Embed Size (px)
DESCRIPTION
Mecánica de Suelos. Conceptos Básicos.
Citation preview
GENERALIDADES
El Suelo.-
Es un conjunto de agregados de partículas no consolidadas, proveniente de la
descomposición de la corteza terrestre como consecuencia de la
intemperización.
Las partículas pueden ser grandes (15 a 20 cm) como también de pequeñas
dimensiones.
Debe tener una resistencia al corte menor a 14 kg/cm2.
Estudio del Suelo.-
Se le estudia desde el punto de vista de la:
Geología: El suelo es una roca blanda.
Agrología: El suelo es el lugar donde se sustentan las plantas.
Ingeniería Civil: La geotecnia que estudia a las rocas y suelos desde el punto
de vista mecánico (estático y dinámico).
El comportamiento Mecánico.-
Está dado por la resistencia y la deformabilidad.
Resistencia: Es el máximo esfuerzo que soporta el suelo.
Deformabilidad: Es cuánto se deforma ante un esfuerzo u otras solicitaciones.
Esfuerzos: compresión, tracción, corte.
Características del Suelo.-
Existe una gran variedad de suelos; es muy heterogéneo, no está distribuido
uniformemente tanto en planta como en corte.
Es de comportamiento complejo, no son homogéneos, isótropos, continuos ni
elásticos.
Por lo tanto es heterogéneo, anisótropo, discontinuo e inelástico.
Forma de Estudio de la Mecánica de Suelos.-
Se realiza la investigación del sitio para cada tipo de proyecto.
Mediante un laboratorio bien equipado.
En campo mediante el muestreo, ensayos de campo.
EL SUELO
Origen.-
Los suelos se forman de la descomposición de las rocas.
Las formas de descomposición son:
Agentes físicos: Agentes químicos:
Esfuerzos: Solución
Tracción Oxidación
Compresión Lixiviación
Corte Hidrólisis
Calor – frío Hidratación
Cambios de humedad
La energía del sol provoca los cambios de temperatura, provocando vientos,
lluvias, escorrentía.
Así mismo se da la dilatación y contracción térmica.
El incremento de temperatura no es uniforme.
La superficie de una roca se calienta y no transmite a su interior el calor,
produciéndose el fenómeno llamado exfoliación.
El agua cuando se congela aumenta de volumen y tiende a partir la roca.
La acción de las plantas y otras partículas tienden a partir la roca.
La exfoliación elástica es cuando una roca está sometida a grandes presiones y
luego es liberada de dicha presión, la roca se fisura en forma paralela a su
superficie y tiende a incrementar su volumen.
Los glaciares son grandes masas de hielo en movimiento.
Todos estos factores son procesos físicos que tienden a desgastar el suelo.
Los agentes químicos transforman los nexos químicos de los cementantes
liberando las partículas. Descomponen al mineral que componen la roca,
generándose los suelos finos formados por diferentes minerales.
Clasificación General.-
Los suelos gruesos conformados por rocas y minerales, provienen de la
descomposición por agentes físicos (gravas y arenas).
Lutitas 52%
Areniscas 15%
Granito 15%
Calizas y dolomitas 7%
Basaltos 3%
Otros 8%
Los suelos finos tienen minerales propios, provienen como consecuencia de la
transformación por agentes químicos. Tienen minerales arcillosos:
Caolinita
Illita
Montmorilonita
La división entre suelos gruesos y finos es de 0.10 mm.
Entre grava y arena de 2 mm.
Entre limos y arcillas la plasticidad.
Clasificación de los Suelos por su Origen.-
1) Suelos Transportados.-
Son suelos formados por la meteorización de la roca en un determinado lugar y
que ahora se encuentran en otro lugar, transportados por agentes como los
glaciares, el viento, los ríos, las fuerzas de gravedad, etc.
Suelos Aluviales.-
Son suelos que han sido transportados por el agua.
Fluvio Aluvial.-
- Contienen partículas redondeadas.
- Son de partículas duras.
- Son clasificados por tamaños.
- Presentan estratificación.
- Son formados por suelos gruesos.
-
Lacustre Aluvial.-
- Formado por suelos finos.
- Se presentan los micro estratos.
- Forman capas horizontales y delgadas.
- Contienen arcillas barbadas.
- Contienen capas alternas de arcillas y de arenas finas.
Marino Aluvial.-
- Contienen fósiles marinos.
- Contienen capas de diatomeas.
- Forman capas mucho más gruesas (estratos).
- Son parecidos a los lacustres.
Suelos Coluviales.-
Son mezclas de arcillas, arenas, fragmentos de roca caóticamente mezclados
(huaycos).
Están formados por fragmentos angulares.
No tienen una estratificación definida.
Es caótica, no es uniforme.
Suelos Diluviales.-
Son suelos aluviales muy antiguos.
Es de coloración anaranjada, amarillenta y otros.
Tiene cierta cohesión, sus partículas están ligeramente pegadas (cementadas),
el cementante puede ser silicio, cementante calcáreo, cementante salino,
cementante arcilloso.
Suelos Proluviales.-
Son suelos que conforman el frente de un cono de deposición (deyección).
A la parte frontal de un cono se conoce como suelos proluviales por contener
material más grueso.
Suelos Glaciales.-
Las morrenas.-
Son masas de hielo que bajan por las quebradas hasta una zona donde se
disuelve y deja de arrastrar materiales.
El depósito tiene forma de media luna (herradura).
Esta conformado por piedras, arenas finas, pocos limos.
Son de forma angular.
No existe estratificación ni clasificación.
Es un material caótico.
El material es de cara estriada (piedras rayadas en diferentes direcciones).
Tipos de Morrenas.-
- Morrenas basales: rocas finas.
- Morrenas laterales: rocas más grandes.
- Morrenas terminales.
Los Eskeres.-
Tienen material fluvio aluvial, son originados por ríos que circulan en túneles
dentro del hielo.
Se encuentran sobre pendientes.
Su composición es fluvial.
Se encuentran sobre llanuras.
Los Drumlins.-
Son montículos de material morrénico.
Son bloques abandonados de hielo.
Contienen fragmentos angulares de diversos tamaños.
Suelos Eólicos.-
Son suelos transportados por el viento.
Las Dunas.-
Son arenas muy uniformes de 0.50 a 1.00 mm.
Tienen partículas muy redondeadas.
Se forman en zonas secas.
El Loes.-
Se forman donde existen niveles freáticos altos.
Tienen partículas muy redondeadas.
Tienen capas sueltas.
Presentan orificios verticales.
No soportan mucho peso.
Sus partículas están cementadas generalmente por sales.
Es un suelo colapsable:
- Es resistente en seco
- Falla al humedecerse.
Suelos Gravitacionales.-
Derrumbes.-
Son fragmentos de roca.
Talus.-
Están al pie de un corte, es un material muy suelto, es malo como fundación
(cimentación).
Rellenos.-
Son materiales transportados artificialmente.
Rellenos compactados: para obras civiles.
Rellenos sanitarios: basura.
Rellenos de desmonte: son desechos de construcción o demoliciones.
2) Suelos Residuales.-
Son materiales previamente meteorizados pero no erosionados, permanecen
sobre la roca que les dio origen. Son características de zonas tropicales.
En la selva existe abundancia de vida.
Hay gran actividad química que descompone la roca.
No hay pendiente.
Están protegidas del viento.
Suelos Lateríticos.-
Son generados en las zonas selváticas, tropicales por la acción química gracias
a la abundante vegetación, precipitación, residuos orgánicos, alta temperatura,
poca pendiente.
Tienen colores muy vivos.
Son de estructura cristalina.
Su relación de vacíos es alta.
Presentan la estructura y característica de la roca original.
Presentan un perfil de laterización.
Suelos Saprolitos.-
Son productos de grandes esfuerzos, se fisuran en tal grado pero que no es
trasladado, se producen en zonas de falla geológica.
Suelos Metasomatitas.-
Se forman por la filtración de agua a grandes profundidades y su salida a
grandes presiones (aguas calientes), y se produce un suelo altamente
degradado.
Alteración química de roca triturada por agua y vapores agresivos.
Es blanda, arcillosa.
Se dan en zonas de fallas geológicas.
Suelos Milonitas.-
Se forman en zonas de fallas geológicas, es un material triturado y alterado por
el agua.
ESTRUCTURA DEL SUELO Y MINERALES QUE LO CONSTITUYEN
Forma de las Partículas Minerales de un Suelo.-
La forma de las partículas minerales que constituyen una masa de suelo tiene
importancia en el comportamiento mecánico de éste; la forma varía de acuerdo
al tipo de suelo.
• La forma redondeada que es prácticamente la esférica.
• La forma sub redondeada que es medianamente redondeada.
• La forma sub angulosa cuando los vértices y aristas están redondeados por
efecto del rodado y la abrahasión.
• La forma angulosa cuando presentan aristas y vértices aguzados.
La forma de las partículas se pueden medir utilizando parámetros tales como la
esfericidad y la angulosidad.
La Esfericidad.-
Es una característica significativa de los granos redondeados; se describe
mediante las diferencias entre el largo, el ancho y su espesor.
El diámetro equivalente de las partículas, es el diámetro de una esfera de igual
volumen que la partícula.
De = raíz cúbica de 6v entre pi
Donde: De = diámetro equivalente y v = volumen
La esfericidad se define de la siguiente manera:
x = De entre L
Donde: L = largo de la partícula
Una esfera tiene una esfericidad igual a uno, mientras que una partícula plana
tiene un valor menor.
Un segundo índice es la planiformidad que se define por la relación:
F = B entre H
Donde: B = ancho de la partícula y H = espesor de la partícula
El alargamiento E se expresa por la relación:
E = L entre B
Con la esfericidad se relacionan la facilidad de manipular los suelos o rocas
fracturadas, la capacidad de permanecer estables cuando están sometidas a
choques y su resistencia a la ruptura debido a la acción de las cargas.
Cuanto mayor es la esfericidad y menor la planiformidad o el alargamiento,
menor es la tendencia de las partículas a desmenuzarse en partículas menores
bajo la acción de las cargas. Las partículas planas o alargadas tienden a
orientarse de manera que quedan paralelas cuando estos suelos se utilizan en la
construcción de terraplenes de carreteras formando planos de debilitamiento.
Pero por otro lado una vez que las partículas se han trabado por efecto de la
compactación forman una masa relativamente estable.
La Angulosidad.-
O redondez R, son medidas de la agudeza de los vértices de las partículas, y se
definen mediante la siguiente expresión:
R = radio promedio de vértices de aristas entre radio de la esfera máxima
inscrita
La angulosidad tiene una profunda influencia sobre el comportamiento ingenieril
de las partículas del suelo. Por efecto de las cargas los vértices angulosos se
rompen y trituran, pero las partículas tienden a resistir el desplazamiento. Las
partículas redondas más lisas son menos resistentes al desplazamiento pero es
menos probable a que se trituren.
En suelos finos a causa de su génesis especial la forma de las partículas tienden
a ser aplastadas, por lo que las partículas minerales de las arcillas en su mayor
parte adoptan la forma laminar, como excepción algunos minerales tienen muy
baja esfericidad (típicamente < 0.001 mm), son finas, pero no necesariamente
muy alargadas; parecen hojas de papel en cuanto a sus dimensiones relativas.
Se forman por la meteorización mecánica o desintegración de la mica, pero las
partículas laminares más comunes son las de los minerales arcillosos.
Comparadas con los granos redondeados son flexibles y elásticas como las
hojas secas.
Durante años se creyó que el tamaño de las partículas era el factor determinante
en algunas propiedades mecánicas de los suelos concretamente en la
compresibilidad. Hoy se estima que la forma de las partículas juega un papel
mucho más preponderante en esta propiedad.
Se ha realizado un experimento clásico como prueba de lo dicho anteriormente,
consiste en llenar dos probetas de 1000 cc, una con arena y la otra con escamas
de mica, de tamaño análogo; aplicando presión a la arena con un pistón, la
compresión es tan pequeña que difícilmente es apreciable; sin embargo las
mismas presiones aplicadas a la mica pueden reducir volumétricamente hasta el
80%.
Estructuras de los Suelos.-
Los suelos gruesos o granulares están formados por partículas
equidimensionales (largo, ancho, alto).
Los suelos finos tienen partículas laminares.
GRAFICO – ESQUEMA
Estructura de los Suelos Gruesos.-
El peso propio es la fuerza mayor.
Las fuerzas de atracción o repulsión son insignificantes (magnéticas, eléctricas,
gravitacionales).
GRAFICO – ESQUEMA
La variedad de los tamaños de las partículas producen una estructura aún más
densa.
GRAFICO – ESQUEMA
Estructura de los Suelos Finos.-
El peso de las partículas es insignificante.
Las fuerzas de atracción y repulsión eléctrica son predominantes.
Las estructuras básicas que se presentan en los suelos son las siguientes:
- La estructura simple.
- La estructura panaloide.
- La estructura floculenta.
- La estructura compuesta.
- La estructura en forma de casino de naipes.
- La estructura dispersa.
Estructura Simple.-
Es aquella producida cuando las fuerzas debidas al campo gravitacional
terrestre son claramente predominantes en la disposición de las partículas y es
por lo tanto típica de los suelos de grano grueso (gravas y arenas limpias), de la
masa comparativamente importante. Las partículas se disponen apoyándose
directamente unas en otras y cada partícula posee varios puntos de apoyo.
Desde un punto de vista ingenieril, el comportamiento mecánico e hidráulico de
un suelo de estructura simple, queda definido principalmente por dos
características fundamentales:
• La compacidad o densidad.
• La orientación de sus partículas.
La Compacidad.-
Se refiere al grado de acomodo alcanzado por las partículas del suelo, dejando
más o menos vacios entre ellas. En un suelo muy compacto, las partículas que
las constituyen tienen un alto grado de acomodo y la compacidad de
deformación bajo carga del conjunto será pequeño.
En suelos poco compactos el grado de acomodo es menor; en ellos el volumen
de vacios y por ende la capacidad de deformación, serán mayores.
Para medir la compacidad de un suelo de estructura simple, Terzaghi introdujo
una relación empírica, determinable en laboratorio y campo, llamada
compacidad relativa Cr ó densidad relativa Dr, que se determina mediante la
siguiente expresión:
Cr% = ((emáx – enat) / (emáx – emin)) x100
Donde:
emáx = relación de vacios correspondiente al estado más suelto del suelo.
emin = relación de vacios correspondiente al estado más compacto del suelo.
enat = relación de vacios del suelo en su estado natural.
Cr% = ((γdmáx (γd – γdmin) / γd (γdmáx – γdmin)) x100
Donde:
γdmáx = peso específico seco correspondiente al suelo más compacto.
γdmin = peso específico seco correspondiente al suelo más suelto.
γd = peso específico seco correspondiente al suelo en su estado natural (in situ).
La Orientación de las Partículas.-
Es una propiedad que tiene fundamental importancia en la permeabilidad del
suelo, según que el flujo del agua sea normal o paralela a la dirección de
orientación de las partículas; el efecto aumenta notablemente si el suelo
contiene un porcentaje apreciable de partículas laminares.
Aún en arenas naturales de formas prácticamente equidimensionales el efecto
de la orientación sobre la permeabilidad es apreciable.
Estructura Panaloide.-
Esta estructura se considera típica en granos de pequeño tamaño 0.002 mm de
diámetro que se depositan en un medio continuo, normalmente agua y en
ocasiones aire.
La estructura panaloide bien puede corresponder a una situación en la que los
grumos forman agrupamientos particulares durante la sedimentación y el
conjunto de ellas llegan a formar una celda, con cantidad importante de vacios a
modo de un panal.
GRAFICO – ESQUEMA
Estructura Floculenta.-
Cuando en el proceso de sedimentación, dos partículas de diámetros menores
de 0.02 mm llegan a tocarse, se adhieren con fuerza y se sedimentan juntas, así
otras partículas pueden unirse al grupo, formando un grumo con una estructura
también similar a un panal.
Cuando éstos grumos llegan al fondo forman a su vez panales cuyas bóvedas
no están ya formadas por partículas individuales sino por grumos mencionados.
Este mecanismo produce una estructura muy blanda y suelta, con gran volumen
de vacios, llamada floculenta y a veces panaloide de orden superior.
Las partículas menores de 0.0002 mm ó 0.2 micras se consideran ya como
coloides; estas partículas pueden permanecer en suspensión indefinidamente,
pues en ellas el peso ejerce poca influencia en comparación a las fuerzas de
atracción molecular ejercidas por el propio agua.
GRAFICO – ESQUEMA
Estructura Compuesta.-
En la práctica raramente se presenta en forma aislada las estructuras anteriores,
pues la sedimentación comprende partículas de todos los tamaños y tipos, para
las que rigen las leyes de la naturaleza de modo diferente.
En estas formaciones se definen un esqueleto constituido por los granos
gruesos y por masas coloidales de floculos que proporcionan nexo entre ellas.
GRAFICO – ESQUEMA
Estructura en Forma de Castillo de Naipes.-
Llamada también floculada; es una estructura que tiene forma de un castillo de
naipes, formada por las partículas de forma laminar de los suelos.
GRAFICO – ESQUEMA
La plasticidad se da con respecto al agua adsorbida de cada partícula y la carga
bipolar del agua.
La cohesión esta dado por la presencia del agua, atracción de las partículas con
respecto al signo positivo y negativo.
Estructura Dispersa.-
Es cuando las partículas se separan y adoptan una posición tal como se muestra
en la figura:
GRAFICO – ESQUEMA
Minerales Constitutivos de los Suelos Gruesos.-
Un mineral es una sustancia inorgánica y natural, que tiene una estructura
interna característica determinada por un cierto arreglo específico de sus átomos
e iones. Su composición química y sus propiedades físicas o son fijas o varían
dentro de límites definidos.
