1. A Janice y Valerie

2. viAcerca del autorEl doctor Braja M. Das recibi su M.S. en Ingeniera civilde la Universidad de Iowa en la ciudad de lowa y suPh.D. en Ingeniera geotcnica de la Universidad deWisconsin, en Madison. Es autor de varios textos de ingenierageotcnica y libros de referencia; entre los cualesse incluyen Principies o[ Geotechnical Engineering,Principies o[ Soil Dynamics y Principios de ingeniera decimentaciones, todos publicados por Thomson Learning,el ltimo de reciente publicacin en espaol. Tambin haescrito ms de 200 artculos tcnicos del rea de ingenierageotcnica. Sus principales campos de investigacinson las cimentaciones superficiales, las anclas en suelos ylos materiales geosintticos.El profesor Das particip en el Shallow Founda-tionsCommittee y en el Grouring Committee. Igualmentefue miembro de la mesa editorial del Joumal o[ Geotechnical Engineering y fundadorde la Geotechnical Engineering Division de la International Society of Offshoreand Polar Engineers; ha fungido como editor asociado en el Intemational Joumal o[ Oftshoreand Polar Engineering. Recientemente colabor con la mesa editorial de la revistaLowland Technology International, que se publica en Japn. Actualmente, es el presidentedel comit sobre estabilizacin qumica y mecnica del Transportation Research Boarddel National Research Council de Estados Unidos.El doctor Das ha recibido numerosos premios por excelencia en la enseanza, incluidoel de la fundacin AMOCO, el premio AT&T por excelencia en la enseanza, dela Sociedad Norteamericana para la educacin en la ingeniera; el premio Ralph Teetorde la Sociedad de Ingenieros Automotrices y el premio por logros distinguidos en la enseanzade la Universidad de Texas, en El Paso.Desde 1994, el profesor Das funge como Decano del College of Engineering andComputer Science en la Universidad del Estado de California, en Sacramento. 3. PrefacioLos textos Principios de ingeniera de cimentaciones y Fundamentos de ingenierageotcnica fueron publicados originalmente en 1984 y 1985, respectivamente. Las obrasfueron bien recibidas por profesores, estudiantes e ingenieros practicantes. Dependiendode las necesidades de los usuarios, aqullas se revisaron x)'ctualmente estn en sus cuar-tasediciones. 'Ms recientemente se recibieron varias peticiones para elaborar un solo volumen,conciso en su naturaleza, pero que combine las componentes esenciales de los dos ttulosmencionados. Este libro es el producto de esas solicitudes: consta de 13 captulos e incluyelos conceptos fundamentales de la mecnica de suelos y de la ingeniera de cimentaciones,incluyendo la capacidad de carga y el asentamiento de cimentaciones superficiales (zapatasy losas), muros de retencin, cortes apuntalados, pilotes y pilas perforadas.La investigacin en el desarrollo de los principios fundamentales de la ingenierageotcnica, esto es, de la mecnica de suelos y la mecnica de rocas, y sus aplicaciones enel anlisis y diseo de cimentaciones, ha sido muy amplia en las ltimas.cinco dcadas. Losautores quisieran incluir todos los recientes desarrollos en un fexto; sin embargo, como stepretende ser un libro introductorio, en l se enfatizan los principios fundamentales, sinpresentar demasiados detalles y alternativas.Los profesores deben hacer hincapi, durante la clase, en la diferencia que hay entrela mecnica de suelos y la ingeniera de cimentaciones. La mecnica de suelos es la ramade la ingeniera que estudia las propiedades de los suelos y su comportamiento bajo esfuerzosy deformaciones unitarias en condiciones ideales. La ingeniera de cimentacioneses la aplicacin de los principios de la mecnica de suelos y de la geologa en la planificacin,diseo y construccin de cimentaciones para edificios, carreteras, presas, etc. Lasaproximaciones y desviaciones de las condiciones ideales de la mecnica de suelos son necesariaspara un diseo apropiado de cimientos, porque los depsitos de suelos naturalesno son homogneos, en la mayora de los casos. Sin embargo, para que una estructura funcioneadecuadamente, esas aproximaciones deben ser hechas slo por un ingeniero quetenga un conocimiento slido de la mecnica de suelos. Este libro proporciona ese conocimiento.Fundamentos de Ingeniera geotcnica est ampliamente ilustrado para ayudar a losestudiantes a entender el material. A lo largo del texto se utilizan unidades en el SistemaInternacional, adems, cada captulo incluye gran cantidad de ejemplos y se proponen problemaspara resolver en casa.vii 4. viii PrefacioReconocimientosMi esposa, Janice, ba sido una fuente continua de inspiracin y ayuda para completar elproyecto. Asimismo, quiero agradecer a las siguientes personas sus revisiones y comentariosal manuscrito:Rob O. Davis, University of CanterburyJeffrey C. Evans, Bucknell UniversityMark B. Jaksa, The University of AdelaideC. Hsein Juang, Clemson UniversityDilip K. Nag, Monasb University-Gippsland CampusJean H. Prevost, Princeton UniversityCbarles W. Scbwartz, University of Maryland, College ParkRoly J. Salvas, Ryerson Polytecbnic UniversityNagaratnam Sivakugan, Purdue UniversityJobn Stormont, University of New MexicoDobroslav Znidarcic, University of ColoradoManoocbehr Zoghi, University of DaytonMe siento agradecido con Bill Stenquist y Suzanne Jeans de Brooks/Cole PublisbingCompany por su entusiasmo y comprensin a lo largo de la preparacin y publicacindel manuscrito.Braja M. DasSacramento, California 5. ContenidoCAPiTULO '1 DEPSITOS DE SUELO Y ANLISIS GRANUlOMTRICO 11.1 Introduccin 11.2 Depsitos de suelo natural 11.3 Tamao de las partculas de suelos 21.4 Minerales arcillosos 31.5 Densidad de slidos (G,) 71.6 Anlisis mecnico del suelo 71.7 Tamao efectivo, coeficiente de uniformidad y coeficinte de curvatura 12Problemas 14Referencias 16CAPTULO 2 RELACIONES VOLUMTRICAS Y GRAVIMTRICAS, PLASTICIDADy CLASIFICACiN DE lOS SUELOS 172.1 Relaciones volumtricas y gravimtricas 172.2 Relaciones entre peso especfico, relacin de vacos, contnido de agua y densidadde slidos 202.3 Compacidad relativa 232.4 Consistencia del suelo 272.5 Actividad 322.6 ndice de liquidez 332.7 Carta de plasticidad 342.8 Clasificacin del suelo 35Problemas 46Referencias 49ix 6. x Conten;doCAPiTULO 3 COMPAGACIN DE SUELOS 51.3.1 Compactacin; principios generales 513.2 Prueba Proctor estndar 523.3 Factores que afectan la compactacin 553.4 Prueba Proctor modificada 593.5 Estructura de un suelo cohesivo compactado 633.6 Compactacin en campo 643.7 Especificaciones para compactacin en campo 693.8 Determinacin del peso especfico de campo despus de la compactacin 71Problemas 76Referencias 78CAPTULO 4 MOVIMIENTO DEL AGUA A TRAVS DE SUELOS. PERMEABILIDADE INFILTRACiN 79Permeabilidad 794.1 Ecuacin de Bemoulli 794.2 Ley de Darcy 824.3 Permeabilidad 834.4 Determinacin en laboratorio de la permeabilidad 844.5 Relaciones empricas para la permeabilidad 914.6 Prueba de permeabilidad en campo por bombeo de pozos 94Infiltracin 974.7 Ecuacin de continuidad de Laplace 974.8 Redes de flujo 994.9 Ascencin capilar en suelos 105Problemas 107Referencias 111CAPTULO 5 ESFUERZOS EN UNA MASA DE SUELO 113Concepto de esfuerzo efectivo 1135.1 Esfuerzos en suelo saturado sin infiltracin 1135.2 Esfuerzos en suelo saturado con infiltracin 1175.3 Esfuerzo efectivo en un suelo parcialmente saturado 121Incremento del esfuerzo vertical debido a varios tipos de carga 1235.4 Esfuerzo causado por una carga puntual 1235.5 Esfuerzo vertical causado por una carga de lnea -1255.6 Esfuerzo vertical causado por una carga de franja (ancho finito y longitudinfinita) 1285.7 Esfuerzo vertical debajo del centro de un rea circular uniformementecargada 1325.8 Esfuerzo vertical causado por un rea rectangularmente cargada 1335.9 Carta de influencia para presin vertical 140Problemas 143Referencias 149 7. Contenido xiCApiTULO 6 CONSOLIDACIN 1516.1 Fundamentos de la consolidacin 1516.2 Prueba de consolidacin unidimensional en laboratorio 1546.3 Grficas relacin de vacos-presin 1556.4 Arcillas normalmente consolidadas y preconsolidadas 1596.5 Efecto de la perturbacin entre la relacin de vacos-presin 1616.6 Clculo de asentamientos por consolidacin primaria unidimensional 1636.7 ndice de compresin (Cu ) 1656.8 ndice de expansin (C,) 1666.9 Asentamiento por consolidacin secundaria 1706.10 Tasa de consolidacin 1746.11 Coeficiente de consolidacin 1806.12 Clculo de asentamientos por consolidacin primaria bajo unacimentacin 1866.13 Precompresin. Consideraciones generales 1896.14 Drenes de arena 194Problemas 200ReferenCias 206CAPTULO 7 RESISTENCIA CORTANTE DEL SUELO 2077.1 Criterios de falla de Mohr-Coulomb 2077.2 Inclinacin del plano de falla causada por cortante 2097.3 Ley de la falla por cortante en suelo saturado 211Determinacin en laboratorio de los parmetros de la resistenciacortante 2117.4 Prueba de corte directo 2127.5 Prueba de corte directo drenada sobre arena y arcillas saturadas 2167.6 Prueba de corte triaxial 2177.7 Prueba consolidada drenada 2197.8 Prueba consolidada no drenada 2277.9 Prueba no consoliaada-no drenada 2327.10 Prueba de compresin simple en arcilla saturada 2347.11 Sensitvidad y trixotropa de las arcillas 2367.12 Prueba de corte con veleta 2387.13 Relaciones empricas entre cohesin no drenada (cu) y presin efectivade sobrecarga ()"~) 242Problemas 243Referencias 246CAPiTULO 8 EXPLORACiN DEL SUBSUELO 2498.1 Programa de exploracin del subsuelo 2498.2 Perforaciones exploratorias en el campo 252 8. xii Contenido8.3 Procedimientos para muestreo del suelo 2~58.4 Observacin de los niveles del agua 2648.5 Prueba de corte con veleta 2668.6 Prueba de penetracin de cono 2698.7 Prueba del presurmetro (PMT) 2748.8 Prueba del dilatmetro 2768.9 Extraccin de ncleos de roca 2798.10 Preparacin de registros de perforacin 2828.11 Informe de la exploracin del suelo 284Problemas 284Referencias 289CAPTULO 9 PRESIN LATERAL DE TIERRA 2919.1 Presin de tierra en reposo 2919.2 Teora de Rankine de las presiones de tierra, activa y pasiva 2959.3 Diagramas para la distribucin de la presin lateral de tierra contra murosde retencin 3059.4 Muros de retencin con friccin 3229.5 Teora de la presin de tierra de Coulomb 3249.6 Anlisis aproximado de la fuerza activa sobre muros de retencin 332Problemas 334Referencias 338CAPiTULO 10 ESTABILIDAD DE TALUDES 33910.1 Factor de seguridad 33910.2 Establidad de taludes infinitos sin infiltracin 34110.3 Estabilidad de taludes infinitos con infiltracin 34410.4 Taludes finitos 34710.5 Anlisis de taludes finitos con superficie de falla circularmente cilndrica.Generalidades 35110.6 Procedimiento de masa del anlisis de estabilidad (superficie de fallacircularmente cilndrica) 35310.7 Mtodo de las dovelas 36810.8 Anlisis de estabilidad por el mtodo de las dovelas para infiltracin con flujoestablecido 37410.9 Solucin de Bishop y Morgenstern para la estabilidad de taludes simplescon infiltracin 375Problemas 380Referencias 386CAPiTULO 11 CIMENTACIONES SUPERFICIALES. CAPACIDAD DE CARGAY ASENTAMIENTO 38911.1Capacidad de carga ltima de cimentaciones superficialesConceptos generales 391391 9. 