COMPARACION SUCS Y AASTHO.docx

Informe de Ingenier ía: “Comparación “Comparación de la Calidad de Suelos según el Método de SUCS y ASSHTO” /Asesor: Ing. Gus tavo Adolfo Aybar Arriola

RESUMEN Mucha información relacionada con el suelo es irrelevante o escasa para alguna aplicación que se desee hacer, la intención de este trabajo es reunir todo aquel material que sea de utilidad práctica, sobre todo para proyectos pequeños o diseños preliminares, con el fin de predecir el comportamiento de un suelo. CAPÍTULO 1: el suelo es el soporte último de todas las obras de infraestructura, por lo que es necesario estudiar su comportamiento y presenta los tipos de suelos que existen, suelos granulares, suelos cohesivos y suelos orgánicos. CAPÍTULO 2: Los sistemas de clasificación de suelos los dividen en grupos y subgrupos con base a propiedades ingenieriles comunes tales como la distribución granulométrica, el límite líquido y el límite plástico. Los dos sistemas de clasificación que se usan en la actualidad son el sistema AASHTO (American Association of estate highway and transportation officcials) y el sistema unificado de clasificación de suelos (también ASTM). CLASIFICACION UNIFICADA DE SUELOS (SUCS) Este sistema fue propuesto por Arturo Casagrande. CAPÍTULO 3.- El objetivo de este capítulo no es otro que conocer más a fondo las propiedades más importantes del suelo de cara a su aplicación directa en la construcción de infraestructuras viarias, así como los procedimientos de ensayo empleados para determinarlas y las clasificaciones más usuales en la Ingeniería. Creemos que será también de gran utilidad para orientar sobre pruebas más precisas y sofisticadas en proyectos de mayor tamaño. El estudio de los dos sistemas de clasificación permitirá obtener la información más completa posible.

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INTRODUCCIÓN La idea principal, en la elaboración de este trabajo surge a raíz de los múltiples sistemas que existen en la actualidad, unos basados en propiedades granulométricas y otros en las propiedades plásticas del suelo, pero todos enfocados a un mismo objetivo, describir y clasificar los diferentes tipos de suelos de una manera práctica y eficiente. En el cuerpo de este trabajo se presentan y discuten los dos sistemas de clasificación de suelos SUCS y ASSHTO, haciendo énfasis en el provecho que se puede obtener de ellos al correlacionarlos con diferentes aplicaciones constructivas. En este documento se hace una descripción de los dos sistemas de clasificación más comunes y de gran utilidad para el ingeniero civil, el Método de SUCS y ASSHTO Uno de los puntos más importantes a mencionar aparte de los dos diferentes sistemas de clasificación, es de clasificar al suelo para su mejor uso; asimismo, relacionarlo con propiedades y características de ensayos de laboratorio y hacer correlación con los diferentes tipos de suelos que determinan los procedimientos de clasificación. Por último se hace una Comparación de la Calidad de Suelos entre los diferentes sistemas de clasificación con el objetivo de relacionar r elacionar el tipo de suelo de un sistema con respecto a otro e implementar las medidas necesarias para su aplicación.

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INTRODUCCIÓN La idea principal, en la elaboración de este trabajo surge a raíz de los múltiples sistemas que existen en la actualidad, unos basados en propiedades granulométricas y otros en las propiedades plásticas del suelo, pero todos enfocados a un mismo objetivo, describir y clasificar los diferentes tipos de suelos de una manera práctica y eficiente. En el cuerpo de este trabajo se presentan y discuten los dos sistemas de clasificación de suelos SUCS y ASSHTO, haciendo énfasis en el provecho que se puede obtener de ellos al correlacionarlos con diferentes aplicaciones constructivas. En este documento se hace una descripción de los dos sistemas de clasificación más comunes y de gran utilidad para el ingeniero civil, el Método de SUCS y ASSHTO Uno de los puntos más importantes a mencionar aparte de los dos diferentes sistemas de clasificación, es de clasificar al suelo para su mejor uso; asimismo, relacionarlo con propiedades y características de ensayos de laboratorio y hacer correlación con los diferentes tipos de suelos que determinan los procedimientos de clasificación. Por último se hace una Comparación de la Calidad de Suelos entre los diferentes sistemas de clasificación con el objetivo de relacionar r elacionar el tipo de suelo de un sistema con respecto a otro e implementar las medidas necesarias para su aplicación.

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INDICE RESUMEN---------RESUMEN--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1 ---1 INTRODUCCION-INTRODUCCION------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2 ---2 CAPÍTULO 1: CONCEPTOS BASICOS DE LOS SUELOS -------------------------4 1.1. Origen de los suelos---------------suelos------------------------------------------------------------------------------------------------------------5 -----5 1.2. Suelos granulares--------granulares---------------------------------------------------------------------------------------------------------------6 ---------------6 1.3. Suelos cohesivos-----cohesivos---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------6 --------6 1.4. Suelos orgánicos----------orgánicos----------------------------------------------------------------------------------------------------------------7 --------------7 CAPÍTULO 2: ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE CLASIFICACION--------------9 2.1. La importancia de clasificar---------------------------------------------------------9 2.2. El sistema sistema unificado unificado SUCS-----------------------SUCS----------------------------------------------------------------------21 -----------------21 2.3. El sistema sistema AASHTO------------------AASHTO--------------------------------------------------------------------------------------------26 -----------------26 CAPÍTULO 3: SISTEMAS DE CLASIFICACION Y PROPIEDADES DEL SUELO--------------SUELO------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 34 3.1. Calificación y clasificación con propiedades ingenieriles y utilidad-----34 3.2. Ensayos para determinar las propiedades mecánicas de los suelos---40 3.3. Relación entre diferentes sistemas de clasificación-------------------------66 RECOMENDACI RECOMENDACIONES--------ONES----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------72 ----------72 CONCLUSIONE CONCLUSIONES---------------S--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------73 -------73 GLOSARIO GLOSARIO DE TERMINOS---------------TERMINOS---------------------------------------------------------------------------------------------------75 -----------75 BIBLIOGRAFIA--BIBLIOGRAFIA------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------77 ---------77

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Informe de Ingenier ía: “Comparación de la Calidad de Suelos según el Método de SUCS y ASSHTO” /Asesor: Ing. Gus tavo Adolfo Aybar Arriola

CAPÍTULO I 1. CONCEPTOS BASICOS DE LOS SUELOS Tradicionalmente, el suelo ha sido definido como un “agregado de partículas minerales, a lo sumo parcialmente cementadas”. Si nos adentramos

en el campo de la ciencia y de la técnica esta definición se difumina, adoptando una significación distinta dependiendo de la disciplina que lo estudie. Así, para un ingeniero geotécnico, el suelo es un material natural que, a diferencia de la roca, presenta una marcada modificación de sus propiedades en presencia de agua; para el constructor, no es más que todo aquel material que puede ser excavado sin emplear explosivos. En cualquier caso, el suelo es el soporte último de todas las obras de infraestructura, por lo que es necesario estudiar su comportamiento ante la perturbación que supone cualquier asentamiento antrópico, en nuestro caso una carretera. La Geotecnia –más concretamente la Mecánica de Suelos- viene a demostrarnos que el terreno se comporta como una estructura más, con unas características físicas propias –densidad, porosidad, módulo de balasto, talud natural, cohesión o ángulo de rozamiento interno- que le confieren ciertas propiedades resistentes ante diversas solicitaciones –compresión, cizallareflejadas en magnitudes como la tensión admisible o los asientos máximo y diferencial. En

función

de

todas

estas

variables

pueden

establecerse

clasificaciones útiles desde el punto de vista constructivo, estableciendo una tipología de suelos que refleje las características genéricas de cada grupo y su idoneidad como soporte para los diferentes tipos de construcciones civiles. El objetivo de este capítulo no es otro que conocer más a fondo las propiedades más importantes del suelo de cara a su aplicación directa en la construcción de infraestructuras viarias, así como los procedimientos de ensayo empleados para determinarlas y las clasificaciones más usuales en Ingeniería de Carreteras.

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1.1.- ORIGEN DE LOS SUELOS Los suelos provienen de la alteración –tanto física como química- de las rocas más superficiales de la corteza terrestre. Este proceso, llamado meteorización, favorece el transporte de los materiales alterados que se depositarán posteriormente formando alterita, a partir de la cual y mediante diversos procesos se consolidará el suelo propiamente dicho. Aunque posteriormente se establecerán diversas clasificaciones específicas, pueden diferenciarse en una primera aproximación, diversos tipos de suelo en función de la naturaleza de la roca madre y del tamaño de las partículas que lo componen.

Fig. 01 – Clasificación composicional de un suelo

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1.1. SUELOS GRANULARES Este tipo de suelos está formado por partículas agregadas y sin cohesión entre ellas dado el gran tamaño de las mismas. Su origen obedece fundamentalmente

a

procesos

de

meteorización

física:

lajamiento,

termoplástica, hialoclastita o fenómenos de hidratación física. El tipo de transporte condiciona en buena medida sus características granulométricas. Así, un suelo de origen eólico presentará un tamaño uniforme de sus partículas; si el transporte es fluvial, presentará una granulometría progresiva en función de la energía del medio; por el contrario, en medios glaciares no existe un patrón granulométrico definido, dándose un amplio espectro de tamaños de grano. Las características principales de este tipo de suelos son su buena

capacidad portante y su elevada permeabilidad, lo que permite una rápida evacuación del agua en presencia de cargas externas. Esta capacidad de drenaje es proporcional al tamaño de las partículas, o dicho de otro modo, al volumen de huecos o porosidad del suelo. Es destacable que para un determinado grado de humedad, las partículas más finas presentan una cohesión aparente que desaparece al variar el contenido de agua. Dentro de esta clase de suelos se distinguen dos grandes grupos: el de las gravas y el de las arenas. El límite entre ambos grupos viene dado por su granulometría, considerándose arena la fracción de suelo de tamaño inferior a 2 mm. Dentro de esta clasificación pueden establecerse otras subdivisiones. Las características mecánicas y resistentes de los suelos granulares vienen en buena parte determinadas por el ángulo de rozamiento interno entre partículas, así como por su módulo de compresibilidad.

1.2. SUELOS COHESIVOS A diferencia de los anteriores, esta categoría de suelos se caracteriza por un tamaño más fino de sus partículas constituyentes (inferior a 0.06 mm.), lo que les confiere unas propiedades de superficie ciertamente importantes. Esto se debe a que la superficie específica –relación entre la superficie y el volumen de un cuerpo- de dichas partículas es más que considerable.

La cohesión es la principal propiedad desde el punto de vista 6


mecánico de este tipo de suelos; se define como la fuerza interparticular producida por el agua de constitución del suelo, siempre y cuando este no esté saturado. La cohesión es importante desde el punto de vista de la estabilidad de taludes, ya que aumenta la resistencia de un suelo frente a esfuerzos cortantes o de cizalla. Dentro de los suelos cohesivos también puede establecerse una subdivisión en dos grandes grupos: los limos –de origen físico- formados por partículas de grano muy fino (entre 0.02 y 0.002 mm) y las arcillas, compuestas por un agregado de partículas microscópicas procedentes de la meteorización química de las rocas. Lo que realmente diferencia a los limos de las arcillas son sus propiedades plásticas: mientras que los primeros son arcillas finísimas de comportamiento inerte frente al agua, las arcillas –debido a la forma lajosa de sus granos y a su reducido tamaño- acentúan los fenómenos de superficie, causa principal de su comportamiento plástico. Este tipo de suelos se caracteriza por su baja permeabilidad, al dificultar el paso del agua por el reducido tamaño de sus poros, y su alta

compresibilidad; tan es así que los suelos arcillosos, limosos e incluso arenosos como el loess pueden colapsar –comprimirse de forma bruscasimplemente aumentando su grado de humedad hasta un valor crítico (entre el 85% para arcillas y el 40-60% para arenas y limos), al romperse los débiles enlaces que unen unas partículas con otras. Esta importante propiedad se emplea de forma directa en la compactación de suelos.

