103 Clasificacion de suelos.pdf

Clasificación de suelos y propiedades índice

(84.07) Mecánica de Suelos y Geología Alejo O. Sfriso: [email protected] Ernesto Strina: [email protected] Mauro Codevilla: [email protected]

Índice e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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• • • • • •

Origen Origen de los suelos suelos y sist sistema ema de clasif clasifica icació ción n Suelos gruesos Suelos finos Cart Ca rta a de de cla clasi sififica caci ción ón de de sue suelo loss Propiedades índice Fisi Fi sico coqu quím ímic ica a de de las las ar arci cillllas as

Origen de los suelos: suelos residuales e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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http://es.wikipedia.org/wiki/Saprolito#/media/File:Laterite_formation_on_basaltic_tuff,_Madagascar._C_005.jpg

Origen de los suelos: suelos transportados e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Origen de los suelos: suelos transportados e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Depósito deltaico

Depósito Depósito fluvio - glaciaico glaciaico

Partículas del suelo e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Clasificación de suelos e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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La clasificación le da el “nombre” a un suelo Define lo que el suelo “es” • Grava (G: gravel) • Arena (S: sand) • Limo (M: silt) • Arcilla (C: clay)

Clasificación de suelos e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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La clasificación de suelos agrupa materiales con propiedades físicas, mecánicas e hidráulicas similares • Suelos gruesos (Arenas y Gravas) – Las partículas se tocan entre sí (fuerzas de masa) – Controla: granulometría, forma y dureza de partículas • Suelos finos (Limos y Arcillas) – Las partículas no se tocan entre sí – Las partículas tienen cargas eléctricas (f. superficiales) – Controla: capacidad de absorber agua

Clasificación de suelos: el rango limos arcillas e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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100 – 50 – 20

 m

10 – 2 – 1

 m


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• Origen de los suelos y sistema de clasificación • Suelos gruesos – Granulometría – Esfericidad y redondez • Suelos finos • Carta de clasificación de suelos • Propiedades índice • Fisicoquímica de las arcillas

Suelos gruesos e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Fracción suelo: tamaño menor a 75mm (criba 3”) Tamaño grava: 75mm a 4.75mm (tamiz #4) Tamaño arena: 4.75mm a 74μm (tamiz #200) Suelo grueso: 200 < 50%

Granulometría por vía seca e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Curvas granulométricas típicas e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Granulometría por vía seca e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Coeficiente de uniformidad Coeficiente de curvatura

 =  =

   

  

Los coeficientes miden la forma de la curva granulométrica • Curva granulométrica suave: suelos bien graduados – Pueden densificarse mediante vibración – Más rígidos y resistentes – Mas resistentes a erosión • Curva granulométrica abrupta: suelos mal graduados

Clasificación de suelos gruesos limpios e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

Suelo grueso limpio: # < 5% • Si # > 50% # • Si # < 50% # • Si S y  > 6 y 1 <  < 3 • Si S y no SW • Si G y  > 4 y 1 <  < 3 • Si G y no GW

Grava (G) Arena (S ) Bien graduado (SW ) Mal graduado (SP ) Bien graduado (GW ) Mal graduado (GP )

Si 5% < # < 50% son suelos gruesos con finos 15

Ejercicio de clasificación de suelos gruesos limpios e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Esfericidad y redondez e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

=

 

=

17

Σ  ⁄ 

Esfericidad y redondez e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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PARÁMETRO

CARENA

TECPLATA

Esfericidad

0.603

0.613

Redondez

0.510

0.630

Regularidad

0.557

0.622

Carena

Tecplata


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• Origen de los suelos y sistema de clasificación • Suelos gruesos • Suelos finos – Límite líquido y límite plástico – Carta de Casagrande • Carta de clasificación de suelos • Propiedades índice • Fisicoquímica de las arcillas

Suelos finos e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Predominan las fuerzas de interacción electroquímica La “granulometría” no controla el comportamiento • Tamaño limo: 74 (tamiz #200) a 2 • Tamaño arcilla: menor a 2 Lo que decide si es Limo o Arcilla es su capacidad de absorber agua

Granulometría por vía húmeda e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

=

Hidrometría: aplica ley de Stokes 100%

Arcillas (< 2 m)