11.211.311.411.511.611.711.811.911.1011.1111.1211.1311.1411.1511.1611.17Contenido xiiiTeora de la capacidad de carga ltima 393Modificacin de las ecuaciones para la capacidad de carga por la posicindel nivel del agua 396El factor de seguridad 398Cimentaciones cargadas excntricamente 401Asentamiento de cimentaciones superficiales 412Tipos de asentamiento en cimentaciones 412Asentamiento inmediato 412Asentamiento inmediato de cimentaciones sobre arcilla saturada 414Rango de los parmetros del material para calcular el asentamientoinmediato 416Presin admisible de carga en arena basada en consideracionesde asentamiento 417Prueba de placa en campo 418Capacidad de carga admisible 422Asentamientos tolerables en edificios 422Cimentaciones con losas 425Zapata combinada y cimentacin con losas 425Tipos comunes de cimentaciones con losa 429Capacidad de carga de cimentaciones con losa 430Cimentaciones compensadas 433Problemas 436Referencias 441CAPTULO 12 MUROS DE RETENCiN Y CORTES APUNTALADOS 44512.112.212.312.412.512.612.712.812.912.1012.1112.1212.1312.1412.15Muros de retencin 445Muros de retencin. Generalidades 445Dimensionamiento de muros de retencin 447Aplicacin de las teoras de la presin lateral de tierr. Teoras de diseoRevisin del volcamiento 450Revisin por deslizamiento a lo largo de la base 453Revisin de falla por capacidad de carga 456Comentarios relati.vos a estabilidad 464Drenaje del relleno del muro de retencin 465Juntas en la construccin de muros de retencin 465Cortes apuntalados 467Cortes apuntalados. Generalidades 467Presin lateral de tierra en cortes apuntalados 469Parmetros del suelo para cortes en suelo estratificado 474Diseo de varias componentes de un corte apuntalado 475Levantamiento del fondo de un corte en arcilla 481Cedencia lateral de tabla estacas y asentamiento del terreno 487Problemas 489Referencias 493448 10. C .... 1l6WJOCAPITuLO 13 OMENTACIONES PROFUNDAS. PILOTES Y PILASPERFORADAS 495Cimentaciones con pilotes 49513.1 Necesidad de las cimentaciones con pilotes 49513.2 Tipos de pilotes y sus caractersticas estructurales 49713.3 Estimacin de la longitud del pilote 50613.4 Instalacin de pilotes 50813.5 Mecanismo de la transferencia de carga 50913.6 Ecuaciones para estimar la capacidad de pilotes 51113.7 Capacidad de carga de pilotes de punta descansando en roca 52513.8 Asentamiento de pilotes 52713.9 Frmulas para el hincado de pilotes 53013.10 Esfuerzos en pilotes durante el hincado 53513.11 Pruebas de carga de pilotes 53713.12 Friccin negativa en pilotes 53913.13 Grupos de pilotes. Eficiencia 54213.14 Asentamiento elstico de grupo de pilotes 54813.15 Asentamiento por consolidacin de grupo de pilotes 549Pilas perforadas 55213.16 Tipos de pilas perforadas 55313.17 Procedimientos de construccin 55413.18 Estimacin de la capacidad de carga 55713.19 Asentamiento de pilas perforadas bajo carga de trabajo 56413.20 Mtodo de Reese y O'Neill para calcular la capacidad de carga 564Problemas 573Referencias 579RESPUESTAS A PROBLEMAS ESCOGIDOS 581N DICE 587 11. Fundamentos deingeniera geotcnicaBraja M. DasCalifornia State University, SacramentoTHOMSON* LEARNINGAustralia. Brasil. Canad. Espaa. Estados Unidos Mxico Reino Unido. Singapur 12. Vicepresidente deEditorial y Produccin:Miguel ngel Toledo CastellanosEditor de desarrollo:Pedro de la Garza RosalesTraduccin:Jos de la CeraCorreccin de estilo:Antonio SienraRevisin tcnica:Ignacio Bernal CarreoUniversidad de las Amricas-PueblaCOPYRIGHT 2001 por InternationalThomson Editores, S. A. de C. V.,unadivisin de Thomson Learning, Inc.Thomson Learning es una marcaregistrada usada bajo permiso.Impreso en MxicoPrinted in Mexico1 234030201Para mayor informacin contctenos a:Sneca 53Col. PolancoMxico, D. F.11560Mxico y Amrica Central:Thomson LearningSneca 53Col. PolancoMxico, D. F. 11560Tel (525)281 29 06Fax (525)281 2906editor@thomsonlearning.com.mxEl Caribe:Thomson LearningHome Mortgage Plaza268 Ponce de Len ASuite 510, 5th FloorHato Rey, Puerto RicoTel (787)758-7580Fax (787)758-7573thomson@coqui.netTHOMSON LEARNINGFundamentos de ingeniera geotcnicaBraja M. DasGerente de produccin:Ren Garay ArguetaEdtora de produccin:Patricia Pantoja ValdezPuede visitar nuestro sitio Web enhttp://www.thomsonlearning.com.mxDERECHOS RESERVADOS. Quedaprohibida la reproduccin o transmisintotal o parcial del texto de la presenteobra bajo cualesquiera formas, .electrnica o mecnica, incluyendo elfotocopiado, el almacenamiento enalgn sistema de recuperacin deinformacin, o el grabado, sin elconsentimiento previo y por escrito deleditor.Divisin IberoamericanaPacto Andino:Thomson LearningCalle 39 No. 24-09La SoledadBogot, ColombiaTel (571) 340-9470Fax (571) 340-9475clithomson@andinet.comEspaa:Paraninfo Thomson LearningCalle Magallanes 2528015 MadridEspaaTel 34 (0)91 446-3350Fax 34 (0)91 445-6218clientes@paraninfo.esDiseo de portada:Daniel AguilarTipografa:Mara Eugenia CarrilloLecturas:Teresa Muoz yMagdalena RuizTraducido del libro Fundamenta/s ofGeotechnical Engineering, publicado eningls por Brooks Cole 1999ISBN-0-534-37114-5.Datos para catalogacin bibliogrficaDas, BrajaFundamentos de ingeniera geotcnica.Incluye referencias bibliogrficas endice.ISBN 970-686-061-41.Fundamentos de ingenierageotcnica. 2.Estudio de mecnica desuelos para hacer cimentacionesCono Sur:Suipacha 774 2 CBuenos Aires, ArgentinaTel (5411 )4325-2236Fax (5411 )4328-1829thomson@thomsonlearning.com.ar 13. Depsitos de suelo y anlisis granulomtrico1. 1 IntroduccinEn el sentido general de la ingeniera, suelo se define como el agregado no cementadode granos minerales y materia orgnica descompuesta (partculas slidas) junto con ellquido y gas que ocupan los espacios vacos entre las partculas slidas. El suelo se usacomo material de construccin en diversos proyectos de ingeniera civil y sirve parasoportar las cimentaciones estructurales. Por esto, los ingenieros civiles deben estudiarlas propiedades del suelo, tales como origen, distribucin granulomtrica, capacidadpara drenar agua, compresibilidad, resistencia cortante, capacidad de carga, y otrasms.El registro del primer uso del suelo como material de construccin se perdi en laantigedad. Durante aos, el arte de la ingeniera de suelos se bas nicamente en ex~periencias. Sin embargo, con el crecimiento de la ciencia y la tecnologa, la necesidad demejores y ms econmico~ diseos estructurales se volvi crtica. Esto condujo a unestudio detallado de la naturaleza y propiedades del suelo en su relacin con la ingeniera.La publicacin de Erdbaumechanik, por Karl Terzaghi en 1925, dio origen a lamecnica de suelos moderna.La mecnica de suelos es la rama de la ciencia que trata el estudio de sus propiedadesfsicas y el comportamiento de masas de suelos sometidas a varios tipos de fuerzas.La ingeniera de suelos es la aplicacin de los principios de la mecnica de suelos aproblemas prcticos. La ingeniera geotcnica es la ciencia y prctica de aquella parte dela ingeniera civil que involucra materiales naturales encontrados cerca de la superficiede la Tierra. En sentido general, incluye la aplicacin de los principios fundamentales dela mecnica de suelos y de la mecnica de rocas a los problemas de diseo de cimentaciones.1.2 Depsitos de suelo naturalEl suelo es producido por intemperismo, es decir, por la fractura y rompimiento de variostipos de rocas en piezas ms pequeas mediante procesos mecnicos y qumicos.Algunos suelos permanecen donde se forman y cubren la superficie rocosa de la que sederivan y se llaman suelos residuales. En contraste, algunos productos intemperizados1 14. 2 Depsitos de suelo y anlisis granulomtricoson transportados por medio de procesos fsicos a otros lugares y depositado . sos sellaman suelos transportados. Segn el agente de transporte, se subdividen en tres categorasprincipales:1. Aluviales o fluviales: depositados por agua en movimiento2. Glaciales: depositados por accin glaciar3. Elicos: depositados por accin del vientoEn adicin a los suelos transportados y residuales, las turbas se derivan de la descomposicinde materiales orgnicos encontrados en reas de poca altura donde el nivel freticoest cerca o arriba de la superficie del terreno. La presencia de un nivel alto del aguafretica ayuda o soporta el crecimiento de plantas acuticas, que al descomponerse, formanturba. Este tipo de depsito se encuentra comnmente en reas costeras y regionesglaciares. Cuando un porcentaje relativamente grande de turba se mezcla con sueloinorgnico, se le denomina suelo orgnico. Estos suelos orgnicos tienen la caractersticade un contenido natural de agua de entre 200% y 300%, y son altamente compresibles.La pruebas de laboratorio muestran que, bajo carga, se obtiene un gran asentamientodebido a la consolidacin secundaria de los suelos orgnicos (vase el Captulo6).Durante la planificacin, diseo y construccin de cimentaciones, terraplenes yestructuras de retencin, los ingenieros deben conocer el origen de los depsitos de lossuelos sobre los que se construirn las cimentaciones debido a que cada depsito de suelotiene atributos fsicos propios y nicos .....---- 1.3 Tamao de las partculas de sueloIndependientemente del origen del suelo, los tamaos de las partculas, en general, queconforman un suelo, varan en un amplio rango. Los suelos en general son llamadosgrava, arena, limo o arcilla, dependiendo del tamao predominante de las partculas.Para describir los suelos por el tamao de sus partculas, varias organizaciones desarrollaronlmites de tamao de suelo separado. La tabla 1.1 muestra los lmites de tamaode suelo separado desarrollados por el Instituto Tecnolgico de Massachusetts (MIT), elDepartamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA), la Asociacin Americana deFuncionarios de Carreteras Estatales y del Transporte (AASHTO), el Cuerpo de Ingenierosdel Ejrcito de Estados Unidos, y la Oficina de Restauracin de Estados Unidos.En esta tabla, el sistema MIT se presenta nicamente para fines ilustrativos porquejuega un papel importante en la historia del desarrollo de los lmites de tamao de sueloseparado. Sin embargo, en la actualidad el Sistema Unificado es casi universalmenteaceptado. El Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos (SUCS) ha sido adoptado porla Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM).Las gravas son fragmentos de rocas ocasionalmente con partculas de cuarzo,feldespato y otros minerales.Las partculas de arena estn formadas principalmente de cuarzo y feldespatos,aunque tambin estn presentes, a veces, otros granos minerales.Los limos son fracciones microscpicas de suelo que consisten en granos muy finosde cuarzo y algunas partculas en forma de escamas (hojuelas) que son fragmentos deminerales micceos. 