1.3. SUELOS ORGÁNICOS Dentro de esta categoría se engloban aquellos suelos formados por la descomposición de restos de materia orgánica de origen animal o vegetal – predominando esta última- y que generalmente cubren los primeros metros de la superficie. Se caracterizan por su baja capacidad portante, alta compresibilidad y mala tolerancia del agua, a lo que debe unirse la existencia de procesos orgánicos que pueden reducir sus propiedades resistentes. Este tipo de suelos es nefasto para la ubicación de cualquier obra de infraestructura, por lo que 7


deben eliminarse mediante operaciones previas de desbroce. En el caso de existir formaciones más profundas de materia orgánica, como puede ser el caso de depósitos de turba, es preferible evitar el paso del camino por ellas. Cuando esto no sea posible, deberán tomarse precauciones especiales que garanticen la estabilidad del terreno, estabilizándolo física o químicamente.

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CAPÍTULO II 2. ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE CLASIFICACION 2.1 .- LA IMPORTANCIA DE CLASIFICAR Desde épocas antiguas el hombre se ha preocupado por la clasificación de los suelos, debido a que en el cimienta o construye sus estructuras que lo han llevado a salir adelante. Esta preocupación se origina por la diversidad de tipos de suelos y su comportamiento tan variado de uno con respecto a otro Para describir los diferentes materiales que aparecen en las exploraciones es necesario contar con una clasificación convencional de los tipos de suelos. El sistema a adoptar debe ser suficientemente detallado para que incluya todos los depósitos naturales, excepto los más raros y, aun así, debe ser razonable, sistemático y conciso. Este tipo de sistema resulta necesario si se desean obtener conclusiones útiles basadas en los estudios del tipo de material. Al no contar con un sistema de clasificación, las informaciones públicas basadas en el tipo de suelo o las recomendaciones de diseño o construcción pueden resultar confusas y sería muy difícil aplicar la experiencia adquirida a diseños futuros. Además, a menos que se adopte un sistema convencional de nomenclatura, las interpretaciones conflictivas de los términos empleados pueden provocar confusiones conducentes a un proceso de comunicación ineficiente. Para que resulte adecuado este propósito básico, cualquier sistema de clasificación debe satisfacer las siguientes condiciones: a) Debe incorporar en forma descriptiva términos breves pero ilustrativos para el usuario. b) Las clases y subclases deben quedar definidas por parámetros razonables cuya medición cuantitativa sea relativamente fácil. c) Las clases y subclases deben permitir agrupar los suelos con características que impliquen propiedades de ingeniería similares. La mayor parte de las clasificaciones dividen a los suelos en tres grupos principales gruesos, finos y orgánicos Para una mejor aplicación de los sistemas de clasificación de suelos, cabe mencionar algunas propiedades básicas usadas por los diferentes sistemas de clasificación como son la separación por tamaños o granulometría (distinción cuantitativa) y la plasticidad o consistencia (distinción cualitativa). 9


ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO La finalidad de este ensayo no es otra que determinar las proporciones de los distintos tamaños de grano existentes en el mismo, o dicho de otro modo, su granulometría. El tamiz es la herramienta fundamental para efectuar este ensayo; se trata de un instrumento compuesto por un marco rígido al que se halla sujeta una malla caracterizada por un espaciamiento uniforme entre hilos denominado abertura o luz de malla, a través del cual se hace pasar la muestra de suelo a analizar. Se emplea una serie normalizada de tamices de malla cuadrada y abertura decreciente, a través de los cuales se hace pasar una determinada cantidad de suelo seco, quedando retenida en cada tamiz la parte de suelo cuyas partículas tengan un tamaño superior a la abertura de dicho tamiz. Existen diversas series normalizadas de tamices, aunque la más empleada es la ASTM D-2487/69 americana. Para determinar la fracción fina de suelo –limos y arcillas- no es posible efectuar el tamizado, por lo que se empleará el método de sedimentación (densímetro) descrito en la correspondiente norma. Una vez realizado el proceso de tamizado y sedimentación, se procede a pesar las cantidades retenidas en cada uno de los tamices, construyéndose una gráfica semilogarítmica donde se representa el porcentaje en peso de muestra retenida (o el que pasa) para cada abertura de tamiz.

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Fig. 01 – Curva granulométrica de un suelo

Como aplicación directa de este ensayo, puede establecerse una clasificación genérica de suelos atendiendo a su granulometría:

CLASIFICACIÓN GRANULOMÉTRICA DE LOS SUELOS TIPO

DENOMINACION

TAMAÑO (mm)

Bolos y bloques

>60

Grava

Gruesa

60 - 20

Media

20 - 6

Fina

2-6

Gruesa

0.6 - 2

Media

0.2 - 0.6

Fina

0.06 - 0.2

Grueso

0.02 - 0.06

Medio

0.006 - 0.02

Fino

0.002 - 0.006

SUELOS GRANULARES Arena

SUELOS COHESIVOS

Limo

Arcilla

< 0.002

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Interpretación de los resultados La interpretación de una curva granulométrica puede proporcionarnos información acerca del comportamiento del suelo. Si estudiamos la regularidad de la curva podremos diferenciar dos tipos de granulometrías: (a) Granulometría discontinua: La curva presenta picos y tramos planos, que indican que varios tamices sucesivos no retienen material, lo que evidencia que la variación de tamaños es escasa. En este caso, se habla de suelos mal graduados . La arena de playa es un claro ejemplo de este tipo de suelos. (b) Granulometría continua: La práctica totalidad de los tamices retienen materia, por lo que la curva adopta una disposición suave y continua. A este tipo de suelos se les denomina bien graduados. Las zahorras se engloban dentro de este grupo. De cara a determinar numéricamente la graduación de un suelo se emplea el coeficiente de curvatura, definido por la siguiente expresión:  =

302 10 . 60

Donde DX es la abertura del tamiz o diámetro efectivo (mm) por donde pasa el X% en peso de la totalidad de la muestra de suelo analizada. En carreteras, es importante que el suelo esté bien graduado para que al compactarlo, las partículas más finas ocupen los huecos que dejan los áridos de mayor tamaño, reduciendo de esta forma el número de huecos y alcanzando una mayor estabilidad y capacidad portante. Un suelo bien graduado presenta valores de Cc comprendidos entre 1 y 3. Otro parámetro muy empleado para dar idea del grado de uniformidad de un suelo es el llamado coeficiente de uniformidad, definido por Hazen como la relación entre las aberturas de tamices por donde pasan el 60% y el 10% en peso de la totalidad de la muestra analizada:

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60  = 10 Según este coeficiente, un suelo que arroje valores inferiores a 2 se considera muy uniforme, mientras que un coeficiente inferior a 5 define un suelo uniforme.

Fig. 02 – Interpretación de la curva granulométrica

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Diferencias entre gravas y arenas

Gravas (> 2 mm) Arenas (entre 0.06 y 2 mm) − Los granos no se apelmazan − Los granos se apelmazan si están aunque estén húmedos, debido a

húmedos, debido a la importancia

la pequeñez de las tensiones

de las tenciones capilares.

capilares.

− No se suele producir en ellas flujo

− Cuando el gradiente hidráulico es

mayor que uno, se produce en ellas flujo turbulento.

turbulento aunque el gradiente hidráulico sea mayor que 1. − El aire comprimido es adecuado

− Es difícil perforar un túnel en

para perforar en ellas

gravas con agua mediante aire comprimido, porque la pérdida de aire es muy alta.

Diferencias entre arenas y limos

Arenas (entre 0.06 y 2 mm) − Partículas visibles.

Limos (entre 0.002 y 0.06 mm) − Partículas invisibles.

− En general no plásticas.

− En general, algo plásticos.

− Los terrenos secos tienen una

− Los terrones secos tienen una

ligera cohesión, pero se reducen a

cohesión

polvo fácilmente entre los dedos.

pueden reducir a polvo con los

− Fácilmente erosionables por el

viento.

pero

drenadas

mediante

bombeo. asentamientos

se

dedos. − Difícilmente erosionados por

− Fácilmente − Los

apreciable,

el

viento. − Casi imposible de drenar mediante

de

las

bombeo.

construcciones realizadas sobre − Los

asentamientos

suelen

ellas sueles estar terminados al

continuar después de acabada la

acabar la construcción

construcción.

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Diferencias entre limos y arcillas

Limos (entre 0.002 y 0.06 mm) arcillas(< 0.002 mm) tener propiedades − No suelen tener propiedades − Suelen coloidales.

coloidales.

− A partir de 0.02mm, y a medida

que aumenta el tamaño de las

− Consisten en su mayor parte en

minerales arcillosas.

partículas, se va haciendo cada vez

mayor

la

proporción

de − Tacto suave

minerales no arcillosos.

− Se seca lentamente y se pegan a

− Tacto áspero.

los dedos

− Se secan con relativa rapidez y no

se pegan los dedos.

partir, pero no reducir a polvo con

− Los terrones secos tienen una

cohesión

apreciable

− Los terrones secos se pueden

pero

los dedos

se

pueden reducir a polvo

ESTADOS DE CONSISTENCIA Como se dijo en la presentación, el comportamiento de un suelo está muy influenciado por la presencia de agua en su seno. Este hecho se acentúa cuanto menor es el tamaño de las partículas que componen dicho suelo, siendo especialmente relevante en aquéllos donde predomine el componente arcilloso, ya que en ellos los fenómenos de interacción superficial se imponen a los de tipo gravitatorio. Por ello, resulta muy útil estudiar los límites entre los diversos estados

de consistencia que pueden darse en los suelos coherentes en función de su grado de humedad: líquido, plástico, semisólido y sólido.

(a) Líquido: La presencia de una cantidad excesiva de agua anula las fuerzas de atracción interparticular que mantenían unido al suelo –la cohesióny lo convierte en una papilla, un líquido viscoso sin capacidad resistente.

(b) Plástico: El suelo es fácilmente moldeable, presentando grandes deformaciones con la aplicación de esfuerzos pequeños. Su comportamiento 15


es plástico, por lo que no recupera su estado inicial una vez cesado el esfuerzo. Mecánicamente no es apto para resistir cargas adicionales.

(c) Semisólido: El suelo deja de ser moldeable, pues se quiebra y resquebraja antes de cambiar de forma. No obstante, no es un sólido puro, ya que disminuye de volumen si continúa perdiendo agua. Su comportamiento mecánico es aceptable.

(d) Sólido: En este estado el suelo alcanza la estabilidad, ya que su volumen no varía con los cambios de humedad. El comportamiento mecánico es óptimo. Las humedades correspondientes a los puntos de transición entre cada uno de estos estados definen los límites líquido (LL), plástico (LP) y de

retracción (LR) respectivamente.

Fig. 03 – Estados de consistencia de un suelo

Para realizar esta tarea, existen dos procedimientos de ensayo muy extendidos los límites de Atterberg y el equivalente de arena si bien el primero es más preciso que el segundo.

