Geotecnia Vial

GEOTECNIA VIAL

ESPECIALIZACION EN DISEÑO Y CONSTRUCCION DE VIAS Y AEROPISTAS

GEOTECNIA APLICADA A VIAS

“GEOTECNIA VIAL”

Ing. JAIME FONSECA CORTES

ESCUELA DE INGENIEROS MILITARES 2009

PREPARÓ JAIME FONSECA C.

GEOTECNIA VIAL

GEOTECNIA APLICADA A VIAS GEOTECNIA VIAL

I.

OBJETIVO

Apor Aporttar al Ingen ngenie iero ro Civ Civil y al de Vías Vías y Tran Transp spor ortte los cono conoci cim mient ientos os fundamentales de los suelos y las rocas, los cuales son utilizados como material de fundación o como material de construcción en pavimentos para carreteras y aeropistas. Se pretende motivar a los ingenieros participantes en la comprensión y aprecio de est estos elem elemen ento toss natu natura rale less de tan dive divers rsas as cara caract cter erís ístticas icas y hacia acia su aprovechamiento técnico, económico y ambiental, condiciones prioritarias en la situación actual de estos recursos. Al finalizar el ejercicio, el profesional estará en capacidad de definir el parámetro geot geotécn écnic ico o que que garan garantitice ce un dise diseño ño estr estruct uctura urall acord acorde e con con las las condic condicio iones nes prevalecientes en un proyecto de ingeniería de pavimentos.

II.

CONTENIDO

1. Conc Concep epto toss Gen Gener eral ales es Definiciones de geotecnia, suelo y roca 2. Origen Origen y forma formació ción n de suelos suelos Suelos transportados, suelos sedimentarios y suelos de relleno 3. Minera Mineralog logía ía de de las las arci arcilla llass Minerales arcillosos. Propiedades. 4. Relaciones Relaciones volumét volumétricas ricas y gravimétr gravimétricas icas de de los los suelos suelos Fases del suelo. Relación de vacíos. Porosidad. Humedad. Pesos unitarios. Gravedad Específica. 5. Propie Propiedad dades es índic índicee de los los suelo sueloss Dens Densid idad ad rela relatitiva va.. Form Forma. a. Tama Tamaño. ño. Plasticidad. Liquidez. Actividad.

Granu Granulo lome metr tría ía..

6. Sistem Sistemas as de Clas Clasifi ificaci cación ón de Suel Suelos os Sistema Unificado. Sistema AASHTO. Métodos de campo. 7. Capil Capilari aridad dad en los suelos suelos


Cons Consis iste tenc ncia ia y

GEOTECNIA VIAL

GEOTECNIA APLICADA A VIAS GEOTECNIA VIAL

I.

OBJETIVO

Apor Aporttar al Ingen ngenie iero ro Civ Civil y al de Vías Vías y Tran Transp spor ortte los cono conoci cim mient ientos os fundamentales de los suelos y las rocas, los cuales son utilizados como material de fundación o como material de construcción en pavimentos para carreteras y aeropistas. Se pretende motivar a los ingenieros participantes en la comprensión y aprecio de est estos elem elemen ento toss natu natura rale less de tan dive divers rsas as cara caract cter erís ístticas icas y hacia acia su aprovechamiento técnico, económico y ambiental, condiciones prioritarias en la situación actual de estos recursos. Al finalizar el ejercicio, el profesional estará en capacidad de definir el parámetro geot geotécn écnic ico o que que garan garantitice ce un dise diseño ño estr estruct uctura urall acord acorde e con con las las condic condicio iones nes prevalecientes en un proyecto de ingeniería de pavimentos.

II.

CONTENIDO

1. Conc Concep epto toss Gen Gener eral ales es Definiciones de geotecnia, suelo y roca 2. Origen Origen y forma formació ción n de suelos suelos Suelos transportados, suelos sedimentarios y suelos de relleno 3. Minera Mineralog logía ía de de las las arci arcilla llass Minerales arcillosos. Propiedades. 4. Relaciones Relaciones volumét volumétricas ricas y gravimétr gravimétricas icas de de los los suelos suelos Fases del suelo. Relación de vacíos. Porosidad. Humedad. Pesos unitarios. Gravedad Específica. 5. Propie Propiedad dades es índic índicee de los los suelo sueloss Dens Densid idad ad rela relatitiva va.. Form Forma. a. Tama Tamaño. ño. Plasticidad. Liquidez. Actividad.

Granu Granulo lome metr tría ía..

6. Sistem Sistemas as de Clas Clasifi ificaci cación ón de Suel Suelos os Sistema Unificado. Sistema AASHTO. Métodos de campo. 7. Capil Capilari aridad dad en los suelos suelos


Cons Consis iste tenc ncia ia y

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Tensió Tensión n superfi superficia cial.l. Angulo Angulo de contac contacto to del del menisco. menisco. Ascensi Ascensión ón capila capilar. r. Esfuerzos por tensión superficial.

8. Esfuerz Esfuerzos os en en una una masa masa de suel suelo o Esfuerzos geostáticos. geostáticos. Distribución de esfuerzos. 9. Hidr Hidráu áuli lica ca de de suel suelos os Gradiente Hidráulico. Flujo de agua en el suelo. Red de flujo. 10. Consolidación de suelos Concepto de la consolidación. Asentamientos por consolidación. 11. Resistencia la esfuerzo cortante de los suelos Concepto de falla. Suelos friccionantes. Suelos cohesivos. Evaluación de la resistencia. 12.Exploración de los suelos Métodos Exploratorios. Preliminares. Definitivos. Geofísicos.

III. BIBLIOGRAFIA Geotecnia y Cimientos. Cimientos. Tomo I y II. J. A. Jiménez Salas. Editorial Editorial Rueda • Geotecnia Madrid. • Mecánica de Suelos. Volumen I y II. Juárez Badillo y A. Rico. Editorial Limusa. México. Ingeniería de Suelos Suelos en la Vías Terrestres. Terrestres. Volumen Volumen 1 y 2. A. Rico y H. Del • Ingeniería Castillo. Editorial Limusa. México. Whitman. Editorial Limusa. México. • Mecánica de Suelos. Lambe y Whitman. • Introd Introducci ucción ón a la Mecáni Mecánica ca de Suelos Suelos y Ciment Cimentaci aciones ones.. Sowers Sowers y Sowers. Sowers. Editorial Limusa. México. Engineering Handbook. Hans F. Winterkorn; Hsai Hsai – Yang Fang. • Foundation Engineering • Mecánica de Suelos. Peter Berry – David Reid, Editorial Mc Graw – Hill. • Ingeniería de Pavimento para Carreteras. Alfonso Montejo Fonseca. • Pavimentos (tomo 1). Fernando Sánchez Sabogal. • Curso de laboratorio de Pavimentos. Fernando Sánchez Sabogal. • Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil. Joseph E. Bowles. de Materiales para Carreteras. Tomo 1. INVIAS. 1998. • Normas de Ensayo de de Cimentaciones. Cimentaciones. Braja M. Das. Editorial Thomson. • Principios de Ingeniería de 1999. Fundament entos os de Ingeni Ingenierí ería a Geotéc Geotécnic nica. a. Braja Braja M. Das. Editor Editorial ial Thomson. Thomson. • Fundam 1999.


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IV. EVALUACION Parcial Escrito e Individual......................................25% Parcial Escrito e Individual......................................25% Ejercicios y Trabajos (por grupos)..........................50% NOTA DEL CURSO................................................100%


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I.

CONCEPTOS GENERALES

• Geotecnia Es la parte rte del conoc nocimiento que tiene por por objet bjeto o estu studiar diar el comportamient comportamiento o de los suelos, de las rocas y de la combinación combinación de ellos ellos con el fin de diseñar obras de ingeniería ingeniería en que ellos intervengan intervengan en forma segura y económica.

• Geología Es la ciencia que se encarga del estudio de la tierra o sea que trata el origen, historia y las estructuras de la tierra, de acuerdo con su registro en las rocas. Los conocimientos conocimientos teóricos de la geología, geología, combinados con la práctica práctica y la experiencia, experiencia, tienen una importante importante aplicación para resolver resolver problemas problemas que se presentan en las grandes obras de ingeniería.

• Mecánica de suelos Es la ciencia dedicada al estudio y comportamiento del suelo en relación con su aplicación en la Ingeniería Civil. Es la aplicación de las leyes de la física al comportamiento mecánico de los suelos.

• Mecánica de rocas Ciencia Ciencia que se ocupa de estudiar estudiar el comportamiento comportamiento de las masas de roca bajo la acción de las fuerzas producidas, producidas, ya sean por fenómenos naturales naturales o como resultado de excavaciones o construcciones hechas por el hombre. Para lograr este fin se requiere determinar las propiedades mecánicas del maci macizo zo rocos rocoso, o, medi median ante te ensay ensayos os de campo campo o de labor laborat ator orio io,, cuyo cuyoss resul resulta tados dos cuan cuantitita tatitivos vos son son util utiliz izad ados os en fórm fórmul ulas as mate matemá mátitica cas, s, en modelos mecánicos a escala o en correlaciones empíricas que permitan evaluar las condiciones pertinentes en un problema específico.


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• Suelo Es el producto de la alteración de las rocas que es influido por las obras de ingeniería y que es fácilmente desmoronable o disgregable por las manos del hombre.

• Roca Aquello que no es suelo.

• Clases de alteración de la roca: – Descomposición – Desintegración • Descomposición Aquella alteración de las rocas que las transforma en productos de características físicas y químicas diferentes a la roca original. Ejemplo: arcillas, limos.

• Desintegración Aquella alteración de las rocas que las convierte en productos que conserv conservan an las mismas mismas caracte caracterís rístic ticas as física físicass y químic químicas as de la roca roca original. Ejemplo: arenas, gravas.


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ORIGEN Y FORMACIÓN DE LOS SUELOS Clasificación de acuerdo a su formación: 1. Suelos Suelos Sedim Sediment entari arios os o transpo transportad rtados os Las partículas que lo componen han sido transportados por agentes físi físico coss y fina finalm lment ente e depos deposititad ados os en el siti sitio o dond donde e actu actual alme ment nte e se encuentran.

1.1 Formación Formación de partículas partículas 1.1. 1.1.1 1 Agen Agente tess físi físico coss • Temperatura • Agua: fluvial, lacustre, marina, glaciar • Vientos: loes, dunas 1.1. 1.1.2 2 Agen Agente tess quími químico coss • Oxidación • Hidratación • Carbonatación 1.1. 1.1.3 3 Agent Agentes es biol biológ ógic icos os • Microorganismos

1.3. 1.3.

1.2 Transporte Transporte de partículas partículas 1.2 1.2.1 Agentes ntes • Agua • Aire • Hielo • Microorganismos • Gravedad 1.2. 1.2.2 2 Afec Afecta taci cion ones es • Cambio de forma, tamaño y textura debido a la abrasión, impacto, molienda y solución. Sedi Sedime ment ntac ació ión n de Part Partíc ícul ulas as Los suelos sedimentarios ofrecen al Ingeniero fuentes de materiales para construcción: • Depósitos fluviales o aluviales: arena, grava, cantos rodados. Depósitos lacustres: arcillas, limos, arenas finas • Depósitos marinos: arenas, coralinas • Depósitos eólicos: arenas tales como dunas y loes • Depósitos glaciares: morrenas o polvo de roca •


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Depósitos de coluvión: conglomerados formados por acción de • gravedad y/o alta temperatura.

2. Suelos Residuales Las partículas que lo componen se encuentran en el mismo sitio donde se originaron o han sufrido un mínimo transporte. 2.1 Factores que afectan la alteración de las rocas Clima (temperatura y régimen de lluvias) • • Tiempo Tipo de roca originaria • Vegetación • Drenaje • Actividad bacterial • 2.2 Zonas u horizontes: A, B, C

3. Suelos de relleno Sus partículas constituyen depósitos de suelos hechos por el hombre.


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MINERALOGÍA DE LAS ARCILLAS • Arcilla: Partículas de tamaño muy pequeño, menores a 74 micras (74 µ ) o 0.074 mm ó 74x104 Angstroms ( 1A° = 10-8 cms). Las fuerzas que actúan en la partícula de arcilla son fundamentalmente de carácter eléctrico. La fuerza de gravedad es casi nula en estas partículas. La forma predominante es laminar, en la mayoría de las arcillas (caolinita, illita, montmorillonita), algunas presentan forma acicular (tubo) como la haloisita. cara

borde

• Superficie Específica (SE) Relación entre el área superficial y su volumen o masa SE =

AreaSuperf icial Volumen

Valores de SE considerando partículas esféricas:

Diámetro (cm) Grava Arena Limo Arcilla

1 0.1 (10-1) 0.001 (10-3) 0.00001 (10-5)

S.E 6 60 (6x10) 6.000 (6x103) 600.000 (6x105)

Valores de SE en función de la masa S.E Caolinita 10 m2/gr Ilita 100 m2/gr Montmorillonita 1.000 m2/gr


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• Fuerzas eléctricas en las arcillas – – –

Enlace de valencia primaria Enlace de valencia secundaria o de Van Der Walls Enlace fuerzas de Coulomb

• Unidades básicas de las arcillas – – –

Tetraedro de sílice Octaedro de aluminio Octaedro de magnesio

Tetraedro de Sílice (Si)

O

O

Oxígeno Apical

Si(4+) 4O(8-)

Si

4(-)

Si O

O

O O

O O

Oxígenos basales

Representación esquemática

Debido a la deficiencia de cargas positivas , este tetraedro de sílice no se encuentra solo en la naturaleza , sino que se une con otros varios, formando cadenas, encontrándose con sus oxígenos apicales hidratados. OH

OH

OH

OH SH

Si

Si

O

Si Esquema de Sílice hidratada

Sílice hidratada: Unión de varias unidades de tetraedro de Si.


