CAPITULO II: COMPOSICION DEL SUELO Naturalmente los suelos son sistemas compuestos de 3 fases: sólido, agua y aire.
2.1 RELAC. VOLUMÉTRICAS / GRAVIMÉTRICAS GRAVIMÉTRICAS DE SUELOS
aire
Va VV
Peso Total = W
Volumen Total = V
WW
agua
VW
sólido
VS
V
W WS
(a)
(b)
Fig. 2.1 (a) Elemento de suelo suelo en estado natural, (b) Tres fases fases del elemento de suelo
V = Vs + Vv = Vs + Vw + Va
(2.1)
Donde: VS = volumen de sólidos del suelo. Vv = volumen de vacíos. VW = volumen de agua en los vacíos. Va = volumen de aire en los vacíos. El peso del aire es insignificante. El peso total de la muestra puede expresarse como: W = Ws + Ww
(2.2)
Donde: WW = peso del agua. WS = peso de los sólidos del suelo.
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RELACIONES VOLUMÉTRICAS Relación de vacíos (e) e=
Vv Vs
(2.3)
Porosidad (n)
n=
Vv V
(2.4)
Grado de saturación (S)
S=
Vw Vv
(2.5)
La relación de vacíos y la porosidad están relacionadas como sigue: V ( v) V Vv V n e= v = = = Vs V - Vv V 1- n 1- ( v ) V Además, de la ecuación (2.6) se puede deducir: e n= 1+ e
(2.6)
(2.7)
RELACIONES GRAVIMETRICAS Contenido de humedad (w) w=
Ww Ws
(2.8)
Peso unitario ()
=
W V
(Peso unitario húmedo)
(2.9)
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El peso unitario en función de W s
=
W Ws + Ww = = V V
Ws { 1 + (
Ww ) } Ws
V
=
Ws (1+ w) V
(2.10)
Peso unitario seco, d d
=
Ws V
(2.11)
De las ecuaciones (2.10) y (2.11) se llega a: d
=
(2.12)
1+ w
Peso unitario saturado, sat En suelo saturado los vacíos están completamente llenos de agua
sat
W V
Ws
Ww
(2.13)
V
Peso unitario sumergido ( ´) '
sat w sat 1
(gr / cm3)
(2.14)
Ejemplo Para un suelo, dados: e = 0.75; w = 22%; G S= 2.6. Calcular la porosidad, peso unitario húmedo, peso unitario seco y grado de saturación. Solución
e
Vv Vs
0.75
w
Ww Ws
0.22
Gs
W s Vs
w 2.6
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Vol. (m3)
Peso ton. Aire WW = 0.22
VV =0.75/2.6
Agua
VW = 0.22
W = 1.22
V = 1.75/2.6 WS = 1
Sólidos
VS = 1/2.6
Fig. 2.2 Método del diagrama de fases del suelo para hallar propiedades índice.
2.2. DENSIDAD RELATIVA (Dr) Indica la compactación o soltura “in situ” de un suelo granular. Es su propiedad más importante. Fuerzas gravitacionales son las que pesan en el suelo granular.
emáx - e emáx - emín
Dr = Donde: e emáx emín
(2.15)
= relación de vacíos in situ del suelo. = relación de vacíos del suelo in situ en la situación más suelta. = relación de vacíos del suelo en la situación más densa.
Dr = 0 para suelos muy sueltos
{ Dr =
{
1 d(mín)
1 d(mín )
}- { }- {
1 d
Dr = 1 para suelos muy densos
}
1 d(máx )
}
={
- d(mín) d(máx ) - d(mín) d
}{
d(máx ) d
}
(2.16)
Donde: = peso unitario seco en condición más suelto (para e max) d = peso unitario seco in situ (para e). d(máx.) = peso unitario seco en condición más densa (para e min) d(mín.)
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Descripción del depósito del suelo Muy suelto Suelto Medio Denso Muy denso
Tabla 2.1 Descripción cualitativa del depósito de suelo granular
Para hallar
d(mín.)