En los suelos formados por partículas gruesas los minerales predominantes son:
Silicatos.-
Principalmente feldespatos (de potasio, sodio o calcio, micas, olivino, etc.).
Óxidos.-
Cuyos principales exponentes son el cuarzo, la limolita, la magnetita.
Carbonatos.-
Entre los que destacan la calcita, la dolomita.
Sulfatos.-
Cuyos principales componentes son el yeso, la anhidrita.
En los suelos gruesos el comportamiento mecánico e hidráulico esta
principalmente condicionado por su compacidad y por la orientación de sus
partículas, por lo que la constitución mineralógica es hasta cierto punto
secundaria.
Ello no debe interpretarse como un motivo para que el ingeniero se desentienda
de este tópico cuyo estudio puede ser muy informativo en más de un aspecto
práctico.
Minerales Constitutivos de las Arcillas.-
El Ing. Civil debe ponerse en guardia siempre que se encuentre arcillas en un
terreno destinado a cimentar una estructura.
La experiencia ha demostrado que en algunas circunstancias acontecen
fenómenos imprevisibles, por lo que se hace imprescindibles conocer los
minerales constituyentes de las arcillas.
Las arcillas están constituidas básicamente por silicatos de aluminio hidratado y
ocasionalmente silicatos de magnesio, hierro u otros metales también
hidratados. Estos minerales tienen casi siempre una estructura cristalina definida
cuyos átomos se disponen en láminas. Existen dos variedades de láminas, la
silícica y la alumínica.
La Lámina Silícica.-
Está formada por un átomo de silicio, rodeado de cuatro átomos de oxígeno,
disponiéndose el conjunto en forma de tetraedro. Estos tetraedros se agrupan en
unidades hexagonales, estas unidades se repiten indefinidamente constituyendo
una retícula laminar.
GRAFICO – ESQUEMA
La Lámina Alumínica.-
Está formado por retículas de octaedros, dispuestos con un átomo de aluminio al
centro y seis átomos de oxígeno alrededor; estas retículas también se repiten
indefinidamente constituyendo una retícula laminar de la siguiente forma:
GRAFICO – ESQUEMA
De acuerdo a la estructura reticular los minerales de arcilla se clasifican en tres
grandes grupos que son:
Las Caolinitas.-
Están conformadas por una lámina silícica y otra alumínica que se superponen
indefinidamente.
GRAFICO – ESQUEMA
La unión entre todas las retículas laminares es lo suficientemente firme para no
permitir la penetración de moléculas de agua entre ellas. En consecuencia las
arcillas caoliníticas son estables en presencia del agua, húmedas son
moderadamente plásticas y tienden a poseer un coeficiente de tensión interna
mayores que otras arcillas.
Las Montmorilonitas.-
Están formadas por una lámina alumínica entre dos silícicas, superponiéndose
indefinidamente. En este caso la unión entre las retículas del mineral es débil,
por lo que las moléculas de agua pueden introducirse en la estructura con
relativa facilidad.
GRAFICO – ESQUEMA
En consecuencia las arcillas montmoriloníticas especialmente en presencia del
agua, presentan fuerte tendencia a la inestabilidad, húmedas poseen una gran
plasticidad y un bajo coeficiente de fricción interna, en su proceso de desecación
tiene grandes contracciones y agrietamientos.
Estas características de dilatación es preocupante en ingeniería pues ocasiona
levantamientos del suelo de cimentación, pavimentos, losas, que se colocan
abiertamente sobre estos terrenos, etc.
Las arcillas llamadas bentonitas pertenecen a este grupo, originadas por la
descomposición química de cenizas volcánicas y presentan la expansividad
típica del grupo en forma particularmente aguda, lo que hace sumamente crítico
en su comportamiento mecánico. Se usa en construcción como lodo bentonítico
para estabilizar las excavaciones.
Las arcillas montmoriloníticas por otra parte en ocasiones ayuda al Ing. En la
resolución de ciertos problemas prácticos (para impedir fugas en depósitos y
canales).
Las Illitas.-
Están estructuradas análogamente que las montmorilonitas, pero su constitución
interna manifiesta tendencia a formar grumos de material que reducen el área
expuesta al agua por unidad de volumen, por ello su expansividad es menor que
las anteriores. En general las arcillas illiticas tienen propiedades internas
intermedias entre las caolinitas y las montmoriloníticas.
Las illitas se obtienen principalmente de la mucovita (mica) y las biotitas que a
menudo se le llama arcillas micáceas.
GRAFICO – ESQUEMA
Algunas Variantes.-
Si a la illita le cambiamos su lámina alumínica por una lámina de Mg, se
convierte en vermicurita.
GRAFICO – ESQUEMA
Físico Química de las Arcillas.-
La superficie de cada partícula del suelo carga eléctrica negativa, según se
desprende de la estructura iónica. La intensidad de la carga depende de la
estructuración y composición de la arcilla, así la partícula atrae a los iones
positivos del agua (H+) y a cationes de diferentes elementos químicos tales
como Na+, K+, Ca++, Mg++,Al+++, Fe+++. Lo anterior conduce en primer lugar
al hecho de que cada partícula individual de arcilla se ve rodeada de una capa
de moléculas de agua orientadas en forma definida y ligadas a su estructura
(agua adsorbida).
Las moléculas de agua son polarizadas, es decir en ellas no coinciden los
centros de gravedad de sus cargas positivas y negativas, sino que funciona
como pequeños dipolos permanentes; al ligarse a la partícula por su carga
positiva el polo de agua negativa queda en posibilidad de actuar como origen de
atracción para otros cationes positivos. Los propios cationes atraen moléculas
de agua gracias a la naturaleza polarizada de éstas, de modo que cada catión
esta en posibilidad de poseer un volumen de agua en torno a él.
GRAFICO – ESQUEMA
Intercambio Catiónico.-
Los cristales de arcilla pueden cambiar los cationes adsorbidos en su película
superficial.
Las caolinitas son menos susceptibles de intercambiar sus cationes que las
montmorilonitas y las illitas poseen esta propiedad en grado intermedio.
Las propiedades mecánicas de una arcilla pueden cambiar al variar los cationes
contenidos en su capa de adsorción, pues a diferentes cationes ligados
corresponden distintos espesores de película adsorbida, lo que se refleja sobre
todas en las propiedades de plasticidad y resistencia del suelo. Por esta razón el
intercambio catiónico forzado se ha usado y se usa para tratar suelos con fines
de mejorar su comportamiento mecánico (estabilización).
Identificación de Minerales Constitutivos de las Arcillas.-
Existen varios procedimientos al alcance del investigador a fin de identificar los
minerales constituyentes de una arcilla.
El método de investigación por rayos X y el conocido como balance técnico de
las arcillas son las más conocidas.
Las observaciones practicadas mediante el microscopio electrónico suministran
datos sólo en lo referente a forma y tamaño de partículas minerales.
El análisis químico es útil, pero da la composición integral de la arcilla y no
informa sobre cómo se distribuye sus componentes, inclusive en arcillas
formadas por un solo mineral, la composición de este puede tener variaciones
importantes, por lo que los métodos químicos pueden ser de conclusiones
inseguras.
Exploración y Muestreo de Suelos.-
La muestra es el conjunto de elementos de suelo que se eligen para el estudio
de una masa superior.
El espécimen es cada uno de los elementos a ensayar.
Características de la Muestra.-
Debe ser representativa (conformados por elementos similares al resto del suelo
y en la misma proporción).
La representatividad es muy baja en mecánica de suelos generalmente menor al
1%.
Debe conservar características del estrato al que representa.
Igual proporción de partículas de diversos tamaños.
Conservar la estructura interna, porque de ella depende la densidad, resistencia
y deformabilidad.
Tipos de Exploración.-
Calicatas, pozos o zanjas son excavaciones.
GRAFICO – ESQUEMA
Perforaciones mediante cucharas perforadas.
GRAFICO – ESQUEMA
Perforación por lavado (wash boring).
GRAFICO – ESQUEMA
SPT (Estándar Penetration Test).-
Consiste en hincar un pedazo de tubo en el suelo pero con una energía estándar
(normalizada).
GRAFICO – ESQUEMA
El procedimiento consiste en contar el número de golpes necesarios para hincar
30 cm de la cuchara en suelo virgen.
En la práctica se hinca los 60 cm contando el número de golpes cada 15 cm y se
considera el NSPT igual al número de golpes de los 30 cm centrales.
Ensayos de Penetración Dinámica.-
Se hinca una punta en forma de plomada, no se saca muestra alguna, se trata
de contar el número de golpes necesarios para hincar una varilla con punta cada
30 cm ó cada 10 cm (según el equipo).
Cono de Peck.-
SPT + punta de ½” a 90°
GRAFICO – ESQUEMA
Penetrómetro Dinámico de Cono: PDC
Usa una masa de 8 Kg; tiene una altura de caída de 50 cm; la punta es de 2 cm
de diámetro; el ángulo es de 60° y la varilla es de 5/8”; se cuenta cada 10 cm el
número de golpes.
GRAFICO – ESQUEMA
Métodos Geofísicos.-
Resistividad Eléctrica.-
GRAFICO – ESQUEMA
Refracción Sísmica.-
GRAFICO – ESQUEMA
Radar Terrestre.-
Es la enviación de ondas sub sonoras al suelo.
Tipos de Muestreo.-
La muestra debe ser sacada de cada estrato.
La muestra alterada de bolsa (Mab) sólo contiene material representativo, no
presenta la humedad, no presenta su estructura.
La muestra de lata (Maw), el material es representativo, si preserva la humedad
pero no representa la estructura.
La muestra inalterada de bloque (Mib) preserva todo, es un bloque tallado, es
revestido con plástico, tela, parafina, se introduce en una caja con aserrín y va
en una caja de madera, se marca la cara superior.
La muestra inalterada de tubo (Mit), el tubo debe ser de pared delgada y borde
fino, hincada a presión rápida o a un solo golpe (tubo shelby). Diámetro del tubo
de 2” a 4”.
GRAFICO – ESQUEMA
Preparación de Especímenes.-
Depende del ensayo que se va a tener.
Para muestras alteradas se debe mantener su composición, se debe tener en
cuenta las técnicas del cuarteo.
GRAFICO – ESQUEMA
Para ensayos de resistencia o de deformabilidad, se debe simular el fenómeno
de campo.
a.- Material de Fundación.-
La muestra debe ser inalterada, se debe tallar el espécimen.
GRAFICO – ESQUEMA
b.- Para presas y Pavimentos.-
Se debe moldear el espécimen compactado, con igual energía y con igual
humedad. Se usa en obras en el cual el suelo va compactado. La muestra es
inalterada, luego es compactada y posteriormente se saca la muestra moldeada.
c.- En Suelos Granulares sin Finos.-
Se debe reconstituir a una densidad deseada generalmente de campo. En
campo se mide la densidad del suelo.
GRAFICO – ESQUEMA
γ = W/v
Del molde se conoce el volumen que va a tener la muestra.
Donde: v del molde y γ del campo entonces W = γv
Se debe llenar el molde densificado en varios intentos hasta que el peso W entre
en el volumen v exactamente.
GRAFICO – ESQUEMA
La densificación puede ser por golpes interno o externo y por vibración también
interna o externa.
d.- La Saturación.-
Es para poner al suelo en condiciones críticas.
Se produce por inmersión prolongada, la muestra debe estar dentro del molde.
Las muestras pequeñas por un día y las muestras grandes por 3 ó 4 días.
Las muestras granulares se saturan en horas y las muestras de material fino en
mayor tiempo (días).
e.- Por Flujo Interior.-
Es siempre de abajo hacia arriba, se debe evitar el exceso de presión porque
provoca erosión interna o socavación.
GRAFICO – ESQUEMA
Fases del Suelo.-
GRAFICO – ESQUEMA
Fase Sólida.-
- Formada por rocas.
- Es más resistente que el conjunto llamado suelo.
- Es más o menos indeformable.
- Es incompresible.
- Es más pesado.
Fase Líquida.-
- Formada por el agua.
- Es incompresible.
- Es transitoria, puede entrar mayor o menor cantidad de agua.
- Su peso específico es igual a uno.
- El agua libre o gravitacional que circula por gravedad es eliminado por
escurrimiento, se encuentra en espacios vacíos grandes.
- El agua capilar se puede eliminar por presión o succión, se encuentran en
espacios vacíos pequeños.
- El agua adherida es la que moja la superficie de las partículas sólidas, se
reconoce porque la superficie brilla, se elimina secando con un paño.
- El agua absorbida ocupa los poros del mineral, dicha agua se seca al aire,
en hornos.
- El agua molecular se elimina cocinando al horno.
- El agua de composición química se elimina mediante alteraciones
químicas.
Fase Gaseosa.-
- Esta compuesta por aire y otros gases.
- El aire no pesa.
- El aire es muy compresible.
- El aire fluye muy fácilmente.
Esquema de Fases.-
v s w a s w s a s
t t t t
v v v
suelo en general suelo húmedo suelo saturado suelo seco
Su representación es de la siguiente forma:
Forma real
Concepción bifásica Concepción trifásica
Solidos
Vacios
v
s
a
w
s
Forma idealizada
Medición de Fases.-
Se realiza mediante los pesos y volúmenes.
a
w
s
Wa = 0
Ww
Ws
Va
Vw
Vs
Wt
Vv
Vs
Vt
Donde:
Vt = volumen total de la muestra de suelo (volumen de masa)
Vv = volumen de vacios de la muestra de suelo (volumen de vacios)
Vs = volumen de fase solida de la muestra (volumen de sólidos)
Va = volumen de la fase gaseosa de la muestra (volumen de aire)
Vw = volumen de la fase líquida contenida en la muestra (volumen de agua)
Wt = peso total de la muestra de suelo
Wa = peso de la fase gaseosa de la muestra, considerado cero en mecánica de
suelos
Ww = peso de la fase líquida de la muestra (peso del agua)
Ws = peso de la fase sólida de la muestra de suelo (peso de sólidos)
Relaciones Básicas.-
Wa = 0
Wt = Ww + Ws
Vv = Va + Vw
Vt = Vv + Vs
Vt = Va + Vw + Vs
Propiedades Físicas.-.
Relaciones Volumétricas.-
Dichas relaciones volumétricas son tres:
1.- Relación de Vacíos: e
e = Vv/Vs x 100
Teóricamente varía de cero al infinito.
En la práctica:
0.25 ≤ e ≤ 1.5
Arenas de 0.25 a 0.45
Arcillas de 0.35 a 1.50; excepcionalmente hasta 6-7 (se dan en suelos lateríticos
y turbas).
Si e = alto; son suelos malos, poco resistentes, muy deformables, fácilmente
erosionables.
2.- Porosidad: n
n = Vv/Vt
Teóricamente varía de 0 a 1.
En la práctica son distintos:
Si n = 1 entonces Vv = Vt entonces Vs = 0 así: e = Vv/0 = infinito
Si n = 0 entonces Vv = 0 entonces Vt = Vs así: e = 0/Vs = 0
3.- Grado de Saturación: Sr
Sr = Vw/Vv x 100
Teóricamente varía de 0 a 1; así como en la práctica.
Relaciones Gravimétricas.-
Es la relación de pesos y masas.
1.- Humedad: ω
ω = Ww/Ws x 100
Sus valores van de 0 al infinito.
En la práctica humedades mayores a 1 son raras; excepcionalmente hay
humedades de 7, 8 y 9.
Relación de Pesos y Volúmenes.-
1.- Densidad: ρ
ρ = M/V
2.- Peso Específico: γ
γ = W/V
3.- Peso Específico Total: γt
γt = Wt/Vt
4.- Peso Específico de Sólidos: γs
γs = Ws/Vs
5.- Peso Específico del Agua: γw
γw = Ww/Vw = 1
6.- Peso Específico Húmedo: γhum
γhum = Wt/Vt = (Ws + Ww) / Vt
7.- Peso Específico Seco: γd
γd = Wt/Vt = Ws/Vt
8.- Peso Específico Saturado: γsat
γsat = Wt/Vt = (Ww + Ws) / Vt = (Vw + Ws) / Vt = (Vv + Ws) / Vt
9.- Peso Específico Relativo: γr
γr = γs/γw
Las unidades del peso específico son:
gr/cm3; Tn/m3; kg/m3; lb/pie3; KN/m3; 1kg = 9.807 N
γnat = γhum = γt = de 1.4 a 2
γsat = de 1.9 a 2.15
γd = de 1.2 a 1.7
γsuelos orgánicos < 1
γs:
- Suelos granulares (arenas o gravas): de 2.6 a 2.65
- Suelos arcillosos: de 2.68 a 2.72
- Suelos orgánicos < 1
10.- Peso Específico Sumergido: γ’
W’t = Wt – Vt.γw
γ’ = W’t/Vt = (Wt – Vt.γw) / Vt = γt = γw
γ’ = γt - 1
γ’ = γsat - 1
11.- Humedad de Saturación: ωsat
ωsat = Ww/Ws = Vv.γw/Ws
ωsat = Vv/Ws
Relaciones entre Propiedades.-
1.- γd = f(γt,ω)
γd = γt / (1 + ω)
2.- e = f(n)
e = n / (1 – n)
3.- γd = f(γs,e)
γd = γs / (1 + e)
4.- γs = f(γt, ω, e)
γs = γt(1 + e) / (1 + ω)
5.- Sr = f(ω, γs, e)
Sr = ω.γs/e
6.- ωsat = f(γs,e)
ωsat = e/γs
7.- γsat = f(γs,e)
γsat = (e + γs) / (e + 1)
8.- n = f(e)
n = e / (e + 1)
Problemas.-
1.- Una muestra de suelo pesa 115 gr en estado natural y 90 gr cuando esta
seca. Calcular su humedad.
Datos:
Wt = 115 gr
Wd = Ws = 90 gr
ω = ?