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Octaedro de Aluminio OH

OH OH

OH

OH

OH

OH

OH

OH

{Al (OH)6}6}3(-)

OH

OH G

Al Al

OH

OH OH Al Al OH OH OH OH OH Guibsita : Unión de varias unidades de octaedro de Al. OH OH

OH Esquema de Guibsita

Octaedro de Magnesio OH

OH

OH

{Mg (OH)6}+2 6} 4(-) -

Mg OH

OH OH

OH

OH OH

Mg

Mg

B

Mg

OH

Esquema de la Brucita OH

OH

Brucita : Unión de varias unidades de octaedro de Mg.

• Minerales de dos capas (capa doble) – Caolinita – Haloisita –

Caolinita G Cargas negativas

SH K K C. PREPARÓ JAIME FONSECA

G SH

K

1.000Ao 7 Cargas positivas

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2Ao

Atomos de K (Unión Estable) 10.000 Ao SE= 10 m2/gr

= 16% Area Bordes Area Superficie Total Las cargas negativas presentes corresponden al 84% del total (bajo potencial eléctrico) Características: Su plasticidad es menor a la de otros minerales arcillosos, lo mismo que su Límite Líquido. Son suelos poco compresibles, tienen gran resistencia al esfuerzo cortante; predominan colores claros. Se considera la arcilla más estable.

–

Haloisita G SH H2O

10Ao

H2O

G SH

Características Mineral muy inestable debido a la unión débil que existe entre unidades básicas bicapales. Tienen capacidad de absorber gran cantidad de agua. Cuando se humedecen aumenta su volumen en gran proporción y se contraen grandemente cuando se secan , produciéndose fisuras y grietas en la superficie del suelo.


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• Minerales de tres capas – Ilita – Montmorillonita –

Ilita SH GoB

Cargas negativas

SH K

K

SH

K

Cationes No Intercambiables de K

1.000Ao

Cargas positivas 3.000 A

GoB

o

SE= 100 m2/gr

SH

Area Bordes = 6% Area Total Las cargas negativas presentes corresponden al 94% del total. Características Tiene comportamiento coloidal Son arcillas relativamente estables Son poco expansivas


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–

Montmorillonita SH GoB

Cargas negativas

SH +

+

SH

+

Cationes fácilmente Intercambiables

1.000Ao

1.000 A o GoB

SE= 1.000 m2/gr

SH

Area Bordes = 2% Area Total Las cargas negativas presentes corresponden al 98% del total (alto potencial eléctrico) Características Constituye el suelo arcilloso más inestable existente en la naturaleza. Presentan gran expansividad al ganar humedad y sufren grandes contracciones al secarse. Debido a su gran potencial eléctrico (98% de cargas presentes son negativas) hace que el mineral arcilloso se comporte como un coloide, es decir lo dominan características electroquímicas en su comportamiento.

• Adsorción Capacidad de una partícula arcillosa de atraer cationes intercambiables y moléculas de agua. Depende de la carga neta negativa y de la capacidad de intercambio iónico. • Sustitución isomorfa Algunos átomos de la estructura original pueden ser sustituidos por otros de menor valencia, dando origen a un cambio en la estructura cristalina original


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• Capa doble difusa Los cationes y las moléculas de agua al unirse a la partícula arcillosa pasan a formar parte de ella, constituyéndose como capas, llamada capa doble difusa. Zona 1 – Gran concentración de cationes debido al gran potencial eléctrico.

Potencial Eléctrico

Zona 2 - Potencial eléctrico medio. Zona 3 – Bajo potencial eléctrico. 1

2

3

Distancia a la partícula

Capa doble Difusa

400 Ao 1.000 A0

300 A0 10 A° 300

400 Ao

Caolinita

A0

Montmorillonita

• Estructura del suelo Es la orientación, organización, o distribución de las partículas componentes del suelo, así como las fuerzas de interacción, de naturaleza eminentemente eléctrica entre dichas partículas.

• Estructura floculenta o floculada Las partículas están unidas cara – borde, atrayéndose mutuamente. Se presenta en suelos marinos.


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• Estructura dispersa Las partículas del suelo están orientadas en forma paralela, por lo tanto existen grandes fuerzas de repulsión entre ellas. Se presenta en suelos de agua dulce.


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RELACIONES VOLUMÉTRICAS Y GRAVIMÉTRICAS DE LOS SUELOS • Fases del suelo El suelo presenta tres condiciones: SUELO SECO (sólidos y aire) SUELO PARCIALMENTE SATURADO (sólidos, aire y agua)

NF SUELO SATURADO (sólidos y agua)

Sólidos

SUELO

Fase sólida Agua

Fase Líquida

Aire

Fase Gaseosa

Vacios

de fases • Diagrama Volumen

Peso

Va

Vv V

Aire

Wa= 0 Ww

Vw Agua

Vs Sólidos

W

Ws

V= Volumen Total Vv = Volumen de vacíos Va = Volumen de aire Vw = Volumen de agua Vs = Volumen de sólidos W = Peso total Wa = Peso del aire (valor despreciable) Ww = Peso del agua Ws = Peso de sólidos


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• Relaciones volumétricas Grado de saturación (S o Gw)

–

Vw

S =

V v

×100

Si Vw = 0 → S = 0%, ⇒ Suelo seco Si Vw = Vv → S = 100%, ⇒ Suelo saturado Si 0 < Vw < Vv → 0 < S < 100%, ⇒ Suelo parcialmente saturado

Porosidad (n)

– n

=

Vv V

×100

Si Vv = 0 → n = 0% (teórico) Si Vv = V → n = 100% (teórico) Caso real: 0% < n < 100%

Relación de vacíos (e)

–

e = Vv

Vs

Valores más frecuentes de e, entre 0.8 y 3.0 (en México e=13) A mayor e → mayor compresibilidad del suelo La e controla la permeabilidad del suelo.

• Relaciones gravimétricas – w

Humedad o contenido de humedad (w)

=

Ww Ws

×100

Si Ww = 0 → w = 0% ⇒ Suelo seco Si Ww = Ws → w = 100% Si Ww > Ws → w > 100% La w gobierna el comportamiento de los suelos arcillosos


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A mayor w → menor consistencia → menor resistencia al corte A menor w → mayor consistencia → mayor resistencia al corte. Se han encontrado valores de w en suelos arcillosos , → en Bogotá w >100% → en México w ≈ 600% → en Japón w ≈ 1.200% – Peso unitario total (

) o densidad húmeda

γ = W/V – Peso unitario saturado (

γ sat =

)

sat

Ws + Ww V

– Peso unitario seco (

γ d = Ws V

d

)

Concepto utilizado en la compactación de los suelos

– Peso unitario del agua (

γ w = Ww Vw

w

ó

)

o

γ w = 1 gr/cm3 = 1 Ton/m3 a 4° C

– Peso unitario del sumergido (

sum

ó

’)

γ sum =γ sat - γ w – Peso unitario de los sólidos o gravedad específica de los sólidos (Gs) Para suelos inorgánicos (sólo mineral): Gs = 2.5 a 2.8 Gs = γ s . γ w Si Gs = 2.3 → minerales con algún contenido de materia orgánica


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Ejercicios de aplicación: 1.

En una muestra de arcilla saturada pesa 130 gramos en su estado natural y 100 gramos luego de ser secada en el horno. Se sabe que la gravedad específica (Gs) es de 2.5. Determinar la relación de vacíos (e) y el peso unitario total (γ ) de la arcilla

Solución: a) Hacer un esquema que corresponda a las fases del suelo, colocando en él los valores de pesos y volúmenes conocidos. Como el suelo es saturado tendrá dos fases:

Vw

Ww

W

Vt

Wt Vs

Ws

S

Datos conocidos: W=130 grs, Ws=100 grs, Suelo saturado: Vv S = ×100 ⇒ Vv = Vw V

b) Llenar el resto correspondientes:

del

esquema

Ww

= W − Ws = 130 gr −100 gr = 30 gr

Vw

=

Vs

=

Ww γ w

Ws γ s

=

=

30 gr gr 1 cm3 Ws

Gs γ w

V = Vs + Vw

=

empleando

las

fórmulas

= 30 cm3

100 gr gr 2.5 ×1 cm3

= 40 cm3

= 40 cm3 + 30 cm3 = 70 cm3


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GEOTECNIA VIAL

c) Cálculo de incógnitas Relación de vacíos (e) e

=

Vv Vs

=

30 cm 3 40 cm 3

= 0.75

Peso unitario Total ( γ )

γ = W/V = 130 gr / 70 cm 3 = 1.86 gr/cm3 2. Una subbase compactada tiene un peso unitario total ( γ ) de 2.1 ton/m 3 y una

humedad (w) del 5%, la gravedad específica (Gs) es de 2.5. Calcular el grado de saturación (S), la porosidad (n) y el peso unitario seco ( γ d) del suelo de subbase. Solución a. Esquema Va

Vv V

A

Vw

Wa =0 Ww

W

Vs S

W

Ws

b. Cuando no se conoce ningún peso o volumen, debe asumirse alguno, procurando que dicho valor haga parte del denominador de alguna de las relaciones volumétricas y gravimétricas. Como γ = W/V, se puede asumir V = 1.0 m3 W = γ ×V = 2.1 t 3 ×1.0 m3 = 2.1 ton Ww

×100 = ×100 Ws Ws wWs = W − Ws ⇒ wWs + Ws = W w%

=

m W − Ws

Ws ( w + 1)


= W

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GEOTECNIA VIAL

=

W

2.1 ton

= 2.0 ton 1 + w 1 + 0.05 Ww = W − Ws = 2.1 ton − 2.0 ton Ws

Vw =

Vs

=

=

Ww

=

γ w

Ws γ s

0.1 ton = 0.1 m3 1.0 ton 3 m Ws 2.0 ton = Gs γ w 2.5 ×1ton 3 m

= 0.10 ton

=

Vv = V − Vs

= 0.8 m3

= 1.0 m3 − 0.8 m3 = 0.20 m3

c. Cálculo de incógnitas Grado de Saturación (S) S =

Vw Vv

×100 =

0.10 m 3 0.20 m 3

×100 = 50 %

Porosidad (n) n

=

Vv V

×100 =

0.20 m 3 1.0 m 3

×100 = 20 %

Peso Unitario Seco ( γ ) γ d

=

Ws V

=

2.0 ton 1.0 m 3


= 2.0 ton

m3

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GEOTECNIA VIAL

PROPIEDADES ÍNDICE DE LOS SUELOS • Definición Son propiedades que poseen los suelos y que permiten ser correlacionadas con su comportamiento y/o permiten clasificar los suelos. • Para su estudio los suelos se dividen en gruesos y finos. • Suelos gruesos Sus partículas pueden ser observadas a simple vista o con ayuda de un microscopio regular. Su tamaño es mayor a 0.074 mm (74 µ ). Su forma es equidimensional. Sus fuerzas dominantes son las de gravedad. • Suelos finos Sus partículas no pueden ser observadas a simple vista, para ser detectadas se requiere el uso de un microscopio de grandes aumentos o electrónico, o por difracción de rayos X. Su tamaño es menor a 0.074 mm (74 µ ). Su forma es laminar o acircular (tubular). Sus fuerzas dominantes son las electroquímicas. • Propiedades índice de los suelos gruesos – – – – –

Forma Tamaño Granulometría Densidad relativa Contenido de finos

• Propiedades índice de los suelos finos – – – –

Consistencia y plasticidad Contenido de humedad Actividad Sensibilidad – Tixotropía

– Forma La forma de las partículas gruesas depende del grado de alteración física que haya sufrido durante el transporte, debido a la abrasión, impacto, molienda y solución.


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GEOTECNIA VIAL

Principales formas: Angular Subangular Subredondeada Redondeada Bien redondeada Las partículas equidimensionales son utilizadas en concretos, bases, y subbases para pavimentos. Las partículas angulosas ofrecen un mejor comportamiento de resistencia que las redondeadas.

– Tamaño El tamaño de las partículas se mide por comparación con la abertura de una malla de alambre llamado tamiz. Los tamaños de los diferentes tamices utilizados para ‘medir las partículas granulares presentan una cierta numeración, la cual está relacionada con el tamaño de la abertura de la malla. Tamices más comunes (U.S. Standars)

Número 4 6 8 10 20 30 40 60 100 200


Diámetro Pulgadas Milímetros 3 76.2 2½ 2 50.8 1½ 1 ¾ 19.05 ½ 12.70 4.76 3.36 2.38 2.00 0.84 0.59 0.42 0.25 0.149 0.074

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GEOTECNIA VIAL

El número de cada tamíz a partir del No.4 (T4), representa el número de agujeros en la malla contenidos en una pulgada de malla.

