1 INTRODUCCION A LA MECANICA DE SUELOS QUE ES LA MECANICA DE SUELOS Estudia el comportamiento del suelo para ser usado como material de construcción o como base de sustentación de las obras de ingeniería 1.1 / 1.2 ORIGEN Y FORMACION DE LOS SUELOS Y FACTORES GEOLOGICOS QUE INFLUYEN INFLUYEN EN LAS PROPIEDADES DE LOS SUELSO Todos los suelos tienen su origen, directa o indirectamente, en las rocas sólidas y se dividen en 2 grandes grupos Inorgánicos: son suelos cuyo origen de debe a la descomposición física y química de las rocas:
Meteorización.
Intemperismo.
Orgánicos: producto de la descomposición de vegetales o de acumulación acumulación de fragmentos de esqueletos.
INTEMPERISMO: Es el proceso mediante el cual un material que está expuesto al medio ambiente puede ser transportado por elementos físicos (agua, viento, temperatura, glaciales) que generan suelos gruesos; químicos (hidratación, carbonatación, oxidación) que generan suelos finos y biológicos (animales, vegetales) que generan suelos orgánicos
Deposito aluvial: son formados por acción de la gravedad y ayuda del agua Depósitos coluviales: depósitos de suelos deslavados y acumulados en la parte menor de la misma METEORIZACIÓN: Es el conjunto de modificaciones de la masa de roca de orden físico (desagregación) y química (descomposición) que surge debido a la acción de la atmósfera, hidrosfera y biosfera, de la vida animal y otros agentes en la transformación de la superficie terrestre. METEORIZACIÓN FÍSICA: FÍSICA: Es todo proceso que causa la Desintegración donde la roca se divide en partículas más pequeñas que conservan las características físico-químicas de la roca madre
METEORIZACIÓN QUIMICA: Es todo proceso que causa la Disgregación, donde la roca se divide en partículas más pequeñas ó se transforman en otros minerales más estables que no conservan las propiedades físico-químicas de la roca madre (oxidación, carbonatación, efectos químicos de la vegetación)
ROCA MADRE: sustrato mineral a partir del cual se forma el suelo.
Figura 1 ciclo de las rocas1 ROCAS ÍGNEAS: Formadas por enfriamiento de material fundido (“magma”), dentro o sobre la superficie de la corteza terrestre Intrusivas: enfriamiento lento y profundidad del magma Extrusivas: enfriamiento rápido y en superficie o cerca del magma
Granito, basalto, dolerita, andesita, grabo, sienita y pórfido
ROCAS SEDIMENTARIAS: Formadas en capas acumuladas por el asentam iento de sedimentos en cuerpos de agua Fragmentarias o detríticas: producto de desintegración mecánica de otras rocas y transportadas sedimentarias químicas: sedimentación química de materiales que han estado en disolución durante su fase de transporte
caliza, arenisca, lodolita, esquisto y conglomerados
ROCAS METAMÓRFICAS: Formadas por la modificación de rocas ya existentes por causas tales como Calor extremo o la intrusión de rocas ígneas (térmico o de contacto), Presiones muy alta (dinamometamorfismo o metamorfismo cataclástico)
mármol y cuarcita, pizarra y el esquisto
1.3 CARACTERISTICAS Y ESTRUCTURACION DE LOS SUELOS TIPOS DE ESTRUCTURAS: ESTRUCTURAS: SIMPLE PANALOIDE FLOCULENTA COMPUESTA CASTILLO DE NAIPE DISPERSA SIMPLE: las partículas de suelo se apoyan unas en otras y cada partícula posee varios puntos de apoyo, cuenta con 2 características la compacidad y la orientación Compacidad: grado de acomodo alcanzado por las partículas de suelo dejando la menor cantidad de vacios entre ellas
PANALIODE: se considera típica en granos de pequeño tamaño (0.002 mm de diámetro o menor), sus depósitos son en un medio continuo (agua o aire), la gravitación ejerce un efecto que hace que tiendan a sedimentarse, si la partícula antes de llegar al fondo toca a otra partícula ya depositada desarrollan la fuerza de adherencia y neutralizan el peso.
1
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FLOCULENTA: proceso de sedimentación de dos partículas de diámetros menores de 0.02mm, se adhieren con fuerza y se sedimentan juntas y así otras partículas pueden unirse al grupo cuando estos grumos llegan al fondo tienden a formar estructuras similares a panal pero las bóvedas no están formadas por partículas si no por grumos, y produce estructuras muy blandas y sueltas
COMPUESTA: esqueleto constituido por granos gruesos y masas coloidales de flóculos que proporcionan nexos entre ellos, esta estructura se forma en condiciones que permiten la sedimentación de partículas gruesas y finas simultaneas, esto ocurre en agua de mar o lagos con contenidos de sales apreciables
CASTILLO DE NAIPE: estructura formada por laminas típicas de los minerales de arcilla, es fundamental en la estructuración resultante para los suelos finos
DISPERSA: similar a castillo de naipes, las partículas tiene contactos mutuos, no es la mas estable, se crean deformaciones producidos por el esfuerzo cortante, tiende a disminuir los ángulos entre las diferentes láminas de material, conforme esto sucede actúan entre las partículas presiones osmóticas y tienden a hacer que las partículas se separen.
