Propiedades Geotécnicas y Clasificación de Suelos para Cimentaciones

Definiciones Fundamentales en Geotecnia

Terreno: Capa externa de la corteza terrestre.

Roca (CTE): Agregado natural de uno o más minerales que no ha sufrido modificaciones sensibles en su estructura en presencia del agua y necesita periodos de tiempo superiores a la vida útil de una edificación.

Suelo (CTE): Parte de la corteza terrestre formada por materiales que pueden ser disgregados en partículas individuales mediante la acción del agua.

Origen y Formación de los Suelos

El origen de los suelos se puede abordar desde tres facetas principales:

Procesos Físicos y Químicos

• Hidratación: Adición de agua a un compuesto químico dentro de su estructura atómica o molecular. Ejemplo: transformación de anhidrita en yeso.
• Hidrólisis: Descomposición química de sustancias por medio del agua.
• Oxidación: Cuando óxidos ferrosos liberados por reacciones de hidrólisis se oxidan a férricos, con cambios de color y consistencia.
• Carbonatación: Cuando óxidos de metales como Na, K, Ca, Mg se combinan con el CO2 ambiental formando carbonatos.
• Disolución: Aunque se considera un fenómeno físico, en el caso de la erosión suele ir acompañada de reacciones químicas. Esta es la causa de la gran cantidad de grietas, cavernas y conductos.

Procesos Biológicos

La actividad biológica (raíces de plantas, microorganismos) también contribuye a la alteración de las rocas y formación del suelo.

Clasificación de Terrenos o Suelos para Cimentaciones (CTE)

• T-1 - Terrenos favorables: Poca variabilidad, permiten cimentación directa mediante elementos aislados.
• T-2 - Terrenos intermedios: Presentan variabilidad, o en la zona no siempre se recurre a la misma solución de cimentación, o se puede suponer que tienen rellenos antrópicos de cierta relevancia, aunque probablemente de menos de 3,0 m de espesor.
• T-3 - Terrenos desfavorables: No pueden clasificarse en ninguno de los anteriores. En este grupo se incluyen:
  • Suelos expansivos
  • Suelos colapsables
  • Suelos blandos o sueltos
  • Terrenos kársticos en yesos o calizas
  • Terrenos variables en cuanto a composición y estado
  • Rellenos antrópicos con espesores superiores a 3 m
  • Terrenos en zonas susceptibles de sufrir deslizamientos
  • Rocas volcánicas en coladas delgadas o con cavidades
  • Terrenos con desnivel superior a 15º
  • Suelos residuales
  • Terrenos de marismas

Composición General del Suelo

El suelo está compuesto por los fragmentos procedentes de la erosión de rocas, más o menos cohesionados. Consta de tres fases:

• Fase Sólida: Formada por partículas o fragmentos (fragmentos de roca, minerales, materia orgánica).
• Fase Líquida: Debida al agua (residual, de lluvia o subterránea) que ocupa parte de los poros (agua, sales, bases y ácidos disueltos, hielo).
• Fase Gaseosa: Al no ser totalmente compacto, existe una serie de huecos (poros) que estarán llenos de aire u otro gas (aire, gas, vapor de agua).

Tipos de Suelos según la Fase Sólida

• Suelos Gruesos:
  • Gravas: Partículas > 2 mm (visibles directamente). No retienen el agua (inactividad de su superficie y grandes huecos entre partículas).
  • Arenas: Partículas entre 2 mm y 0.075 mm (visibles a simple vista). Cuando se mezclan con agua, se separan de ella fácilmente.
• Suelos Finos:
  • Limos: Partículas entre 0.075 mm y 0.002 mm. Retienen agua mejor que los tamaños superiores. Si se forma una pasta agua-limo y se coloca sobre la mano, al golpear esta se ve cómo el agua se exuda con facilidad.
  • Arcillas: Partículas < 0.002 mm (tamaño coloidal). Resultado de transformaciones químicas. Son silicatos hidratados de Al (filosilicatos), pudiendo contener otros minerales y sustancias orgánicas. Constituidas por cadenas dispuestas en capas formadas por tetraedros y octaedros unidos por O.

Unidad Geotécnica

Unidad Geotécnica: Cada una de las capas superpuestas del terreno que presenta características físicas y mecánicas comunes, relativas a su origen, identificación de materiales que la componen, estado, resistencia y deformabilidad.