La norma ASTM D-2049 proporciona un procedimiento para determinar el peso unitario seco mínimo y máximo de suelos granulares de modo que puedan ser usados en la Ecuación Para arenas se usa un molde con un volumen de 0.1 ft 3 (2830 cm3). Para determinar el peso unitario seco mínimo , la arena es vertida sueltamente en el molde desde un embudo con un diámetro de pico de ½” (12.7 mm). La altura promedio de caída de la arena en el molde debe mantenerse en 1” (25.4 mm). El valor de d(min) puede ser determinado como: d(min)
=
Ws Vm
(2.17)
Donde: Ws = peso de la arena requerida para llenar el molde Vm = volumen del molde (0.1ft 3) Para hallar d(máx.) El peso unitario seco máximo es determinado vibrando la arena en el molde por 8 min. Una sobrecarga de 2 lb/in 2 (13.8 kN/m2) se añade al tope superior de la arena en el molde. El molde es colocado sobre una mesa que vibra con una frecuencia de 3600 ciclos/min. y que tiene una amplitud de vibración de 0.025” (0.635 mm). El valor de d(max) puede ser determinado al final del período de vibración conociendo el peso y el volumen de la arena. Varios factores controlan la magnitud de d(max), éstos son la magnitud de la aceleración, la sobrecarga y la geometría de la aceleración. Por ello es posible obtener un valor mayor de d(max) que aquel obtenido por el método estándar de las normas ASTM.
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2.3 CONSISTENCIA DE SUELOS Los minerales de arcilla permiten remoldear (con agua) el suelo arcilloso sin desmenuzarse: esto es consistencia. Esta naturaleza cohesiva se debe al agua adsorbida que rodea las partículas de arcilla Atterberg desarrolla método que usa diferentes grados de contenido de humedad. Para muy bajo contenido de humedad, el suelo se comporta como un sólido. Para altos contenidos el suelo y el agua pueden fluir como un líquido
Sólido
Semisólido
Límite de contracción
Plástico
Límite Plástico
Líquido
Incrementando contenido de humedad
Límite Líquido
Figura 2.3 Límites de Atterberg
LÍMITE LÍQUIDO (LL) Es aquel contenido de humedad, en porcentaje que se requiere para cerrar la ranura en el fondo de la cuchara una distancia de 0.5” (12.7 mm) después de 25 golpes. Radio 2.126” (54mm) Suelo
Base de Caucho
Fig. 2.4(a) Aparato de límite líquido
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2.875” (73 mm) 0.3937” (10 mm)
0.3937” (10 mm) radio 0.875” (22.23 mm)
5/64” (2mm)
0.53” (13.46 mm)
Fig. 2.4 (b) Instrumento ranurador.
11 mm
8mm 2mm
(c) Trozo de suelo antes del ensayo
(d) Suelo después del ensayo
Fig. 2.4 Ensayo de Límite Líquido
Es difícil ajustar el agua en el suelo para encontrar el 0.5” (12.7mm) en 25 golpes. Por ello se hacen 4 ensayos para el suelo variando su contenido de humedad. 50 ) % ( d a d e m u h e d o id n e t n o C
Curva de flujo Límite líquido = 42
40
30 10
20
25
30
40
50
Número de golpes, N Figura 2.5 Curva de flujo para la determinación del límite líquido para una arcilla limosa
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Tabla 2.2 Valores de los límites de Atterberg para arcillas minerales (Mitchell, 1976)
LÍMITE PLÁSTICO (LP) Es el contenido de humedad para el cual el suelo se desmenuza cuando es rolado en hilos de 1/8” (3.2 mm) de diámetro. Límite más bajo del estado plástico del suelo. El procedimiento para el ensayo está dado por la norma ASTM D-424.