1.4 CLASIFICACIÓN DE LAS ARCILLAS EN BASE A SU ESTABILIDAD ARCILLA: cualquier suelo capaz de mantenerse plástico y desarrollar cierto grado de cohesión con variaciones relativamente amplias de humedad. Los minerales arcillosos son silicatos de aluminio y de magnesio hidratados en una forma típica laminar, que se presentan en granos extremadamente finos, con superficies específicas muy grandes. ARCILLAS CAOLINITAS (ESTABLES): compuesta de aluminio y sílice, se encuentran en suelos húmedos climas calientes, es relativamente bien equilibrada eléctricamente y sólo presentan substituciones isomorfas limitadas. La estructura básica de los minerales de este grupo están constituidos de una lamina de alúmina hidratada sobre una lámina de sílice, esta combinación se repite indefinidamente. La estructura de las caolinitas hace que las arcillas constituidas por ellas no sean expansivas, ya que el agua no puede entrar en sus retículos, son moderadamente plásticas, tienen una permeabilidad mayor y coeficiente de fricción interna mayor a diferencia de otros grupos de arcillas. ARCILLAS ILLITAS (COLAPSABLES): su estructura básica está compuesta por una lámina de aluminio hidratado colocada entre dos sílice. Contiene cationes de potasio lo que produce ligaciones más firmes entre las laminas ocasionando que sea más expansiva que la caolinita pero menos que la montmorilonita, se encuentran en climas áridos. Hay limitadas substituciones isomorfas en la lamina de aluminio, pero puede haber substituciones de silicio en él. ARCILLAS MONTMORILONITA (EXPANSIVAS): su estructura esta compuesta por una capa de aluminio hidratado o una de magnesio hidratada, mas de dos sílices, es la menos resistentes de las arcillas, ya que tiene gran cantidad de vacios, por lo tanto alta humedad y mucha plasticidad, la ligación entre las distintas capas es débil, por lo que el agua que entra se inserta con facilidad entre ellas produciendo hinchamiento y lo contrario a ser saturadas al secarse se produce retracción considerable con el consiguiente agrietamiento.
VIDEOS 2.1 MÉTODOS DE SONDEO
2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO
EXPLORACION: método por el cual se recopilara muestra para su estudio SONDEO: mecanismo con el cual se obtendrá una muestra de suelo ya sea inalterada o alterada Muestreo de suelos: Los trabajos de muestreo de suelos tienen por objeto obtener la información necesaria para conocer los siguientes aspectos de los depósitos de suelos identificados en la etapa preliminar del estudio geotécnico: Estratigrafía del sitio. Clasificación geotécnica de los suelos que forman cada estrato o lente. Compacidad relativa o consistencia de cada tipo de suelo identificado en el perfil estratigráfico. Resistencia al esfuerzo cortante, compresibilidad y permeabilidad delos suelos de cada estrato. MUESTRA ALTERADA: se define como aquella donde parte de ella o toda, ha sufrido una alteración tal que ha perdido la estructura que poseía in-situ, estas muestras no representan de forma real las propiedades ingenieriles de resistencia y permeabilidad del suelo. Una muestra inalterada generalmente es usada para los procesos de identificación y caracterización del suelo. Las muestras inalteradas también son usadas para preparar especímenes de laboratorio y evaluar en ellos propiedades de permeabilidad y resistencia mecánica, cuando la destinación del suelo sea como elemento de construcción MUESTRA INALTERADA: Son aquellas muestras obtenidas por medio de muestreadores y usando técnicas en las cuales es posible preservar de la estructura natural del material; aunque se use la expresión “inalterada” se debe tener
en cuenta que una muestra de suelo al ser retirada de sus condiciones naturales sufre algún tipo de remoldeo o alteración, se denomina así por que representan fielmente las condiciones del suelo in-situ. En estas muestras se realizan todos aquellos ensayos que permiten evaluar las condiciones de resistencia del suelo y comportamiento ingenieril y las propiedades de permeabilidad, además determinar la humedad natural y todos los demás ensayos que se pueden ejecutar en las muestras alteradas METODO DE SONDEOS PRELIMINARES a) Pozos a cielo abierto, con muestreo alterado o inalterado. b) Perforaciones con posteadora, barrenos helicoidales o métodos similares. c) Métodos de lavado. d) Método de penetración estándar e) Método de penetración cónica. f) Perforaciones en boleos y gravas (con barretones, etc.)
METODOS DE SONDEOS DEFINITIVOS a) Pozos a cielo abierto con muestreo inalterado. b) Métodos con tubo de pared delgada. c) Métodos rotatorios para roca.
METODOS GEOFÍSICOS Métodos de exploración que se realizan utilizando fenómenos físicos, tales como la gravedad de la tierra, ondas sísmicas, resistividad y el magnetismo de la tierra a) Sísmico. b) De resistencia eléctrica. c) Magnético y gravimétrico. A continuación se describen brevemente los diferentes métodos mencionados. 2.2 SONDEOS PRELIMINARES POZO A CIELO ABIERTO CON MUESTREO ALTERADO E INALTERADO Considerársele como el más satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo, se excavan con el fin de tomar muestras de cada estrato, para observar y levantar el perfil estratigráfico de sus paredes. Dichas excavaciones deben tener un área de 1.00 x 1.5m (como mínimo), con separaciones y profundidades variables, los cuales dependen de la zona donde se ubique el sitio en estudio, del material encontrado, de la posición del nivel freático Una vez obtenidas las muestras y efectuada la clasificación de campo correspondiente, las excavaciones se deben proteger con postes y alambre de púas, con el objeto de evitar el acceso a ellas; cuando se terminan los trabajos se rellenan en su totalidad con material producto de la excavación. PERFORACION CON PORTEADORA y BARRENOS HELICOIDALES En estos sondeos exploratorios la muestra de suelo obtenida es completamente alterada, pero suele ser representativa del suelo en lo referido a contenido de agua, por lo menos en suelo muy plástico. La muestra se extrae con herramientas del tipo mostrado en la figura A-1 Los barrenos helicoidales pueden ser de muy diferentes tipos no solo dependiendo del suelo por atacar, sino también de acuerdo con la preferencia particular de cada perforista. El principio de operación resulta evidente al ver la figura, Un factor importante es el paso de la hélice que debe ser muy cerrado para suelos arenosos y mucho más abierto para el muestreo en suelos plásticos.