Solución:
Wt = Ww + Ws
Ww = Wt – Ws
Ww = 115 – 90
Ww = 25 gr
ω = Ww/Ws x 100
ω = 25/90 x 100
ω = 27.78 %
2.- En laboratorio:
Peso muestra húmeda + cápsula = 175 gr
Peso muestra seca + cápsula = 137 gr
Peso cápsula vacía = 27 gr
Ww = Wmh+c – Wmd-c = 175 – 137 = 38 gr
Wd = Ws = Wmd+c – Wc = 137 – 27 = 110 gr
ω = Ww/Ws x 100
ω = 38/110 x 100
ω = 34.55 %
3.- La relación de vacíos de un suelo es de 0.47; calcular su porosidad.
Datos:
e = 0.47
n = ?
Solución:
e = Vv / Vs
Vv = 0.47Vs
Vt = Vv + Vs
Vt = 0.47Vs + Vs
Vt = 1.47Vs
n = Vv / Vt
n = 0.47Vs / 1.47Vs
n = 0.32
4.- Un suelo húmedo pesa 20.40 kg y tiene un volumen de 12200 cm3, cuando
el suelo se secó durante 24 hr pesó 18.20 kg, siendo el peso específico relativo
de 2.67. Calcular el peso específico, la relación de vacíos, la porosidad y el
grado de saturación.
Datos:
Wt = 20.40 kg
Vt = 12200 cm3
Wd = Ws = 18.20 kg
γr = 2.67
γt = ?
e = ?
n = ?
ω = ?
Sr = ?
Solución:
Wt = Ww + Ws
Ww = Wt – Ws
Ww = 20.40 – 18.20
Ww = 2.20 kg
γr = γs / γw
γs = γw.γr i γw = 1 gr/cm3
γs = 2.67 gr/cm3
γs = Ws / Vs
Vs = Ws / γs
Vs = (18.20 x 1000) / 2.67
Vs = 6816.48 cm3
Sabemos que:
Ww = Vw
Vw = 2.20 x 1000
Vw = 2200 cm3
Vt = Vv + Vs
Vv = Vt – Vs
Vv = 12200 – 6816.48
Vv = 5383.52 cm3
Vv = Va + Vw
Va = Vv –Vw
Va = 5383.52 – 2200
Va = 3183.52 cm3
γt = Wt / Vt entonces γt = (20.40 x 1000) / 12200 entonces γt = 1.67
gr/cm3
e = Vv / Vs entonces e = (5383.52/6816.48) x 100 entonces e = 78.98 %
n = Vv / Vt entonces n = 5383.52 / 12200 entonces n = 0.44
ω = Ww / Ws x 100 entonces ω = (2.20/18.20) x 100 entonces ω = 12.09
%
Sr = Vw / Vv x 100 entonces Sr = (2200 / 5383.52) x 100 entonces Sr =
40.87 %
5.- Un terraplen de vía se construye con relleno de arcilla compactada a una
densidad aparente de 2.05 gr/cm3, con un contenido de humedad de 24 %, la
gravedad específica 2.70. Calcular la porosidad, la relación de vacíos, el grado
de saturación y la densidad seca.
Datos:
ω = 24 %
Gs = ρ / ρw = 2.05 gr/cm3
γr = 2.70
n = ?
e = ?
Sr = ?
ρs = ?
Solución:
γr = γs / γw i γw = 1 gr/cm3
γs = γr.γw entonces γs = 2.70 gr/cm3
γs = Ws / Vs si Vs = 1 cm3 entonces Ws = γs.Vs
Ws = 2.70 x 1 entonces Ws = 2.70 gr
ω = Ww / Ws = 0.24 entonces Ww = 0.24Ws
Ww = 0.24 x 2.70 entonces Ww = 0.648 gr
Wt = Ww + Ws entonces Wt = 0.648 + 2.70 entonces Wt = 3.348 gr
Sabemos que:
Ww = Vw entonces Vw = 0.648 cm3
ρ / ρw = 2.05 entonces (Wt/Vt) / ρw = 2.05 entonces Wt / Vt = 2.05
Vt = Wt / 2.05 entonces Vt = 3.348 / 2.05 entonces Vt = 1.63 cm3
Vt = Vv + Vs entonces Vv = Vt – Vs entonces Vv = 1.63 – 1
Vv = 0.63 cm3
n = Vv / Vt entonces n = 0.63 / 1.63 entonces n = 0.39
e = Vv / Vs x 100 entonces e = (0.63 / 1) x 100 entonces e = 63 %
Sr = Vw / Vv x 100 entonces Sr = (0.648/0.63) x 100 entonces Sr =
102.86 %
ρs = (Gs/(1 + e)) x ρw entonces ρs = (2.05 / (1 + 0.63)) x 1
ρs = 1.26 gr/cm3
6.- Calcular la relación de vacíos de una muestra si se conoce que pesó 185 gr
cuando contenía 25 % de humedad y 215 gr al estar saturada. Asumir γs = 2.70
gr/cm3.
Datos:
Wt = 185 gr Wt = 215 gr γs = 2.70 gr/cm3
ω = 25 % Sr = 100 % e = ?
Solución:
Wt = Ww + Ws
ω = Ww / Ws entonces Ww = ω.Ws
Wt = ω.Ws + Ws entonces Wt = Ws(1 + ω) entonces Ws = Wt / (1 + ω)
Ws = 185 / (1 + 0.25) entonces Ws = 148 gr
γs = Ws / Vs entonces Vs = Ws / γs entonces Vs = 148 / 2.70 entonces
Vs = 54.81 cm3
Wt = Ww + Ws entonces Ww = Wt – Ws entonces Ww = 215 – 148
Ww = 67 gr
Como: Ww = Vw entonces Vw = 67 cm3 = Vv
e = Vv / Vs entonces e = 67 / 54.81 entonces e = 1.22
7.- Calcular el peso específico seco, la relación de vacíos, la porosidad, el peso
específico saturado y la humedad de saturación de un suelo cuyo peso
específico es 1.97 gr/cm3, tiene una humedad del 12 % y un peso específico de
sólidos igual a 2.68 gr/cm3.
Datos:
γt = 1.97 gr/cm3
ω = 12 %
γs = 2.68 gr/cm3
γd = ?
e = ?
n = ?
γsat = ?
ωsat = ?
Sr = ?
Solución:
Asumimos: Vt = 1 cm3
a
w
s
Vt = 1 cm3
γt = Wt / Vt entonces Wt = γt.Vt entonces Wt = 1.97 x 1 = 1.97 gr
ω = Ww / Ws entonces Ww = ω.Ws
Wt = Ww + Ws entonces Wt = ω.Ws + Ws entonces Wt = Ws(ω + 1)
Ws = Wt / (1 + ω) entonces Ws = 1.97 / (1 + 0.12) entonces Ws = 1.76 gr
Wt = Ww + Ws entonces Ww = Wt – Ws entonces Ww = 1.97 – 1.76
Ww = 0.21 gr
γs = Ws / Vs entonces Vs = Ws / γs entonces Vs = 1.76 / 2.68
Vs = 0.66 cm3
Vt = Vv + Vs entonces Vv = Vt – Vs entonces Vv = 1 – 0.66
Vv = 0.34 cm3
γd = Wt / Vt = Ws / Vt entonces γd = 1.76 / 1 entonces γd = 1.76 gr/cm3
e = Vv / Vs entonces e = 0.34 / 0.66 entonces e = 0.52
n = Vv / Vt entonces n = 0.34 / 1 entonces n = 0.34
Sr = Vw / Vv entonces Sr = 0.21 / 0.34 entonces Sr = 0.62
γsat = (Ws + Vv) / Vt entonces γsat = (1.76 + 0.34) / 1 entonces γsat =
2.10 gr/cm3
ωsat = Vv / Ws entonces ωsat = 0.34 / 1.76 entonces ωsat = 0.19
8.- Un volumen de arcilla de 105 cm3 pesa 143 gr en un estado no perturbado,
cuando se seca el espécimen pesa 111.30 gr. Cual es el contenido natural de
agua de la arcilla y cual es su grado de saturación.
Datos:
Vt = 105 cm3 Wt = 143 gr Ws = Wd = 111.30 gr
γr = 2.68 ω = ? Sr = ?
Solución:
γr = γs / γw i γw = 1 gr/cm3
γs = 2.68 gr/cm3
γs = Ws / Vs entonces Vs = Ws / γs entonces Vs = 111.30 / 2.68
Vs = 41.53 cm3
Vt = Vv + Vs entonces Vv = Vt – Vs entonces Vv = 105 – 41.53
Vv = 63.47 cm3
Wt = Ww + Ws entonces Ww = Wt – Ws entonces Ww = 143 – 111.30
Ww = 31.70 gr
Sabemos que: Ww = Vw entonces Vw = 31.70 cm3
ω = Ww / Ws entonces ω = 31.70 / 111.30 entonces ω = 0.28
Sr = Vw / Vv entonces Sr = 31.70 / 63.47 entonces Sr = 0.50
9.- Un espécimen cúbico de 6 cm de lado pesa 380 gr cuando su humedad es
del 12 %. Determinar la relación de vacíos, la porosidad, el grado de saturación,
el peso específico seco, el peso específico saturado, el peso específico húmedo,
el peso específico total, el peso específico sumergido, la humedad de
saturación. Asumir un peso específico de sólidos igual a 2.62 gr/cm3.
Datos:
Wt = 380 gr ω = 12 % L = 6 cm e = ?
n = ? Sr = ? γd = ? γsat = ?
γhum = ? γt = ? γ’ = ? ωsat = ?
γs = 2.62 gr/cm3
Solución:
Vt = L x L x L entonces Vt = 6 x 6 x 6 entonces Vt = 216 cm3
ω = Ww / Ws = 0.12 entonces Ws = Ww / 0.12 ……….(1)
Wt = Ww + Ws entonces Ws = Wt – Ww ……….(2)
Igualando (1) con (2):
Ww / 0.12 = Wt – Ww entonces Ww / 0.12 + Ww = Wt
Ww + 0.12Ww = 0.12Wt entonces 1.12Ww = 0.12Wt
Ww = 0.12Wt / 1.12 entonces Ww = (0.12 x 380) / 1.12
Ww = 40.71 gr
En (2):
Ws = 380 – 40.71 entonces Ws = 339.29 gr
γs = Ws / Vs entonces Vs = Ws / γs entonces Vs = 339.29 / 2.62
Vs = 129.50 cm3
Vt = Vv + Vs entonces Vv = Vt – Vs entonces Vv = 216 – 129.50
Vv = 86.50 cm3
Como Ww = Vw entonces Vw = 40.71 cm3
e = Vv / Vs entonces e = 86.50 / 129.50 entonces e = 0.67
n = Vv / Vt entonces n = 86.50 / 216 entonces n = 0.40
Sr = Vw / Vv entonces Sr = 40.71 / 86.50 entonces Sr = 0.47
γt = Wt / Vt entonces γt = 380 / 216 entonces γt = 1.76 gr7cm3
γd = Ws / Vt entonces γd = 339.29 / 216 entonces γd = 1.57 gr/cm3
γsat = (Vv + Ws) / Vt entonces γsat = (86.50 + 339.29) / 216
γsat = 1.97 gr/cm3
γhum = (Ws + Ww) / Vt entonces γhum = (339.29 + 40.71) / 216
γhum = 1.76 gr/cm3
γ’ = γsat – 1 entonces γ’ = 1.97 – 1 entonces γ’ = 0.97 gr/cm3
ωsat = Vv / Ws entonces ωsat = 86.50 / 339.29 entonces ωsat = 0.25
10.- Sabiendo que el peso específico de sólidos de un suelo es de 2.65 y que su
porosidad es de 0.44, calcular la humedad de saturación.
Datos:
γs = 2.65 gr/cm3
n = 0.44
ωsat = ?
Solución:
ωsat = Vv / Ws ………. (1)
γs = Ws / Vs entonces Ws = γs.Vs
e = Vv / Vs entonces Vv = e.Vs i e = n / (1 + n)
reemplazando valores en (1):
ωsat = e.Vs / γs.Vs; de e = n / (1 + n) entonces e = 0.44 / (1 + 0.44)
e = 0.7857
ωsat = 0.7857 / 2.65 entonces ωsat = 0.296
11.- Determinar le humedad de saturación de un suelo cuyo peso específico total
es de 1.65 gr/cm3 cuando tiene un grado de saturación de 80 % y una relación
de vacíos de 1.42
Datos:
e = 1.42
Sr = 80 %
γt = 1.65 gr/cm3
ωsat = ?
γs = ?
Solución:
Asumimos que Vt = 1 cm3
γt = Wt / Vt entonces Wt = γt.Vt entonces Wt = 1.65 gr
e = Vv / Vs entonces Vv = e.Vs
Vt = Vv + Vs entonces Vt = e.Vs + Vs entonces Vt = Vs(e + 1)
Vs = Vt / (1 + e) entonces Vs = 1 / (1 + 1.42) entonces Vs = 0.41 cm3
Vt = Vv + Vs entonces Vv = Vt – Vs entonces Vv = 1 – 0.41
Vv = 0.59 cm3
Sr = Vw / Vv entonces Vw = Sr.Vv entonces Vw = 0.80 x 0.59
Vw = 0.47 cm3
Sabemos que: Vw = Ww entonces Ww = 0.47 gr
Wt = Ww + Ws entonces Ws = Wt - Ww entonces Ws = 1.65 – 0.47
Ws = 1.18 gr
ωsat = Vv / Ws entonces ωsat = 0.59 / 1.18 entonces ωsat = 0.50
γs = Ws / Vs entonces γs = 1.18 / 0.41 entonces γs = 2.88 gr/cm3
12.- Una base de pavimento tiene una capa de suelo de 20 cm de espesor con 8
% de humedad y con una relación de vacíos de 0.50; se desea incrementar la
humedad de esta capa hasta un 15 %, mezclándola con una cantidad del mismo
suelo que tiene una humedad de 20 % considerando el peso específico de
sólidos de 2700 kg/m3. Calcular la cantidad en peso del suelo más húmedo que
hay que añadir por metro cuadrado.
Datos:
Espesor = 0.20 m
ω = 8 %
γs = 2700 kg/m3
e = 0.50
Solución:
Suelo A:
Vt = espesor x L x L i L = 1 m
Vt = 0.20 m3
e = Vv / Vs entonces Vv = e.Vs
Vt = Vv + Vs entonces Vt = e.Vs + Vs
Vt = Vs(e + 1) entonces Vs = Vt / (1 + e)
Vs = 0.20 / (1 + 0.50) entonces Vs = 0.13 m3
γs = Ws / Vs entonces Ws = γs.Vs entonces Ws = 2700 x 0.13
Ws = 351 kg
ω = Ww / Ws entonces Ww = ω.Ws entonces Ww = 0.08 x 351
Ww = 28.08 kg
Suelo mezclado:
ω = 15 %
Ws = WsA + WsB
ω = Ww / Ws entonces Ww = ω.Ws entonces Ww = ω(WsA + WsB)
Ww = 0.15(351 + WsB) ……….(1)
Ww = WwA + WwB entonces Ww = 28.08 + WsB.WB
Ww = 28.08 + 0.20WsB ………. (2)
Igualando (1) con (2):
0.15(351 + WsB) = 28.08 + 0.20WsB entonces WsB = 491.40 kg
Suelo a añadir:
WtB = WsB(1 + W) entonces WtB = 491.40(1 + 0.20)
WtB = 589.68 kg
13.- Una arena sobre el nivel freático tiene un contenido de humedad del 15 % y
un peso específico absoluto de la masa de 1.60 gr/cm3, su peso específico
relativo de los sólidos es de 2.67. En el laboratorio se determinó que su relación
de vacíos para el estado más suelto es de 1.20 y para el estado más denso es
de 0.60. Calcular el grado de saturación y la compacidad relativa.
Datos:
ω = 15 % γm = γt = 1.60 gr/cm3 γr = 2.67
emáx = 1.20 emín = 0.60 Sr = ?
Cr = ?
Solución:
Sabemos que:
Sr = Vw / Vv x 100 i Cr = ((emáx – enat)/(emáx – emín)) x 100
γr = γs / γw i γw = 1 entonces γs = 2.67 gr/cm3
γs = Ws / Vs hacemos que Vs = 1 entonces Ws = 2.67 gr
ω = Ww / Ws = 0.15 entonces Ww = 0.15Ws
Ww = 0.15 x 2.67 entonces Ww = 0.40 gr entonces Vw = 0.40 cm3
γm = Wt = Vt = 1.60 entonces Vt = Wt / γm i Wt = Ww + Ws
Vt = (0.40 + 2.67) / 1.60 entonces Vt = 1.92 cm3
Vt = Vv + Vs entonces Vv = Vt – Vs entonces Vv = 1.92 – 1
Vv = 0.92 cm3
Reemplazando valores tenemos:
Sr = 0.40 / 0.92 x 100 entonces Sr = 43.48 %
e = enat = Vv / Vs entonces enat = 0.92 / 1 entonces enat = 0.92
Cr = ((1.20 – 0.92)/(1.20 – 0.60)) x 100 entonces Cr = 46.67 %
14.- Una muestra de arena se tomó de un depósito eólico utilizando un
muestreador cilíndrico con las siguientes dimensiones y datos:
Volumen del cilindro = 382 cm3
Peso de la muestra natural = 707 gr
Peso de la muestra seca = 664 gr
Volumen de la muestra compacta = 334 cm3
Volumen de la muestra suelta = 493 cm3
El peso específico relativo de los sólidos obtenidos en laboratorio es de 2.62
Determinar la compacidad relativa del depósito.