15. Tabla 1.1 Lmites de tamao de suelos separados.Nombre de la organizacinInstituto Tecnolgico deMassachusetts (MIT)Departamento de Agricultura deEstados Unidos (USDA)Asociacin Americana deFuncionarios del Transporte yCarreteras Estatales (AASHTO)Grava>2>276.2 a 21.4 Minerales arcillosos 3Tamao del grano (mm)Arena Limo Arcilla2 a 0.06 0.06 a 0.002 < 0.0022 a 0.05 0.05 a 0.002 < 0.0022 a 0.075 0.075 a 0.002 < 0.002Sistema unificado de clasificacinde suelos (U.S. Army Corps ofEngineers; U.S. Bureau76.2 a 4.75 4.75 a 0.075 Finosof Reclamation; AmericanSociety for Testing and Materials)(es decir, limos y arcillas)< 0.075Las arcillas son principalmente partculas submicroscpicas en forma de escamas demica, minerales arcillosos y otros minerales. Como muestra la tabla 1.1, las arcillas sedefinen como partculas menores a 0.002 mm. En algunos casos, las partculas de tamaoentre 0.002 y 0.005 mm tambin se denominan arcillas. Las partculas se clasifican comoarcilla con base en su tamao y no contienen necesariamente minerales arcillosos. Las arcillasse definen como aquellas partculas "que desarrollan plasticidad cuando se mezclan cQnuna cantidad limitada de agua" (Grim, 1953). (La plasticidad es la propiedad tipo masilla delas arcillas cuando contienen cierta cantidad de agua.) Los suelos no arcillosos pueden contenerpartculas de cuarzo, feldespato o mica, suficientemente pequeas para caer dentro dela clasificacin de las arcillas. Por consiguiente, es apropiado para las partculas de suelomenores que 2 .L o 5 .L como se definen bajo diferentes sistemas, ser llamadas partculastamao arcilla en vez de arcillas. Las partculas de arcilla son en su mayora de tamaocoloidal 1 .L) con 2 .L de lmite superior.1.4 Minerales arcillososLos minerales arcillosos son complejos silicatos de aluminio compuestos de una o dosunidades bsicas: 1) tetraedro de slice y 2) octaedro de almina. Cada tetraedro consisteen cuatro tomos de oxgeno que rodean a un tomo de silicio (figura 1.1a). La combinacinde unidades de tetraedros de slice da una lmina de slice (figura 1.1b). Tres tomosde oxgeno en la base de cada tetraedro son compartidos por tetraedros vecinos.Las unidades octadricas consisten en seis hidroxilos que rodean un tomo de aluminio(figura 1.1c), y la combinacin de las unidades octadricas de hidroxilos de aluminio danuna lmina octadrica (tambin llamada lmina de gibbsita; figura 1.1d). En ocasiones elmagnesio reemplaza los tomos de aluminio en las unidades octadricas; en tal caso, lalmina octadrica se llama lmina de brucita. 16. 4 Depsitos de suelo y anlisis granulomtricoQ y O Silien(a) (b)Aluminio(e) (d)OxgenoHidroxiloAluminioSilien(e)FIGURA 1.1 (a) Tetraedro de slice; (b) lmina de slice; (e) octaedro de almina (xido de aluminio);(d) lmina octadrica (gibbsita); (e) lmina elemental de sliee-gibbsita (segn Grim, 1959). 17. I 7.2A 11.4 Minerales arcillosos 5En una lmina de slice, cada tomo de silicio con una valencia positiva de cuatroest unido a cuatro tomos de oxgeno con una valencia negativa total de ocho. Perocada tomo de oxgeno en la base del tetraedro est unido a dos tomos de silicio;significa que el tomo superior de oxgeno de cada tetraedro tiene una carga de valencianegativa de uno por ser contrabalanceada. Cuando la lmina de slice es colocada sobrela lmina octadrica, como muestra la figura 1.1e, esos tomos de oxgeno reemplazan alos hidroxilos para satisfacer sus enlaces de valencia.La caolinita consiste en capas repetidas de lminas elementales de slice-gibbsita,como muestra la figura 1.2a. Cada capa es aproximadamente de 7.2 de espesor y semantienen unidas entre s por enlaces hidrognicos. La caolinita ocurre como placas,cada una con una dimensin lateral de 1000 a 20,000 Y un espesor de 100 a 1000 . Elrea superficial de las partculas de caolinita por masa unitaria es aproximadamente de15 m2/g. El rea superficial por masa unitaria se define como superficie especfica.La ilita consiste en una lmina de gibbsita enlazada a dos lminas de slice, una arribay otra abajo (figura 1.2b), y es denominada a veces mica arcillosa. Las capas de ilitaestn enlazadas entre s por iones de potasio. La carga negativa para balancear los ionesde potasio proviene de la sustitucin de aluminio por silicio en las lminas tetradricas.La sustitucin de un elemento por otro, sin cambio en la forma cristalina, se conocecomo sustitucin isomorfa. Las partculas de ilita tienen generalmente dimensiones quevaran entre 1000 y 5000 Y espesores de 50 a 500 . La superficie especfica de laspartculas es aproximadamente de 80 m2/g.La monmorilonita tiene una estructura similar a la ilita, es decir, una lmina degibbsita intercalada entre dos lminas de slice (figura 1.2c). En la monmorilonita haysustitucin isomorfa de magnesio y hierro por aluminio en las lminas octadricas. Losiones de potasio no estn aqu presentes como en el caso de la ilita y una gran cantidadde agua es atrada hacia los espacios entre las capas. Las partculas de monmorilonitatienen dimensiones laterales de 1000 a 5000 Y espesores de 10 a 50 . La superficieespecfica es aproximadamente de 800 m2/g.Lmina de sliceLmina de gibbsitaLmina de gibbsitaLmina de slice I lOALmina de gibbsita 1 Lmina de gibbsitaLmina de slice Lmina de slice(a) (b)Lmina de sliceLmina de gibbsitaLmina de slice- - oRp Y cationes intercambiablesSeparacinbasal variable; Lmina de slicede 9.6 A aseparacincompleta~Lmina de gibbsitaLmina de slice(c)FIGURA 1.2 Diagrama de las estructuras de (a) caolinita; (b) ilita; (e) monmorilonita. 18. 6 Depsitos de suelo y anlisis granulomtricoAdems de caolinita, ilita y monmorilonita, otros minerales arcillosos comunes generalmenteencontrados son clorita, haloisita, vermiculita y atapulgita.Las partculas de arcilla llevan una carga neta negativa sobre la superficie, resultado deuna sustitucin isomorfa y de una ruptura en la continuidad de la estructura en sus bordes.Cargas negativas mayores se derivan de superficies especficas mayores. Algunoslugares cargados positivamente ocurren tambin en los bordes de las partculas.En arcilla seca, la carga negativa es balanceada por cationes intercambiables, comoCa++, Mg++, Na+ y K+, que rodean a las partculas mantenidas juntas por atraccin electroesttica.Cuando se agrega agua a la arcilla, esos cationes y un pequeo nmero deaniones flotan alrededor de las partculas de arcilla. A esto se le llama capa difusa doble(figura 1.3a). La concentracin de cationes decrece con la distancia desde la superficie dela partcula (figura 1.3b).Las molculas de agua son polares. Los tomos de hidrgeno no estn dispuestos demanera simtrica alrededor de un tomo de oxgeno; ms bien, forman un ngulo de enlacede 105. En consecuencia, una molcula de agua acta como una pequea barra con cargapositiva en un extremo y una carga negativa en el otro, y esto se conoce como dipolo.El agua dipolar es atrada por la superficie cargada negativamente de las partculasde arcilla y por los cationes en la capa doble. Los cationes a su vez son atrados a las partculasde suelo. Un tercer mecanismo por el cual el agua es atrada a las partculas de arcillaes el enlace hidrognico, en el que los tomos de hidrgeno en las molculas de agua soncompartidos con Memos de oxgeno sobre la superficie de la arcilla. Algunos cationes parcialmentehidratados en el agua de poros son tambin atrados a la superficie de las partculasde arcilla. Estos cationes atraen a las molculas de agua dipolar. La fuerza de atraccinentre el agua y la arcilla decrece con la distancia desde la superficie de las partculas. Todael agua mantenida unida a las partculas de arcilla por fuerza de atraccin se conoce comoagua de capa doble. La capa interior del agua de capa doble, que se mantiene unida muyfuertemente por la arcilla, se conoce como agua adsorbida y es ms viscosa que el agualibre. La orientacin del agua alrededor de las partculas de arcilla da a los suelos arcillosossus propiedades plsticas.+ + +- +++ + + +++ - + - +Superficie de lapartcula de arcilla(a)FIGURA 1.3 Capa doble difusa.Distancia desde la partcula de arcilla(b) 19. 1.6 Anlisis mecnico del suelo 7Tabla 1.2 Densidad de slidos de minerales importantes.MineralCuarzoCaolinitallitaMonmorilonitaHaloisitaFeldespato de potasioFeldespato de sodio y calcioCloritaBiotitaMoscovitaHornablendaLimonitaOlivinaDensidad de slidos,G,2.652.62.82.65 - 2.802.0-2.552.572.62 - 2.762.6-2.92.8-3.22.76-3.13.0-3.473.6-4.03.27 -3.371.5 Densidad de slidos (GsJLa densidad de los slidos de suelos se usa en varios clculos de la mecnica de suelos. La densidadde slidos se determina exactamente en el laboratorio. La tabla 1.2 muestra la densidadde slidos de algunos minerales comunes encontrados en suelos. La mayora de los mineralestienen una densidad de slidos que caen dentro de un rango general de 2.6 a 2.9.La densidad de slidos de arena ligeramente coloreada, formada principalmente de cuarezo, se estima aproximadamente igual a 2.65; para suelos arcillosos y limosos, vara entre 2.6y 2.9.1.6 Anlisis mecnico del sueloEl anlisis mecnico es la determinacin del rango del tamao de partculas presentes en un suelo,expresado como un porcentaje del peso (o masa) seco total. Se usan generalmente dos mtodospara encontrar la distribucin del tamao de las partculas del suelo: 1) anlisis con cribado,para tamaos de partculas mayores de 0.075 mm de dimetro, y 2) anlisis hidromtrico, paratamaos de partculas menores de 0.075 mm de dimetro. Se describen a continuacin los principiosbsicos de los anlisis por cribado e hidromtrico.Anlisis por cribadoEl anlisis por cribado consiste en sacudir la muestra de suelo a travs de un conjunto demallas que tienen aberturas progresivamente ms pequeas. Los nmeros de las mallasestndar con sus tamaos de aberturas (usadas en Estados Unidos) se dan en la tabla 1.3.Primero el suelo se seca en horno, y luego todos los grumos se disgregan enpartculas pequeas antes de ser pasados por las mallas. La figura 1.4 muestra un conjuntode stas en un vibrador de mallas usado para llevar a cabo la prueba en el laboratorio.Despus de que el periodo de vibracin concluye, se determina la masa del suelo 20. 8 Depsitos de suelo y anlisis granulomtricoTabla 1.3 Tamaos de mallasestndar en Estados Unidos.AberturaMalla No. (mm)4 4.7506 3.3508 2.36010 2.00016 1.18020 0.85030 0.60040 0.42550 0.30060 0.25080 0.180100 0.150140 0.106170 0.088200 0.075270 0.053-FIGURA 1.4 Conjunto de mallas para una prueba de laboratorio. 21. 1.6 Anlisis mecnico del suelo 9Tabla 1.4 Anlisis por medio de mallas (masa de muestra de suelo seco = 450 g).Masa de sueloretenido enDimetro cada mallaMalla No. (mm) (9)(1) (2) (3)10 2.000 O16 1.180 9.9030 0.600 24.6640 0.425 17.6060 0.250 23.90100 0.150 35.10200 0.075 59.85Pan 278.99* Columna 4 = (columna 3) I (masa total de suelo) X 100t A esto tambin se le llama porcentaje que pasaPorcentaje de sueloretenido encada malla'(4)O2.205.483.915.317.8013.3062.00Por cientoque pasat(5)100.0097.8092.3288.4183.1075.3062.00Oretenido en cada malla. Cuando se analizan suelos cohesivos, resulta difcil disgregar losgrumos en partculas individuales. En tal caso, el suelo se mezcla con agua para formaruna lechada que luego se lava a travs de las mallas. Las porciones retenidas en cadamalla se recolectan por separado y se secan en horno antes de que la masa retenida encada malla sea determinada.Los resultados del anlisis por cribado se expresan generalmente como porcentajedel peso total de suelo que ha pasado por las diferentes mallas. La tabla 1.4 muestra unejemplo de los clculos efectuados en un anlisis por cribado.Anlisis hidromtricoEl anlisis hidromtrico se basa en el principio de la sedimentacin de granos de sueloen agua. Cuando un espcimen de suelo se dispersa en agu~, las partculas se asientan adiferentes velocidades, dependiendo de sus formas, tamaos y pesos. Por simplicidad, sesupone que todas las partculas de suelo son esferas y que la velocidad de las partculasse expresa por la ley de Stokes, segn la cualv = p, - Pw D218'7donde v = velocidadp, = densidad de las partculas de suelop", = densidad del agua1J = viscosidad del aguaD = dimetro de las partculas del sueloDe la ecuacin (1.1 ),D= 181Jv - J 1817 fX:.p, - p", p, - p", "VI(1.1)(1.2) 22. 