Figura 2.6 Hebra de suelo siendo rolada para ensayo del Límite Plástico
Figura 2.7 Hebra de suelo desmoronado
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INDICE DE PLASTICIDAD (IP) Es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico de un suelo. ASTM D-424. IP = LL – LP
(2.18)
2.4. ACTIVIDAD (A) Es la relación lineal entre el índice de plasticidad y el porcentaje de fracción del tamaño de arcilla. Esta fracción es el porcentaje de material más fino menor que 2 por peso. Skempton definió la actividad como la pendiente de la gráfica. La Actividad se usa para ver la expansividad de un suelo
A=
IP ( % de fracción del tamaño de arcilla, en peso)
(2.19)
Índice de plasticidad Suelo 1 Suelo 2
Porcentaje de fracción de arcilla (<2)
Fig. 2.8 Índice de plasticidad vs porcentaje de fracción del tamaño de arcilla en peso.
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Mineral Esmectita Illita Kaolinita Lysita (2H2O) Hallysita (4H2O) Attapulgita Alofana
Tabla 2.3 Actividad de los minerales de arcilla (Mitchell)
Skempton clasificó tres tipos de Arcillas de acuerdo a su Actividad: INACTIVA con valores NORMAL con valores ACTIVA con valores
A < 0.75 0.75 < A < 1.25 A > 1.25
2.5. CARTA DE PLASTICIDAD Línea U IP = 0.9(LL-8)
70 60 d a id c i t s a l p e d e ic d n Í
Arcilla inorgánica de alta lasticidad
50
Arcilla inorgánica de plasticidad media
Línea A IP = 0.73 (LL-20)
40 30
Limos inorgánicos de alta compresibilidad y arcillas or ánicas
Arcilla inorgánica de ba a lasticidad
Limos inorgánicos de compresibilidad media y limos or ánicos
20 10
Suelo sin
0
Limos inorgánicos de baja compresibilidad
20
40 60 Límite Líquido
80
100
Figura 2.7 Carta de plasticidad
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2.6. ESTRUCTURA DEL SUELO Es el arreglo geométrico de las partículas de suelo una con respecto de la otra. Factores que la afectan: la forma, el tamaño y la mineralogía de las partículas. También afecta la naturaleza y composición del agua 2.6.1 ESTRUCTURAS EN SUELOS GRANULARES (NO COHESIVOS) Estructura de grano individual Las partículas de suelo están en posición estable. Cada partícula está en contacto con las de su alrededor. La forma y distribución de tamaño de las partículas influyen en la densidad. Suelo sólido
Suelo sólido
vacío vacío
(a)
(b)
Figura 2.7 Estructura de grano individual: (a) suelto, (b) denso
Estructura de celdas o panaloide Las arenas finas y limos forman pequeños arcos con cadenas de partículas. Tienen grandes relaciones de vacíos y pueden soportar cargas estáticas normales. Bajo cargas pesadas o bajo un choque de cargas, la estructura se rompe, resultando en asentamientos grandes, es una estructura colapsable.
Suelo sólido vacíos
Figura 2.8 Estructura panaloide
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2.6.2 ESTRUCTURA EN SUELOS COHESIVOS Estructura Dispersa Las partículas individuales pueden asentarse muy lentamente, sufriendo un movimiento Browniano (en zigzag). Todas las partículas estarán orientadas más o menos paralelas unas a otras. La estructura así formada es dispersa, por tanto estable tal como se muestra en las figuras siguientes. Estructura Floculante Otro caso es si las partículas podrían tender a ordenarse en flóculos visibles. El contacto interparticular es cara-borde; tiene grandes vacíos. Por ello es colapsable. Las uniones son electrostáticas. A este proceso se le conoce como floculación Esta estructura floculante se muestra en las siguientes figuras.
Figura 2.9a Estructura de sedimentos dispersa
Figura 2.9b Estructura de sedimentos floculada sin sal
Figura 2.9c Estructura de sedimentos floculada con sal
Estructura Floculante tipo sal Estas tienen una orientación en parte paralela. Es el caso de las arcillas dispersivas de Piura. Ellas poseen un peso ligero y también poseen una relación de vacíos alto. Su estructura es colapsable al lavarse la sal con agua dulce. La arcilla marina está altamente floculada La mayoría de los depósitos de sedimentos formados en agua fresca poseen una estructura intermedia entre dispersa y floculante.
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