Clasificación de suelos

CAPÍTULO 3
Clasificación
La taxonomía es uno de los aspectos primordiales en cualquier ámbito de investigación. La clasifica-
ción permite establecer tipologías, y sobre la base de esto es factible comparar, discriminar, con la
finalidad de entender. Un sistema de clasificación es una herramienta útil que puede llevar a anticipar
el comportamiento de un elemento a partir de aspectos índices más simples. Desde los inicios de la
mecánica de suelos los especialistas se preocuparon por establecer un método de clasificación de ma-
teriales. El sistema de clasificación de suelos para aeropuertos, propuesto por Casagrande, que luego
se transformó en el Sistema Unificado (SUCS) es el más grande ejemplo. En este capítulo se presen-
tan los fundamentos de los sistemas de clasificación de suelos más aceptados en la actualidad, a saber:
SUCS y HRB (o AASHTO). Además, se introduce el sistema de clasificación de RAMCODES que, a
lo largo de este libro, servirá para referenciar el comportamiento de los geomateriales a la clasifica-
ción mediante una escala cuantitativa. Se presenta también la expresión de Fuller para ajustar la gra-
nulometría de agregados, que será de gran ayuda en la anticipación del comportamiento de mezclas
asfálticas.
3.1 ASPECTOS FUNDAMENTALES
Aunque existen otros aspectos tales como la microestructura, la composición mineralógica, la textura,
la forma y competencia de los granos, el color, etc., según RAMCODES, los aspectos fundamentales
de la clasificación de geomateriales orientada a anticipar su potencial de densificación y su compor-
tamiento mecánico son dos, a saber, la gradación de la fracción gruesa, y la superficie específica de

31
los finos. La gradación o proporción entre tamaños de granos explica el potencial de las partículas
para acomodarse formando arreglos estructurales; estos arreglos permiten el desarrollo de la trabazón
que contribuye de manera importante a la resistencia. La superficie específica de los finos, por otra
parte, describe el aporte de la interacción entre el material y el líquido con que es mezclado, que se
traduce, por medio de la succión en la matriz del suelo, en fuerzas de cohesión. El análisis de estos
aspectos fundamentales, sin embargo, no podría ser utilizado para determinar una propiedad o descri-
bir un comportamiento mecánico por cuanto esto es materia de la conformación del arreglo geométri-
co de las partículas, aglomeradas y sostenidas por las tensiones de succión luego del proceso de com-
pactación del material, aspecto este que no puede, hasta ahora, ser cuantificado por medios prácticos.
La gradación de la fracción gruesa y la superficie específica de los finos explican, pues, el potencial
de densificación y de comportamiento mecánico.
3.1.1 Gradación de la fracción gruesa
La gradación o análisis granulométrico del geomaterial se obtiene a través de la representación de las
proporciones acumuladas de material que se va pasando a través de las distintas mallas y tamices que
componen una batería de cribado. Como ejemplo, la Tabla 3.1 muestra una batería de cribado típica
para clasificación de suelos con fines de ingeniería. Una representación granulométrica se realiza con-
vencionalmente en una gráfica semi-logarítmica con las proporciones pasantes en las ordenadas en
escala natural, y los diámetros de partícula en las abscisas en escala logarítmica de base 10, tal como
la mostrada en la Figura 3.1.
Tabla 3.1a. Batería de cribado para suelo
Abertura nominal de malla, en pulgadas Número de tamiz
3 2 1 1/2 1 3/4 3/8 1/4 N°4 N°10 N°40 N°60 N°200
(mm) 75.000 50.000 37.500 25.000 19.000 9.500 6.875 4.750 2.000 0.425 0.250 0.075
Tabla 3.1b. Batería de cribado para agregado en mezclas asfálticas
Abertura nominal de malla, en pulgadas Número de tamiz
1 ¾ 1/2 3/8 N°4 No
8 No
16 No
30 N°50 N°100 N°200
(mm) 25.000 19.000 12.500 9.500 4.750 2.057 1.003 0.500 0.297 0.149 0.075