SONDEO DE PENETRACION ESTÁNDAR (SPT)
Se obtienen muestras alteradas del suelo hincando a golpe un tubo muestreador, conocido como penetrometro estándar. Este tubo muestreador consiste en un tubo de pared gruesa provisto en sus extremos de dos piezas roscadas. El tubo estándar tiene una longitud de 60.0cm, diámetro interior de 3.50cm y diámetro exterior de 5.00cm; la longitud total del muestreador es de 75.00cm. Una canastilla de laminillas de acero colocada en la zapata del muestreador y una funda interior de polietileno flexible permiten retener muestras de suelo de cualquier tipo que penetren al tubo; el polietileno sirve también de envoltura y protección a las muestras de suelo contra pérdida de agua después de extraerlas del muestreador. Este muestreador se introduce hasta el fondo de la perforación y se hinca mediante un martinete de caída libre, de 65.00kg de peso y altura constante de 75.00cm. Registrando el número de golpes necesarios para hacerlo penetrar en el terreno, cada 10.00cm de profundidad; se obtienen así un ´índice de penetración estándar, expresado por el número de golpes del martillo, N, necesarios para hincar los 30.00cm intermedios del tubo muestreador. SONDEO DE PENETRACION CONICA Estos métodos consisten en hacer penetrar una punta cónica en el suelo y medir la resistencia que el suelo ofrece. Existen diversos tipos de conos. Dependiendo del procedimiento para hincar los conos en el terreno, estos métodos se dividen en estáticos y dinámicos. 2.3 SONDEOS DEFINITIVOS SONDEO CON TUBO DE PARED DELGADA En efecto, siempre será necesario extraer al suelo de un lugar con alguna herramienta que inevitablemente alterará las condiciones de esfuerzo de su vecindad; además, una vez la muestra dentro del muestreado no se ha encontrado hasta hoy y es dudoso que jamás llegue a encontrarse, un método que proporcione a la muestra, sobre todo en su cara superior e inferior los mismos esfuerzos que tenia "in situ". Este tipo de muestreadores no es recomendable para suelos muy blandos, con alto contenido de agua y arenas, ya que en ocasiones no logran extraer la muestra, saliendo a la superficie sin ella.
SONDEO ROTATORIO PARA ROCA Cuando un gran bloque o un estrato rocoso aparezcan en la perforación se hace indispensable recurrir al empleo de máquinas perforadoras a rotación, con broca de diamantes o del tipo cáliz. En las primeras, en el extremo de la tubería de perforación va colocado un muestreador especial, llamado de "corazón", en cuyo extremo inferior se acopla una broca de acero duro con incrustaciones de diamante industrial, que facilita la perforación. En las segundas, los muestreadores son de acero duro y la penetración se facilita por medio de municiones de acero que se echan a través de la tubería hueca hasta la perforación y que actúan como abrasivo. En roca muy fracturada puede existir el peligro que las municiones se pierdan. Perforadoras tipo cáliz se han construido con diámetros muy grandes, hasta para hacer perforaciones de 3m; en estos casos la máquina penetra en el suelo con la misma broca. De acuerdo a lo anterior se concluye que el éxito de una maniobra de perforación rotatoria depende fundamentalmente de esos tres factores: * Velocidad de rotación. * Presión de agua. * Presión sobre la broca. 2.4 MÉTODOS GEOFISICOS
METODO SISMICO Este procedimiento se funda en la diferente velocidad de propagación de las ondas vibratorias de tipo sísmico a través de diferentes medios materiales. Las mediciones realizadas sobre diversos medios permiten establecer que esa velocidad de propagación varía entre 150 y 2.500 m/seg en suelos, correspondiendo los valores mayores a mantos de grava muy compactos y las menores a arenas sueltas; los suelos arcillosos tienen valores medios, mayores para las arcillas duras y menores para las suaves. En roca sana los valores fluctúan entre 2.000 y 8.000 m/seg como término de comparación se menciona el hecho de que en el agua la velocidad de propagación de este tipo de ondas es del orden de 1.400 m/seg esencialmente el método consiste en provocar una explosión en un punto determinado del área a explorar usando una pequeña carga de explosivo, usualmente nitroamonio. Por la zona a explorar se sitúan registradores de ondas (geófonos), separados entre sí de 15 a 30 m. La función de los geófonos es captar la vibración, que se transmite amplificada a un oscilógrafo central que marca varias líneas, una para cada geófono. METODO DE RESISTIVIDAD ELÉCTRICA El método sirve, en primer lugar, para medir las resistividades a diferentes profundidades, en un mismo lugar y, en segundo, para medir la resistividad a una profundidad, a lo largo de un perfil. Lo primero se logra aumentando la distancia entre electrodos, con lo que se logra que la corriente penetre a mayor profundidad. Lo segundo se logra conservando la distancia constante y desplazando todo el equipo sobre la línea a explorar. Las mayores resistividades corresponden a rocas duras, siguiendo rocas suaves, gravas compactas, etc, y teniendo los menos valores los suelos suaves saturados
3 RELACIONES VOLUMÉTRICAS Y GRAVIMÉTRICAS
La naturaleza y disposición de los átomos en una partícula de suelo, es decir su composición tiene una considerable influencia sobre la permeabilidad, resistencia y transmisión de esfuerzos en los suelos, especialmente en los de grano fino. Una partícula de suelo puede ser orgánica o inorgánica; el ingeniero civil no suele preocuparse de los compuestos orgánicos del suelo ya que este aspecto no se tiene en cuenta en la realización de obras civiles. La mayor parte de los suelos son mezclas de partículas minerales inorgánicas con aportes de agua y aire. Por tanto, es conveniente trabajar con un modelo de suelo con tres fases: sólida, líquida y gaseosa.