– Clasificación del suelo por tamaño Cantos rodados: partículas de tamaño mayor a 5” Guijarros: partículas de 3” a 5” Gravas: partículas de 3”a 4.76 mm (T4) Arenas: partículas de 4.76 mm (T4) a 0.074 mm (T200)

– Características A mayor tamaño de las partículas el suelo ofrece el siguiente comportamiento: Mayor resistencia al esfuerzo cortante Mayor permeabilidad

– Granulometría Es la distribución por tamaños de las partículas granulares. Su objetivo es conocer los diferentes porcentajes en tamaños de las partículas, en una muestra de suelo.

Suelo ½”

Peso Total Muestra = W

3/ 4” T4

Peso Retenido Tamiz i = Wi

T40 T200 Fondo

% Wi = Wi / W * 100 % Pasa = 100 - % Wi

El % Pasa corresponde a tamaños menores que ese tamiz.

• Suelo Bien Gradado Cuando contiene todos los tamaños posibles, es decir que las partículas pequeñas van a ocupar los vacíos que dejan las grandes.

• Suelo Mal Gradado Cuando las partículas tienden a ser de un mismo tamaño.


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GEOTECNIA VIAL

• Los suelos bien gradados tienen: -

Mayor resistencia al esfuerzo cortante. Menor permeabilidad. Menor compresibilidad.

• Curva Granulométrica. % Que pasa

A

60 50

B

A = Uniformidad de tamaños (mal gradada)

D C

40

B = Variedad de tamaños (bien gradada) C = Infinita variedad de tamaños (teórica)

30

D = Absurda

20 10 0

1

2

3

4

5

6

Tamaño ( mm )

Cuantificación de la granulometría (Hallen Hazen) Ejercicio de Aplicación Representar graficamente los siguientes dos (2) suelos. Considerar las abscisas en escala aritmética y en escala logarítmica. Suelo A:

90% del suelo constituido por partículas menores a 10 mm 50% del suelo constituido por partículas menores a 1.0 mm 10% del suelo constituido por partículas menores a 0.1 mm

Suelo B:

90% del suelo constituido por partículas menores a 1.0 mm 50% del suelo constituido por partículas menores a 0.1 mm 10% del suelo constituido por partículas menores a 0.01 mm


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GEOTECNIA VIAL

% Que pasa

Suelo A

100

Suelo B

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tamaño ( mm ) Escala Aritmética

% Que pasa

Suelo B

100 90

Suelo A

80 70 60 50 40 30 20 10 0.001

0.01

0.1

1.0

10

Tamaño ( mm ) Escala logarítmica

La granulometría de A es igual a la granulometría de B debido a su distribución.


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GEOTECNIA VIAL

% Que pasa Suelo A 60 Suelo B 30

Suelo C

10

0 D10

D30

D60

Tamaño ( Log )

– Coeficiente de Uniformidad : Cu. Cu = D60 Un suelo bien gradado exige que el Cu > 1.0 D10

D10 = Tamaño correspondiente al 10% que pasa. El D10 se le conoce con el nombre de tamaño efectivo D30 = Tamaño correspondiente al 30% que pasa. D60 = Tamaño correspondiente al 60% que pasa. El Cu solo no dice nada porque se puede presentar el caso B y C, suelos mal gradados, por lo que se complementa con el Coeficiente de Curvatura Cc.

– Coeficiente de Curvatura Cc. Cc = (D30)2 . D10* D60 Considerando el suelo B → D30 = D10 → Cc = D10. = 1. D60 Cu Considerando el suelo C → D30 = D60 → Cc = D60 = Cu D10


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GEOTECNIA VIAL

Por lo tanto → 1 < Cc < Cu. Cu

• Aplicaciones prácticas de la granulometría. – En filtros para subdrenes en carreteras. – Filtración en el tratamiento de aguas.

•Densidad Relativa o Compasidad Relativa ( DR o C R ). Propiedad mecánica de los suelos gruesos que indican el mayor o menor grado de densidad de un suelo. Se puede valorar a partir de la relación de vacíos : DR = emax – eo x 100 emax – emin emax = Relación de vacíos máximo, corresponde a un suelo suelto. emín = Relación de vacíos mínimo, corresponde a un suelo compacto. eo = Relación de vacíos natural. Relación entre DR y las características de compacidad del suelo : Suelo

DR ( % )

muy suelto suelto medio denso muy denso

0 – 15 15 – 35 35 – 65 65 – 85 85 – 100

•Contenido de Finos : El contenido de finos dentro de un suelo grueso produce un desmejoramiento en el comportamiento del suelo, puesto que los finos en presencia de agua tienen tendencia a la expansión. Este fenómeno hace que el suelo disminuya su resistencia al esfuerzo cortante y por lo tanto desmejora su comportamiento.


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GEOTECNIA VIAL

• Consistencia y Plasticidad. – Consistencia : Es un estado de dureza del suelo fino, la cual aumenta cuando se disminuye la humedad del suelo y disminuye cuando aumenta la humedad. – Plasticidad : Propiedad que tienen los suelos arcillosos de dejarse moldear cuando tienen una cierta consistencia y humedad.

•Características del Estado Plástico. – – – – –

La deformación es independiente del tiempo. Al someterse a esfuerzos no hay cambio de volumen aparente. No debe agrietarse. No debe desmoronarse. No debe tener rebote elástico.

•Estados de Consistencia.

Sólido

Plástico Semi-sólido

W=0% LC

– – – – –

LP

Líquido Semilíquido

Humedad ( w )

LL

Sólido : Su comportamiento es como el de un sólido. Semisólido : Su comportamiento es como el de un semisólido. Plástico: El suelo adquiere un comportamiento plástico Semilíquido : Su comportamiento es como aceite de alta viscosidad. Líquido : Su comportamiento es como aceite de baja viscosidad.


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GEOTECNIA VIAL

•Límites de Consistencia o Atterberg. – – –

LL : Límite Líquido. LP : Límite Plástico. LC : Límite de Contracción. Capa de agua libre Capa de agua viscosa Capa plástica Sólido

Capa de agua semisolida Capa de agua sólida ( Capa doble difusa )

♦ Cuando las partículas de arcilla están unidas por la capa plástica, se dice que la arcilla se encuentra en el estado de consistencia plástico. A menor tamaño de la partícula de arcilla, tendrá un mayor potencial ♦ eléctrico (mayor carga neta negativa), y por lo tanto su capa plástica será mayor (más ancha) y el comportamiento del suelo será más plástico.

•Indice de Plasticidad : IP IP = LL – LP A mayor IP el suelo tendrá un comportamiento más plástico.

•

Evaluación de LL.

Se hace mediante el uso de la cazuela de Casagrande, en el cual se vierte una muestra de suelo arcilloso con una espátula ( suelo pasa T 40 ), luego se le hace una ranura o acanalamiento con un ranurador. Posteriormente se empieza a golpear la cazuela hasta que la ranura hecha en el suelo se cierra. En el momento en que se unan los extremos del suelo acanalado se toma una muestra del suelo y se le mide la humedad. Se ha establecido que la humedad del suelo correspondiente a 25 golpes para cerrar la ranura, es el Límite Líquido.


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GEOTECNIA VIAL

W (Humedad)

W1

Curva de Fluidez W2

W=LL W3

N1

N2

N3

N (Número de Golpes) (Log)

N=25

Indice de Fluidez : Fw Fw : W1 – W2 Log (N2/N1) Indice de Tenacidad : Tw Tw :

IP Fw

• Evaluación del LP. Se toma una porción del suelo arcilloso (pasa T 40) y se hacen rollitos de suelo con la mano, hasta que su diámetro sea de 1/8” (3 mm). Si en ese momento empieza a presentar grietas pequeñas o a resquebrajarse, se dice que su humedad en ese instante corresponde al límite plástico.

•

Relación entre el LL y IP

Arthur Casagrande encontró una relación entre el IP y el LL para suelos finos.


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GEOTECNIA VIAL

IP Linea B

CH

Linea A ( IP = 0.73 (LL – 20 ))

CL

MH - OH

7

CL-ML 4

ML OL

20.0

50.0

LL

•Suelos por debajo de la línea A son limos (M) u orgánicos (O). •Suelos por arriba de la línea A son arcillas (C). •Suelos a la izquierda de la línea B son de Baja Plasticidad (L). •Suelos a la derecha de la línea B son de Alta Plasticidad (H).


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GEOTECNIA VIAL

• Evaluación del Límite de Contracción (Lc) El límite de contracción es un contenido de humedad, tal que por debajo de este valor el suelo no sufre disminución de volumen.

Volumen (V) Vo

Muestra de suelo Volumen inicial V o Humedad inicial wo

Vf Wo

wLC

Humedad (w)

Al desarrollarse un proceso de evaporación de la muestra, la w disminuye, disminuyéndose también su volumen (V). Si se continua sacando el agua (por secado), su volumen seguirá disminuyendo hasta un valor límite (V f ) , el cual permanecerá constante, aunque continué disminuyendo la w. Esa humedad en la cual el V comienza a ser constante (w LC), se denomina Límite de Contracción (LC = wLC)

LC = Wo (%) - (Vo – Vf) * Ws

γ w * 100

• Contenido de humedad (w) La variación de la humedad en los suelos finos hace que su color varíe de oscuro a claro y viceversa, sirviendo esto como parámetro en la clasificación visual de los suelos de campo. Un índice que permite cuantificar la consistencia de los suelos finos es el Índice de Liquidez o Índice de Fluidez.


30

GEOTECNIA VIAL

• Índice de liquidez (IL) IL = Wnat – LP IP

Si Wnat =

LP

IL = 0.0 Suelo consistente o de alta consistencia

Si Wnat =

LL

IL = 1.0 Suelo poco consistente o de baja consistencia

Si Wnat >

LL

IL > 1.0 Suelos sin consistencia

La consistencia de los suelos depende del tamaño de la partícula de arcilla. Caolinita :

IL

0

Montmorillonita:

IL

1.0 o mayor de 1.0

Skempton y Northey encontraron una relación entre el Índice de Liquidez y la resistencia al corte del suelo

Índice de Liquidez

LL

LP

Se ha encontrado experimentalmente que cuando la W nat está comprendida entre el LL y LP, el suelo corresponde a uno normalmente consolidado. Resistencia del suelo


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GEOTECNIA VIAL

• Actividad de las arcillas (Ac) Skempton (1953) encontró una relación entre el IP y el contenido de partículas, en porcentaje, cuyos tamaños son menores a 2 micras (2 µ ). Ac =

%<2 µ (2µ ).

IP . %<2µ

: porcentaje de partículas cuyo tamaño es menor a 2 micras

A

B

C

IP

A: Montmorillonita Ac = 1.33 B: Ilita

Ac = 0.80

C: Caolinita Ac = 0.4

%<2 µ

Clasificación del suelo según la Ac Ac

Tipo de suelo

< 0.75

Suelo Inactivo

0.75 a 1.25 > 1.25


Suelo activo Suelo muy activo

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GEOTECNIA VIAL

•

Sensibilidad de las arcillas (St ) También se denomina sensitividad o susceptibilidad, Terzaghi la definió como la relación entre la resistencia a la compresión inconfinada de un suelo inalterado (con estructura) y la resistencia a la compresión inconfinada del mismo suelo alterado o remoldeado (sin estructura). St =

qu inalt . qu alte

Clasificación de los suelos según la St (Skempton y Northey 1952) St

Clasificación del suelo

1.0

No sensibles

1.0 < St < 2.0

Baja sensibilidad

2.0 < St < 4.0

Sensibilidad media

4.0 < St < 8.0

Sensible

8.0 < St < 16.0

Muy sensible

> 16.0

Extrasensibles o Rápidos (quick clays)

• Tixotropía Del griego “tisis” que significa el toque o el contacto, y “trepo” que significa cambiar o mudar. El concepto tixotropía se emplea para designar el fenómeno consistente en la pérdida de resistencia de un suelo arcilloso al amasado, y su posterior recuperación con el tiempo.