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Límites de Atterberg Atterberg fue el primero que relacionó el grado de plasticidad de un suelo con su contenido en agua o humedad, expresado en función del peso seco de la muestra. También fue él quien definió los cuatro estados de consistencia de los suelos vistos anteriormente y determinó los límites entre ellos, observando la variación de diferentes propiedades físicas y mecánicas. De los límites anteriormente mencionados, interesa especialmente la determinación de los umbrales de los estados líquido (límite líquido) y plástico (límite plástico), ya que éstos presentan una alta deformabilidad del suelo y una drástica reducción de su capacidad portante. Afinando más todavía, el interés se centra en determinar el intervalo de humedad para el cual el suelo se comporta de manera plástica, es decir, su plasticidad. El límite líquido se determina mediante el método de la cuchara de Casagrande. El ensayo se basa en la determinación de la cantidad de agua

mínima que puede contener una pasta formada por 100 g. de suelo seco que haya pasado por el tamiz 0.40 UNE. Para ello, se coloca sobre el mencionado artefacto y se acciona el mecanismo de éste, contándose el número de golpes necesario para cerrar un surco –realizado previamente con una espátula normalizada- en una longitud de 13 mm. El ensayo se dará por válido cuando se obtengan dos determinaciones, una de entre 15 y 25 golpes, y otra de entre 25 y 35. La humedad correspondiente al límite líquido será la correspondiente a 25 golpes, y se determinará interpolando en una gráfica normalizada las dos determinaciones obtenidas experimentalmente. El límite plástico se determina de una manera si cabe más rocambolesca: se define como la menor humedad de un suelo que permite realizar con él cilindros de 3 mm. de diámetro sin que se desmoronen, realizándose dos determinaciones y hallando la media. Este ensayo se realiza con 200 g. de muestra seca y filtrada a través del tamiz 0.40 UNE, como en el caso anterior.

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A la diferencia entre ambos límites se denomina índice de plasticidad (IP), y da una idea del grado de plasticidad que presenta el suelo; un suelo muy plástico tendrá un alto índice de plasticidad:

Fig. 04 – Cuchara de Casagrande

IP = LL – LP En la siguiente tabla se muestran los rangos de valores más frecuentes de todos estos parámetros en diferentes tipos de suelos:

VALORES TÍPICOS DE CONSISTENCIA DEL SUELO PARAMETRO

TIPO DE SUELO Arena

Limo

Arcilla

15 - 20

30- 40

40 - 150

LP Límite plástico

16 - 20

20 - 25

25 - 50

LR

Límite de retracción

12 - 18

14 - 25

8 - 35

IP

Índice de plasticidad

0-3

10 - 15

10 -100

LL

Límite liquido

El índice de plasticidad permite clasificar bastante bien un suelo. Un IP grande corresponde a un suelo muy arcilloso. Por el contrario, un IP pequeño es característico de un suelo poco arcilloso. Sobre todo esto se puede dar la clasificación siguiente: 18


Índice de plasticidad

Característica

IP > 20

Suelos muy arcillosos

20 > IP > 40

Suelos arcillosos

10 > IP > 4

Suelos poco arcilloso

IP = 0

Suelos exentos de arcilla

Se debe tener en cuenta que, en un suelo el contenido de arcilla, es el elemento más peligroso de una carretera, debido sobre todo a su gran sensibilidad al agua.

Equivalente de arena El ensayo del equivalente de arena permite una rápida determinación del contenido en finos de un suelo, dándonos además una idea de su plasticidad. Para realizarlo, se separa la fracción arenosa del suelo mediante el tamiz de 5 mm. de la serie UNE (#4 de la serie ASTM) y se introduce un volumen de 90 cm3 de la misma en una probeta cilíndrica de 32 mm. de diámetro y 430 mm. de longitud, graduada de 2 en 2 mm. A continuación se introducirá una espesa disolución de trabajo formada por cloruro cálcico, glicerina y formaldehído diluidos en agua destilada, dejando reposar la mezcla durante 10 minutos. Seguidamente, el conjunto se agitará de forma normalizada –90 ciclos en 30 segundos, con un recorrido de unos 20 cm.- para conseguir una mezcla íntima. Posteriormente, se dejará reposar durante un tiempo de 20 minutos. Una vez transcurrido este tiempo, se podrá observar mediante simple contacto visual la existencia de dos horizontes, uno de ellos correspondiente a la fracción arenosa del suelo y otro por encima del anterior, relativo a la proporción de finos existente en la muestra. El equivalente de arena del suelo vendrá dado por la siguiente expresión:

 ..=  100  +  19


siendo A la lectura sobre la probeta del horizonte de arena B la lectura referente al horizonte de finos Este ensayo tiene la ventaja de que es más rápido que el anterior y ofrece resultados similares aunque incomprensiblemente menos precisos, por lo menos a tenor del subjetivo procedimiento de ensayo empleado en aquél.

Equivalente de arena

Característica

si EA > 40

El suelo no es plástico, es de arena

si 40 > EA > 20

El suelo es poco plástico y no heladizo

si EA < 20

El suelo es plástico y arcilloso

Fig.05 – Ensayo del equivalente de arena

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2.2 .- EL SISTEMA UNIFICADO SUCS La determinación y cuantificación de las diferentes propiedades de un suelo, efectuadas mediante los ensayos, tienen como objetivo último el establecimiento de una división sistemática de los diferentes tipos de suelos existentes atendiendo a la similitud de sus caracteres físicos y sus propiedades geomecánicas. Una adecuada y rigurosa clasificación permite al tener una primera idea acerca del comportamiento que cabe esperar de un suelo como cimiento del firme, a partir de propiedades de sencilla determinación; normalmente, suele ser suficiente conocer la granulometría y plasticidad de un suelo para predecir su comportamiento mecánico. Además, facilita la comunicación e intercambio de ideas entre profesionales del sector, dado su carácter universal. De las múltiples clasificaciones existentes, la que sin duda es la más racional y completa –clasificación de Casagrande modificada- y otras de aplicación más directa en Ingeniería de Carreteras, como son la empleada por la AASHTO.

CLASIFICACIÓN GENERAL DE CASAGRANDE MODIFICADA Fue A. Casagrande quien en 1.942 ideó este sistema genérico de clasificación de suelos, que fue empleado por el Cuerpo de Ingenieros del ejército de los EE.UU. para la construcción de pistas de aterrizaje durante la II Guerra Mundial. Diez años más tarde, y vista la gran utilidad de este sistema en Ingeniería Civil, fue ligeramente modificado por el Bureau of Reclamation, naciendo el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS); este sistema fue adoptado por la ASTM (American Society of Testing Materials) como parte de sus métodos normalizados. Dicha clasificación se vale de unos símbolos de grupo, consistentes en un prefijo que designa la composición del suelo y un sufijo que matiza sus propiedades. En el siguiente esquema se muestran dichos símbolos y su significación: 21


Símbolos de grupo (SUCS) TIPO DE SUELO

PREFIJO

SUBGRUPO

SUFIJO

Grava Arena Limo Arcilla Orgánico Turba

G S M C O Pt

Bien graduado Pobremente graduado Limoso Arcilloso Limite liquido alto (>50) Limite liquido bajo (>50)

W P M C L H

En función de estos símbolos, pueden establecerse diferentes combinaciones que definen uno y otro tipo de suelo:

Tipología de suelos (SUCS)

Características generales

SIMBOLO GW GP GM GC SW SP SM SC ML MH CL CH OL OH Pt

Limpias

GRAVAS

(Finos <5%)

(>50 % en tamiz #4 ASTM)

Con finos (Finos>12%)

Limpias

ARENAS

(Finos <5%)

(<50 % en tamiz #4 ASTM)

Con finos (Finos>12%)

LIMOS ARCILLAS SUELOS ORGANICOS TURBA

Bien graduadas Pobremente graduadas Componente limoso Componente arcilloso Bien graduadas Pobremente graduadas Componente limoso Componente arcilloso

Baja plasticidad (LL < 50) Alta plasticidad (LL>50) Baja plasticidad (LL < 50) Alta plasticidad (LL>50) Baja plasticidad (LL < 50) Alta plasticidad (LL>50) Suelos altamente orgánicos

Como puede deducirse de la anterior tabla, existe una clara distinción entre tres grandes grupos de suelos:

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a. Suelos de grano grueso (G y S): Formados por gravas y arenas con menos del 50% de contenido en finos, empleando el tamiz 0.080 UNE (#200 ASTM). b. Suelos de grano fino (M y C): Formados por suelos con al menos un 50% de contenido en limos y arcillas. c. Suelos orgánicos (O, Pt): Constituidos fundamentalmente por materia orgánica. Son inservibles como terreno de cimentación. Asimismo, dentro de la tipología expuesta pueden existir casos intermedios, empleándose una doble nomenclatura; por ejemplo, una grava bien graduada que contenga entre un 5 y un 12% de finos se clasificará como GW-GM. Tras un estudio experimental de diferentes muestras de suelos de grano fino, Casagrande consigue ubicarlos en un diagrama que relaciona el límite líquido (LL) con el índice de plasticidad (IP). En este diagrama, conocido como la carta de Casagrande de los suelos cohesivos, destacan dos grandes líneas que actúan a modo de límites: Línea A: IP = 0.73 · (LL-20) Línea B: LL = 50

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Fig.05 – Carta de Casagrande para los suelos cohesivos

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DIVISIONES MAYORES

S

GRAVA Y SUELOS GRAVOSOS E R

SÍMBOLO SUCS GRAFICO

DESCRIPCIÓN

GW

GRAVA BIEN GRADUADA

GP

GRAVA MAL GRADUADA

GM

GRAVA LIMOSA

GC

GRAVA ARCILLOSA

SW

ARENA BIEN GRADUADA

SP

ARENA MAL GRADUADA

SM

ARENA LIMOSA

SC

ARENA ARCILLOSA

ML

LIMO INORGÁNICO DE BAJA PLASTICIDAD

A L U N A R G S O L E U

ARENA Y SUELOS ARENOSOS S

S

LIMOS Y ARCILLAS (LL<50) O

CL OL

NI F S O L

MH E U S

LIMOS Y ARCILLAS (LL>50)

CH OH

SUELOS ALTAMENTE ORGÁNICOS

Pt

ARCILLA INORGÁNICA DE BAJA PLASTICIDAD LIMO ORGÁNICO O ARCILLA ORGÁNICA DE BAJA PLASTICIDAD LIMO INORGÁNICO DE ALTA PLASTICIDAD ARCILLA INORGÁNICA DE ALTA PLASTICIDAD LIMO ORGÁNICO O ARCILLA ORGÁNICA DE ALTA PLASTICIDAD TURBA Y OTROS SUELOS ALTAMENTE ORGÁNICOS

Simbología de Suelos (Referencial)

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2.3 .- EL SISTEMA AASTHO La clasificación de Casagrande tiene un carácter genérico, empleándose para todo tipo de obras de ingeniería dada su gran versatilidad y sencillez. Sin embargo, esta clasificación puede quedarse corta a la hora de estudiar determinadas propiedades específicas que debe tener un suelo para ser considerado apto en carreteras. Por ello, existen una serie de clasificaciones específicas para suelos empleados en construcción de infraestructuras viarias; de hecho, la práctica totalidad de los países desarrollados tienen la suya. En este apartado dedicaremos especial atención a las más empleadas en nuestro entorno: la clasificación de la AASHTO.

Clasificación de la AASHTO Ha sido en Estados Unidos donde se han desarrollado la mayor parte de clasificaciones empíricas de suelos. Una de las más populares en carreteras es la empleada por la American Asociation of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), y que fue originalmente desarrollada por los ilustres geotécnicos Terzaghi y Hogentogler para el Bureau of Public Roads norteamericano. Inspirada en el modelo de Casagrande, considera siete grupos básicos de suelos, numerados desde el A-1 hasta el A-7. A su vez, algunos de estos grupos presentan subdivisiones; así, el A-1 y el A-7 tienen dos subgrupos y el A-2, cuatro. Además todos estos grupos se dividen en las tres categorías fundamentales:

Granulares: Estos suelos conforman los grupos A-1, A-2 y A-3, esto suelos son retenidos en 35% o más en la malla #200.

Limo-Arcilla: Estos suelos conforman los grupos A-4, A-5, A-6 y A-7, esto 26


cumpliendo que el más del 35% del material sea pasante de la malla #200.