3.1 FASES DEL SUELO:
3.1.1
Fase Sólida : Fase conformada por partículas minerales .
3.1.2
Fase Líquida: Compuesta en su mayor parte por agua .
3.1.3
Fase Gaseosa: Presente en los suelos en menores proporciones y se constituye principalmente por aire y algunos
gases que también pueden hacer parte de ella, como los gases sulfurosos o el anhídrido carbónico
SIMBOLOGÍA Y DEFINICIONES Con el fin de facilitar el trabajo de las relaciones volumétricas y gravimétricas recurre a un diagrama que es un esquema representativo de la distribución de fases cuyas proporciones se expresan en volumen y en peso. El significado de los símbolos que aparecen en el diagrama se utilizan en las expresiones para nombrar cada magnitud es la siguiente:
Figura 1 fases del suelo Vm: Volumen total de la muestra del suelo. Va: Volumen de la fase gaseosa. Vw: Volumen de la fase líquida. Vs: Volumen de la fase sólida. Vv: Volumen de vacíos. Wm: Peso total de la muestra de suelo. Wa:
Peso de la fase gaseosa. (Se desprecia = 0).
Ww:
Peso de la fase líquida.
Ws:
Peso de la fase sólida.
W’m: Peso muestra sumergida. W’s: Peso sólido sumergido.
Si colocamos carga a las fases:
Se incrementa los esfuerzos. qqs
Sufre deformaciones.
HIPÓTESIS PARA QUE SE CUMPLAN LAS RELACIONES GRAVIMÉTRICAS
La fase sólida es indeformable.
La fase sólida y líquida es incompresible.
La fase gaseosa bajo esfuerzo sufre cambios en la forma y volumen.
3.2.1
Relaciones de Volumen: Involucran los volúmenes de las diferentes fases del suelo, estas son relaciones de vacíos, porosidad, y grado de saturación .
3.2.2
Porosidad: Se llama porosidad (n) a la fracción en porcentaje del volumen de vacíos al volumen total. En un sólido perfecto η = 0. n
Vv
* 100
Vm
Teóricamente puede variar entre cero a cien; para el primer caso se tendrá un suelo compuesto solamente por la fase sólida y para el segundo caso se tendría sistema completamente vacío. En la práctica, los valores dependen de la forma de acomodamiento de las partículas para suelos no cohesivos. Para suelos cohesivos tienen valores muchos mayores llegando alcanzar hasta un 95%. En general nos proporciona un dato preciso si un suelo es denso o suelto. Relación de Vacíos :
Se define como la razón existente entre el volumen de vacíos y el volumen de sólidos: e
Vv Vs
Teóricamente varía entre cero a infinito. Prácticamente puede ser mayor de 0.25 en arenas muy densas y de partículas de tamaños pequeñas y 15 para arcillas altamente compresibles o expansivas.
3.2.4 Grado de Saturación: Es la relación entre el volumen de agua y el volumen de vacíos: Sr
Vw
* 100
Vv
Indica la cantidad de agua, en volumen que contiene un suelo varia desde Sr = 0 % (Para un suelo seco) hasta Sr = 100% (Suelo Saturado). Relaciones de Peso: Son las relaciones que involucran los pesos de las fases de un suelo, las principales son la humedad y peso unitario. Humedad o contenido de agua: Es la relación que existe entre el peso del agua contenida en el suelo y el peso de los sólidos, se da en porcentaje y se expresa en la siguiente formula: w
Ww Ws
* 100
Indica la cantidad de agua que tiene los sólidos. Teóricamente varía de cero a infinito. En la naturaleza la humedad de los suelos varía entre límites muy amplios. Relaciones de Pesos y Volúmenes: En mecánica de suelos se relaciona el peso de las distintas fases con volúmenes correspondientes, por medio del concepto del peso unitario, es decir, de la relación entre el peso del suelo y su volumen. Dentro de los suelos, se considera los siguientes pesos unitarios:
Peso Unitario de la muestra: Wm m
Vm
Normalmente varía entre: 1.5 a 2 T/m3
Peso Unitario de los sólidos : Es la relación que existe entre el peso de las partículas sólidas del suelo y su volumen. s
Ws Vs
Teóricamente varía entre 2.5 a 3 tn/m3
Peso Unitario Seco: Es la relación que existe entre el peso de los sólidos y el volumen de la muestra. Ws d
Vm
Es un valor particular del peso unitario de la muestra para el cual el valor de saturación del suelo sea nulo.