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GEOTECNIA VIAL

Ejercicio de Aplicación En pruebas realizadas sobre una muestra de suelo arcilloso, se obtuvieron las siguientes propiedades: Límite líquido (LL) =38%, límite plástico (LP) =22%, límite de contracción (LC)=13%, humedad natural (w n)=30%. Además en un ensayo granulométrico se encontró lo siguiente: Tamaño correspondiente al 60% que pasa (D60)=0.02 mm; tamaño correspondiente al 14% que pasa (D 14)=0.002 mm (2µ ); tamaño correspondiente al 10% que pasa (D10)= 0.001 mm. En una prueba de resistencia a la compresión simple, se obtuvieron los siguientes resultados: resistencia a la compresión del suelo inalterado (qu inalterado) = 2.0 ton/m 2; resistencia a la compresión del suelo alterado (q u 2 alterado) = 10 ton/m . Determinar los siguiente: a. Indice de plasticidad (IP), índice de liquidez (IL), sensibilidad (St), actividad (Ac), clasificarlo según carta de Casagrande b. Decir si está bien o mal gradado. c. Indicar sobre el estado de consolidación del suelo en el sitio y sobre lo que sucede si se compacta con la humedad natural. Solución: a. -

Cálculo del índice de plasticidad (IP):

IP = LL –LP IP= 38% - 22% = 16% (baja plasticidad). -

Cálculo del índice de liquidez (IL):

IL

=

wn

−

LP

LL LP

=

−

30

−

22

38

−

22

=

0.5 (consistenc ia media )

- Cálculo de la sensibilidad (St):

S t

=

to n qu inalterado 2 0 m2 qu alterado

=

1 0to n 2 m

=

2 (sensibilid a d m e d i aa baja)

- Cálculo de la Actividad (Ac): Ac

=

IP

%

> 2 µ

=

16% 14%


= 1.14 ( suelo

activo )

34

GEOTECNIA VIAL

-

Clasi Clasififica caci ción ón en en la cart carta a de Casa Casagra grand nde: e: IP (suelo) = 16% IP (curva A) = 0.73 (LL-20) (LL-20 ) = 13.4 Como IP (suelo) > IP (curva A) ⇒ Arriba curva A (arcilla) Como LL = 38% (suelo) < 50 % (curva B) ⇒ Baja plasticidad (L)

⇒ Por lo tanto el suelo clasifica como arcilla de baja plasticidad (CL) b. -

Gradación: C u

=

D60 D10

0.02 mm =

0.001 mm

=

20

Como Cu >1.0 ⇒ se dice que el suelo tiene buena gradación c. -

Estado de de Co Consolidación: Como la humedad natural (w n=30%), está comprendida entre el límite líqu líquid ido o (LL = 38%) 38%) y el lími límite te plást plástic ico o (LP=2 (LP=22%) 2%),, enton entonces ces se considera que el suelo es normalmente consolidado.

d. -

Qué pasa pasa si el suel suelo o se compact compacta a con con la humeda humedad d natur natural al (w (wn):

γ d γ dmáx

wópt wnat. 1. Experimentalmente se ha encontrado que la humedad óptima

(wópt) está muy cercana al límite plástico (LP=22%) 2. Si se compacta el suelo con la humedad natural (w n=30%), se obtiene una compactación menor a la máxima. máxima. 3. La compactación máxima (γ dmáx) se obtiene con la humedad óptima.


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• Suelos Orgánicos Son materia materiales les de olor olor y aparien apariencia cia caracte caracterís rístic ticos, os, al descomp descomponer onerse se producen gases de olores específicos; su color es oscuro o varía de oscuro a negro. Estos suelos son muy blandos cuando están húmedos y supremamente quebradizos y desmoronables cuando están secos. Son materiales de alta compresibilidad y de una muy baja resistencia al corte; por estas razones son son inad inadec ecua uado doss como como mate materi rial al de cons constr truc ucci ción ón o como como sopo soport rte e o fundación de una obra. En excavaciones profundas estos suelos son peligrosos por los gases que expelen, pues muchos de ellos son tóxicos, como por ejemplo el gas metano. Estos suelos orgánicos son capaces de producir ácidos, los cuales llegan a formar compuestos sulfurosos que atacan gravemente los concretos. Para su reconocimiento, además del color y del olor, al calentarse expiden gases gases.. Tamb Tambié ién n se pueden pueden identi identififica carr esto estoss suelo sueloss orgá orgáni nicos cos por la presencia de raíces, madera y materia orgánica en general. Cuando se calientan a grandes temperaturas (mayor a 100º C), en el humo además de su humedad, se consume un poco de materia. Las turbas son un ejemplo de materia orgánica.


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VI. SISTEMAS DE CLASIFICACION DE LOS SUELOS

Los sistemas más utilizados en Colombia son: CLASIFICACIÓN U.S.C. • SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN SISTEMA A AASHTO AASHTO (ASOCI (ASOCIACI ACIÓN ÓN AMERIC AMERICANA ANA DE CARRET CARRETERA ERAS S Y • SISTEM TRANSPORTE DE LOS ESTADOS UNIDOS)

1. Sistema Sistema Unificado Unificado de Clasifi Clasificación cación de Suelos Suelos U.S.C U.S.C.. Divi ivide los los suel suelos os en dos dos grup grupos os::

- Grues ruesos os - Finos

• Suelos Gruesos: Tamaño mayor a 0.074 mm, o sea los retenidos en el tamiz 200 (T200) • T200

Suelos Finos: Tamaño menor a 0.074 mm, o sea los que pasan el

Generalmente Generalmente en la naturaleza naturaleza existen existen mezclas de suelos suelos gruesos y finos. A estas mezclas se les llamará SUELO GRUESO si más del 50% queda retenido en el T200; y se llamará SUELO FINO si más del 50% pasa el T200.

• Suelos Gruesos GRAVAS (G)

Comprendidas entre 3” y T4 (4.6 mm)

GRAVA BIEN GRADADA (GW)

Cu > 4 1 < Cc < 3

GRAVA MAL GRADADA (GP)

Cu < 4 3 < Cc < 1


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GEOTECNIA VIAL

ARENAS (S)

Comprendidas entre el T4 y el T200

ARENA BIEN GRADADA (SW)

Cu > 6 1 < Cc < 3

ARENA MAL GRADADA (SP)

Cu < 6 3 < Cc < 1

Cuando el contenido de finos es mayor al 12 %, entonces tenemos una mezcla de suelos que se puede clasificar así: GRAVA ARCILLOSA GRAVA LIMOSA ARENA ARCILLOSA ARENA LIMOSA

GC GM SC SM

Cuando el contenido de finos está entre 5 % y 12 %, habrá doble signo:

•

GRAVAS

ARENAS

GW GP GW GP

SW SP SW SP

-

GC GC GM GM

-

SC SC SM SM

Suelos Finos

Se utiliza la CARTA DE CASAGRANDE ARCILLA (C) Arcilla alta plasticidad (CH) Arcilla baja plasticidad (CL)

ARRIBA DE LA LINEA A Derecha línea B Izquierda línea B

LIMOS (M) Limos alta plasticidad (MH) Limos baja plasticidad (ML)

DEBAJO DE LA LINEA A Derecha línea B Izquierda línea B

ORGANICOS (O) DEBAJO DE LA LINEA A Orgánicos alta plasticidad (OH) Derecha línea B Orgánicos baja plasticidad (OL) Izquierda línea B


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GEOTECNIA VIAL

Ejercicio de aplicación: Se tiene un suelo que tiene las características siguientes: límite líquido (LL)=80%; límite plástico (LP)=55%; pasa tamiz 200 =10%; pasa tamiz No.4= 10%; coeficiente de uniformidad (C u)=6; coeficiente de curvatura (Cc)=2. Clasificar por el método USC. Solución: a. Fino o grueso ? Como % pasa tamiz 200=10%, por lo tanto más del 50% queda retenido en T200 ⇒ Suelo grueso b. Arena o grava ? Como % pasa tamiz No.4 es igual al % pasa T200, quiere decir esto que no hay presencia de arena, por lo tanto el material grueso presente es grava. c. Grava bien o mal gradada ? Como Cu = 6 y Cc=2 ⇒ Bien gradada, por lo tanto tenemos una grava bien gradada (GW) d. Cuando el contenido de finos (tamaño menor a T200), está entre 5% y 12% ( en este caso % pasa T200 = 10%), tendrá doble signo. Habrá suelo grueso y fino. e. El suelo fino será arcilla o limo ? IP(suelo) = LL – LP = 80-55=25 IP(curva A)=0.73(LL-20)=40 Como IPsuelo50% (Curva B), entonces el suelo está a la derecha de B o sea se clasifica como de alta plasticidad (H). Por lo tanto el suelo fino será un MH (limo altamente plástico) f. La clasificación final del suelo será GW-GM (grava bien gradada con limo)


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2. Sistema AASHTO De acuerdo con este sistema y con base en su comportamiento, los suelos están clasificados en ocho (8) grupos designados por los símbolos del A-1 al A-8. Los suelos inorgánicos van del A-1 al A-7. (Ver tabla de clasificación anexa). Los suelos con elevada proporción de materia orgánica se clasifica como A-8. Aquellos suelos que tienen un comportamiento similar se hallan dentro de un mismo grupo, y se determinan por un INDICE DE GRUPO (IG). El (IG) se basa en el LL, IP y % de finos pasa T200, y se calcula así: IG = (F-35) [0.2+0.005(LL-40)]+0.01(F-15)(IP-10) Donde: F: Porcentaje que pasa tamiz 200, expresado como número entero LL: Límite Líquido IP: Indice de plasticidad

- El IG debe reportarse como número entero - Si resulta negativo, se reporta como cero - El valor del IG se coloca entre paréntesis luego del símbolo de clasificación. Ej: A-7-5(17) Ejercicio de aplicación: Clasificar por el método AASHTO un suelo cuya granulometría es la siguiente: Porcentaje pasa T10 (2 mm) = 75% Porcentaje pasa T40 (0.425 mm) = 62% Porcentaje pasa T200 (0.074 mm) = 47% El límite líquido de la fracción fina es 32 y el índice plástico es 14. Solución: Con los datos se entra a la tabla de clasificación de la AASHTO, de izquierda a derecha, y se encuentra que las características físicas del suelo cumplen los requisitos del grupo A-6.


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GEOTECNIA VIAL

El índice de grupo (IG) se calcula así: IG = (47-35) [0.2+0.005(32-40)]+0.01(47-15)(14-10) =3 Por lo tanto la clasificación será A-6(3) y corresponde a un tipo arcilloso.


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GEOTECNIA VIAL

3. Pruebas de Campo Son pruebas que se pueden realizar en el sitio donde se encuentra el suelo.

3.1

Prueba de resistencia en estado seco: Entre más resistente sea un suelo en estado seco a dejarse romper entre las manos, tenderá más a ser arcilloso, y entre más aumente la resistencia en seco, más tiende a ser CH.

Resistencia Esfuerzo aplicado Tipo de suelo del suelo al suelo Muy baja Desmorona fácil con Limos orgánicos de muy baja la mano plasticidad. Ligera Se rompe fácil con Limos orgánicos -arena limosa los dedos de baja a alta plasticidad Media Difícil de romper con Arcillas inorgánicas de baja la mano plasticidad Alta Imposible de romper Arcillas inorgánicas de alta con los dedos plasticidad (IP>30) 3.2

Prueba de dilatancia o reacción al agitado: Consiste en colocar en la palma de la mano una muestra representativa de suelo fino que se trata de identificar. Si es necesario se le puede añadir agua de manera de lograr un lustre, pero superficialmente seco (opaco). Después ayudándose de la otra mano se le dan golpes y se observa la rapidez con que el lustre cambia. Si este es rápido se trata de un limo y si es lento se trata de una arcilla.

3.3

Prueba de tenacidad: A mayor tenacidad del suelo en estado seco, se dice que el suelo tiende a ser arcilloso. La tenacidad se considera como la consistencia cerca del límite plástico.

3.4

Identificación de los suelos orgánicos:


42

GEOTECNIA VIAL

Las características fundamentales que identifican un suelo orgánico de un limo son el color y el olor. El principal problema que presentan los suelos orgánicos es el rebote elástico y en el diseño de terraplenes arcillosos debe tenerse en cuenta este efecto. Las vibraciones deben disminuirse poniendo un relleno de gran espesor y bien compactado para disipar los esfuerzos y disminuir las vibraciones. En las cimentaciones donde se vaya a utilizar maquinaria que produzca vibración, se puede pensar en la eliminación del suelo orgánico, o en caso contrario se debe aumentar el peso de la cimentación. Si se va a construir sobre un suelo orgánico, lo mejor es quitarlo, o si no se puede, se debe colocar una capa de material granular de un gran espesor.


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VII. FENÓMENO DE CAPILARIDAD EN LOS SUELOS • Tensión Superficial (Ts) Es la fuerza longitudinal que se desarrolla en el agua. El trabajo necesario para aumentar el área de una superficie liquida resulta ser experimentalmente proporcional al aumento en su superficie, definiéndose como coeficiente de tensión superficial, la relación entre un trabajo desarrollado y el área de contacto.

Ts

Ts = Tensión Superficial (Ts = 0.075 gr/cm a 21 o C)

Ts Ts = dw . dA Alfiler

•

dw = Trabajo para desarrollar dA = Área de contacto deformada

Ángulo de Contacto ( ) α1 α = Ángulo de contacto α 1 < 90º Menisco cóncavo α2 > 90º Menisco convexo

α2


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• Ascensión Capilar (hc) Esfuerzo de tensión máxima

Tubo capilar

hc Zona de tracción o tensión del agua Esfuerzo de tensión ⇒

σ

T

Zona de compresión del agua Esfuerzo de compresión ⇒

σ

C

Esfuerzo de compresión

Tsy 2R

Ts

Ts

La columna de agua en el tubo capilar debe estar en equilibrio

Tsx

Σ Tubo capilar hc

Fy = 0 (1)

Peso agua ⇒ Ww =

π

R 2hc

γ w =

F1 (2)

Fuerza producida por la Tsy (componente vertical) F2 = Ts * 2π R*cos α Ts R

Σ

(3)

Fy = 0 ⇒ F1 ( ↑ ) + F2 ( ↓ ) = 0

⇒ F1 = F2 ⇒ hc = 2 Ts cos α . R γ


w

45

GEOTECNIA VIAL

Donde: hc = Ascensión capilar Ts = Tensión superficial (Ts = 0.075 gr/cm)

α = Ángulo de contacto R = Radio del tubo capilar

γ w = Peso unitario del agua Si α = 0o ⇒ Se dice que el menisco está completamente formado, tendrá forma esférica, y por lo tanto la fuerza producida por la Ts (componente vertical) será máxima, lo que genera una ascensión capilar máxima (hc max).