10 Depsitos de suelo y anlisis granulomtricod d distancia Lon e v = .tzempoNote quePs = GsPw (1.3)Combinando las ecuaciones (1.2) y (1.3) se obtiene:D = 181J (L(Gs - l)Pw { (lA)Si las unidades de r son (g . s) / cmz, PIV en g/cm3, L est en cm, t est en min y D est enmm, entoncesoD(mm)10] ! L (cm)181J[(g s)/cm2(Gs -1) pIV(g/an3) 't (min) X 60D - I 301J ~- (Gs - 1)pw VtSi se supone que pw es aproximadamente igual a 1 g/cm3, tenemosD( mm) = K /L( c~), t (mm)~ donde K = V~( 1.5)(1.6)Note que el valor de K es una funcin de Gs Y 17, que son dependientes de la temperaturade la prueba.En el laboratorio, la prueba del hidrmetro se conduce en un cilindro de sedimentacincon 50 g de muestra seca al horno. El cilindro de sedimentacin tiene 457 mm dealtura y 63.5 mm de dimetro; el cilindro est marcado para un volumen de 1000 mi. Comoagente dispersor se usa generalmente el hexametafosfato de sodio. El volumen de la suspensinde suelo dispersado se lleva hasta los 1000 mI aadiendo agua destilada.Cuando un tipo de hidrmetro ASTM 152H se coloca en la suspensin de suelo (figura1.5) en un tiempo t, medido desde el principio de la sedimentacin, mide la densidad deslidos en la vecindad de su bulbo a una profundidad L. La densidad de slidos es una funcinde la cantidad de partculas de suelo presentes por volumen unitario de suspensin enesa profundidad. En un tiempo t, las partculas de suelo en suspensin a una profundidadL tendrn un dimetro menor que D, calculado segn la ecuacin (1.5). Las partculas msgrandes se habrn asentado ms all de la zona de medicin. Los hidrmetros son diseadospara dar la cantidad de suelo, en gramos, an en suspensin. Los hidrmetros soncalibrados para suelos que tienen una densidad de slidos (Gs) de 2.65; para suelos de otradensidad de slidos, es necesario hacer correcciones.Conocida la cantidad de peso en suspensin, L y t, podemos calcular el porcentaje desuelo por peso ms fino que un cierto dimetro. Note que L es la profundidad medidadesde la superficie del agua hasta el centro de gravedad del bulbo del hidrmetro donde se 23. 1.6 Anlisis mecnico del suelo 111 LCentro de gravedaddel bulbo del hidrmetroFIGURA 1.5 Definicin de L en una prueba con hidrmetro.mide la densidad de la suspensin. El valor de L cambia con el tiempo t; su variacin conlas lecturas del hidrmetro est dada en el Libro de Normas de la ASTM (1998, vase laPrueba D-422). El anlisis por hidrmetro es efectivo para separar las fracciones de suelohasta un tamao de aproximadamente 0.5 .L.Curva de distribucin granulomtricaLos resultados del anlisis mecnico (anlisis por cribado e hidromtrico) se presentangeneralmente en grficas semilogartmicas como curvas de distribucin granulomtrica(o de tamao de grano). Los dimetros de las partculas se grafican en escala logartmicay el porcentaje correspondiente de finos en escala aritmtica. Por ejemplo, las curvasde distribucin granulomtrica para dos suelos se muestran en la figura 1.6. La curva dedistribucin granulo mtrica para el suelo A es la combinacin de los resultados delanlisis por cribado presentados en la tabla 1.4 y los resultados del anlisis hidromtricopara la fraccin de finos. Cuando los resultados del anlisis por cribado y del anlisishidromtrico se combinan, generalmente ocurre una discontinuidad en el rango en que 24. 12 Depsitos de suelo y anlisis granulomtricoMallaNo. 10 16Clasificacin unificadaArenaAnlisis por cribado30 40 60 100 200Limo y arcillaAnlisis con hidrmetro100r----W~_--~~--~~--~----------------------~ Anlisis por cribado... Anlisis con hidrmetro20IO~--~--~--~--~~Y~~~----~--~--~--~--~5 2 0.5 0.2 0."05 0.02 0.01 0.005 0.002 0.001Dimetro de partculas (mm)FIGURA 1.6 Curvas de distribucin del tamao de partculas (curvas granulomtricas).stos se traslapan. La razn para la discontinuidad es que las partculas de suelo son generalmenteirregulares en su forma. El anlisis por cribado da la dimensin intermediade una partcula; el anlisis hidromtrico da el dimetro de una esfera que se asentaraa la misma razn que la partcula de suelo.Los porcentajes de grava, arena, limo y partculas tamao arcilla presentes en unsuelo se obtienen de la curva de distribucin granulomtrica. De acuerdo con el SistemaUnificado Clasificacin de Suelos, el suelo A en la figura 1.6 tiene los siguientes porcentajes:Grava (lmite de tamao: mayores que 4.75 mm) = 0%Arena (lmites de tamao: 4.75 a 0.075 mm) = porcentaje de ms finos que 4.75 mm dedimetro - porcentaje de ms finos que 0.075 mm de dimetro = 100 - 62 = 38%Limo y arcilla (lmites de tamao: menores que 0.075 mm) = 38%1.7 Tamao efectivo, coeficiente de uniformidady coeficiente de curvaturaLas curvas granulomtricas se usan para comparar diferentes suelos. Adems, tresparmetros bsicos del suelo se determinan con esas curvas que se usan para clasificarlos suelos granulares. Los tres parmetros del suelo son: 25. 1.7 Tamao efectivo, coeficiente de uniformidad y coeficiente de curvatura 131. Dimetro efectivo2. Coeficiente de uniformidad3. Coeficiente de curvaturaEl dimetro en la curva de distribucin del tamao de las partculas correspondienteal 10% de finos se define como dimetro efectivo, o DIO. El coeficiente de uniformidadest dado por la relacinD60C:, = D-10coeficiente de uniformidad(l.7)dimetro correspondiente al 60% de finos en la curva de distribucingranulomtricaEl coeficiente de curvatura se expresa como(1.8)coeficiente de curvaturadimetro correspondiente al 30% de finosLa curva de distribucin granulomtrica muestra no slo el rango de los tamaos departculas presentes en un suelo, sino tambin la distribucin de varios tamaos de partculas.Esas curvas se muestran en la figura 1.7. La curva 1 representa un tipo de suelo en elque la mayora de los granos son del mismo tamao, y se le llama suelo maL graduado. Lao'-. . . . . Slidos' . . .. Vs = 11FIGURA 2.2 Tres fases separadas de un elemento de suelocon volumen de slidos de suelo igual a l.El peso especfico del agua es 9.81 kN/m3. Ahora, usando las definiciones del pesoespecfico y del peso unitario seco [ecuaciones (2.9) y (2.11)], escribimosW w,+rJ{.,'Y= -=---V VGs 'Yw + wGs'Y." (1 + w) G, 'Ywl+e l+e(2.15)y(2.16)Como el peso del agua en el lemento de suelo bajo consideracin es wGs'Yw, elvolumen ocupado por el agua esw,,, wGs'Yw V:v = - = --- = wGs')'w 'YwPor consiguiente, de la definicin del grado de saturacin [ecuacin (2.5)], tenemoss=-V:v= wG-sTI;, e 34. 22 2 Relaciones volumtricas y gravimtricas, plasticidad y clasificacin de los suelosoSe = wGs (2.17)sta es una ecuacin muy til para resolver problemas que contienen relaciones entrelas tres fases.Si la muestra de suelo est saturada, es decir, que los vacos estn completamentellenos con agua (figura 2.3), la relacin para el peso especfico saturado se obtiene enforma similar:w w,,+Ww'Ysat ==v = V = G:,";v +e"yw1 + e(G:, + e)'YlV = -'--''-l-+-:--:):.::''e-''-odonde 'Ysat = peso especfico saturado de suelo.(2.18)Como se mencion antes, debido a que es conveniente trabajar con densidades, lasI siguientes ecuaciones [similares a las relaciones del peso especfico dadas en las ecua-ciones(2.15), (2.16) Y (2.18)] son tiles:D enSl' d a d = p = -('1-- --+-'- -w---)-Q=-p--w-- -1 + ePeso Volumen _A_gu_a_ _- - - v.v =v.w =eW V=l+eWs = GiYw :. :. : . : . : . Slidos: . : . : . : . : . Vs = 11 . ... ....... .. . . 1FIGURA 2.3 Elemento del suelo saturado con volumen deslidos de suelo igual a 1.(2.19a) 35. 2.3 Compacidad relativa 23G,.pwDensidad seca = pd = -1 -+e. (G, + e)pwDensidad saturada = P sat = 1+edonde Pw = densidad del agua = 1000 kg /m3(2.19b)(2.19c)Las relaciones entre peso especfico, porosidad y contenido de humedad tambinse desarrollan considerando una muestra de suelo que tenga un volumen total igual a 1.2.3 Compacidad relativaEl trmino compacidad relativa es comnmente usado para indicar la compacidad o laflojedad in situ del suelo granular. Se define comoemx - eCr =--- -e mx - emndonde Cr = compacidad relativa, usualmente dada como porcentajee = relacin de vacos in situ del sueloemx = relacin de vacos del suelo en la condicin ms sueltaemn = relacin de vacos del suelo en la condicin ms densa(2.20)Los valores de Cr varan de un mnimo de O para suelo muy suelto a un mximo de 1para muy denso. Los ingenieros de suelos describen cualitativamente los depsitos desuelo granular de acuerdo con sus compacidades relativas, como muestra la tabla 2.1.Algunos valores tpicos de la relacin de vaco, del contenido de agua en condicin saturaday del peso especfico seco, como se encuentran en un estado natural se dan en latabla 2.2.Usando la definicin del peso especfico seco dado por la ecuacin (2.16), tambinexpresamos la compacidad relativa en trminos de los pesos especficos secos mximo ymnimo posibles. Entonces,Tabla 2.1 Descripcin cualitativa de depsitosde suelo granular.Compacidad relativa(%)0- 1515-5050 -7070-8585 - lOODescripcin dedepsitos de sueloMuy sueltoSueltoMedioDensoMuy denso 36. 24 2 Relaciones volumtricas y gravimtricas, plasticidad y clasificacin de los suelosEJEMPLO2.1Tabla 2.2 Relacin de vacos, contenido de agua y peso especfico seco para algunos suelostpicos en estado natural.Contenido naturalde agua en Peso especficoTipo de sueloArena suelta uniformeArena densa uniformeArena limosa suelta de grano angularArena limosa densa de grano angularArcilla firmeArcilla suaveLoessArcilla orgnica suaveTilita glaciale,.[~] - [;][7d~mJ - [7d:mJRelacin de estado saturadovacos, e (%)0.8 30OA5 160.65 25OA 150.6 210.9 -1.4 30 - 500.9 252.5 -3.2 90-1200.3 10[7d -7d(mn) ] [7d (mX)]7d(mx)- 7d(mn) 7dseco 'Id(kN/m3 )14.51816191711.5 -14.513.56- 821(2.21)donde 7 d(lln) = peso especfico seco en la condicin ms suelta (en una relacin devacos de emJ7 d = peso especfico seco in situ (en una relacin de vacos de e)7 d(mx) = peso especfico seco en la condicin ms densa (en una relacin devacos de emn)En estado natural, un suelo hmedo tiene un volumen de 0.0093 m3 y pesa 177.6 N. El ,peso seco al horno del suelo es 153.6 N. Si Gs = 2.71, calcule el contenido de agua, el pesoespecfico hmedo, el peso especfico seco, la relacin de vacos, la porosidad y el gradode saturacin.Solucin Refirase a la figura 2.4. El contenido de agua [ecuacin (2.8)] esw'v W - Wsw=-=---W, Ws177.6 -153.6153.6 1::.6 X 100 = 15.6%El peso especfico hmedo [ecuacin (2.9)] es7= W = 177.6 = 19 906 N/m3 '" 19.1 kN/m1V 0.0093 'Para el peso especfico seco [ecuacin (2.11)] , tenemos- W, = 153.6 = 16516 N/ni '" 16.52 kN/m17d - V 0.0093 'La relacin de vacos [ecuacin (2.3)] se encuentra como sigue: 37. 2.3 Compacidad relativa 25Peso (N) Volumen (rrP)Aire T_ Vv = t 0.0035~:o;24511 N0093T ____ _ __ _I ---- - -- ---- ---- - ---- -w'v = 24.0 -_ -=--_Agua _ -=--_- --------- - ----- - - -- - ------ - -----------w= 177.6W, = 153.6 .:.:.:.:. : Slidos: .: . : .: . : .: Vs = 0.0058t ::FIGURA 2.4por lo queV;,e= -V,v, = w, = 0.1536 = 0.0058m3Gs"y'" 2.71 X 9.81v.; = V - T{ = 0.0093 - 0.0058 = 0.0035 m3e = 0.0035 "" 0.600.0058Para la porosidad [ecuacin (2.7)], tenemose 0.60n = 1 + e = 1 + 0.60 = 0.375Encontramos el grado de saturacin [ecuacin (2.5)] como sigue:T{., s=-v.;v.. = w,., = 0.024 = O 00245 3l. 