Las fases del suelo: relaciones volumétricas y gravimétricas

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Cuando estudiamos el comportamiento de los suelos en geotecnia, una de las primeras abstracciones que debemos comprender es que el suelo no es un material homogéneo, sino un sistema trifásico. Es decir, está compuesto por tres fases que coexisten: los sólidos, el agua y el aire. Esta simplificación resulta fundamental para poder describir, calcular y predecir cómo se comportará un depósito de suelo ante cargas, cambios de humedad o variaciones de presión.

El entendimiento de estas fases no solo tiene relevancia teórica, sino que impacta directamente en el diseño de cimentaciones, en la estabilidad de taludes, en la construcción de presas de tierra y en prácticamente cualquier proyecto de ingeniería civil donde el suelo actúe como material de soporte o de construcción.

1. El concepto de fases en el suelo



Visualicemos un volumen representativo de suelo (lo que en geotecnia llamamos elemento de volumen representativo o EVR). Este volumen contiene:

  • Fase sólida (Vs): formada por partículas minerales, principalmente de origen inorgánico, como arenas, limos y arcillas. También puede haber materia orgánica en proporciones variables.

  • Fase líquida (Vw): constituida esencialmente por agua, que puede encontrarse en distintas formas: agua capilar, agua adsorbida sobre las partículas o agua libre en los poros.

  • Fase gaseosa (Va): usualmente aire, aunque en condiciones particulares puede haber otros gases, sobre todo en suelos contaminados o en depósitos orgánicos.

El volumen total (Vt) de este sistema será la suma de las tres fases:

Vt=Vs+Vw+VaV_t = V_s + V_w + V_a

Desde esta representación, el análisis geotécnico se centra en establecer relaciones volumétricas y gravimétricas, que son expresiones matemáticas que nos permiten caracterizar el estado del suelo de manera cuantitativa.

2. Relaciones volumétricas

Las relaciones volumétricas describen la proporción entre los volúmenes de las fases. Entre las más importantes tenemos:

a) Porosidad (n)

La porosidad expresa el porcentaje del volumen total ocupado por vacíos (aire + agua):

n=VvVt=Va+VwVtn = \frac{V_v}{V_t} = \frac{V_a + V_w}{V_t}

Se expresa en porcentaje y nos indica qué tan “suelto” o “compacto” está un suelo. Por ejemplo, una arena suelta puede tener porosidades superiores al 40 %, mientras que en una arcilla muy densa esta puede reducirse por debajo del 30 %.

b) Relación de vacíos (e)

La relación de vacíos es un parámetro muy usado en mecánica de suelos porque simplifica muchos cálculos:

e=VvVse = \frac{V_v}{V_s}

En este caso, comparamos el volumen de vacíos con el volumen de sólidos. En la práctica, es común que e varíe entre 0.3 en suelos densos y valores superiores a 1 en arcillas blandas o suelos orgánicos.

c) Grado de saturación (S)

El grado de saturación mide qué parte de los vacíos está llena de agua:

S=VwVv×100%S = \frac{V_w}{V_v} \times 100\%

Cuando S = 100 %, decimos que el suelo está saturado (todos los poros llenos de agua). Cuando S = 0 %, los vacíos están completamente secos, aunque en la práctica es raro encontrar suelos sin agua alguna.

d) Contenido de aire (Ac)

En algunos análisis, también es útil cuantificar el contenido de aire en los vacíos:

Ac=VaVv×100%A_c = \frac{V_a}{V_v} \times 100\%

Este parámetro cobra relevancia en estudios de compactación, donde interesa reducir la proporción de aire en los vacíos para aumentar la densidad del suelo.

3. Relaciones gravimétricas

Las relaciones gravimétricas consideran los pesos de las fases. Para ello, recordemos que:

Wt=Ws+WwW_t = W_s + W_w

(pues el aire es tan ligero que se desprecia su peso).

Algunos parámetros clave son:

a) Humedad o contenido de agua (w)

Es la relación más conocida y probablemente la que más se mide en laboratorios de mecánica de suelos:

w=WwWs×100%w = \frac{W_w}{W_s} \times 100\%

Por ejemplo, si una muestra de arcilla pesa 120 g en estado natural, y al secarla en horno se reduce a 100 g, entonces contenía 20 g de agua. Su humedad era:

w=20100×100=20%w = \frac{20}{100} \times 100 = 20\%

Este valor tiene un impacto directo en el comportamiento del suelo, ya que un incremento en la humedad puede reducir la resistencia al corte y aumentar la compresibilidad.

b) Peso unitario (γ)

El peso unitario es el peso por unidad de volumen, y se expresa como:

γ=WtVt\gamma = \frac{W_t}{V_t}

Este parámetro es vital porque con él calculamos las presiones que un estrato de suelo ejerce sobre otro a determinada profundidad.

  • Peso unitario seco (γd): cuando se considera solo el peso de sólidos.

γd=WsVt\gamma_d = \frac{W_s}{V_t}

  • Peso unitario saturado (γsat): cuando todos los vacíos están llenos de agua.

  • Peso unitario sumergido (γ’): que se emplea en cálculos de estabilidad bajo el nivel freático:

γ’=γsat−γw\gamma’ = \gamma_{sat} - \gamma_w

c) Densidad relativa y peso específico de partículas (Gs)

El peso específico relativo de los sólidos (Gs) se define como:

Gs=γsγwG_s = \frac{\gamma_s}{\gamma_w}

donde γs es el peso unitario de los sólidos y γw es el del agua. Para la mayoría de los suelos minerales, Gs suele estar en torno a 2.65 (cuarzo), aunque puede variar en arcillas con minerales pesados o en suelos orgánicos.