32
Figura 3.1. Representación de la granulometría de un geomaterial
Un aspecto importante de la curva granulométrica es la distribución de las proporciones en los distin-
tos tamaños de partícula; a esto se le ha llamado graduación o gradación. En un material bien grada-
do las proporciones están distribuidas en cantidades parecidas en cada uno de los tamaños. En un ma-
terial mal graduado, o uniforme, por el contrario, la mayor parte del material se concentra en un solo
tamaño. La gradación tiene una influencia significativa en el potencial de densificación y en el com-
portamiento mecánico de materiales gruesos, de allí la importancia de su determinación; materiales
bien gradados, por ejemplo, son propensos a alcanzar las más altas densidades, y también resistencias
considerables.
Allen Hazen propuso el coeficiente de uniformidad, Cu, como medida simple de la uniformidad de un
suelo o agregado.
10
60
D
D
Cu (3.1)

33
En donde:
D60: diámetro o tamaño por donde pasa hasta el 60% del peso del material,
D10: diámetro o tamaño por donde pasa hasta el 10% del peso del material; Hazen llamó a este el diá-
metro efectivo.
Este coeficiente en realidad expresa la no uniformidad del material, pues su valor numérico decrece
cuando la uniformidad aumenta. Se consideran bien gradadas las gravas cuando Cu>6, y las arenas
cuando Cu>4. Los suelos con Cu < 3 se consideran muy uniformes.
Como coeficiente complementario para definir la gradación de un geomaterial, se introdujo el coefi-
ciente de curvatura, Cc, según la expresión:

10
60
2
30
D
D
D
Cc
u
(3.2)
D30 es define de manera análoga que D60 y D10. Esta relación tiene un valor entre 1 y 3 en suelos bien
gradados.
Para el material representado en la Figura 3.1 estos coeficientes tienen el siguiente valor:
200
mm
0.075
mm
15
u
C

6
.
5
075
.
0
15
5
.
2
2
u
c
C
Es importante resaltar que el establecimiento de la gradación sólo tiene sentido en materiales gruesos,
es decir, con pasantes del tamiz No. 200 iguales o inferiores al 12%.

34
La curva de distribución granulométrica de un material grueso puede ser expresada por la conocida
ecuación de Fuller (3.3a), que se describe a continuación:
n
i
i
D
D
p ¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§
max
(3.3a)
n
i
i p
D
D
1
max )
(
u (3.3b)
Donde,
pi es el pasante acumulado, en decimal, para el diámetro de partícula Di.
Dmax es el tamaño máximo del geomaterial.
n es un valor asociado a la forma de la curva.
La ecuación de Fuller, expresada en su forma inversa, (ver 3.3b), es un modelo clásico de Freundlich
de los usados en estudios de alometría (v.g., estudio del crecimiento o decrecimiento de una parte de
un organismo con respecto a su totalidad). Con esta expresión se consiguen aceptables ajustes para
las curvas granulométricas. La Figura 3.2 muestra el ajuste para el material representado en la Figura
3.1. Se consiguió un buen ajuste con n=0.335. Con la expresión 3.3b se calculan D60=16.3 mm,
D30=2.06 mm, D10=0.078 mm, y de allí Cu=210.3 y Cc=3.35.
La literatura reseña que cuando el exponente «n» de la ecuación de Fuller se encuentra entre 0.45 y
0.5 se alcanzan densidades máximas con el material. Esto se podría interpretar como que para geoma-
teriales con curvas granulométricas donde «n» está entre 0.45 y 0.50, las densidades alcanzadas en la
compactación son mayores, comparadas con las de otros geomateriales, compactados bajo la misma
energía y método de compactación, y con el mismo tamaño máximo, pero con «n» fuera del mencio-
nado rango. Dado que un alto potencial de densificación está asociado con una buena gradación, se
infiere que el rango de 0.45-0.50 para «n» coincide con el rango para un material bien gradado. La
deducción de expresiones para Cu y Cc (3.4 y 3.5) basadas en la ecuación de Fuller (3.3b) permiten
«traducir» los rangos de buena gradación, en valores del exponente «n», ejercicio que se grafica en la
Figura 3.3. De aquí se tiene que para gravas bien gradadas, el «n» debe estar entre 0.37 y 1.00, y para
arenas bien gradadas, este exponente debe estar entre 0.37 y 1.29. Obsérvese que las expresiones 3.4 y