Orgánicos: Turbas, material altamente orgánico Además la AASHTO, según el tamaño de las partículas y algunas de las propiedades físico-mecánicas de las partículas caracteriza los suelos de la siguiente forma:

Suelos Granulares: Grupo A - 1. Suelos bien graduados de tamaños gruesos y finos, con poco aglomerante plástico. Subgrupo A - 1 - a. Materiales que predominan en este subgrupo son fracciones de rocas o gravas, con o sin un ligante de suelo bien graduado. Subgrupo A - 1 - b. En esta clasificación predominan las arenas con o sin un buen aglomerante. Los suelos A - 1 son los mejores graduados según la clasificación AASHTO debido a sus componentes y a las propiedades que poseen sus partículas. Grupo A - 2. En esta clasificación se encuentran una gran diversidad de materiales granulares que son los límites para algunos grupos, estos suelos no se pueden ubicar dentro de los Grupos A - 1 y A - 3 debido a las propiedades que poseen; el contenido de finos y el índice de plasticidad son los referentes para su clasificación. Subgrupo A - 2 - 4 y A - 2 – 5. Estos suelos están compuestos de bastante agregados y con muchos limos. Subgrupo A - 2 - 6 y A - 2 – 7. Al contrario de los subgrupos anteriores estos poseen materiales granulares y gran cantidad de arcillas. 27


Según la AASHTO estos suelos están por debajo del tipo A - 1, que pueden ser utilizados como carpeta de rodaje en caminos terciarios, pero va a depender del aglomerante. Grupo A - 3. En este grupo se encuentran las arenas de playas, arenas de desiertos y mezclas aluviales de arena fina mal graduada con cantidades de arcilla gruesa y grava.

Suelos Limo - Arcillosos. Grupo A - 4. estos suelos es muy común de encontrarse ya que mayormente poseen cantidades de limos con porcentajes muy ligeros de material grueso y arcillas coloidales. Grupo A - 5. Estos suelos son muy parecidos a los del grupo A - 4 con la diferencia de que estos tienden a ser muy elásticos e inestables aun en estados secos, además poseen porcentajes de diatomáceo o micáceo. Grupo A - 6. Suelos muy común de encontrarse en el medio, en donde su composición predomina la arcillas con porcentajes muy ligeros de gruesos en estado plástico; su capacidad de carga es muy buena, pero debido a que se refiere a un predominante de arcillas cuando absorbe agua se expande y va perdiendo la capacidad de soporte de carga, además cuando esta con un contenido de agua por debajo del optimo no debe de compactarse. Grupo A - 7. En estos materiales son muy parecidos al del grupo A - 6 a diferencia que son arcilla altamente plásticas con presencias de limos, turbas y materia orgánica, los cuales la vuelven muy elásticas e inestable a la vez. Subgrupo A - 7 – 5. Suelos con Índice de plasticidad moderado con relación a su Limite Liquido el cual los vuelve altamente elásticos y expansivos. Subgrupo A - 7 – 6. Estos suelos son altamente expansivos con un 28


Índice de plasticidad alto en relación a su Limite Liquido.

Suelo Orgánico: Son suelos altamente compresibles y baja resistencia al corte, dichos suelos no son adecuados en obras de terraplenes y subrasantes, es decir que este material debe ser desalojado de las obras en las que se requiere un suelo estable. La clasificación de estos suelos es a partir de una inspección visual. Su color es negro o pardo oscuro, con olor a material descompuesto debido a materiales orgánicos que posee en descomposición. Los únicos ensayos necesarios para encuadrar un suelo dentro de un grupo u otro son el análisis granulométrico y los límites de Atterberg. Si queremos determinar su posición relativa dentro del grupo, es necesario introducir el concepto de índice de grupo (IG), expresado como un número entero con un valor comprendido entre 0 y 20 en función del porcentaje de suelo que pasa a través del tamiz #200 ASTM (0.080 UNE): IG = 0.2 ⋅ a + 0.005 ⋅ a ⋅ c + 0.01 ⋅ b ⋅ d Dónde:

a es el porcentaje en exceso sobre 35, de suelo que pasa por dicho tamiz, sin pasar de 75. Se expresa como un número entero de valor entre 0 y 40.

b es el porcentaje en exceso sobre 15, de suelo que atraviesa el tamiz, sin superar un valor de 55. Es un número entero que oscila entre 0 y 40.

c es el exceso de límite líquido (LL) sobre 40, y nunca superior a 60. Se expresa como un número entero comprendido entre 0 y 20.

d es el exceso de índice de plasticidad (IP) sobre 10, nunca superior a 30. Es también un número entero positivo comprendido entre 0 y 20.

Índice de grupo.- Es un índice adoptado por AASHTO de uso corriente para clasificar suelos, está basado en gran parte en los límites de Atterberg. El índice de grupo de un suelo se define mediante la fórmula: 29


IG = 0.2 (a) + 0.005 (ac) + 0.01 (bd) Dónde: a = F-35 (F = Fracción del porcentaje que pasa el tamiz Nº 200 -74 micras). Expresado por un número entero positivo comprendido entre 1 y 40. b = F-15 (F = Fracción del porcentaje que pasa el tamiz Nº 200 -74 micras).Expresado por un número entero positivo comprendido entre 1 y 40. c = LL – 40 (LL = límite líquido). Expresado por un número entero comprendido entre 0 y 20. d = IP-10 (IP = índice plástico). Expresado por un número entero comprendido entre 0 y 20 o más. El índice de grupo es un valor entero positivo, comprendido entre 0 y 20 o más. Cuando el IG calculado es negativo, se reporta como cero. Un índice cero significa un suelo muy bueno y un índice igual o mayor a 20, un suelo no utilizable para carreteras.

Índice de grupo

Suelo de subrasante

IG > 9

Muy pobre

IG está entre 4 a 9 IG está entre 2 a 4 IG está entre 1 − 2 IG está entre 0 − 1

pobre regular bueno Muy bueno

En la página siguiente se muestra la tabla de clasificación de suelos AASHTO, en la que se recogen todas las características exigibles a cada grupo –y subgrupo, en el caso de que exista- de suelo.

30


Clasificación AAHSTO

31

Informe de Ingeniería: “Comparación de la Calidad de Suelos según el Método de SUCS y ASSHTO ” /Asesor: Ing. Gustavo Adolfo Aybar Arriola

SISTEMA DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS AASHTO Clasificación general Grupo: Porcentaje que pasa: Nº 10 (2mm) Nº 40 (0,425mm) Nº 200 (0,075mm) Características de la fracción que pasa por el tamiz Nº 40

Materiales granulares (35% o menos pasa por el tamiz Nº 200

A-1 A-1-b A-1-a 50 máx. 30 máx. 15 máx.

50 máx. 25 máx.

A-3

A -2 A-2-5 A-2-6

A-2-4

51 mín. 10 máx.

A-2-7

A-4

A-5

35 máx.

Límite líquido

-

-

40 máx. 41 mín. 40 máx.

Índice de plasticidad Constituyentes

6 máx. Fragmentos de roca, grava y arena

NP (1)

10 máx. 10 máx. 11 mín.

principales Características como subgrado

Materiales limoso arcilloso (más del 35% pasa el tamiz Nº 200)

Arena fina

36 mín.

41 mín. 11 mín.

Grava y arena arcillosa o limosa

Excelente a bueno

(1):

No plástico

(2):

El índice de plasticidad del subgrupo A-7-5 es igual o menor al LL menos 30 El índice de plasticidad del subgrupo A-7-6 es mayor que LL menos 30

A-6

A-7 A-7-5 A-7-6

40 máx. 10 máx.

41 mín. 10 máx.

Suelos limosos

40 máx. 11 mín.

41 mín. (2) 11 mín.

Suelos arcillosos

Pobre a malo

32


Cuadro: signos convencionales para perfil de calicatas SUELOS A − 1 - a

A − 5

A − 1 - b

A − 6

A − 3

A − 7 − 5

A − 2 − 4

A − 7 − 6

A − 2 − 5

MATERIA ORGANICA

A − 2 − 6

ROCA SANA


Cuadro: signos convencionales para perfil de calicatas SUELOS A − 1 - a

A − 5

A − 1 - b

A − 6

A − 3

A − 7 − 5

A − 2 − 4

A − 7 − 6

A − 2 − 5

MATERIA ORGANICA

A − 2 − 6

ROCA SANA

A − 2 − 7

ROCA DESINTEGRADA

A − 4

33


CAPÍTULO III 3.- SISTEMAS DE CLASIFICACIÓN Y PROPIEDADES DEL SUELO 3.1.- CALIFICACIÓN Y CLASIFICACIÓN Aunque los sistemas de clasificación basados en el criterio de Casagrande separan a los suelos de acuerdo con sus propiedades de ingeniería, no interpretar estrictamente un uso particular; es decir, la clasificación de un suelo no resulta tan evidente cuando este se desea emplear para algún tipo de obra. Sim embargo, las tablas sirven en este sentido como una valiosa ayuda. Una vez que el suelo se haya clasificado, la consulta de estas tablas resulta inmediata y es muy fácil dar una calificación del suelo de acuerdo con su conveniencia para ser utilizado en determinada constructiva o como componente sustancial de una obra.

Propiedades importantes de ingeniería Nombres típicos de los grupos de suelos

Gravas bien graduadas, mezclas de gravas y arenas, sin finos o con muy pocos Gravas pobremente graduadas, mezclas de gravas y arenas, sin finos o con muy pocos Gravas limosas mezclas de gravas, arenas y limos pobremente graduadas Gravas arcillosas, mezclas de grava, arena y arcilla pobremente graduadas

Símbolo de grupo

Permeabilidad cuando esta compactada

Resistencia al esfuerzo cortante, compactada y saturada

Comprensibilidad cuando esta compactada y saturada

Trabajabilidad como material de construcción

GW

Permeable

excelente

Despreciable

Excelente

GP

Muy permeable

Buena

Despreciable

Buena

GM

Semipermeable impermeable

Buena

Despreciable

Buena

GC

Impermeable

Buena a aceptable

Muy baja

Buena

34


Arenas bien graduadas, arenas gravosas, sin finos o con muy pocos Arenas pobremente graduadas, arenas gravosas, sin finos o con muy pocos Arenas limosas, mezclas de arenas y limos pobremente graduados

SW

Permeable

Excelente

Despreciable

Excelente

SP

Permeable

Buena

Muy baja

Aceptable

SM


Buena

Baja

Aceptable

Arenas arcillosas, mezclas de arenas arcillas pobremente graduadas

SC

Impermeable

Buena a aceptable

Baja

Buena

Limos inorgánicos y arenas muy finas, arena limosas o arcillosas con poca plasticidad

ML


Aceptable

Media

Aceptable

Arcillas inorgánicas de baja o mediana plasticidad, arcillas gravosas, arcillas arenosas, arcillas limosas

CL

Impermeable

Aceptable

Media

Buena a aceptable

OL


Pobre

Media

Aceptable

MH


Aceptable a pobre

Alta

Pobre

CH

Impermeable

Pobre

Alta

Pobre

OH

Impermeable

Pobre

Alta

Pobre

Limos inorgánicos, arenas finas o suelos limosos, limos elásticos Limos inorgánicos, arenas finas o suelos limosos, limos elásticos Arcillas inorgánicos de alta plasticidad, arcillas gravosas Arcillas orgánicas de mediana a alta plasticidad

35


Turbas y otros suelos altamente orgánicos

Pt

-------

-------

-------

-------

Principales propiedades y utilización: Como este sistema se lleva utilizando de forma generalizada en muchos países y durante muchos años, a partir de la denominación del suelo ya se pueden saber de forma cualitativa sus principales propiedades y las obras en las que se pueden utilizar, como se puede observar en las dos páginas siguientes.