Tabla 2. Valores de η y γd para suelos granulares (MS Lambe).
Peso Unitario Saturado: Es el valor del peso específico de la muestra, cuando el grado de saturación es del 100 % saturado
Ws Ww Vs Vw
Atención especial debe darse al cálculo de peso específico de suelos situados bajo el nivel freático. En tal caso el empuje hidrostático ejerce influencia en los pesos y gravedades específicas relativas.
Peso Unitario Sumergido de la Muestra : Se expresa de la siguiente manera: ' m
' m
saturado w
W ' m
Vm
(Para Suelos Saturados).
Peso Unitario de los Sólidos Sumergidos : Se expresa de la siguiente manera.
' s
W ' s Vs
Gravedad Especifica de los Sólidos: Es una propiedad fundamental necesaria para la definición de algunas propiedades físicas de los suelos, esta se define como el valor de Gs, depende de la composición mineralógica de las partículas que constituyen el suelo. Gs
s w
Gravedad Específica de la Muestra Seca : Se define mediante la siguiente expresión: Gd
d w
Densidad Relativa: Es una relación que expresa la forma de agrupación de los granos o grados de compacidad del suelo, dicha relación es: Dr
emax imo emax imo
e
emin imo
Donde:
Dr : Densidad Relativa.
emáximo: Relación de vacíos en su estado más suelto.
e
emínimo: Relación de vacíos en su estado más compacto que puede obtenerse en laboratorio
: Relación de vacíos del suelo en su estado natural en el terreno.
Dr
ESTADO DE COMPACIDAD
< 20
Muy Suelta
20 - 40
Suelta
40 - 60
Semicompacta
60 - 80
Compacta
> 80
Muy Compacta
Tabla 3 Relación de la densidad relativa y el estado de compacidad
Determinación de la porosidad y la relación de vacíos.
Para la determinación de la densidad relativa de un suelo granular se determinan la relaciones de vacíos e máximo, secando la muestra y luego se vierte dentro de un recipiente desde una pequeña altura, y cuando se va a determinar e mínimo la muestra se vierte en un recipiente, utilizando la vibración de tal manera que las partículas ocupen la mayor parte de vacíos. Estos procedimientos no han sido normalizados y por lo tanto los valores de Dr dependen del valor utilizado. Otro método práctico para determinar la porosidad y/o la relación de vacíos de un suelo sin cohesión consiste en llenar un molde o un recipiente adecuado (por ejemplo, molde de compactación, probeta de vidrio, etc.) con agua y añadir el suelo (secado previamente en una estufa cuando las partículas no son porosas o debe estar saturado con superficie seca) hasta llenarlo. El volumen ocupado por las partículas de suelo puede determinarse comparando la masa de agua y suelo + agua que admite el molde. La relación mínima de vacíos (e min) puede determinarse introduciendo un molde estándar de compactación (Masa=M 0) por debajo del agua. Después de esto, el suelo se coloca en el molde en tres capas de aproximadamente el mismo espesor,
cada una de las cuales se compacta bien usando un martillo de vibración. Se recorta y se elimina el reborde del molde y la superficie se nivela al ras para determinar la masa del molde + suelo + agua (M 2). Si V = volumen del molde Densidad saturada: saturado
M 2
M
0
V
Además, suponiendo que el suelo está saturado, la densidad total está determinada por la ecuación: saturado
Gs e 1 e
* w
Por tanto, saturado(max)
Gs emin
1 emin
* w
Transponiendo términos: emin
Gs * w
saturado(max)
saturado(max)
w
La relación de vacíos (e máx) puede determinarse en forma aproximada, colocando el molde u otro recipiente adecuado bajo el agua y vertiendo rápidamente el suelo sobre el molde hasta llenarlo. Se eliminan si los hay, los rebordes del molde, se nivela la superficie al ras y se determina la masa del molde + agua + suelo. Los valores de e máx y nmáx se determinan usando las ecuaciones: emin
Gs * w
saturado(max)
saturado(max)
n max
w
emax
1 emax
3.2.3 EXPRESIONES PARA SUELOS SATURADOS Y PARCIALMENTE SATURADOS: Deducciones: A continuación se deducen una serie de fórmulas que son útiles para la más rápida solución de problemas de suelos en los que intervienen relaciones volumétricas y gravimétricas. Se debe advertir que para la más fácil escritura de las diferentes igualdades se omite la consideración de que las relaciones sean dadas en tanto por uno, o no. Así, por ejemplo la porosidad se escribirá tan sólo como: n
Vv
* 100
Vm
Y el contenido de humedad como: w
Ww
* 100
Ws
Deducción de: n = f(e) Vv n
Vv Vm
Vv Vs Vv
Vs
Vv Vs
1
e
1 e
Deducción de: e = f (n)
Vv e
Vv Vs
Vm Vm Vv
n
1 n
Vm
Deducción de: e = w * Gs (si Sr = 100%)
e = Vv/Vs ;
Sr = 100 % ; Vv = Vw
s = Ws/Vs;
w = Ww/Vv
e = Vv/Vs = ( s * Ww)/ (Ws * w) = Gs * w
Deducción de: d = (1 - n) *
s d
Ws Vm
Vs * s Vm
*
(Vm Vv) * s Vm
d = (1 - n) s
Deducción de: d = m/(1 + w)
d
Ws Vm
( m * Ws) Wm
m
Ws Ww Ws
d
m
1 w
Deducción de : n = f (e)
n
Vv
1
Vm
Vs Vv
1
Vv
1
e
1
1
1 e
Ejercicios Tipo I:
Una muestra inalterada de arcilla se ensayó y se obtuvo los siguientes resultados: La muestra está saturada.