Solución:
γr = γs / γw i γw = 1 gr/cm3 entonces γs = 2.62 gr/cm3
γs = Ws / Vs entonces Vs = Ws / γs entonces Vs = 664 / 2.62
Vs = 253.44 cm3
e = Vv / Vs i Vv = Vcil – Vs entonces Vv = 382 – 253.44
Vv = 128.56 cm3
e = 128.56 / 253.44 entonces e = enat = 0.51
emáx = Vvmáx / Vs i Vvmáx = Vsuelto – Vs entonces Vvmáx = 493 –
253.44
Vvmáx = 239.56 cm3
emáx = 239.56 / 253.44 entonces emáx = 0.95
emín = Vvmín / Vs i Vvmín = Vcompactado – Vs
Vvmín = 334 – 253.44 entonces Vvmín = 80.56 cm3
emín = 80.56 / 253.44 entonces emín = 0.32
Así: Cr = ((0.95 – 0.51)/(0.95 – 0.32)) x 100 entonces Cr = 69.84 %
15.- Calcular el peso específico relativo de los sólidos y la densidad relativa de
una muestra de suelo que en el estado natural tiene una proporción de vacíos de
0.70. Además se han obtenido en el laboratorio los siguientes datos:
En el estado más denso y seco: 580 cm3 y 980 gr
En el estado más flojo y seco: 750 cm3 y 960 gr
Usando un frasco volumétrico se obtuvo que el peso del agua más el frasco es
de 408.20 gr.
El peso del agua más el frasco más 20 gr de suelo seco: 420.70 gr
Datos:
γr = ?
Cr = ?
e = Vv / Vs = 0.70
Solución:
γr = γs / γw entonces γr = γs con γw = 1 gr/cm3
γs = 20 / (Wwf + Ws – Wwfs)
γs = 20 / (408.20 + 20 – 420.70) entonces γs = 2.67
Por lo tanto: γr = 2.67
Cr = γmáx/γnat x ((γnat – γmín)/(γmáx – γmín)) x 100
γnat = Ws / Vt entonces γnat = Ws / (Vv + Vs)
γs = Ws / Vs entonces Vs = Ws / γs entonces Vs = 20 / 2.67
Vs = 7.49 cm3
e = Vv / Vs = 0.70 entonces Vv = 0.70Vs entonces Vv = 0.70 x 7.49
Vv = 5.24 cm3
γnat = 20 / (5.24 + 7.49) entonces γnat = 1.57 gr/cm3
γmáx = Ws / Vt entonces γmáx = 980 / 580 entonces γmáx = 1.69 gr/cm3
γmín = Ws / Vt entonces γmín = 960 / 750 entonces γmín = 1.28 gr/cm3
Cr = 1.69 / 1.57 x ((1.57 – 1.28)/(1.69 – 1.28)) x 100
Cr = 76.14 %
16.- Una muestra de arcilla saturada pesa 1526 gr y 1053 después de secada al
horno. Calcule su porcentaje de humedad considerando un peso específico de
sólidos de 2.7 gr/cm3, calcule también la relación de vacios, la porosidad y el
peso específico total.
Datos:
Peso saturado de la arcilla = 1526 gr OJO AL PIOJO
Peso seco de la arcilla = 1053 gr
ω% = ?
γs = 2.7 gr/cm3
e = ?
n = ?
γt = ?
Solución:
Construiremos el esquema para suelos saturados, hallando los respectivos
valores para los pesos y volúmenes, a partir de los datos dados en el problema.
473
1053
473
390
1526863
Fase liquida
Fase sólida
Volumenes cm3 Pesos gr
Como γs = 2.7 gr/cm3 = Ws / Vs
Entonces Vs = Ws / γs = 1053 / 2.70 = 390 cm3
Ww = 1526 – 1053 = 473 gr
Por lo tanto: Vw = 473 cm3
Vt = Vw + Vs = 473 + 390 = 863 cm3
Del esquema y aplicando las correspondientes definiciones, obtenemos:
ω% = Vw / Ws = 473 / 390 = 0.45x100 = 45%
e = Vv / Vs = 473 / 390 = 1.21
n = e / (1+e) = 1.21 / (1+1.21) = 0.55
γt = Wt / Vt = 1526 / 863 = 1.77 gr/cm3
tonces γr = γs con γw = 1 gr/cm3
γs = 20 / (Wwf + Ws – Wwfs)
γs = 20 / (408.20 + 20 – 420.70) entonces γs = 2.67
Por lo tanto: γr = 2.67
Cr = γmáx/γnat x ((γnat – γmín)/(γmáx – γmín)) x 100
γnat = Ws / Vt entonces γnat = Ws / (Vv + Vs)
γs = Ws / Vs entonces Vs = Ws / γs entonces Vs = 20 / 2.67
Vs = 7.49 cm3
e = Vv / Vs = 0.70 entonces Vv = 0.70Vs entonces Vv = 0.70 x 7.49
Vv = 5.24 cm3
γnat = 20 / (5.24 + 7.49) entonces γnat = 1.57 gr/cm3
γmáx = Ws / Vt entonces γmáx = 980 / 580 entonces γmáx = 1.69 gr/cm3
γmín = Ws / Vt entonces γmín = 960 / 750 entonces γmín = 1.28 gr/cm3
Cr = 1.69 / 1.57 x ((1.57 – 1.28)/(1.69 – 1.28)) x 100
Cr = 76.14 %
15.- Calcular el peso específico relativo de los sólidos y la densidad relativa de
una muestra de suelo que en el estado natural tiene una proporción de vacíos de
0.70. Además se han obtenido en el laboratorio los siguientes datos:
En el estado más denso y seco: 580 cm3 y 980 gr
En el estado más flojo y seco: 750 cm3 y 960 gr
Usando un frasco volumétrico se obtuvo que el peso del agua más el frasco es
de 408.20 gr.
El peso del agua más el frasco más 20 gr de suelo seco: 420.70 gr
Datos:
γr = ?
Cr = ?
e = Vv / Vs = 0.70
Solución:
γr = γs / γw entonces γr = γs con γw = 1 gr/cm3
γs = 20 / (Wwf + Ws – Wwfs)
γs = 20 / (408.20 + 20 – 420.70) entonces γs = 2.67
Por lo tanto: γr = 2.67
Cr = γmáx/γnat x ((γnat – γmín)/(γmáx – γmín)) x 100
γnat = Ws / Vt entonces γnat = Ws / (Vv + Vs)
γs = Ws / Vs entonces Vs = Ws / γs entonces Vs = 20 / 2.67
Vs = 7.49 cm3
e = Vv / Vs = 0.70 entonces Vv = 0.70Vs entonces Vv = 0.70 x 7.49
Vv = 5.24 cm3
γnat = 20 / (5.24 + 7.49) entonces γnat = 1.57 gr/cm3
γmáx = Ws / Vt entonces γmáx = 980 / 580 entonces γmáx = 1.69 gr/cm3
γmín = Ws / Vt entonces γmín = 960 / 750 entonces γmín = 1.28 gr/cm3
Cr = 1.69 / 1.57 x ((1.57 – 1.28)/(1.69 – 1.28)) x 100
Cr = 76.14 %
15.- Calcular el peso específico relativo de los sólidos y la densidad relativa de
una muestra de suelo que en el estado natural tiene una proporción de vacíos de
0.70. Además se han obtenido en el laboratorio los siguientes datos:
En el estado más denso y seco: 580 cm3 y 980 gr
En el estado más flojo y seco: 750 cm3 y 960 gr
Usando un frasco volumétrico se obtuvo que el peso del agua más el frasco es
de 408.20 gr.
El peso del agua más el frasco más 20 gr de suelo seco: 420.70 gr
Datos:
γr = ?
Cr = ?
e = Vv / Vs = 0.70
Solución:
γr = γs / γw entonces γr = γs con γw = 1 gr/cm3
γs = 20 / (Wwf + Ws – Wwfs)
γs = 20 / (408.20 + 20 – 420.70) entonces γs = 2.67
Por lo tanto: γr = 2.67
Cr = γmáx/γnat x ((γnat – γmín)/(γmáx – γmín)) x 100
γnat = Ws / Vt entonces γnat = Ws / (Vv + Vs)
γs = Ws / Vs entonces Vs = Ws / γs entonces Vs = 20 / 2.67
Vs = 7.49 cm3
e = Vv / Vs = 0.70 entonces Vv = 0.70Vs entonces Vv = 0.70 x 7.49
Vv = 5.24 cm3
γnat = 20 / (5.24 + 7.49) entonces γnat = 1.57 gr/cm3
γmáx = Ws / Vt entonces γmáx = 980 / 580 entonces γmáx = 1.69 gr/cm3
γmín = Ws / Vt entonces γmín = 960 / 750 entonces γmín = 1.28 gr/cm3
Cr = 1.69 / 1.57 x ((1.57 – 1.28)/(1.69 – 1.28)) x 100
Cr = 76.14 %
Volumen de Suelos no Cohesivos (arenas y gravas limpias).-
Medir el volumen del hoyo que queda luego de sacar la muestra.
El hoyo se debe impermeabilizar para luego echar agua y medir el volumen.
Hoyo
Muestra
Ensayo del Cono de Arena.-
Muestra
Botella con arena
Embudo
Primeramente pesar la botella con la arena: WA
Después de vaciar al hoyo pesar la botella con arena: WB
Arena en el embudo más hoyo: WA – WB
Por lo tanto:
W hoyo = (WA – WB) – W arena en embudo
V hoyo = W arena hoyo / γ arena
V hoyo = Vm volumen de la muestra.
GRANULOMETRIA DE LOS SUELOS
El análisis granulométrico de un suelo se refiere a la determinación del tamaño
de las partículas o granos que constituyen un suelo y fijar el porcentaje de su
peso total la cantidad de granos de distintos tamaños que contiene dicho suelo.
El método más directo para separar el suelo en fracciones de distintos tamaños
consiste en hacerlo pasar a través de un juego de tamices. Pero como la
abertura de la malla más fina que se fabrica corrientemente es la de 0.074 mm
(malla Nº 200), el uso de tamices está restringido hasta el análisis de suelos del
tamaño de la malla 200, de modo que si un suelo contiene partículas menores
que dicho tamaño, el suelo para hacer su análisis granulométrico debe ser
separado en dos partes por lavado sobre el tamiz Nº 200. La parte de suelo
retenida por el tamiz Nº 200, es tamizado mediante un juego de tamices de
diferentes tamaños, mientras que aquella demasiada fina para ser retenida por
tamices y que ha sido arrastrada por el agua es analizada por medio del método
del análisis granulométrico por vía húmeda, basados en la sedimentación, como
el análisis por el método del hidrómetro llamado también prueba de los ollucos.
O sea que cuando un suelo contiene suficiente material grueso y fino como para
ameritar un análisis por medio de mallas y otro por hidrómetro se hace necesario
emplear un procedimiento de análisis mecánico combinado.
Si predomina en el suelo los tamaños finos pueden efectuarse la prueba del
hidrómetro como muestra total para lo cual la muestra deberá tamizarse a través
del tamiz Nº 100 ó Nº 40, secando el material retenido antes de someterlo al
análisis por mallas.
Parámetros de Clasificación.-
Se basan en dos ensayos simples:
- La granulometría.
- La consistencia de los suelos finos (plasticidad)
Tipos de Clasificación.-
☺ Para cimentaciones y presas se emplea el SUCS (sistema unificado de
clasificación de suelos).
☺ Para pavimentos y carreteras se emplea el sistema AASHTO.
☺ Para aeropuertos se emplea la FAA (federación americana de aeropuertos).
malla Nº 200
(0.074 mm)
suelos gruesos
grava + arena
cazuela, base
suelos finos
limos + arcilla
ensayo por vía húmeda
prueba del hidrómetro
malla Nº 4
(4.75 mm)
separa gravas de arenas
grava
arena
malla Nº 200
suelos finos
Suelo Bien Graduado.-
Contiene todos los tamaños de las partículas.
Suelo Mal Graduado.-
Ausencia de algún grupo de tamaños de partículas.
Suelo Uniforme.-
Esta formado por un mismo tamaño de partículas.
Tamices.-
3”
2”
1 1/2”
1”
3/4”
3/8”
Tamiz Nº 4 (4.75 mm)
Tamiz Nº 10 (2 mm)
Tamiz Nº 20 (0.84 mm)
Tamiz Nº 40 (0.425 mm)
Tamiz Nº 60 (0.25 mm)
Tamiz Nº 100 (0.148 mm)
Tamiz Nº 140 (0.105 mm)
Tamiz Nº 200 (0.074 mm)
Granulometría Mecánica por la Vía Seca.-
El ensayo de análisis granulométrico consiste en el tamizado del suelo mediante
mallas o sedazos, reteniendo cada tamiz aquellas partículas cuyo tamaño es
superior a las aberturas de la malla correspondiente. El peso de estas porciones
retenidas se relacionan al peso total del suelo tamizado. Los resultados de este
análisis granulométrico se suelen representar en forma acumulativa y siempre
que se cuente con suficiente número de puntos, la representación gráfica de la
distribución granulométrica es la forma mucho más conveniente para representar
el análisis granulométrico, para esto se utiliza un gráfico semilogarítmico donde
las abcisas representan el diámetro o tamaño en mm de las partículas (escala
logarítmica) y las ordenadas el porcentaje en peso de los granos menores que el
tamaño indicado por la abcisa (porcentaje que pasa en peso).
Cuanto más uniforme es el tamaño de los granos tanto más inclinada es la
curva, una linea recta vertical representaría un suelo con partículas
perfectamente uniforme.
La ventaja más importante de la representación semilogarítmica estriba en que
las curvas granulométricas de suelos de igual uniformidad tienen formas
idénticas cualquiera sea el tamaño medio de sus partículas.
tamiz abertura
peso
retenido
%
retenido
% que
pasa
∑ = peso
total
70
60
50
40
30
20
10
0
100
90
80
0.1 1 0.01 0.001 0.0001
% que pasa
tamizado
sedimentación
abertura
Curva granulométrica (en papel semilogarítmico)
10
gravilla uniformesuelo bien graduado
% que pasa
suelo fino
arena uniforme
abertura
suelo grueso
Estudio de Curvas Granulométricas.-
Coeficiente de Uniformidad Cu.-
Propuesta por Allen Hanzen y que trata de una medida simple de la uniformidad
de un suelo, que se determina mediante la siguiente expresión:
Cu = D60 / D10
Donde: D60 = diámetro efectivo o tamaño de abertura correspondiente al
60 %
que pasa en peso.
D10 = diámetro efectivo o tamaño de abertura correspondiente al
10 %
que pasa en peso.
Si Cu > 4 entonces gravas
Si Cu > 6 entonces arenas
Si Cu < 3 entonces suelo muy uniforme (arena de playa)
Coeficiente de Curvatura Cc.-
Es un dato complementario necesario para definir la granulación del suelo y se
determina mediante la siguiente expresión:
Cc = (D30)^2 / D60.D10
Donde: D30 = diámetro efectivo o tamaño de abertura correspondiente al
30 %
que pasa en peso.
Si 1 < o = Cc < o = 3 entonces suelos bien graduados
70
60
50
40
30
20
10
0
100
90
80
D10D30
% que pasa
abertura en mm
D60
Granulometría Mecánica por la Vía Húmeda.-
Pesar la muestra completa.
Lavar la muestra echando el agua a través de la malla Nº 200.
GRAFICO – ESQUEMA
Secar la muestra al sol en un plato evaporador y luego llevarlo al horno.
Pesar la muestra seca.
Wm – Wd = pérdida por lavado + malla Nº 200
Hacer la granulometría mecánica (curva granulométrica)
Error = Wm – ( ∑Wret + pérdida por lavado)
Error < 2 %
Corrección:
Se manejan dos criterios:
Técnicos.
Matemático estadístico.
Igual corrección a todas las mallas.
Proporcional al peso retenido en cada malla.
Buscar o intuir la causa:
- Mallas defectuosas.
- Peso faltante de acorde con el tamaño retenido en cada malla.
- Peso sobrante: balanza defectuosa.
Granulometría por Sedimentación.-
Se basa en la ley de Stokes.
Primero sedimentan las partículas mayores.
A continuación sedimentan las partículas menores.
vØ
hv = f(Ø)
Ø = diámetro
Boyucos.-
v = d / t
d
c.g.
v = 2/9 x (γs – γw)/η x (D/2)^2
D = 18.η.v / (γs – γw)
Lectura del agua más turbia.
Lectura del agua limpia.
% que pasa = f(lectura del densímetro)
Se simplifica variando el hidrómetro 122.H (ASTM)
Procedimiento.-
- Separar una cantidad exacta de suelo (50 gr de suelo fino).
- Desmenuzarlo.
- Amasar con agua.
- Agregar defloculante (125 ml metafosfato de sodio).
- Dejar remojar de uno a cinco minutos.
- Batir en una batidora de ensayos por 10 minutos.
- Vaciarlo al tubo sedimentador.
- Llenar hasta enrrasar.
- Previamente se prepara un tubo sedimentador de control con agua y
defloculante.
- Tomar la corrección por menisco (cm).
- Tomar la lectura de cero (Ro).
Ro
cm
- Sacudir tapando la boca invirtiendo el tubo, repetir varias veces por 60
segundos.
- Colocarlo en una plataforma fija.
- Tomar lecturas con el hidrómetro.
Tiempo 1' 2' 4' 8' 16' 30' 1hr 2hr 4hr 8hr 16hr …..
Lectura ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. …..
- Colocar el hidrómetro lentamente.
- Hacer la lectura en el tiempo exacto, es necesario colocar 20 segundos
antes.
- 04 lecturas sin sacar el hidrómetro.
- Entre lecturas dejar el hidrómetro en el tubo de control.
- Tomar la temperatura del agua a intervalos razonables.
- Si no se logra medir en el tiempo correspondiente anotar el tiempo
restante de la lectura.
- Cálculos.
Fecha hora tiempo Tº Ra Rc
%
pasa Rm L
v =
L/t K D
Donde: Ra = lectura real del hidrómetro.
Rc = lectura corregida: Rc = Ra – Ro + Ct
Ro = lectura en el tubo de control.
Ct = corrección por temperatura (tabla C-23, Bowles).
