Propiedades Geomecánicas de Suelos Parcialmente Saturados vs. Suelos Saturados

Este artículo técnico, dirigido a profesionales de la geotecnia, explora las diferencias clave en las propiedades geomecánicas de los suelos parcialmente saturados frente a los suelos saturados. Se examinan las implicaciones para el diseño de cimentaciones, como pilotes y zapatas, en suelos de alta plasticidad con carbonato de calcio, utilizando ejemplos prácticos y métodos de cálculo avanzados. Además, se discuten métodos de laboratorio y de campo para determinar las propiedades mecánicas de estos suelos, así como la importancia de la succión y su efecto en las propiedades como la resistencia al corte, la compresibilidad, los asentamientos y la permeabilidad.

Introducción

En la ingeniería geotécnica, comprender el comportamiento de los suelos bajo diferentes condiciones de saturación es crucial para el diseño y la construcción de cimentaciones y estructuras. Los suelos saturados y parcialmente saturados presentan propiedades mecánicas distintas debido a la presencia o ausencia de succión matricial y a la capacidad de drenaje. Este artículo compara las propiedades geomecánicas de los suelos saturados y parcialmente saturados, y analiza cómo estas diferencias impactan en el diseño de cimentaciones, utilizando como ejemplo una arcilla de alta plasticidad con carbonato de calcio y un número de golpes del SPT promedio de 20.

1. Propiedades Geomecánicas de Suelos Saturados y Parcialmente Saturados

1.1 Resistencia al Corte

La resistencia al corte de un suelo es fundamental para la estabilidad de cimentaciones y taludes. La diferencia clave entre los suelos saturados y parcialmente saturados radica en la presencia de succión en los últimos, lo que afecta la cohesión aparente del suelo.

• Suelos Saturados: Para los suelos saturados, como una arcilla de alta plasticidad, la resistencia al corte se puede definir en dos escenarios:

  • Resistencia No Drenada (s_u): En condiciones no drenadas, la resistencia al corte de una arcilla saturada es controlada por la cohesión del suelo y no depende del esfuerzo normal. Esto se debe a que en condiciones no drenadas, el agua en los poros no tiene tiempo para disiparse, y cualquier carga adicional es soportada por el agua en los poros, generando presiones de poro. La resistencia no drenada se expresa como:

τ=s_u​

Donde:

• τ: Resistencia al corte del suelo.
• s_u: Resistencia al corte no drenada.

Este valor de sus_u​ se determina típicamente a través de ensayos triaxiales no drenados (UU) o ensayos de corte directo no drenados.

• Resistencia Drenada (c′ y ϕ′): Bajo condiciones drenadas, cuando el agua en los poros puede disiparse con el tiempo, la resistencia al corte se determina a partir de la cohesión efectiva (c′c') y el ángulo de fricción interna (ϕ′). La ecuación de resistencia al corte drenada es:

τ=c′+σ′⋅tan⁡(ϕ′)

Donde:

• c′: Cohesión efectiva.

• σ′: Esfuerzo normal efectivo.

• ϕ′: Ángulo de fricción interna.

• Suelos Parcialmente Saturados: En suelos parcialmente saturados, la succión matricial proporciona una cohesión aparente adicional al suelo, aumentando su resistencia al corte. Para nuestra arcilla de alta plasticidad con carbonato de calcio, la succión puede incrementar significativamente la cohesión aparente, mejorando la resistencia al corte en comparación con la misma arcilla en condiciones saturadas. Esta resistencia adicional se modela frecuentemente mediante la ecuación extendida de Mohr-Coulomb que incluye la succión:

τ=c′+(σ−u_a)tan⁡(ϕ′)+(u_a−u_w)tan⁡(ϕ_b)

Donde:

• u_a​: Presión de aire.
• u_w: Presión de agua.
• ϕ_b: Ángulo de fricción efectivo dependiente de la succión.

1.2 Compresibilidad y Asentamientos

La compresibilidad de un suelo afecta directamente a los asentamientos que pueden experimentar las cimentaciones.

• Suelos Saturados: En suelos saturados, los asentamientos se deben principalmente a la consolidación, que sigue la teoría de Terzaghi. La compresibilidad de las arcillas de alta plasticidad es alta, lo que resulta en asentamientos significativos bajo cargas sostenidas. El índice de compresibilidad (C_c) y el índice de recompresión (C_r) son parámetros clave para determinar los asentamientos por consolidación primaria.

