UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
CONTENIDO 1.- Conceptos generales 2.- Relaciones peso-volumen 3.- Análisis granulométrico 4.- Plasticidad del suelo 5.- Clasificación de suelos 6.- Compactación de suelos 7.- Esfuerzo efectivo y presión de poro 8.- Ascensión capilar en suelos
MECÁNICA DE SUELOS I Ing. Samuel Huaquisto Cáceres
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CONCEPTOS GENERALES Suelo. Es una delgada capa sobre la corteza terrestre de material que proviene de la desintegración física, mecánica y química de las rocas. En la dirección vertical generalmente sus propiedades cambian mucho mas rápidamente que en la horizontal.
Por lo tanto, la palabra suelo, representa todo tipo de material terroso, desde un relleno de desperdicio, hasta areniscas parcialmente cementadas o lutitas suaves. El agua contenida juega un papel tan fundamental en el comportamiento mecánico del suelo, que debe considerarse como parte integral del mismo.
El objetivo principal de la Mecánica de Suelos es estudiar el comportamiento físico mecánico del suelo para ser usado como material de construcción o como base de sustentación de las obras de ingeniería. Agentes generadores de suelos. Los suelos provienen de la desintegración y/o alteración física y/o química de las rocas. Dentro de los agentes físicos tenemos al sol, agua, viento y los glaciares. Dentro de los agentes químicos tenemos a la oxidación, la carbonatación y la hidratación. Estos agentes forman los suelos residuales y transportados.
Minerales constitutivos de los suelos:
Gravas (G) Suelos gruesos Arenas (S)
Limos (M) Suelos finos Arcillas (C)
Silicatos (feldespatos, micas, olivino, serpentina) Óxidos (cuarzo, limonita, magnetita y corindón Carbonatos (calcita y dolomita) Sulfatos (anhidrita, yeso)
Silicatos de aluminio hidratados, en algunas ocasiones, silicatos de magnesio, hierro u otros metales, también hidratados Se disponen en forma de láminas que pueden estar formados por arreglos tetraédricos y/o octaédricos (lámina silícica y alumínica)
RELACIONES PESO-VOLUMEN Fases del suelo
Peso específico y gravedad relativa
Definiciones fundamentales
Condiciones de agua en el suelo SUELO SECO Todos los vacíos se encuentran con aire. No existe agua libre en el suelo.
SUELO NO SATURADO Parte de los vacíos se encuentran con agua y parte con aire.
SUELO SATURADO Todos los vacíos se encuentran con agua.
Suelos saturados
Suelos parcialmente saturados
Suelos secos
Suelos sumergidos
Compacidad relativa (densidad relativa) Cr (%).
Determinación del peso específico y Gs.
ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DEL SUELO Los Tamaños de las partículas de suelo varían en un amplio rango. Los suelos en general son llamados grava, arena, limo o arcilla, dependiendo del tamaño predominante de las partículas.
Análisis por cribado
Análisis hidrométrico Se supone que todas las partículas de suelo son esferas y que la velocidad de las partículas se expresa por la ley de Stokes. Para partículas pasantes la malla nro. 200
Curva de distribución granulométrica a.- Diámetro efectivo (D10). Es el correspondiente al 10% de finos en la curva de distribución granulométrica.
b.- Coeficiente de uniformidad (Cu).
c.- Coeficiente de curvatura (Cc).
PLASTICIDAD DEL SUELO Plasticidad Propiedad de un material por la cual es capaz de soportar deformaciones rápidas, sin rebote elástico, sin variación volumétrica apreciable y sin desmoronarse ni agrietarse.
Índice plástico
El límite líquido puede ser obtenido a partir de cualquier punto de la curva. Lambe ha sugerido el empleo de la siguiente expresión:
IP = LL – LP
Índice de fluidez w = - FwlogN + C
Consistencia relativa (CR).
Índice de liquidez (IL).
RNE E.050: Suelo colapsable. El PR deberá incluir en su EMS un análisis basado en la determinación de la plasticidad del suelo NTP 339.129 (ASTM D4318), del ensayo para determinar el peso volumétrico NTP 339.139 (BS 1377), y del ensayo de humedad NTP 339.127 (ASTM D2216), con la finalidad de evaluar el potencial de colapso del suelo en función del Límite Liquido (LL) y del peso volumétrico seco (g ).
Número de actividad (A) Skempton ha propuesto el uso de un número de actividad (A) como una indicación de la actividad de un suelo definido como:
RNE E.050. Suelos expansivos. El PR deberá incluir en su EMS un análisis basado en la determinación de la plasticidad del suelo NTP 339.129 (ASTM D4318) y ensayos de granulometría por sedimentación NTP 339.128 (ASTM D 422) con la finalidad de evaluar el potencial de expansión del suelo cohesivo en función del porcentaje de partículas menores a 2m m, del índice de plasticidad (IP) y de la actividad (A) de la arcilla.
Límite de contracción
Casagrande sugirió un método simple y aproximado para determinar Límite de Contracción.
CLASIFICACIÓN DE SUELOS Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) Fue A. Casagrande quien en 1942 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.
Carta de Casagrande o la carta de plasticidad
Clasificación AASHTO 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.
Práctica
COMPACTACIÓN DE SUELOS Es el proceso mecánico por el cual se busca mejorar las características de resistencia, compresibilidad y esfuerzo – deformación de los suelos. El proceso implica una reducción de vacíos, por lo que ocurren cambios de volumen. La compactación disminuye la cantidad de asentamientos indeseables de las estructuras e incrementa la estabilidad de los taludes de los terraplenes.