Símbolo

Permeabilidad

Resistencia

GW

Permeable

Excelente

Despreciable

Excelente

GP

Muy permeable Semipermeable a impermeable

Buena

Despreciable

Buena

Buena

Despreciable

Buena

GM GC

Impermeable

SW

Permeable

SP

Permeable Semipermeable a impermeable

SM SC

Impermeable

Símbolo

Permeabilidad Semipermeable a impermeable

ML CL

Impermeable

Compresibilidad Facilidad

Buena a regular Excelente

Muy baja

Buena

Despreciable

Excelente

Buena

Muy baja

Regular

Buena

Baja

Regular

Buena a regular

Baja

Buena

Resistencia Compresibilidad Facilidad Regular

Media

Regular

Regular

Media

Buena a regular

Deficiente

Media

Regular

Regular a deficiente Deficiente

Elevada

Deficiente

CH

Semipermeable a impermeable Semipermeable a impermeable Impermeable

Elevada

Deficiente

OH

Impermeable

Deficiente

Elevada

Deficiente

OL MH

36


Símbolo

Presas de tierra Cimentaciones Carreteras Homogéneas Núcleo Con flujo Sin flujo Terraplenes Capas

GW

-

-

-

1

1

3

GP

-

-

-

3

3

-

GM

2

4

1

4

4

5

GC

1

1

2

6

5

1

SW

-

-

-

2

2

4

SP

-

-

-

5

6

-

SM

4

5

3

7

8

6

SC

3

2

4

8

7

2

ML

6

6

6

9

10

-

CL

5

3

5

10

9

7

OL

8

8

7

11

11

-

MH

9

9

8

12

12

-

CH

7

7

9

13

13

-

OM

10

10

10

14

14

-

Esta tabla presenta el grado de adecuación de cada tipo de suelo para diferentes obras (los números pequeños indican una óptima utilización).

37


Grupo

VALORACIÓN ATRIBUTOS

APTITUDES SEGÚN USOS

GW

+++

++

+++

+++

Mantos de presas, terraplenes, erosión de canales.

GP

++

+++

++

+++

Mantos de presas y erosión de canales.

GM

++

-

++

+++

Cimentaciones con flujo de agua.

GC

++

--

+

++

SW

+++

++

+++

+++

SP

m

++

++

++

SM

m

-

++

+

Cimentación con flujo, presas homogéneas.

SC

++

--

+

+

Revestimiento de canales, capas de pavimento

ML

m

-

m

m

Inaceptable en pavimentos, licuable.

CL

+

--

m

m

Revestimiento de canales, pero es erosionable.

OL

m

-

--

m

No recomendable, máximo si hay agua.

MH

--

-

-

---

Inaceptable en cimentaciones o bases (hinchable)

CH

--

--

--

---

Inaceptable en cimentación (hinchable)

OH

--

--

--

---

Inaceptable en cimentaciones o terraplenes.

ot n

S S

m

A T SI N d d a

N A

et

n

er si

m o

P li

F

s

C e R

c a

Sobresaliente Muy Alto Alto Moderado Deficiente Bajo Muy bajo p

e

di

U C

mr e

D

Diques y terraplenes de suave talud.

ib c

e n

E A

s

O e

M C

a

ai

a

b

T

T

il

di

Terraplenes y cimentación con poco flujo.

a

il b

E E

l

ar ar

R

di

C

o

d

a

at

T

r

d

L IC

R

et

ie

E A

Núcleos de presas, revestimientos de canales.

F

+++ ++ + m ----

Tabla 5.2 Características y uso de los suelos (Grupo del SUCS) 38


s d u

e

di s

a

lo a

d

e

b

di oi

S mr G

e P

e C

a

p

él b

i V

n ar

p

r b

p o

a

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al ul

m al

p

r m

s

v

s

di

b

e

s mi

e

t

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n

ci

o

n d

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li

ur

Valoración escala ot

s

e u

a d C

S e s

e T

a B

A-1 A-2 A-3 A-4 A-5 A-6 A-7

-+ ----

--++ + m m

-+ -+ ++ ++ ++

m +++ +++ ++ ++

++ + ---

++ m + ---

++ + + + ---

+++ ++ + m ----

Sobresaliente Muy alto Alto Moderado Deficiente Bajo Muy bajo

Tabla 5.3 Características de suelos –según la AASHTO –


s d e

ol

s i

a u

idl

d

e

s

a

ci

di io

b mr G

e P

r

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a

p

él b

i V

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p

r b

p o

a

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s

di m

s

s im

e b

e

e a

n

t

o

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d a

S ur

Valoración escala ot

e u

a d C

S e s

e T

a B

A-1 A-2 A-3 A-4 A-5 A-6 A-7

-+ ----

--++ + m m

-+ -+ ++ ++ ++

m +++ +++ ++ ++

++ + ---

++ m + ---

++ + + + ---

+++ ++ + m ----

Sobresaliente Muy alto Alto Moderado Deficiente Bajo Muy bajo

Tabla 5.3 Características de suelos –según la AASHTO –

39


3.2.-ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS SUELOS Los ensayos de resistencia miden la capacidad actual de los materiales para resistir deformaciones. Existen diferentes métodos para medir la resistencia de los suelos de la subrasante que se han sometido a cargas dinámicas de tránsito: - Relación de valor soporte California (CBR) - Ensayo de plato de Carga (Valor K) - Permeabilidad (k)

40


C.B.R. (California Bearing Ratio) 1.- Origen Este método fue propuesto en 1929 por los ingenieros T. E. Stanton y O. J. Porter del departamento de carreteras de California. Desde esa fecha tanto en Europa como en América, el método CBR se ha generalizado y es una forma de clasificación

de un suelo para ser utilizado como subrasante o

material de base en la construcción de carreteras. Durante la segunda guerra mundial, el cuerpo de ingenieros de los Estados Unidos adoptó este ensayo para utilizarlo en la construcción de aeropuertos.

2.- Definición de CBR El CBR de un suel o es la carga unitaria correspondiente a 0.1” ó 0.2” de penetración, expresada en por ciento en su respectivo valor estándar. También se dice que mide la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controlada. El ensayo permite obtener un número de la relación de soporte, que no es constante para un suelo dado sino que se aplica solo al estado en el cual se encontraba el suelo durante el ensayo.

Fig 1. El asumido mecanismo de falla del suelo generado por el pistón de 19.4 cm2 en el Ensayo C.B.R. La condición de frontera es un problema.

41


3.-Definición de número CBR El número CBR (o simplemente CBR), se obtiene de la relación de la carga unitaria (lbs/pulg2.) necesaria para lograr una cierta profundidad de penetración del pistón de penetración (19.4 cm2) dentro de la muestra compactada de suelo a un contenido de humedad y densidad dadas con respecto a la carga unitaria patrón (lbs/pulg2.) requerida para obtener la misma profundidad de penetración en una muestra estándar de m aterial triturado. Los ensayos de CBR se hacen usualmente sobre muestras compactadas al contenido de humedad óptimo para un suelo específico, determinado utilizando el ensayo de compactación estándar o modificada del experimento.

Proctor Estándar ASTM D 698 A

B

C

Peso martillo (lb)

5.5

5.5

5.5

Diám. molde (pulg)

4

4

6

No. de capas

3

3

3

No. golpes/capa

25

25

56

Proctor Modificado ASTM D 1557 A

B

C

Peso martillo (lb)

10

10

10

Diám. molde (pulg)

4

4

6

No. de capas

5

5

5

No. golpes/capa

25

25

5

CBR - ASTM D 4429- 93 Diam. Del molde ( pulg)

6

Martillo (lb)

10

No. de capas

5

No. Golpes / capa

10 25 56

El método CBR comprende los 3 ensayos siguientes: 42


- Determinación de la densidad y humedad. - Determinación de las propiedades expansivas del material. - Determinación de la resistencia a la penetración. El comportamiento de los suelos varía de acuerdo a su grado de alteración (inalterado y alterado) y a su granulometría y características físicas (granulares, finos, poco plásticos). El método a seguir para determinar el CBR será diferente en cada caso

A. Determinación del CBR de suelos perturbados y remoldados: 1. Gravas y arenas sin cohesión. 2. Suelos cohesivos, poco plásticos y poco o nada expansivo. 3. Suelos cohesivos y expansivos.

B. Determinación del CBR de suelos inalterados. C. Determinación del CBR in situ. 4.0.- Determinación del CBR de Suelos Remoldados ASTM D 1883 4.1.- Equipo Para la Compactación - Molde de diám.= 6”, altura de 7” a 8” y un collarín de 2”. - Disco espaciador de acero diám. 5 15/16” y alt. 2.5” - Pisón Peso 10 lb. y altura de caída 18”. - Trípode y extensómetro con

aprox. 0.001”.

- Pesas de plomo anular de 5 lbs c/u (2 pesas).

Para la Prueba de Penetración - Pistón sección circular Diám. = 2 pulg. - Aparato para aplicar la carga: Prensa hidráulica. V= 0.05 pulg/min. Con anillo calibrado. - Equipo misceláneo: balanza, horno, tamices, papel filtro, tanques para inmersión de muestra a saturar, cronómetro, extensómetros, etc.

43


Fig. 2. Equipo empleado para las pruebas de compactación e hinchamiento.

Foto 1. El equipo CBR para realizar, el tamizado, humedecimiento, la mezcla de suelo y la compactación.

44


4.2.- Preparación del material a) Secar el material al aire o calentándolo a 60° C. b) Desmenuzar los terrones existentes y tener cuidado de no romper las partículas individuales de la muestra. c) La muestra deberá tamizarse por la malla ¾ “y la No. 4. La fracción retenida en el tamiz ¾” deberá descartarse y reemplazarse en igual

propor ción por el material comprendido entre los tamices ¾” y No. 4. Luego se mezcla bien. d) Se determina el contenido de humedad de la muestra así preparada.

Cantidad de material Para cada determinación de densidad (un punto de la curva de compactación), se necesitan 5 k de material. Para la curva con 6 puntos se necesitará 30 k de material. Cada muestra se utiliza una sola vez.

4.3.- Determinación de la densidad y humedad Preparar una muestra que tenga la misma densidad y humedad que se proyecta alcanzar en el sitio donde se construirá el pavimento. Procedimiento: a) En el molde cilíndrico se coloca el disco espaciador y papel filtro grueso 6”.

b) La muestra se humedece añadiendo una cantidad de agua calculada.

Se mezcla uniformemente. La humedad entre dos

muestras debe variar en 2%. c) La muestra se divide en 5 partes. Se compacta en 5 capas con 10, 25 y 56 golpes / capa. La briqueta compactada deberá tener un espesor de 5”.

d) Se quita el collarín, se enrasa la parte superior del molde, se volteará el molde y se quitará la base del molde perforada y el disco espaciador. e) Se pesará el molde con la muestra, se determinará la densidad y la humedad de la muestra. 45


Humedad de mezclado Es un factor importante en suelos finos y debe controlarse debidamente. El contenido de humedad de la muestra amasada que se va a compactar, deberá ser igual al correspondiente a la densidad que se desea obtener, se ha comprobado

que si esta humedad de mezclado varía en

±0.5% de la que se desea obtener, los CBR variarán apreciablemente aun cuando se obtenga una densidad aproximadamente igual a

la

densidad

deseada.

4.4.- Determinación de la expansión del material a) Determinada la densidad y humedad se coloca el papel filtro sobre

la superficie enrasada, un plato metálico perforado y se

volteará el molde. b) Sobre la superficie libre de la muestra se colocará papel filtro y se montará el plato con el vástago graduable. Luego sobre el plato se colocará varias pesas de plomo. La sobrecarga mínima será de 10 lbs. c) Colocado el vástago y las pesas, se colocará el molde dentro de un tanque o depósito lleno con agua. d) Se monta el trípode con un extensómetro y se toma una lectura inicial y se tomará cada 24 horas. e) Al cabo de las 96 horas o antes si el material es arenoso se anota la lectura final para calcular el hinchamiento. Se calcula el % de hinchamiento que es la lectura final

menos la

lectura

inicial

dividido entre la altura inicial de la muestra multiplicado por 100.