•

Esfuerzo producido por la tensión capilar (

)

TS

Esfuerzo de tracción en el agua

Tubo capilar

hc

Presión del agua a una profundidad Z

µ hc

z =

γ

Z

w w

Presión negativa o tensión del agua por efecto capílar (

µ Zw

Ts =

γ

w

σ


hc , como

γ ω

El esfuerzo de tracción producido por la Ts será

Esfuerzo de compresión en el agua

Ts

Ts)

hc = 2Ts cos α . R

Para α = 0 se tendrá un σ

µ

TS

= 2 Ts cos α . R

max

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GEOTECNIA VIAL

• Efecto capilar de los suelos

µ

Ts =

γ

hc

w

C Suelo parcialmente saturado

hc B Suelo saturado NF A Suelo saturado

Zw

µ

Ts =

Presión del agua

µ γ

=0

Z

w w

Suelo en A Partículas Sólidas

Agua en compresión

µ =γ

(

Z)

w w

Agua a compresión El agua a compresión tiene un efecto sobre las partículas sólidas del suelo que tienden a separarlas (disminución de la resistencia del suelo).


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GEOTECNIA VIAL

Suelo en B

Partículas Sólidas

Agua a tensión por efecto capilar Agua a tensión El agua a tensión tiene un efecto sobre las partículas sólidas del suelo que tiende a unirlas (aumento de la resistencia del suelo).

Suelo en C Aire

Menisco

Partículas Sólidas

Agua a tensión por efecto capilar Agua aire

Sólidos

Los efectos producidos por Ts entre partículas sólidas, desarrollan un efecto de atracción entre ellas.


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49

GEOTECNIA VIAL

• Grietas de tracción Cuando un suelo arcillosos está saturado no presenta grietas, pero cuando la temperatura aumenta, el agua empieza a evaporarse, pasando el suelo de un estado saturado a uno parcialmente saturado, donde se desarrollan meniscos en los vacíos, generando esfuerzos por Ts. Al mismo tiempo que la humedad disminuye, el volumen del suelo también, presentándose un proceso de contracción del suelo, llegando a su máxima contracción cuando el menisco está totalmente desarrollado. Este proceso de contracción hace que el suelo se rompa, formando grietas de tracción.

Grietas de tensión o de tracción

• Presión capilar en el suelo El agua situada por encima de NF tiene presión inferior a la atmosférica. En todos aquellos puntos en que el menisco toca los granos del suelo, las fuerzas capilares actúan causando una gran presión intergranular dentro del suelo, llamada presión capilar.

• Succión El término succión aplica para designar la diferencia entre la presión del aire (µ a) y la presión del agua (µ w). El índice de succión del suelo o índice P F de un suelo, es el logaritmo en base 10 de la succión expresada en centímetros de agua. El valor máximo medido del P F es del orden de 7, y corresponde a una arcilla desecada a 110°C.


50

GEOTECNIA VIAL

PF = log10 hc

hc :ascensión capilar en cms PF :varía de 0 a 7 en suelos arcillosos En arenas: PFmax ≈ 1.7

• Colapso de los suelos Si un suelo parcialmente saturado se somete a una carga, y se espera que cesen las deformaciones y, a continuación se inunda (inyección de agua), ocurrirá una deformación adicional. Este fenómeno se conoce como colapso.

Ejercicio de aplicación: Calcular la ascensión capilar máxima (h cmáx) y el esfuerzo máximo de tracción (σ Tsmáx), para un tubo que tiene un diámetro (D) de 5x10 -4 cm, sabiendo que la tensión superficial (Ts) vale 0.075 gr/cm en el agua a una temperatura de 20°C. Solución: a. Ascensión capilar máxima (hcmáx)

hc m áx

=

2 T s C osα R γ w

para α = 0 ° ⇒ hc má x =

hc m áx

=

2 Ts R γ w

=

4 Ts D γ w

4 × 0.075 gr cm gr 5 × 10− 4 × 1.0 cm3

b. Esfuerzo máximo de tracción (σ

σ Ts

=

2 Ts

=

600 cm

)

Tsmáx

Cosα

R

para α = 0° ⇒ σ Ts máx =

2 Ts

=

R

4 Ts

D

gr cm = −4 5 × 10 cm

4 × 0.07 5 σ Ts máx

=


600

gr 2 cm

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GEOTECNIA VIAL

VIII. ESFUERZOS EN UNA MASA DE SUELO • Esfuerzos geostáticos Aquellos producidos por la misma carga del suelo

σ

Z

A

σ

A

V

σ

V

H

Las cargas se comunican en el suelo, transmitiéndose a través de las partículas sólidas, de tal forma que la presión o esfuerzo se va disminuyendo a medida que las partículas se encuentran a mayor profundidad.

σ v=

Presión o esfuerzo vertical, producido por la carga del mismo suelo, que está por encima de él. El esfuerzo vertical aumenta linealmente con la profundidad (Z) y con la densidad del suelo ( γ ) o peso unitario del suelo (γ ).

σ v = γ * Z

σ H = Presión o esfuerzo horizontal, producida por las cargas laterales desarrolladas por los suelos. σ H=K*σ K=

V

Coeficiente de proporcionalidad (K>0) Para suelo normalmente consolidado K < 1.0 Para suelo sobreconsolidado K > 1.0 En el agua K = 1.0


52

GEOTECNIA VIAL

σ

(Esfuerzos)

σ

v

= γ * Z

σ

H

σ σ

=K*

H

σ

=K*

v

(K > 1.0)

σ

v

(K < 1.0)

v

Profundidad Z

•

Esfuerzos Verticales ( V ) (Suelos homogéneos)

z

σ

σ

V

V

σ v = γ

*Z (

γ =

cte)

Z

Ejercicio de aplicación: Calcular los esfuerzos verticales cada metro hasta los 10 metros de profundidad, y dibujar el diagrama para el siguiente suelo que tiene un peso unitario de 1.8 ton/m2.

Profundidad (z) (m) Suelo homogéneo γ =1.8 ton/m2


0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

Esfuerzos ( v ) ( v = z) (ton/m2 ) 0.0 1.8 3.6 5.4 7.2 9.0

18

σv 0 2 4 6 8 10

ton/m2

53

GEOTECNIA VIAL

Z 10.0 18.0 • Esfuerzos Verticales en suelos estratificados (Suelos no homogéneos)

Esfuerzo en el punto A

γ γ γ

h1

σ

1

VA

=

γ

* h1 +

1

γ

2

* h2 + ..........

I=n

h2

σ

2

VA

=

Σ γ

i

* hi

I=1

h3 3

A

Ejercicio de aplicación: Calcular los esfuerzos verticales y dibujar el diagrama para el siguiente suelo:

Diagrama de esfuerzos σ (t/m2)

Cota 0.0 1.50

0.0

γ 1=1.7 ton/m 3 γ 2=1.4 ton/m 3

4.5

6.7

γ 3=1.9 ton/m 3

6.7

γ 4=1.5 ton/m 3


6.75

10.93

17.68

1.5

4.5

11.2

2.55

11.2

54

GEOTECNIA VIAL

Cálculos: Para z=0.00 m. z=1.50 m. z=4.50 m. z=6.70 m. z=11.20 m.

⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒

σ 0 = 1.7 t/m 3 x 0.0 m. = 0.0 t/m2 σ 1.5 = σ 0 + 1.7 t/m 3 x 1.50 m. = 2.55 t/m 2 σ 4.5 = σ 1.5 + 1.4 t/m 3 x 3.0 m. = 6.75 t/m 2 σ 6.7 = σ 4.5 + 1.9 t/m 3 x 2.20 m. = 10.93 t/m 2 σ 11.2 = σ 6.7 + 1.5 t/m3 x 4.50 m. = 17.68 t/m 2


55

GEOTECNIA VIAL

• Esfuerzos en suelos saturados

σ

V

=

σ

Z

A

A

Sólido

La presión o esfuerzo (

σ

) que le llega

σ

Líquido

σ = σ + u

σ =

al elemento A es v, el cual va a ser compartido por las partículas sólidas del suelo y el resto lo tomará el agua contenida en los poros o vacíos

Ley propuesta por Terzaghi

Esfuerzo total

σ = Esfuerzo tomado por las partículas sólidas, el cual es llamado ESFUERZO EFECTIVO µ = Esfuerzo tomado por el agua, el cual es llamado Presión de Poro ó Presión Neutra o Presión Intersticial σ


=

σ

−

µ

Esfuerzo efectivo

56

GEOTECNIA VIAL

• Diagrama de esfuerzos Esfuerzo total

Presión de poros

σ

σ = γ

Esfuerzo efectivo

µ µ = γ

*Z

Z

σ σ =σ -µ

*ZW

W

Z

Z

Los esfuerzos Efectivos gobiernan la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos

Ejercicio de aplicación: Calcular el esfuerzo efectivo ( σ ) en el punto A para el siguiente suelo, donde γ d=1.6 ton/m3 y γ sat=1.8 ton/m 3. Considerar el suelo seco por encima del nivel freático.

σ σ µ = − = σ µ A

A

1.5 m

d o n d e

:

A

e s f u e r z o

A

e s f u e r z o

5m

NF

p r e s i ó n

A

A

e f e c t i v o

t o t a l

d e

e n

p o r o

e n

A

A e n

A

A

t 3 × 1.5 m + 1.8 t 3 × 3.5 m = 8.7 t 2 m m m = 1.0 t 3 × 3.5 m = 3.5 t 2 m m = σ A − µ A = 8.7 t 2 − 3.5 t 2 = 5.2 t 2 m m m

σ A = 1 .6

µ A σ A


57

GEOTECNIA VIAL

• Distribución de esfuerzos producidos por cargas aplicadas Dentro de los métodos propuestas para evaluar la distribución de esfuerzos, se tienen las siguientes: - Teoría de Boussinesq - Método de Steinbrenner - Carta de Newmark

Teoría de Bousinesq (1.885) Calculó los esfuerzos para una carga vertical concentrada actuando sobre una superficie horizontal de un medio semi-infinito (semi-espacio), continuo, homegéneo, isotrópico y linealmente elástico. P

σ z

Z

σ

A

r

=

3 P 2

z 2π

×

1

  r  2  1 +      z  

5

2

σ z: Esfuerzo vertical generado a una profundidad z y a una distancia r

Método de Steinbrenner Steinbrenner integró las ecuaciones de Boussinesq sobre un área rectangular, y determinó el valor del esfuerzo vertical ( σ z), generado bajo un vértice de un área rectangular cargada con una carga uniformemente distribuida. Los resultados fueron localizados sobre un gráfico con valores adimensionales: z/b; σ z/∆ p; L/b, donde: z: L: b: σ z:

profundidad longitud del área rectangular Ancho del área rectangular cargada Esfuerzo vertical generado a una profundidad z, bajo un vértice del área rectangular cargada.


58

GEOTECNIA VIAL

∆ p: Carga uniformemente repartida Coeficiente de influencia (Ir) o Influencia σ z/∆ p: b

L

Carga uniforme

σ Z

Curva de influencia de esfuerzos

σ = Iσ * ∆ Z

σ

Z

= Esfuerzo generado a una profundidad Z, bajo un vértice de un área rectangular (b x L), con una carga uniforme (

σ

Z

Z

Iσ

P

∆

P)

= Coeficiente de Influencia ó Simplemente Influencia

Carta de Newmark Newmark integró las ecuaciones de Boussinesq sobre un área circular y encontró expresiones que permiten determinar esfuerzos verticales a una profundidad z bajo el centro del área circular uniformemente cargada, y a partir de tales resultados elaboró una gráfica, llamada Carta de Newmark, con la cual se puede calcular el coeficiente de influencia, bajo un punto cualquiera de áreas cargadas uniformemente, siguiendo un sencillo procedimiento.


59

GEOTECNIA VIAL


60

GEOTECNIA VIAL


61

GEOTECNIA VIAL

IX.

HIDRÁULICA DE LOS SUELOS

El agua que se considera en los suelos, es la llamada agua libre a la cual se le pueden aplicar las leyes de la hidráulica.

• Flujo Laminar Cuando las líneas de flujo permanecen sin juntarse en toda su longitud, excepción hecha del efecto microscópico de mezcla molecular.

• Flujo Turbulento Cuando no se cumplen las características del flujo laminar.