Terrenos con Características Específicas

Rellenos Estructurales

Aquellos cuya ejecución ha sido proyectada como sustitución de un espesor determinado de suelo con riesgo geotécnico específico (mejora de terreno) o proyectada como material de aportación para alcanzar una cota superior. En ambos casos, la cimentación se proyecta apoyada sobre el relleno estructural. Los aspectos a considerar en la selección de material para relleno son: granulometría, resistencia al desgaste, compactabilidad, permeabilidad, plasticidad, contenido de materia orgánica, agresividad química, etc. No se utilizarán suelos expansivos o solubles ni susceptibles a la helada.

Suelos Expansivos

Suelos arcillosos formados por minerales cuya estructura permite absorber y perder agua y otros líquidos polares en proporción importante, provocando aumento de volumen (expansividad e hinchamiento) o disminución de volumen (retracción). Las moléculas de agua entran en la red cristalina, entre las cadenas de silicato unidas por enlaces débiles, disminuyendo o anulando los mismos, haciendo que la red cristalina ocupe mayor volumen aparente. La capacidad de cambio de volumen está condicionada por el contenido de arcilla, la mineralogía y la humedad. Para valorar y graduar la posible expansividad del suelo, se consideran 4 grados de expansividad que definen el grado de magnitud del contenido de finos y el límite líquido. Este valor es estimativo; se debe recurrir a ensayos de laboratorio específicos:

• Ensayo Lambe: Proporciona la presión que ejerce el suelo (remoldeado) al humectarse en el interior de un molde y reaccionar contra un pistón calibrado.
• Ensayo de presión de hinchamiento: Máxima presión que desarrolla una muestra de suelo inalterado (dentro de un molde edométrico) cuando, al humectarse, se impide su hinchamiento.
• Ensayo de hinchamiento libre: Máxima variación de espesor de una muestra inalterada en un molde edométrico cuando se humecta y se permite la expansión.

Terrenos con Pendientes Elevadas

En laderas o taludes, la pendiente es muy variable y depende de las litologías existentes, la estructura geológica, la presencia de agua, las cargas sobre el talud, etc. En los informes se establece el valor de la pendiente y se empieza a considerar como riesgo cuando es superior al 15%. Sin embargo, la posibilidad de movimiento depende de los factores indicados; así, zonas con pendientes del 90% pueden ser estables, y zonas con pendientes del 15% pueden ser inestables.

Terrenos Colapsables

Suelos que sufren una disminución brusca de volumen (colapso) al aumentar su humedad, generalmente bajo carga. Lo constituyen rellenos arenosos flojos o rellenos con aglomerados volcánicos. Tienen una estructura abierta y floja, manteniendo una débil cohesión estructural entre partículas. Su comportamiento varía según el contenido de humedad: si este aumenta, la estructura inicial se destruye, produciéndose la disminución de volumen. Los de limo-yesíferos son los más habituales y presentan características comunes: bajos valores de densidad seca, baja plasticidad, elevados valores de colapso bajo inundación. Para caracterizar la peligrosidad se utiliza el peso específico seco aparente y los ensayos de colapso en edómetro, sometiendo muestras a una carga determinada y midiendo el asiento tras la inundación. Grados de colapso: bajo, bajo a medio, medio a alto, alto a muy alto. En España se encuentran limos yesíferos en el valle del Ebro, limos arenosos en Alicante, tobas blandas en Canarias.

Terrenos Kársticos

Materiales en los que se desarrollan procesos de karstificación (disolución):

• Yesíferos y salinos: Simas y cavidades se producen por disolución bastante rápida.
• Materiales calcáreos (calizas y dolomías): La circulación de agua provoca la formación lenta de simas y grutas de gran tamaño.

Rellenos Antrópicos

Depósitos de materiales realizados por el hombre. Pueden ser altamente densificables y presentar riesgo de colapso. La solución habitual para cimentar sobre ellos es apoyar la estructura sobre pilotes o pozos, transfiriendo la carga al sustrato resistente subyacente. Si son de poco espesor, a menudo la mejor solución es su eliminación.

