilla-agua es mayor que la fase granular. En estas condiciones, los granos más gruesos se comportan como inclusiones rígidas en la fase arcilla-agua, y proporcionan una contribución insignificante al comportamiento global del suelo, que sólo está controlado por la matriz arcillosa. Este comportamiento podría definirse como comportamiento como arcilla. Por otro lado, si la fracción de arcilla saturada es pequeña, los granos más gruesos están en contacto mutuo, y la matriz de arcilla se entrelaza en los huecos del esqueleto granular. En este caso, el comportamiento global del suelo está controlado únicamente por la fase granular, y podría definirse como comportamiento como arena.
Algunas recomendaciones prácticas para ser aplicadas en proyectos geotécnicos
La Figura 3 muestra las relaciones entre eg, ec, ω, y FF. La figura incluye información sobre muestras publicadas en la literatura (Lupini et al, 1981; Monkul & Ozden, 2007; Biscontin et al, 2007). De acuerdo con estos datos, es evidente que las muestras con mayor contenido de granos gruesos presentan, en general, eg < 1, lo que podría considerarse como un comportamiento similar a la arena. También se observa que las muestras con FF superior al 20% presentan valores de eg > 1, lo que podría considerarse como comportamiento arcilloso.
Figura 3 Relaciones entre eg, ec, ω 7 FF (Fuente: modificado de Lupini et al, 1981 por Boiero, 2021).
De acuerdo con lo anterior, desde el punto de vista práctico se puede establecer que para FF iguales o superiores al 20%, los suelos presentarán un comportamiento arcilloso, mientras que para FF inferiores al 20% los suelos presentarán un comportamiento arenoso. Este límite es, en general, consistente con lo publicado en la literatura respecto a la influencia de las partículas de arcilla en el comportamiento de los suelos.
En base a la información presentada anteriormente, es evidente la necesidad de considerar el comportamiento esperado del suelo para llevar a cabo una caracterización geotécnica adecuada. Dicha consideración complementa la información obtenida a partir de la clasificación del suelo según la SUCS, particularmente en relación con el efecto de las partículas de arcilla en el comportamiento del suelo.
Referencias
- Akbari, N. & Ahmadi, M. (2016) “Effect of Fines Type and Content of Sand on Correlation Between Shear Wave Velocity and Liquefaction Resistance”. Geotechnical and Geological Engineering,volume 34, pages1857–1876. DOI:1007/s10706-016-9995-8.
- Boiero, A. (2021) “Development of a Rational Methodology for Soil Geotechnical Characterization”. 6TH International Conference on Geotechnical and Geophysical Site Characterization (ISC´6). Paper ID: ISC2020-12. Available at http://isc6.org/images/Cikkek/Sessions/ISC2020-12.pdf. Budapest, Hungary.
- Holtz, R.; Kovacs, W. & Sheahan, T. (2011) “An Introduction to Geotechnical Engineering”. Second Edition. Prentice Hall. New Jersey, USA.
- Jozefaciuk, G.; Skic, K.; Adamczuk, A.; Boguta, P.; Lamorski, K. (2021) “Structure and Strength of Artificial Soils Containing Monomineral Clay Fractions”. Materials, 14, 4688. https://doi.org/10.3390/ma14164688.
- Lupini, J., Skinner, A. & Vaughan, P. (19818) “The Drained Residual Strength of Cohesive Soils”, Geotechnique, 31, pp. 181-212.
- Mitchell, J. (1976) “Fundamentals of Soil Behavior”, 1st ed., John Wiley & Sons, Inc., New York, USA.
- Monkul, M.& Ozden, G. (2007) “Compressional Behavior of Clayey Sand and Transition Fines Content”, Engineering Geology, 89, pp. 195-205, 2007.
- Santamarina, C., Klein, K., Wang, Y., Prencke, E. (2002) “Specific Surface: Determination and Relevance”. DOI: 10.1139/T01-077. NRC. Canada.
- Santamarina, C., Narsilio, G. (2008) “Clasificación de Suelos: Fundamento Físico, Prácticas Actuales y Recomendaciones”. Conferencia 50 Aniversario Sociedad Venezolana de Geotecnia. Caracas, Venezuela.
- Skempton, A. (1985) “Residual Strength of Clays in Landslides, Folded Strata and the Laboratory”, Geotechnique, 35, pp. 3-18.