R#200 (74μm)

% 95% PASA 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 55%

I II III IV V VI VII VIII IX X XI

50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 0.1

21

0.01

0.001 F P ARTICULA

(mm)

    −  18

Límites de Atterberg e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Límite líquido (LL) • Mas humedad que LL, se porta como un líquido • Menos humedad que LL, se porta como un sólido Límite plástico (PL) • Mas humedad que PL, se porta como plástico • Menos humedad que PL, se porta como frágil Límite de contracción (SL) • El suelo parece seco, cambia de color, puede fisurarse

Límite líquido e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

Es la humedad que tiene el suelo cuando se juntan dos mitades con N = 25 golpes de la copa contra su base (ASTM 4318) • Si N > 25 el suelo está muy duro:  <  • Si N < 25 el suelo está muy blando:  > 

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Límite líquido e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

Hay dos maneras de hacer el ensayo • Tres puntos y se interpola

• Un punto y se aplica la ecuación 24

 =  

 25

.

Límite plástico e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Es la humedad a la cual un “rollito” de suelo que se afina con la mano se parte en fragmentos cuando llega a 3mm de diámetro

Carta de plasticidad e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

L P L L = o c i t s á l p e c i d n Í

7 4 26

Baja plasticidad (L)

Alta plasticidad (H)

Arcilla de alta plasticidad (CH)

Arcilla de baja plasticidad (CL)

(CL-ML) 20

Limo de alta plasticidad (MH)

(ML) 50

Límite líquido

Ejercicios de clasificación de suelos finos e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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• • • • • •

Origen de los suelos y sistema de clasificación Suelos gruesos Suelos finos Carta de clasificación de suelos Propiedades índice Fisicoquímica de las arcillas

e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Carta de clasificación de suelos


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Ejercicios de clasificación de suelos e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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1: P#4=100%, P#200=95%, LL=38, LP=28 2: P#4=100%, P#200=25%, LL=27, LP=13, Cu=4.3, Cc=1.1 3: P3”=95%, P#4=50%, P#200=8%, LL=27, LP=13, Cu=5.9, Cc=1.7 4: P#4=90%, P#200=3%, Cu=2.3, Cc=1.7


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• • • • • •


Propiedades índice e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Las propiedades índice caracterizan el estado de un suelo (definen cómo el suelo “está”)

Diagrama de fases e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Para definir las propiedades índice se recurre al diagrama de fases

Diagrama de fases e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Para definir las propiedades índice se recurre al diagrama de fases – Humedad  =  ⁄ – Peso unitario  = ⁄ – Peso unitario  =  ⁄   seco – Relación de  =  ⁄ vacíos  =  ⁄ – Porosidad – Grado de  =  ⁄ saturación

Ejercicio: Deducción de algunas relaciones útiles e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

 = = =

 1+ 

1+  

 =

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−1    

 = =

 1+ 

1−

=  =

           

Propiedades índice que “no cambian” e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Algunas propiedades índice no cambian cuando cambia la humedad o la densidad del material • Peso específico de las partículas sólidas ( ) depende de los minerales constitutivos • Para suelos gruesos, la relación de vacíos máxima y mínima (emax y emin) depende de la granulometría y forma de partículas • Para suelos finos, los límites de Atterberg (LL, LP) y la superficie específica (S e) dependen de los minerales de arcilla presentes

Peso específico de las partículas sólidas e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

 = 41

 

Efecto de forma sobre densidad e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Superficie específica e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

Relación entre superficie de partículas (m2) y su masa (gr)

(Narcilio y Santamarina) 43

Propiedades índice derivadas e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

Son números adimensionales que permiten agrupar a suelos de comportamiento similar • Suelos gruesos  −   = – Densidad relativa  −  • Suelos finos  −  – Consistencia relativa  =  − 

– Índice de liquidez 44

 =

 −   − 

Ejercicios e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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• Arcilla – Humedad natural – Peso unitario y cálculo de peso unitario seco – Límites y Clasificación – Fabricación de muestra con C r = 0.2 y C r = 0.8 • Arena – Granulometría y Clasificación – Medición de emin y emax – Fabricación de muestra con Dr = 0.2 y Dr = 0.8 • Práctica de laboratorio: clasificación y prop. índice

