PROPIEDADES INDICES EN SUELOS Y ROCAS
1.1
PROPIEDADES INDICES DE LAS ROCAS
Se emplea para determinar la relación que existe entre el contenido de aire, agua y sólidos de una roca.
Dentro de estas propiedades tenemos:
1.1.1
PROPIEDADES INDICES DE LOS SEDIMENTOS CONSOLIDADOS Y NO
CONSOLIDADOS
Académicamente se considera un modelo de sedimento a un volumen de material dentro de lo cual hay
una parte que se considera sólidos, la cual se puede apreciar en la figura siguiente.
RELACIONES VOLUMETRICAS Y GRAVIMETRICAS
Vm
Vs
Vv
Vw
Va
Wm
Ws
Ww
Wa
: Volumen total de la muestra (Volumen de la masa).
: Volumen de la fase sólida de la muestra (Volumen de sólidos).
: Volumen de vacíos de la muestra (Volumen de vacios).
: Volumen de la fase líquida contenida de la muestra (Volumen de agua).
: Volumen de la fase gaseosa de la muestra (Volumen de aire).
: Peso total de la muestra (Vt = Vs + Vv)
: Peso de la fase sólida de la muestra (Peso de los sólidos).
: Peso de la fase líquida de la muestra (Peso del agua).
: Peso de la fase gaseosa de la muestra (Peso del aire).
PROPIEDADES DE LA MATRIZ ROCOSA Y MÉTODOS PARA SU DETERMINACIÓN
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DENSISAD
Densidad =
Peso natural
(Gr / cm 3 )
Volumen
1.1.1 GRAVEDAD ESPECÍFICA (γ)
La gravedad específica de un material se define como la relación entre el peso de un material y el peso
de un volumen igual de agua. Así, γ es una cantidad que expresa cuantas veces un material es más
pesado que la misma cantidad de agua.
 =
Ws
Vs. w
γw = Peso específico del agua
1.1.2 PESO ESPECÍFICO VERDADERO O ABSOLUTO
Se refiere al peso de los sólidos entre el volumen de los sólidos sin considerar vacíos.
v =
•
•
•
Ws
Vs
γv : gr/cm3
La muestra de roca se somete a desecación durante 24 horas en una estufa de horno de 105°C. a
110°C, se deja enfriar y se pesa (Wo)
Se sumerge por completo en agua, durante unos 48 horas y se pesa en estado de saturación (Ww)
Todavía empapada, se pesa, mientras se mantiene en suspensión dentro del agua (W Ss ), donde:
11
Wo
γv = ---------------Wo - WSs
1.1.3 PESO ESPECÍFICO APARENTE O RELATIVO
Es el peso total con respecto al volumen total por encima del nivel freático, se emplea el término
aparente ya que considera el volumen que incluye a sus poros, huecos e intersticios.
Las rocas que contienen minerales con valores elevados de peso específico, generalmente son las rocas
ígneas y metamórficas.
a =
Wt
Vt
También se puede determinar la densidad aparente mediante la relación siguiente:

=
 (1 +  )
v
1+ e
Cuando está completamente saturado
reemplaza “ e” por ω %.γv o sea G = 100%
a
se
1.1.4 RELACION DE VACIOS (e )
Es la relación entre volumen de vacíos y volumen de
sólidos en una muestra. Su medida es a dimensional.
e=
vv
vs
Varía de 0.25 - 15
e = Relación de vacíos entre el volumen de
sólidos
Vv = Volumen de Vacios
Vs = Volumen de sólidos
Vt = Volumen total
1.1.5 POROSIDAD (n )
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La presencia de poros o espacios vacíos afecta negativamente las propiedades de resistencia, ya que la
cantidad de porosidad también puede estar representada en la forma de una fractura. Todos los
materiales policristalinos, entre ellos, las rocas, son relativamente porosas dependiendo del tipo,
composición mineralógico y modo de deformación.
La porosidad es el resultado de los cambios en el estado tensional y de temperatura de la roca.