Suelos Dispersivos

Aquellos cuya constitución mineralógica y fábrica es tal, que las fuerzas de repulsión entre partículas finas (arcillas) exceden a las fuerzas de atracción. En presencia de agua pura o de baja salinidad, las partículas tienden a dispersarse (deflocular) en lugar de agruparse (flocular). Los agregados de partículas o flóculos están constituidos por partículas arcillosas y suelen tener una proporción elevada de sales disueltas en el agua ocluida en los poros del suelo.

Suelos Salinos y Agresivos

Suelos con un pH en solución saturada de 8.5 o menor. Muchos son agresivos al hormigón de cimentación, sobre todo si hay agua de circulación en el subsuelo, que transporta el producto del ataque químico del suelo al cimiento y permite que la degradación progrese.

Propiedades Físicas del Suelo

• Parte sólida: De origen pétreo. Entre las partículas sólidas existe una serie de huecos (poros) que pueden estar vacíos o contener elementos líquidos o gaseosos.
• Parte líquida: Elemento líquido en los huecos. Lo frecuente es que sea agua.
• Parte gaseosa: Elementos gaseosos en los huecos. Frecuentemente es aire, pero también puede ser vapor de agua, metano, etano, etc.

Relaciones Volumétricas y Gravimétricas

• Porosidad (n): Relación entre el volumen ocupado por poros (V_H = V_L + V_G) y el volumen total de la muestra (V_T = V_S + V_H).
  n = V_H / V_T = e / (1 + e) = 1 - (γ_d / γ_s)
• Índice de poros (e): Relación entre el volumen ocupado por poros (V_H) y el volumen ocupado por las partes sólidas (V_S).
  e = V_H / V_S = n / (1 - n)
• Densidad (ρ) y Peso Específico (γ):
  • Densidad (ρ): Masa por unidad de volumen.
  • Peso específico (γ): Peso por unidad de volumen (γ = ρ * g).
  • Peso Total (P_T) = Peso Sólidos (P_S) + Peso Agua (P_W) (Peso Gas P_G ≈ 0).
  • Volumen Total (V_T) = Volumen Sólidos (V_S) + Volumen Líquido (V_L) + Volumen Gas (V_G).
• Entumecimiento: Aumento de volumen que experimenta un suelo cuando aumenta su humedad a partir de cierto punto (generalmente asociado a suelos arcillosos expansivos).

Tipos de Densidad / Peso Específico

• Densidad real o peso específico de las partículas del suelo (γ_s): Peso de las partículas sólidas dividido por su volumen.
  γ_s = P_S / V_S. Valor medio γ_s ≈ 2,7 g/cm³ (o 27 kN/m³).
• Densidad aparente seca o Peso específico seco del suelo (γ_d): Peso de las partículas sólidas dividido por el volumen total de la muestra.
  γ_d = P_S / V_T. Típicamente entre 1,3 - 1,9 g/cm³, aunque en suelos volcánicos puede ser 0,6 - 1,2 g/cm³.
• Densidad aparente saturada o Peso específico saturado (γ_sat): Peso total de la muestra cuando todos los poros están llenos de agua (V_G = 0), dividido por el volumen total.
  γ_sat = (P_S + P_L) / V_T (cuando S_r=100%). Típicamente entre 1,6 - 2,1 g/cm³.
• Densidad aparente con humedad natural (γ): Peso total de la muestra con su humedad natural, dividido por el volumen total.
  γ = P_T / V_T = (P_S + P_L) / V_T. Típicamente entre 1,5 y 2,1 g/cm³.
• Peso específico del suelo sumergido (γ'): Diferencia entre el peso específico saturado y el peso específico del agua (γ_w ≈ 1 g/cm³ o 9.81 kN/m³). Representa el empuje efectivo.
  γ' = γ_sat - γ_w

Humedad y Saturación

• Humedad (w): Cociente entre el Peso del agua (P_L) contenido en una muestra y el Peso del terreno seco (P_S), expresado como porcentaje.
  w = (P_L / P_S) * 100%
• Grado de saturación (S_r): Porcentaje del volumen de poros que está ocupado por agua.
  S_r = (V_L / V_H) * 100%

Consistencia del Suelo

Manifestaciones del estado físico del suelo fino (cohesivo) en función de su contenido de humedad. Refleja las fuerzas de cohesión (atracción entre partículas del suelo) y adhesión (atracción entre partículas del suelo y otras superficies). Se manifiesta en:

• Comportamiento ante la gravedad, presión, empuje, tracción.
• Tendencia de la masa de suelo a adherirse a otros cuerpos.
• Sensación al tacto.