35
3.5 son independientes del tamaño máximo, Dmax, del geomaterial, por lo que estas conclusiones son
aplicables de manera general. Estos rangos para «n» demarcan, en consecuencia, las regiones para
granulometrías con elevado potencial de densificación; en la Figura 3.4 se representa lo que sería la
región «bien gradada» o de «máximo potencial de densificación» para una grava con Dmax = 3” (75
mm). Esta figura muestra también la curva para una grava «desuniforme» (n = 0.30) pero con poca
curvatura. Para una grava desuniforme y con buena curvatura (n = 0.5), y para una grava con buena
curvatura, pero uniforme (n = 1.50).
n
u
C
1
6 (3.4)
n
c
C
1
5
.
1 (3.5)
Figura 3.2. Ajuste de datos experimentales de Fig. 3.1 con la ecuación de Fuller

36
Figura 3.3. Límites para coeficientes de gradación expresados según ecuación de Fuller
Figura 3.4. Región «bien gradada» expresada en términos de «n»

37
3.1.2. Superficie específica de los finos
Los finos, definidos como la proporción de material que pasa el tamiz No. 200 (0.075 mm), van a te-
ner una importancia en el comportamiento geomecánico del material cuando estos se encuentran pre-
sentes en proporciones iguales o superiores al 12%. De esta manera, su investigación corresponde
generalmente a los casos cuando el geomaterial en estudio es un suelo, pues, en los casos de estudio
de agregado para mezclas asfálticas, la cantidad de finos permitida por la mayoría de las especifica-
ciones de diseño están por debajo de este límite del 12%.
Los finos están asociados corrientemente con arcilla, limo, y también con polvo de roca; sin embargo,
por su constitución, son las arcillas las que contribuyen en mucho mayor grado con la cuantificación
de la superficie específica de los finos. Las arcillas están compuestas por varios minerales que tienen
diferentes valores de superficie específica. Por lo general, los minerales arcillosos se dividen en tres
grandes grupos que, según Grim (1962), son las caolinitas, las montmorillonitas y las illitas, aunque
también existen las cloritas, las vermiculitas, un grupo llamado interestratificado, y el grupo de la se-
piolita y la attapulgita (Díaz y Sánchez, 1992). Desde luego existe en la literatura abundante informa-
ción descriptiva de la composición y propiedades de cada uno de estos grupos; no obstante, para el
interés de este capítulo conviene establecer los rangos típicos para superficie específica de los grupos
más importantes, datos que se resumen en la Tabla 3.2. Se han colocado también, con fines ilustrati-
vos, rangos para la superficie específica de arenas y limos.
Tabla 3.2. Valores de superficie específica para minerales arcillosos
Mineral arcilloso
Superficie específica
(m2
/g)
Montmorillonita 800
Vermiculita 200-600
Illita 40-60
Caolinita 5-20
Arena 5
Fuente: Norma COVENIN 3548:1999; Norma Francesa P-18-592; SOLESTUDIOS C.A.
El etileno glicol y el glicerol, y más recientemente el etileno glicol monoetil éter (EGME), han sido
utilizados para la identificación de minerales de arcilla en el suelo y la estimación de su superficie
específica (Mitchell, 1993). No obstante, los anteriores son ensayos considerablemente costosos para

38
ser usados en la rutina de un laboratorio de suelos para aplicaciones de ingeniería civil. El ensayo de
azul de metileno (Norma Francesa P-18-592, Norma Venezolana COVENIN 3548:1999) es un proce-
dimiento sencillo y económico para estimar la superficie específica de los minerales arcillosos predo-
minantes en una muestra de suelo. El ensayo consiste en adicionar progresivamente una solución de
azul de metileno a una solución de suelo que se está agitando a velocidad constante. El suelo irá ab-
sorbiendo la solución. Luego de cada dosis de azul se va verificando la reacción de absorción hasta
que se logre y verifique la saturación de la solución de suelo (v.gr. reacción positiva y permanencia).
La cantidad de solución de azul absorbida, VB, por cada gramo de suelo, también conocida como valor
azul (bleu value), permite calcular la superficie específica, Se, total del material ensayado a través de
la siguiente expresión:

B
e V
S u
47
.
24
/g
m2
(3.6)
El ensayo de azul de metileno ha sido introducido e impulsado en Venezuela por el Dr. Roberto Cen-
teno en aplicaciones para la determinación de la nocividad de los finos en mezclas asfálticas, así como
en la investigación de arcillas expansivas.
Una de las consecuencias de la significativa magnitud de superficie específica en los finos es el cam-
bio de consistencia del material con la variación de su contenido de agua, fenómeno de interacción
físico-química que se ha llamado comúnmente plasticidad. Juárez y Rico (1963) definen la plasticidad
en mecánica de suelos como «la propiedad de un material por la cual es capaz de soportar deforma-
ciones rápidas, sin rebote elástico, sin variación volumétrica apreciable y sin desmoronarse ni agrie-
tarse». Esta definición, que está asociada desde luego a la visión mecánica del comportamiento es-
fuerzo-deformación según la cual un material se deforma significativamente sin recuperación a carga
prácticamente constante, es la base para los típicos ensayos de laboratorio para cuantificar la plastici-
dad de un suelo, tal como se verá más adelante en este inciso.
En mecánica de suelos, el criterio común para medir la plasticidad es el de Atterberg, que definió cin-
co estados de consistencia, a saber:
1. Estado líquido, con propiedades y apariencia de una suspensión.
2. Estado semilíquido, con las propiedades de un fluido viscoso.

39
3. Estado plástico, en el que es suelo se comporta plásticamente.
4. Estado semisólido, en el que el suelo tiene la apariencia de un sólido, pero aún disminuye de
volumen al estar sujeto al secado.
5. Estado sólido, en que el volumen del suelo no varía con el secado.
La frontera entre los estados semilíquido y plástico representa el límite líquido. La frontera entre los
estados plástico y semisólido es el límite plástico. Los límites son efectivamente contenidos de agua.
El límite líquido se determina típicamente en las Américas por medio del ensayo de la copa de Casa-
grande, y el límite plástico por medio del tan criticado ensayo de rollos, ambos bajo la normativa
ASTM D 4318. En Europa, el cono de penetración (BS 1377) es más común para obtener los límites
de consistencia; hay que acotar que este último método tiene la ventaja de que es repetible y que de-
pende mucho menos de la destreza del laboratorista. La diferencia entre el límite líquido (wL) y el lí-
mite plástico (wP) define el índice de plasticidad (IP). Los valores máximos de límite líquido en gene-
ral están cerca de 100% y los del índice de plasticidad hasta 60%, sin embargo, en arcillas volcánicas
como las de Ciudad de México, se han registrado valores de límite líquido de hasta 500%, y de hasta
250% para el índice de plasticidad. Es muy difícil encontrar valores reportados para el límite líquido
por debajo de 20%. Cuando la textura del suelo o de la fracción fina estudiada es arenosa, difícilmente
se puede alcanzar una consistencia plástica, en el sentido que se ha explicado aquí. En estos casos
aparecen en el reporte de laboratorio las siglas «N.L.» y «N.P.», que significa que el material no tiene
límite líquido ni plástico. La proporción de finos no es un indicativo de la plasticidad; es común pen-
sar que una elevada proporción de finos implica una plasticidad considerable del material, no obstan-
te, se han reportado materiales de suelo con proporciones de fino (v.gr. pasa No. 200) entre 30 y 40%
cuyo registro de ensayo de límites de Atterberg dice «N.L.» y «N.P.», tal como es el caso de algunas
arenas encontradas en la región geológica mesa de Guanipa en el oriente venezolano.
Existe una relación entre la plasticidad de un suelo y la superficie específica de los minerales arcillo-
sos que lo conforman. En la Figura 3.5 se muestra una relación típica entre el límite líquido y el valor
azul del ensayo de azul de metileno para suelos venezolanos. Obsérvese que la relación es lineal y que
está asociada al origen geológico del material de suelo.
La gráfica de límite líquido contra índice de plasticidad introducida por Casagrande, y que se conoce
como «Carta de Plasticidad», es una de las gráficas centrales en la clasificación de suelos finos y en la

40
fracción fina de geomateriales. Una de las bondades más significativas de esta carta es que, a partir de
propiedades índices como los límites de consistencia, se puede inferir el posible comportamiento me-
cánico del material de suelo. La Figura 3.6 presenta una carta de plasticidad típica donde se identifi-
can tres líneas características. La primera es la línea para wL = 50% que divide los suelos de baja com-
presibilidad («L», a la izquierda) y los suelos de alta compresibilidad («H», a la derecha). La segunda
línea característica es la Línea «A» que separa las arcillas («C», arriba de la línea) de los limos («M»,
debajo de la línea). La línea «U» define el límite superior para la mayoría de los suelos estudiados en
el mundo bajo controladas condiciones de laboratorio, de manera que se puede utilizar esta línea para
verificar posibles resultados erróneos en los ensayos. Ambas líneas, «A» y «U», tienen ecuaciones
definidas en la Figura 3.6. Existe una región de transición entre limos y arcillas (v.gr. región CL-ML)
definida para materiales con IP entre 4 y 7%. La carta de plasticidad también tiene lugar para los sue-
los con características orgánicas (v.gr. olor a materia descompuesta, predominancia de colores obscu-
ros), que son identificados con la letra «O».
Figura 3.5. Relación wL vs. VB. Datos SOLESTUDIOS C.A (según Sánchez-Leal, 2003)