• El flujo del agua en una masa de suelo se considera laminar. • Factores de los que depende la velocidad del agua en una masa de suelo: - Diferencia de presiones - Diferencia de alturas -

Relación de vacíos

• Ley de Darcy (1856) V = Ki V = Velocidad del agua a través de una masa de suelo K = Coeficiente de permeabilidad i = Gradiente hidráulico


62

GEOTECNIA VIAL

• Gradiente hidráulico ( i ) -

Por presión PA = Presión en A PB = Presión en B Donde PA > PB

γ

i = ( PA/

PA

γ

) – (PB/ L

w

PB

) = L

w

hP

Gradiente Hidráulico debido a presión ó a Carga de Presión

A

B L

-

Por presión y altura

γ w) – (P /γ w)

i = ( PA/

B

L

+ (ZB – ZA) L

ZA = Energía de altura en A

ZA

ZB

ZB = Energía de altura en B

i = hP + hZ L L B i = Gradiente Hidráulico hP = Energía de presión

A L

hZ = Energía de altura L = Longitud horizontal entre dos puntos

-

Energía total ( h )


63

GEOTECNIA VIAL

h = hP + hZ + hV Donde: h = Energía total hP =

Energía de presión

hZ =

Energía de posición

hV =

Energía de velocidad. En los suelos esta energía no se toma en cuenta, debido a que la velocidad del agua a través de una masa de suelo es muy pequeña.

• En los suelos la energía total será: h = hP + hZ

• Aplicación: Se tiene el siguiente sistema hidráulico: A Para este sistema el gradiente hidráulico será:

1 L

H ZA

2 B

i

=

h L

=

H L

ZB Plano de referencia

Energía total ( h ) h = hP + hZ ( 1 ) Energía de presión ( hp ) hP = hA – hB = 0 – 0 = 0 ( 2 ) hA = Presión en A hB = Presión en B


64

GEOTECNIA VIAL

Energía de posición ( hz ) hZ = (ZA – ZB) = H ( 3 ) Reemplazando ( 2 ) y ( 3 ) en ( 1 ) ⇒ h = H

• Permeabilidad Facilidad que tiene el agua de circular a través de una masa de suelo. El coeficiente de permeabilidad (K) es una medida de la permeabilidad de los suelos: K =V i

K tiene las mismas unidades de la velocidad

- Métodos para medir la permeabilidad A-. DIRECTOS

Permeámetro carga constante Permeámetro carga variable Pruebas directas en sitio

B-. INDIRECTOS

Granulometría Prueba de consolidación Prueba horizontal de capilaridad


65

GEOTECNIA VIAL

• Valores de la permeabilidad en suelos Grado de Permeabilidad

Tipo de suelo

Valor de K (cms/sg)

Alto

Gravas y Arenas limpias

Mayor a 10-1

Regular

Arena limpia con mezcla de Grava

10-1 a 10-3

Bajo

Arenas muy finas

10-3 a 10-5

Muy bajo

Limos orgánicos e inorgánicos, arenas finas, limos arcillosos, depósitos estratificados de arcilla

10-5 a 10-7

Prácticamente Impermeable

Arcillas

Menor a 10-7

• Red de flujo

H

Ultimo cuadro

H 1

H 2 Líneas de corriente o flujo

Líneas Equipotenciales Estrato impermeable

Q = nt * k * H


66

GEOTECNIA VIAL

ne Q = nt = ne= k = H =

Caudal de filtración Número de tubos de corriente Número de caídas equipotenciales Coeficiente de permeabilidad del suelo Energía total del sistema

• Seguridad contra socavación o licuación Se analiza el factor de seguridad ( FS ) con el último cuadro de la red de flujo (ver esquema anterior). FS FS

=

=

icritico imax

Factor de Seguridad

icritico =Gradiente hidráulico crítico. icritico = γ sum

γ w imax

∆h l

= = =

Gradiente hidráulico máximo. imax = ∆ h l Diferencia de potencial entre líneas equipotenciales consecutivas Longitud último cuadro de Red de flujo

Para FS > 1.0 ⇒ No hay socavación Para FS = 1.0 ⇒ Condición crítica Para FS < 1.0 ⇒ Si hay socavación

• Aplicaciones prácticas de la Red de flujo -

Calcular caudales de filtración dentro de una masa de suelo.

-

Calcular presiones dentro de una masa de suelo cuando hay flujo de agua a través de ella


67

GEOTECNIA VIAL

X. CONSOLIDACIÓN DE LOS SUELOS

Columna

∆ ∆

P (presión de contacto)

H (asentamiento)

El elemento A antes de colocar cargas al suelo

A Estrato de arcilla saturada

El elemento A un tiempo después de colocar cargas al suelo El suelo en sus condiciones naturales originales, tiene sus partículas sólidas a una cierta distancia, unas de otras, en sus vacíos está el agua (suelo saturado)

Después de cargar el suelo ( ∆ P ) y con el transcurso del tiempo ( t ), las partículas se van acercando, unas a otras, debido a que hay una salida de agua del suelo (drenaje), produciéndose en todo el volumen original del suelo una disminución del volumen. La variación del volumen ( ∆ V ) del suelo, ocurre debido a que el agua ocupa un volumen, y al drenar, el volumen queda libre y las partículas sólidas van a ocupar ese lugar. Las partículas sólidas al ir acercándose, unas a otras, van ganando esfuerzos efectivos, debido a que van tomando la carga generada ( ∆ P ) por el peso que trasmite la zapata al suelo. Este fenómeno mencionado anteriormente se denomina CONSOLIDACIÓN.


68

GEOTECNIA VIAL

El proceso de consolidación se puede definir como la transferencia de esfuerzos del agua a los sólidos, cuando se está produciendo el drenaje o salida del agua del suelo.

∆ p = Carga aplicada

La carga que actúa sobre la superficie del suelo, se transmite al elemento A, repartiéndose una parte para los sólidos y otra para el agua.

∆p Sólidos Agua

A

Arcilla Saturada

∆ p = Carga generada por el suelo ( elemento A ) que será tomada inicialmente ( t = 0 ) por el agua y a medida que haya drenaje ( t = t1) se va transfiriendo a las partículas sólidas. Al pasar un tiempo muy largo ( t →∝ ) toda la presión generada ( ∆ p), será tomada totalmente por los sólidos ( ∆ p = ∆ σ ), por lo Piezómetro tanto los esfuerzos efectivos serán más grandes, generándose un aumento en la resistencia del suelo. ∆ p = Carga aplicada

h2

∆H t = 0 para control de asentamientos • Prueba de consolidación en el campo h1

t = t1

Z

= queremos t2 Antes de colocar ∆ p, el suelo se encuentra en su estado original. t Si medir la presión de poro en A, colocamos un piezómetro; si elt =agua en el t3 Arcilla piezómetro sube h1 significa que la presión de poro en A, es la debida a la Saturada t = tn →∝ presión hidrostática: A

µ = γ wZ = h1 Estrato impermeable


µ

h

µ = ∆p

69

GEOTECNIA VIAL

Al colocar la carga ∆ p, ésta genera en el suelo, transmitiendo al agua un exceso de presión hidrostática: µ = ∆ p. En el piezómetro subirá la columna de agua una altura h2, indicando que en el punto A, la presión del agua subió éste valor:

µ = ∆ p = h2 A medida que pasa el tiempo, el agua que tiene exceso de presión hidrostática va drenando, generando una disminución de presión de poro ( µ ). Esta disminución de la presión de poro se puede observar con el piezómetro, pues h2 va disminuyendo. Cuando h2 → 0, se dice que el proceso de consolidación primaria ha terminado. El proceso de consolidación en el terreno, va acompañado con una variación del volumen total del suelo, observándose este fenómeno en el sitio como un hundimiento o asentamiento del suelo ( ∆ H ). Asentamiento ( ∆ H) Variación del asentamiento que sufre el suelo compresible en el transcurso del tiempo

Tiempo ( t )


70

GEOTECNIA VIAL

• Evaluación del asentamiento total primario de un estrato arcilloso sujeto a consolidación

∆p ∆H Z

H

∆e

eo

dZ

Estrato de Arcilla saturada

Sólidos

1

Elemento

Elemento de suelo (Fases)

Estrato impermeable

H

= Volumen total del estrato de arcilla en condiciones originales

∆H

= Variación del volumen del estrato comprensible, por consolidación

eo

= Relación de vacíos del suelo en condiciones originales

1 + eo = Volumen de un elemento de suelo en condiciones originales

∆e

= Variación del volumen del elemento de suelo, por consolidación

Por semejanza se tiene: H = 1 + e0 ∆H ∆e

⇒

∆H

=

∆e * 1 + eo

H

H = Espesor total del estrato de suelo compresible, independientemente de las condiciones de drenaje.


71

GEOTECNIA VIAL

Otras expresiones desarrolladas para calcular el asentamiento por consolidación primaria: a. H = mvσ H ∆ z

:

D o n d e

A se n ta m ie n H = ∆ mv

M ó d ulo = Esfuerzo

σ z =

H

E speso rto =

to p o r

co nso lida c

d e c o m p r es ib i efec tiv o tal

d el

lidad

g e n e ra d o estrato

ió n

p rim aria

v o lu m é tri en el su elo

d e su elo

c o m p re sib l

b. ___ σ + ∆  σ  H log  0 ∆ H =  σ 0  1 + e0  

C c

Donde :

∆ H = Asentamien to por consolidac ión primaria, suelo Cc = Indice de compresión , correspond e a la pendiente

normalment e consolidad o de la zona virgen de la curva

de compresibi lidad.

= Relación H = Espesor to σ 0 = Esfuerzo eo

de vacíos inicial tal del estrato compresibl e efectivo inicial

___

∆σ ' = Incremento

de esfuerzo efectivo generado

___

σ f

= ∆σ '+σ 0 = Esfuerzo

efectivo final

Factor Tiempo T T =

Cv × t H 2

Donde : Cv= Coeficiente de consolidación (m2/seg) t = tiempo (seg, min, horas, etc.) H = Máxima distancia de drenaje ( m) T = factor tiempo (adimensional)


ca

72

e

GEOTECNIA VIAL

Grado de consolidación: U% U %

=

 µ  ∆ p − µ ×100 = 1 −   ×100 ∆ p  ∆ p 

Donde : U%= Porcentaje de consolidación µ = presión de poro a una profundidad z y en un tiempo t ∆ p = Carga aplicada y que se genera en el suelo

Relación entre T y U%

U % 0 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 100

T 0.000 0.008 0.018 0.031 0.049 0.071 0.126 0.197 0.287 0.405 0.565 0.848 ∞

Coeficiente de variación volumétrico: av av

d e

=

Donde

d σ

: de

=variación =variación

d σ


de la relación del

esfuerzo

de vacíos

en un proceso

de consolidac

efectivo

73

GEOTECNIA VIAL

Módulo de compresibilidad volumétrico: m v mv

=

av 1 + e0

Donde : av

e0

= coeficient e de variación = relación de vacíos inicial

volumétri ca

Coeficiente de consolidación: Cv C v

=

k γ w mv

Donde : k = coeficient e de permeabili dad

= peso unitario del agua m v = módulo de compresibi

γ w


lidad volumétri co

74

GEOTECNIA VIAL

XI. RESISTENCIA DEL SUELO • Falla En una obra de Ingeniería es cuando no está cumpliendo las funciones para la cual fue diseñada y construida. Falla es el principio del comportamiento inelástico de un material o el principio de rotura del mismo. • Tipos de falla Teoría Dinámica -



en los

Teoría Cinemática -



las •

La Falla del Suelo se fundamenta esfuerzos. La falla del suelo se fundamenta en deformaciones.

Teoría de falla De Mohr- Coulomb (Dinámica) La falla se produce debido a la magnitud Hipótesis (1) – del esfuerzo principal máximo ( σ 1) y al esfuerzo principal mínimo (σ 3), no teniendo ninguna influencia el esfuerzo principal intermedio. 

La falla se presenta cuando el círculo Hipótesis (2) – definido por (σ 1) y (σ 3) resulta ser tangente a una cierta línea del plano (σ -τ ) (plano de Mohr), llamada línea de falla o envolvente de falla (línea de resistencia o envolvente de Resistencia) 

Prueba de Carga



∆ P3 ∆ P2 ∆ P1

σ v=σ

1

σ h=σ

3

A Plano de

rotura


75

GEOTECNIA VIAL

Al aplicar cargas sucesivas sobre el suelo ∆ P1, ∆ P1….., los σ v en (A) van aumentando (suponer que σ H permanece constante), hasta un límite en el cual el suelo fallará a través de planos rotura. En el momento de la falla, sobre plano de rotura estarán actuando un esfuerzo normal (σ n) y un esfuerzo cortante ( τ f ). Se considera que este último es el responsable de la rotura del suelo y representa la resistencia al esfuerzo cortante del suelo. Elemento A σ

τ

n

τ

Envolvente de falla (Representa la resistencia del suelo) f

Círculo de falla (Tangente al círculo)

Plano de

rotura σ 3i=σ H0 σ 1i=σσ 1f v0

σ

El círculo formado por (σ v0, σ H0 ) corresponde al estado de esfuerzos del suelo antes de cargarlo, es decir en condiciones originales. El círculo formado por ( σ 3i, σ 1f ) corresponde al estado de esfuerzos del suelo en el momento que está fallando por efecto de las cargas aplicadas. Este círculo es el único que representa un estado de falla del suelo.