• Suelos Parcialmente Saturados: En los suelos parcialmente saturados, la compresibilidad es más compleja debido a los efectos de la succión. Los asentamientos inmediatos pueden ser menores debido a la mayor rigidez proporcionada por la succión, pero si esta disminuye con el tiempo (por aumento del contenido de agua), se pueden observar asentamientos adicionales. El modelo de consolidación para suelos no saturados incluye fases de consolidación primaria y secundaria que están influenciadas tanto por el drenaje del agua como por la disipación de la succión.

1.3 Permeabilidad

La permeabilidad de un suelo afecta la velocidad con la que el agua puede fluir a través de él, impactando la disipación de la presión de poro y la succión.

• Suelos Saturados: Las arcillas de alta plasticidad saturadas presentan una baja permeabilidad debido al pequeño tamaño de los poros y a la disposición compacta de las partículas de arcilla. El coeficiente de permeabilidad (k) es típicamente bajo, resultando en procesos de consolidación lentos.

• Suelos Parcialmente Saturados: La permeabilidad de los suelos parcialmente saturados es más variable y depende del grado de saturación y la continuidad de los poros llenos de agua y aire. A medida que aumenta el contenido de agua y disminuye la succión, la permeabilidad puede cambiar significativamente. El coeficiente de permeabilidad dependiente de la succión (k(ψ)) se utiliza en modelos avanzados para reflejar este comportamiento.

2. Ejemplo de Caso: Arcilla de Alta Plasticidad con Carbonato de Calcio y SPT de 20 Golpes

Tomemos como ejemplo una arcilla de alta plasticidad de consistencia media con carbonato de calcio y un número de golpes de SPT promedio de 20:

• Consistencia Media y Resistencia al Corte: Un SPT de 20 indica una arcilla de consistencia media. Bajo condiciones saturadas, la resistencia no drenada (s_u) podría estar en el rango de 75-100 kPa. Con la presencia de succión en condiciones parcialmente saturadas, la resistencia al corte podría duplicarse o más.

• Efecto del Carbonato de Calcio: El carbonato de calcio actúa como un agente de cementación que proporciona cohesión adicional y rigidez. Este efecto es más notable en condiciones parcialmente saturadas donde la succión y la cementación conjunta proporcionan una resistencia significativamente mayor. Sin embargo, esta ventaja se reduce a medida que el suelo se satura.

• Asentamientos: Los asentamientos en condiciones saturadas pueden ser importantes debido a la alta compresibilidad de la arcilla de alta plasticidad. En condiciones parcialmente saturadas, los asentamientos inmediatos pueden ser menores debido a la rigidez adicional proporcionada por la succión, pero los asentamientos diferidos pueden incrementarse si la succión disminuye con el tiempo.

3. Métodos de Determinación de Propiedades en Suelos Parcialmente Saturados

3.1 Ensayos de Laboratorio

• Ensayo Triaxial No Saturado: Permite controlar la presión del aire y del agua para medir la resistencia al corte en función de diferentes niveles de succión.
• Ensayo de Compresión Edométrica No Saturada: Evalúa la compresibilidad en función de cambios en la succión y la carga aplicada.
• Ensayos de Permeabilidad No Saturada: Determinan el coeficiente de permeabilidad dependiente de la succión.

3.2 Ensayos de Campo

• Pruebas SPT y CPT Adaptadas: Ajustadas para considerar los efectos de la succión.
• Tensiómetros y Bloques de Gipsita: Para medir la succión del agua en el suelo in situ.

4. Conclusiones

• Beneficios y Desventajas de la Succión en Suelos Parcialmente Saturados: La succión proporciona resistencia adicional en suelos parcialmente saturados, mejorando la estabilidad a corto plazo. Sin embargo, esta resistencia adicional puede perderse a largo plazo si las condiciones de humedad cambian.
• Importancia de la Cementación por Carbonato de Calcio: En arcillas de alta plasticidad con carbonato de calcio, la cementación mejora la resistencia y la rigidez, pero sus beneficios disminuyen en suelos saturados.
• Necesidad de Modelos de Análisis Avanzados: Los modelos constitutivos y de elementos finitos que incluyen succión son esenciales para una evaluación precisa de suelos parcialmente saturados.

En resumen, la correcta evaluación de las propiedades geomecánicas de suelos saturados y parcialmente saturados es crucial para un diseño geotécnico seguro y eficiente. Los ingenieros deben considerar tanto los efectos inmediatos como los diferidos de la succión y la saturación al planificar y diseñar cimentaciones en estos suelos.