Representación de estados y trayectorias volumétricas y gravimétricas en suelos

Volumetric and gravimetric representation of paths in soils

En este artículo se parte de los conceptos básicos sobre relaciones volumétricas y gravimétricas de un suelo, considerado este como un sistema de partículas compuesto por tres fases (sólida, líquida y gaseosa). Se construyó un diagrama que permitió representar de manera sintética y simultánea, los principales cambios físicos que sufre el suelo. Cambios en términos de peso específico húmedo, humedad, relación de vacíos y saturación, durante la ocurrencia de procesos como humedecimiento y secado, saturación y desaturación, compresión y extensión, contracción y expansión, consolidación, flujo estacional y flujo transitorio. Cada proceso físico siguió una trayectoria diferente, a partir de un estado volumétrico y gravimétrico inicial.

1. Introducción

En la naturaleza, los suelos son sistemas de tres fases que consisten de partículas sólidas de suelo, agua y aire [1]. Las relaciones volumétricas y gravimétricas entre fases del suelo se derivan en forma analítica a partir de las proporciones relativas de los volúmenes y pesos correspondientes a dichas fases, razón por la cual, también se les conoce como relaciones de fase del suelo. El cálculo de las diferentes relaciones de fases para valores concretos de peso y volumen, arroja magnitudes que representan un estado instantáneo pero transitorio del suelo. Dado un estado volumétrico y gravimétrico inicial, es posible representar gráficamente los cambios continuos de las relaciones entre fases, debidos a diversos procesos físicos que pueden ocurrir en un suelo. El presente trabajo ilustra el desarrollo de un diagrama que permite representar tales trayectorias volumétricas y gravimétricas, de manera didáctica y sencilla, lo cual lo hace atractivo para facilitar el aprendizaje de la mecánica de suelos y para favorecer la comprensión más precisa del comportamiento de los suelos.

2. Metodología

Para entender mejor los suelos, sus propiedades y alguna de las relaciones que se presentan entre la amplia gama de variables que tipifican las condiciones de un suelo, se elaboró un análisis en el que se pretendió llegar a partir de las relaciones volumétricas y gravimétricas entre fases del suelo, al desarrollo de un diagrama que permite representar tales trayectorias volumétricas y gravimétricas, de manera didáctica y sencilla. Esto lo hace atractivo para facilitar el aprendizaje de la mecánica de suelos y favorece la comprensión más precisa del comportamiento de los suelos.

2.1. Diagrama de fases

Para desarrollar las relaciones peso-volumen de un suelo, las tres fases [1] pueden ser separadas como se muestra en la Figura 1. Allí se definen las variables de pesos y volúmenes de las tres fases componentes.

2.3. Solución de un diagrama de fases unitario

Suponiendo que se conocen los valores de Gs, e y S, aceptando que w ≈  0, y asumiendo un valor unitario para el volumen de sólidos, Vs = 1, es posible resolver el diagrama unitario de la Figura 1, mediante el empleo de las definiciones de las relaciones de fases, de la siguiente manera:

La solución al diagrama unitario se representa mediante la Figura 2. Una relación muy útil para la resolución de muchos problemas de relaciones de fases, se obtiene a partir de aplicar el concepto de contenido de humedad, con las magnitudes obtenidas en el diagrama de fases de la Figura 2.