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Sistema Unificado de Clasificación del Suelo (SUCS) en la Ingenieria Geotécnica
En este post se tratará el tema de la clasificación de los suelos, poniendo el foco en dos aspectos fundamentales: primero, entender qué es un sistema de clasificación de suelos; y segundo, comprender la filosofía del Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, el cual constituye la metodología más ampliamente utilizada alrededor del mundo para diferenciar los suelos en la Ingeniería Geotécnica práctica.
Contenidos
Qué es un sistema de clasificación de suelos
En general, todo el mundo tiene una idea que les permite diferenciar gravas, arenas, limos y arcillas. Sin embargo, desde el punto de vista de la Mecánica de Suelos, términos generales como los mencionados grava, arena, limo o arcilla, incluyen un amplio rango de características ingenieriles, por lo que se requieren subdivisiones adicionales o modificaciones de esos términos, de manera que sean más útiles en la ingeniería práctica. Esto deriva en la necesidad de un método sistemático para categorizar y clasificar el suelo en base a su comportamiento ingenieril más probable.
Dicho método de clasificación representa, por ende, un lenguaje de comunicación entre ingenieros, de forma tal que no sea posible confundir suelos aparentemente similares, pero que poseen comportamientos diferentes.
Otra ventaja importante es que este lenguaje, permite aprovechar la experiencia acumulada por otros ingenieros en suelos semejantes, sin que existan posibles errores por una mala interpretación de la información disponible.
La Figura 2 ilustra el rol del sistema de clasificación del suelo en la Ingeniería Geotécnica práctica. Como se puede observar, a partir de ciertas propiedades que tiene una muestra de suelo (tales como la relación de vacíos e, el contenido de humedad ω, la densidad ρ, la gravedad específica Gs, el límite líquido LL, y el índica plástico IP, entre otras), se aplica un sistema de clasificación, lo cual permite al ingeniero alcanzar una idea aproximada de las propiedades ingenieriles del suelo y del comportamiento del suelo para diferentes propósitos.
Figura 2 Rol del sistema de clasificación del suelo en la Ingeniería Geotécnica.
Por supuesto, un sistema de clasificación de suelos NO elimina la necesidad de realizar una investigación detallada del terreno, o de efectuar ensayos más sofisticados para determinar ciertas propiedades del suelo. Sin embargo, las propiedades ingenieriles correlacionan bastante bien con las propiedades índice y de clasificación de un depósito de suelo dado. Así, conociendo la clasificación del suelo, el ingeniero tendrá una idea general bastante buena sobre la potencialidad del suelo para ser usado en una aplicación particular, y sobre su comportamiento durante la construcción y bajo cargas estructurales, durante la vida útil del proyecto (Holtz et al, 2011).
Evolución de la comprensión del conocimiento del suelo
El comportamiento de los suelos es muy complejo, debido fundamentalmente a su naturaleza granular y a la coexistencia de partículas sólidas con fluido intersticial, que generalmente está compuesto por más de un fluido (agua, sales, contaminantes orgánicos e inorgánicos, gases como aire y metano, etc.). El entendimiento del comportamiento de los suelos ha evolucionado a través del Siglo XX hasta la actualidad, desde la comprensión del concepto de esfuerzos efectivos (Terzaghi, en los años ´20), el comportamiento de coloides y arcillas (Goy, Chapman en los ´10, Lambe y Mitchell en los ´50), la dilatación en corte (Taylor, 1948), la Mecánica de Suelos del estado crítico (Roscoe, Schofield y Wroth en los ´60), la fase fluida mixta, y los suelos parcialmente saturados (Bishop, Aitchinson, Fredlund y Morgenstern en los ´60), por nombrar algunos de los conceptos más importantes (ver Figura 3). En los últimos años, una nueva etapa asociada al estudio de la geoquímica mediada por micro-organismos ha iniciado su desarrollo (Santamarina y Narsilio, 2008).
Figura 3 Evolución en el tiempo de la comprensión del comportamiento de los suelos (Fuente: modificado de Santamarina y Narsilio, 2008).
Estos avances en la comprensión del comportamiento del terreno ante diferentes solicitaciones o para diferentes usos, permitieron el desarrollo y la mejora de diferentes sistemas de clasificación del terreno.