15
Tº
Ct
extrapolar
% peso = Rc / Ws x 100
Wr = peso del suelo en el tubo (determinado después del ensayo)
Rm = lectura corregida sólo por menisco
Rm = Ra – Cm
L = de la tabla (6.5 de Bowles); L = f(Rm)
K = constante; K = f(γs)
D = K v mm
0.002 mm
%
D
% de arcilla que pasa
Boyucos: sirve principalmente para determinar el porcentaje de arcilla así como
para determinar la granulometría de suelos finos.
Granulometría Compuesta.-
En campo tomar muestras, hallar el porcentaje de piedras de 8”, 6”, 4”, 2”; se
lleva al laboratorio a partir de 2” hasta la malla Nº 200.
Granulometría mecánica: 2” a 0.075 mm
Granulometría sedimentaria: 2 mm a 0.001 mm
campo
boyucos
curva real de
granulometría completa
Problemas.-
1.- Dibujar la curva granulométrica de un suelo que fue sometido al análisis
mecánico con un juego de tamices conformado por las mallas de 3/4”, 3/8”, 4,
10, 20, 40, 60, 200 y la cazuela.
Así mismo determinar el coeficiente de uniformidad y el coeficiente de curvatura.
Los pesos retenidos en cada una de las mallas o tamices se indican a
continuación.
Tamices Diámetros
Peso
retenido
%
retenido
% que
pasa
3/4" 19.05 43.24 2 98
3/8" 9.525 281.06 13 85
4 4.75 151.34 7 78
10 2.00 389.16 18 60
20 0.84 475.64 22 38
40 0.425 259.44 12 26
60 0.25 302.68 14 12
200 0.074 86.48 4 8
cazuela 172.96 8 0
∑: 2162 gr ∑: 100
70
60
50
40
30
20
10
0
100
90
80
20040
% que pasa
abertura de
10438"
34" 20 60 la malla
D60 D30 D10
Cálculo de D10:
El D10 está entre las mallas 60 y 200 entonces:
Malla 60 = 0.25 mm
Malla 200 = 0.074 mm
0.2
5
12
8
4
D10
0.0
74
%
(log0.074 – logD10) / (10 – 8) = (log0.074 – log0.25) / (12 – 8)
logD10 = log0.074 – 2/4 x (log0.074 – log0.25)
D10 = 0.136 mm
Cálculo de D30:
El D30 esta entre las mallas 20 y 40 entonces:
Malla 20 = 0.84 mm
Malla 40 = 0.425 mm
0.8
4
38
30
26
D30
0.4
25
%
(log0.425 – logD30) / (30 – 26) = (log0.425 – log0.84) / (38 – 26)
logD30 = log0.425 – 4/12 x (log0.425 – log0.84)
D30 = 0.533 mm
Cálculo de D60:
Del gráfico: D60 = 0.25 mm
Así:
Cu = D60 / D10 entonces Cu = 0.25 / 0.136 entonces Cu = 1.84
Cc = (D30)^2 / D60.D10 entonces Cc = (0.533)^2 / 0.25 x 0.136 entonces
Cc = 8.36
2.- En un ensayo granulométrico se obtuvieron los siguientes resultados:
malla peso retenido (gr)
3" 0
1 1/2" 1960
1" 2320
3/4" 2310
3/8" 3700
4 1850
pasa 4 6575
De la fracción que pasó la malla 4 se tomaron 200 gr y se sometieron al análisis
mecánico por tamizado con los siguientes resultados:
malla
peso retenido
(gr)
10 31.50
20 26.60
40 28.80
60 22.00
100 24.70
200 18.00
pasa
200 48.40
Determinar el coeficiente de uniformidad, el coeficiente de curvatura y dibujar la
curva granulométrica.
malla diámetro
peso
retenido
%
retenido
%
retenido
% que
pasa
3" 76.20
1 1/2" 38.10 1960 10.47 11 89
1" 25.40 2320 12.40 12 77
3/4" 19.05 2310 12.34 12 65
3/8" 9.525 3700 19.77 20 45
4 4.75 1850 9.89 10 35
4 pasa 4.75 6575 35.13 35 0
10 2 31.50 5.51 6 29
20 0.84 26.60 4.66 5 24
40 0.425 28.80 5.04 5 19
60 0.25 22.00 3.85 4 15
100 0.148 24.70 4.32 4 11
200 0.074 18.00 3.15 3 8
200
pasa 0.074 48.40 8.47 8 0
I ) % retenido = peso retenido x 100 % / ∑ peso retenido
10.47 = 1960 x 100 / 18715
II ) % retenido = peso retenido x 35% / ∑ peso retenido
5.51 = 31.50 x 35 / 200
% que pasa:
I ) 89 = 100 – 11
77 = 89 – 12
II ) 29 = 35 – 6
24 = 29 – 5
70
60
50
40
30
20
10
0
100
90
80
20040
% que pasa
abertura de
43/4"1 1/2" 20 60 la malla
D60 D30 D10
100103/8"1"
Cálculo de D60:
D60 esta entre las mallas 3/4” y 3/8” :
Malla 3/4” = 19.05 mm
Malla 3/8” = 9.525 mm
19.0
5
65
60
45
D60
9.5
25
%
(log9.525 – logD60) / (60 – 45) = (log9.525 – log19.05) / (65 – 45)
logD60 = log9.525 – 15/20 x (log9.525 – log19.05)
D60 = 16.02 mm
Cálculo de D30:
D30 se encuentra entre las mallas 4 y 10:
Malla 4 = 4.75 mm
Malla 10 = 2 mm
4.7
5
35
30
29
D30
2
%
(log2 – logD30) / (30 – 29) = (log2 – log4.75) / (35 – 29)
logD30 = log2 – 1/6 x (log2 – log4.75)
D30 = 2.31 mm
Cálculo de D10:
D10 se encuentra entre las mallas 100 y 200:
Malla 100 = 0.148 mm
Malla 200 = 0.074 mm
0.1
48
11
10
8
D10
0.0
74
%
(log0.074 – logD10) / (10 – 8) = (log0.074 – log0.148) / (11 – 8)
logD10 = log0.074 – 2/3 x (log0.074 – log0.148)
D10 = 0.118 mm
Así:
Cu = D60 / D10 entonces Cu = 16.02 / 0.118 entonces Cu = 135.76
Cc = (D30)^2 / D60.D10 entonces Cc = (2.31)^2 / 16.02 x 0.118 entonces
Cc = 2.82
3.- Dibujar la curva granulométrica y hallar los coeficientes de uniformidad y
curvatura de una muestra de suelo que fué sometido a un análisis mecánico.
malla diámetro
peso
retenido
%
retenido
% que
pasa
3" 76.20 215.62 16 84
2" 50.80 150.81 11 73
1 1/2" 38.10 217.17 17 56
1" 25.40 48.94 4 52
3/4" 19.05 57.04 4 48
3/8" 9.525 88.07 7 41
4 4.75 124.63 9 32
10 2.00 95.00 7 25
20 0.84 114.44 9 16
40 0.425 77.21 6 10
60 0.25 32.09 2 8
100 0.148 47.68 4 4
140 0.105 27.18 2 2
200 0.074 15.10 1 1
base 10.02 1 0
∑: 1321 gr ∑: 100
% retenido = peso retenido x 100 / ∑ peso retenido
215.62 x 100 / 1321 = 16 (redondeando)
% que pasa = 100 % - % retenido
70
60
50
40
30
20
10
0
100
90
80
20040
% que pasa
abertura de
1 1/2" 20 60 la malla
D60 D30 D10
100 1402"3" 1" 3/4" 3/8" 4 10
Cálculo del D60:
50.80 > D60 > 38.10
(log38.10 – logD60) / (60 – 56) = (log38.10 – log50.80) / (73 – 56)
D60 = 40.77 mm
Cálculo del D30:
4.75 > D30 > 2.00
(log2 – logD30) / (30 – 25) = (log2 – log4.75) / (32 – 25)
D30 = 3.71 mm
Cálculo del D10:
D10 = 0.425 mm
Así:
Cu = 40.77 / 0.425 entonces Cu = 95.93
Cc = (3.71)^2 / 40.77 x 0.425 entonces Cc = 0.79
CARACTERISTICAS PLASTICAS DE LOS SUELOS
Stiction y Plasticidad de Suelos Arcillosos.-
La plasticidad es la capacidad de experimentar deformaciones irreversibles sin
romperse y se presentan en la mayor parte de suelos arcillosos con humedad
intermedia.
Si se seca un bloque de arcilla plástica, pierde su plasticidad y se convierte en
un sólido frágil con una resistencia considerable que resulta de la stictium entre
las partículas de arcilla. Sin embargo, si el bloque se descompone en las
partículas que lo constituyen la stictiun, se pierden y el material se convierte en
un polvo seco. Al mezclarse nuevamente el polvo que resulta con una cantidad
de agua adecuada, reaparecerán las propiedades del stictiun y plasticidad. Este
efecto no se consigue si la mezcla se hace con tetracloruro de carbono como
fluido intersticial, el cual es un compuesto cuyas moléculas no son bipolares y no
se ionizan.
Estados de Consistencia de los Suelos y Límites de Plasticidad.-
Una de las características más importantes de la arcilla es su plasticidad. La
magnitud de la plasticidad que presenta una arcilla natural depende de su
composición mineralógica y contenido de humedad. Además, la consistencia de
una arcilla natural varía de acuerdo con el contenido de humedad, desde un
estado semisólido para bajos contenidos de humedad en que el suelo se
desmorona y no presenta plasticidad, pasando también por un estado plástico
para altos contenidos de humedad, hasta llegar finalmente a un estado
esencialmente líquido para contenidos de humedad muy altos.
sólido
estado semisólido
sin plasticidadestado
plástico
estado
líquido
estado
LC W2 LP W3 LLW1W = 0
Wp Wl
IP
W4
Donde: LC = límite de contracción.
LP = límite plástico.
LL = límite líquido.
ω1 < ω2 < ω3 < ω4
IP = índice de plasticidad.
El contenido de humedad ω para el cual la consistencia cambia de un estado a
otro, varía de una arcilla a otra, dependiendo de la confinidad y del tipo de
mineral de arcilla presente. Puesto que la humedad es una propiedad que se
mide fácilmente, se desarrolló un método de dosificación de las arcillas basados
en estos contenidos límites.
Como cambio de un estado de consistencia a otro es gradual para satisfacer los
requerimientos de un sistema de clasificación estándar fue necesario establecer
límites arbitrarios entre los diferentes estados.
Estos se denominan límites de consistencia o límites de Atterberg que se
pueden observar en la figura y consiste en lo siguiente:
Límite de Contracción o Retracción LC.-
Es el cambio del estado sólido al estado semisólido o estado no plástico.
Límite Plástico LP o ωp.-
Es el cambio entre el estado no plástico y el estado plástico.
Límite Líquido LL o ωl.-
Es el cambio del estado plástico al estado líquido.
Además de los límites de plasticidad, Atterberg definió otros límites de
consistencia tales como:
Límite de Adhesión.-
Es el contenido de agua en el que la arcilla pierde sus propiedades de
adherencia con una plancha metálica.
Límite de Cohesión.-
Es el contenido de agua con lo que los grumos de arcilla ya no se adhieren entre
sí.
Límite Líquido.-
Se define como el contenido de humedad expresado en porcentaje con respecto
al peso seco de la muestra, con el cual el suelo cambia del estado líquido al
plástico. De acuerdo con ésta definición, los suelos plásticos tienen en el límite
líquido una resistencia muy pequeña al esfuerzo de corte, pero definida y según
Atterberg es de 25 gr/cm2. La cohesión de un suelo en el límite líquido es
prácticamente nula.
Para determinar el límite líquido en laboratorio existe una técnica basada en el
uso de la cuchara de Casagrande que es un recipiente de bronce o latón que
unido en uno de sus extremos de éste en torno a un eje fijo y accionado por una
excéntrica hace que la cuchara caiga periódicamente golpeándose contra la
base del dispositivo. La altura de caída de la cuchara es por especificación de un
cm. La copa es esférica con un radio interior de 54 mm y un espesor de 2 mm.
ESQUEMA
El límite líquido se determina como el contenido de humedad del material a la
cual una masa de suelo que pasa por la malla 40 fluye lo suficientemente como
para cerrar una ranura de medidas determinadas, hecho en la muestra de suelo
con un ranurador, el límite líquido corresponde al contenido de humedad donde
la ranura se cerrará a los 25 golpes, valor que se determinará luego de haber
realizado 3 ó 4 deformaciones de contenidos de humedad diferentes, con los
correspondientes números de golpes y trazando la curva N vs ω sobre un papel
semilogarítmico donde las abcisas corresponden al número de golpes y las
ordenadas al contenido de humedad. De este gráfico se puede obtener el
contenido de humedad correspondiente a 25 golpes resultando ser el límite
líquido buscado.
W3
W4
LL
W %
W2
W1
N1 N2 N3 N4N = 25
recomendable: 3 a 4 ensayos
2 puntos plásticos
2 puntos líquidos
N número de golpes
W = humedad
Método de Determinación del Límite Líquido con un Solo Ensayo.-
Partiendo de la hipótesis de que la pendiente de la relación N, ω representada a
escala semilogarítmica es una línea recta, en la cual el límite líquido puede ser
obtenido a partir de cualquier punto de la curva, Lambe ha sugerido el empleo
de la siguiente expresión:
LL = ω(N/25)^0.121
Donde: LL = límite líquido calculado del suelo.
ω = contenido de humedad arbitrario del suelo con respecto al peso
seco
Wd %.
N = número de golpes necesarios para cerrar la ranura en la copa de
Casagrande correspondiente a ω.
Se debe cumplir que: 20 < N < 30
Como puede observarse la ecuación de Lambe permite calcular el límite líquido
de un suelo con base en un solo punto del método mecánico. Esto elimina
tiempo y además la variable operador, la fórmula propuesta puede ser usada
con suficiente grado de precisión en el cálculo del límite líquido de un suelo,
siempre y cuando se amase la pasta de suelo con un contenido de humedad tal
que se cumpla con la condición imprescindible que N esté entre 20 y 30.
En ensayos de investigación conviene hacer uso del método mecánico
normalizado.
Para facilitar el empleo de la fórmula, ésta se puede simplificar de la siguiente
manera:
LL = ω.F
Donde: F = factor de corrección
F = (N/25)^0.121
Que puede obtenerse de la siguiente tabla:
N F
20 0.9734
21 0.9792
22 0.9847
23 0.9900
24 0.9951
25 1.00
26 1.0048
27 1.0094
28 1.0138
29 1.0182
30 1.0223
Límite Plástico.-
Se define como el contenido de humedad expresado en porcentaje con respecto
al peso seco de la muestra secada al horno, para el cual los suelos cohesivos
pasan de un estado semisólido a un estado plástico. Para determinar el límite
plástico generalmente se hace uso del material que mezclado con agua ha
sobrado de la prueba del límite líquido y al cual se le evapora humedad por
mezclado hasta tener una mezcla plástica que sea fácilmente moldeable pero
que tenga un contenido de humedad algo inferior al del límite líquido, el
procedimiento para calcular el límite plástico consiste en formar rollitos
cilíndricos de 1/8” de diámetro. Estos filamentos cilíndricos se hacen
generalmente en una hoja de papel totalmente seca para acelerar la pérdida de
humedad del material; cuando los rollitos llegan a 1/8” de diámetro (3.17 mm) se
dobla y presiona, formando una pastilla que vuelve a doblarse hasta que en los
3.17 mm exactos ocurran el desquebrajamiento y agrietamiento; en ese
momento se determina rápidamente el contenido de humedad que representa el
límite plástico.
Algunos suelos finos y arenosos pueden ser similares a la arcilla pero al tratar de
determinar su límite plástico se nota la imposibilidad de formar los rollitos
cilíndricos, revelándose así la falta de plasticidad del material; en estos suelos el
límite líquido resulta prácticamente igual al límite plástico y aún menor,
resultando entonces índices plásticos relativos por lo que las determinaciones de
plasticidad no conducen a ningun resultado de interés en la ingeniería y los
límites líquidos y límites plásticos carecen de sentido.
El límite plástico es muy afectado por el contenido orgánico del suelo, ya que
eleva su valor sin aumentar simultáneamente el límite líquido. Por tal razón los
suelos con contenido orgánico tienen bajo índice plástico, límites líquidos altos.
Consideraciones Sobre los Límites de Plasticidad.-
Indice de Fluidez If.-
Es la pendiente que corresponde a una curva de fluidez determinada en
laboratorio.
W100 golpes
W %
W10 golpes
10 100
curva de fluidez
W = -If.logN + C
(log)
N número de golpes
W = humedad
If
If = (ω10 golp – ω100 golp) / (log100 – log10)
If = ω10 golp – ω100 golp
Donde: ω = contenido de humedad en % del peso seco.
If = pendiente negativa de la curva de fluidez igual a la variación del
contenido de agua correspondiente a un ciclo de escala
logarítmica.
ω10 = contenido de humedad para diez golpes.
ω100 = contenido de humedad para cien golpes.
N = número de golpes en la cuchara de Casagrande.
C = constante que representa la ordenada en la abcisa de un golpe: se
calcula
prolongando el trazo de la curva de fluidez.
W %
C
1 10N
W = humedad
Índice de Plasticidad Ip.-
Se denomina índice de plasticidad o índice plástico a la diferencia numérica
entre los límites líquido y plástico, e indica el margen de humedad dentro del
cual el suelo se encuentra en estado plástico tal como lo definen los ensayos de
laboratorio.
IP = LL – LP
Tanto el límite líquido como el límite plástico dependen de la cantidad y tipo de
arcilla del suelo; sin embargo el índice de plasticidad depende generalmente de
la cantidad de arcilla del suelo.