46


Fig. 3. Disposición de las diferentes piezas, durante la ejecución de los ensayos de hinchamiento y penetración.

Los especímenes son saturados por 96 horas, con una sobrecarga igual peso del pavimento que se utilizará en el campo pero en ningún caso será menor que 4.50 k. Es necesario durante este periodo tomar registros de expansión cada 24 horas y al final de la saturación tomar el porcentaje de expansión que es: E (%)=

ó    

x100

Las especificaciones establecen que los materiales de préstamo para: Sub base deben tener expansiones menores de 2% Base

“

“

“

1%

Como dato informativo observar el hinchamiento versus el CBR: Suelo con hinchamiento 3% o más, generalmente tienen

CBR < 9 %

Suelo con hinchamiento 2% como máximo tienen

CBR > 15%

Suelos con hinchamiento < 1% tienen generalmente

CBR > 30%. 47


Drenaje Después de saturada la muestra, se saca del cilindro y cuidadosamente se drena durante 15 minutos el agua libre que queda. Como para drenar bien el agua es necesario voltear el cilindro sujétese bien el disco y las pesas metálicas al hacer esta operación. Luego remuévase el disco, las pesas y el papel filtro, pésese la muestra.

4.5.- Determinación de la resistencia a la penetración a).-Si no es necesario sumergir la muestra en agua, se colocará sobre ella la pesa anular y se montarán las pesas de plomo, de tal modo que se obtenga una sobrecarga semejante a la del pavimento a construirse. Pasar a c) y d). b).-Si la muestra ha sido sumergida en agua para medir su expansión, y después que haya sido drenada, se colocará la pesa anular y encima de las pesas de plomo que tenía la muestra cuando estaba sumergida en agua; o sea que la sobrecarga para la prueba de penetración deberá ser prácticamente igual a la sobrecarga que tenía durante el ensayo de hinchamiento. c).- El molde con la muestra y la sobrecarga, se coloca debajo de la prensa y se asienta el pistón sobre la muestra, aplicando una carga de 10 lbs. d).-Una vez asentado el pistón, se coloca en cero el extensómetro que mide la penetración y el dial del extensómetro también se coloca en cero. e).-Se hinca el pistón en incrementos de 0.025” a la velocidad de 0.05”/ minuto y se leen las cargas totales que ha sido necesario aplicar hasta hincar el pistón 0.50 pulgada.

48


f).- Una vez hincado el pistón

hasta 0.50 pulgada, se suelta la carga

lentamente; se retira el molde de la prensa y se quitan las pesas y la base metálica perforada. g).- Finalmente se determina el contenido de humedad de la muestra. Para el control de campo, bastará determinar el contenido de humedad correspondiente a la parte superior de la muestra pero en el laboratorio se recomienda tomar el promedio de los diferentes contenidos de humedad (parte superior e inferior de la muestra).

Foto 2. El equipo Manual de CBR. La muestra

está instalada, el

anillo y su dial de deformaciones, el

dial

para

medir

las

deformaciones y el pistón de 19.4 cm2 de área transversal.

49


Foto 3. El marco de carga, el anillo y el dial de deformaciones.

Foto 4. La muestra instalada, las columnas del marco, el pistón y el dial de deformaciones.

Foto 5. La manijuela del equipo para correr el ensayo.

50


Foto 6. El extractor de la muestra de los moldes. La palanca del gato y el marco del equipo.

5.- Cálculo del CBR Las lecturas tomadas, tanto de las penetraciones como de las cargas, se representan gráficamente en un sistema de coordenadas como se indica en la Fig. 4. Si la curva esfuerzo - penetración

que se obtiene es semejante a

la del ensayo No. 1 de la Fig. 4, los valores anotados serán los que se tomen en cuenta para el cálculo de CBR. En cambio, si las curvas son semejantes a las correspondientes a los No. 2 y 3, las curvas deberán ser corregidas trazando tangentes en la forma indicada en la Fig. 4. Los puntos A y B, donde dichas tangentes cortan el eje de abscisas, serán los nuevos ceros de las curvas. Las cargas unitarias y penetraciones se determinaran a partir de estos ceros. Si analizamos la curva del ensayo No. 3 tendremos que le esfuerzo correspondiente a la penetración corregida de 0.1” será de 300

lb/pulg2 en lugar de 120 lb/pulg2, que es la correspondiente a la lectura inicial sin corregir de 0.1”.

51


Fig. 4. Curvas que relacionan la hinca del pistón con las presiones aplicadas.

CBR =

      ó

x100(%)

CBR = El número CBR es un porcentaje de la carga unitaria patrón. En la práctica, el símbolo de % se quita y la relación se presenta simplemente por el número entero. Para determinar el CBR se toma como material de comparación la piedra triturada que sería el 100%, es decir CBR = 100%.La resistencia a la penetración que presenta a la hinca del pistón es la siguiente:

52


Penetración Carga Unitaria

Patrón

mm

pulg

Mpa

Psi

k/cm2

2.5

0.10

6.9

1,000

70

5.0

0.20

0.3

1,500

105

7.5

0.30

13.0

1,900

133

10.0

0.40

16.0

2,300

161

12.7

0.50

18.0

2,600

182

Si los CBR para 0.1” y 0.2” son

semejantes se recomienda usar en los

cálculos, el CB correspondiente a 0.2”. Si el CBR correspondiente a 0.2”

es

muy

superior

al

CBR

correspondiente al 0.1”, deberá repetirse el ensayo.

Fig. 5. Curvas esfuerzo – penetración para diferentes tipos de suelos

53


1A. Suelos gravosos y arenosos Estos suelos en la clasificación unificada, corresponden a los siguientes grupos: GW, GP, SW y SP. - Son suelos generalmente de Ip < 2 y de compactación rápida en el campo. - En general el CBR casi no vería apreciablemente con los cambios de humedad. - El CBR se puede determinar sin saturar la muestra. - El CBR que se adopte podrá ser el que corresponde a su máxima densidad o si se sigue un criterio más conservador, el menor de los CBR obtenidos. - El CBR de estos suelos granulares es generalmente mayor de 20%.

1B. Suelos cohesivos, plásticos, poco o nada expansivos Estos suelos son los más comunes y pertenecen a la siguiente clasificación unificada: GM, GC, SM, SC, CL, ML, OL.

A - Se aplica a condiciones climatéricas normales y a aquellos suelos cuyo CBR no varíe apreciablemente con el contenido de humedad. - No requiere estricto control de la humedad cuando se compacta en el campo.

B - Se aplica a condiciones climatéricas desfavorable y a aquellos suelos que son muy sensibles a cambios de humedad. - Se requiere un mayor control de la humedad en el campo.

Procedimiento I A) Se determinará una curva compactación a 56 golpes. B) Se preparan 3 muestras (56, 25, 10) a humedad óptima ± 0.5%. C) Cada muestra se satura y se anota la expansión. D) Después de las 96 horas se corre el ensayo. E) El CBR de diseño será aquel correspondiente a la densidad que se especifique. 54


Fig. 6. Determinación del CBR para suelos poco “sensibles” a

cambios pequeños de humedad (Procedimiento I).

Procedimiento II A) Se recomienda realizar 3 curvas de compactación cada una de ellas a 56, 25, 10 golpes/capa. B) Se saturan por 96 horas, se determina el hinchamiento y se drena. C) Se determina el CBR de cada muestra. D) Las curvas correspondientes a los contenidos de humedad, densidades y valores corregidos de los CBR se representan como en la Fig 7. E) En la Fig. 8A, se determina la zona densidad humedad, de acuerdo a la clase de obra y a las normas a seguirse. F) El CBR de diseño se seleccionará de las curvas CBR - Densidad, CBR Humedad, representadas en las Fig 8B, y 8C. G) Generalmente la densidad que se selecciona para determinar el CBR es la correspondiente al 95% de la MDS.

55


Fig. 7. Relación entre el esfuerzo de compactación por unidad de volumen y la densidad máxima.

Fig. 8. Familia de curvas que relacionan los CBR “corregidos”

con los contenidos de humedad y densidades. 56


1C Suelos cohesivos, plásticos y expansivos Estos suelos pertenecen a la clasificación unificada: MH, CH y OH. - El método que se sigue es semejante al Procedimiento II. - Seleccionar cuidadosamente las humedades y densidades. - No siempre la humedad óptima y la densidad máxima es la más adecuada. - Muchas veces el hinchamiento de estos suelos es menor cuando se compacta a densidades y con humedades distintas a la densidad máxima y humedad óptima. - El CBR a usar es aquel en que el suelo presente menor hinchamiento. - Para facilitar la selección del CBR de diseño, es recomendable es recomendable representar gráficamente los % de hinchamiento vs. Los contenido de humedad en los diferentes estados de compactación. - La comparación de las curvas que relacionan los hinchamientos, CBR y densidades con las humedades de compactación permitirá establecer los límites de humedad y densidad apropiados, facilitando así la selección del CBR de diseño.

6.- Valores referenciales de CBR, usos y suelos. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN No. CBR

Clasificación general

Usos

Unificado

AASHTO

0 – 3

Muy pobre

Sub rasante

OH,CH,MH,OL

A5, A6,A7

3 – 7

Muy pobre a regular

Sub rasante

OH,CH,MH,OL

A4,A5,A6,A7

7 – 20

Regular

Sub base

OL,CL,ML,SC,SM,SP

A2,A4,A6,A7

20 - 50

Bueno

> 50

Excelente

Sub base y base GM,GC,SW,SM,SP,GP A-1b,A2-5, A-3,A2-6 Base

GW, GM

A1a,A2-4,A-3

57


Ante la imposibilidad en ocasiones de hacer los ensayos para determinar el CBR de la sub-rasante, se propone hacer el cálculo mediante la correlación entre la clasificación de los suelos propuesta por AASHTO (EE.UU) para los suelos de la capa de coronación de la sub-rasante, de la sub base y la base. Las magnitudes de los CBR a emplear en el diseño se determinan correlacionando los valores del cuadro.

Como se aprecia en el cuadro, los suelos granulares: A-1, A-2 y A-3 poseen como mínimo valores de CBR del 9% hasta el máximo de 100% y los suelos finos (limosos y arcillosos: A-4, A-5, A-6 y A-7) alcanzan valores pequeños de ese importante indicador de resistencia (desde menos de 2% y hasta 30%).

58


ENSAYO DE CARGA DIRECTA SOBRE PLACA (MÓDULO DE REACCIÓN DE LA SUBRASANTE) INTRODUCCION Con el fin de estimar adecuadamente los esfuerzos máximos a que estarán sometidos elementos estructurales en contacto continuo con materiales térreos, tales como pavimentos, cimientos, traviesas de ferrocarril, etc., se requiere conocer la deformabilidad de la estructura térrea, ante la acción de las cargas impuestas.

CONCEPTO DEL MODULO DE REACCION DE SUBRASANTE (k) El módulo de reacción de subrasante k, se define como: k = σ / δ, en donde: σ = esfuerzo normal, δ = deformación en la dirección de σ.