Filosofía del Sistema Unificado de Clasificación del Suelo
El Sistema Unificado de Clasificación del Suelo (SUCS) está regido por la norma ASTM D-2487, y es el de uso más extendido en la práctica geotécnica. Fue inicialmente propuesto por Arthur Casagrande en 1932, tentativamente adoptado por el Departamento de Ingeniería de los EEUU en 1942, y definitivamente presentado a la American Sociaty of Civil Engineers en 1948. El U.S. Army Corps of Engineers comenzó a emplearlo en 1953, en tanto que el U.S. Bureau of Reclamations lo hizo en 1974. Está basado en el análisis granulométrico y en los límites de Atterberg (límites líquido y plástico) de los suelos.
El sistema divide entre suelos gruesos y suelos finos, considerando el porcentaje pasante por el tamiz #200 (0,075 mm). Si menos del 50% en peso del suelo pasa por dicho tamiz, entonces el suelo es grueso, y se sub-clasifica en arena o grava por medio del tamiz #4. Caso contrario, el suelo es fino, y se sub-clasifica en limo o arcilla según los valores de los límites líquido y plástico. La Figura 4 muestra un esquema simplificado del SUCS.
La importancia del tamiz #200 se hace evidente cuando se analizan las fuerzas que actúan entre las partículas, incluyendo las de peso propio, las fuerzas debidas a esfuerzos efectivos, fuerzas eléctricas, y fuerzas capilares. En la parte superior de la mencionada Figura 4 se observa la correlación existente entre el tamaño equivalente de las partículas y la naturaleza de las fuerzas gobernantes: los tamices #200 y #4 logran capturar estos límites. Desde el punto de vista del diseño geotécnico, la velocidad de disipación del exceso de presión de poros discrimina entre análisis en condiciones “drenadas” y en condiciones “no drenadas”. Típicamente, las condiciones de carga “drenadas” están asociadas a suelos de grano grueso, en tanto que las “no drenadas” a suelos de grano fino.
Figura 4 Esquema ilustrativo del SUCS (Fuente: modificado de Santamarina y Narsilio, 2008).
En ausencia de finos, el empaquetamiento de granos de suelo grueso (grava o arena) depende del coeficiente de uniformidad (Cu = D60/D10). Por su parte, el coeficiente de curvatura (Cc = D302/(D10/D60) agrega información acerca de la convexidad de la curva granulométrica, indicando la presencia de diámetros extremos (Santamarina y Narsilio, 2008).
Es importante destacar que aún pequeñas cantidades de partículas finas (tamaño menor a 2 μm), pueden ejercer una gran influencia en el comportamiento de suelos gruesos. Los finos llenan los espacios entre las partículas de mayor tamaño, controlan la permeabilidad del suelo, determinan si las condiciones de carga efectiva serán drenadas o no drenadas, y cambian el comportamiento esfuerzo-deformación de los suelos. Adicionalmente, un porcentaje relativamente pequeño de partículas finas pueden formar puentes estables entre partículas, confiriendo resistencia y rigidez al suelo (Santamarina et al, 2002). El SUCS reconoce estas observaciones, y presenta un rango variable de finos entre 5% y 12% que cambia la clasificación de suelos.
Los límites de Atterberg, por su parte, se emplean para clasificar suelos finos. Estos ensayos cuantifican la superficie específica y la formación de fábrica. Los ensayos de límites de consistencia deben ser realizados con el mismo fluido que estará involucrado durante la vida útil del proyecto, ya que el tipo y concentración de iones afectan el espesor efectivo de la capa difusa y las fuerzas de repulsión entre partículas (Santamarina y Narsilio, 2008). La Figura 5 muestra la Carta de Plasticidad, tal como se presenta en la Norma ASTM D-2487.
Figura 5 Carta de plasticidad a emplear en el SUCS (Fuente: Norma ASTM D-2487).
Para finalizar, es importante destacar que el SUCS se basa en ensayos de laboratorio rutinarios: granulometría por tamizado e hidrómetro (pudiendo emplear simplemente la de tamizado), y límites de consistencia. Quizá sea esta la principal fortaleza práctica del sistema.
Referencias
- “Annual Book of ASTM Standards: Soils and Rocks” (2019). American Society for Testing and Materials. USA.
- Holtz, R.; Kovacs, W. & Sheahan, T. (2011) “An Introduction to Geotechnical Engineering”. Second Edition. Prentice Hall. New Jersey, USA.
- 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.