•

Suelos Friccionantes (Arenas ) (Suelos Gruesos O Granulares)

Aquellos cuya resistencia depende de la fricción que se desarrolla entre partículas sólidas. Su envolvente de falla se representa en el plano de Mohr así:


76

GEOTECNIA VIAL

τ

S = σ tan φ

φ σ

S = Resistencia al Esfuerzo Cortante σ = Esfuerzo Normal φ = Angulo de Fricción. Es una medida de la Fricción desarrollada entre Partículas. •

Suelos Cohesivos (Arcillas) (Suelos Finos)

Aquellos cuya resistencia depende de un valor constantes llamado cohesión (C). Su envolvente de falla se representa así: τ

S=C

φ =0 C σ

•

Suelos Cohesivo – Friccionantes (Arcilla Con Arena)

Aquellos cuya resistencia dependen de la cohesión ( C) y de la Fricción (φ ). Su envolvente de falla se representa así:


77

GEOTECNIA VIAL

τ

S = C + σ tan φ (Ley Coulomb 1.776)

φ C σ

La Ley de Coulomb se ha venido cumpliendo para algunos casos pero para otros no, por lo cual Terzaghi en 1925 hizo una modificación, considerando que las fallas se producían en aquellos suelos que tenían muchos finos y además agua, por lo tanto introdujo el concepto de esfuerzos efectivos ( σ ), en lugar de los esfuerzos totales (σ ) propuestos por Coulomb Además consideró que la cohesión (C) no es constante, sino que depende del contenido de humedad ( ω ) S= C( ω ) + σ Tgφ

Ley de la Resistencia de los suelos

Factores de los que depende la resistencia de los suelos friccionantes (S=σ Tgφ ) •





-

En cuanto al ángulo de fricción interna (φ ) Densidad Relativa Granulometría Forma de las Partículas Tamaño de las Partículas Resistencia propia de las partículas.

En cuanto al esfuerzo Normal (σ ) Profundidad ( Z )


78

GEOTECNIA VIAL

-

Densidad ( γ )

• Factores de los que depende la resistencia de los suelos finos -

Historia previa de la consolidación del suelo Velocidad de aplicación de cargas. Condiciones de drenaje Sensibilidad de estructura del suelo.

• Pruebas de resistencia en suelos -

En Laboratorio   

-

Corte Directo o Esfuerzo Secante Compresión inconfinada o simple Triaxial

En Terreno   

Penetración Estándar o Normal Veleta Penetrómetro de Bolsillo

• Pruebas de resistencia para diseño de pavimentos -

En Laboratorio CBR Estabilómetro de Hveem  Vibratorio para determinar Módulo de Elasticidad  Dinámica o Módulo Resiliente (M R). 

-

En terreno  

Placa Directa CBR


79

GEOTECNIA VIAL

Ensayo de placa directa Objetivo Se utiliza para determinar la resistencia de los suelos con el propósito de diseñar pavimentos rígidos y flexibles. El valor de resistencia obtenido en el ensayo se denomina Módulo de Reacción (K).

Procedimiento del ensayo en el terreno 1. Para ensayos de condición inconfinada, se excavará el área a ensayar con una dimensión el doble o mayor que el diámetro de la placa, con el fin de eliminar efectos de confinamiento o sobrecarga. Si la subrasante es un terraplén, se construirá un relleno de 30” de altura mínima. 

Para ensayos confinados, el diámetro del área circular excavada debe ser lo suficiente para colocar la placa de prueba. 

2. Colocar el equipo de Prueba en el sitio escogido para la determinación de la resistencia. El suelo debe estar completamente limpio, plano y nivelado para hacer el ensayo.

ESQUEMA DEL EQUIPO Viga de reacción Anillo de carga Gato

Dial de Deformación

Carga

Dial de Deformación

12” 18” 24”


30”

Placa circular e≅ 1’’

80

GEOTECNIA VIAL

3.

Aplicación de Cargas

3.1. Procedimiento 1. Aplicar una carga tal que la presión de contacto con el suelo sea de 1 lb/pg2, para espesor de pavimento menor a 15”., o de 2 lb/pulg 2 para espesor igual o superior a 15” 

Mantener esta carga hasta obtener deformación total. Para esta condición, la lectura del dial se toma como cero ( δ 0) y la carga de asentamiento se considerará como carga cero(P 0) Sin quitar la carga anterior, aplicar mínimo seis (6) cargas con incrementos uniformes (∆ p). Anotar lectura de carga (P 1, P2, etc.) y deflexión para cada incremento (δ 1, δ 2, etc.), continuar el procedimiento hasta alcanzar la deflexión total escogida, o hasta agotar la capacidad del dial de deformación ( δ ≈ 1” ). 

CARGA lb/pg2 P0 P1= P0 + ∆ p P2= P1 + ∆ p . . . Pn = Pn-1+ ∆ p

DEFLEXION (0,001” )

δ 0 δ 1 δ 2 . . . δ n=δ

T

Mantener la carga en este punto hasta cuando no ocurra un aumento de la deflexión mayor de 0,001” por minuto, durante tres minutos consecutivos. Anotar deflexión total ( δ T), después disminuir la carga hasta aquella a la cual las medidas del dial fueron colocados en cero (P0 ) y mantener la carga de asentamiento en cero, hasta cuando la rata de recuperación no exceda 0,001” por minuto, durante tres (3) minutos consecutivos. Registrar la deflexión para la carga de asentamiento de cero (δ 0). Se promediara cada serie de lecturas individuales y se registrara este valor como la lectura de deflexión promedio ( δ prom.).


81

GEOTECNIA VIAL

3.2. Procedimiento 2 Aplicar una carga (P) que produzca una deflexión ( δ ) entre 0,01” y 0,02”. 

Eliminar carga (P) y esperar que la aguja del dial se detenga. Luego cargar con la mitad de P (P/2) y esperar que el dial se estabilice. En este momento se coloca el dial en su marca cero. Sin quitar la carga anterior, aplicar dos incrementos de 5lb/pg 2 cada uno, con los incrementos mantenidos hasta que la deformación promedio sea menor de 0,001” por minuto, durante 10 minutos consecutivos. Hacer lectura del dial al final de cada incremento de carga. 

Luego de concluir el incremento de carga de 10 lb/pg 2, determinar deflexión promedio, considerando el movimiento total entre el “cero” y el incremento de 10 lb/pg 2, para cada dial. Cálculo del Módulo de reacción de la subrasante sin corregir (K ’µ )

4.

10 lb/pul2 K Deflexión = promedio (δ ’ µ

.

) prom

prom

Si K’µ < 200, se considera concluido el ensayo y debe quitarse la carga. Si K’µ ≥ 200, se deben aplicar incrementos de carga de 5 lb/pg 2, hasta alcanzar 30 lb/pg2, dejando cada incremento hasta que la deformación promedio sea menor de 0,001” por minuto, durante 10 minutos consecutivos. Hacer lecturas de deformación al concluir cada incremento. Preparar Curva de Esfuerzo – Deformación P1 = 5 lb/pg2 P2 = 10 lb/pg 2 P3 = 15 lb/pg 2 P4 = 20 lb/pg 2


δ 5 δ 10 δ 15 δ 20

82

GEOTECNIA VIAL

P5 = 25 lb/pg2 P6 = 30 lb/pg2

δ δ

25 30

5. Obtener muestra inalterada del material de fundación para ensayarle en el laboratorio, con el fin de determinar la corrección por saturación. 6. Registrar temperatura del aire cada 30 minutos, utilizando termómetro suspendido cerca de la placa. 7.

Cálculos y Gráficos

7.1 Cuando K’µ es menor a 200, no es necesario preparar curvas carga deformación. 7.2 Cuando K’µ ≥ 200, se deberá dibujar la curva esfuerzo – deformación. La deflexión promedio (δ prom.) se calcula con las lecturas de los diales entre el “cero” y el final de cada incremento de carga. Si la relación esfuerzo – deformación no da una relación en línea recta que pase por el origen, deberá corregirse la curva. El valor promedio de la deflexión será aquel que corresponda a una carga de 10 lb/pg 2, en la curva corregida.

δ

0.01

0.02

0.03

Deflexión (pulg)

prom

5

Curva real

10 15

Curva corregida

20 25

Esfuerzo (lb/pulg2) 7.3 El Módulo de Reacción del Suelo sin corregir se calcula así: 10 lb/pg2 K = Deflexión promedio (δ ’ µ


. prom.)

83

GEOTECNIA VIAL

7.4 Corrección de K’µ por deflexión de placa (Ku) K’u Lb/pul3

Curva calculada K’u

Ku

Ku Lb/pul3

Kµ = Valor del Módulo de reacción corregido por flexión de placa 7.5 Corrección del Módulo de Reacción por Saturación (K).

 d b  d   + × 1 −    d s 75  d s  

K = Ku 

En unidades inglesas lb/pul3

K = Módulo de Reacción del suelo corregido (lb/pg3) Kµ = Módulo de Reacción del suelo sin corregir por saturación (lb/pg3) d = Deformación en pulgadas de una muestra consolidada con humedad del sitio bajo una carga de 10 lb/pg 2. ds = Deformación de una muestra saturada consolidada, bajo una carga de 10 lb/pg 2 . b = Espesor de la capa de material de base, en pulgadas.

Nota:

La Corrección por saturación no se requiere cuando se evalúan pavimentos de más de tres años. En suelos no cohesivos, no se requiere corrección por saturación. 


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El proceso completo de la prueba está en la norma INV.E-168 

XII.

EXPLORACION DE LOS SUELOS

Necesidad de la Exploración Debido a la heterogeneidad de los depósitos de suelos y rocas que se presentan en la naturaleza, el ingeniero deberá preparar un programa de la investigación del terreno, el cual dará a conocer las condiciones más importantes del subsuelo y definirá la variabilidad tanto como sea posible. Siempre habrá un riesgo debido a condiciones desconocidas; éste podrá reducirse al mínimo haciendo una investigación más completa, pero nunca se podrá eliminar.

Etapas de Investigación Geotécnica 12.2.1. Reconocimiento, para determinar la naturaleza del terreno y estimar las condiciones del suelo. 12.2.2. Investigación de exploración, para determinar la profundidad, espesor y composición de los suelos, la profundidad del agua y de la roca y, para estimar la propiedades ingenieriles del suelo. 12.2.3. Investigación completa y detallada, para obtener la información precisa de los estratos críticos, con la cual pueden hacerse los cálculos del proyecto.

12.3. Reconocimiento del terreno Considera el análisis de aspectos tales como: estudios geológicos, actividad sísmica potencial, fuentes de información geotécnica, inspección de la zona del proyecto, fotointerpretación. 12.3.1. Estudios Geológicos Su propósito principal es determinar la naturaleza de los depósitos subyacentes en la zona del proyecto. Se podrán determinar tipos de suelo y roca que probablemente se encontraran y seleccionar los mejores métodos para la


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exploración del subsuelo, antes de iniciar las perforaciones, la toma de muestras o los ensayos en obra. 12.3.2.

Actividad Sísmica Potencial

La sismicidad potencial debe ser considerada en los proyectos viales, estructuras de puentes y estructuras de presas cuyo deterioro o falla puede causar daños materiales o perdidas de vidas. 12.3.3.

Fuentes de Información Geotécnica

Comprende la información geológica y de suelos analizada en estudios realizados para proyectos semejantes, tales como carreteras, oleoductos, pozos petroleros. Además los documentos existentes en entidades estatales como IGAC, Ingeominas, Ecopetrol, donde se pueden encontrar, planos, mapas e informes técnicos con información importante para el proyecto. 12.3.4. Inspección de la zona del proyecto La visita al lugar del proyecto y sus áreas adyacentes ofrecerán información de mucho valor. La topografía, la forma del drenaje y de la erosión, la vegetación y el uso de la tierra, revelan las condiciones subterráneas, especialmente la estructura y textura del suelo y de la roca. Debe recordarse que si se encuentra un buen suelo en un lugar, esto no significa que necesariamente se encontrará también buen suelo en lugares colindantes. 12.3.5. Fotointerpretación Permite apreciar las condiciones del subsuelo a través de la interpretación de la fotografías aéreas, tales como rasgos distintivos geológicos y de obras hechas por el hombre. Dentro de los rasgos analizados a través de la fotointerpretación se tienen los siguientes: Topografía Distribución de corrientes Detalles de la erosión y de los barrancos Vegetación Cultivos y obras artificiales


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Limites naturales y artificiales

12.4. Investigaciones Exploratorias 12.4.1. Planeamiento del trabajo de Exploración Su propósito es obtener una información lo más exacta posible de las condiciones del suelo y de la roca en la zona del proyecto. Dentro de los objetivos de la exploración está la de conocer la profundidad, espesor, extensión y composición de cada uno de los estratos; además la profundidad de la roca y la profundidad del nivel freático. 12.4.2. Número de Sondeos No es fácil determinar el espaciamiento de los sondeos antes de comenzar la investigación, pues ello depende no solamente del tipo de estructura sino también de la uniformidad y regularidad del depósito de suelo. Corrientemente se hace un estimativo preliminar del espaciamiento entre sondeos; este espaciamiento se reduce si se necesitan datos adicionales o se aumentan si el espesor y la profundidad de los estratos son aproximadamente los mismos en todos los sondeos. En todos aquellos puntos o zonas donde se genera concentración de cargas se deberá efectuar por la menos un sondeo. - Espaciamiento recomendado de los sondeos: Carreteras (Estudio de subrasante) Presa de tierra, diques Excavación para préstamo Aeropistas

250 a 500 m 30 a 60 m 30 a 120 m 50 a 80 m

12.4.3. Profundidad de los sondeos Con el fin de tener la información necesaria para poder predecir el asentamiento de una estructura, los sondeos deben penetrar todos los estratos que puedan consolidarse notablemente por efecto de las cargas generadas por las obras de ingeniería.