4. Ejemplo práctico

Imaginemos que un laboratorio recibe una muestra de arcilla. Se obtienen los siguientes datos:

  • Peso de la muestra húmeda: 120 g

  • Peso seco en horno: 100 g

  • Volumen de la muestra: 60 cm³

  • Gs = 2.70

1. Contenido de agua:

w=20100×100=20%w = \frac{20}{100} \times 100 = 20\%

2. Peso unitario húmedo:

γ=12060=2.0 g/cm3\gamma = \frac{120}{60} = 2.0 \, \text{g/cm}^3

3. Peso unitario seco:

γd=10060=1.67 g/cm3\gamma_d = \frac{100}{60} = 1.67 \, \text{g/cm}^3

4. Relación de vacíos:
Primero calculamos el volumen de sólidos:

Vs=Wsγw⋅Gs=1001⋅2.7=37.04 cm3V_s = \frac{W_s}{\gamma_w \cdot G_s} = \frac{100}{1 \cdot 2.7} = 37.04 \, cm^3

Entonces:

e=VvVs=60−37.0437.04=0.62e = \frac{V_v}{V_s} = \frac{60 - 37.04}{37.04} = 0.62

5. Grado de saturación:

S=VwVv=201⋅(60−37.04)=0.87 ≈87%S = \frac{V_w}{V_v} = \frac{20}{1 \cdot (60-37.04)} = 0.87 \, \approx 87\%

Este ejemplo nos muestra cómo, a partir de datos básicos de laboratorio, es posible caracterizar el estado del suelo en términos volumétricos y gravimétricos.

5. Errores comunes en la interpretación

Es frecuente que los estudiantes confundan la porosidad (n) con la relación de vacíos (e), cuando en realidad están relacionados pero no son equivalentes. Recordemos que:

n=e1+en = \frac{e}{1+e}

Otro error recurrente es asumir que el contenido de agua puede superar el 100 %. Esto solo es posible en suelos con alta capacidad de absorción y estructura especial (como algunas arcillas expansivas), pero en suelos comunes el w rara vez sobrepasa este valor.

6. Importancia en la ingeniería civil

¿Por qué insistimos tanto en estos parámetros? Porque son la base para cálculos más avanzados:

  • El asentamiento de una cimentación depende de la relación de vacíos y del grado de saturación.

  • La resistencia al corte de un talud está condicionada por el contenido de agua.

  • La capacidad portante de un suelo se expresa en función de su peso unitario y cohesión.

Un ingeniero civil que no domine estos conceptos está en clara desventaja, pues son los cimientos sobre los cuales se construyen análisis más complejos, como consolidación, permeabilidad o resistencia al corte.

Conclusión

El estudio de las fases del suelo y sus relaciones volumétricas y gravimétricas es un pilar de la mecánica de suelos. No se trata únicamente de memorizar fórmulas, sino de comprender cómo se relacionan entre sí y qué implicaciones tienen en la práctica. Al dominar estos conceptos, el estudiante no solo podrá resolver problemas de laboratorio, sino que estará preparado para enfrentar los desafíos del diseño geotécnico en proyectos reales de ingeniería civil.


PONTE A PRUEBA

Ejercicio 1: Contenido de agua

Un suelo arcilloso se somete a un ensayo de contenido de humedad. La muestra húmeda pesa 210 g y después de secarse en horno pesa 180 g.
¿Cuál es el contenido de agua?

A. 12,5 %
B. 16,7 %
C. 20 %
D. 30 %

Ejercicio 2: Relación de vacíos

Una muestra de arena tiene un peso específico de sólidos Gs = 2,65, y su peso unitario seco medido en laboratorio es γd = 16,5 kN/m³.
Sabiendo que el peso unitario del agua es γw = 9,81 kN/m³, la relación de vacíos (e) es:

A. 0,55
B. 0,70
C. 0,85
D. 1,00

Ejercicio 3: Grado de saturación

Un suelo tiene:

  • Relación de vacíos e = 0,80

  • Contenido de agua w = 20 %

  • Peso específico de sólidos Gs = 2,70

El grado de saturación (S) es aproximadamente:

A. 50 %
B. 70 %
C. 85 %
D. 100 %

Ejercicio 4: Peso unitario total

Un suelo parcialmente saturado tiene:

  • Peso específico de sólidos Gs = 2,68

  • Relación de vacíos e = 0,90

  • Grado de saturación S = 60 %

  • γw = 9,81 kN/m³

El peso unitario húmedo (γh) del suelo es:

A. 16,2 kN/m³
B. 17,0 kN/m³
C. 18,5 kN/m³
D. 19,8 kN/m³

Ejercicio 5: Densidad relativa

Un suelo granular tiene los siguientes datos:

  • Relación de vacíos máxima: emax = 1,05

  • Relación de vacíos mínima: emin = 0,50

  • Relación de vacíos en estado natural: e = 0,75

La densidad relativa Dr es:

A. 40 %
B. 50 %
C. 60 %
D. 75 %

📚 Referencias recomendadas

  • Terzaghi, K. & Peck, R. B. (1967). Soil Mechanics in Engineering Practice. Wiley.

  • Das, B. M. (2010). Fundamentals of Geotechnical Engineering. Cengage Learning.

  • Coduto, D. P. (1999). Geotechnical Engineering: Principles and Practices. Prentice Hall.

  • Lambe, T. W. & Whitman, R. V. (1969). Soil Mechanics. Wiley.

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