Relaciones de Pesos y Volúmenes en Suelos: Fundamentos de Geotecnia
En la figura (1) aparece un esquema de una muestra de suelo separada en sus tres fases, y en ella se acotan los pesos y volúmenes cuyo uso es de gran interés. Proporciones en Volúmenes y Peso
- Va: volumen de la fase gaseosa (volumen de aire).
- Wa: volumen de la fase gaseosa, convencionalmente considerado como nulo en Geotecnia.
- Vv: volumen de vacíos de la muestra de suelo (volumen de vacíos).
- Vt: volumen total de la muestra del suelo (volumen de la masa).
- Vs: volumen de la fase sólida de la muestra (volumen de sólidos).
- Vω: volumen de la fase líquida (volumen de agua).
Las relaciones entre estos volúmenes son las siguientes:
- Vv = Vω + Va
- Vt = Vv + Vs
- Vt = Vω + Va + Vs
Peso Total
- Wt: Peso total de la muestra de suelo (peso de la masa).
- Ws: Peso de la fase sólida de la muestra.
- Wω: Peso de la fase líquida (peso del agua).
- Wa: Peso de la fase gaseosa, convencionalmente considerado como nulo en Geotecnia.
Existe un problema para poder definir el peso sólido, es decir, del suelo seco, obtenido eliminando la fase líquida. El problema proviene del hecho de que la película de agua adsorbida no desaparece por completo al someter al suelo a una evaporación en horno, a temperaturas prácticas. La cuestión está convencionalmente resuelta en Geotecnia, al definir SUELO AGUA AIRE 3 como el estado seco de un suelo que se obtiene tras someter el mismo a un proceso de evaporación en un horno, con temperaturas de 105º C a 110º C, y durante un período suficiente para llegar a peso constante, el cual se logra generalmente en 18 a 24 horas.
1. Relaciones de Pesos y Volúmenes
En Geotecnia se relaciona el peso de las distintas fases con sus volúmenes correspondientes, por medio del concepto de peso específico, es decir, la relación entre el peso de la sustancia y su propio volumen, y de los pesos por unidad de volumen, que relacionan los pesos totales (de una o más sustancias) con los volúmenes totales.
1.1. Pesos Específicos
Se define al peso específico relativo como la relación entre el peso específico de una sustancia y el peso específico del agua destilada a 4º C, sujeta a una atmósfera de presión.
- γo: Peso específico del agua destilada, a 4º C y a la presión atmosférica correspondiente al nivel del mar. γo = 1,000 gr/cm³.
- γw: Peso específico del agua en condiciones reales de trabajo, su valor difiere un poco del γo, en la práctica se toma igual que γo.
- γs: Peso específico del suelo, también llamado peso volumétrico de los sólidos. γs = Vs/Ws.
Arenas: 2,65 gr/cm³.
Arcillas: 2,5 a 2,9 gr/cm³.
La relación que existe, para un mismo volumen total, entre el peso por unidad de volumen seco, el peso por unidad de volumen con una humedad distinta a la de saturación, y el peso por unidad de volumen saturado, es la siguiente:
Ello se debe al progresivo aumento del peso total a causa del incremento del contenido de agua en los vacíos del suelo.
1.3. Densidad o Peso por Unidad de Volumen de los Suelos Sumergidos
Los cuerpos sumergidos en agua (en este caso los suelos) pesan menos que en el aire, a causa del efecto del empuje dado por la ley de Arquímedes. En consecuencia:
Sumando y restando (Vω·γw)
2. Relaciones Fundamentales
Las relaciones que se dan a continuación son muy importantes para el manejo comprensible de las propiedades mecánicas e hidráulicas de los suelos. Tener un completo dominio de su significado y sentido físico es imprescindible para poder expresar en forma asequible los datos y conclusiones de la Geotecnia.
2.1. Relaciones de Vacíos y Porosidad
La proporción de vacíos en un elemento de suelo se expresa en función de la Relación de Vacíos, Razón de vacíos o Índice de Poros, denotada con e, o en función de la Porosidad, denotada con n. Teniendo en cuenta el gráfico figura 1, estas propiedades se definen de la siguiente manera:
Ambas propiedades, e y n, son parámetros adimensionales, y con frecuencia n se expresa en porcentaje. Como se observa, e vincula el volumen de vacíos con una magnitud constante, para un determinado tipo de suelo, en el tiempo; en tanto n lo hace con un valor que varía en el tiempo (por cargas, desecamiento o humectación). Estas dos relaciones se pueden vincular de la siguiente manera: