Guia Mecánica de Suelos i

I.

SUELO. ORIGEN Y FORMACIÓN. CLASES. TEXTURA Y ESTRUCTURA DE LOS SUELOS.

1.1. Suelo 

Es el estrato o estratos sueltos sueltos de material sin consolidar consolidar provenientes provenientes de la meteorización y descomposición de la roca.



Es una mezcla de partículas sólidas, líquidas y gaseosas.



Es una pequeña capa formada por la desintegración desintegració n y descomposición descomposic ión de los últimos niveles de la corteza terrestre de nuestro planeta tierra.

1.2. Origen y Formación de los Suelos La corteza terrestre es atacada principalmente por el aire y las aguas, siendo los medios de acción de estas sustancias sumamente variadas. Todos los mecanismos de ataque pueden incluirse en dos grupos:

a. Desintegración Mecánica.- Es la intemperización de las rocas por agentes físicos, estos agentes son: 

Cambios de temperatura



Congelación del agua



Organismos y plantas. Todos estos agentes llegan a formar el suelo (arenas, limos y solo en casos especiales arcillas).

b. Descomposición Química.- Se refiere a la acción de agentes que atacan a las rocas modificando su constitución mineralógica o química, el principal agente es el agua, siendo los mecanismos de ataque, la oxidación, la hidratación y la carbonatación, tal como se muestra en la figura Nº 1.1. Los efectos químicos de la vegetación juegan un papel no despreciable. Estos mecanismos generalmente producen arcilla como último producto, todos los efectos anteriores suelen acentuarse con los cambios de temperatura, por lo cuál es frecuente encontrar formaciones arcillosas de importancia en zonas húmedas y cálidas, mientras que son típicas de zonas más frías formaciones arenosas o limosas, más gruesas. En los desiertos cálidos, la falta de agua hace que los fenómenos de descomposición no se desarrollen, por lo cual la arena predomina en estas zonas.

1

1.3. Clases de Suelos a. Suelos Residuales.- Son producto del ataque de los agentes del intemperismo, suelen quedarse en el lugar directamente sobre la roca de la cual se derivan.

b. Suelos Transportados.- Los suelos pueden ser removidos del lugar de formación, por los mismos agentes geológicos y redepositados en otra zona. Así se generan suelos que sobreyacen sobre otros estratos sin relación directa con ellos. Existen en la naturaleza numerosos agentes de transporte de los cuales podemos citar como principales los glaciares, el viento, los ríos y corrientes de agua superficial, los mares y fuerzas de gravedad; estos factores actúan a menudo combinadamente. En el siguiente esquema de un corte transversal podemos apreciar las formaciones de los suelos durante la vida geológica de la tierra.

1.4. Estructura y Textura de Los Suelos Estructura.- Definimos como Estructura a la propiedad de los suelos que produce una respuesta a los cambios exteriores y solicitaciones tales como el agua, cargas (edificios, pavimentos, etc.) respectivamente. Esta propiedad involucra tanto el arreglo geométrico de 2

las partículas como a las fuerzas que están sobre ellas, Involucra conceptos como “gradación”, “gradación”, “arreglo”, “vacíos”, fuerzas f uerzas ligantes y fuerzas f uerzas eléctricas asociadas.

Textura.- es la apariencia superficial, depende del tamaño, forma y graduación de las partículas.

a. Estructura Estructu ra de los Suelos Gruesos Predominan las fuerzas gravitacionales, depende en gran medida de la forma de las partículas, de su tamaño y de cómo están organizadas. Así su resistencia o comportamiento hidráulico se ven gradualmente afectados por circunstancias tales como la orientación de las partículas o la cantidad de vacíos existentes en su masa. En las figuras se muestran el arreglo de sus partículas. En el gráfico (a) se observa el arreglo denominado estado más suelto y en el (b) se observa el arreglo denominado estado más compacto.

Figura Nº 1.4: Estados del suelo de estructura simple

Notándose que la cantidad de vacíos en ambos es diferente es decir con relación de vacíos máx. y mín. en el arreglo de este tipo de partículas, como las partículas partículas reales difieren de la forma esférica rara vez da un arreglo real y en consecuencia los diferentes tamaños y formas se combinan para formar suelos muy densos o sueltos. Utilizando ambas estructuras se puede concluir que la segunda (densa) exige un arreglo mejor que la primera, es decir la resistencia que pueda tener el suelo es mayor y que las partículas menores contribuyen al soporte de cargas y el tener menor cantidad de vacíos existe menos posibilidad de deformación. En la naturaleza el suelo se presenta en un 3

estado intermedio donde la relación de vacíos podría denominarse estado natural (en) que en cierto modo representa el grado de acomodo entre partículas. 

Densidad Relativa (Dr.) La densidad relativa es un término relacionado con el grado de acomodo de las partículas de un suelo. Matemáticamente puede calcularse con la ecuación:  Dr  % 

Si :

e Máx.  e Nat .

 x100

e Máx.  e Mín.

e Nat .  e Máx.   Dr   0%

e Nat .  e Mín.   Dr   100% 0%   Dr   100%

La

Dr %,

es

sinónimo de que un suelo es

de partículas gruesas, correspondiendo en valores menores, menor será la resistencia; si a mayor Dr %, mayor será la resistencia.

b. Estructura de los Suelos Cohesivos El conocimiento de la composición interna de las láminas de arcilla es más importante a nivel básico que a nivel ingenieril, sin embargo es útil comprender su composición a fin de establecer su comportamiento. Investigaciones recientes, señalan el ambiente electroquímico, que existe en el agua, en el momento de la formación del suelo como el factor más influyente en su futuro comportamiento y la sedimentación individual de tales estructuras, produce las denominadas estructuras: Floculenta, Panaloide, Castillo de naipes y Dispersa.



Estructura Floculenta (arcilla) Cuando en el proceso de sedimentación, dos partículas de diámetros menores de 0.002mm llegan a tocarse, se adhieren y se sedimentan juntas; así otras partículas pueden Unirse al grupo, formando un grumo, con estructura similar a un panal. Cuando estos grumos llegan al fondo forman a su vez panales, cuyas bóvedas no están ya formadas por partículas individuales; sino por los grumos mencionados. El rnecanismo 4

anterior produce una estructura muy blanda y suelta, con gran volumen de vacíos, llamada floculenta y a veces, panaloide de orden superior. Las partículas menores de 0,0002 mm = 0.2 micra se consideran ya coloides; estas partículas pueden permanecer en suspensión indefinidamente, pues en ellas el peso ejerce poca influencia en comparación con, las fuerzas eléctricas desarrolladas entre las partículas cargadas negativamente, según ya se dijo y con las fuerzas moleculares ejercidas por la propia agua; cuando dos de estas partículas tienden a acercarse, sus cargas ejercen una repulsión que las aleja de nuevo; las vibraciones moleculares del agua, impiden que las partículas se precipiten; el resultado es un movimiento característico en rápido zigzag, conocido como browniano ( el botánico inglés Brown lo observó por vez primera al estudiar suspensiones de clorofila al microscopio). Por este mecanismo, las partículas coloidales de suelo en suspensión no se sedimentarían jamás. Las cargas eléctricas de la partículas coloidales pueden, sin embargo, neutralizarse bajo la influencia de la adición de iones de carga positiva opuesta; un electrolito, por ejemplo un ácido tal como el clorhídrico, se disocia en agua en iones positivos y negativos (CI- y H+); por el efecto de los iones H+ en solución, los coloides neutralizan sus cargas y chocan entre sí, quedando unidos por las fuerzas de adherencia desarrolladas. De esta manera pueden empezar a formarse los flóculos de mayor masa, que ya tienden a depositarse. En las aguas de mar, sales contenidas actúan como electrolito haciendo posible la generación del mecanismo antes descrito; en otras aguas naturales la disociación normal de algunas moléculas (H+, OH-) que siempre se produce, la presencia de sales, etc.…, logra el mismo efecto. Los flóculos se unen entre si para formar panales, que se depositan conjuntamente, formando al tocar fondo nuevos panales y dando lugar a una forma extraordinaria difusa de estructura en la que el volumen del solidó puede no representar mas de un 5 10%. Conforme aumenta el peso debido a la sedimentación continua, las capas inferiores expulsan agua y se consolidan más. Durante este proceso, las partículas y grumos se acercan entre sí y es posible que esta estructuración tan poco firme al principio, alcance resistencias de importancia.

5



Estructura Panaloide Esta estructura considerada típica en granos de pequeño tamaño (0.002mm de diámetro o algo menores) que se depositan en un medio continuo, normalmente agua y, en ocasiones aire. En estas partículas, la gravitación ejerce un efecto que hace que tiendan a sedimentarse, pero su pequeña masa, otras fuerzas naturales pueden hacerse de magnitud comparable; concretamente, si la partícula antes de llegar al fondo del deposito, toca a otra partícula ya depositada, la fuerza de adherencia desarrollada entre ambas, puede neutralizar al peso, haciendo que la partícula quede detenida antes de completar su carrera; otra partícula puede ahora añadirse y el conjunto de ellas podrá llegar a formar una celda, con cantidad importante de vacíos, a modo de panal mostrada en la figura. Las fuerzas de adherencia, causantes de estas estructuras son fuerzas superficiales, ya mencionadas anteriormente.



Estructura en Castillo de Naipes Las investigaciones realizadas en partículas de caolinitas, ilitas y montmorilonitas demuestran que la longitud de ellas es del mismo orden de magnitud que su ancho y que el espesor varía de 1/100 de estas dimensiones, en las montmorilonitas, a 1/10 en las caolinitas, ocupando las ilitas una posición intermedia. Con estos datos es posible estimar que la superficie especificada de estas partículas (metros cuadrados de área

6

superficial por gramo de peso) es el orden de 10 en las caolinitas, 80 en las ilitas y 800 en las montmorilonitas; estas cifras cobran toda su importancia al considerar la acción de las fuerzas superficiales como factor que interviene en la estructuración, no siendo difícil concebir que tal factor llegue a ser determinante. Corresponde a la naturaleza bipolar de las láminas de arcilla donde existe atracción entre los extremos (-) y las partes centrales (+).



Estructura Difusa  Algunas investigaciones modernas han indicado que una hipótesis estructural del tipo de "castillo de naipes" en la cual las partículas tienen contactos mutuos, si bien puede aceptarse como real en muchos casos, quizá no es la más estable en la que pudiera pensarse. Cualquier perturbación que pueda existir, como deformación por esfuerzo cortante, tiende en general a disminuir los ángulos entre las diferentes láminas de material. Conforme esto sucede actúan entre las partículas presiones osmóticas inversamente proporcionales al espaciamiento entre ellas. Las presiones osmóticas tienden a hacer que las partículas se separen y adopten una, posición tal como la que, esquemáticamente se muestra. El fenómeno se origina cuando el peso de los estratos superiores, modifica el ángulo de contacto de las partículas.

7

1.5

Composición de las Arcillas

Están compuestas por silicatos de Aluminio, Hierro y Silicatos de Magnesio. Con estructura cristalina dispuestas en forma de hojas de un libro con dos unidades elementales para armar la estructura de estos minerales. Están formados por:

Lámina silícica.- conformada por 4 átomos de oxigeno dispuestos en los puntos de un tetraedro, que encierran a un átomo de silicio.

Lámina Alumínica.- Conformada por 6 átomos de oxigeno con la configuración de un octaedro, que encierran a un átomo de aluminio.

1.6 1.

Principales Propiedades de Los Suelos. Estabilidad volumétrica: Los cambios de humedad son la principal fuente: Se levantan los pavimentos, inclinan los postes y se rompen tubos y muros.

2.

Resistencia mecánica: La humedad la reduce, la compactación o el secado la eleva. La disolución de cristales (arcillas sensitivas), baja la resistencia. 8

3.

Permeabilidad:  La presión de poros elevada provoca deslizamientos y el flujo de agua, a través del suelo, puede originar tubificación y arrastre de partículas sólidas.

4.

Durabilidad: El intemperismo, la erosión y la abrasión amenazan la vida útil de un suelo, como elemento estructural o funcional.

5.

Compresibilidad: Afecta la permeabilidad, altera la magnitud y sentido de las fuerzas ínter partículas, modificando la resistencia del suelo al esfuerzo cortante y provocando desplazamientos.

6.

Sensibilidad:  Conocida como susceptibilidad de una arcilla, es la propiedad por la cual, al perder el suelo su estructura natural, cambia su resistencia, haciéndose menor, y su compresibilidad, aumenta.

7

Tixotropía:  Propiedad que tienen las arcillas, en mayor o menor grado, por la cual, después de haber sido ablandada por manipulación o agitación, puede recuperar su resistencia y rigidez, si se le deja en reposo y sin cambiar el contenido de agua inicial.

8.

Desagregación: Deleznamiento o desintegración del suelo, dañando su estructura, anegando el material seco y sometiéndolo a calor.

Las propiedades mencionadas anteriormente se pueden modificar o alterar de muchas formas: por medios mecánicos, drenaje, medios eléctricos, cambios de temperatura o adición de estabilizantes (cal, cemento, asfalto, sales, etc.).

Definiciones de algunos términos Geotecnia: Es la ciencia que se basa en el conocimiento de la geología y la mecánica de los suelos.

Geología: Es la ciencia que estudia a la tierra y los fenómenos que ocurren durante la vida en el planeta.

Mecánica de suelos: Es la ciencia que estudia las propiedades y comportamiento del suelo, al cual se lo utiliza como material de construcción o soporte de estructuras (terreno de fundación), básicamente de cimentaciones que son los elementos que transmiten las cargas de la estructura al terreno

Suelo grueso-granular: Son los de mayor tamaño: Cantos Rodados, gravas y arenas. Su comportamiento está gobernado por las fuerzas de gravedad.

Suelos fino: Son los limos y arcillas. Su comportamiento está regido por fuerzas eléctricas, fundamentalmente.

Suelos pulvorulentos (desintegrados):  Son los no cohesivos, o suelos gruesos, pero limpios (sin finos); es decir, los gruesos -granulares limpios.

9

Arcillas y limos: En estado seco o húmedo, tiene más cohesión la arcilla. La arcilla seca es dura mientras el limo es friable o pulverizable. Húmedos, la arcilla es plástica y el limo poco plástico. Al tacto, la arcilla es más suave y a la vista el brillo más durable.

Suelos expansivos: Se denomina así a ciertos tipos de arcillas “Grasas” pegajosas que absorben agua y se hinchan. Cuando se secan se contraen y se agrietan, a esta acción se le conoce como dilatación - contracción del Suelo. Estos suelos existen en muchas zonas, generalmente en climas secos. Como algunos suelos se dilatan o se contraen fundamentalmente debido a los cambios en el contenido de agua, esto se debe a un tipo de arcilla que recibe el nombre de “Montmorillonita” se dilatan o encogen, según se añada o se extraiga agua, uno de los componentes que esta presente es un material llamado “Bentonita” Estas arcillas tienen una capacidad de expansión de 8 a 16 veces su volumen.

Suelos dispersivos: En estos suelos ocurre una defloculación de las arcillas. El fenómeno químico es propio de suelos salinos, cuando, por presencia de sodio se desplaza el agua recién venida y adsorbida, para romper los enlaces. El chequeo del potencial dispersivo se hace contando iones disueltos de Na+, Mg++, Ca++, K+ y comparando con el total de sales en términos de concentración. El efecto de la dispersión es la erosión interna (tubificación) y la pérdida de resistencia por destrucción de la estructura del suelo. En un ensayo de erodabilidad, todos los suelos dispersivos son erodables. Los suelos dispersivos son sódicos - cálcicos y el remedio es echar cal viva para sacar el Na+. Se presentan en el Huila y Guajira (ambiente árido y suelo marino) Suelos colapsables:  Los suelos colapsables son aquellos que al ser humedecidos o al aplicárseles una pequeña carga adicional, sufren una radical redistribución de sus partículas, reduciendo marcadamente su volumen, los grandes asentamientos que ocurren pueden causar diversos problemas a las edificaciones, servicios públicos vitales y otras obras de Ingeniería. La mayoría de los suelos colapsables que se presentan en estado natural son eólicos, es decir, arenas y/o limos depositados por el viento, tales como los loes, las playas eólicas y los depósitos de polvo volcánico, los cuales tienen altas relaciones de vacíos, pesos específicos bajos y sin cohesión o solo ligeramente cohesivos, Los depósitos de loes tienen partículas de tamaño de limo. La cohesión en los loes puede ser el resultado de la presencia de arcilla alrededor de las partículas de tamaño de limo, que las mantiene en una condición bastante estable en un estado no saturado. La cohesión también es ocasionada por la presencia de precipitados químicos lixiviados por el agua de lluvia. Cuando el suelo se satura, la adhesión de la arcilla pierde su resistencia y por tanto sufre un colapso estructural.

10

Muchos suelos colapsables son suelos residuales producto del intemperismo de la roca madre. Este proceso produce suelos con un gran rango de tamaños de partículas. Los materiales solubles y coloidales son lavados por agentes de transporte, resultando grandes relaciones de vacíos y por consiguiente estructuras inestables. En los suelos potencialmente colapsables que no contienen sales solubles, la mayor parte del asentamiento ocurre al producirse la saturación. En cambio, en suelos con un porcentaje significativo de estas, debido a que su pérdida ocurre en el tiempo, el asentamiento es gradual y en algunos casos el lavado de suelos puede producir grandes agujeros.

Suelos orgánicos: El primer producto de estos materiales es la turba, materia orgánica en descomposición. Por su porosidad, tiene alto contenido de humedad, baja resistencia, alta compresibilidad e inestabilidad química (oxidable). Deben evitarse como material de fundación y como piso para rellenos. El humus es de utilidad económica y ambiental, por lo que debe preservarse. Suelos solubles: La disolución se presenta en suelos calcáreos (calizas  –  yesos); El ácido carbónico producido, ataca de nuevo los carbonatos del suelo, por lo que es recomendable aislar la obra del flujo de agua. Ca CO3 + H2O + CO2---------------------- Ca (OH) 2 + H2CO3 El ácido carbónico

11

II.

RELACIONES VOLUMÉTRICAS Y GRAVIMÉTRICAS

2.1. Introducción En un suelo se distinguen tres fases: sólida, líquida y gaseosa. La fase sólida está formada por las partículas minerales del suelo (incluyendo la capa sólida adsorbida). La fase líquida formada por el agua libre específicamente, aunque en el suelo pueden existir otros líquidos de menor significación. La fase gaseosa comprende sobre todo el aire, pero pueden estar presentes otros gases (vapores sulfurosos, anhídrido carbónico, etc.) Las fases líquida y gaseosa del suelo suelen comprenderse en el volumen de vacíos (V v), mientras que la fase sólida constituye el volumen de sólidos (V s). Se dice que un suelo es totalmente saturado cuando todos sus vacíos están ocupados por agua. Un suelo en tal circunstancia consta, como caso particular de solo dos fases, sólida y líquida. Es importante considerar las características morfológicas de un conjunto de partículas sólidas, en un medio fluido. Eso es el suelo. Las relaciones entre las diferentes fases del suelo (sólida, líquida y gaseosa), permiten avanzar sobre el análisis de la distribución de las partículas por tamaños y sobre el grado de plasticidad del conjunto. En los laboratorios de mecánica de suelos puede determinarse fácilmente el peso de las muestras húmedas, el peso de las muestras secadas al horno y la gravedad específica de las partículas que conforman el suelo, entre otras. Las relaciones entre las fases del suelo tienen una amplia aplicación en la Mecánica de Suelos para el cálculo de esfuerzos o presiones. La relación entre las fases, la granulometría y los límites de Atterberg se utilizan para clasificar el suelo y estimar su comportamiento. Modelar el suelo es colocar fronteras que no existen. El suelo es un modelo discreto y eso entra en la modelación con dos parámetros, e y n (relación de vacíos y porosidad), y con las fases. El agua adherida a la superficie de las partículas, entra en la fase sólida. En la líquida, sólo el agua libre que podemos sacar a 105 °C cuando, después de 24 o 18 horas, el peso del suelo no baja más y permanece constante. 2.2. Fases del Suelo

En el suelo puede observarse la existencia de una fase sólida formada por las partículas minerales, una fase líquida que seria el agua intersticial libre y una parte gaseosa que reúne al aire o vapores producto de la descomposición orgánica atrapados entre los sólidos.

12

En Mecánica de Suelos, se relaciona el peso de las distintas fases del suelo con sus volúmenes correspondientes, por medio del concepto del peso específico.

Peso especifico aparente ( m): Conocido como peso volumétrico, densidad aparente, peso

  ⁄  +  …………………………………………………. .  1

específico de masa

Peso especifico del agua ( w): En condiciones prácticas: El peso específico del agua destilada es igual al peso específico del agua en condiciones naturales ( o = w) El peso especifico del agua destilada ( o): a 4°C y a P.A. n. m. en sistemas derivados del métrico decimal es igual a 1 ó a una potencia de 10.

  ⁄ …………………………………………………………………….2

Peso especifico de los sólidos ( s):

Variación de los pesos específicos en los suelos: 2.4 ≤ s ≤ 2.9 gr. /cm3

13

En los laboratorios de Mecánica de Suelos puede determinarse fácilmente el peso de las muestras húmedas y secas en el horno o estufa y el peso específico relativo de los suelos. Estas magnitudes no son las únicas cuyo cálculo es necesario, es preciso obtener relaciones volumétricas y gravimétricas para poder determinar otras magnitudes en términos de estas. Peso Específico Relativo: Viene hacer la relación entre el peso específico de la sustancia y el peso específico del agua destilada a 4° C y sujeta a una atmósfera de presión.

  ⁄   ………………………………………………………….  3   ⁄   …………………………………………………………….  4

Peso especifico relativo de la muestra (Sm):

Peso especifico relativo de los sólidos (Ss):

2.3. Relaciones Fundamentales para el manejo de las Propiedades Mecánicas de los Suelos. 

 ⁄ . … ………………………………………………………………….. 5

Relación de vacíos (e): También conocido como proporción de vacíos

0 < e <  ………………………variación teórica

0.25 < e < 15……………………..variación practica 0.25, para arenas muy compactas, a 15, para arcillas altamente compresibles. 

Porosidad ( %): % = Vv/Vm …………………………………………………………… (6)

0 < < 100 ……………………….variación teórica (suelos con fase sólida) 20% << 25%……………………..variación práctica. 

Grado de saturación (GW %):

Gw % = (Vw/Vv)*100…………………………………………………  (7) 0% < Gw < 100% 0………………….Suelos secos 100……………….suelos saturados 

% ⁄ 100…………………………………………………………. . 8

Contenido de humedad (w%):

14

2.4. Correlación entre la relación de Vacios y Porosidad. Si consideramos una muestra de suelo, adoptando el valor de la unidad (1) para el volumen de sólidos se obtiene:

Solución: 1. Como dato: V = 1, Vm, Vv, Ws, Ww 2. Consideremos el concepto de peso específico relativo de los sólidos (S s)

  ⁄ →   ⁄ →   ⁄ → 1    1 ………………………………………………………….  9 e  1 ……. . … ……………………………………………………….  10

3. De la ecuación (8), se obtiene:

4. De la ecuación (5), se obtiene:

5. Aplicando la definición de porosidad obtenemos:







2.5.

Formulas para suelos saturados y parcialmente saturados. 

Suelos saturados. Se considera un suelo con dos fases: La sólida y líquida, en otras palabras los vacíos están ocupados íntegramente por el líquido (agua). En el esquema (a)  consideramos

Vs = 1 y en (b) consideramos Vm = 1

15

Solución Figura (a):

Solución Figura (b)

  ⁄ →   ⁄ →  ⁄ →    ⁄ → 1  →  ⁄       ⁄ →        →  ……………………………………………………………….  11

1. De la formula (4) Obtenemos:

1. De la formula (6) obtenemos:

2. De la formula (5) obtenemos:

2. De la formula (4) obtenemos.

3. Del concepto de

3. Del concepto de

0 obtenemos:

0 obtenemos:

De la formula (8) obtenemos:

De la formula (1) y (3), obtenemos:

   …3    …1   1  1   11 1  …………………12     1   1 . ………………13 

Suelos Parcialmente Saturados

Solución Figura (a):

 ⁄ → 

1. De la formula (5) Obtenemos:

Solución Figura (b)

  ⁄ →  

1. De la formula (4) obtenemos:

16

  ⁄ →    → 

2. De la formula (4) Obtenemos:

2. De la formula (8) obtenemos:

3. De la formula (8) Obtenemos:

3. De la formula (2) obtenemos:

  →    ⁄  1⁄ →  →  

De las formulas (1), (3) y (7) obtenemos:

  +    1  →=+  …………………………. . … ……………………………. .  14 +  →+  +  +  ………………………………. .  

De (1)

De (3), en la figura (b)

  11 ………………………………………………………. .  15     11  11 ……………… De (7)

G  %  G  %  

 S s e

V   V v

G  % 

 x100(16)

 x100;  pero  o

 S  s e



W  



V  

V  

 x100



W  

 o



 S  s  o  o

.......... .......... .......... .OK 

2.6. Peso volumétrico seco o Densidad seca ( d ) En

el

esquema (a) de suelos saturados:  m



W  s V  s

 W    V v



W  s V  s

 V v







S  s o 1    1 e

17

  d 



W  s

 W   

V  s

 V v

0



W  s V  s

 V v



S  s   o

1 e

..........................................(17)

Peso volumétrico en función de la humedad

  d 



  h

1   

 Donde :   h :  Peso volumétrico   : Contenido de humedad 

2.7. Suelos sumergidos ( ’) Esto supone considerar el suelo saturado y sumergido, según la ley de Arquímedes, el suelo experimenta un empuje hidrostático hacia arriba, igual al peso del agua desalojada.

       :    ´  WSuelo sumergido = Vs (sat - o) Entonces despejando:

Peso específico de sólidos sumergido ’ = sat - o; como o = 1 gr/cm3 ’ = sat –  1 (en gr/cm 3)...............................................................

…… (18)

Peso Especifico De La Masa Sumergida ( ’m) ’m = m – 1 (en gr/cm3)……………………………………….………… (19)

En suelos bajo el nivel freático (suelo sumergido) el empuje hidrostático influye en los pesos específicos tal como se anota, ya que los suelos sufren un empuje ascensional que en magnitud es igual al volumen del líquido desplazado. En el cálculo del peso específico aparente debe contemplarse la posibilidad de que este se encuentre totalmente saturado. 18

S’s = Ss – 1……………………………………………………………………………  (19´) S’m = Sm – 1…………………………………………………………. ………………...(20)

   sat 



   sat 



W  s V  s

 W    V v

1  n S 

 s

S  s   o







e  o

1 e

.............................................................( 21 )



n   o

Tabla Nº 2.1: Peso específico de algunos suelos γd (gr/Cm3) Suelo Suelo  Arena de cuarzo 2.65 Montmorillonita Grava 2.25 - 2.40 Caolinita Limo 2.65 - 2.68 Cuarzo  Arcilla arenosa 2.68 - 2.72 Calcita  Arcilla gravosa 2.73 - 2.75 Mica

γd (gr/Cm3)

2.41 2.6 2..66 2.72 2.80 - 2.90

Tabla Nº 2.2: Porosidad y relación de vacíos de algunos suelos Suelo

Porosidad (η%)

Grava

40 - 45

0.67 - 1.22

Grava Arenosa

15 - 40

0.187-0.67

Arena

20 - 50

0.75 - 1.00

Limo arenoso

20 - 30

0.25 - 0.43

Limo

40 - 65

0.67 - 1.85

Arcilla compacta

20 - 40

0.25 - 0.67

Arcilla gravosa

40 - 90

0.67 - 2.00

Arcilla rígida

30 -50

0.43 -1.00

Arcilla plástica

40 -70

0.67 - 2.33

Fango

70 - 90

2.33 - 2.90

Relación de vacíos (℮)

Tabla Nº 2.3: Pesos específicos de algunos suelos Estado

Suelo  Arena suelta  Arena media compacta  Arcilla

Seco

Húmedo

Saturado

1.50 1.80

1.70 1.90 2.00

2.00 2.00 1.90

19

Formulas Adicionales   d 

 



1



   s



  S  s   o

  d 



 x100............................................................................23



   s

e

   s



  d 

.........................................................................................24



  d 

C r  %

  D

% r 

                   d 

dmim

dmáx

          

dmáx

dmím

x100

.................................25

d 

Donde:  d 

 Peso específico

:

sec

 Peso específico

 dmáx.

:

 dmím

:

 Peso específico

o  In Situ

sec sec

o en el  estado más denso

o en el  estado más  suelto

2.8. Problemas resueltos: Problema Nª 1. Dado el contenido de agua de un suelo saturado y su peso específico relativo de sólidos, encuentre el peso específico de la masa de ese suelo. Utilice un esquema en que figuren sólo las cantidades conocidas. Solución Por definición:

 %  W   W  s 100

Si:

W S 

 Además:

S S 

 1 w  W W 

W S 



V S   0

1

V 

S 



S S   0

El peso específico de la masa por definición es:   m



W m vm

En el esquema:  m



w  0

W W 



  m 

1

w

V W  

  0

1 w 

 m

V W 

S S  0

  0

1 w 1  wS S 

S S  0

  m   0 

S S  0

1  W  1  WS S 

  0 

S 

S 



 1  0

1  S S 

20

Problema Nª 2 Dados n y Vm  = 1, encontrar S S   para un suelo saturado. Utilice un esquema en que figuren sólo las cantidades conocidas. Solución: Por definición:

n

Por lo tanto:

V V 



V S 

V m



;  si : V m



1 n



V V 

n

1





V W   0

El peso del agua será: W W 

W S 



W W  w

n  0





n  0 w

 Aplicando la definición para S S se tendrá : n S S 



W S 

w



V S 

1



  0

n



n   0





w1



n



Problema Nª 3  En un suelo saturado se conocen el peso especifico húmedo, m  = 2050 kg/m3  y su contenido de agua, w =23%. Encontrar el S s  de dicho suelo. Aplicando la definición de Ss. Si sabemos que W W = 0.23 TN. y Ws = 1.0 TN. Solución:   



 o



W  

V   

V   V  



También:

  m



V m

 o 3

Por lo tanto:

De donde:

W  

0.23 m W  m V  m



1  0.23   m

V S 

Por lo Tanto:



S S 

1

S S   0



1.23 

2.05

0.37

0.6 m

3

0.6  0.23  0.37m

1 





3

2.7

Problema Nº 4 En un suelo saturado se conoce: SS = 2.65 Sm = 1.80 21

Determine la relación de vacíos y el contenido de humedad del suelo: Solución: e

Por definición

V V 

También:

V V 



V S 

 V 

S  S  

e W W 



W 

W S  V S   0

V S 

;

W S  



1

e



.

V S  S S   0



2.65

 Aplicando la definición de S m, se tiene: S m



w

W m V m  0 W W 





e  2.65 1 e e



W S 

 1.80  e  1.06

1.06

2.65



2.65



0.40;

w



40%

Problema Nª 5.Una muestra de arcilla saturada pesa 1526 g. Después de secada al horno su peso pasa a ser 1053 g. Si el S s vale 2.70, calcule e, n, w, m y d. Solución: S  s

e





W  s V  s   o

;

V  s



V  S 

390

473

n



  m

1053

V   V   V  m



3

1.21



473 

W m V m





 100

473  390

1526 

863

1053   d 

390cm

473

V   V  

w 



863







0.55

1.78 g 

1.22  g 

45%

cm

3

cm 3

Problema Nª 6. En un suelo parcialmente saturado se conoce e, S S, GW. Suponiendo que el gas disuelto está unifórmenle distribuido en la masa del suelo, abajo del nivel freático, encuentre m y  ´m, en función de las cantidades conocidas y haciendo uso de un esquema apropiado. Solución:

22

Por definición:

e

Si se hace Vs = 1;

V  V  



V  S 

resulta: Por lo tanto: Vv = e W S 



S S   0

También por definición: GW 

Y corresponde:



W W 

V W  V V  

V 

W 



eGW 

eGW   0

Luego las incógnitas valdrán:



  m

W m

G  e  S S 



V m

1 e

   m   0   m

  0

S 

S 

 

 1  e 1  GW 



1 e

 0

Problema Nª 7. En una muestra de suelo parcialmente saturado se conoce el peso especifico, el contenido de agua w, y el valor de S S. Encuentre el peso específico seco, la relación de vacíos y el grado de saturación en función de las cantidades conocidas, utilizando un esquema adecuado. Solución: Por definición:

w

Si hacemos:

W S 

Tendremos:

W W 



W S  V S  0   m



V W 



W W  W S 



1



w



S S  V S 

W m



V m W W 

 0



1

S S  0

1 w

V m



V m 

V W 





1      m

w

 0

Una vez construido el esquema, las incógnitas pueden calcularse aplicando las correspondientes definiciones:  d 



W S  V m

1 

1 e



S  s  0

S  s  0 1 e

e

V V  V S 



V m

 V S 

V S 



V m V S 

1 

1 w

S S  0

1

 m

23

w V W 

GW 



V W  

V V 

V m



  S s

  0 

V S 



e

e

S S   0

Problema Nª 8. En un suelo parcialmente saturado se conocen: e  0.60, S S 



2.75, GW 



70%

Encuentre: El peso volumétrico, el contenido de humedad y densidad seca. Solución: G W  

Por definición:  Haciendo : V  s

V   W  



e

V  

V   V  





W  

V V 

V   G W   V  



0.60  0.70



0.42m

3

;

V S 

1



V   V  

V agua w

e





  d 





V V  V W  

W W  W S 



3

0.60m ,

W S 

0.42 





2.75

2.75 

V m

  m

0.60





0.42

0.153 w

 1.72

Tn m

1.60

2.75  0.42 1.60

3



0.18m

 15.3%

  1720 

3.17 

3

kg  m 3

 1.98

1.60

Tn m

3

 1980

kg  m

3

Problema Nª 9. En una muestra de suelo parcialmente saturado se conocen: V m



3

50cm , W m

Encuentre: Solución: Entonces:

,





w

e

GW 

95 g , W S 



75 g , S S 

,

,

,



3

20cm .

  0

W W 

20 

W S 

V V 



22 

V S 



75

V W  V V 



28



20 22

V a



2.68

3

,

W m  W S   95  75  20g .

W W 



kg  m 

w e n GW    m   d 

W W  V W 



V S 



V m  V S   V W 

W S  S S   0



75 

2.68

28cm



3

3

50  48  2cm

0.267  w  26.7%

0.79. n





V V  V m

0.91GW 



22 

50



0.44  n



44%

91%

24

95  m

 d 



50 75



50

1.9 g 

cm3

1.5 g 

cm3





1900 kg 

m3.

1500 kg 

m3





Problema Nª 10. El volumen de una muestra irregular de suelo parcialmente saturado se ha determinado cubriendo la muestra con cera y pesándola al aire y bajo agua. Se conocen: Peso total de la muestra al aire:

180.6 g

Contenido de agua de la muestra:

13.6%

Peso de la muestra envuelta en cera, en el aire:

199.3 g

Peso de la muestra envuelta en cera, sumergida:

78.3 g

Peso especifico relativo de los sólidos del suelo:

2.71

Peso especifico relativo de la cera:

0.92

Determinar la densidad seca de la muestra y el Grado de Saturación . Solución: En este caso convendrá hacer un esquema en que, además de las tres fases usuales, se haga intervenir a la cera. W m



180.6 g 

Wcera





W t 



W m



Wcera

199.3  180.6

 199.3



g 

18.7 g 

El volumen total del suelo y cera será: V m

199.3



78.3



121.0 cm



3

  o

El volumen de la cera es el cociente de su peso entre su peso especifico, que es un dato del problema. V cera



W cera

 cera

18.7 

0.92



20.3 cm

3

El volumen de la masa de suelo será: V  m

w



V  t 

W W  W S 





Vcera



121

18.7 

0.92



121



20.3



100.7cm

3

0.136;

25

W S   W W 

180.6 g  w 



180.6  W S 



W S 

0.136

Por lo que: W S 



159 g 

Dato que puede ponerse en el esquema W W 



W m



W S 



180.6



159



21.6 g 

Pasa al esquema: V W 



W W 



 0

V S 

21.6 g 



W S 

159

S S  0



2.71



58.8cm

3

Con lo anterior queda completo el esquema operativo de la fig. Ahora: V  a



  d 



GW 

121  ( 20.3  58.8  21.6)]  121  100.7  20.3cm3

W S 



V m



159 100.7



1.58 g  cm3

21.6

V W 

21.6

V V  20.3  21.6



41.9





1.580 kg  m 3

0.52  GW 



52%

Problema Nª 11. Una muestra de arena totalmente seca llena un cilindro metálico de 200 cm3 y pesa 260g (W S), teniendo SS = 2.6. Calcule la relación de vacíos (e). Solución: Datos:

3



200 cm

Incógnita:

e



Si:

S S 

V m

V   V  

W m



S S 

260 gr .



2.6

? W S 





V S   0



V  m

Problema Nª 12

V S 

260 

 100cm

3

2.6

 V    S 

V   V  



100cm

3

e 

V V 



e

100 

V S 

1

100

El contenido de agua de un suelo saturado es 40%. El S S de sus

partículas es 2.65. Calcule para tal suelo e y

m

Solución: Datos:

 %



40,

Sí  : V  s



1

S S 



2.65

e



?  m



? 26



S S 

V S 

V V 

W S 





V S   0 

w%

3

1cm , V m

V m







V S 

W W 



W S 





0.40 2.65

V W 



 m e





W S 





3

3

W W 

cm3

V m V S 

2.06cm



1.06cm

W S   W W 



1

 y W 

 

2.65  1.06



1.06 

2.65 g 

100

 1.06

V V 



2.06

 1.06



 gr 

1.80095 g  cm3



1800 kg  m3

1.06

Problema Nº 13 En un suelo parcialmente saturado e = 1.2; w = 30%; S S = 2.66; calcule el m y el d de dicho suelo. Datos:

e



Solución:

Luego:

S S 

1.2



2.66

 



30%

  m ,   d 



?

W  s

S  s



V  s   0

  s



 m



S  s    gr / cm

3

0

S S  1  w 

0

1 e

1  0.32.661 g  cm  3

 m



  m   d 



1  1.2



1.5718

  m

1 w



 g  cm

3 

1571.8 kg 

1.5718  g  cm 3 1 .3



3

m

1.2091 g  cm 3



1209 .1 kg  m 3

Problema Nª14. Una muestra de suelo pesa 122 gr y tiene un peso especifico relativo S m = 1.82. El peso especifico relativo de los sólidos es S S = 2.53. Si después de secada al horno la muestra pesa 104 gr. ¿Cuál será su volumen de sólidos y de aire respectivamente? 27

Datos: W m



S m



W S 

122 g 

1.82



104 g 

V  S  , V  a



?

Solución: S m



S S 



W m

 V m 

V m  0 W S 

 VS  

V S   0

V V 



V V 



V m

122 1.82 104 2.53





67.03cm

 V S  

41.10cm

3

3

3

V S 

V W 

 V m 



25.93cm

V a

V a





67 .03cm

3

Problema Nº 15. Una muestra de arcilla saturada pesa 1526g y 1053g después de secada al horno. Calcule su w% Considerando s = 2.70 g/cm3, calcule también e, n y m Datos: , , ,   

w e n

  S 



m



2.70 g 

?

cm3

Solución   S 



V V  e



W S  V S 

V S 

1053 



2.70

 V m  V S   V V  

V V  V S 

 m





w%

473 

V m 

473

 1.21

n

390

W S   W W  W W  W S 



3

V S   390cm

 g  cm

 1.77



V V  V m

100 

0.55  55%

3

100  45%

28

III.

EXPLORACION DE SUELOS

3.1. Objetivo del estudio del Suelo. El propósito de la investigación de un suelo depende de que el suelo en estudio, represente un suelo de fundación o un material de construcción.

a. El Suelo como Terreno de fundación. Por medio de los estudios al sub suelo, se quiere obtener los valores admisibles o aplicables para la sobrecarga debido a edificaciones por construir (resistencia del suelo, presión admisible de contacto), tal como se observa en la figura Nº 3.1. Así mismo, se desea averiguar algo, en cuanto al comportamiento del suelo por efecto del asentamiento o sea el efecto que produce la carga de la edificación, las vibraciones y otros factores de las cuales se deben conocer no solamente la magnitud si no también el desarrollo de los asentamientos pueden variar en gran escala. En suelos no cohesivos de unos centímetros y en suelos cohesivos de decímetros, la medida del asentamiento admisible depende del tipo de edificación y de su uso. Los resultados de los estudios del sub suelo representan la base para: 

El trazado de carreteras, ferrocarriles, canales, donde se debe tomar en cuenta asentamientos no uniformes, deslizamientos, nivel f reático.



La selección de la fundación más adecuada y económica de edificaciones, en cuanto a la profundidad y tipo de cimentación.

 Además se tiene que tomar en cuenta el ambiente del sitio de construcción y el efecto de la edificación a las escenas de los alrededores, tal como se muestra en la figura Nº 3.2. La investigación del sub suelo, también influye en la elaboración de planos del muestreo del terreno donde se dan todos los perfiles de perforaciones y excavaciones ya hechos y otros datos conocidos.

29

b. El suelo como material de construcción. 

En la construcción de terraplenes para carreteras, ferrocarriles, canales, etc.



En la construcción de diques (presas) de lagos de embalses o diques protectores en los ríos.



En el relleno de muros de contención, muelles.



En la elevación de terrenos.



Como capas de sub base, base y capas de desgaste de carreteras, aeropuertos, campos deportivos etc.



Como material filtrante para sistemas de drenaje de pozos etc.



Como material impermeabilizante en la construcción de presas, canales etc.



En el relleno de socavones abandonados en minas.



En general como material de construcción, arena, grava, piedra picada, agregados, etc.

30

c. Estudios Complementarios e imprescindibles: 1. Efecto del agua en cualquier obra. Normalmente habrá que determinar la profundidad de la napa freática y sus variaciones. En los suelos cohesivos además se tiene que averiguar los cambios de comportamiento físico del suelo, según alteraciones en el contenido de humedad. En base a estos estudios se puede tomar decisiones: 

La decisión en cuanto a la reducción del nivel freático.



Las cotas adecuadas de las cimentaciones y la protección contra el agua subterránea.



Las fuerzas del agua subterránea actuantes en las edificaciones bajo el nivel freático.



Tipo de drenaje y protección de taludes en desmontes y terraplenes (filtros de drenaje, filtro de taludes.)



Seguridad al deslizamiento por debajo de presas, vertederos.



Peligro de congelaciones (carreteras y edificaciones en zona frías.)



Contracción e hinchamiento del suelo, según cambios en el contenido de humedad, lo que produce deformaciones en la obra.



La compactación de terraplenes (carreteras) según el contenido de humedad.



Propiedades químicas del agua (PH, bacterias, etc.).

2. Efecto de la topografía. 

Como afectará al diseño de las cimentaciones y la construcción.



Propiedades adyacentes, presencia de ríos, quebradas, cunetas, canales, árboles, formaciones rocosas.



Accesos disponibles para vehículos y maquinaria.

3. Efecto de las redes de servicios subterráneo. 

Cableado eléctrico y teléfono. 31



Tuberías de agua y alcantarillado.

4. Efecto de las formaciones geológicas. 

La posibilidad de hundimiento.



Presencia de fallas geológicas

5. Efecto de la presencia de sulfatos y /o sustancias químicas en el suelo. 

Determinar los posibles efectos de deterioro en las estructuras de la cimentación por presencia de sulfatos, en la Tabla Nº 2.9 se muestra los efectos aceptables y dañonos, según lo dispuesto por el Reglamento Nacional de edificaciones (RNE).

Tabla Nº 2.9: Concreto expuesto a soluciones de Sulfato (RNE). Exposición a sulfatos

Sulfato soluble en agua (SO4), presencia en el suelo, % en peso

Sulfato (SO4)en agua, p.p.m.

Despreciable

0.00≤SO4<0.10

0.00≤SO4<150

Moderado

0.10≤SO4<0.20

150≤SO4<500

Severo Muy severo

0.20≤SO4<2.00

1500≤SO4<10000

SO4>2.00

SO4>10000

Tipo de cemento

II, IP (MS), IS (MS) P (MS),I (PM) (MS), I (SM) (MS) V V + Puzolana

Concreto con agregado de peso normal. Relación máxima agua/ cemento en peso

Concreto con agregado de peso normal y ligero. Resistencia mínima a compresión, f´c MPa

0.50

4000

0.45 0.45

4500 4500

6. Efecto de la ocurrencia de los fenómenos naturales. 

Posibilidad de ocurrencia de terremotos.



Inundaciones, deslizamientos; por crecida de ríos, quebradas, etc.

  Vientos.   Heladas

3.2. Exploración en Suelos. a. Generalidades. Los mapas geológicos, cuando existen, dan una primera información respecto a la condición del terreno, con aproximación se puede pronosticar las propiedades del suelo. Los mapas geológicos son apropiados para la investigación previa de zonas amplias en estudio (urbanizaciones, etc.) muchas veces ya son conocidas las condiciones del suelo en las inmediaciones de una obra por ejecutar, o sea ya han sido obtenidos datos del suelo en investigaciones previas para otras edificaciones. Estos datos pueden representar la base de los estudios nuevos por llevar a cabo.

32

b. Métodos de Exploración de suelos: 1. Excavaciones o pozos a cielo abierto. El método más simple para reconocer al terreno consiste en excavar un pozo donde se ve las capas de suelo en plena estratificación. La profundidad de estas excavaciones es muy limitada, se llega solamente a unos 2 á 4 metros de profundidad. En tales excavaciones se obtiene tanto muestras alteradas como inalteradas. Una vez encontrada el nivel freático ya no se penetra más y la excavación se da por terminada.

2. Perforaciones: Barrenadas manual o mecánicamente, por percusión con

cables ligeros. Barrenadas manual o mecánicamente. Normalmente estos sondeos exploratorios es un medio barato en suelos de tipo favorables, los suelos deben tener la cohesión suficiente para que las paredes de la excavación puedan permanecer sin soporte, la presencia de materiales granulares (gravas, piedras) o cualquier obstrucción impedirá la rotación de la barrena, la muestra de suelo obtenida por las helicoidales es completamente alterada, en otras palabras los cortes de suelo son llevados a la superficie por la hélice en movimiento continuo. Se pueden usar para obras de investigación del terreno si se las provee de un tubo central hueco en el cual se adapta el tubo de muestreo.

33

Percusión con cables ligeros. Este método se puede usar en cualquier tipo de suelo, las perforaciones se pueden alinear donde se requieran mediante tubos de acero, usándose una gran variedad de herramientas para diferentes tipos de suelo y roca. Una torre con cables de percusión requiere un torno de fricción para levantar o bajar las herramientas de perforación, estas maquinas pueden estar provistas de un motor hidráulico, para operar un taladro rotatorio adecuado para la perforación en roca hasta un límite de penetración. La perforación en suelos altamente cohesivos se efectuará con barrenas cortadoras de arcilla, un tubo de acero con el borde abierto y una cuchilla en el extremo o conchas un tubo de acero con borde abierto y una cuchilla en el extremo. Las arenas y las gravas se remueven de la excavación con la concha. En caso de perforaciones en rocas o piedras grandes, se usan cinceles de varios tipos para romper la roca y los fragmentos se sacan con la concha. En rocas duras el proceso es lento, por lo que es preferible emplear el taladro rotatorio. El uso de agua vertida en el agujero puede ser inevitable cuando se perfora en suelos granulares por encima de la napa freática Sin embargo su uso debe ser limitado siempre y cuando se agregue agua se deben apuntar en los registros de perforación. En la Perforación Lavada, el suelo se desprende y se remueve de la perforación con una corriente de agua o taladrando el lodo en el borde inferior del tubo del lavado, el cual es movido de arriba hacia abajo o rotado manualmente o rotado 34

dentro de la excavación. Estas muestras sedimentadas en el exterior se pueden usar para propósitos de identificación. Si se sacan muestras secas en tubos sin alteración se logrará una identificación fiel como las raspaduras de barrena. Es más adecuado para arenas uniformes o arcillas.

3. La prueba del lavado. Es un método sencillo para determinar la profundidad de una interfase entre suelo blando o suelto y una capa firme o compacta. Se trabaja hacia arriba y hacia abajo con tuberías de lavado que envían agua a presión en un pozo sin revestimiento. No hay posibilidades de identificación del suelo ya que el agua generalmente no regresa. Es difícil en muchos casos imposible, obtener muestras secas. Sin embargo si se dispone de agua suficiente y el suelo no contiene grandes formaciones de grava o piedras grandes, este método constituye una forma rápida y económica de establecer el nivel de un estrato bien definido que puede ser reconocido al tacto por los tubos de lavado a medida que van de arriba hacia a bajo. Las pruebas de lavado se deben correlacionar con perforaciones realizadas mediante métodos más exactos, y cuando las perforaciones están muy espaciadas, las pruebas de lavado deben verse como datos complementarios. Son un método conveniente de rápida exploración subterránea en obras fluviales o marítimas, para investigar, por ejemplo, la profundidad en que se encuentran capas de arena o lodo sobre la roca en un proyecto de pilotaje o dragado.

35

4. Investigaciones geofísicas Método sísmico.-  Este método se funda en la velocidad de propagación de las ondas vibratorias de tipo sísmico a través de diferentes medios materiales. En los suelos, la velocidad de propagación varía entre 150 y 2500 m/seg., correspondiendo los valores mayores a mantos de grava muy compactos y los menores a arenas sueltas; los suelos arcillosos tienen valores medios, mayores para las arcillas duras y menores para las blandas. En roca sana la velocidad de propagación fluctúa entre 2000 y 8000 m/seg. El método consiste en provocar explosiones en la zona a explorar, colocando registradores de ondas (geófonos) que captan las vibraciones, transmitiéndolas a un oscilógrafo central, las ondas P (u ondas directas) y ondas S (u ondas refractadas), las que llegan al geófono en tiempos diferentes. Las ondas P viajan más rápido que las ondas S; por lo tanto, la primera llegada de ondas perturbadoras estará relacionada con las velocidades de las ondas P en varios estratos. La velocidad de estas ondas se obtiene mediante la siguiente ecuación:

36

 √ ()121 1  Donde:

E: Módulo de elasticidad : Peso específico o densidad natural g: Aceleración debido a la gravedad µ: Módulo de poisson Por medio de gráficos y cálculos, se averigua la estratificación del terreno. Este método permite determinar espesores de los diferentes estratos, midiendo la velocidad de propagación de ondas sísmicas. Para su interpretación, los estratos superiores deben presentar velocidades de propagación inferiores a las de los estratos que lo subyacen y estos deben ser relativamente paralelos entre sí. La técnica de refracción sísmica, consiste en crear ondas de impacto y vibración en el interior del terreno. Esto se produce golpeando la superficie del suelo con un martillo, cualquier peso o mediante el estallido de una pequeña carga explosiva enterrada en el suelo.  A cierta distancia del lugar donde se producirá el impacto, se colocan unos detectores llamados geófonos, dispuestos en línea recta y a distancias que vayan aumentando entre ellos (ver figura). A través de un sismógrafo, se registra el tiempo empleado por la onda elástica en llegar a cada detector y por medio de una ecuación se determina el espesor del estrato en estudio. Cuanto más denso sea el material, tanto más rápido se desplazarán las ondas a través de él. Siguiendo el siguiente procedimiento:

37

1.

Obtenga los tiempos de primer arribo, t 1, t2, t3,…, en varias distancias x 1, x2, x3,…, desde el punto de impacto.

2.

Trace una gráfica del tiempo “t” versus la distancia “x”.

3.

Determine las pendientes de las líneas ab, bc, cd…  Pend iente ab

 Pend iente bc

 Pend iente cd   Dond e :

1 

v1

1 

v2

1 

v3

v1 , v 2 , v 3 ,...,  son las velocidade s de las ondas  P 

en los estratos  I ,  II ,  III ,...

4.

Determine el espesor del estrato superior Z 1, mediante la ecuación:

 Z 

1



1

v

2

v

2



v

2



v

1

 xc

1

5.

 xc : se obtiene del  gráfico

 Z   2

1 2

 T i  2 Z   2

1

segundo estrato Z 2, mediante la ecuación:

v v  2

2

3

1

v v 3

1

Determine el espesor del

v v 3

2

  v  v 2

2

3

2

 Donde T i es el  cruce de tiempo de la línea cd . 2

38

En el análisis de resultados, se debe tener en cuenta lo siguiente: 1.

Las ecuaciones para determinar el espesor de los estratos se basan en la suposición que v1
2.

Cuando el suelo esta saturado debajo del nivel freático, la velocidad de las ondas “P” puede ser mentirosa. Las ondas P viajan a una velocidad aproximada de 1500

m/s a través del agua y para suelos secos y sueltos, la velocidad es menor a 1500 m/s. Sin embargo en una condición saturada, viajarán a través del agua que ocupan los poros con una velocidad aproximada de 1500 m/s. Si previamente no se ha identificado el nivel freático, la velocidad de las ondas P pueden ser erróneamente interpretadas e indicar un material más resistente. En general debe verificarse las exploraciones geofísicas mediante perforaciones. En la tabla se indican algunos valores típicos de velocidades de ondas P de algunos suelos.

Tipo de suelo  Arena, limo seco y suelo superior de grano fino  Arcillas compactas, grava arcillosa y arena arcillosa densa Loes  Aluvial Roca: Pizarra y esquistos  Arenisca Granito Caliza sana



Velocidad en m/seg. 200

1000

1000

2500

250

750

500

2000

2500

5000

1500

5000

4000

6000

5000

1000

Método dinámico.- (métodos gravimétricos). En los métodos gravimétricos se mide la aceleración del campo gravitacional en diversos puntos de la zona a explorar. Los valores de dicha aceleración ligeramente más altas que el normal de la zona indicaran la presencia de masas duras o rocas; lo contrario será un índice de la presencia de masas ligeras o cavernas. La interpretación de los resultados de estos métodos es errática y muy difícil.



Método de resistividad eléctrica.-  La principal aplicación de este método está en el campo de la minería, pero en mecánica de Suelos también se ha aplicado, para determinar la presencia de estratos de roca en el sub suelo la

39

base de este método, consiste en mediciones de la resistividad eléctrica de los suelos, la cual varía con la naturaleza del mismo. La resistencia que opone al paso de la electricidad, dependerá en gran parte de la densidad y humedad del suelo. El procedimiento consiste en enviar mediante dos electrodos impolarizables, una corriente eléctrica de intensidad I, de ser posible continua y medir la diferencia de potencial δ existente entre otros dos electrodos (Ver figura). El conocimiento de δ e I, permite calcular una resistividad que se compara con un ábaco o patrón de referencia. La corriente varía entre 50 y 100 miliamperios.

La resistividad (δ) eléctrica se determina mediante la ecuación:

40

 R A  L  Donde : R : Re sistencia eléctrica .  A : Área de la sec ción transversal  del  material .  L : Longitud del  material .   : Re sistividad  eléctrica (ohm . m o ohm . centimetro)   



La resistividad depende del contenido de agua. Así las arcillas saturadas tienen muy baja resistividad eléctrica; a la inversa los suelos y rocas secos tienen alta resistividad. En la tabla se indican algunos valores típicos de resistividades. Tipo de suelo

Resistividad en Ohms x cm

 Arcilla o limo orgánico saturado

500-2,000

 Arcilla o limo inorgánico saturado

1,000-5,000

 Arcillas y Limos duros semisaturados, arenas y gravas saturados

5,000-15,000

Lutitas, arcillas y limos secos

10,000-50,000

 Areniscas, arenas y gravas secas

20,000-100,000

Rocas cristalinas sanas

100,000-1´000,000

Tabla de la Resistividad eléctrica de suelos y rocas Fuente: Sowers G. B. y Sowers G. F., 1975

La caída de voltaje,  ΔV, se mide entre los electrodos internos. Si el perfil del suelo es homogéneo, la resistividad eléctrica queda determinada mediante la ecuación:   

2   D V 

Conocida como resistivid ad  aparente

 I   Donde :  D :  Dis tan cia en metros. V  : Caida de

voltaje entre los dos electrodos

int

eriores .

 I  : Corriente eléctrica entre 50  y 100 miliamperios En la naturaleza el suelo se encuentra en estratos, por lo tanto tendrán resistividades diferentes, la resistividad determinada mediante la ecuación anterior se lo conoce como resistividad aparente. La obtención de la 41

resistividad real de varias capas y sus espesores se usa el método empírico siguiendo los pasos: 1. Obtención de la resistividad aparente. 2. Realizar las pruebas con varios espaciamientos de los electrodos. En consecuencia la suma de las resistividades δ se grafica como ordenadas. 3. Las distancias “D” se grafican como abscisas. 4. La figura tendrá segmentos relativamente rectos. La pendiente de estos dará la resistividad de los estratos individuales. 5. El calculo de los espesores Z1, Z2, Z3, ... Se determina según se observa en la fg.

3.3. Espaciamiento y profundidad exploratoria (excavaciones y perforaciones). El número, tipo y profundidad de los sondeos que deben ejecutarse, depende fundamentalmente del tipo del sub suelo y de la importancia de la obra. Por ejemplo en lugares de perfil errático, tales como cauces fluviales o glaciares, en general se presentan los problemas más delicados, pues es muy probable cometer errores que hace que resulte muy difícil una determinación precisa de las propiedades básicas, resistencia y compresibilidad: En cambio en lugares con perfiles de estratificación más uniforme, los sondeos exploratorios, se llevan a cabo de una forma más precisa y más segura. Un punto que requiere especial cuidado es la determinación de la profundidad a que debe llevarse la exploración del suelo. Para fines de cimentación, en donde asentamientos y resistencia son los factores determinantes, el área de apoyo de las estructuras, concretamente el ancho, es de importancia vital, pues el efecto de las presiones superficiales aplicadas al suelo es netamente dependiente de este concepto. El sondeo debe llevarse a una profundidad tal que los esfuerzos transmitidos desde la superficie ya no produzcan efectos de importancia, o sea cuando las presiones transmitidas llegan a ser del orden de 5 a 10% de las aplicadas En otras ocasiones, la profundidad de los sondeos se fijará con criterios muy diferentes, un caso típico se tiene cuando los sondeos revelan la presencia de suelos muy blandos, que obliguen a pensar en la conveniencia de cimentaciones piloteadas, apoyadas en estratos firmes tales estratos resistentes. 42

En otros casos, se hará necesario precisar las características del suelo blando para poder estimar los asentamientos y capacidad de carga con que se diseñan esos pilotes. Para citar un ejemplo: Investigando al sub suelo de una presa por construir es necesario encontrar los estratos impermeables y firmes respectivamente, para reconocer el espesor de las capas superficiales por impermeabilizar y estabilizar.

3.4. Toma de muestras (alteradas e inalteradas) para ensayos de laboratorio. a. Muestras alteradas.- Estas muestras se obtienen tanto en pozos a cielo abierto como en perforaciones. La textura original del suelo ya esta destruida con estas muestras. No es posible determinar la compacidad ni el peso volumétrico (densidad aparente) del suelo, no obstante sirven para precisar otras propiedades físicas, tales como la granulometría, limites de plasticidad, peso específico de sólidos. Las muestras alteradas se sacarán en todo cambio en los estratos, o por lo menos de cada metro de profundidad. Para poder determinar el contenido de humedad es necesario poner las muestras inmediatamente dentro de un recipiente hermético En la vista se observa realizando la excavación cerrado a menos que exista un equipo para averiguar el contenido de humedad In Situ.

b. Muestras inalteradas.- Estas muestras que conservan su estado original (la compacidad natural, peso volumétrico original, etc.) serán obtenidas cuando sea necesario determinar ciertas propiedades del suelo (compacidad, resistencia, asentamiento, permeabilidad etc.). En perforaciones es muy difícil obtener muestras inalteradas, para tales fines, se requiere de equipo muy especial, y además se obtiene las muestras solamente de suelos cohesivos o de rocas. Sin embargo, en pozos a cielo abierto no es problemático sacar las muestras inalteradas, para este propósito se puede utilizar un cilindro de acero de la forma siguiente:

Las muestras inalteradas se obtendrá también cortando cubos mediante un cuchillo longitudinal de arista del cubo ±15 cm. Dado el caso, que no se investigue a las muestras inmediatamente después del muestreo, entonces las muestras deberán cubrirse herméticamente con parafina o en caso de que se haya extraído con cilindro muestreador este debe taparse a ambos extremos.

43

1. En los suelos de alta cohesión Susceptibles de alteración. Rrequieren de una buena decisión de toma de muestras como por ejemplo emplear un pistón o tubo de paredes delgadas que empuja o introduce en el suelo con ayuda de un gato hidráulico, nunca forzado a golpes de martillo.

2. En los suelos suelos no Susceptibles de alteración alteración. El muestreo de estas clases se hace con tubos abiertos que son martillados en el suelo con martillo deslizador o a partir de muestras tomadas a mano cuidadosamente de los pozos de prueba. Comentarios: El ingeniero debe reconocer el justo valor de la calidad del muestreo, tanto que esta puede significar una economía de los costos de diseño, un muestreo de alta calidad representa una mayor exactitud en la determinación de las fuerzas cortantes, con mayores presiones de soporte, por consiguiente, una reducción en los costos de cimentación. El ingeniero debe estudiar el problema de la cimentación y decidir que grado de perfección en el muestreo es económicamente justificable, mantener siempre presente que ciertas pruebas In situ, como las de veleta o cono, pueden proporcionar información más confiable que las pruebas de laboratorio hechas en muestras inalteradas.

3.5.

Ensayos de Penetración. Los ensayos de penetración in situ están muy difundidos hoy en día, principalmente por su sencillez y por su costo relativamente accesible, pero debemos agregar que en muchos casos su interpretación es muy difícil. Los penetrómetros son barras metálicas que se introducen en el terreno para medir determinadas determinadas propiedades del mismo y generalmente están constituidas por las varillas, la punta que se introduce en el terreno y el dispositivo de accionamiento. Constituyen un método auxiliar en la investigación investigació n de las características del terreno, sus resultados permiten obtener ciertos datos sobre la densidad de los suelos y la consistencia de suelos cohesivos, así como compresibilidad y resistencia al corte. Son usados generalmente para determinar los límites de las capas, niveles rocosos o estratos resistentes y las cavidades del terreno. También sirven para comprobar rápidamente la uniformidad del terreno, en combinación con otro reconocimiento, como por ejemplo los sondeos.

44

Los ensayos de penetración pueden ser dinámicos, que consisten en hincar mediante golpes una varilla o tubo, o pueden ser estáticos, que consisten en medir la resistencia a la penetración de la varilla, la que se hinca lentamente, de modo que los efectos dinámicos resultan despreciables, es decir, la punta es forzada hacia adelante a una velocidad velocidad regulada.

Tipos de penetrómetros. penetrómetros. 

Penetrómetros estáticos. El más típico es el cono holandés (CPT) o cono estático, el cual se hinca mediante una fuerza estática, dada por gatos mecánicos o hidráulicos. Consta de un tubo, en cuyo interior se aloja una varilla, que lleva en la punta un cono 60º (Ver figura). Se mide el esfuerzo necesario para la hinca del conjunto y de vez en cuando sólo se hinca la varilla interior móvil, lo que da la fuerza necesaria para la hinca del cono, es decir, la resistencia del terreno a la punta del cono. Por diferencia, es posible obtener la resistencia por el fuste, debida a la adherencia y el rozamiento entre el tubo y el terreno. Los resultados de la penetración estática se representan gráficamente de la siguiente manera: se grafica en ordenadas la profundidad y en abscisas la resistencia por la punta (kg /cm 2) o su resistencia total y el roce del tubo de revestimiento (fuste). Los ensayos de penetración estática dan buenas indicaciones sobre la resistencia del terreno, pero tienen la desventaja de que en suelos densos o muy densos, el equipo pueda quedar bloqueado al no poder imprimir una fuerza mayor de penetración, con lo cual es imposible llegar a grandes profundidades.



Penetrómetros dinámicos. La manera más simple de obtener información sobre el grado de compactación in situ (compacidad en suelos granulares; consistencia en suelos finos), consiste en golpear una barra y medir lo que penetra en el terreno en función del número de golpes. En comparación con el penetrómetro estático, la interpretación es más difícil, sin embargo la ejecución del ensayo es más sencilla, por ello este tipo de ensayos están ampliamente ampliamente difundidos. La mayor ventaja del penetrómetro dinámico sobre el estático es que no necesita el lastre o anclaje de reacción de éste último, que muchas veces puede ser de varias toneladas, como consecuencia tenemos que los penetrómetros dinámicos son mucho más manejables baratos y rápidos. Existen varios tipos de penetrómetros dinámicos, por ejemplo el tipo DIN 4094, el penetrómetro penetrómetro estándar ASTM D-1 5 8 6, penetrómetros manuales, etc. 45



Penetrómetros manuales. Este tipo de penetrómetros se hinca en el terreno mediante golpes dados generalmente con un mazo de madera. Como es usual al resto de los penetrómetros, es posible registrar el número de golpes y las profundidades de penetración. También se pueden obtener pequeñas muestras del terreno mediante una ranura longitudinal y los huecos superiores que comúnmente poseen.



Penetrómetro DIN - 4094.  Existen dos tipos: ligero y pesado. El penetrómetro ligero puede emplearse en suelos no muy compactos hasta profundidades de unos 8 metros. Para profundidades mayores mayores y suelos más rígidos se utiliza el penetrómetro pesado. Las características de estos equipos se indican en la tabla siguiente: Peso del Mazo

Altura de caída

(kg)

(cm)

Ligero

10

50

Pesado

50

50

Penetrómetro

Varillas

Largo de varillas (m)

Tubo 22 x 4.5 Varilla de sondaje

1.0 1.0 - 2.0

Características de penetrómetros según DIN - 4094. Fuente: Schulze W. y Simmer K., 1970.

Ensayo de penetración normal (SPT), según norma ASTM D-1586- 64T. Este método es ampliamente conocido y relativamente simple. Consiste en contar el número de golpes que se requieren para hincar 30 cm. una cuchara saca muestras en el terreno, con un peso determinado y una altura de caída fija. El muestreador usado, comúnmente llamado cuchara normal, es de 2”  de diámetro y se hinca en el fondo del pozo mediante la acción de golpes de un martinete que pesa 65 kg., el que cae desde una altura de 75cm. Para efectuar el ensayo es preciso avanzar con un sondeo normal. Al llegar al punto que se desea ensayar se introduce la cuchara de 2” hasta el fondo. En esta perforación previa se debe retirar todo el material perturbado o suelto (si el suelo es cohesivo generalmente las paredes mantienen su posición, pero si se trata de suelos de paredes inestables se suele entubar con revestimiento metálico o lodos tixotrópicos). Una vez introducida la cuchara en el fondo de la perforación haciéndola penetrar unos 15 cm. mediante golpes a las cabezas de las varillas, se inicia entonces el ensayo de penetración, contando el número de golpes (N) necesarios para hacer penetrar la cuchara 30 cm. No debe contarse el número de golpes necesarios para introducirla los primeros 15 cm. ya que se supone que el terreno se puede encontrar alterado en el fondo del sondeo.

46

Se cuentan sin embargo los golpes necesarios para introducirla los 30 cm. Siguientes y este será el número de penetración estándar( N) Un criterio de rechazo a la penetración, es cuando el avance es menor a 1” por cada 50 golpes. Terminado el ensayo, se gira la cuchara y se extrae la muestra, se desarma el muestreador retirando la camisa interior que posee dicha muestra. La información que entrega este ensayo es muy valiosa pero su interpretación y análisis requiere de extremada prudencia, fundamentalmente por las limitaciones que se presentan en la ejecución del ensayo y factores atribuibles a las características del terreno mismo, por ejemplo, valores de N distintos para un mismo estrato debido a que los suelos no siempre se encuentran uniformemente distribuidos, siendo la causa de esta variación, la presencia de partículas gravosas, rellenos u otros materiales similares. El SPT entrega una buena referencia acerca de la compacidad de los suelos arenosos, sin embargo, en estratos de grava la cuchara no puede hincarse, pues la afilada punta de la cuchara se dobla. En suelos arcillosos los resultados no son muy confiables, existiendo circunstancias conocidas que justifican la falta de garantía de los resultados obtenidos. Primero, la arcilla exhibe cierta viscosidad o resistencia a la deformación rápida, lo cual influye en el ensayo, sin que tenga correspondencia en la resistencia del terreno a cargas permanentes. Segundo, se ha podido comprobar que una gran parte de la resistencia a la penetración de la cuchara en arcillas, se debe a la adherencia a la superficie lateral, pero ésta tratándose de un fenómeno tan rápido, queda influido por la sensibilidad de la arcilla, su tixotropía y en general, por la capacidad de este suelo a adherirse casi instantáneamente a una superficie metálica.

Toma de muestras. La muestra se retira de la camisa que la contiene y se coloca en envases o recipientes especiales, sellándola con parafina sólida. Se rotula para su identificación y se envía al laboratorio para los ensayos pertinentes. Esta muestra debe considerarse como remoldeada, ya que el espesor de las paredes del tubo es muy grande con relación a su diámetro interior. En cada ensayo que se ejecute se deben anotar los datos relativos al sondaje mismo, como por ejemplo fecha, número del sondeo, método de perforación, sistema de recubrimiento del pozo, profundidad, nivel freático, límites o cotas de los estratos, identificación de los suelos, registro del índice de penetración y tiempo de duración del ensayo. 47

Interpretación del SPT. En las tablas se entregan diversas relaciones entre el N y la densidad relativa para las arenas o la consistencia para las arcillas.

N (para hundir 30 cm) 0-4

Densidad relativa

4-10

Suelta

10-30

Medianamente densa

30-50

Densa

>50

Muy densa

N (para hundir 30 cm)

Consistencia

2

Muy blanda

2-4

Blanda

4-8

Media

8-15

Rigida

15-30

Muy rigida

>30

Dura

Muy suelta

Compacidad

N(SPT)

Ø

Muy suelta

<4

<30

Suelta

4-10

30-35

Compacta

10-30

35-40

Densa

30-50

40-45

Muy densa

>50

>45

En la tabla se indican las conclusiones obtenidas por Meyerhof sobre la densidad y el ángulo de fricción interna de las arenas. Los valores más bajos mencionados en la tabla anterior, corresponden a arenas uniformes, en cambio los valores altos a arenas bien graduadas. Cuando las arenas sean algo arcillosas, el valor inferior debe reducirse en un mínimo de 5º y cuando se trate de arenas mezcladas con gravas, el límite superior puede incrementarse en 5º. Finalmente, Meyerhof relacionó la resistencia por punta del cono dinámico (holandés) y el número de golpes (N) del SPT, mediante la siguiente expresión: Rp = n x N Donde: Rp = resistencia por punta (Kg. / cm2) 48

N = índice de penetración estándar SPT n = valor de tabla según el tipo de suelo

n

Tipo de suelo

2.5

Limo arenoso

3.6

Arena y arena con gravas

4.0

Arena fina y arena limosa

4.8

Arena fina a media

8-18

Arena y grava

12-16

Grava arenosa

Nota: Todas las muestras extraídas de pozos de sondeo deben marcarse con: Nombre de la obra, lugar, fecha del muestreo, número del pozo, número de la muestra, profundidad de la muestra extraída, tipo de muestra (alterada ó inalterada), marcar lado superior e inferior de la muestra, las muestras deben protegerse contra los rayos del sol y el calor.

3.6

Recomendaciones para exploración de suelos. ESTRUCTURA (PROYECTO)

ESPACIAMIENTO (m)

Urbanizaciones con casas hasta 2 pisos

40 – 70

Fabricas de un piso (luces hasta 6 metros)

30 – 60

Edificios para varios pisos

20 – 50

Carreteras y aeropistas

250 – 500

Presas

20 – 60

Puentes

20 – 25

Canteras

50 – 100

Canales

500 – 1000

Vías urbanas

50 - 100

Edificios ESTRUCTURA (PROYECTO)

NUMERO DE PISOS 1

2

3

4

5

30 METROS

3.5 m.

6.0 m

10.0 m

16..0 m

24.0 m.

60 METROS

4.0 m.

3.5 m

12.5 m.

21.0 m.

33.0 m.

120 METROS

4.0 m.

3.5 m

13.5 m.

25.0 m.

41.0 m.

49

a. Usando reglas establecidas por la American Societe of Civil Engineers (1972).

Dp: Profundidad de perforación o excavación en metros. S: Número de Pisos.

b. Según el reglamento Nacional de Edificaciones (RNE) Para cimentaciones superficiales sin sótano:  D p



 D1  Z  Consideran do

que  Z   1.5 B

Para cimentaciones con sótano  D p



 H    D1  Z  Consideran do

que  Z   1.5 B

Donde: Dp: Profundidad de perforación o excavación en metros D1: Distancia Vertical de desplante de la zapata o fondo de cimentación. B: Es el ancho de la zapata más grande. H: Es la distancia vertical entre el nivel del piso terminado del sótano y la superficie del terreno natural.

3.7.

Metodología para la exploración del sub suelo La metodología usada es de tipo exploratorio y descriptivo. Se inicia con trabajos de exploración de campo, luego el muestreo, seguido del análisis de laboratorio, para finalmente a la luz de los resultados ver la factibilidad del proyecto

1.

Recolección de Información Bibliográfica. En esta fase se recopilará y analizará toda la información existente de la zona involucrada en el estudio, como cartografía, Topografía de la zona en estudio e información estadística de la ocurrencia de fenómenos naturales que han generado situaciones de desastre, a fin de disponer de un panorama total del ambiente donde se desarrollara el proyecto. 

Tener una idea general del tipo de Estructuras de uso general.



Tener una idea general de la topografía y del tipo de suelo que se encontrara cerca y alrededor del lugar de estudio, se obtiene las siguientes fuentes:

50

Mapas de levantamientos geológicos  – INGEMMET Carta Nacional Reportes de los suelos estudiados Información Hidrometereológica Reglamento nacional de Edificaciones Norma E050 Manuales de Suelos, entre otros. La Información obtenida así es sumamente útil en la planeación de una investigación. En algunos casos se logran ahorros considerables si se detectan de antemano problemas que pueden luego encontrarse en el Programa de Exploración.

2.

Reconocimiento de campo El Ingeniero debe siempre hacer una inspección visual del lugar de estudio para obtener información sobre: 

La topografía general del lugar, la posible existencia de canales de drenaje, botaderos de basura y otros materiales. Además la evidencia del flujo plástico en taludes y grietas profundas y ampliar a intervalos regularmente espaciados puede ser indicativo de suelos expansivos.



Estratificación del suelo en cortes profundos, como los que se realizan para la construcción de las vías.



Tipo de vegetación en el sitio que indique la naturaleza del suelo.



Huellas de niveles altos del agua en edificios y en estribos de puentes.



Niveles de agua freática, que son determinados por observación de pozos cercanos.



Tipos de construcciones vecinas y existencia de grietas en muros o viviendas.



Evidencia de erosión en las riberas de los ríos o torrenteras.



La evidencia de inundaciones fluviales o pluviales.

La Naturaleza de la estratificación y propiedades físicas de suelos vecinos, también se obtienen de reportes disponibles de la exploración del sub suelo para estructuras existentes.

3.

Investigación del sitio La fase de investigación del sitio del programa de exploración consiste en la planeación, efectuar sondeos de prueba y recolectar muestras del suelo a los

51

intervalos deseados para sub secuentes observaciones y pruebas de laboratorio. La Profundidad mínima aproximada requerida de los sondeos debe ser predeterminada. La Profundidad puede ser cambiada durante la operación

de barrenado o de

excavación a suelo abierto, dependiendo del sub suelo encontrado. Para determinar la profundidad mínima aproximada se debe tener en cuenta las reglas establecidas 3.1.

Determinar el espaciamiento de las calicatas utilizando las tablas estadísticas, se cuadricula el área de estudio en hectáreas y de acuerdo a las necesidades de obtener la información se determina áreas para la exploración

3.2.

Determinar la profundidad de la excavación y/o perforación mediante la distribución de tensiones en el sub suelo.

3.3.

Análisis de los resultados de los Ensayos de laboratorio

El proceso de Identificar las capas o estratos de depósitos que subyacen bajo una estructura y sus características físicas que se denomina exploración del subsuelo. Su Propósito es obtener información que ayude al ingeniero en: 1.

Seleccionar el tipo y profundidad de la cimentación adecuada para una estructura dada.

2.

Evaluar la capacidad de carga de la Cimentación.

3.

Estimar el asentamiento probable de una estructura.

4.

Detectar problemas potenciales de la cimentación (por ejm: suelo expansivo, suelo colapsable, relleno sanitario, antiguo cementerio, etc.)

5.

Determinar la Localización del nivel freático.

6.

Predecir el empuje Lateral de la tierra en estructuras como Muros de Retensión, tabla estacados.

7.

Establecer métodos de construcción para condiciones ambientales del suelo.

3.4.

Propiedades Geotécnicas del suelo

Estas propiedades pueden ser determinadas mediante apropiadas pruebas de Laboratorio. Recientemente se ha puesto énfasis en la determinación in-situ de las propiedades de resistencia y deformación del suelo. Debido a que así se evita la

52

perturbación de las muestras durante la exploración de campo. Así mismo el Ingeniero debe ser consiente de que los depósitos del suelo natural sobre los cuales las cimentaciones se construyen, no son homogéneas en la mayoría de los casos. El Ingeniero debe entonces tener un conocimiento pleno de la geología de la zona. Es decir, del origen y naturaleza de la estratificación del suelo, así como las condiciones del agua del sub suelo.

53

IV.

GRANULOMETRIA DE LOS SUELOS

4.1 Generalidades El ingeniero interesado en suelos deberá estar suficientemente enterado de los métodos y criterios basados en la distribución granulométrica. La finalidad es obtener la distribución por tamaño de las partículas presentes en una muestra de suelo.

Así es posible también su clasificación mediante sistemas como

 AASHTO o SUCS. El ensayo es importante, ya que gran parte de los criterios de aceptación de suelos para ser utilizados en bases o sub -bases de carreteras, presas de tierra o diques, drenajes, etc., depende de este análisis. Para obtener la distribución de tamaños, se emplean tamices normalizados y numerados, dispuestos en orden decreciente. 4.2

Definición Es el estudio y determinación de los diferentes tamaños de las partículas de los suelos, la granulometría ofrece criterios que permiten encasillar a un suelo en sistemas de clasificación ampliamente difundidos con la posibilidad de poder utilizar experiencias de otras investigaciones.

4.3

Clasificación de internacionales.

los

suelos

según

4.4

Análisis mecánico y gradación de suelos

investigaciones

de

las

instituciones

Comprende todos los métodos para la separación de un suelo seco en diferentes tamaños o fracciones. El de tamizado para las partículas grueso  –  granulares (gravas, arenas) y el de

54

sedimentación para la fracción fina del suelo (limos, arcillas, granos < a 0.075 mm), pues no son discriminables por tamizado.

a.

Análisis Granulométrico por Tamizado en Seco. Referencia ASTM D421-58 y D42263. AASHTO T87-70 y AASHTO T88-70 Viene hacer la actividad de hacer pasar la muestra de suelo seco mediante un juego de tamices que se disponen en forma descendente de acuerdo a la abertura de su diámetro en mm. Hasta el tamiz # 200 (0.075 mm.)

L a d i

s t r  i

La distribución granulométrica de los suelos, suele ser representada en una “gráfica granulométrica”, dibujando con porcentajes en peso como ordenadas y tamaños de

partículas como abscisas. La representación en escala semilogaritmica (eje de las abscisas en escala logarítmica y a escala natural las ordenadas), un suelo constituido por partículas de un solo tamaño estará representado por una línea vertical, una curva muy tendida indica gran variedad en tamaños (suelo muy heterogéneo), suelo bien graduado Como una medida simple de la uniformidad de un suelo, se utiliza el coeficiente de uniformidad (Cu). El mismo que indica la variación del tamaño de las partículas presentes en la muestra de ensayo. Así mismo se puede indicar que sí este valor es muy grande quiere decir que entre los diámetros D 60 y D10  difieren en tamaño apreciablemente. No podemos estar seguros que no exista un vacío de gradación. Como medida de la gradación, se utiliza el coeficiente de curvatura (Cc). El mismo que indica la forma de la curva entre D 60 y D10. 55

Representación gráfica de los tamaños de granos de una muestra.

1. Coeficient e de uniformidad  : C u



 D60



 D10

3  Heterogéneo,  3 muy uniforme,  15 muy heterogéneo.

 Donde : D60 : Significa tal  tamaño de  grano, que el  60% en  peso  pasa.  D10 : Significa tal  tamaño de  gran o, que el 10% en  peso  pasa. 2. Coeficient e deg radación : C c



 D 

2

30

 D60 D10

Sí  : 1  C c N

; 

3  Será un  suelo bien  graduadocompuesto  por  todo

tamaño de  part ´culas.

Nota:  Los coeficientes de uniformidad y curvatura serán determinados, si se cumple

que el 12 % o menos pasa por la malla Nº 200. Problema Nº 1: Se tiene los siguientes datos del ensayo de granulometría por tamizado en

seco. Determinar el Cu y Cc, así mismo graficar la curva granulométrica

56

Peso muestra seca antes del lavado (Ws) en gr.

500

Peso tarro en gr.

421.2

Peso muestra seco después de lavar en gr

472.5

Malla Nº

Diámetro (mm)

Peso Ret. (gr)

% Retenido

4

4.750

9.80

1.96

1.96

98.04

10

2.000

39.50

7.90

9.86

90.14

20

0.840

72.60

14.52

24.38

75.62

40

0.425

128.50

25.70

50.08

49.92

60

0.250

108.50

21.70

71.78

28.22

100

0.150

103.00

20.60

92.38

7.62

200

0.075

8.40

1.68

94.06

5.94

1.50

5.94

100.00

0.00

471.80

100.00

Cazoleta

1.

Nota: La muestra es lavada en la malla Nº 200 (0.075 mm), el trabajo se debe realizar con prudencia con la finalidad de no deteriorar el tamiz.

% % Que pasa Acumulado

:−  100<2;      . ::         :  −  100 472.472.5471.5 8 0.15%<2 → á   :   6   6 0.73<1  

Se determina el porcentaje de error (ε)

á

é

=3.64 > 3 ok

Problema Nº 2: Se tiene los siguientes datos del ensayo de granulometría por tamizado en

seco. Determinar el Cu y Cc, así mismo graficar la curva granulométrica

57

Malla Nº

Abertura en (mm)

Pesos ret. (gr)

% ret.

% ret. Acumulado

% que pasa

11/2"

38.1

0.00

0.00

0.00

100.00

1"

25.4

1818.10

12.00

12.00

88.00

3/4"

19.05

1212.10

8.00

20.00

81.00

3/8"

9.525 4.75

3030.20

20.00

40.00

60.00

2272.70

15.00

55.00

45.00

6818.10

45.00

100.00

0.00

Nº4 Cazoleta

Para el análisis del material fino (arena) se tomo sólo 200 gramos. 10

2.000

31.50

7.00

62.00

38.00

20

0.841

27.50

6.00

68.00

32.00

40

0.420

29.10

7.00

75.00

25.00

60

0.250

22.00

5.00

80.00

20.00

100

0.149

24.10

5.00

85.00

15.00

200

0.075

20.80

5.00

90.00

10.00

45.00

10.00

100.00

0.00

Cazoleta

C u



 D

60

9.525 

 D

 D 

2



30

 D  D 10

3



0.075

10

C c

 127 

60

0.721

ok 

2





0.73

1

9.525  x 0.075

Conclusión :  El   suelo es mal  graduad  b.

Análisis granulométrico por sedimentación (método del Hidrómetro); referencia ASTM D421-58 y D422-63. AASHTO T87-70 y T-88-70. El análisis del Hidrómetro es un método utilizado para obtener una aproximación de la distribución granulométrica de los suelos cuyas partículas sean de tamaño inferior a 0.075 mm (malla Nº 200), hasta alrededor de 0.001 mm. Los resultados se presentan en un gráfico semilogarítmico, dibujando con porcentajes en peso como ordenadas y tamaños de partículas como abscisas, estos resultados pueden combinarse con los de la gradación mayor a 0.075mm, con lo cual se denominará granulometría cerrada. El método del hidrómetro permite obtener el porcentaje de arcilla (% más fino que 2 micras).

Ley de Stokes (G. G. Stokes - 1850): El análisis del Hidrómetro utiliza la relación entre la velocidad de caída de esferas en el medio continuo (agua), el diámetro de la

58

esfera, el peso específico tanto de la esfera como del medio continuo, y la viscosidad del fluido. v

2    s    0   D 

2

  .................................................................................(b.1)   2  

9 

 Donde : v : Velocidad  de caída de la esfera    s

:  Peso específico de la esfera

  0

:  Peso específico del   fluido agua 

  : Vis cos idad 

dinas  x  s 2

;o

absoluta , o dinámica del   fluido agua , en  gr 

 x  s

cm cm  D :  Diámetro de la esfera

Resolviendo la ecuación (b.1) para D utilizando el peso específico del agua, se obtiene:  D

18 v 

   s



cm.......... .......... .......... .......... .......... ........( b.2)

   

El rango de variación de los diámetros D para los cuales es valida esta ecuación es: 0.0002 mm   D  0.2 mm

Para resolver la ecuación (b.2) es necesario obtener el término velocidad v, conocer los valores de:      s y     ,

Como el peso específico del agua y su viscosidad varían con la temperatura, por lo cual esta variable debe ser considerada.

Fundamento teórico: Para obtener la velocidad de las partículas se utiliza el hidrómetro.

59

Se mezcla una cantidad de suelo con agua y un pequeño contenido de un agente dispersante para formar una solución de 1000 cm 3. Se obtiene una solución con un peso específico ligeramente mayor que 1.000 (teniendo en cuenta que el peso específico del agua destilada es 1.000 a 4ºC). El agente dispersante o llamado defloculante, se añade a la solución para neutralizar las cargas sobre las partículas más pequeñas de suelo, que por lo general tienen carga negativa. Con orientación adecuada, estos granos cargados eléctricamente se atraen entre si con fuerza suficiente para permanecer unidos, creando así unidades mayores que funcionan como partículas mayores. Estas sedimentan más rápidamente a través del fluido que las partículas aisladas. El agente dispersante utilizado es el metafosfato de sodio (NaPO 3), y el silicato de sodio (Na3SiO3), los cuales neutralizan la carga eléctrica de las partículas de suelo. La cantidad utilizada es de 125 cm 3 de solución al 4% de metafosfato de sodio en 1000 cm3 de suspensión, la cual puede variar si la solución permanece turbia después de 2 o 3 horas. Se debe determinar el PH de la solución antes de utilizar algún agente dispersivo. Puesto que el metafosfato de sodio produce una solución acida (toma azul los papeles utilizados para determinar acidez) y por consiguiente se podría esperar una mejor eficacia como agente dispersivo en suelos alcalinos. El silicato de sodio, produce una solución alcalina (toma rosada al papel utilizado para medir acidez) y debería ser más eficiente en suelos ácidos o suelos cuyo PH es menor de 7. El hidrómetro más usado es el tipo 152H (según norma ASTM) y esta calibrado para leer la aceleración de la gravedad de un suelo de S s  = 2.65 en 1000 cm 3 de suspensión siempre que no haya más de 60 g de suelo en la solución. La lectura por consiguiente esta directamente relacionada con el peso específico relativo de la solución. El hidrómetro determina la gravedad específica de la suspensión agua-suelo en el centro del bulbo (fg. Nº 1). Todas las partículas de mayor tamaño que aquellas que se encuentren aún en suspensión en la zona mostrada como L (la distancia entre el centro de volumen del bulbo y la superficie del agua) habrán caído por debajo de la profundidad del centro del volumen, y esto hace decrecer permanentemente la gravedad específica de la suspensión en el centro del volumen del hidrómetro.  Además es obvio pensar que el hidrómetro tiene un peso constante a medida que 60

disminuye la gravedad específica de la suspensión, el hidrómetro se hundirá más dentro de la suspensión (aumentando así la distancia L). Es necesario recordar que la densidad del agua decrece a medida que la temperatura aumenta (o diminuye) de 4ºC. Esto ocasiona adicionalmente un hundimiento mayor del hidrómetro dentro de la suspensión. Como la profundidad “L”  representa la distancia de caída de las partículas en un intervalo de tiempo dado t, entonces la velocidad se define como: v

 L 

t 

que  se utilizará en la ecuación de Stokes

Par determinar L, es necesario medir la distancia L 2 y varios valores de la distancia variable L1 (representadas en la fg Nº 1) utilizando una escala. Usando un cilindro de sedimentación graduado de sección transversal A conocida, sumergir dentro de él el bulbo del hidrómetro y determinar el cambio en la medición del cilindro. Esto permitirá determinar el volumen del bulbo del hidrómetro V b. A continuación se puede calcular la longitud L en cm si L 1 y L2 están en cm. y Vb en cm3, en la siguiente ecuación:

 L

V    1     L1   L2  b ........................................................................(b.3) 2    A  

El término (-Vb/A), toma en cuenta que la suspensión de suelo-agua se eleva una cantidad (Vb/A) cuando el hidrómetro es colocado en el cilindro de sedimentación, entonces así el centro de volumen se desplaza hacia arriba 1/2 (V b/A) de la ecuación (b.3). Al dibujar una curva de las lecturas del hidrómetro (las cuales se relacionan con los valores correspondientes de L 1) contra L, se obtiene el valor de L para cualquier lectura del hidrómetro R. Como esta curva es lineal, sólo se necesitan 3 puntos para establecer la curva R contra L. como el hidrómetro 152H tiene dimensiones razonablemente dentro de los patrones, los valores de L pueden obtenerse una sola vez con proyección adecuada para la mayoría de los trabajos posteriores de (MS), tal como se muestra en la tabla Nº 01.