Cuando no se puede determinar el límite plástico o sea que el suelo es no
plástico (NP) entonces el índice plástico se dice que es igual a cero o sea que el
límite líquido resulta prácticamente igual al límite plástico y a veces menor donde
resultaría un índice plástico negativo que también se considera índice plástico
igual a cero.
- LL : no cambia en su contenido de humedad entonces IP = 0 no
plástico
- LP > LL entonces negativo entonces IP = 0 N
P
Ojo:
LP = 0
LL = 30
Entonces IP = 30 – 0 entonces IP = 0 no plástico
Como el índice de plasticidad nos da una medida de la cantidad de arcilla que
tiene el suelo, podemos expresar que un suelo con un índice de plasticidad
grande corresponde a un suelo muy arcilloso, por el contrario si un suelo tiene
un índice de plasticidad pequeño es característico de un suelo poco arcilloso,
dentro de este contexto podemos dar la clasificación siguiente:
- Suelo muy arcilloso: IP > 20
- Suelo arcilloso: 10< = IP < 20
- Suelo poco arcilloso: 0 < IP < 10
- Suelo exento de arcilla: IP = 0
Según Atterberg:
Si: IP = 0 entonces suelo no plástico
0 < IP < 7 entonces suelo de baja plasticidad
7 < = IP < = 17 entonces suelo medianamente plástico
IP > 17 entonces suelo altamente plástico
Indice de Tenacidad It ó Tω.-
Cuanto mayor es el número de golpes que se requieren para cerrar la ranura de
un suelo plástico se dice que el suelo es más tenaz. Por esta razón es que el
índice de tenacidad esta expresado mediante la siguiente expresión:
Tω = IP / If
Donde: Tω = índice de tenacidad
IP = índice plástico
If = índice de fluidez
Tω = log(SP / SL)
Donde: SP = Resistencia al esfuerzo cortante del suelo correspondiente al
límite
plástico SP = τLP
SL = resistencia al esfuerzo cortante del suelo correspondiente al límite
líquido SL = τLL = 25 gr/cm2
El índice de tenacidad conjuntamente que el índice de fluidez son útiles para
establecer una diferenciación adicional en lo que se refiere a las características
de plasticidad de las arcillas.
El índice de tenacidad generalmente varía entre 1 y 3 y rara vez alcanza valores
de 5 o menores que 1; un alto valor del índice de tenacidad no implica que los
límites de consistencia o de plasticidad sean altos.
Indice de Liquidez IL.-
En los suelos plásticos el índice de liquidez es indicativo de la historia de los
esfuerzos a que ha estado sometido un suelo en su pasado, si el valor del índice
de liquidez es cercano a cero se considera que el suelo ha sido pre consolidado.
Si este valor es cercano a uno entonces se considera como normalmente
consolidado.
v1
hoy
pasado
v2
y
y
preconsolidado normalmente
consolidado
Para determinar el índice de liquidez se utiliza la siguiente expresión:
IL = (ωn – LP) / IP
Donde: ωn = contenido de humedad natural del suelo (in situ)
Si:
IL < 0 entonces suelo en estado semiseco (rango no plástico)
0 < = IL < = 1 entonces suelo en estado plástico (rango plástico)
IL > 1 entonces suelo en estado semilíquido (rango líquido)
Si la humedad inicial de un suelo corresponde a un índice de liquidez mayor a
0.2 el suelo aún siendo altamente plástico tendrá poca o nula expansión.
Existe una relación aproximada entre el índice de liquidez y la sensitividad de la
arcilla.
También existe una relación entre el índice de liquidez y la resistencia al
esfuerzo cortante de arcillas (amasadas).
Indice de Consistencia Ic.-
Se determina mediante la siguiente expresión:
Ic = (LL – ωn) / IP
Varía: 0 < = Ic < = 1
También existe una relación entre el índice de consistencia y la resistencia al
esfuerzo cortante del suelo.
Relación entre la Consistencia de Suelos Finos y sus Propiedades:
Nº Consistencia qu N IL Ic Descripción
kg/cm2 SPT
1 muy blanda 0 - 0.25 0 - 2 > 1 0 - 0.25
el puño penetra 10 cm
fácilmente
2 blanda
0.25 -
0.50 2 - 4 0.5 - 1
0.25 -
0.50
el pulgar penetra 5 cm
fácilmente
3
medio
compacto 0.50 - 1 4 - 8
0.25 -
0.5 0.5 - 0.75
el pulgar penetra 5 cm con
esfuerzo
4
compacto
(rígido) 1 - 2
8 -
15 0 - 0.25 0.75 - 1
el pulgar deja marca
fácilmente
5
muy
compacto
(muy rígido) 2 - 4
15 -
30 < 0 > 1 la uña raya fácilmente
6 duro > 4 > 30 * * la uña raya con dificultad
Donde: qu = resistencia a la compresión no confinada del suelo
N = número de golpes del ensayo SPT
* = IL + Ic = 1
Actividad de la Arcilla A.-
Es una de las propiedades que tienen las arcillas cuyo término es aplicable en el
caso de suelos plásticos con propensión a perder cambios en su volumen en
presencia de diferentes contenidos de humedad. Skempton en el año 1953
propuso que la actividad de una arcilla se determine mediante la siguiente
expresión:
A = IP / % arcilla = IP / %<0.002 mm
Los valores de la actividad de una arcilla están asociados con suelos que
contienen minerales arcillosos de mayor actividad. El valor de A permanecerá
aproximadamente constante para muestras que provengan de estratos del
mismo origen geológico, por tanto el valor de A puede ser el medio más
confiable de averiguar la existencia de estratos de diferente origen geológico en
un determinado sondeo.
La actividad de una arcilla puede apreciarse de acuerdo a las características del
suelo como se muestra en el siguiente cuadro:
A Descripción
< 0.75
arcilla relativamente inactiva (tipo
caolinita)
0.75 -
1.25 arcilla con actividad normal (tipo illita)
> 1.25
progresivamente más activa (tipo
montmorilonita)
El reflejo de la actividad es la capacidad que tenga un suelo para expandirse.
Aunque la actividad esta numéricamente definida con la fórmula, una mejor
indicación práctica de la actividad es el límite de contracción.
El límite de contracción es el punto de partida del contenido de agua que inicia el
cambio de volumen. La actividad en términos del cambio de volumen es una
preocupación principal en la evaluación del suelo para uso en obras de tierra y
cimentación.
Sensitividad de la Arcilla St.-
Esta propiedad de los suelos finos se refiere al efecto que el remoldeo produce
sobre un suelo inalterado. La pérdida de resistencia debido al remoldeo se
caracteriza con la sensitividad de la arcilla, la cual se define mediante la
siguiente expresión:
St = resistencia inalterada / resistencia alterada
para casos de representación sísmica de suelos.
En arcillas:
Resistencias a la compresión no confinada = qu
Resistencia al corte = qu/2
P
P
compresión uniaxial
A rotura
esfuerzo en kg/cm2
qu = --------------P rotura
Muestra inalterada entonces qu es inalterado
Muestra remoldeada entonces qu es alterado
St = qu inalterado / qu alterado
Licuefacción entonces arenas saturadas
Densificación entonces arenas secas (disminución de espacios vacíos)
Se dice que una masa de arcilla ha sido remoldeada si se ha alterado
severamente hasta el punto de destruir su estructura original. Los procesos que
pueden producir remoldeo son numerosos y variados, desde un simple amasado
de una muestra de arcilla manualmente hasta movimientos masivos de tierras
que pueden ser por causa de movimientos sísmicos, excavaciones y reemplazo
del suelo bajo condiciones de compactación controladas.
En general se encuentra que la resistencia de una arcilla remoldeada es inferior
a la que corresponde a una arcilla inalterada. La pérdida de resistencia se
atribuye a la ruptura de la adhesión electroquímica entre las partículas y a la
redistribución de parte del agua absorbida que se convierte en agua libre.
La mayor parte de las arcillas tienen una sensitividad que esta en un rango de 1
a 4, mientras que las arcillas rápidas tienen valores tan altos que llegan hasta
100. Skempton propone una escala de sensitividad el cual se muestra en el
siguiente cuadro:
St Descripción
< 2 sensitividad baja (insensitiva)
2 - 4 medianamente sensitiva (normal)
4 - 8 sensitiva
8 - 16 muy sensitiva
> 16 rápida
Tixotropía.-
Se denomina tixotropía a la capacidad de recuperación que tienen las arcillas de
su resistencia a la compresión simple que sufre un suelo después de ser
amasado.
qu
(2) tixotropía menor que (1)
(1)
t
qu inalterado
qu remoldeado
(2)
Límite de Contracción.-
Al ir secando una muestra de suelo se va comprimiendo, reduciéndose su
volumen por acción de las fuerzas capilares que van aumentando al disminuir la
dimensión de los poros y expulsar su agua. Este fenómeno es muy visible en un
suelo arcilloso seco y que queda cuarteado con grietas profundas. Si el proceso
continua llega un momento en que las fuerzas capilares se ven contrarestadas
por la acción del suelo; la desecación prosigue pero no habrá reducción de
volumen.
Teniendo en cuenta que la gran mayoría de los suelos no presentan
prácticamente disminución de volumen durante el proceso de secado abajo del
límite de contracción. Terzaghi sugirió un método muy simple de determinación
que esencialmente consiste en medir el volumen y peso de una muestra de
suelo totalmente seca; en tal momento puede decirse que el límite de
contracción sería la humedad de la muestra seca como si estuviese sus vacíos
llenos de agua. De esta idea se pueden deducir las fórmulas de límite de
contracción de la siguiente manera:
sólidoestado semisólido
estado
plástico
estado
líquido
estado
LC LP LL
W W WLC P L
gaseoso
líquido
sólido
gaseoso
sólido sólido
Va
Vw
Vs
V1 - V2
Va
Vs
Va = Vw
Vs
V2Wt
V1
Lc = (1/Sd – 1/Gs) x 100
Donde: Sd = peso específico relativo de la masa del suelo seco:
Sd = γm/γo = γd/γo = (Ws/Vm)/γo = Ws/Vm.γo
Gs = Ss = peso específico relativo de los sólidos:
Gs = γs/γo
En laboratorio se determina utilizando un suelo que pase la malla 4 y se
determina utilizando la siguiente expresión:
Lc = ((W1 – Ws)/Ws – ((V1 – V2)/Ws)).γo) x 100
Donde: V1 = volumen de la muestra húmeda.
V2 = volumen de la muestra seca (sin agua).
W1 = peso de la muestra húmeda.
Ws = peso de la muestra seca.
γo = volumen del agua destilada.
Razón de Contracción Rc.-
Rc = Sd = Ws/γo.V2 = γd/γo
Cambio Volumétrico para un Contenido de Humedad Estipulado Cv.-
Es el cambio de volumen de la masa del suelo expresado como porcentaje del
volumen del suelo seco, cuando se reduce el contenido de humedad de un valor
dado al límite de contracción y se determina mediante la siguiente expresión:
Cv = (ω – Lc).Rc
Donde: ω = contenido de humedad estipulado
Efecto del Cambio Volumétrico del Suelo en una Losa de Pavimento de
Hormigón (Pavimento Rígido).-
Pavimento en periodo seco Pavimento en periodo húmedo
expansión
del suelocontracción
húmedo se mantiene seco húmedo seco se mantiene húmedo seco
A fin de evitar el problema señalado es necesario colocar una base granular
subyacente a la losa de hormigón que permita homogeneizar las variaciones de
humedad del suelo natural por efecto de los cambios climáticos y distribuir mejor
el agua que se incorpora desde el exterior a toda la superficie de apoyo de la
losa.
Problemas.-
1.- En un ensayo de límite líquido de una arcilla, se obtuvieron los
siguientes resultados:
Nro
golpes 9 15 22 30
ω % 85.1 % 80.2 % 76.5 % 73.9 %
Se encontró que el límite plástico tenía valores de 30.2 % y 30.7 %. Calcular
el límite líquido, el índice de plasticidad, el índice de fluidez y el índice de
tenacidad.
Sabemos que: ω = -If.logN + C
N = 22 y ω % = 76.5 % entonces 76.5 % = - Iflog22 + C ……….(1)
N = 30 y ω % = 73.9 % entonces 73.9 % = - Iflog30 + C ……….(2)
Resolviendo (1) y (2):
De (1): C = 0.765 + Iflog22
De (2): C = 0.739 + Iflog30
Desarrollando tenemos:
If = 0.1930 y C = 1.024
N = 25 y ω = ?
ω = - 0.1930log25 + 1.024 entonces ω % = 75.42 %
☺ LL = ω(N/25)^0.121 entonces: LL = 0.765(22/25)^0.121
LL = 0.7533
LL = 0.739(30/25)^0.121
LL = 0.7555
LL = (75.33 + 75.55) / 2 entonces LL = 75.43 %
☺ IP = LL – LP y LP = (30.2 + 30.7) / 2 = 30.45
IP = 75.43 – 30.45 entonces IP = 44.98 %
☺ It = IP / If entonces It = 0.4498 / 0.1930 entonces It = 2.33
2.- Se constata que un cierto suelo saturado disminuye su humedad hasta
llegar al límite de contracción. La muestra saturada pesa 90 gr y su
humedad 41 %, después de la desecación total llega a tener un volumen de
31 cm3. Calcular el límite de contracción para cuando el peso específico
relativo del suelo es 2.70
Datos:
W = 90 gr
ω = 41 %
V = 31 cm3
γr = 2.70 = Gs
Lc = ?
Sd = Ws / V.γo
Solución:
ω = Ww/Ws = (W – Ws) / Ws
ω = W/Ws – 1
Ws.ω = W – Ws
Ws.ω + Ws = W
Ws(ω + 1) = W
Ws = W / (ω + 1)
Ws = 90 / (0.41 + 1) entonces Ws = 63.83 gr
Sd = 63.83 / 31x1 entonces Sd = 2.06
Lc = (1/Sd – 1/Gs) x 100
Lc = (1/2.06 – ½.70) x 100
Lc = 11.51 %
CLASIFICACIÓN E IDENTIFICACIÓN DE LOS SUELOS
Clasificación de Suelos.-
El suelo puede ser clasificado de una manera general como cohesivo o sin
cohesión también como grueso o de grano fino. Como éstos términos son muy
generales y cubren una gran gama de propiedades físicas y en ingeniería se
requieren presiciones o medios de clasificaciones adicionales para determinar la
conveniencia de un suelo para propósitos específicos de ingeniería y para tener
capacidad de transmitir esta información a otros en forma comprensiva.
Existen muchos tipos de clasificación de suelos, dependiendo esto del uso o el
nivel de clasificación que se requiera para un determinado tipo de proyecto.
Dentro de éstos tipos de clasificación los más importantes y universalmente
conocidos son:
1- El sistema unificado de clasificación de suelos (SUCS) cuyo uso es para
proyectos de cimentaciones de todo tipo de obra.
2- El sistema HRB adoptado por la AASHTO utilizado en la ingeniería de
caminos.
Importancia de los Sistemas de Clasificación.-
Un sistema de clasificación le permite a uno aprovechar la experiencia en
ingeniería adquirida por otros; además facilita la comunicación entre grupos de
ingenieros muy distantes que emplean el mismo método de clasificación de
suelos. En otras palabras es un lenguaje de comunicación.
El uso de un sistema de clasificación no elimina la necesidad de estudiar
ensayos adicionales de los suelos para determinar sus propiedades ingenieriles
por ejemplo ensayos de compactación, ensayos de pesos unitarios, ensayos
triaxiales, etc.
Sistema Unificado de Clasificación de Suelos SUCS.-
Este sistema divulgado por Casagrande en 1942 fue originalmente desarrollado
para el uso en las construcciones de aeropuertos (pistas), posteriormente en
1952 fue ligeramente modificado para hacerlo aplicable en presas, edificaciones,
puentes y otras construcciones. Luego fue adoptado por el cuerpo de ingenieros
de los Estados Unidos y subsecuentemente por muchas otras organizaciones de
nuestro país y del resto del mundo, siendo hasta la fecha uno de los más
completos y ampliamente usados.
Según este sistema los suelos se dividen en tres grupos principales:
1.- Suelos de grano grueso.
2.- Suelos de grano fino.
3.- Suelos altamente orgánicos (turba).
Suelos de Grano Grueso.-
Se considera este suelo si más del 50 % es retenido en la malla 200, son
llamados también suelos granulares.
Se dividen en dos grupos principales de suelos (prefijo):
1- Gravas, cuyo símbolo es la letra G, pertenece a este grupo genérico si
más del 50 % de la fracción gruesa (retenida en la malla 200) es retenida
en la malla 4.
2- Arena, cuyo símbolo genérico es la letra S, pertenece a este grupo
genérico si más del 50 % de la fracción gruesa pasa la malla 4. A su vez
cada uno de éstos grupos de suelos se subdividen en cuatro tipos
(sufijos).
A.- Si es menor o igual al 50 % lo que pasa la malla 200 en peso, es un material
limpio de finos entonces:
a- Es bien graduado cuyo símbolo es W.
b- Es mal graduado cuyo símbolo es P.
● GW si Cu > 4 y 1 <= Cc <= 3
● GP si no cumple con los requisitos anteriores de GW
● SW si Cu > 6 y 1 <= Cc <= 3
● SP si no cumple con los requisitos anteriores de SW
B.- Si más del 12 % pasa la malla 200 en peso, entonces es un material con una
cantidad apreciable de finos.
c.- Con finos no plásticos o de baja plasticidad: limo cuyo símbolo es la letra M
d.- Con finos plásticos o de alta plasticidad: arcilla cuyo símbolo es la letra C
GM, SM: si los límites de plasticidad estan bajo la línea A o el índice plástico
es menor a 4.
GC, SC: si los límites de plasticidad estan sobre la línea A con un índice
plástico mayor a 7.
C.- Si es mayor al 5 % y menor o igual al 12 % lo que pasa la malla 200, es un
caso intermedio, se considera caso de frontera y se adjudica un símbolo doble,
por ejemplo:
● GP – GC: grava mal graduada con contenido entre el 5 % y el 12 % de
fino plástico arcilloso.