'Y", 9.81 . mpor lo que0.0035 o s = 0.00245 X 100 = 70o/c 38. 26 2 Relaciones volumtricas y gravimtrcas, plasticidad y clasificacin de los suelosEJEMPLO2.2EJEMPLO2.3Para un suelo dado, e = 0.75, w = 22% Y Gs = 2.66. Calcule la porosidad, el peso especficohmedo, el peso especfico seco y el grado de saturacin.Solucin La porosidad [ecuacin (2.7)] esn = _ e_ = 0.75 = 0.431 + e 1 + 0.75Para encontrar el peso especfico hmedo, usamos la ecuacin (2.19a) para calcularla densidad hmeda:p = (1 + w)GSPlV1 + ep'v = 1000 kg /m3p = (1 + 0.22)2.66 X 1000 = 1854.4 k 1m31 + 0.75 gPo r consl.gU.l ente, e1 p eso espec fi co hu' me do es 'Y (kN/m3) = p . g = 9.811X00I80 54.4 =1.81 9kN/m3Para encontrar el peso especfico seco, usamos la ecuacin (2.19b):Pd = Gsp.v = 2.66 X 1000 = 1520 kg /JIil1 + e 1 + 0.75por lo que'Yd = 9.81 X 1520 = 1491 kN/m31000 .El grado de saturacin [ecuacin (2.17)] ese 0.75 S (%) = wG, X 100 = 0.22 X 2.66 X 100 = 78%Se dan los siguientes datos para un suelo: porosidad = 0.45, densidad de los slidos = 2.68Y contenido de humedad = 10%. Determine la masa de agua por aadirse a 10 m3 desuelo para tener una saturacin plena.Solucin De la ecuacin (2.6), tenemose = _ n_ = 0.45 = 0.821 - n 1 - 0.45La densidad hmeda del suelo [ecuacin (2.19a)] esP = (1 + W)GSPlV = (1 + 0.1)2.68 X 1000 = 1619.8 k 1m31 + e 1 + 0.82 g 39. 2.4 Consistencia del suelo 27La densidad saturada del suelo [ecuacin (2.19c)] es_ (Gs + e)pw _ (2.68 + 0.82)1000 _ 1923 k / 3 . - - - gmP1 + e 1 + 0.82La masa de agua necesaria por metro cbico es igual aP,a' - p = 1923 - 1619.8 = 303.2 kgPor tanto, la masa total de agua por aadirse es303.2 X 10 = 3032 kg.---2.4 Consistencia del sueloCuando existen minerales de arcilla en un suelo de grano fino, ste puede ser remodeladoen presencia de alguna humedad sin desmoronarse. Esta naturaleza cohesiva es debidaal agua adsorbida que rodea a las partculas de arcilla. A principios de 1900, uncientfico sueco, Albert Mauritz Atterberg, desarroll un mtodo para describir la consistenciade los suelos de grano fino con contenidos de agua variables. A muy bajo contenidode agua, el suelo se comporta ms como un slido frgil. Cuando el contenido de aguaes muy alto, el suelo y el agua fluyen como un lquido. Por tanto, dependiendo del contenidode agua, la naturaleza del comportamiento del suelo se clasifica arbitrariamenteen cuatro estados bsicos, denominados slido, semislido, plstico y lquido, como muestrala figura 2.5.El contenido de agua, en porcentaje, en el que la transicin de estado slido asemislido tiene lugar, se define como el lmite de contraccin. El contenido de agua en elpunto de transicin de estado semislido a plstico es el lmite plstico, y de estado plsticoa lquido es el lmite lquido. Esos lmites se conocen tambin como lmites de Atterberg.Lmite lquido (LL)Un diagrama esquemtico (vista lateral) de un dispositivo para determinar el lmitelquido se muestra en la figura 2.6a, que consiste en una copa de bronce y una base dehule duro. La copa de bronce se deja caer sobre la base por una leva operada por unaSlido Semislido Plstico LquidoContenido.... -t~ ...... ~~ ................ ~~- deaguaLmite decontraccinLmiteplsticoFIGURA 2.5 Lmites de Atterberg.Lmitelquidocreciente 40. 28 2 Relaciones volumtricas y gravimtricas, plasticidad y clasificacin de los suelos(a)~I'--- 50 mm----I8--1 mml_ t --------). 3) +2mm(b)FIGURA 2.6 Prueba del lmite lquido: (a) dispositivo para la prueba;(b) ranurador; (e) pasta de suelo antes de la prueba; (d) pasta de suelodespus de la prueba.manivela. Para la prueba del lmite lquido se coloca una pasta en la copa. Se corta unaranura en el centro de la pasta de suelo, usando la herramienta de corte estndar (figura2.6b). Luego, con la leva operada por la manivela, se levanta la copa y se deja caerdesde una altura de 10 mm. El contenido de agua, en porcentaje requerido para cerraruna distancia de 12.7 mm a lo largo del fondo de la ranura (vase las figuras 2.6c y 2.6d)a los 25 golpes se define como el lmite lquido. El procedimiento para la prueba dellmite lquido est dado en la Prueba D-4318 de la ASTM.Casagrande (1932) concluy que cada golpe en un dispositivo estndar para lmitelquido corresponde a una resistencia cortante del suelo de aproximadamente 1 g/cm2(",0.1 kN/m2) . Por consiguiente, el lmite lquido de un suelo de grano fino da el contenidode agua para el cual la resistencia cortante del suelo es aproximadamente de25 g/cm2 (",2.5 kN/m2). 41. 2.4 Consistencia del suelo 29Seccin11_1 rnml-2rnmPlanta(e) (d)FIGURA 2.6 (Continuacin.)Lmite plstico (PL)El lmite plstico se define como el contenido de agua, en porcentaje, con el cual elsuelo, al ser enrollado en roUitos de 3.2 mm de dimetro, se desmorona. El lmite plsticoes el lmite inferior de la etapa plstica del suelo. La prueba es simple y se lleva a caboenrollando repetidamente a mano sobre una placa de vidrio (figura 2.7) una masa desuelo de forma elipsoidal.El ndice de plasticidad (PI) es la diferencia entre el lmite lquido y el lmiteplstico de un suelo, oPI= LL - PL (2.22)El procedimiento para la prueba del lmite plstico se da en la prueba D-4318 de laASTM.Lmite de contraccin (SL)La masa de suelo se contrae conforme se pierde gradualmente el agua del suelo. Conuna prdida continua de agua, se alcanza una etapa de equilibrio en la que ms prdida 42. 30 2 Relaciones volumtricas y gra vimtricas, plasticidad y clasificacin de los suelosFIGURA 2.7 Prueba del lmite plstico.de agua conducir a que no haya cambio de volumen (figura 2.8). El contenido de agua,en porcentaje, bajo el cual el cambio de volumen de la masa del suelo cesa, se definecomo lmite de contraccin.Las pruebas del lmite de contraccin (Prueba D-427 de la ASTM) se efectan enel laboratorio con un recipiente de porcelana de aproximadamente 44 mm de dimetroy 13 mm de altura. El interior del recipiente est recubierto con aceite de petrleo queluego se llena completamente con suelo hmedo. El exceso de suelo que queda fuera delborde se retira con una regleta. Se registra la masa de suelo hmedo dentro del recipiente.Luego, la masa de suelo en el recipiente se seca en horno. El volumen de la masade suelo secada en horno se determina por el desplazamiento de mercurio. Como elmanejo del mercurio es peligroso, la prueba D-4943 de la ASTM describe un mtodo deinmersin de la masa de suelo seco en una vasija de cera derretida. La masa de suelorevestida de cera es enfriada. Su volumen se determina sumergindola en agua.Con referencia a la figura 2.8, determinamos el lmite de contraccin de la siguientemanera:SL = W (%) - Llw (%) (2.23) 43. 2.4 Consistencia del suelo 31V ------1'~.------ l,w ------~IIIIIIo I., I~ Ia.> I"O I3 T ..... ---...... ~ I~ :IItLmite de Lmitecontraccin plsticoContenido de humedad (%)FIGURA 2.8 DefInicin del lmite de contraccin.-IIIII II II II II II II II II II II II II II It tLmite wlquidodonde Wi = contenido de agua inicial cuando el suelo se coloca en el recipiente dellmite de contraccin/lw = cambio en el contenido de agua (es decir, entre el contenido de humedadinicial y el contenido de agua en el lmite de contraccin)Sin embargo,(2.24)donde mI = masa del suelo hmedo en el recipiente al principio de la prueba (g)m2 = masa del suelo seco (g) (vase la figura 2.9)Adems,(2.25)donde Vi = volumen inicial del suelo hmedo (es decir, el volumen dentro del recipiente,cm3)V = volumen de la masa de suelo secada en horno (cm3)Pw = densidad del agua (g/cm3)Ahora, combinando las ecuaciones (2.23), (2.24) Y (2.25), tenemos(2.26) 44. 32 2 Relaciones volumtricas y gravimtricas, plasticidad y clasificacin de los suelos~2.5Recipiente --+de porcelanaRecipiente --+de porcelana(a) Antes de secado ... .. l. ... .. j. ""J' ... ," ." '" ,....... """. 4 ~ ...... .,:~ ; Volumen de suelo = Vj -:. :; I Masa de suelo = m2 ':. ~.. . -lo'" .. ". p.'" .. 1,,l,, ... ' ,'" .... ' ,t.,.- .. '(b) Despus de secadoFIGURA 2.9 Prueba del lmite de contraccin.ActividadComo la propiedad plstica de los suelos resulta del agua adsorbida que rodea a laspartculas de arcilla, podemos esperar que el tipo de minerales arcillosos y sus cantidadesproporcionales en un suelo afectarn los lmites lquido y plstico. Skempton(1953) observ que el ndice de plasticidad de un suelo crece linealmente con el porcentajede la fraccin de tamao arcilloso (porcentaje de granos ms finos que 2 ;., enpeso) presente en l. Con base en esos resultados, Skempton defini una cantidad lla-Tabla 2.3 Actividad de minerales dearcilla.MineralEsmectitasIlitaCaolinitaHaloisita (2H20)Holoisita (4H 20)AtapulgitaAlfanoActividad. A1-70.5-10.50.50.10.5 - 1.20.5 -1.2 45. 2.6 ndice de liquidez 33O 10 40Porcentaje de fraccin de tamao arcilloso 2 J-L)FIGURA 2.10 Relacin simplificada entre ndice de plasticidad yporcentaje de fracc in de tamao arcilloso por peso.mada actividad, que es la pendiente de la lnea que correlaciona el PI con el porcentajede granos ms finos que 2 iJ-. Esta actividad se expresa comoAPI(2.27)(porcentaje de la fraccin de tamao arcilloso, en pesodonde A = actividad. La actividad se usa como un ndice para identificar el potencial deexpansin de los suelos arcillosos. En la tabla 2.3 (Mitchell, 1976) se dan valores tpicosde actividades para varios minerales arcillosos.Seed, Woodward y Lundgren (1964) estudiaron la propiedad plstica de variasmezclas artificialmente preparadas de arena y arcilla. Ellos concluyeron que, aunque larelacin del ndice de plasticidad al porcentaje de la fraccin de tamao arcilloso es lineal,como lo observ Skempton, la lnea no siempre pasa por el origen. Ellos mostraronque la relacin del ndice de plasticidad al porcentaje de la fraccin de tamao arcillosopresente en un suelo se representa por dos lneas rectas, como se muestra cualitativamenteen la figura 2.10. Para fracciones de tamao arcilloso mayores que el 40%, la lnearecta pasa por el origen cuando se prolonga hacia atrs.2.6 ndice de liquidezLa consistencia relativa de un suelo cohesivo en estado natural se define por una raznllamada ndice de liquidez (L/):LI = w -PLLL - PLdonde w = contenido de agua del suelo in situ.(2.28) 46. 34 2 Relaciones volumtricas y gravimtricas, plasticidad y clasificacin de los suelosEl contenido de agua in situ de una arcilla sensitiva es mayor que el lmite lquido.En tal caso,LI > 1Esos suelos, al remoldearlos, se transforman en una forma viscosa que fluye corno un 1lquido.Los depsitos de suelos que estn fuertemente sobreconsolidados tienen un contenidode agua natural menor que el lmite plstico. En ese caso,LI < 1Los valores del ndice de liquidez para algunos de esos suelos son negativos.2.7 Carta de plasticidadLos lmites lquido y plstico son determinados por medio de pruebas de laboratorio relativamentesimples que proporcionan informacin sobre la naturaleza de los suelos cohesivos.Las pruebas son usadas ampliamente por ingenieros para correlacionar varios parmetrosfsicos del suelo as como para la identificacin del mismo. Casagrande (1932)estudi la relacin del ndice de plasticidad respecto al lmite lquido de una amplia variedadde suelos naturales. Con base en los resultados de pruebas, propuso una carta deplasticidad que muestra la figura 2.11. La caracterstica importante de esta carta es la lneaA emprica dada por la ecuacin PI = 0.73(LL - 20). La lnea A separa las arcillas inorgnicasde los limos inorgnicos. Las grficas de los ndices de plasticidad contra lmiteslquidos para las arcillas inorgnicas se encuentran arriba de la lnea A y aquellas para"O ro"O''C'r"o o...,.".O.,o'6.,.570605040302010Arcillas inorgnicasde alta plasticidadArcillas inorgnicasde plasticidad mediaArcillas inorgnicasde bajaplasticidadLimos inorgnicos dealta compresibilidady arcillas orgnicasLimos inorgnicos decompresibilidad mediay limos orgnicosO ~--~--~~--~------~------~--------Limos inorgnicos de Limite lquidode baja compresibilidadFIGURA 2.11 Carta de plasticidad. 