El objetivo de este parámetro es el de reemplazar una masa de suelo por resortes elásticos equivalentes, con una constante k por unidad de área, lo que realmente es una conveniencia matemática que facilita los cálculos de esfuerzos y deformaciones en las interfaces estructura suelo, puesto que las deformaciones se hacen directamente proporcionales a los esfuerzos aplicados. El concepto fue introducido por Winkler, y posteriormente desarrollado, discutido y usado por la profesión. Dado que, este parámetro no es una propiedad intrínseca del suelo, hay múltiples modelos para su evaluación y no es posible determinarlo unívocamente con ensayos normalizados. Esquema de la prueba de placa

K (psi/in) = carga unitaria por placa / deflexión de la placa 59




El módulo de reacción de la subrasante (k) de un suelo se define como la relación entre presión aplicada mediante un plato o disco, de sección dada, a la subrasante y la penetración o deflexión resultante (AASHTO T-222 y ASTM D-1195)



El k mide la resistencia (o capacidad soporte del material de subrasante a ser comprimido bajo la acción de las cargas transmitidas al suelo



Para su determinación debe aplicarse una presión con el plato de carga similar a la que le transmitirá el pavimento en servicio: En general se aplican 10psi (0.7kg/cm 2)



El valor k depende además de diámetro del palto: La deflexión generalmente aumenta cuando el tamaño del plato disminuye (para presión cte. Para pavimentos rígidos se adopta un diámetro de 30” (76cm)



Para la correspondencia de los resultados en pavimentos rígidos con la teoría desarrollada por Westergaard el valor k determinado con el ensayo del plato debe ser establecido para una deflexión de 0.05”

(1.25mm)

60


Valores recomendados de CBR y K para varios tipos de suelos

Clasificación AASTHO

Descripción

Clasificación Densidad Unificada seca SUCS kg/m3

CBR %

K pci

S uelos G ranulares A-1-a bien graduado A-1-a bien graduado A-1-b A-3

GW

2000-2240

60-80

300-450

Grava Arena gruesa

GP

1920-2080

35-60

300-400

Arena fina

SW SP

1760-2080 1680-1920

20-40 15-25

200-400 150-300

S uelos A -2 (s uelos con alto contenido de finos ) A-2-4 gravoso A-2-5 gravoso A-2-4 arenoso A-2-5 arenoso A-2-6 gravoso A-2-7 gravoso A-2-6 arenoso A-2-7 arenoso

Grava limoso Grava areno limoso Arena limoso Arena gravo limoso Grava arcillosa Grava areno arcillosa Arena arcillosa Arena gravo arcillosa

GM

2080-2320

40-80

300-500

SM

1920-2160

20-40

300-400

GC

1920-2240

20-40

200-450

SC

1680-2080

10-200

150-350

1440-1680 1600-2000

4-800 5-150 4-800 5-150

25-165* 40-200* 25-190* 25-255*

S uelos Finos A-4 A-5 A-6 A-7-5 A-7-6

Limo, Mezcla limo/arena/grava

ML, OL

Limo mezclado Arcilla plástica Arcilla elástica moderada Arcilla elástica elevada

MH CL

1280-1600 1600-2000

CL, OL

1440-2000

4-150

25-215*

CH,OH

1280-1760

3-500

40-220*

Estos rangos de K aplican para estratos homogéneos de suelo de por lo menos 3 metros de espesor. Si un estrato de suelo de menos de 3 metros existe sobre un suelo más blando, el valor de K deberá corresponder al del suelo blando inferior y se podrá considerar el incremento de K debido al estrato superior. Si por el contrario existiera un estrato de roca el valor de K deberá ser ajustado. * El valor de K de los suelos finos depende en gran medida del grado de saturación, por lo que se recomienda realizar una corrección de por este efecto .

61


Correlación de k con las Propiedades del Suelo Tipo de suelo

Densidad (g/cc)

CBR (%)

k (

kg/cc)

A-1-a, bien gradada

2.10 − 2.35

60 − 80

8.3 − 12.5

A-1-a, pob. gradada

2.02 − 2.18

35 − 60

8.3 − 11.1

A-2-4 ó 5, gravosa

2.18 − 2.44

40 − 80

8.3 − 13.8

A-2-4 ó 5, arenosa

2.02 − 2.27

20 − 40

8.3 − 11.1

A-3

1.76 − 2.02

15 − 25

4.2 − 8.3

A-4, limo

1.51 − 1.76

4−8

0.7 − 4.6

A-5, limo

1.34 − 1.68

5 − 15

1.1 − 6.1

A-5-6, arcilla plástica

1.68 − 2.10

5 − 15

0.7 − 7.1

A-7-5, arcilla mod. plást.

1.51 − 2.10

4 − 15

0.7 − 6.0

A-7-6, arcilla alta plást.

1.34 − 1.85

3−5

1.1 − 6.1

62


PERMEABILIDAD: es la facilidad o dificultad que ofrece un suelo al paso del agua; se mide a través del coeficiente de permeabilidad, como una constante que tiene dimensiones de velocidad, y expresa la capacidad hidráulica de un suelo respecto al agua en su travesía por la masa del suelo; el grado de permeabilidad varía según el tipo de suelo. Un suelo o roca es permeable cuando contiene vacíos o fracturas continuas; los vacíos existen en todos los suelos incluyendo las arcillas más compactas. La forma de los granos es importante especialmente en los suelos más gruesos. El grado de saturación y el aire atrapado en los poros reduce el área en la sección transversal y puede llegar hasta obstruir el paso del agua. La permeabilidad de los suelos depende de varios factores: la viscosidad del fluido, distribución del tamaño de los poros, distribución granulométrica, relación de vacíos, rugosidad de las partículas minerales y grado de saturación del suelo. En los suelos arcillosos la estructura juega un papel importante en la permeabilidad. Otros factores mayores que afectan la permeabilidad de las arcillas son: la concentración iónica y el espesor de las capas del agua adheridas a las partículas de arcilla. El valor del coeficiente de permeabilidad “k”, varía ampliamente para

diferentes suelos; como se muestra en la tabla 1.2; se dan algunos valores típicos para suelos saturados. La permeabilidad del suelo no saturado es menor y crece rápidamente con el grado de saturación. COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD “K”

TIPO DE SUELO

k (cm/seg)

Grava limpia

100 − 1

Arena gruesa

1.0 − 0.01

Arena fina Arcilla limosa Arcilla

0.01 − 0.001 0.001 − 0.00001

0.000001 Braja M. Das, 2001.

63


Valores de permeabilidad típicos para diferentes tipos de suelos VALORES DE PERMEABILIDAD MAS EMPLEADOS PARA LOS DIFERNETES TIPO DE SUELOS VALORES REPRESENTATIVOS DE APROXIMACION DE LOS DIFERENTES TIPOS DE SUELOS CON RESPECTO A SU PERMEABILIDAD

m/s

10−11

10−10 10−9

10−8

−6 10−5 10−7 10

10−4

−2 10−3 10

10−9

10−8

10−6

−4 10−3 10−5 10

10−2

10−1

10−7

1

10−1

1

10

100

cm/s

10−10 10−9

10−8

10−7

−5 10−4 10−6 10

10−3

10−2

10−1

1

ft/s

Permeabilidad:

Condiciones de drenaje:

Grupos típicos de suelo:

Muy baja permeabilidad

Impermeabilidad

Impermeabilidad

GC

GM

CH

SC MH

baja permeabilidad

Mediana permeabilidad

Pobre

Alta permeabilidad

Buena

SM

SW SP

SM-SC

GW GP

MC-CL

Tipos de suelos:

Arcillas

Limos , arenas finas,

homogéneas

arenas limosas,

debajo de

arcillas estratificadas

Arenas limpias, arena y

Gravas

grava mezcladas

limpias

zonas de

Arcillas fisuradas e

desgaste o

intemperizadas y arcillas

intemperizadas

modificadas por la vegetación

NOTA: La Flecha adyacente a las clases de grupo indica que la permeabilidad puede alcanzar valores mayores a los típicamente presentados

64


La permeabilidad por su parte también se relaciona con el tipo de suelo. El rango de valores característicos encontrados se da en la tabla de arriba, la cual se elaboró a partir de una información originalmente por Casagrande y Fadum (1940). Superpuestos a la tabla se muestran los valores típicos de suelos compactados (prueba AASTHO, martillo de 4.5 kg), clasificados según el Sistema Unificado.

Rango de valores de k (cm/seg)

Ensayos de permeabilidad en materiales de baja de permeabilidad compactada (Jorge E. Alva Hurtado)

65


3.4.- RELACION ENTRE LOS DOS DIFERENTES SISTEMAS DE CLASIFICACION La tabla siguiente muestra una correlación entre los sistemas Unificado (asumido también por la ASTM). Debido a que los dos sistemas comparten un origen común, es posible hallar correspondencias entre los grupos de suelos con un razonable grado de confianza. Sin embargo, diferencias de orden mínimo entre los sistemas pueden significar la posibilidad de que se presenten ambigüedades, tal como se explica en las notas adjuntas Las bases totalmente del sistema AASTHO dan por resultado que no exista una equivalencia directa entre él y los grupos del Sistema Unificado. Estos se muestra en las tablas las cuales presentan correspondencias entre los sistemas AASTHO y Unificado. Determinadas las características de los suelos, según los acápites anteriores, se podrá estimar con suficiente aproximación el comportamiento de los suelos, especialmente con el conocimiento de la granulometría, plasticidad e índice de grupo y luego clasificar los suelos. La clasificación de los suelos se efectuará bajo el sistema mostrado en el cuadro. Esta clasificación permite predecir el comportamiento aproximado de los suelos, que contribuirá a delimitar los sectores homogéneos desde el punto de vista geotécnico. A continuación se presenta una correlación de los dos sistemas de clasificación más difundido, AASHTO y ASTM (SUCS):

Clasificación de suelos AASHTO

Clasificación de suelos ASTM (SUCS)

A-1-a

GW,GP,GM,SW,SP,SM

A-1-b A− 2

GM,GP,SM,SP GM,GC,SM,SC SP CL,ML ML,MH,CH CL,CH OH,MH,CH

A− 3 A− 4 A− 5 A− 6 A− 7

66


Grupos de suelos comparables en el Sistema AASTHO Grupo de suelos en el Sistema Unificado

Más probable

GW

A-a-1

GP

A-a-2

A-1-b

GM

A-1-b, A-2-4, A-2-5, A-2-7

A-2-6

GC

A-2-6, A-2-7

A-2-4, A-6

SW

A-1-b

A-1-a

SP

A-3, A-1-b

A-1-a

SM

A-1-b, A-2-4, A-2-5, A-2-7

SC

A-2-6, A-2-7

A-2-4, A-6, A-4, A-7-6

ML

A-4, A-5

A-6, A-7-5

CL

A-6, A-7-6

A-4

OL

A-4, A-5

A-6, A-7-5, A-7-6

MH

A-7-5, A-5

CH

A-7-6

OH

A-7-5, A-5

Posible

Posible pero improbable A-2-4, A-2-5, A-2-6, A-2-7 A-3, A-2-4, A-2-5, A-2-6, A-2-7 A-4, A-5, A-6 A-7-5, A-7-6, A-1-a A-4, A-7-5, A-7-6 A-3, A-2-4,A-2-5, A-2-6,A-2-7 A-2-4,A-2-5, A-2-6,A-2-8

A-7-5

A-7-6 A-7-5 A-7-6

Pt Comparación de grupos de suelos dados por los sistemas Unificado y AASHTO

67


Comparación de grupos de suelos entre el SUCS Grupo de suelos en el Sistema AASHTO

Más probable

Posible

Posible pero improbable

A-a-1

GW, GP

SW,SP

GM,SM

A-1-b

SW,SP,GM,SM

GP

A-3

SP

A-2-4

GM,SM

A-2-5

GM,SM

A-2-6

GC,SC

A-2-7

GM,GC,SM,SC

A-4

ML,OL

A-5

OH,MH,ML,OL

A-6

CL

ML,OL,SC

GC,GM,SM

A-7-5

OH,MH,ML

ML,OL,CH

GM,SM,GC,SC

A-7-6

CH,CL

ML,OL,SC

OH,MH,GC,GM,SM

SW,GP GC,SC

GW,GP,SW,SP GW,GP,SW,SP

GM,SC

GW,GP,SW,SP GW,GP,SW,SP

CL,SM,SC

GM,GC SM,GM

Comparación de grupos de suelos dados por los sistemas AASHTO y Unificado

68


Debido a que el Valor Relativo de Soporte de un suelo (VRS) mide el desempeño de este como subrasante, la lógica sugiere una correlación entre los valores de VRS y las clases de suelo. Al respecto, la oficina de Investigación en Carreteras de los Estados Unidos (USHRB, por sus siglas en inglés) presenta este tipo de correspondencia en la figura para los dos sistemas de clasificación estudiados en este trabajo.