Nota de precaución e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Suelo grueso: comportamiento controlado por contacto entre partículas • Densidad controla el comportamiento • “Seco” o “húmedo” no es importante Suelo fino: comportamiento controlado por interacción fisicoquímica entre minerales y agua • La “humedad” es la propiedad índice fundamental • El suelo tiene “memoria” El contenido de finos que es frontera entre comportamientos es 20% – 30%, no 50% “GC” es más “C” que “G”, “SM” es más “M” que “S”


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• • • • • •


Fundamentos físicos de la clasificación de suelos e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Química de las arcillas e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Los procesos físicos de meteorización de rocas pueden generar gravas, arenas y limos Sólo los procesos químicos generan arcillas Las unidades fundamentales de las arcillas son cristales planos, fundamentalmente silicatos de Al, Fe, Mg Dos configuraciones atómicas posibles, tetraedro y octaedro, forman los distintos minerales de arcilla

Configuraciones atómicas e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Dos configuraciones atómicas posibles, tetraedro y octaedro, forman los distintos minerales de arcilla Los octaedros se ubican entre dos capas de tetraedros

Fuerzas superficiales e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Las caras de las partículas de arcilla tienen carga negativa debido a: • Enlaces rotos de los bordes • Sustitución de átomos por otros de menor valencia (Si por Al, Al por Mg o Fe) Cuanto más chicas son las partículas (mayor superficie específica), las fuerzas eléctricas aumentan en relación al peso

Cationes de cambio e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Las cargas negativas de las caras atraen cationes • Los cationes no se distribuyen uniformemente en la fase líquida • La concentración es mayor cerca de la partícula “Doble capa difusa (DDL)” = capa negativa de arcilla y capa positiva de cationes de densidad decreciente

Agua adsorbida e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Moléculas de agua se adhieren a la superficie negativa de la arcilla, por puente de hidrógeno El espesor de la capa adsorbida de 10Å a 100Å (1 Å = 10-10 m = 10-4 mm)

Agua adsorbida e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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Densidad del agua 1.4 g/cm3 contra la partícula de arcilla Moléculas de agua adsorbida no están en estado sólido, se mueven fácilmente paralelo a la arcilla pero no se alejan o acercan

Caolinita (LL < 50) e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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• Producto de la alteración de feldespatos y micas • Una capa de octaedros y una de tetraedros conforman una “hoja” • Una partícula es un “bloque” de “hojas” • Se forma una unión débil por puente de hidrógeno entre dos “hojas” • La sustitución de Si o Al es muy escasa, la fórmulaes Si4O10 Al4(OH)8 • No tiene carga neta (negativa o positiva) • Díametro partícula hasta 10mm, espesor D/2 a D/10

Montmorilonita (LL > 200) e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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• Producto de la alteración de cenizas volcánicas • Dos capas de tetraedros encierran una de octaedros • Algunos Si(4+) sustituidos por Al(3+) y otros Al(3+) de los octaedros sustituidos por Mg o Fe (2+) • Por lo tanto, las “hojas” tienen carga negativa • La unión débil entre tetraedros es mucho más débil que en la caolinita por lo que puede ingresar agua • Las caras negativas atraen cationes que son fácilmente sustituibles: cationes de cambio • Espesor D/100 a D/1000, puede llegar a 20 “hojas”

Illita (LL 50 a 80) e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

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• Es el mineral de arcilla más abundante, producto de la alteración de muscovitas y feldespatos • Similar a la montmorilonita pero los cationes son Potasio y no son intercambiables • No admite la entrada de agua entre las “hojas” • Espesor D/10 a D/50 En las rocas hay más K que Na pero en el agua de mar hay mucho más Na que K Las montmorilonitas antiguas se fueron convirtiendo en illitas fijando K y puede ser ésta la explicación

Haloysita (LL cambia cuando se seca a estufa) e c i d n í s e d a d e i p o r p y s o l e u s e d n ó i c a c i f i s a l C

Similar a la caolinita pero se interponen moléculas de agua en la unión entre dos “hojas” En una de las caras, las distancias se acortan y la hoja se enrolla [Si4O10 Al4(OH)8]4H2O

Si se seca a estufa, el tubo colapsa 58

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