47. 2.8 Clasificacin del suelo 35limos inorgnicos se hayan debajo de la lneaA. Los limos orgnicos se grafican en la mismaregin (debajo de la lnea A y con el LL variando entre 30 y 50) que los limos inorgnicosde compresibilidad media. Las arcillas orgnicas se grafican en la misma regin que los limosinorgnicos de alta compresibilidad (debajo de la lnea A y LL mayor que 50). La informacinproporcionada en la carta de plasticidad es de gran valor y es la base para la clasificacinde los suelos de grano fino en el Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos.Note que una lnea llamada lnea U se encuentra arriba de la lnea A. La lnea Ues aproximadamente el lmite superior de la relacin del ndice de plasticidad respectoal lmite lquido para cualquier suelo encontrado hasta ahora. La ecuacin para la lneaUse da comoPI = 0.9(LL - 8) (2.29)2.8 Clasificacin del sueloLos suelos con propiedades similares se clasifican en grupos y subgrupos basados en sucomportamiento ingenieril. Los sistemas de clasificacin proporcionan un lenguaje comnpara expresar en forma concisa las caractersticas generales de los suelos, que soninfinitamente variadas sin una descripcin detallada. Actualmente, dos sistemas de clasificacinque usan la distribucin por tamao de grano y plasticidad de los suelos son usadoscomnmente por los ingenieros de suelos. stos son el Sistema de ClasificacinAASHTO y el Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos. El Sistema AASHTO lousan principalmente los departamentos de caminos estatales y de condados, mientras quelos ingenieros geotcnicos usualmente prefieren el Sistema Unificado.Sistema de clasificacin AASHTOEste sistema de clasificacin fue desarrollado en 1929 como el Public Road AdministrationClassification System (Sistema de Clasificacin de la Oficina de CaminosPblicos). Ha sufrido varias revisiones, con la versin actual propuesta por el Committeeon Classification of Materials for Subgrades and Granular Type Roads of the HighwayResearch Board (Comit para la Clasificacin de Materiales para Subrasantes y CaminosTipo Granulares del Consejo de Investigaciones Carreteras) en 1945 (Prueba D-3282 dela ASTM; mtodo AASHTO M145).El Sistema de Clasificacin AASHTO actualmente en uso, se muestra en la tabla 2.4.De acuerdo con ste, el suelo se clasifica en siete grupos mayores: A-l al A-7. Los suelosclasificados en los grupos A-l ,A-2 y A-3 son materiales granulares, donde 35% o menos delas partculas pasan por la criba No. 200. Los suelos de los que ms del 35% pasan por la cribaNo. 200 son clasificados en los grupos AA, A-5, A-6 Y A-7. La mayora estn formados pormateriales tipo limo y arcilla. El sistema de clasificacin se basa en los siguientes criterios:1. Tamao del granoGrava: fraccin que pasa la malla de 75 mm y es retenida en la malla No. 10(2 mm) de Estados UnidosArena: fraccin que pasa la malla No. 10 (2 mm) US. y es retenida en la mallaNo. 200 (0.075 mm) US.Limo y arcilla: fraccin que pasa la malla No. 200 US.(cont. en p. 37) 48. 36Tabla 2.4 Clasificacin de materiales para subrasantes de carreteras.Clasificacin Materiales granularesgeneral (35% o menos de la muestra que pasa la malla No. 200)A-l A-2Clasificacinde grupo A-l-aAnlisis por cribado(porcentaje que pasa las mallas)No. 10 50 mx.A-l-bNo. 40 30 mx. 50 mx.No. 200 15 mx. 25 mx.Caractersticas de lafraccin que pasa lamalla No. 40A-3 A-2-4 A-2-551 mn.10 mx. 35 mx. 35 mx.A-2-6 A-2-735 mx. 35 mx.Lmite lquido 40 mx. 41 mn. 40 mx. 41 mn.ndice de plasticidad 6 mx. NP 10 mx. 10 mx. 11 mn. 11 mn.Tipos usuales dematerialescomponentessignificativosFragmentos de piedra Arenagrava y arena fina Grava y arena limosa o arcillosaTasa generalde los sub rasantesClasificacin generalClasificacin de grupoDe excelente a buenoMateriales limo-arcilla(ms del 35% de la muestra que pasa la malla No. 200)A-4 A-5 A-6A-7A-7-5*A-7-6tAnlisis por cribado (porcentaje que pasa por las mallas)No. 10No. 40No. 200Caractersticas de la fraccin quepasa por la malla No. 40Lmite lquidondice de plasticidadTipos usuales de materialescomponentes significativosTasa general de los sobrantes-Para A-7-5, PI "" LL - 30t paraA-7-6, PI> LL - 3036 mn.40 mx.10 mx.36 mn.41 mn.10 mx.Suelos limosos36 mn.40 mx11 mn.36 mn.41 mn.11 mn.Suelos arcillososDe mediano a pobre 49. 2.8 Clasificacin del suelo 372. Plasticidad: El trmino limoso se aplica cuando las fracciones de finos delsuelo tienen un ndice de plasticidad de 10 o menor. El trmino arcilloso seaplica cuando las fracciones de finos tienen un ndice de plasticidad de 11 omayor.3. Si cantos rodados y boleas (tamaos mayores que 75 mm) estn presentes,stos se excluyen de la porcin de la muestra de suelo que se est clasificando.Sin embargo, el porcentaje de tal material se registra.Para clasificar un suelo de acuerdo con la tabla 2.4, los datos de prueba se aplicande izquierda a derecha. Por un proceso de eliminacin, el primer grupo desde la izquierdaen el que los datos de prueba se ajusten, es la clasificacin correcta.Para la evaluacin de la calidad de un suelo como material para subrasante de carreteras,se incorpora tambin un nmero llamado ndice de grupo (GI) junto con losgrupos y subgrupos del suelo. Este nmero se escribe en parntesis despus de la designacinde grupo o de sub grupo. El ndice de grupo est dado por la ecuacinGI = (F - 35) [0.2 + 0.005(LL - 40)] + 0.01 (F - 15)(PI - 10)ponde F = porciento que pasa la malla No. 200LL = lmite lquidoP = ndice de plasticidad(2.30)El primer trmino de la ecuacin (2.30), es decir, (F - 35)[0.2 + 0.005(LL - 40)], es elndice de grupo parcial determinado a partir del lmite lquido. El segundo trmino, esdecir O.Ol(F - 15)(PI - 10), es el ndice de grupo parcial determinado a partir delndice de plasticidad. A continuacin se dan algunas reglas para determinar el ndice degrupo:1. Si la ecuacin (2.30) da un valor negativo para GI, ste se toma igual a O.2. El ndice de grupo calculado con la ecuacin (2.30) se redondea al nmeroentero ms cercano (por ejemplo, GI = 3.4 se redondea a 3; GI = 3.5 seredondea a 4).3. No hay un lmite superior para el ndice de grupo.4. El ndice de grupo de suelos que pertenecen a los grupos A-1-a, A-1-b, A-2-4,A-2-5, Y A-3 siempre es O.5. Al calcular el ndice de grupo para suelos que pertenecen a los grupos A-2-6y A-2-7, use el ndice de grupo parcial para PI, oGI = O.01(F - 15)(PI - 10) (2.31)En general, la calidad del comportamiento de un suelo como material para subrasanteses inversamente proporcional al ndice de grupo. 50. 38 2 Relaciones volumtricas y gravimtricas, plasticidad y clasificacin de los suelosEJEMPLO2.4Clasifique los suelos dados en la tabla segn el sistema de clasificacin AASHTo.Plasticidad para la fraccinAnlisis por cribado; porciento que pasa que pasa la malla No. 40Suelo Malla Malla Malla lmite ndice deNo. No.10 No. 40 No. 200 lquido plasticidad1 100 82 38 42 232 48 29 8 23 100 80 64 47 294 90 76 34 37 12Solucin Para el suelo 1, el porcentaje que pasa la malla No. 200 es 38%, mayor que 35%, por lo que se trata de un material de arcilla limosa. Procediendo de izquierda a derecha enla tabla 2.4, vemos que tal suelo cae bajo A-7. Para este caso, PI = 23 > LL - 30, por loque es A-7-6. De la ecuacin (2.30), tenemosGI = (F - 35)[0.2 + 0.005(LL - 40)] + 0.01 (F - 15)(PI - 10)Para este suelo, F = 38, LL = 42 Y PI = 23, por lo queGI = (38 - 35)[0.2 + 0.005(42 - 40)] + 0.01 (38 - 15)(23 - 10) = 3.88 '" 4Por consiguiente, el suelo es A-7-6(4).Para el suelo 2, el porcentaje que pasa la malla No. 200 es menor que 35%, por loque se trata de un material granular. Procediendo de izquierda a derecha en la tabla 2.4,encontramos que es A-1-a. El ndice de grupo es O, por lo que el suelo es A-l-a(O).Para el suelo 3, el porcentaje que pasa la malla No. 200 es mayor que 35%, por loque se trata de un material de arcilla limosa. Procediendo de izquierda a derecha en latabla 2.4, encontramos que es A-7-6.GI = (F - 35)[0.2 + 0.005(LL - 40)] + 0.01 (F - 15)(PI - 10)Dados F = 64, LL = 47 Y PI = 29, tenemosGI = (64 - 35)[0.2 + 0.005(47 - 40)] + 0.01 (64 - 15)(29 - 10) = 16.1", 16Por consiguiente, el suelo es A-7-6(16).Para el suelo 4, el porcentaje que pasa la malla No. 200 es menor que 35%, por loque se trata de un material granular. De acuerdo con la tabla 2.4, es A-2-6.GI = 0.01 (F - 15)(PI - 10)Ahora, F = 34 Y PI = 12, por lo queGI = 0.01 (34 - 15)(12 - 10) = 0.38 '" OEl suelo es entonces A-2-6(O). 51. 2.8 Clasificacin del suelo 39Tabla 2.5 Sistema Unificado de Clasificacin; smbolos de grupo para suelos tipo grava.Smbolo de grupo CriteriosGWGPGMGCGC-GMGW-GMGW-GCGP-GMGP-GCMenos de 5% pasa la malla No. 200; Cu = D60 /D IO mayor que o igual que 4;C= = (D30)2 / (DIO X D60) entre l y 3Menos de 5% pasa la malla No. 200; no cumple ambos criterios para GWMs de 12% pasa la malla No. 200; los lmites de Atterberg se grafican debajo de la lnea A(figura 2.12) o el ndice de plasticidad menor que 4Ms de 12% pasa la malla No. 200; los lmites de Atterberg se grafican debajo de la lnea A(figura 2.12); ndice de plasticidad mayor que 7Ms de 12% pasa la malla No. 200; los lmites de Atterberg caen en el rea sombreadamarcada CL-ML en la figura 2.12El porcentaje que pasa la malla No. 200 est entre 5 y 12; cumple los criterios para GW y GMEl porcentaje que pasa la malla No. 200 est entre 5 y 12; cumple los criterios para GW y GCEl porcentaje que pasa la malla No. 200 est entre 5 y 12; cumple los criterios para GP y GMEl porcentaje que pasa la malla No. 200 est entre 5 y 12; cumple los criterios para GP y GCSistema Unificado de Clasificacin de SuelosLa forma original de este sistema fue propuesto por Casagrande en 1942 para usarse enla construccin de aeropuertos emprendida por el Cuerpo de Ingenieros del Ejrcitodurante la Segunda Guerra Mundial. En cooperacin con la Oficina de Restauracin deEstados Unidos, el sistema fue revisado en 1952. Hoy en da, es ampliamente usado porlos ingenieros (Prueba D-2487 de la ASTM). El Sistema Unificado de Clasificacin sepresenta en las tablas 2.5,2.6 Y 2.7; clasifica los suelos en dos ampIlas categoras:1. Suelos de grano grueso que son de naturaleza tipo grava y arenosa con menosdel 50% pasando por la malla No. 200. Los smbolos de grupo comienzan conun prefijo GaS. G significa grava o suelo gravoso y S significa arena o sueloarenoso.2. Los suelos de grano fino con 50% o ms pasando por la malla No. 200. Lossmbolos de grupo comienzan con un prefijo M, que significa limo inorgnico,C para arcilla inorgnica u O para limos y arcillas orgnicos. El smbolo Pt seusa para turbas, lodos y otros suelos altamente orgnicos.Otros smbolos son tambin usados para la clasificacin: W: bien graduado P: mal graduado ' L: baja plasticidad (lmite lquido menor que 50) H: alta plasticidad (lmite lquido mayor que 50) 52. 