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El Instituto Geotécnico de Bélgica considera que los sondeos deben penetrar hasta una profundidad tal, en que los esfuerzos generados en el suelo por el peso de una estructura, sean aproximadamente del 10%. Para presas y terraplenes la profundidad varía entre la mitad y el doble de la altura, dependiendo de las características de resistencia y compresibilidad de los suelos de fundación. Para excavaciones profundas los sondeos deben penetrar de 1.5 a 5.0 m por debajo del fondo de la excavación. En excavaciones para préstamos, los sondeos deben llegar hasta la profundidad prevista. Para estudios de carreteras, la profundidad de los sondeos será entre 1.0 a 1.5 m, por debajo del nivel de la subrasante. Para estudios de aeropistas el sondeo deberá penetrar entre 2.50 a 3.0 m por debajo del nivel de la subrasante. 12.4.4. Muestreo de Suelos Muestra Alterada o Remoldeada, es aquella que ha perdido parcialmente sus características de resistencia y compresibilidad en relación a las que tiene en el sitio. Las muestras alteradas se utilizan para hacer ensayos de clasificación, tales como límites de consistencia y granulometría. Muestra Inalterada es aquella que conserva las características de resistencia y compresibilidad del suelo en sitio. Se utilizan para hacer pruebas de resistencia y de compresibilidad tales como compresión inconfinada, corte directo, triaxial y consolidación. Este tipo de muestras inalteradas deberán tomarse con precaución y protegerse contra perdidas de humedad colocándolas en recipientes apropiados y cubriéndolas con parafina.

12.5. Métodos Exploratorios 12.5.1 Métodos de exploración de carácter preliminar (con muestreo alterado) Pozos a cielo abierto ó apiques ó trincheras Perforaciones con barrenos helicoidales Lavado


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Penetración Estándar Penetración cónica 12.5.2. Métodos de sondeo definitivo (con muestreo inalterado ) Pozos a cielo abierto con muestreo inalterado Tubo de pared delgada Rotatorios para roca 12.5.3 Métodos Geofísicos

• Sísmico • Eléctrico 12.6. Pozos a cielo abierto También llamado apiques o trincheras, son perforaciones hechas a mano utilizando barras, picos y palas. Se consideran estos sondeos como muy satisfactorios por cuanto el geotecnista puede observar directamente los estratos de suelo en su estado natural. Sin embargo es necesario distinguir la naturaleza del suelo “in situ”, que puede ser modificada por la excavación realizada. Por ejemplo una arcilla dura puede, con el tiempo, aparecer como blanda a causa del flujo de agua hacia la trinchera; análogamente, una arena compacta puede presentarse como semifluida y suelta por el mismo motivo. Cuando se efectúe el apique se debe llevar un registro completo de las condiciones del subsuelo durante la excavación, hecha por un técnico en suelos. De estos pozos se pueden obtener muestras alteradas o inalteradas de los diferentes estratos encontrados. Por este motivo los pozos a cielo abierto están clasificados dentro de los métodos preliminares y métodos definitivos.

12.7. Perforaciones con barrenos helicoidales y similares El barreno helicoidal es una herramienta de ataque que tiene la forma de un tornillo y penetra al suelo por rotación. La muestra de suelo obtenida es alterada, pero suele ser representativa del suelo en lo referente al contenido de humedad, por lo menos en suelos plásticos.


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El barreno se conecta en el extremo de una tubería de perforación, formada por secciones de igual longitud, que se van añadiendo según aumente la profundidad del sondeo. Estos barrenos se pueden penetrar al suelo en forma manual, para lo cual se utilizan diámetros pequeños (2 a 3 pulgadas) y a limitada profundidad (10 a 15 metros en suelos blandos). También pueden penetrar mecánicamente, utilizando diámetros mayores y avanzando a mayores profundidades. En arena localizada bajo el nivel freático estos barrenos no pueden extraer muestras, por lo tanto es necesario utilizar otras herramientas llamadas cucharas toma muestras para obtener muestras de suelo. Frecuentemente es necesario entibar la perforación, utilizando una tubería de acero (camisa), hincada a golpes, de un diámetro suficiente para permitir el paso de las herramientas muestreadoras. A veces, la tubería tiene secciones de diámetros decrecientes, de manera que las secciones de menor diámetro vayan entrando en las de mayor. Los diferentes segmentos se retiran al final del trabajo usando gatos apropiados.

12.8. Método de Lavado El equipo para realizar la perforación incluye un trípode con polea y martinete suspendido, de 50 a 80 kg. de peso, cuya función en hincar en el suelo a golpes la tubería que servirá de entibado (camisa). Su diámetro será suficiente para que permita el paso de la tubería de inyección de agua, en cuyo extremo inferior irá un trépano de acero, o herramienta de ataque, perforado, para permitir el paso del agua a presión. El agua se impulsa dentro de la tubería de inyección por medio de una motobomba. La operación consiste en inyectar agua en la perforación, una vez hincada la camisa (entibado), la cual forma una suspensión con el suelo en el fondo del pozo y sale al exterior a través del espacio comprendido entre el ademe y la tubería de inyección. Una vez afuera es recogida en un recipiente en el cual se podrá analizar el sedimento. Cuando se presenta un cambio de coloración en el agua con sedimento, es porque el estrato de suelo perforado ha variado. El procedimiento debe ir complementado por un muestreo utilizando una cuchara toma muestra, colocada en el extremo de la tubería de inyección en lugar del trépano. Se tomarán muestras cada 1.50 metros aproximadamente y adicionalmente siempre que haya cambio en la coloración del agua eyectada.

12.9. Método de Penetración Estándar o Normal


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El equipo necesario para aplicar el procedimiento consta de un muestreador especial llamado Penetrómetro Estándar de dimensiones establecidas y peso conocido. El penetrómetro normalmente es un muestreador de media caña o tubo partido, llamado así porque se puede dividir longitudinalmente para facilitar la extracción de la muestra que haya penetrado en su interior. El penetrómetro se enrosca al extremo de la tubería de perforación y la prueba consiste en hacerla penetrar a golpes dados por un martinete de 63.5 kg. (140 lbs.) y que cae desde 76 cm (30 pulgadas), contando el número de golpes necesarios para lograr una penetración de 30 cm (1 pie). El procedimiento de la prueba es como sigue, una vez limpio el pozo (perforación), el penetrómetro se hace descender hasta tocar el fondo y, seguidamente a golpes, se hace descender 15 cm dentro del suelo. A partir de este momento deben contarse el número de golpes necesarios para la penetración de los siguientes 30 cm. A continuación se prosigue con la penetración hasta llenar el muestreador, cuya capacidad total es de 60 cm. Al retirar el penetrómetro, el suelo que haya entrado en su interior constituye la muestra, la cual es alterada. La importancia de la prueba radica en las correlaciones realizadas en el campo y en el laboratorio en diversos suelos. En las arenas se permite relacionar la densidad relativa y el ángulo de fricción interna con el número de golpes necesarios en ese suelo para que el penetrómetro estándar logre entrar los 30 cm especificados. En las arcillas hay relaciones establecidas entre el número de golpes y la resistencia a la compresión simple. Para pruebas en arcilla, Terzaghi y Peck dan la siguiente correlación:

Consistenci a Muy blanda Blanda Media Firme Muy firme Dura

Número de golpes Para penetrar 30 cm (N) <2 2–4 4–8 8 – 15 15 – 30 > 30


Resistencia a la Compresión simple qu (kg/cm2 ) < 0.25 0.25 – 0.50 0.50 – 1.0 1.0 – 2.0 2.0 – 4.0 > 4.0

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12.10. Método de Penetración Cónica Consiste en hacer penetrar una punta cónica en el suelo y medir la resistencia que el suelo ofrece. Dependiendo del procedimiento para hincar el cono en el terreno, estos métodos se dividen en estáticos y dinámicos. En los estáticos el cono se penetra a presión, medida en la superficie con un gato apropiado. En los dinámicos el hincado del cono se logra a golpes dados con un martinete de peso conocido y altura de caída definida.

12.11. Muestreo con tubo de pared delgada Se considera que con un tubo de pared delgada se puede obtener una muestra inalterada de suelo arcilloso (plástico). Desde luego de ningún modo y bajo ninguna circunstancia puede obtenerse una muestra de suelo que pueda ser rigurosamente considerada como inalterada, pues siempre será necesario extraer el suelo de un lugar con alguna herramienta que inevitablemente alterará las condiciones de esfuerzo en su vecindad. Cuando se habla de muestras “inalteradas”, se debe entender en realidad un tipo de muestra obtenida por cierto procedimiento que trata de hacer mínimos los cambios en las condiciones de la muestra “in situ”. M. J. Hvorslev estudió procedimientos de muestreo con tubos de pared delgada, en suelos cohesivos y actualmente se usan en forma prácticamente única. Muestreadores de este tipo existen muchos modelos y con frecuencia cada institución especializada desarrolla su propio modelo. En Colombia se utiliza el modelo desarrollado por SHELBY en los Estados Unidos. El grado de perturbación al suelo que produce el muestreador, depende principalmente del procedimiento usado para su hincado; experimentalmente se ha comprobado que la alteración del suelo será mínima cuando el tubo de pared delgada se hinque a presión continua y a velocidad constante. El grado de alteración parece depender de la llamada relación de áreas (Ar) Ar = De 2 - Di2 x 100 De2


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Donde: Ar = grado de alteración De= diámetro externo Di = diámetro interno El Ar no debe superar el 10% para tubos de 5 cm (2 pulgadas) de diámetro interior.

12.12. Métodos Rotatorios para Roca Cuando en una perforación aparece un gran bloque de roca o un estrato rocoso es indispensable recurrir al empleo de máquinas perforadoras a rotación, con broca de diamantes o del tipo cáliz. En las perforaciones con broca de diamante, se coloca en el extremo de la tubería de perforación un muestreador llamado de “corazón”, en cuyo extremo inferior se acopla una broca de acero duro con incrustaciones de diamante industrial, para facilitar la perforación. En las perforadoras con broca tipo cáliz, el muestreador es de acero duro y la penetración se facilita por medio de municiones de acero que se introducen a través de la tubería hueca hasta la perforación, actuando como abrasivo. La broca con inserciones de diamante en la corona se recomienda utilizar en perforaciones de roca dura. La broca con inserciones de tungsteno en la corona se recomienda utilizar en rocas medianamente duras. La broca de acero duro en diente de sierra, se utiliza en rocas suaves como lutitas y pizarras. El éxito de una perforación rotatoria en roca depende fundamentalmente del balance de tres factores: velocidad de rotación, presión de agua y presión sobre la broca. Las velocidades de rotación son variables de acuerdo con el tipo de roca a atacar. A causa del calor desarrollado por las grandes fricciones producidas por la operación de muestreo, es necesario inyectar agua fría de modo continuo. También se hace necesario ejercer presión vertical sobre la broca, a fin de facilitar su penetración. Los equipos de perforación rotatorio trabajan usualmente en cuatro diámetros, siendo los mas usados las tuberías tipo Ax y Bx.


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Tipo de broca Ex Ax Bx Nx

Diámetro Diámetro externo (mm) interno (mm) 37.5 20.5 47.5 20.5 51.5 42.0 75.5 55.0

12.13. Método Sísmico Se fundamenta en la diferente velocidad de propagación de las ondas vibratorias de tipo sísmico a través de diversos medios materiales. Las mediciones realizadas sobre diversos medios permiten establecer los siguientes valores: Arenas sueltas Mantos de grava compactos Roca sana Agua

≈ 150 m/sg ≈ 2500 m/sg ≈ 2000 a 8000 m/sg ≈ 1400 m/sg

El método consiste en provocar una explosión en un punto determinado del área a explorar usando una pequeña carga de explosivo (nitroamonio). En él área 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. Suponiendo una masa de suelo homogénea que descansa sobre un estrato rocoso, unas ondas llegan a los geófonos viajando a través del suelo a una velocidad v1; las otras ondas llegan después de cruzar oblicuamente dicho suelo. Hay unas ondas que viajan por la frontera suelo -–roca, a través de la roca, con una velocidad v2, hasta ser recogidas por los geófonos (ondas refractadas). Se puede construir una gráfica que relacione la distancia del geófono al punto donde se originó la perturbación con el tiempo que tardó en registrarse la onda en ese geófono, obteniendo unas líneas rectas. La pendiente de estas rectas representa la velocidad de la onda.


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