Gs = 2.70 Wm= 210 gr Ws = 125 gr Encontrar: m, d, s, e y n Asumir que el grado de saturación equivale inicialmente al 100% y luego al 75 %. Solución: Gs = s / w => s = Gs * w = 2.7 * 1 t/m3 s = Ws / Vs => Vs = Ws / s = 125 gr. / 2.7 gr
Vs = 46.29 cm 3
Wa=0
=
AIRE Vt=131.3 cm3
Vw=85 cm3
Ww=85 grs
Wm=210 grs
AGUA Vs=46.3 cm3
Ws=125 grs
SÓLIDO
Ww = Wm - Ws = 210 gr. - 125 gr. = 85 gr. Ww = Vw = 85 cm³ = Vv (por estar saturado). Vm = Vs + Vw = 131.3 cm³ m = Wm/Vm = 1.60 gr/cm³ d = Ws/Vm = 0.95 gr/cm³ s = Ws/Vs = 2.70 gr/cm³
n = (Vv/Vm)*100 = 64.73% e = Vv/Vs = 1.84
De una muestra representativa e inalterada obtenida de un estrato de suelo que pesa 26 Kilogramos con un volumen de 13.8 litros, se extrae un pedazo que pesa 80 gramos húmedo y 70 gramos seco, la gravedad específica de la muestra sólida es 2.66. Calcular: Humedad natural, relación de vacíos, porosidad y grado de saturación.
Wm = 26 Kg. Vm = 13.8 lit. Espécimen:
Ph = 80 gr. = Peso húmedo
Ps = 70 gr. = Peso seco Gs = 2.66
Wa=0
Va=2.01 lts
AIRE Vm=13.8 lts
Ww=3.25
Vw=3.25 lts
AGUA Vs=8.55 lts
Ws=22.75 Kg
SÓLIDO
-
w = (Ww/Ws) * 100 => [(Ph - Ps)/Ps] * 100
w = [(80 gr - 70 gr)/70 gr] * 100 = 14.28% w = Ww/Ws = 0.1428 => Ww = 0.1428Ws Wm = 26 kg = Ws + Ww = Ws + 0.1428Ws = 1.1428Ws
Wm=26 Kg
Ws = 22.75 kg. Ww = 0.1428Ws = 3.25 kg. = Vw = 3.25 lit. s = 2.66 Kg/m³ = Ws/Vs
Vm = Ws/ s = 22.75 Kg.cm³/2.66 = 8.55 Lit. Vm = Vs + Vw + Va => Va = 2.01 lit Vv = Vw + Va = 5.25 litros -
e = Vv/Vs = 5.25/8.55 = 0.614
-
n = [Vv/Vm] * 100 = [5.25 lit/13.8lit] * 100 = 38 %
-
Sr = [Vw/Vv] * 100 = [3.25 lit/5.25] * 100 = 61.90 %
Ejercicios Tipo II: En esta clase de ejercicios se asume una cantidad de tal manera que las relaciones se mantengan de acuerdo a la facilidad de cálculo.
Una muestra de arcilla que se caracteriza por su alta humedad tiene los siguientes datos:
w = 40 %, s = 2.35 gr/cm3.
Suelo saturado.
Calcular: m, d, 'm, e y n. Se asume que Vs = 1 m 3 w = Ww/Ws = 3.26 => Ww = 3.26 * 2.35 T = 7.66 T Cuando está saturado, No Hay Aire => Va = 0 y Vw = Vv
Wa=0
Va=0
AIRE Vm=1.94 m3
Ww=0.94 T Wm=10.01 T
Vw=0.94 m3
AGUA Vs=1 m3
Ws=2.35 T
SÓLIDO
-
m = Wm/Vm = 1.16 T/m3
-
d = Ws/Vm = 0.27 T/m 3
-
´m =
saturado - w = 1.16 - 1.0 = 0.16 T/m3
-
e = Vv/Vs = 7.66/1 = 7.66
-
n = Vv/Vm * 100 = 88.46 %
Un metro cúbico (1m 3) de suelo húmedo pesa 1.8 Tn., seco pesa 1.5 Tn., su gravedad específica respecto a los sólidos es 2.70.
Calcular: La humedad, Relación de vacíos, la porosidad y grado de saturación m = 1.8 T/m 3
d = 1.5 T/m3
Gs = 2.70 m = Wm/Vm asumimos Vm = 1m³ m = Wm = 1.8 T d = Ws/Vm = 1.5 T => d = Ws = 1.5 T
Gs = s/ w => Gs = s = 2.7 T/m³ s = Ws/Vs => Vs = Ws/ s = 1.5/2.70 = 0.56 m³ -
w = [Ww/Ws] * 100 = [0.3/1.5] * 100 = 20%
-
e = Vv/Vs = 0.44/0.56 = 0.79
-
n = [Vv/Vm] * 100 = [0.44/1] * 100 = 44%
-
Sr = [Vw/Vv] * 100 = [0.3/0.44] * 100 = 68.18%
Diagramas Unitarios Generales:
Wa=0
e (1 – Sr)
AIRE
e e+1
e Sr AGUA Vs=1 m3 SÓLIDO
eSrw w(eSr+Gs)
Gsw
f (e, Sr, w, Gs): Calcular el diagrama unitario en función de la Relación de vacíos, Grado de saturación, la humedad y Gravedad específica.