También:
● GM – GC, SM – SC: si los límites de plasticidad estan sobre la línea A y el
índice plástico esta entre 4 y 7.
Nota:
Así mismo cuando un material no cae claramente dentro de uno de los grupos
indicados deberá usarse también símbolos dobles, correspondientes a casos de
frontera, por ejemplo el símbolo GW – SW se usará para un material bien
graduado con menos del 5 % de finos y formada por fracciones gruesas de igual
proporción de grava y arena.
Carta de Plasticidad.-
Es un gráfico en el cual se muestra el índice plástico versus el límite líquido.
Existe una ecuación de la línea A:
Tan α = IP / (LL – 20)
IP = 0.73x(LL – 20)
compresibilidad
I Plínea B
suelo de baja
L L
L
CL
CL - ML
ML
línea U (límite superior)
línea A
M y O suelo orgánico
MH ó OHML
22
20
4
7
10
8 10 20 50 90
suelos dealtacompresibilidad
H
CH
C
La línea A representa la división de un suelo arcilloso y un suelo limoso y un
suelo orgánico.
La ecuación de la línea U es:
Tan α = IP / (LL – 8)
IP = 0.9x(LL – 8)
La carta de plasticidad se requiere para la clasificación de suelos de grano fino.
Cada suelo se agrupa de acuerdo con las coordenadas del índice de plasticidad
y del límite líquido.
En esta carta una línea empírica (línea A) separa las arcillas inorgánicas C, de
los limos M y de los suelos orgánicos O. Aunque los suelos limosos y orgánicos
tienen áreas coincidentes que son fácilmente diferenciados por examen visual
de color y olor (color oscuro, con presencia de material orgánico).
La mayoría de las arcillas inorgánicas C caen aproximadamente cerca de la
línea A. Las arcillas caoliníticas tienden a caer por debajo de la línea A como
limos inorgánicos ML o MH, en razón de la semejanza de sus propiedades de
ingeniería.
La línea U (límite superior) representa aproximadamente el límite superior de las
coordenadas del índice de plasticidad y límites líquidos encontrados hasta ahora
para todos los suelos. Cualquier suelo fino que esté a la izquierda de la línea U,
debería motivar sospechas y se hace necesario verificar los límites como primer
paso en la secuencia de clasificación puesto que no se ha encontrado un suelo
fino por encima de la línea U.
Suelos de Grano Fino.-
Se considera este suelo si más del 50 % pasa la malla 200.
Da lugar a tres grupos de suelos cuyo símbolo se usa como prefijo.
Para su clasificación se requiere la carta de plasticidad.
1- Limos inorgánicos cuyo símbolo es M. Se considera cuando los límites
de plasticidad están bajo la línea A de la carta de plasticidad.
2- Arcillas inorgánicas cuyo símbolo es la letra C. El límite líquido y el
índice plástico están por encima de la línea A de la carta de plasticidad.
3- Suelo orgánico cuyo símbolo es la letra O. Puede ser arcilla orgánica o
limo orgánico. Los límites líquidos e índices de plasticidad estan por
debajo de la línea A de la carta de plasticidad.
A su vez cada uno de estos grupos se subdivide en dos subgrupos cuyo símbolo
se usa como sufijo según su límite líquido.
Para su clasificación también se requiere la carta de plasticidad.
Si LL < 50 % ● de baja compresibilidad cuyo símbolo es la letra L.
Se encuentra a la izquierda de la línea B, combinando con el
símbolo genérico tenemos:
- ML si los límites de plasticidad (LL e IP) bajo la línea A o
porción
sobre la línea A con IP < 4
- CL si el límite líquido e índice de plasticidad sobre la línea A y IP
> 7
- OL si los límites líquidos e índice de plasticidad están bajo la
línea A.
Si LL > 50 % ● de alta compresibilidad cuyo símbolo es la letra H.
Se encuentra a la derecha de la línea B, combinando con el
símbolo genérico tenemos:
- MH si el LL e IP están bajo la línea A.
- CH si el LL e IP están sobre la línea A.
- OH si el LL e IP están bajo la línea A.
Se considera casos de frontera y se adjudica un símbolo doble CL-ML si los
límites de plasticidad están sobre la línea A con el IP entre 4 y 7.
Suelos Altamente Orgánicos.-
Se considera este suelo a las turbas y cuyo símbolo genérico es la letra Pt.
Estos suelos son muy compresibles y fácilmente identificables por su color, olor,
sensación esponjosa y frecuentemente por su textura fibrosa.
Los límites de plasticidad (LL e IP) de estos suelos estan bajo la línea A y a la
derecha de la línea B ya que el límite líquido esta entre300 y 500 % y el índice
de plasticidad esta entre 100 y 200 %.
Identificación y Descripción de los Suelos.-
La diferencia entre el significado de clasificación del suelo e identificación del
suelo es muy importante. La clasificación sitúa un suelo en un limitado número
de grupos basándose en la granulometría y en las características de plasticidad
de una muestra de suelo alterada, ignorando las condiciones particulares en la
que se encuentra el suelo en el terreno.
Por lo tanto la identificación y descripción de los suelos permite conocer
información no solo del tamaño de las partículas, gradación, plasticidad sino
también en forma cualitativa las propiedades mecánicas e hidráulicas de los
mismos, además detallar a cerca del color, olor, presencia de material orgánico,
etc. según el grupo en que se sitúen; naturalmente la experiencia juega un papel
importante en la utilidad que se le pueda sacar de su clasificación o
identificación. Por tanto nos da orientaciones, cuando el suelo debe utilizarse en
su estado natural por ejemplo como estrato de cimentación una identificación
completa deberá aportar las mejores indicaciones posibles con respecto a su
comportamiento ingenieril. Por el contrario si el suelo se utiliza como material de
construcción en terraplenes por ejemplo la clasificación del suelo deberá dar
buenas indicaciones a cerca de la conveniencia del uso del suelo en tales
trabajos.
El SUCS tiene una ventaja que ofrece criterios para su identificación en el
campo es decir en aquellos casos en que no se disponga de equipo de
laboratorio para efectuar las pruebas necesarias para una identificación estricta.
Una identificación y una descripción completa del suelo necesita una inspección
visual cuidadosa, un examen manual en el terreno y probablemente también de
las muestras inalteradas llevadas al laboratorio.
Se han desarrollado pruebas simples de campo para la evaluación rápida de las
propiedades del suelo, cuyo detalle a cerca de dichas pruebas y las
recomendaciones completas para la descripción del suelo se presentan en la
norma ASTM-D-2488
Otras pruebas sencillas que llevan a poder identificar un suelo de manera
aproximada cuando se carece de equipo de laboratorio están basadas en los
conceptos que a continuación se indican:
Identificación en Campo de Suelos Gruesos.-
Inspección Visual.-
- Tamaño de las partículas.
- Angulosidad.
- Gradación.
- Contenido de finos.
- Densidad relativa.
- Composición mineralógica.
Diferencia entre Grava y Arena.-
- Utilizando la malla 4 (4.75 mm).
- > 0.5 cm: grava.
- < 0.5 cm: arena.
Gradación en Forma Visual.-
- Se necesita experiencia.
Densidad relativa Descripción
Muy suelto una barra de 1/2" penetra fácilmente
0 - 15 % entonces
28º con la mano
Suelto
si la barra de 1/2" penetra
fácilmente
16 - 35 entonces 28º
a 30º incada con una comba de 5 lb
Medianamente
denso si la barra de 1/2" penetra 30 cm
incado con una comba de 5 lb
Denso
si la barra de 1/2" penetra pocos
centímetros
incada con una comba de 5 lb
Identificación en Campo de Suelos Finos.-
Las principales bases de criterio para identificar los suelos finos en campo son la
investigación de:
- Dilatancia o reacción al sacudimiento.
- Tenacidad o consistencia cerca al límite plástico.
- Resistencia al quebramiento en estado seco.
- Sedimentación.
- Color y olor.
- Tacto.
El conjunto de las pruebas se efectúa con muestras de suelo mayores que el de
la malla 40 o en ausencia de ella previamente sometida a un proceso manual
equivalente.
Problemas.-
1.- Clasificar el suelo según el SUCS cuyas características de
granulometría y límites de consistencia son los siguientes:
% retenido malla 200: 20 % respecto al total
Pasa la malla 4: 92 % respecto al total
Cu = 4
Cc = 1.5
De la fracción fina se obtuvieron los siguientes límites:
LL = 250 %
LP = 100 %
El suelo tiene una apreciable cantidad de materia orgánica.
Solución:
gruesos
suelosgrava
arena
suelo fino
8%
12%
20%
80%
malla 4
malla 200
Como pasa la malla 200 más del 50 % entonces el suelo es fino
LL = 250 % > 50 %: alta compresibilidad
IP = 0.73x(LL – 20)
IP = 0.73x(250 – 20) entonces IP = 168 por lo tanto 168 > 150
El punto cae por debajo de la línea A.
Como tiene una cantidad apreciable de material orgánico.
Respuesta:
OH: arcilla orgánica de alta plasticidad, con un 20 % de suelo grueso.
2.- Clasifique el siguiente suelo por el sistema SUCS.
% retenido en la malla 4 = 10 %
Pasa la malla 4 y es retenido en la malla 200 = 60 %
Pasa la malla 200 = 30 %
Cu = 4; Cc = 2
De la fracción fina se tomó los límites de consistencia:
LL = 40 %; LP = 25 %
Solución:
grueso
suelograva
arena
suelo fino
10%
30%
malla 4
malla 200
60%
Se tiene un 70 % de suelo grueso de los cuales un 60 % es arena S.
Como el 70 % es retenido por la malla 200 entonces es un suelo grueso cuyo
prefijo puede ser G o S.
Como más de la mitad de la fracción gruesa es arena entonces el prefijo es S.
% que pasa la malla 200 = 30 % > 12 %: suelo con apreciable cantidad de finos;
puede ser SM o SC.
IP = 40 – 25 entonces IP = 15 % > 7
LL = 40 % entonces IP = 0.73x(40 – 20) entonces IP = 14.60 %
14.60 % < 15 % entonces está por encima de la línea A e IP = 15 > 7
Así el suelo es SC:
Respuesta:
SC: arena arcillosa, medianamente graduada, con un 30 % de material fino.
3.- Clasifique el siguiente suelo según el SUCS:
2 % del material se retiene en la malla 4
90 % del material pasa la malla 4 y se retiene en la malla 200
De la curva granulométrica se calculó que Cu = 8 y Cc = 2
En la fracción fina se determinó un LL = 45 % y un IP = 14 %
Solución:
grueso
suelograva
arena
suelo fino
2%
8%
malla 4
malla 200
90%
Como el 92 % es retenida por la malla 200 entonces el suelo es grueso. Cuyo
prefijo puede ser G o S.
Como más de la mitad de la fracción gruesa es arena entonces el prefijo es S.
% que pasa la malla 200: 8 % está entre 5 % y 12 % frontera: por lo tanto tiene
doble signo
Como:
Cu = 8 > 6
Cc = 2 entonces 1 <= 2 <= 3
Es W
En los finos:
LL = 45 %
IP = 14 %
Esta debajo de la línea A y a la izquierda de la línea B entonces es M.
Por lo tanto SW – SM
Respuesta:
SW – SM: arena bien graduada, con contenido de finos de baja compresibilidad
entre 5 % y 12 % de limo.
4.- Clasifique el siguiente suelo según el SUCS, cuyos resultados del
análisis granulométrico son los siguientes:
malla
% que
pasa
4 40
10 30
40 22
100 20
200 15
LL = 35 %
LP = 22 %
Observación visual: color café, amarillento oscuro con mucha grava.
Solución:
grueso
suelograva
arena
suelo fino
60%
25%
85%
15%
malla 4
malla 200
Retiene la malla 200 el 85 % > 50 %; entonces es un suelo grueso.
Más de la mitad de la fracción gruesa es grava; prefijo G.
Pasa la malla 200: 15 % > 12 %; sufijo es M o C.
Para M: límites bajo la línea A o IP < 4
Para C: límites sobre la línea A e IP > 7
De nuestros datos:
IP = 13 % entonces encima de la línea A
IP = 13 % > 7 % entonces el símbolo es C
Respuesta:
GC: mezcla de grava, arena y arcilla de color café amarillento oscuro.
Sistema de Clasificación AASHTO.-
El sistema emplea 8 grupos básicos designados como A-1, A-2, A-3, A-4, A-5, A-
6, A-7 y A-8.
Los grupos A-1, A-2 y A-3 corresponden a suelos granulares en los cuales pasa
menos de un 35 % bajo la malla 200.
El resto de los grupos principales A-4, A-5, A-6, y A-7 corresponden a suelos
finos, limos y arcillas en los cuales el porcentaje que pasa la malla 200 es mayor
que el 35 %.
La tabla de clasificación general no presenta el grupo A-8, pero es turba o tierra
vegetal, con base a una clasificación visual.
Los grupos principales del A-1 al A-7 han sido subdivididos en 12 subgrupos.
2 subgrupos de la A-1: (A-1-a; A-1-b)
4 subgrupos de la A-2: (A-2-4; A-2-5; A-2-6; A-2-7)
2 subgrupos de la A-7: (A-7-5; A-7-6)
Por razones de clasificación se ha colocado el grupo A-3 antes que el A-2.
La separación del grupo A-7 en los grupos A-7-5 y A-7-6 se efectúa de acuerdo
al siguiente criterio:
A-7-5 si IP <= LL – 30
A-7-6 si IP > LL – 30
Es importante indicar que la clasificación de suelos debe ir acompañado de un
índice de grupo, el cual se debe colocar entre paréntesis a continuación de la
clasificación.
Procedimiento de Clasificación.-
Con los datos de prueba disponibles que se requieren proceder a buscar de
izquierda a derecha del cuadro de clasificación AASHTO hasta encontrar el
grupo correcto por el proceso de eliminación.
El primer grupo a partir de la izquierda al cual se ajustan los datos de prueba
corresponde a la clasificación correcta. Todos los valores, límites de prueba se
presentan con números enteros. Si en los informes de las pruebas hay números
fraccionarios se aproxima al número entero más cercano con el objeto de
clasificarlos.
Seguidamente se calcula los valores del índice de grupo y se presentan entre
paréntesis después del símbolo de grupo; por ejemplo:
A-2-6 (12) donde 12 es el índice de grupo
A-5 (10) donde 10 es el índice de grupo
En general este sistema de clasificación evalúa un suelo como:
a.- Más pobre para uso en la construcción de caminos en la medida en que se
avanza de izquierda a derecha en la tabla de clasificación; por ejemplo el suelo
A-6 es menos satisfactorio que el suelo A-5.
b.- Más pobre para la construcción de caminos a medida que el índice de grupo
aumenta para un subgrupo particular, por ejemplo un suelo A-6 (3) es menos
satisfactorio que un suelo A-6 (1).
La descripción general de los subgrupos de clasificación del sistema AASHTO
se puede encontrar en la separata.
Cálculo del Índice de Grupo.-
El índice de grupo es un coeficiente empírico que se relaciona en forma
aproximada con el valor de soporte de los suelos de la sub rasante en
pavimentos.
En condiciones normales de drenaje, compactación, etc, el índice de grupo esta
en relación inversa a la capacidad de soporte del suelo.
El índice de grupo es una función del porcentaje de suelo que pasa la malla 200
y de los límites de consistencia. El índice de grupo puede obtenerse como la
suma de los valores de la figura B del cuadro de clasificación de suelos, que es
una representación gráfica de la siguiente ecuación:
IG = 0.2a + 0.005ac + 0.01bd
Donde: IG = índice de grupo
a = parte del porcentaje del material que pasa la malla 200, mayor de
35 y
sin exceder 75, expresada como número entero, para porcentajes
mayores de 75 se considera solo este valor y para valores
menores de 35
a=0; el rango de variación de a es de 0 – 40.
b = parte del porcentaje del material que pasa la malla 200 mayor de
15 y sin
exceder 55, expresada como un número entero; el rango de
variación es
de 0-40.
c = la parte del límite líquido mayor de 40 y no mayor de 60, expresada
como un número entero positivo, el rango de variación es de 0-
20.
d = la parte del índice de plasticidad mayor de 10 y sin exceder de 30,
expresada como un número entero positivo, el rango de variación
es de
0-20.
El índice de grupo debe ser redondeado al número entero más cercano. En
general se interpreta que cuanto mayor sea el índice de grupo menos deseable
es el suelo para su empleo en construcción de carreteras.
Problemas.-
1.- Clasificar los siguientes suelos por el sistema AASHTO.
% que suelos
pasa
malla 1 2 3
4 40 69 95
10 30 54 90
40 22 46 83
100 20 41 71
200 15 36 55
LL 35% 39% 55%
LP 22% 27% 24%
IP 13% 12% 31%
Solución:
♥ Clasificación del suelo 1:
Procedimiento de izquierda a derecha en el cuadro de clasificación AASHTO, el
suelo será A-2-6
a = 0
b = 15 – 15 = 0
c = 0
d = 13 – 10 = 3
IG = 0.2 (0) + 0.005 (0)(0) + 0.01 (0)(3) entonces IG = 0
Por lo tanto:
A-2-6 (0)
♥ Clasificación del suelo 2:
Procedimiento de izquierda a derecha en el cuadro de clasificación AASHTO, el
suelo será A-6
a = 36 – 35 = 1
b = 36 – 15 = 21
c = 39 – 40 = -1 = 0
d = 12 – 10 = 2
IG = 0.2 (1) + 0.005 (1)(0) + 0.01 (21)(2) entonces IG = 0.62 = 1
Por lo tanto:
A-6 (1)
♥ Clasificación del suelo 3:
Procedimiento de izquierda a derecha en el cuadro de clasificación AASHTO, el
suelo será A-7-6
Del gráfico:
a = 8
b = 5.6
entonces IG = 13.6 = 14
por lo tanto:
A-7-6 (14)
COMPACTACIÓN Y ESTABILIZACIÓN DE SUELOS
Estabilización de Suelos.-
Cuando los suelos de un lugar son sueltos o altamente compresibles o cuando
tienen índices de consistencia inapropiados o muy alta permeabilidad o cualquier
otra propiedad indeseable que no pueda llenar los requisitos de resistencia y
compresibilidad para su uso en un proyecto de construcción estos suelos
pueden ser estabilizados.