41
Figura 3.6. Carta de plasticidad de Casagrande (según ASTM D-2487-93).
3.2 SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN
El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (S.U.C.S., por sus siglas en español) es tal vez el
sistema más utilizado en el mundo. Está destinado a la taxonomía de materiales de suelo que ocurren
naturalmente, es decir, no está destinado a materiales provenientes de trituradoras o voladuras, y está
orientado a fines ingenieriles. Es un sistema de clasificación que, aunque se alimenta de data en su
mayoría cuantitativa (v.gr. proporciones en peso, límites de consistencia), deriva en identificación
puramente cualitativa. A continuación se describe de manera sucinta este método siguiendo el están-
dar ASTM D 2487-93.
3.2.1 Definiciones
Guijarros. Partículas de roca que pasan una abertura cuadrada de 12” (300 mm) y son retenidos en el
tamiz 3” (75 mm).
Boleos. Partículas de roca que no pasan una abertura cuadrada de 12” (300 mm).

42
Grava. Partículas de roca que pasan el tamiz 3” (75 mm) y son retenidas en el tamiz No. 4 (4.75 mm).
Identificada con el símbolo «G». Existen las siguientes subdivisiones:
Grava gruesa. Pasa el 3” (75 mm) y se retiene en el tamiz ¾” (19 mm), y
Grava fina. Pasa el ¾” (19 mm) y se retiene en el tamiz No. 4 (4.75 mm).
Arena. Partículas de roca que pasan el tamiz No. 4 (4.75 mm) y son retenidas en el tamiz No. 200 (75
Pm). Identificada con el símbolo «S». Existen las siguientes subdivisiones:
Arena gruesa. Pasa el tamiz No. 4 (4.75 mm) y se retiene en el No. 10 (2.00 mm),
Arena media. Pasa el tamiz No. 10 (2.00 mm) y se retiene en el No. 40 (425 Pm), y
Arena fina. Pasa el tamiz No. 40 (425 Pm) y se retiene en el No. 200 (75 Pm).
Arcilla. Suelo que pasa el tamiz No. 200 (75 Pm) que presenta consistencia plástica en un rango de
contenidos de agua, y que se endurece cuando se seca al aire. Para la clasificación, una arcilla es un
suelo fino, o la fracción fina de un suelo, con un índice de plasticidad igual o mayor que 4, y que está
en o por encima de la línea «A», en la carta de plasticidad. Se identifica con el símbolo «C».
Limo. Suelo que pasa el tamiz No. 200 (75 Pm) que es no plástico o ligeramente plástico y que pre-
senta poca o ninguna resistencia cuando se seca. Para la clasificación, limo es un suelo fino, o la frac-
ción fina de un suelo, con un índice de plasticidad inferior a 4 o que está por encima de la línea «A»
en la carta de plasticidad. Se identifica con el símbolo «M».
Arcilla orgánica. Es una arcilla con suficiente contenido de materia orgánica para influenciar las pro-
piedades del suelo. Una arcilla orgánica cumple todas las condiciones de una clasificación de arcilla
sólo que su valor de límite líquido luego de secado en el horno fuera menor que el 75% de su valor de
límite líquido antes de secar al horno. Se identifica con el símbolo «O».
Limo orgánico. Es un limo con suficiente contenido de materia orgánica para influenciar las propieda-
des del suelo. Para la clasificación, un limo orgánico es un suelo que sería clasificado como limo ex-
cepto que su valor de límite líquido luego de secado en el horno fuera menor que el 75% de su límite
líquido antes de secar al horno. Se identifica con el símbolo «O».
Turba. Es un suelo compuesto por materia vegetal en varios estados de descomposición usualmente
con olor orgánico, color marrón oscuro a negro, consistencia esponjosa y textura entre fibrosa y amor-
fa.
Gradación. Aplican las definiciones sobre material bien gradado y mal gradado con base en los coefi-
cientes de Hazen.

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