e = Vv/Vs => Vv = e Sr = Vw/Vv => Vw = Sr * Vv = Sr * e Gs = s/ w => s = Gs * w s = Ws/Vs => Gs * w = Ws/Vs => Ws = Gs * w
Calcular el diagrama unitario en función de la Porosidad, Grado de saturación y la Gravedad específica: f(n, Sr, m, Gs).
n = Vv/Vm => Vv = n Sr = Vw/Vv => Vw = Sr * Vv Gs = s/ w => s = Ws/Vs => Gs * w = Ws/Vs Ws = Gs * w * Vs Ws = (1 - n)(Gs * w)
Wa=0
n (1 – Sr)
AIRE
n 1
n Sr
1-n
nSrw
W(nSr+(1-n)Gs)
AGUA
SÓLIDO
(1 – n )Gsw
3.4 Determinación en el laboratorio del peso especifico relativo de sólidos
El peso especifico relativo es la mayoría de las partículas minerales constituyentes de un suelo, sus limites varían entre (2.60 a 2.90).
4 Granulometría Es la medición de los granos de una formación sedimentaria y el cálculo de la abundancia de los correspondientes a cada uno de los tamaños previstos por una escala granulométrica. 4.1 Análisis granulométrico mecánico Su finalidad es obtener la distribución por tamaño de las partículas presentes en una muestra de suelo . Así es posible también su clasificación mediante sistemas como AASHTO o USCS . El ensayo es importante , ya que gran parte de los criterios de aceptación de suelos para ser utilizados en bases o sub -bases de carreteras, presas de tierra o diques, drenajes, etc ., depende de este análisis.
4.2 Determinación de los coeficientes de uniformidad y curvatura
La forma de la curva da inmediata idea de la distribución granulométrica del suelo, un suelo constituido por partículas de un solo tamaño, estará representado por una línea vertical (pues el 100% de sus partículas, en peso, es de menor tamaño que cualquiera mayor que el suelo posea una curva muy tendida indica grava variedad en tamaños (suelo bien graduado). Como una medida simple de la uniformidad de un suelo, allen hacen propuso el coeficiente de uniformidad. Hazen propuso el coeficiente de uniformidad
Donde: D60: Tamaño total, que el 60%, en peso, del suelo, sea igual o menor D10: llamado por hacen diámetro efectivo, es el tamaño tal que sea igual o mayor que el 10%, en peso, del suelo. En realidad la relación Cu es un coeficiente de no uniformidad, pues su valor numérico decrece cuando la uniformidad aumenta. Los suelos con Cu< 3 se consideran muy uniformes; aun las arenas naturales muy uniformes rara vez presentan Cu<2. Coeficiente de curvatura
Esta relación tiene un valor entre 1 y 3 en suelos bien graduados, con amplio margen de tamaños de partículas y cantidades apreciables de cada tamaño intermedio 5 PLASTICIDAD Propiedad de un material por la cual es capaz de soportar deformaciones rápidas, sin rebote elástico, sin variación volumétrica apreciable. 5.1 Estados y límites de consistencia de los suelos
Los límites de Atterberg o límites de consistencia se basan en el concepto de que los suelos finos, presentes en la naturaleza, pueden encontrarse en diferentes estados, dependiendo del contenido de agua. Así un suelo se puede encontrar en un estado sólido, semisólido, plástico, semilíquido y líquido. La arcilla, por ejemplo al agregarle agua, pasa gradualmente del estado sólido al estado plástico y finalmente al estado líquido. El contenido de agua con que se produce el cambio de estado varía de un suelo a otro y en mecánica de suelos interesa fundamentalmente conocer el rango de humedades, para el cual el suelo presenta un comportamiento plástico, es decir, acepta deformaciones sin romperse (plasticidad), es decir, la propiedad que presenta los suelos hasta cierto límite sin romperse. El método usado para medir estos límites de humedad fue ideado por Atterberg a principios de siglo a través de dos ensayos que definen los límites del estado plástico. Los límites de Atterberg son propiedades índices de los suelos, con que se definen la plasticidad y se utilizan en la identificación y clasificación de un suelo. L. Contracción Sólido
L. Plástico
Semi - Sólido
L. Lí uido Plástico
0 W%
Líquido 100 W%
Fig. 5.13 Límites de Atteberg
5.2 Determinación en el laboratorio de los límites de consistencia.
El estado plástico se da un rango estrecho de humedades, comprendidas entre los limites liquido y plástico. Este rango genera el índice de Plasticidad IP, definido así: IP=LL – LP Diferencia de contenido de humedad entre los LL y LP Índice de liquidez o fluidez If: ES EL CONTENIDO DE HUMEDAD NATURAL, QUE PRESENTA UNA ARCILLA o un limo en el campo, puede compararse con sus limites LP, LL, mediante el índice de liquidez IF
WP WL WP W
5.3 CARTA DE PLASTICIDAD DE LOS SUELOS
Procedimiento de clasificación de suelos de granos finos (50% o más pasa por 0,08 mm) Clasifique el suelo como una arcilla inorgánica (C), si al dibujar el punto del límite líquido versus índice de plasticidad, éste cae sobre la línea "A" y el índice de plasticidad es mayor que 7. Si el límite líquido es menor que 50 y el punto wL versus IP cae sobre la línea "A" y el IP es mayor que 7, clasifíquela como arcilla inorgánica de baja a media plasticidad (CL), y como arcilla de alta plasticidad (CH) si el Limite Líquido es mayor que 50 y el punto wL versus IP cae sobre la línea A (Carta de plasticidad fig. 5.12). En caso que el límite líquido exceda a 100 o el IP exceda a 60, expanda la carta de plasticidad manteniendo las mismas escalas y pendiente de la línea "A".