La estabilización es el proceso por el cual se mejora el suelo para que pueda
alcanzar los requisitos y especificaciones fijados en una construcción;
entendiéndose por un suelo estable a aquel que presenta una buena resistencia
a la deformación y es poco sensible a la presencia del agua.
En su más amplio sentido, la estabilización puede consistir en cualquiera de los
siguientes procedimientos:
1- Aumentar la densidad del suelo mediante procesos de compactación.
2- Agregar materiales para efectuar un cambio químico y/o físico en el
suelo.
3- Drenaje del suelo, cuando se trata de bajar el nivel freático.
4- Pre consolidación del suelo.
5- Remoción y/o reemplazo de los suelos malos.
6- Protección de la superficie contra la erosión y la infiltración de la
humedad.
La estabilización de suelos es normalmente mecánica y físico-química aunque
en ocasiones se han utilizado medios técnicos y eléctricos.
Estabilización Físico-Química.-
Se realiza mediante la utilización de aditivos que actúan física o químicamente
sobre propiedades del suelo, esto incluye la mezcla o inyección de sustancias
químicas al suelo tales como cemento, asfalto, cal, cloruro de sodio, cloruro de
calcio, etc.
Últimamente también se han realizado estabilización de suelos utilizando
geotextiles y productos químicos como el perma zyme 22x. Existen diferentes
procedimientos para estabilizar suelos mediante alteraciones físico-químicas.
La estabilización química consiste en cambiar las propiedades de los granos del
suelo, principalmente de los minerales arcillosos y de su agua adsorvida. El
cambio de iones, es el cambio de los cationes en la película de agua adsorvida.
Existen estabilizaciones electroquímicas que implica un cambio de base o iones
producido por una corriente eléctrica. Los cationes de Al se desprenden de un
electrodo positivo de Al y emigran en el suelo hacia el electrodo negativo y en el
curso de su movimiento se efectúa el cambio de iones para mejorar las
características plásticas de los suelos.
El cemento Pórtland, la cal y mezclas de cal-cemento se utilizan ampliamente en
la estabilización de suelos, ya sea alterando la plasticidad para controlar el
cambio de volumen o mejorando su resistencia.
La alteración de la plasticidad supone un procedimiento de mezclas añadiendo
pequeñas cantidades de cal y cemento al suelo (0.5 % al 5 %). La alteración de
la resistencia implica la adición al suelo de porcentajes adecuados de cemento
(4 % al 8 %).
Estabilización Mecánica.-
La estabilización mecánica es el mejoramiento del suelo por el cambio de
graduación. Consiste generalmente en mezclar dos o más suelos naturales para
obtener un material compuesto que sea superior a cualquiera de sus
componentes, esto también incluye la adición de roca triturada o escorias al
suelo.
Se incluye en la estabilización mecánica a procedimientos de compactación,
técnicas de vibración y procedimientos de drenaje en suelos.
Mezcla de Suelos.-
Lo normal es que una estabilización se lleve a cabo mediante la mezcla binaria
de suelos. Estas mezclas y su homogenización en la obra nunca se realizan
con más de dos suelos pues no son operaciones de prueba-costo, y aunque
en laboratorio y para ensayos de experimentación se pueden mezclar más de
dos suelos.
La granulometría de la mezcla puede establecerse utilizando el concepto de
módulo granulométrico.
Se denomina módulo granulométrico al resultado de dividir por 100 la suma de
las cantidades retenidas acumuladas en distintos tamices de un proceso de
tamizado de las muestras de suelo.
El número de tamices ha de ser suficiente para representar la granulometría con
presición y cuanto más elevada sea, será mejor. En todo caso no deberán faltar
la serie fina de tamices 4, 10, 40 y 200. En cuanto a la serie de gruesas los
tamices se habrán de elegir en función del máximo tamaño del árido de la
mezcla futura.
El módulo granulométrico de un suelo de granulometría gruesa será elevado,
mientras que el de un suelo fino será bajo, pero cuando se comparen módulos
de dos suelos, se han de tomar siempre para su determinación los mismos
tamices.
No es preciso apostarse con toda exactitud a una curva granulométrica dada
para lograr la máxima compacidad en los suelos gruesos, a igualdad de
consistencia; es suficiente que el módulo granulométrico del árido o de una
mezcla de áridos coincida con el de la curva teórica adoptada. Esta hipótesis de
sobra confirmada por la práctica, también es aplicable para lograr la máxima
compacidad en las mezclas de suelos considerados, con una buena
compactación a la humedad óptima como hormigones de áridos con un material
ligante (arcilla), se ha comprobado máximas compacidades en muchas
ocasiones.
Se puede adoptar como una curva granulométrica de máxima compacidad la
ecuación teórica deducida por Talbot que establece la granulometría ideal
mediante la siguiente ecuación:
P = (d/D)^n x 100
Donde: P = tanto por ciento en peso de partículas que pasa por el tamiz de
abertura d
D = es el máximo tamaño de las partículas en cada caso (abertura
máxima
del tamiz correspondiente).
d = abertura del tamiz 1 ½”; 1”.
n = es un exponente que está en función de los valores de D que varía
de
0.11 a 0.50
D n
2" 0.5
1
1/2" 0.4
1" 0.33
3/4" 0.30
3/8" 0.22
Problemas.-
1.- Si aplicamos la ecuación de Talbot a un tamaño máximo de 1 ½” utilizando la
serie de tamices especificado por la AASHTO, la ecuación de Talbot que se
utilizará será la siguiente:
P = (d/D)^n x 100
Donde: D = 1 ½” x 2.54 x 10
D = 38.10 mm
por lo tanto n = 0.4
Así: P = (d/38.10)^0.4 x 100
Tamices para la AASHTO:
tamiz % que pasa
1 1/2" 100
1" 70 - 100
3/4" 60 - 90
3/8" 40 - 70
4 30 - 60
10 20 - 50
40 10 - 30
200 5 - 15
tamiz
diámetro
(mm)
% que
pasa Talbot
%
retenido Talbot
1 1/2" 38.10 100 100 0 0
1" 25.40 85 85.03 15 14.97
3/4" 19.05 75 75.79 25 24.21
3/8" 9.525 55 57.43 45 42.57
4 4.75 45 43.48 55 56.52
10 2.00 35 30.76 65 69.24
40 0.425 20 16.56 80 83.44
200 0.074 10 8.23 90 91.77
Σ: 375
Σ:
382.72
2.- Supongamos que se pretenda conseguir una mezcla de suelos A y B, de
modo que tenga el mismo módulo granulométrico que el que corresponde a
valores medios del uso de un tamiz de 1 ½” cuya especificación de obra se
tienen en el problema anterior.
Los suelos A y B que se pretenden mezclar tienen los siguientes módulos
granulométricos:
Suelo A: MA = 4.53 suelo grueso
Suelo B: MB = 2.30 suelo fino
Mezcla: MM = 375/100 entonces MM = 3.75
Xa = proporción de suelo A
XB = proporción de suelo B
XA.MA + XB.MB = MM100 ………. (1)
XA + XB = 100 ………. (2)
De (2):
XA = 100 – XB ………. (3)
En (1):
(100 – XB)x4.53 + 2.30XB = 375
Por lo tanto:
XB = 35 %
XA = 65 %
XA y XB serán las proporciones en que deberían mezclarse los suelos A y B
para obtener un suelo capaz de conseguir a la humedad óptima la misma
compacidad que el suelo especificado.
Compactación de Suelos.-
Es el mejoramiento artificial de sus propiedades mecánicas mediante la
aplicación de energía mecánica.
La importancia de la compactación de los suelos estriba en el aumento de la
resistencia y disminución de capacidad de deformación que se obtiene al sujetar
el suelo a técnicas convenientes que aumente su peso específico seco
disminuyendo sus vacíos.
Por lo general las técnicas de compactación se aplica a rellenos artificiales tales
como cortinas de presas de tierra, diques, terraplenes para carreteras y
ferrocarriles, pavimentos, etc.
Entre las ventajas que se desarrollan en el suelo a través de la compactación
tenemos:
1- Reducción de los asentamientos debido a la disminución de la relación de
vacíos.
2- Aumento de la resistencia del suelo (resistencia al esfuerzo cortante).
3- Reducción de la contracción.
La principal desventaja es que se aumenta el hinchamiento y el potencial de
expansión por heladas.
Curva de Compactación.-
La representación gráfica del contenido de humedad ω-peso específico seco γd
en un proceso de compactación sea cual fuere el procedimiento de
compactación que se siga, recibe el nombre de curva de compactación y se
obtiene variando el contenido de humedad y calculando γd mediante la siguiente
expresión:
γd = γ / (1 + ω)
para suelos parcialmente saturados.
Donde: γ = peso volumétrico de la masa del suelo húmedo.
ω = contenido de humedad.
d
para suelos saturados
dmáx.
optimo
%
1 + Gsd = --------------
Gs. wlínea de saturación:
curva de compactación: para suelos parcialmente
saturados
Ojo: dichas curvas nunca se intersectan.
γdmáx = peso volumétrico seco máximo.
ωopt = contenido de humedad óptimo.
Esta curva se puede obtener de un ensayo de compactación:
♥ Próctor estándar
♥ Próctor modificado
Si la curva o línea de saturación teórica no toca o cruza a la curva de
compactación se acepta que el ensayo de compactación estuvo bien ejecutado.
Factores que Afectan el Proceso de Compactación de Suelos.-
Como es natural un suelo se puede compactar de varias maneras y en cada
caso se obtendrá un resultado diferente; por otra parte una misma forma de
compactación dará resultados distintos si se aplica a diversos suelos.
De estas afirmaciones justifican la conclusión de que los resultados de un
proceso de compactación dependen de varios factores, unos que atañen al tipo
de suelo, otros relativos al método de compactación que se emplea y otros que
se refieren al esfuerzo o energía de compactación. Estos factores suelen
denominarse “las variables” que rigen el proceso de compactación.
Las principales de estas se describen a continuación:
Características Físicas del Suelo (tipo de suelo).-
Es claro que la clase de suelo con que se trabaja influye de manera decisiva en
el proceso de compactación. Existen diferencias entre las técnicas de
compactación que se emplean y los resultados que se obtienen son
precisamente con base en el tipo de suelo.
En investigaciones se ha demostrado que además de la granulometría,
contenido de humedad, peso unitario seco tiene incidencia sobre una buena
compactación el contenido de finos, la angulosidad y rugosidad de las partículas.
Dentro de la práctica os suelos gruesos y finos se pueden considerar como
suelos cohesivos (arcillas), suelos friccionantes (gravas, arenas, limos limpios),
suelos cohesivos friccionantes (grava con arcilla, arena con arcilla, limo con
arcilla), debido a que su comportamiento bajo la acción de cargas ponen de
relieve la mayor importancia en la selección del equipo apropiado de
compactación para cierto tipo de suelo.
Método de Compactación.-
En el laboratorio resulta bastante fácil clasificar los métodos de compactación los
cuales son de tres tipos bien diferenciados:
- Compactación por impacto.
- Compactación por amasado.
- Compactación por aplicación de carga estática.
Resulta más difícil en campo (en obra) diferenciar de un modo análogo los
métodos de compactación.
En una primera clasificación y dependiendo del tipo de suelo que se va a
compactar, el equipo de compactación puede transmitir su energía al suelo por
presión, vibración, impacto y amasado mediante rodillos estáticos, vibratorios,
pata de cabra y neumáticos.
Se supone que los métodos de laboratorio reproducen las condiciones del
proceso de campo, pero en muchos casos no es fácil establecer una
correspondencia clara entre el trabajo de campo y las pruebas de laboratorio, en
el sentido de contar aunque estas últimas reproduzcan en forma suficientemente
representativa todas las condiciones del suelo compactado en campo.
Esfuerzo o Energía de Compactación.-
El esfuerzo de compactación es una medida de la energía mecánica aplicada a
la masa de suelo en el campo el esfuerzo de compactación esta relacionado con
el número de pasadas del equipo de compactación en un volumen dado de
suelo.
En laboratorio la energía de compactación puede ser desarrollada por impacto,
amasado o por medios estáticos.
Durante la compactación por impacto, un martillo cae varias veces en una
muestra de suelo, en un molde, se especifica el tamaño del martillo, la altura de
caída, el número de golpes, el número de capas de suelo y el volumen del
molde. La energía de compactación por impacto para el ensayo de
compactación estándar se calcula mediante la siguiente expresión:
Ec = (N.n.W.H) / V
Donde: Ec = energía específica de compactación (kg.cm/m3)
N = número de golpes por capa.
n = número de capas del suelo.
h = altura de caída libre del pistón.
W = peso del pistón.
V = volumen total del suelo compactado.
Para los métodos de compactación por amasado y estáticos, el cálculo de la
energía de compactación es extremadamente complejo.
En la compactación por amasado, el pistón comprime al suelo aplicándole una
presión dada en una fracción de tiempo. Se ha supuesto que la acción del
amasado simula la compactación producida por un rodillo pata de cabra.
En la computación estática el suelo es presionado en un molde por una presión
estática de cierta magnitud y la fricción lateral en el molde llega a ser un factor
significante ya que se desarrolla una presión lateral que esta relacionada con la
presión vertical.
La compactación por amasado puede ser aplicada solo a suelos cohesivos y la
compactación estática a cualquier suelo.
Para estudiar la influencia del esfuerzo de compactación se han desarrollado las
relaciones ω vs γd para diferentes energías de compactación obteniéndose las
siguientes curvas de compactación.
d
d1 > d2 > d3d1
1
Ec (1)
d2
d3
2 3
Ec (2)
Ec (3)
Ec (1) > Ec (2) > Ec (3)
1 < 2 < 3
Problemas.-
1.- Se sabe que la energía específica de compactación que corresponde al
ensayo de próctor modificado es 27.2 kg.cm/cm3 (hecho en el molde de 4”
de diámetro).
Disponiendo únicamente del equipo de próctor estándar, en cuantas capas
y en cuantos golpes por capa se podrá compactar el suelo para alcanzar a
27.2 kg.cm/cm3 de energía específica de compactación.
N = ?
n = ?
Ec = 27.2
Equipo próctor estándar: ω = 5.5 lb = 2.5 kg
h = 12” = 30.48 cm
V = 945 cm3
Solución:
Ec = (N.n.W.h) / V y el molde es de 4.59” x 4”
27.2 = (N.n.25x30.48) / 945
N = 33.73 / n
Por tanteos tenemos:
n N
2 16.87
3 11.24
4 8.43
5 6.75
6 5.62
7 4.82
8 4.22
9 3.75
10 3.37
Por razones prácticas en un molde de 42 por 4.59” no es recomendable
compactar más de 8 capas, por lo tanto asumimos que:
n = 8 y N = 4
2.- En un terreno seleccionado como cantera de materiales, para la
construcción de una presa de tierra; se han efectuado in situ dos
determinaciones de pesos volumétricos en el estado natural. También con
las muestras representativas de este material de cantera, se han efectuado
una serie de ensayos de próctor modificado, de las cuales se ha
considerado como patrón los resultados que se presentan en el siguiente
cuadro:
próctor modificado compactado en molde de 6"
en laboratorio I II III IV
peso suelo húmedo gr 3830 4100 4030 3790
contenido de humedad
% ω 5.5 7.0 9.0 11.0
volumen del molde 2130 cm3
Para los pesos volumétricos en campo utilizando el método del cono de
arena:
huecos para el cono de arena 01 02
peso del suelo húmedo gr 6034 6012
peso de la arena antes del ensayo
gr 6323 5826
peso de la arena después del
ensayo gr 1340 1002
contenido de humedad de
compactación % ω 6.5 8.5
Peso volumétrico de la arena calibrada: 1.40 gr7cm3 (γ)
Determinar los grados de compactación obtenidos en campo.
Así mismo calcular las compacidades relativas si el peso volumétrico seco
mínimo de campo es 1.5 gr/cm3.
Solución:
GC = (γd campo / γdmáx laboratorio) x 100
γd = γm / (1 + ω)
γm = Wmuestra húmeda / Vmolde
Cálculo del γd máximo:
propiedad I II III IV
γm(gr/cm3) 1.80 1.92 1.89 1.78
γd(gr/cm3) 1.71 1.79 1.73 1.60
1.80
5.5 11
1.73
1.71
1.60
97
d
Por lo tanto:
γdmáx = 1.80 gr/cm3
ωopt. = 7 %
γdcampo = γmcampo / (1 + ωcampo)
γ = W / Vhueco entonces Vhueco = W1 / γ y Vhueco = W2 / γ
Vhueco 1 = (6323 – 1340) / 1.40 entonces Vhueco 1 = 3559.29 cm3
Vhueco 2 = (5826 – 1002) / 1.40 entonces Vhueco 2 = 3445.71 cm3
γm1 = 6034 / 3559.29 entonces γm1 = 1.70 gr/cm3
γm2 = 6012 / 3445.71 entonces γm2 = 1.74 gr/cm3
γd1 = 1.70 / (1 + 6.5/100) entonces γd1 = 1.60 gr/cm3
γd2 = 1.74 / (1 + 8.5/100) entonces γd2 = 1.60 gr/cm3
GC 1 = (1.58 / 1.80) x 100 entonces GC 1 = 88 %
GC 2 = (1.60 / 1.80) x 100 entonces GC 2 = 89 %
