La variable que presenta mayor relevancia en la mecánica de suelos desecados es la succión, por lo general se designa con este término tanto a la succión osmótica como la succión matricial, esta última es considerada como la más importante ingenierilmente hablando (Pineda y Colmenares, 2006), la suma de estas dos componen la succión total. Otra de las variables que condicionan la mecánica de dichos suelos desecados es la cantidad de agua presente en los mismos, es decir la cantidad de humedad natural. Al combinarse las variables mencionadas en el párrafo anterior (succión y humedad natural) originan la curva de retención de humedad, la cual es una función esencial en la a la hora de evaluar las propiedades en suelos desecados. Mediciones realizadas in situ pueden comprobar que la respuesta de un suelo desecado en campo es consistente con las curvas de retención de humedad usadas como soporte en el diseño de cualquier estructura de tipo ingenieril. La aplicación de la mecánica de suelos desecados está estrechamente relacionada con la habilidad para medir succión, la succión matricial así como la total ha sido una variable que presenta cierta dificultad para medir.
Los conceptos de succión han sido desarrollados a lo largo de un proceso, tuvo sus inicios iniciando el siglo XX (Buckingham, 1907; Gardner y Widtsoe, 1921; Richards 1928; Schofield 1935; Edlefsen y Anderson, 1943; Childs y Collis-George, 1948; Bolt y Miller, 1958; Corey y Kemper, 1961). Esta teoría fue esencialmente elaborada en relación al sistema suelo – agua – planta. La energía libre de la fase suelo – agua se puede medir basados en la presión parcial de vapor adyacente a la fase suelo – agua (Richards, 1965). La termodinámica hace una relación entre la succión del suelo y la presión parcial de vapor del agua contenida en los poros, la cual se puede expresar mediante la ecuación:
(
Donde:
Φ = Succión del suelo o succión total, KPa.
R = Constante universal de los gases (molar) [8,31432 J/(mol K)] Tk =Temperatura absoluta [Tk = 273,15 + T (k)]
T° = Temperatura, C°
Vw0 = Volumen especifico de agua o el inverso de la densidad del agua (¡/ρw),
m3/kg
ρw = Densidad del agua (998 kg/ m3 a una T° = 20°C)
wv = Masa molecular de vapor de agua (18016 kg/kmol)
Ūv = presión parcial de vapor del agua contenido en los poros, KPa.
Ūv0 = Presión de vapor de saturación del agua sobre una superficie plana de
agua a la misma temperatura, KPa.
Si se llegara a realizar la ecuación 21 con una temperatura igual a 20°C daría con constante de 135,022 KPa, quedando la ecuación de la forma:
(
)
La Figura 7.11 hace referencia a la ecuación 1.2 para tres temperaturas diferentes (10, 20 ,30 °C), en ella se puede notar que la succión del suelo se enfoca a cero cuando la humedad relativa posee un valor del 100%. También se puede inferir que la succión podría llegar a ser extremadamente grande, por ejemplo, para una humedad relativa con valor igual a 95% posee un valor de succión de 9000 KPa.
Figura 7.11 Equilibrio termodinámico entre la humedad relativa y la succión total. Tomado de: Fredlund et al (2012).
La succión total es aquella cuantificada en términos de humedad relativa inmediatamente adyacente a la superficie de agua, esta se divide esencialmente en dos primeros componentes, llamados, succión matricial y succión osmótica. También aparece un tercer componente de la succión del suelo relacionada con las fuerzas de adsorción asociadas con el agua y una superficie sólida.
Atchison (1964) definió succión matricial, osmótica y total como:
Matricial o componente de capilaridad de energía libre: equivalente a la succión derivada de la medida de presión parcial de vapor de agua en equilibrio con la fase relativa suelo – agua a la presión parcial de vapor de agua en equilibrio con una solución idéntica en composición con la fase suelo – agua.
Osmótica (o soluto) energía libre: equivalente a la succión derivada de la medida de la presión parcial de vapor de agua en equilibrio con una solución idéntica en composición con la fase relativa suelo – agua a la presión parcial de vapor de agua en equilibrio con agua pura libre.
Total o de energía libre de la fase suelo – agua: succión equivalente derivada de la medida de la presión parcial de vapor de agua en equilibrio con la fase relativa suelo – agua a la presión parcial de vapor de agua en equilibrio con agua pura libre
Partiendo de las definiciones anteriores la succión total corresponde a la energía libre de la fase suelo – agua, donde la succión matricial y osmótica son componentes de la energía libre, por tanto la relación matemáticamente hablando entre los componentes de la succión del suelo se puede ver reflejada en:
Dónde:
ua - uw = succión matricial, KPa.
ua = presión de aire en los poros, KPa.
uw = presión de agua en los poros, KPa.
π = succión osmótica, KPa
Figura 7.12 Succión total y componentes de la succión matricial. Tomado de: Fredlund et al (2012).
Las técnicas de estimación juegan un papel de suma importancia en la aproximación de variables del suelo, las cuales podrían ser parte de un análisis ingenieril que se esté realizando sobre suelos desecados. No siempre se tienen las medidas de todas las posibles variables relevantes, sin embargo, en la mayoría de las situaciones basta con estimar algunas de ellas o posiblemente estimar algún rango en el que se podrían encontrar. Para la estimación de la succión matricial existen varias observaciones que pueden proporcionar el valor de la misma en campo. La succión matricial en campo posee un valor mucho menor que la succión residual del suelo en campo, por ejemplo suelos arenosos tienen una entrada de aire cuyo valor se ubica entre el rango de 1 a 10 KPa y que la succión residual para los mismos se encuentra entre 10 a 100Kpa; Entonces la clasificación del suelo podría darse a partir del valor de entrada de aire y las condiciones que se tengan de la succión residual, ya que de estas dos variables se da el rango en el que podría la succión que desea encontrar en campo.
La clasificación de las propiedades del suelo la proporciona las curvas de retención de humedad, ya que de su pendiente saldrá el rango en el que estará el valor de la succión matricial que será encontrado en el perfil del suelo estudiado.
7.5. Determinación de la succión en los suelos, Método del papel