Estados de Consistencia

1. Sólido: Fuerte, duro, quebradizo.
2. Semisólido: Friable (se desmenuza).
3. Plástico: Moldeable, mantiene la forma.
4. Líquido: Fluido, pegajoso, se adhiere a objetos.

Límites de Atterberg

Contenidos de humedad (expresados en porcentaje) que marcan las transiciones entre los estados de consistencia de los suelos finos.

Límite de Retracción (LR o w_S)

Humedad por debajo de la cual el suelo no disminuye más de volumen al secarse. Es la humedad mínima para que el suelo esté saturado. Si la humedad es mayor que LR, el suelo se retrae al secarse; si es menor o igual, no hay retracción adicional.

Límite Plástico (LP o w_P)

Contenido de humedad mínimo al cual el suelo puede ser moldeado en cilindros de 3 mm de diámetro sin que estos se rompan o desmoronen. Marca la transición entre el estado semisólido y el plástico.

Límite Líquido (LL o w_L)

Contenido de humedad al cual un suelo pasa del estado plástico al estado líquido. Se determina con la cuchara de Casagrande: es la humedad a la cual un surco estándar en una pasta de suelo se cierra 13 mm tras 25 golpes desde 10 mm de altura a 2 golpes/segundo. Si LL > 50%, el suelo se considera de alta plasticidad y se debe evaluar su potencial de expansividad.

Índices Derivados

• Índice de Plasticidad (IP): Rango de humedad en el cual el suelo se comporta plásticamente.
  IP = w_L - w_P.
  • IP > 20: Muy plástico (alta arcillosidad)
  • IP > 10: Plástico (arcilloso)
  • IP < 4: Poco plástico (baja arcillosidad)
  • IP = 0 (o no determinable): No plástico (NP)
• Índice de Consistencia (IC) o Consistencia Relativa: Indica la consistencia del suelo *in situ* respecto a sus límites.
  IC = (w_L - w_nat) / IP (donde w_nat es la humedad natural).
  • IC > 1: Estado semisólido o sólido (compacto, seco, duro).
  • IC = 1: Suelo en su Límite Plástico (w_nat = w_P).
  • 0 < IC < 1: Estado plástico (consistencia varía de muy firme a blanda).
  • IC = 0: Suelo en su Límite Líquido (w_nat = w_L).
  • IC < 0: Estado líquido (muy blando).

Granulometría

Distribución de los tamaños de las partículas que componen un suelo.

Clasificación por Tamaño (según SUCS/ASTM)

• Gruesos:
  • Gravas: > 4.75 mm (retenido tamiz Nº 4)
  • Arenas: 4.75 mm - 0.075 mm (pasa tamiz Nº 4, retenido tamiz Nº 200)
• Finos: < 0.075 mm (pasa tamiz Nº 200)
  • Limos: 0.075 mm - 0.002 mm (plasticidad baja o nula)
  • Arcillas: < 0.002 mm (exhiben plasticidad)

Nota: Gravas, arenas y limos no plásticos se consideran suelos sin cohesión o friccionantes. Las arcillas (y limos plásticos) son suelos cohesivos.

Análisis Granulométrico

Se realiza mediante tamizado para la fracción gruesa y sedimentación (ley de Stokes) para la fracción fina. Se toma una muestra representativa, se deseca (a T < 60ºC para evitar alterar la estructura de las arcillas) hasta peso constante.

Coeficientes Granulométricos (para suelos gruesos)

Se obtienen de la curva granulométrica (porcentaje que pasa vs. tamaño de partícula):

• Coeficiente de Uniformidad (C_U): Mide la variedad de tamaños.
  C_U = D₆₀ / D₁₀ (D_x = tamaño tal que x% de las partículas son menores).
  • C_U < 4 (gravas) o < 6 (arenas): Suelo uniforme (mal graduado).
  • Valores altos indican mayor variedad de tamaños (bien graduado).
• Coeficiente de Curvatura (C_C): Mide la forma de la curva granulométrica.
  C_C = (D₃₀)² / (D₁₀ · D₆₀).
  • Para un suelo bien graduado: 1 ≤ C_C ≤ 3.
  • Valores fuera de este rango indican una granulometría discontinua (mal graduado).