Relaciones aproximadas entre los valores de VRS y las diferentes clases de suelos

69


SUCS PROCEDIMIENTO DE IDENTIFICACIÓN EN LA FRACCIÓN QUE PASA LA MALLA N° 40

S MBOLOS S MBOLOS DEL DEL GRUPO GRUPO

Amplia gama en los tamaños de las partículas y cantidades apreciables de todos los tamaños intermedios Predominio de un tamaño o un tipo de tamaños, con ausencia de algunos tamaños intermedios

GRAVAS LIMPIAS

GRAVAS CON FINOS

ARENAS LIMPIAS

ARENAS CON FINOS

AASTHO NOMBRES TÍPICOS

GW

A-1-a

Gravas bien graduadas, mezclas de grava y arena con poco o nada de fino

GP

A-1-a

Gravas mal graduadas, mezclas de grava y arena con poco o nada de fino

Fracción fina poco o nada plástica (para identificación véase grupo ML abajo)

GM

A-1-b

Fracción fina plástica (para identificación véase grupo CL abajo) Amplia gama en los tamaños de las particular y cantidades apreciables de todos los tamaños intermedios Predominio de un tamaño o un tipo de tamaños, con ausencia de algunos tamaños intermedios

GC

A-1-b

SW

A-1-b

Arenas bien graduadas, arenas con grava, con poco o nada de finos

SP

A-1-b/A-3

Arenas mal graduadas, arenas con grava, con poco o nada de finos

Gravas limosas, mezclas de grava, arena y limo Gravas arcillosas, mezclas de grava, arena y arcilla

Fracción fina poco o nada plástica (para identificación véase grupo ML abajo)

SM

A-2-4/A-2-5 Arenas limosas, mezclas de arena y limo

Fracción fina plástica (para identificación véase grupo CL abajo)

SC

A-2-6/A-2-7 Arenas limosas, mezclas de arena y arcilla

70


PROCEDIMIENTO DE IDENTIFICACIÓN EN LA FRACCIÓN QUE PASA LA MALLA N° 40

LIMOS Y ARCILLAS (limite liquido mayor a 50)

RESISTENCIA EN ESTADO DILATANCIA TENACIDAD SECO

ML

A-4

Nula o ligera

Rápida o lenta

Nula

CL

A-6

Media a alta

Nula a muy lenta

Media

OL

A-4

Ligera a media

Lenta

Ligera

MH

A-5

Ligera a media

CH

A-7-6

Alta

OH

A-7-5

Ligera a media

PT

A-8

LIMOS Y ARCILLAS Ligera a media Lenta a nula (limite liquido menor a 50) Alta a muy alta Nula SUELOS ORGANICOS

S MBOLOS S MBOLOS DEL DEL GRUPO GRUPO

Media a alta

Nula a muy lenta

NOMBRES TÍPICOS Limos inorgánicos, polvo de roca, limos arenosos o arcillosos ligeramente plásticos Arcillas inorgánicas de baja a media plasticidad, arcillas con grava, arcillas arenosas, arcillas limosas. Limos inorgánicos y arcillas limosas orgánicas de baja plasticidad Limos inorgánicos, limos micáceos o diatomáceos, limos elásticos Arcillas inorgánicas de alta plasticidad, arcillas francas Arcillas inorgánicas de media a alta plasticidad, limos orgánicos de media plasticidad Turba y otros suelos altamente orgánicos

71


PROCEDIMIENTO DE IDENTIFICACIÓN EN LA FRACCIÓN QUE PASA LA MALLA N° 40

LIMOS Y ARCILLAS (limite liquido mayor a 50)

RESISTENCIA EN ESTADO DILATANCIA TENACIDAD SECO

S MBOLOS S MBOLOS DEL DEL GRUPO GRUPO ML

A-4

Nula o ligera

Rápida o lenta

Nula

CL

A-6

Media a alta

Nula a muy lenta

Media

OL

A-4

Ligera a media Lenta LIMOS Y ARCILLAS Ligera a media Lenta a nula (limite liquido menor a 50) Alta a muy alta Nula

Ligera

MH

A-5

Ligera a media

CH

A-7-6

Alta

OH

A-7-5

Nula a muy lenta

Ligera a media

PT

A-8

SUELOS ORGANICOS

Media a alta

NOMBRES TÍPICOS Limos inorgánicos, polvo de roca, limos arenosos o arcillosos ligeramente plásticos Arcillas inorgánicas de baja a media plasticidad, arcillas con grava, arcillas arenosas, arcillas limosas. Limos inorgánicos y arcillas limosas orgánicas de baja plasticidad Limos inorgánicos, limos micáceos o diatomáceos, limos elásticos Arcillas inorgánicas de alta plasticidad, arcillas francas Arcillas inorgánicas de media a alta plasticidad, limos orgánicos de media plasticidad Turba y otros suelos altamente orgánicos

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RECOMENDACIONES Se recomienda utilizar el Sistema SUCS para cimentaciones porque da un mejor aporte para las propiedades mecánicas de los suelos Se recomienda utilizar el Sistema AASTHO para vías terrestres Para determina el CBR de cada muestra, se recomienda realizar 3 curvas de compactación cada una de ellas a 56, 25, 10 golpes/capa. Que luego se saturan por 96 horas, se determina el hinchamiento y se drena.


RECOMENDACIONES Se recomienda utilizar el Sistema SUCS para cimentaciones porque da un mejor aporte para las propiedades mecánicas de los suelos Se recomienda utilizar el Sistema AASTHO para vías terrestres Para determina el CBR de cada muestra, se recomienda realizar 3 curvas de compactación cada una de ellas a 56, 25, 10 golpes/capa. Que luego se saturan por 96 horas, se determina el hinchamiento y se drena.

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CONCLUSIONES En el cuerpo de este trabajo se presentan y discuten los dos sistemas de clasificación de suelos SUCS y ASSHTO, haciendo énfasis en el provecho que se puede obtener de ellos al correlacionarlos con diferentes aplicaciones constructivas. Los métodos que emplean las ideas de Casagrande no solo se basa únicamente en granulometrías, sino que considera límites de consistencia como las propiedades de plasticidad y comprensibilidad; Además de que es el único que ha estandarizado los procedimientos e implementado instrumentos para clasificar suelos y esto se demuestra, ya que son los más empleados en el mundo. Los dos sistemas ampliamente utilizadas en la práctica de la ingeniería de cimentaciones; Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS o Unificado), y el empleo para la construcción de carreteras (AASTHO, American Asociation of State Highway and Transportation Officials;) el primero está basado en los procedimientos propuestos por Casagrande y el segundo fue el resultado de una amplia modificación efectuada en 1945 al sistema de Caminos Públicos, llevada a cabo por un comité de ingenieros pertenecientes al Buró de Investigaciones de Carreteras estadounidenses; en 1966, la metodología fue adoptada por la AASTHO, conocida en aquel entonces simplemente como AASHO. Se dan correspondencia entre los dos sistemas; aunque, debido a las bases totalmente diferentes en las que se apoyó el sistema AASTHO, las relaciones encontradas son más inciertas que dada con el sistema Unificado. El propósito de una clasificación es relacionar los suelos con diferentes situaciones constructivas, con el fin de avaluar su efectividad ante diversas solicitaciones externas; sin embargo, los sistemas de clasificación basados en las ideas de Casagrande no se extienden más allá de una separación de tamaños y consistencias sin especificar el grado de utilidad del suelo como 73


terreno de cimentación, bordo de retención de aguas, revestimientos de canales; rasantes de caminos, etc. En este trabajo complementamos la información básica dada por los sistemas de clasificación tipo Casagrande mediante la clasificación del suelo, obtenida está de acuerdo con su conveniencia a ser empleado en alguna aplicación como las mencionadas en párrafo anterior. Una vez clasificado el suelo, es posible también correlacionarlo con propiedades importantes cuya obtención en laboratorio sea tardada o costosa. Específicamente, proporcionamos aquí las correspondencias existentes entre valores recomendados de CBR y K para varios tipos de suelos y valores relativos de soporte para diferentes tipos de suelos, también damos los rangos de permeabilidad. En relación con lo anterior creemos que la utilidad está seriamente limitada en situaciones definitivas y delicadas, ya que las correlaciones solo representan valores aproximados cuyo verdadero provecho debe restringirse solo a la etapa del anteproyecto o bien, los datos obtenidos deben verse como ordenes de magnitud esperada, que necesariamente tendrán que verificarse con pruebas reales. Las relaciones entre los dos diferentes sistemas de clasificación pueden servirnos también para interpretar y aprovechar las conclusiones obtenidas por otros investigadores, quienes en el desarrollo de sus trabajos hayan definido el suelo de acuerdo con un sistema que no sea el que comúnmente empleamos. Si se emplean las ideas y procedimientos de clasificación de los dos sistemas diferentes estaremos en la posibilidad de dar una información más completa sobre el mismo suelo. Ocasionalmente desearemos investigar las propiedades de un suelo bajo un sistema, el cual lo clasificara de acuerdo con los criterios que le son propios.

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GLOSARIO Y ABREVIATURAS 

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Análisis Granulométrico.- Es una prueba para determinar cuantitativamente la distribución de los diferentes tamaños de partículas del suelo. AASHTO.- Asociación Americana de Vías Estatales y Oficiales de Transporte CBR (California Bearing Ratio).- Norma AASHTO T193 – 63, es una medida de la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo, bajo condiciones de densidad y humedad cuidadosamente controladas. Se usa en el diseño de pavimentos flexibles. El CBR, expresa en porcentaje como, la razón de la carga unitaria que se requiere para introducir un pistón dentro del suelo, a la carga unitaria requerida para introducir el mismo pistón a la misma profundidad en una muestra tipo de piedra partida. Correlación.- en probabilidad y estadística, la correlación indica la fuerza y la dirección lineal entre dos variables aleatorias. Se considera que dos variables cuantitativas están correlacionadas cuando los valores de una de ellas varían sistemáticamente con respecto a los valores homónimos de la otra. Coeficiente de permeabilidad, k (LT-1).-velocidad de descarga de agua en condiciones de flujo laminar a través de un área transversal unitaria de un medio poroso bajo un gradiente hidráulico unitario y en condiciones estándar de temperatura (normalmente 20° C°). El coeficiente de permeabilidad depende de las condiciones de saturación del terreno y estrictamente es una función de la succión que, a su vez, es función de la saturación del material. El coeficiente de permeabilidad, k, es diferente a la permeabilidad del medio, K, y en su determinación debe tomarse en cuenta la viscosidad, η, el peso unitario del fluido, γ, a

más de la permeabilidad del medio, K, de acuerdo con la ecuación: k = γ K/η 

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Curva granulométrica.- Representación gráfica de la distribución granulométrica de un suelo. Índice de plasticidad.- Es la diferencia numérica entre el límite líquido y el límite plástico e indica el grado de contenido de humedad en el cual un suelo permanece en estado plástico antes de cambiar al estado líquido. Límite líquido.- El límite líquido es el mayor contenido de humedad que puede tener un suelo sin pasar del estado plástico al líquido. El estado 75


líquido se define como la condición en la que la resistencia al corte del suelo es tan baja que un ligero esfuerzo lo hace fluir. 

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Límite plástico.- Límite plástico se define como la mínima cantidad de humedad con la cual el suelo se vuelve a la condición de plasticidad. En este estado, el suelo puede ser deformado rápidamente o moldeado sin recuperación elástica, cambio de volumen, agrietamiento o desmoronamiento. SUCS.- Sistema Unificado de Clasificación de Suelos Suelos granulares.- Son aquellos que tienen el 35% o menos del material fino que pasa por el tamiz Nº 200.

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COMPARACION SUCS Y AASTHO.docx

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