40 2 Relaciones volumtricas y gravimtricas, plasticidad y clasificacin de los suelosTabla 2.6 Sistema Unificado de Clasificacin; smbolos de grupo para suelos arenosos.Smbolo degrupo CriteriosSWSPSMSCSC-SMSW-SMSW-SCSP-SMSP-SCMenos de 5% pasa la malla No. 200; CII = D60 /D IO mayor que o igual a 6;Cz = (D30 )2 / (DIO X D60) entre 1 y 3Menos de 5% pasa la malla No. 200; no cumple ambos criterios para SWMs de 12% pasa la malla No. 200; los lmites de Atterberg se grafican debajo de lalnea A (figura 2.12); o ndice de plasticidad menor que 4Ms de 12% pasa la malla No. 200; los lmites de Atterberg se grafican arriba de lalnea A (figura 2.12); ndice de plasticidad mayor que 7Ms de 12% pasa la malla No. 200; los lmites de Atterberg caen en el rea sombreadamarcada CL-ML en la figura 2.l2Porcentaje que pasa la malla No. 200 est entre 5 y 12; cumple los criterios para SW y SMPorcentaje que pasa la malla No. 200 est entre 5 y 12; cumple los criterios para SW y SCPorcentaje que pasa la malla No. 200 est entre 5 y 12; cumple los criterios para SP y SMPorcentaje que pasa la malla No. 200 est entre 5 y 12; cumple los criterios para SP y SCTabla 2.7 Sistema Unificado de Clasificacin; smbolos de grupo para suelos limosos y arcillosos.Smbolo degrupo CriteriosCLMLOLCHMHOHInorgnico; LL < 50; PI > 7; se grafica sobre o arriba de la lnea A (vase zona CL enla figura 2.12)Inorgnico; LL < 50; PI < 4; o se grafica debajo de la lnea A (vase la zona ML enla figura 2.12)Orgnico; LL - seco en horno) / (LL - sin secar) ; < 0.75; LL < 50 (vase zona OL enla figura 2.12)Inorgnico; LL 2: 50;PI se grafica sobre o arriba de la lnea A (vase la zona CH en la figura 2.12)Inorgnico; LL 2: 50; PI se grafica debajo de la lnea A (vase la zona MH en la figura 2.12)Orgnico; LL - seco en horno) / (LL - sin secar) ; < 0.75; LL 2: 50 (vase zona OH en lafigura 2.12)CL-ML Inorgnico; se grafica en la zona sombreada en la figura 2.12Pt Turba, lodos y otros suelos altamente orgnicos 53. 2.8 Clasificacin del suelo 41Para una clasificacin apropiada con este sistema, debe conocerse algo o todo dela informacin siguiente:1. Porcentaje de grava, es decir, la fraccin que pasa la malla de 76.2 mm y esretenida en la malla No. 4 (abertura de 4.75 mm)2. Porcentaje de arena, es decir, la fraccin que pasa la malla No. 4 (abertura de4.75 mm) y es retenida en la malla No. 200 (abertura de 0.075 mm)3. Porcentaje de limo y arcilla, es decir, la fraccin de finos que pasan la mallaNo. 200 (abertura de 0.075 mm)4. Coeficiente de uniformidad (Cu) y coeficiente de curvatura (Cz)5. Lmite lquido e ndice de plasticidad de la porcin de suelo que pasa la mallaNo. 40Los smbolos de grupo para suelos tipo grava de grano grueso son GW, GP, GM,GC, GC-GM, GW-GM, GW-GC, GP-GM, y GP-Gc. Similarmente, los smbolos degrupo para suelos de grano fino son CL, ML, OL, CH, MH, OH, CL-ML, y Pt. Damos acontinuacin un procedimiento paso a paso para la clasificacin de suelos:"OOl"O'C::;'';::enOl o.11)"O11) u;O-..:.:.:.Paso 1: Determine el porcentaje de suelo que pasa la malla No. 200 (P). Si F < 50%,se trata de un suelo de grano grueso, es decir, tenemos un suelo tipo gravao arenoso (donde F= porcentaje de granos ms finos que la malla No. 200).Vaya al paso 2. Si F 50%, se trata de un suelo de grano fino. Vaya alpaso 3.Paso 2: Para un suelo de grano grueso, (100 - P) es la fraccin gruesa en porcentaje.Determine el porcentaje de suelo que pasa la malla No. 4 y esretenido en la malla No. 200, FI . Si FI < (100 - P)/2, entonces el suelo tienems grava que arena, por lo que es un suelo tipo grava. Vaya a la tabla 2.570605040302010Lmite lquidoFIGURA 2.12 Carta de plasticidad. 54. 42 2 Relaciones volumtricas y gravimtricas, plasticidad y clasificacin de los suelosSmbolo de grupoGW -~--=+ < 15% arena--- 2: 15% arenaGP -~:--=-~ < 15% arena--- 2: 15% arenaGW-GM ~ < 15% arena~ 2: 15% arenaGW-GC ~< 15% arena~2: 15% arenaGP-GMGP-GC~< 15%arena~ 2: 15% arena~< 1 5 %a rena2: 15% arenaGM ------------=: < 15% arena2: 15% arenaGC =::::::::: < I 5 % arena2: 15% arenaGC-GM ~ < 15% arena2: 15% arenaSW -------------=: < 15% grava2: 15% gravaSP ------------=: < 15% grava2: 15% gravaSW-SM ~< 15% grava2: 15% gravaSP-SC ~< 1 5% grava2: 15% gravaSP-SM ~< 1 5%grava2: 15% gravaSP-SC ~< 1 5%grava2: 15% gravaSM ~ < 15% grava------... 2: 15% gravaSC -~-=-+ < 15% grava------... 2: I 5 % gra vaSC-SM ~ < 15% grava~ 2: 15% grava------------------------------Nombre de grupoGrava bien graduadaGrava bien graduada con arenaGrava mal graduadaGrava mal graduada con arenaGrava bien graduada con limoGrava bien graduada con limo y arenaGrava bien graduada con arcilla (o arcilla limosa)Grava bien graduada con arcilla y arena (o arcilla limosa y arena)Grava mal graduada con limoGrava mal graduada con limo y arenaGrava mal graduada con arci lla (o arcilla limosa)Grava mal graduada con arcilla y arena (o arcilla limosa y arena)Grava limosaGrava limosa con arenaGrava arcillosaGrava arcillosa con arenaGrava limo-arcillosaGrava limo-arcillosa con arenaArena bien graduadaArena bien graduada con gravaArena mal graduadaArena mal graduada con gravaArena bien graduada con limoArena bien graduada con limo y gravaArena bien graduada con arcilla (o arcilla limosa)Arena bien graduada con arcilla y grava (o arcilla limosa y grava)Arena mal graduada con limoArena mal graduada con limo y gravaArena mal graduada con arcilla (o arcilla limosa)Arena mal graduada con arcilla y grava (o arcilla limosa y grava)_ Arena limosa- Arena limosa con grava- Arena arcillosa- Arena arcillosa con grava- Arena limo-arcillosa- Arena limo-arcillosa con gravaFigura 2.13 Diagrama de flujo para nombres de grupo de suelos tipo grava y arenosos(segn ASTM, 1998).y figura 2.12 para determinar el smbolo de grupo, y luego vaya a la figura2.13 para obtener el nombre de grupo propio del suelo. Si Fl ~ (100 - F)/2,entonces se trata de un suelo arenoso. Vaya a la tabla 2.6 y figura 2.12 paradeterminar el smbolo de grupo y a la figura 2.13 para obtener el nombre degrupo del suelo.Paso 3: Para un suelo de grano fino, vaya a la tabla 2.7 y figura 2.12 para obtenerel smbolo de grupo. Si se trata de un suelo inorgnico, vaya a la figura2.14 para obtener el nombre del grupo. Si se trata de un suelo orgnico,vaya a la figura 2.15 para obtener el nombre del grupo.Note que la figura 2.12 es la carta de plasticidad desarrollada por Casagrande(1948) y modificada en alguna medida aqu. 55. LL 7ygr fica sobreo arriba de lalinea A---+ e L< 30% ~x:eg~o ~ 30%;;-xeede No. 200< < 15% excede No. 200 Arcilla ligera15-29% excede No. 200~ % arena =:: % grava ---.. Arci lla ligera con arena% arena < % grava -.. Arcilla ligera con grava% arena =:: % grava ~ < 15% grava Arcilla ligera arenosa2:: 15% grava , Arci lla ligera arenosa con grava% arena < % grava ~ < 15% arena A.rc~lIa l~gera y t~po grava 15% arena ArcI lla ligera y tIpO grava con arena< 30% ~ < 15% excede No 200 ArcIlla limosa4 : P/ : 7 ----+y grfica sobree L - ML - Arcilla limosa con grava excede ~ 15-29% excede No 200 ~ % arena % glava --->- Arci lla limosa con arenao arriba de lalineaAP/ < 4o grficadebajo dela linea A -< % arena 2: % grava ~ < 15% grava , Arci lla limo-arenosa 30% 15% grava Arc illa limo-arenosa COI1 gravaexcede . .. .No. 200 % arena < % grava ~ < 15% arena , Arcilla lanosa y tipO grava2: 15% arCIKI , Arci lla limosa y tipo grava con arena< 30% ~ < 15% excede No 200 excede ~ 15-29% excede No 200 ~ % arena % grava --->-No 200 < ~ % arena < % grava -+-2: 300/0 < % arena ~ % gl ava c:::::::::::::' < 15 Yo grava )excede ------.. 2: 15% gravaNo 200 % alena < % gIava ~ < 15% aJenaML o------.. 2: 15% aJena ----->LimoLimo con arenaLimo con gravaLimo arenosoLimo arenoso con gravaLimo y tipo gravaLimo y tipo grava con arena.. (LL - secado en horno < 0.75) ----+ OL ---+OrgHl1lco LL sin secar Vase la figura 2. 12Inorg,n icoGrficas PI _ e Hsobre o arribade la linea A< 30% ~ < 15% excede No. 200 excede ~ 15-29% excede No. 200~ % arena % grava --->-No. 200 ------. % arena < % grava --->-2: 300/0 excede No. < < % arena ~ % grava ~ < 15% grava------.. 15% grava -----+200 % arena < % grava ~ < 15% arena -----+------.. 15% arena -----+< 30% ~ < 15% excede No. 200 GrficasPl -debajoMH - excede ~ 15-29% excede No. 200~ % arena % grava --->-de la lnea A2: 300/0 < %a rena ~ %grava ~ < IS%grava excede 15% grava No. 200 % arena < % grava ~ < 15% arena ~ 150/0 arena ~Orgnico (LL - secado en horno < 0.75) ----+OH ---+ Vase la fi gura 2. 12LL SIO secarArci lla densaArcilla densa con arenaArc illa densa con gravaArcilla densa arenosaArcilla densa arenosa con gravaArcilla densa y tipo gravaArcilla densa y tipo grava con arenaLimo elsticoLimo elstico con arenaLimo e lstico con gravaLimo e lstico arenosoLimo e lstico arenoso con gravaLimo e lstico y tipo gravaLimo elstico y tipo grava eOI1 arena~ Figura 2.14 Diagrama de flujo para nombres de grupo de suelos limosos, inorgnicos y arcillosos (segn ASTM, 1998). 56. tSmbolo de grupoOLOHPl 2: 4 Y grficasobre o arriba dela lnea API < 4 o grficadebajo dela lnea AGrficas sobreo arriba dela lnea AGrficasdebajo dela lnea ANombre de grupo< 30% excede No 200 ~ < 15% excede No 200 Arcilla orgnica L ~ 15-29% excede No 200 ~ % arena 2: % grava -- Arcilla orgnica con arena< % arena < % grava __ Arcilla orgnica con grava% arena 2: % grava < 15 % grava Arcilla orgnica arenosa2: 30% excede No 200 -------==--=: % arena < % grava -------==--=: 2: 15 % grava Arcilla orgnica arenosa con grava< 15 % arena Arcilla orgnica y tipo gravaL2: 15 % arena Arcilla orgnica y tipo grava con arena200~ O-O-~--,--,-_-- ------+. Limo orgnico < 15% excede No. 200 " arena > % grava< 30% excede No. ~ 15-29% excede No. 2 ----. % arena < % grava< % arena 2: % grava> 30% excede No. 200% arena < % grava-------==--=: < 15 % gra va2: 15 % grava -------==--=: < 15 % arena2: 15 % arena__ Limo orgnico con arena__ Limo orgnico con gravaLimo orgnico arenosoLimo orgnico arenoso con gravaLimo orgnico y tipo gravaLimo orgnico y tipo grava con arena/ < 30% excede NoL 2: 30% excede No200 ~ < 15% excede No. 200 Arcilla orgnica15-29% excede No. 200 ~ % arena 2: % grava --Arcilla orgnica con arena% arena < % grava --Arcilla orgn ica con grava < % arena 2: % grava -------==--=: < 15 % grava Arcilla orgnica arenosa200 2: 15 % grava Arcilla orgnica arenosa con grava% arena < % grava -------==--=: < 15 % arena Arcilla orgnica y tipo grava2: 15 % arena Arcilla orgnica y tipo grava con arena< 30% excede No 200 ~ < 15% excede No 200 Limo orgnico L 15-29% excede No 200 ~ % arena 2: % grava -- Limo orgnico con arena< ----... % arena < % grava -----... Limo orgnico con grava% arena 2: % grava -------==--=: < 15 % grava Limo orgnico arenoso2: 30% excede No 200 2: 15 % grava Limo orgnico arenoso con grava% arena < % grava -------==--=: < 15 % arena Limo orgnico y tipo grava2::: 15 % arena Limo orgnico y tipo grava con arenaFigura 2.15 Diagrama de flujo para nombres de grupo de suelos limosos orgnicos y arcillosos (segn ASTM, 1998). 