Es la relación entre su volumen de vacíos (e) y el volumen de su masa. Físicamente la porosidad (n)
representa que tantos huecos tiene una muestra. Se expresa normalmente en porcentaje.
n(%) =
vv
*100
vm
La relación entre ( e ) y n se llama porosímetro y está determinado como:
n(%) =
e
1+ e
e=
n
1− n
La porosidad está en función de la competencia de la roca. La competencia de la roca, es el nivel
permisible del esfuerzo y el nivel permisible de la deformación; varía de 0 a 100%, pero
frecuentemente varía de 20 a 95%.
1.1.6 PESO ESPECÌFICO SECO γd
Es el peso seco de las partículas minerales, dividido por el volumen total del elemento.
d =
a
Wd

=
=

Vt 1+ e w 1 + W
Donde : Wd = Peso seco de la muestra.
γ = Gravedad específica promedio o Gravedad específica absoluta.
1.1.7 PESO ESPECÌFICO SATURADO

sat
= (1− n)  + n 
w
γsat.
w
1.1.8 CONTENIDO DE HUMEDAD ( ω)
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El contenido de humedad, es el peso del agua (Ww) presente en la roca por el peso de las partículas
sólidas y se determina mediante:
=
Ww
Wt − Ws
x100 =
x 100
Ws
Ws
1.1.9 GRADO DE SATURACION (G %)
Es la relación entre el volumen de agua de una muestra y su volumen de vacíos. El grado de saturación
nos permite observar si una roca o suelo es seco, parcialmente saturado o saturado de acuerdo a las
siguientes consideraciones:
Grado de saturación
Tipo de Material
0%
1 – 99%
100%
Material seco
Material parcialmente saturado
Material totalmente saturado
G w (%) =
•
•
•
•
•
•
vw
*100
vv
Si los vacíos están completamente lleno entonces está saturado y llega el valor a 100.
El grado de saturación varía en función de vacíos que están llenados por el agua.
El rango de saturación en la práctica es de ( 20 – 40%).
Cuando se requiere realizar diseños, se debe se tenerse mucho cuidado con la humedad y el
grado de saturación.
Para drenar una roca saturada debe de ser inmediata en un proyecto de diseño.
El grado de saturación tiene su límite si no hay presencia de agua es cero y sí está saturado es
100%.
1.1.10 PERMEABILIDAD
La permeabilidad se define como la propiedad de un material poroso, que permite el paso o filtración
de fluidos como el agua a través de los vacios presentes en el material.
La resistencia a fluir depende del tipo de roca, de la geometría de los poros, fisuras, grado de alteración
y de la tensión superficial del agua. En teoría, todas las rocas son permeables es decir que los
materiales son lo suficientemente porosos, con excepción de algunas rocas que son impermeables por
su naturaleza.
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La permeabilidad de una roca se mide por el coeficiente de permeabilidad (k) o conductividad
hidráulica, que se expresa en m/s, cm/s ó m/día:
(
k =K  /
w
)
Donde: K es la permeabilidad intrínseca (depende únicamente de las características del medio físico),
γw es el peso específico del agua y µ es la viscosidad del agua.
En caso de materiales tipo suelo, el agua fluye a velocidades por debajo del nivel crítico.
La descarga o caudal del agua a través de una sección transversal (A), durante un tiempo (t); est á dada
por la ley de Darcy.
Q = V .A = k. i . A
Donde:
Q = Caudal o descarga del agua.
k = Coeficiente de permeabilidad.
i = Gradiente Hidráulico.
A = Área de la sección transversal.
.
1.1.11 DENSIDAD RELATIVA O COMPACIDAD RELATIVA (Cr)
Se puede aplicar para cualquier caso pero el grado de confiabilidad está en terrenos granulares,
físicamente nos da el grado de consistencia compresiva.
c r (%) =
e max − e nat
*100
e max − e min
e máx
e mín
= Muy suave
= Muy compacta
Grado de confinamiento:
Dr (%)
0 - 15 %
15 - 35%
35 - 65%
65 - 85%
85 – 100%
Consistencia
ángulo
muy suelto
Suelto
Medianamente denso
Material denso
muy denso
de fricción
28°
28° - 30°
30° - 36°
36° - 41°
1.1.12 DURABILIDAD
Es la resistencia que la roca presenta ante los procesos de alteración y desintegración, propiedad a la
que también se alude como alterabilidad, definiéndose en este caso como la tendencia a la rotura de los
componentes o de las estructuras de la roca.