Clasifique el suelo como limo inorgánico (M), si al dibujar el punto wL versus IP cae bajo la línea "A" o el IP es menor que 4, a menos que se sospeche que hay materia orgánica presente en cantidades suficientes como para influir en las propiedades del suelo (suelo de color oscuro y olor orgánico cuando está húmedo y tibio), en cuyo caso se debe efectuar un segundo límite líquido con la muestra de ensaye secada al horno a una temperatura de 110 ± 5°C durante 24 horas. Se clasifica como limo o arcilla orgánicos (O), si el límite líquido después del secado al horno, es menor que 75% del límite líquido de la muestra original determinado antes del secado. Clasifique el suelo como limo inorgánico de baja plasticidad (ML), o como limo o limo arcilla orgánicos de baja plasticidad (OL), si el límite líquido es menor que 50 y al dibujar wL versus IP cae bajo la línea "A" o el IP es menor a 4.
Clasifique el suelo como limo inorgánico de media a alta plasticidad (MH), o como una arcilla u limo arcilla orgánico de media a alta plasticidad (OH), sí el wL. Es mayor que 50 y el punto dibujado de wL versus IP cae bajo la línea "A" o el IP es menor a 4. Con el fin de indicar sus características de borde, algunos suelos de grano fino deben clasificarse mediante simbología doble. Si el punto dibujado del wL versus IP cae prácticamente en la línea "A" o sobre la línea "A" donde el Índice de Plasticidad tiene un rango de 4 a 7, el suelo debe tener clasificación doble tales como CL-ML o CH-OH. Si el punto dibujado de wL versus IP cae prácticamente en la línea del límite líquido igual a 50, el suelo deberá tener clasificación doble tales como CL-CH o ML-MH. En casos dudosos la regla de clasificación favorece al más plástico. Por ejemplo, un suelo fino con un w~ = 50 y un índice de plasticidad de 22 se deberá clasificar como CH-MH en lugar de CL-ML. Este sistema fue adoptado por el U.S. Army Corps of Engineers en 1942 y en 1947 le introdujo algunos límites para evitar doble clasificación. En 1952, el Cuerpo de Ingenieros en conjunto con el Bureau of Reclamation y asesorados por el Dr. Casagrande efectuaron las últimas modificaciones. Basados en observaciones de terreno y ensayes de Laboratorio de materiales de base para caminos y aeropuertos, el Cuerpo de Ingenieros subdividió los grupos GM y SM en dos grupos, designados por los sufijos "d" y "u", que han sido escogidos para representar a materiales que son convenientes o no, respectivamente, para ser empleados en bases de caminos y aeropuertos. Símbolos típicos son GM, y SM. Se emplea el sufijo "d" cuando el límite líquido es menor o igual a 25 y el índice de plasticidad menor o igual a 5 SISTEMA CLASIFICACION SUCS
FINOS (≥ 50 % pasa 0.08 mm) Tipo de Suelo
Símbolo
Lim. Liq.
Indice de Plasticidad
ML
< 50
< 0.73 (wl – 20)
MH
> 50
< 0.73 (wl – 20)
CL
< 50
> 0.73 (wl – 20) y>7
CH
> 50
> 0.73 (wl – 20)
OL
< 50
** wl seco al horno
OH
> 50
≤ 75 % del wl
Materia orgánica fibrosa se carboniza, se quema o se pone incandescente.
P1 Si IP (wl – 20) ó si IP entre 4 y 7
E IP > 0.73 (wl – 20), usar símbolo doble: ** Si tiene olor orgánico debe determinarse adicionalmente wl seco al horno En casos dudosos favorecer clasificación más plástica Ej: CH-MH en vez de CL-ML.
Si wl = 50; CL-CH ó ML-MH
Tabla V.7
Sistema de Clasificación USCS (a)
SISTEMA CLASIFICACION SUCS
GRUESOS (< 50 % pasa 0.08 mm) Tipo de Suelo
% RET 5 mm. % Pasa 0.08 mm.
GW GP GM GC SW SP SM SC
<5
CU
CC
>4
1a3
≤6
<1ó>3
** IP
< 0.73 (wl-20 ó <4
> 12
> 0.73 (wl-20) ó >7
<5
>6
1a3
≤6
<1ó>3 < 0.73 (wl-20) ó <4
> 12
> 0.73 (wl-20) y >7
* Entre 5 y 12% usar símbolo doble como GW-GC, -
-
-
** Si IP 0.73 (wl-20) ó si IP entre 4 y 7 e IP>0.73 (wl-20), usar símbolo doble: GM-GC, SM-SC. En casos dudosos favorecer clasificación menos plástica Ej: GW-GM en vez de GW-GC.
CU = Ø 60 Ø10 Tabla V.8 Sistema de clasificación USCS (b)
CC = Ø 30 2 . Ø60 * Ø10