Objetivo de la Compactación: Mejorar propiedades mecánicas de los suelos. Generar a partir de un suelo un material con las propiedades mecánicas apropiadas. Aplicaciones: Terraplenes (estructuras de tierra) Presas Pavimentos Escolleras, muelles Rellenos de terrenos Mejoramiento de suelos (estabilización) Remoldeo de muestras de laboratorio
Variables que afectan el proceso de compactación a) La naturaleza del suelo. b) El método de compactación (impacto, amasado, carga estática, etc.) c) Energía de compactación. d) El contenido de agua del suelo. e) El sentido en que se recorra la escala de humedades al compactar. f) El contenido de agua original del suelo. g) La recompactación. h) La temperatura entre otras.
La curva de compactación.
PRUEBA DE PROCTOR ESTÁNDAR (698-91 ASTM)
PRUEBA PROCTOR MODIFICADA (1557-91 ASTM).
Compactación en campo
Entre los principales equipos utilizados para la compactación en campo se tiene: • Compactador de rodillos de rueda lisa (o rodillos de tambor liso). • Compactador de neumáticos de hule. • Compactador con rodillos de pata de cabra. • Compactador de rodillos vibratorios.
Especificaciones para compactación en campo
Según lo especificado en el proyecto y tipo de obra, en campo se debe logar un peso específico seco por compactación mínimo respecto del peso específico seco máximo determinado en laboratorio.
Las especificaciones generales 2013 del MTC indican que se debe tener los siguientes grados de compactación mínimo, respecto al ensayo Proctor Modificado: • Para la base y cuerpo del terraplén 90%, para la corona 95% con humedades de trabajo +/- 2% respecto óptimo contenido de humedad. • Para sub base granular y afirmados 90% con humedades de trabajo +/- 2% respecto óptimo contenido de humedad. • Para base granular 100% con humedades de trabajo +/- 1.5% respecto óptimo contenido de humedad.
Determinación del peso específico de campo después de la compactación
Métodos destructivos: Cono de Arena (D-1556 ASTM) Balón de goma (ASTM D 2167-94) Métodos no destructivos: Densímetro nuclear (ASTM D 2922-91) Densímetro de ultrasonido
Método del cono de arena (D-1556 ASTM) y densímetro nuclear (ASTM D2922)
Resistencia del suelo El Ensayo CBR ASTM D 1883 (California Bearing Ratio: Ensayo de Relación de Soporte de California) mide la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo para poder evaluar la calidad del terreno para subrasante, sub base y base de pavimentos. La determinación de este parámetro se realiza mediante el correspondiente ensayo normalizado, y que consiste en un procedimiento conjunto de hinchamiento y penetración. El hinchamiento se determina sometiendo la muestra a un proceso de inmersión durante 4 días, aplicando una sobrecarga equivalente a la previsible en condiciones de uso de la carretera (la sobrecarga total no será menor de dos pesas de 2.27 kg = 4.54 kg = 10 lb). Se efectuarán dos lecturas, una al inicio y otra al final del proceso. La penetración se realiza aplicando una presión creciente, efectuada mediante una prensa a la que va acoplado un pistón de sección circular de 19.35 cm2, sobre una muestra de suelo compactada con una humedad óptima Próctor. La velocidad de penetración de la carga también está normalizada, debiendo ser de 1,27 mm/min.
El índice CBR, por tanto, se define como
La carga unitaria patrón a una penetración de 2.5 mm y 5.08 mm es de 6.9 Mpa = 70.41 kg/cm2 y 10.3 MPa = 105.10 kg/cm2.
Especificaciones EG 2013-MTC. • Para afirmados CBR 40% mínimo referido al 100% de la máxima densidad seca y una penetración de carga de 2.5 mm (0.1”). • Para sub base granular CBR 40% mínimo referido al 100% de la máxima densidad seca y una penetración de carga de 2.5 mm (0.1”). • Para base granular CBR 80% mínimo para un tráfico en ejes equivalentes < 106 (tráfico liviano) y CBR 100% mínimo para un tráfico en ejes equivalentes > 106 (tráfico pesado) referido al 100% de la máxima densidad seca y una penetración de carga de 2.5 mm (0.1”). • Para sub rasante mayor a 6%. Manual de carreteras del MTC.
ESFUERZO EFECTIVO Y PRESIÓN DE PORO DEL AGUA
Cuando un suelo está sometido a presiones, solamente el esqueleto del suelo opone resistencia a su deformación. El agua como es incompresible y no tiene resistencia al corte, no se opone a la deformación, es "neutra“.
Esfuerzos en un suelo sin infiltración
Esfuerzos en suelo saturado, infiltración hacia arriba
h/H2 es el gradiente hidráulico i causado por el flujo
Esfuerzos en suelo saturado, infiltración hacia abajo
Esfuerzo efectivo en un suelo parcialmente saturado En un suelo parcialmente saturado, el agua en los espacios vacíos no es continua, por lo que el esfuerzo total en cualquier punto de un perfil de suelo está formado por presiones intergranulares, presiones de aire de poro y presiones de agua de poros.
ASCENSIÓN CAPILAR EN SUELOS La ascensión capilar en suelos es causada por el efecto de la tensión superficial, el cual hace que el agua ascienda por arriba de la capa freática.
Hazen (1930)