Contenido de Finos

Porcentaje de partículas que pasan el tamiz Nº 200 (< 0.075 mm). Un mayor contenido de finos afecta la permeabilidad (dificulta la expulsión de agua) y el comportamiento mecánico del suelo.

Equivalente de Arena (EA)

Ensayo rápido para estimar la proporción relativa de finos indeseables (arcilla plástica, limo) en la fracción fina de suelos granulares (arenas).
EA = (lectura altura de arena / lectura altura total de suelo) * 100.

Identificación y Clasificación de Suelos (Método SUCS)

Proceso sistemático para agrupar suelos con comportamiento ingenieril similar. Pasos generales:

1. Identificación del tipo de suelo (basado en granulometría y plasticidad).
2. Determinación del estado real del suelo (humedad, densidad in situ).
3. Determinación de la respuesta del suelo (resistencia, compresibilidad, permeabilidad).

Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS - Basado en Casagrande)

1. Examen Preliminar

• Suelos Altamente Orgánicos (Pt): Identificados visualmente (textura fibrosa, color oscuro, olor a descomposición, alta humedad, restos vegetales). Se clasifican aparte.
• Distinción Grueso/Fino: Determinar el porcentaje que pasa el tamiz Nº 200 (0.075 mm).
  • Suelos de Grano Grueso: ≤ 50% pasa el tamiz Nº 200.
  • Suelos de Grano Fino: > 50% pasa el tamiz Nº 200.

2. Clasificación de Suelos de Grano Grueso

• Determinar si es Grava (G) o Arena (S): Comparar la fracción retenida y la que pasa el tamiz Nº 4 (4.75 mm).
  • Si más del 50% de la fracción gruesa es > 4.75 mm: Grava (G).
  • Si ≥ 50% de la fracción gruesa es < 4.75 mm: Arena (S).
• Determinar el porcentaje de finos:
  • Menos del 5% de finos (Limpios):
    • Clasificar según graduación (C_U y C_C): GW, GP, SW, SP.
    • W (Well-graded): Bien graduado (C_U ≥ 4 y 1 ≤ C_C ≤ 3 para gravas; C_U ≥ 6 y 1 ≤ C_C ≤ 3 para arenas).
    • P (Poorly-graded): Mal graduado (no cumple criterios W).
  • Más del 12% de finos (Con finos):
    • Clasificar según la plasticidad de los finos (usando LL e IP de la fracción < 0.425 mm en la Carta de Plasticidad): GM, GC, SM, SC.
    • M (Silt): Finos limosos (IP < 4 o plotea bajo la línea A).
    • C (Clay): Finos arcillosos (IP ≥ 4 y plotea sobre o en la línea A).
  • Entre 5% y 12% de finos (Casos frontera): Usar doble símbolo (ej. GW-GM, SP-SC).

3. Clasificación de Suelos de Grano Fino

• Determinar LL e IP de la fracción que pasa el tamiz Nº 40 (0.425 mm).
• Dividir según LL:
  • Baja Plasticidad (L): LL < 50.
  • Alta Plasticidad (H): LL ≥ 50.
• Usar la Carta de Plasticidad de Casagrande:
  • CL: Arcilla inorgánica de baja plasticidad (sobre línea A, LL < 50).
  • ML: Limo inorgánico de baja plasticidad (bajo línea A, LL < 50).
  • OL: Limo orgánico o arcilla orgánica de baja plasticidad (bajo línea A, LL < 50, con olor o color orgánico).
  • CH: Arcilla inorgánica de alta plasticidad (sobre línea A, LL ≥ 50).
  • MH: Limo inorgánico de alta plasticidad (bajo línea A, LL ≥ 50). Incluye suelos micáceos o diatomáceos.
  • OH: Limo orgánico o arcilla orgánica de alta plasticidad (bajo línea A, LL ≥ 50).
  • CL-ML: Símbolo doble para suelos que plotean en la zona sombreada (IP entre 4 y 7, sobre línea A).

Nota específica del texto original: CL-ML - arcilla de baja plasticidad, pocos huecos; limos de baja plasticidad, pocos huecos.