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La durabilidad de la roca aumenta con la densidad y se reduce con el contenido de agua. La durabilidad
se evalúa mediante el ensayo de sequedad – humedad – desmoronamiento, o slake durability Test
(STD), que consiste en someter al material previamente fragmentado a ciclos estándar de humedad –
sequedad – desmoronamiento de 10 minutos de duración en el laboratorio.
El índice de durabilidad I D representa representa el porcentaje de roca, en peso seco, que queda
retenido en el tambor después de uno o dos ciclo de desmoronamiento y puede variar entre 0% a 100%.
I
D
2.5
=
Peso sec o después de uno o dos ciclos
Peso inicial de la muestra
Problemas de aplicación:
1. Para el análisis de estabilidad de un pique se ha tomado una muestra totalmente saturado en una de
las fracturas que tiene un volumen de 185 ml o cm3 y cuyo peso es de 331 gr. La gravedad
específica verdadera es de 2.67 gr/cm3 . Se pide determinar para el análisis de estabilidad y el flujo,
la proporción de vacíos, la porosidad, contenido de humedad y la densidad aparente.
2. En una abertura subterránea en donde se emplea anclaje para estabilizar las tensiones se quiere
determinar en el análisis de estabilidad, la proporción de vacíos de la roca blanda y seca, cuya
densidad aparente es de 1.67, la gravedad específica de la muestra es de 2.7 gr/cc.
3. Según pruebas efectuados en el terreno, el peso unitario de una plataforma de terraplen (arena),
para equipos pesados es de 1800 kg/m3 y su contenido de humedad es de 8.6%. En ensayos de
laboratorio indicaron relaciones de vacíos iguales a 0.642 y 0.462 para los estados más sueltos y
más densos de dicha plataforma. Si los elementos sólidos tienen un Peso específico absoluto de 2.6
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gr/cc. Cuál es la relación del terraplen, cuál es la densidad relativa y cual es el grado de consistencia
del terraplen?.
4. Una muestra de un banco para su análisis de estabilidad tienen una densidad aparente de 108
lbs/pie3 y una proporción de vacíos de 0.84; la gravedad específica de las partículas de la roca
blanda es de 2.7. Se pide determinar: Contenido de humedad, densid ad seca y el grado de
saturación de la muestra.
5. En el laboratorio para análisis físico químico de estabilidad por sumersión en mercurio se
determinó que una muestra de lutita blanda tenía un volumen de 14.88 cm3 , en el contenido natural
de humedad su peso es de 28,81 gr y desecado al horno es de 24.83 gr. El peso específico del
material es de 2.7 gr/cm3 ; Calcúlese la proporción de vacíos y el grado de saturación de la muestra.
6. Los datos obtenidos para la investigación de un túnel son:
a) El peso unitario húmedo de una formación de roca blanda es de 145 lb/pie3 y el peso unitario
seco es de 134 lbs/pie3 , asumiendo un peso específico verdadero de 2.7 calcular el grado de
saturación
b) El peso unitario húmedo es 148 lbs/pie3 su contenido de humedad es 6% y la gravedad
específica es 2.64; se pide determinar el grado de saturación
7. Calcular la resistencia al esfuerzo cortante sobre un plano horizontal a 10 pies por debajo de la
superficie en una formación de un terreno no cohesivo, bajo las siguientes condiciones
a) Nivel freático en superficie
b) Nivel freático a 12 pies
8. Para diseñar un túnel es necesario determinar las propiedades índices de las rocas circundantes,
para la cual se ha tomado muestra saturada que tiene un volumen de 200 cm 3 (milímetros) con un
peso de 340 gr. La gravedad específica de la partícula es de 2.82. Determinar: proporción de vacíos,
porosidad, contenido de humedad y el peso específico aparente.
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