57. EJEMPLO2.5EJEMPLO2.62.8 Clasificacin del suelo 45Un suelo tiene los siguientes valores: Fraccin de grava (retenida en la malla No. 4) = 30% Fraccin de arena (pasa la malla No. 4 pero es retenida en la malla No. 200) = 40% Limo y arcilla (pasa la malla No. 200) = 30% Lmite lquido = 33 ndice de plasticidad = 12Clasifique el suelo segn el Sistema Unificado de Clasificacin, dando el smbolo delgrupo y el nombre del grupo.Solucin Se da F = 30 (esto es, < 50%); por consiguiente, se trata de un suelo de granogrueso. Adems, FI = 40, por lo queF = 40 > 100 - F = 100 - 30 = 352 2y es un suelo arenoso. De la tabla 2.6 y la figura 2.12, vemos que el suelo es Se. Como .elsuelo tiene ms de 15% de grava (figura 2.13), el nombre de su grupo es arena arcillosa~~ Un suelo tiene los siguientes valores: Fraccin de grava (retenida en la malla No. 4) = 10% Fraccin de arena (que pasa la malla No. 4 pero es retenida en la malla No. 200) =82% Limo y arcilla (que pasa la malla No. 200) = 8% Lmite lquido = 39 ndice de plasticidad = 8 Cu = 3.9 Cz = 2.1Clasifique el suelo de acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificacin, dando el smbolodel grupo y el nombre del grupo.Solucin Se da F = 8, por lo que se trata de un suelo de grano grueso. Adems, tenemosF _ 82 > 100 - F = 46- 2Por consiguiente, es un suelo arenoso. Como F est entre 5 y 12, se necesitan smbolosduales. De la tabla 2.6 y figura 2.12, como C" es menor que 6, el suelo es SP-SM. Ahora,de la figura 2.13, como el suelo contiene menos de 15% de grava, el nombre de su grupoes arena mal graduada con limo. 58. 46 2 Relaciones volumtricas y gravimtricas, plasticidad y clasificacin de los suelosEJEMPLO2.7Para un suelo dado: Porcentaje que pasa la malla No. 4 = 100 Porcentaje que pasa la malla No. 200 = 86 Lmite lquido = 55 ndice de plasticidad = 28Clasifique el suelo usando el Sistema Unificado de Clasificacin, dando el smbolo delgrupo y el nombre del grupo.Solucin El porcentaje que pasa la malla No. 200 es F = 86 (es decir, > 50%), por loque es un suelo de grano fino. De la tabla 2.7 y figura 2.12, el smbolo del grupo es CH.De la figura 2.14, el nombre del grupo es arcilla gruesa. Problemas2.1 El peso hmedo de 2.83 X 10- 3 m3 de suelo es 54.3 N. Si el contenido de agua es12% y la densidad de slidos es 2.72, encuentre lo siguiente:a. Peso especfico hmedo (kN/m3)b. Peso especfico seco (kN/m3)c. Relacin de vacosd. Porosidade. Grado de saturacin (%)f. Volumen ocupado por agua (m3)2.2 La densidad seca de una arena con una porosidad de 0.387 es de 1600 kg/m3.Encuentre la densidad de slidos del suelo y la relacin de vacos del suelo.2.3 El peso especfico hmedo de un suelo es de 19.2 kN/m3. Si Gs = 2.69 Y el contenidode agua w = 9.8% , determine los siguientes valores:a. Peso especfico seco (kN/m3)b. Relacin de vacosc. Porosidadd. Grado de saturacin (%)2.4 Para un suelo saturado w = 40% Y Gs = 2.71; determine los pesos especficos saturadoy seco en kN/m3.2.5 La masa de una muestra de suelo hmedo obtenido en campo es de 465 g Y sumasa secada en horno es de 405.76 g. La densidad de slidos del suelo se determinen laboratorio igual a 2.68. Si la relacin de vacos del suelo en estado naturales de 0.83, encuentre lo siguiente:a. La densidad hmeda del suelo en el campo (kg/m3)b. La densidad seca del suelo en el campo (kg/m3)c. La masa de agua, en kilogramos, por aadirse por metro cbico de suelo en elcampo para saturarlo.2.6 Un suelo tiene un peso especfico de 19.9 kN/m3. Se dan Gs = 2.67 Y w = 12.6%;determine los siguientes valores:a. Peso especfico secob. Relacin de vacos 59. Problemas 47c. Porosidadd. El peso del agua por metro cbico de suelo necesaria para tener una saturacincompleta2.7 El peso especfico saturado de un suelo es de 20.1 kN/m3. Si Gs = 2.74, determinelos siguientes valores:a. 'Ysecob. ec. nd. w (%)2.8 Para un suelo, e = 0.86, w = 28% Y Gs = 2.72; determine los siguientes valores:a. Peso especfico hmedob. Grado de saturacin (%)2.9 Para un suelo saturado, 'Y d = 15.3 kN/m3 y w = 21 %; determine los siguientes valores:a. 'Y salb. ec. Gsd. 'Yhm cuando el grado de saturacin es de 50%2.10 Demuestre que para todo suelo, 'Ysal = 'Yv(e/w)[(1 + w)/(1 + e)].2.11 Las relaciones de vacos mxima y mnima de una arena son 0.8 y 0.41, respectivamente. Cul es la relacin de vacos del suelo correspondiente a una compacidadrelativa de 48%?2.12 Para una arena, las relaciones de vaco mxima y mnima posibles son de 0.94 y0.33, respectivamente, segn se determin en el laboratorio. Encuentre el pesoespecfico hmedo de una arena compactada en el campo a una compacidad relativade 60% y contenido de agua de 10%. Si Gs = 2.65, calcule tambin los pesosespecficos secos mximo y mnimo posibles que la arena tiene.2.13 Un suelo saturado con un volumen de 19.65 cm3 tiene una masa de 36 g. Cuandoel suelo se sec, su volumen y masa fueron de 13.5 cm3 y 25 g, respectivamente.Determine el lmite de contraccin para el suelo.2.14 El anlisis por cribado de diez suelos y los lmites lquido y plstico de la fraccinque pasa por la malla No. 40 se dan en la tabla. Clasifique los suelos de acuerdocon el Sistema de Clasificacin AASHTO y d los ndices de grupos.SueloAnlisis por cribado,porcentaje que pasaLmite Lmiteno. No. 10 No. 40 No. 200 lquido plstico1 98 80 50 38 292 100 92 80 56 233 100 88 65 37 224 85 55 45 28 205 92 75 62 43 286 97 60 30 25 167 100 55 8 NP8 94 80 63 40 219 83 48 20 20 1510 100 92 86 70 38 60. 48 2 Relaciones volumtricas y gravimtricas, plasticidad y clasificacin de los suelos2.15 Clasifique los suelos 1-6 dados en el problema 2.14 segn el Sistema Unificado deClasificacin. D el smbolo de grupo y el nombre de grupo para cada suelo.2.16 Clasifique los suelos indicados en la tabla usando el Sistema de ClasificacinAASHTo. D tambin los ndices de grupo.Anlisis por cribado;porcentaje que pasaLmite ndice deSuelo No. 10 No. 40 No. 200 lquido plasticidadA 48 28 6 NPB 87 62 30 32 8e 90 76 34 37 12D 100 78 8 NPE 92 74 32 44 92.17 Clasifique los siguientes suelos usando el Sistema Unificado de Clasificacin. Del smbolo de grupo y el nombre de grupo para cada suelo.Porcentaje que pasaTamaode malla A B e D ENo. 4 94 98 100 100 100No. 10 63 86 100 100 100No. 20 21 50 98 100 100No. 40 10 28 93 99 94No. 60 7 18 88 95 82No. 100 5 14 83 90 66No. 200 3 10 77 86 450.01 mm 65 42 260.002 mm 60 47 21Lmite lquido 63 55 36ndice de plasticidad NP NP 25 28 222.18 Clasifique los suelos dados en el problema 2.17 segn el Sistema de ClasificacinAASHTO. D los ndices de grupo.2.19 Clasifique los suelos dados en la tabla de acuerdo con el Sistema Unificado deClasificacin. D el smbolo de grupo y el nombre de grupo para cada suelo. 61. Referencias 49Anlisis por cribadoporcentaje que pasaLmite ndice deSuelo No.4 No. 200 lquido plasticidadA 92 48 30 8B 60 40 26 4e 99 76 60 32D 90 60 41 12E 80 35 24 2ReferenciasAmerican Association of State Highway and Transportation Officials (1982). AASHTOMaterials, Part 1, Specifications, Washington, D.c.American Society for Testing and Materials (1998). ASTM Book of Standards, Seco 4, Vol.04.08, West Conshohocken, PA.Casa grande, A. (1932). "Research of Atterberg Limits of Soils," Public Roads, Vol. 13, No.8,121-136.Casagrande, A. (1948). "Classification and Identification of Soils," Transactions, ASCE,Vol. 113,901-930.Mitchell,l K. (1976). Fundamentals of Soil Behavior, Wiley, New York.Seed, H. B., Woodward, R. 1, and Lundgren, R. (1964). "Fundamental Aspects of theAtterberg Limits," Joumal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE,Vol. 90, No. SM6, 75-105.Skempton, A. W. (1953). "The Colloidal Activity of Clays," Proceedings, 3rd InternationalConference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, London, Vol. 1,57-61.Referencias suplementarias para estudio adicionalCollins, K., and McGown,A. (1974), "The Form and Function of Microfabric Features in aVariety of Natural Soils," Geotechnique, Vol. 24, No. 2, 223-254.Lambe, T. W. (1958). "The Structure of Compacted Clay," Joumal of the Soil Mechanics andFoundations Divson, ASCE, Vol. 85, No. SM2, 1654-1-1654-35.Pusch, R. (1978). "General Report on Physico-Chemical Processes Which Affect SoilStructure and Vice Versa," Proceedngs, International Symposium on Soil Structure,Gothenburg, Sweden, Appendix, 33.Yong, R. N., and Sheeran, D. E. (1973), "Fabric Unit Interaction and Soil Behavior,"Proceedings, International Symposium on Soil Structure, Gothenburg, Sweden, 176-183.Youd, T. L. (1973). "Factors Controlling Maximum and Minimum Densities of Sand,"Special Technical Publicaton No. 523, ASTM, 98-122. 62. 3--Compactacin de suelosEn la construccin de terraplenes para carreteras, presas de tierra y muchas otras estructurasde la ingeniera, los suelos sueltos deben ser compactados para incrementar sus pesosespecficos. La compactacin incrementa las caractersticas de resistencia de los suelos,aumentando as la capacidad de carga de las cimentaciones construidas sobre ellos. La compactacindisminuye tambin la cantidad de asentamientos indeseables de las estructuras eincrementa la estabilidad de los taludes de los terraplenes. Los rodillos de ruedas lisas, losrodillos patas de cabra, los rodillos con neumticos de hule y los rodillos vibratorios sonusados generalmente en el campo para la compactacin del suelo. Los rodillos vibratoriosse usan principalmente para la densificacin de los suelos granulares. Este captulo analizalos principios de la compactacin de suelos en el laboratorio y en el campo.3.1 Compactacin; principios generalesEn general, la compactacin es la densificacin del suelo por remocin de aire, lo querequiere energa mecnica. El grado de compactacin de un suelo se mide en trminosde su peso especfico seco. Cuando se agrega agua al suelo durante la compactacin, staacta como un agente ablandador de las partculas del suelo, que hace que se deslicenentre s y se muevan a una posicin de empaque ms denso. El peso especfico secodespus de la compactacin se incrementa primero conforme aumenta el contenido deagua (figura 3.1). Note que a un contenido de agua w = O, el peso especfico hmedo ('Y)es igual al peso especfico seco ('Y d)' o'Y = 'Yd(w = O) = 1'1Cuando el contenido de agua es gradualmente incrementado y se usa el mismo esfuerzocompactador para la compactacin, el peso de los slidos del suelo en un volumen unitariocrece en forma gradual. Por ejemplo, en w = w1' el peso especfico hmedo es igual aSin embargo, el peso especfico seco bajo este contenido de agua est dado por'Y d (lV = lV1) = 'Y d(w = O) + D.:y d51 63. 52 3 Compactacin de suelosoContenido de agua, WFIGURA 3.1 Principios de compactacin.~~n--- Slidosdel suelo--++---AguaSlidosdel sueloMs all de un cierto contenido de agua w = w2, (figura 3.1), cualquier incremento en elcontenido de agua tiende a reducir el peso especfico seco, debido a que el agua toma losespacios que podran haber sido ocupados por las partculas slidas. El contenido deagua bajo el cual se alcanza el mximo peso especfico seco se llama contenido de aguaptimo.La prueba de laboratorio usada generalmente para obtener el peso especficoseco mximo de compactacin y el contenido de agua ptimo es la prueba Proctor de compactacin(Proctor, 1933). Su procedimiento se describe en la siguiente seccin .. ---- 3.2 Prueba Proctor estndarEn la Prueba Proctor, el suelo es compactado en un molde que tiene un volumen de 943.3cm3. El di