61

La lectura del hidrómetro únicamente por el error del menisco para ser utilizada en la ecuación (b.3) (en una suspensión turbia, es necesario leer en la parte superior del menisco). La velocidad de caída consiste en que la lectura real de la distancia L que las partículas han recorrido es independiente de la T, gravedad específica de la solución o cualquier otro tipo de variable. Si conocemos el diámetro de la partícula y el % de suelo que aún permanece en suspensión, el cual en este caso sería el % de material más fino. Se tendría suficiente información para dibujar la curva granulométrica. Corrección por temperatura para utilizar en la suspensión agua-suelo. Como corrección de cero es (±) y corrección de temperatura es también (±), con el signo que se indique en la tabla Nº 02, la lectura corregida del hidrómetro para granos de suelo en suspensión se calcula como:  Rc



 Rral   corrección cero  C T .......... .......... .......... .......... .......... .......... (b.4)

Una vez  corregida la lectura del  hidrómetro, el  % de material  más  fino  puede calcularse ( si consideram os queno var ía el  S  s % material  más  fino



 Rc W  s



2.65) como :

 x100.......... .......... .......... .......... .......... .........( b.5)

 Donde :  Rc :  granos de  suelo en  suspensión en un tiempo t  dado W  s :  peso original  de  suelo colocado en  suspensión Sí  S  s no es igual  a 2.65, es  posible calcular  una cons tan te a  para utilizar  en la ecuación (b.5) a S  s S  s





1

1 2.65





S  s 1.65

S  s  12.65

.......... .......... .......... .....( b.6)

2.65  1

 El  % más  fino cuando S  s

 El  % más  fino



E n   D

a

30 

 Rc a W  s



2.65  se calcula :

 x100.......... .......... .......... .......... .......... .......... .....( b.7)

 L

980S  s  S   t 

l  L   K  ..........................................................................................(b.8)  D a t   K    f  T , S  s , u   se muestra en la tabla  N º4 62

V.

PLASTICIDAD EN SUELOS

5.1. Generalidades En los suelos cohesivos (arcillas, limos, margas, arcillas arenosas, limos arenosos) debe averiguarse el comportamiento por la plasticidad . La plasticidad en los suelos cohesivos no es una propiedad permanente, sino circunstancial y dependiente de su contenido de humedad (agua). Por ejemplo una arcilla bastante seca, puede tener la consistencia de un ladrillo con plasticidad nula, y esa misma, con gran contenido de agua puede presentar las propiedades de un lodo semilíquido. Entre ambos extremos, existe un intervalo del contenido de agua en que la arcilla se comporta plásticamente.

5.2. Definición Es la propiedad de un material (suelo) por el cual es capaz de soportar deformaciones rápidas sin rebote elástico, sin variación volumétrica apreciable, sin deformarse ni agrietarse.

5.3. Estados de consistencia Según su contenido de agua en orden decreciente, un suelo es susceptible de ser plástico y puede estar en cualquiera de los siguientes estados de consistencia, definidos por Atterberg. 

Estado Líquido.- Cuando el suelo tiene las propiedades y apariencia de una Suspensión.



Estado Semi líquido.- Cuando el suelo tiene las propiedades y apariencia de un líquido viscoso.



Estado Plástico.- Cuando el suelo está sujeto a deformaciones.



Estado Semi Sólido.- Cuando el suelo se encuentra en proceso de endurecimiento difícil de trabajarse, disminuye su volumen al estar sujeto al secado.



Estado Sólido.- Cuando el suelo no cambia su volumen al irse secando.

5.4. Limites de consistencia o límites de Atterberg. Los límites de consistencia fueron propuestos el científico sueco A. Atterbeg, nosotros podemos considerar que los LL y LP han sido y son ampliamente utilizados a nivel mundial, 63

principalmente para la identificación y clasificación de los suelos, ambos también son útiles para predecir la máxima densidad seca o el optimo contenido de humedad en los problemas de compactación. El LC, es importante en las zonas donde el suelo sufre grandes cambios de volumen. Los límites de adhesión y cohesión no tienen relevancia en el campo de la ingeniería civil. 

Límite Líquido (LL): Es el contenido de agua de un suelo arcilloso con el cual empieza a fluir si se agita ligeramente varias veces. También podemos decir que es el contenido de agua por debajo del cual el suelo tiene un comportamiento plástico.



Límite Plástico (LP): Es el contenido de agua con el cual el suelo puede moldearse en cilindros o rollitos de 3 mm de diámetro sin que se rompan o desmoronen. O también se puede expresar como el contenido de agua por debajo del cual se puede considerar al suelo como no plástico.



Límite de adhesión: Es el contenido de agua con que la arcilla comienza a pegarse a las superficies metálicas tales como, cuchillas del arado y espátulas de trabajo en los laboratorios.



Límite de Cohesión: Es el contenido de agua con que los grumos de arcilla son capaces de pegarse unas con otras.



Límite de Contracción (LC).- Frontera entre los estados de consistencia semí sólido y sólido definido con el contenido de humedad (agua) con el que el suelo ya no disminuye su volumen al seguirse secando.

5.4.1

Determinación del limite líquido (LL). Hoy en día se emplea el equipo ideado por A. Casagrande es un equipo mundialmente usado, compuesto por una copa o cápsula de latón, articulada por un extremo, que sube y baja por la acción de hacer girar una manivela, la altura de caída de la copa se ajusta para que sea exactamente 1 centímetro, la copa se golpea sobre una base de caucho duro. Adicionalmente se debe contar con la presencia de dos ranuradores, uno tipo ASTM generalmente utilizado para suelos poco plásticos y otro tipo Casagrande, los cuales sirven para hacer ranuras en la muestra que se colocará sobre la copa. El material (suelo) que se utiliza para la prueba debe pasar la malla N° 40 (0.420 mm), antes de la prueba, el suelo se amasa y se deposita en la copa, se hace una ranura en el centro de la muestra de suelo, Luego entonces se gira la manivela y se cuenta el numero de golpes que la copa cae sobre la base de caucho, hasta 64

que la ranura se cierre en unos 12 mm de longitud. Se toma un poco de suelo de alrededor de la ranura y se determina su contenido de humedad. Se repite la operación tres a cuatro veces añadiendo agua o amasando con la finalidad que se deshidrate la muestra, no agregar suelo seco, hasta que se hagan dos mediciones de la humedad para consistencias correspondientes a menos de 25 golpes, y otras dos mediciones para un numero mayor. Los resultados se grafican tomando en abscisas el numero de golpes (NG) en escala logarítmica, y como ordenadas el contenido de humedad correspondiente, se obtienen puntos que definen una línea que generalmente es una recta. La intersección de esta línea con la vertical correspondiente a 25 golpes da el contenido de humedad al que se denomina Límite líquido (LL).

Problema N° 1: Determinar el Límite líquido de un suelo si contamos con los siguientes resultados de laboratorio. Determinación del Límite liquido

Ítem 1 2 3 4 5 6

N° de tarro (gr) W tarro + Ws.h. (gr) W tarro + Ws.s. (gr) Wagua (gr) Wtarro w% N° de golpes

1 41 36.65 4.35 15.17 20.25 36

2 37.08 33.07 4.01 15.47 22.78 20

3 39.88 35.02 4.86 15.58 25.00 17

Procedimiento de cálculo:

65

1.

Del laboratorio se obtiene los pesos del suelo húmedo (W sh), peso del suelo seco (W ss), peso del tarro (W tarro) y número de golpes (NG) en el ensayo del Límite líquido.

2.

En gabinete se determina los pesos: del agua (W w) y porcentaje de humedad (w%).

3.

Se procede a graficar en un sistema de coordenadas, el contenido de humedad en el eje de ordenadas en escala natural, el NG en el eje de abscisas en escala logarítmica. Se obtienen puntos de coordenadas (NG, w%) deben generar una línea recta. El Límite líquido quedará determinado por el punto de intersección de esta línea, con la perpendicular al eje de las abscisas en el valor correspondiente a 25 golpes.

5.4.2

Determinación del limite Plástico (LP) El límite plástico se determina moldeando un poco de suelo plástico (20 gr aproximadamente), haciendo rodar con la mano sobre una placa de vidrio en cilindros o rollitos de 3 mm (velocidad de 80 a 90 movimientos por minuto), dichos cilindros de suelo que se forman y doblan rodando de nuevo; se pierde con ello cierta humedad. Esta operación debe repetirse hasta que los cilindros no puedan rodarse sin antes desmoronarse, en este momento el diámetro debe ser aproximadamente de 3 mm. Entonces se determina el contenido de humedad pesando los cilindros de suelo, secándolos en un horno y volviéndolos a pesar. Se admite que este contenido de agua representa el Límite Plástico (LP) del suelo ensayado.

66

Problema N° 1: Determinar el Límite plástico de un suelo si contamos con los siguientes resultados de laboratorio. Determinación del Límite plástico

N° de tarro W tarro + Ws.h. W tarro + Ws.s. Wagua Wtarro Ws.s. W% LP % 5.4.3

1 26.82 25.21 1.61 15.23 9.98 16.13

2 26.12 24.73 1.39 15.23 9.5 14.63

3 26.54 25.08 1.46 15.22 9.86 14.81

15.19

Determinación del Índice plástico (IP).

El índice plástico queda determinado por la diferencia entre el Límite líquido y el Límite plástico: IP = LL – LP………………………………………………………(5.1) 5.4.4

Ecuación de la curva de fluidez O índice de fluencia (IF) Es la pendiente de la línea que queda definida al unir los puntos de

IF  ∆∆  logN logN

coordenadas w% vs NG, y queda definida mediante la siguiente ecuación:

67

LLl o g Donde:

C: Constante que representa la ordenada de la abcisa de 1 golpe W: Contenido de humedad, como porcentaje del peso seco IF: índice de fluidez pendiente de la curva de fluidez, igual a la variación del contenido de agua correspondiente a un ciclo de la escala logarítmica.

NG: número de golpes en la copa de Casagrande 5.4.5

Índice de tenacidad (IT) La tenacidad queda definida por el valor del esfuerzo cortante capas de resistir el suelo en el límite plástico  I T 

5.4.6

 IP  

 IF 

Índice de consistencia (Kw)  A partir de los valores de los límites, líquido y plástico. Así como de su contenido de humedad natural se puede determinar el grado de consistencia, e indica la consistencia del suelo en estado natural. Este valor es de gran importancia para las arcillas en el mismo orden que la densidad relativa en suelos arenosos.

 K  



 LL   nat .  LL  LP 

 x100

Donde: LL: Límite líquido wn: Contenido de humedad natural LP: Límite plástico Sí el contenido de humedad en estado natural es igual al límite plástico, entonces el Índice de consistencia será igual al 100%. Las arcillas pueden presentar la siguiente variación de su consistencia:

Kw < 0 Consistencia líquida 0 < Kw < 0.50 Consistencia viscosa 0.5 < Kw < 0.75 Consistencia suave 68

0.75 < Kw < 1 Consistencia plástica (semirígida) Kw > 1 Consistencia media dura, dura sólida.

5.4.7

  

Índice de fluidez o índice de liquidez (IL)

Cuando: w = LP. Entonces IL = 0% Cuando: w = LL. Entonces IL = 100% 5.4.8

Relación entre el límite líquido (LL) e índice plástico (IP). Como base para la clasificación de suelos cohesivos se utiliza un diagrama que muestra la relación en el LL de un suelo en la abscisa y su IP en la ordenada

Donde:

5.4.9

CH:

Arcilla inorgánica de alta plasticidad

CL:

Arcilla inorgánica de baja plasticidad

OH:

Arcilla orgánica de alta plasticidad

OL:

Arcilla orgánica de baja plasticidad

MH:

Limo inorgánico de alta plasticidad

ML:

Limo inorgánico de baja plasticidad

OL:

Limo inorgánico de baja plasticidad

OH:

Limo inorgánico de alta plasticidad

La plasticidad: La plasticidad de un suelo se atribuye a la deformación de la capa de agua adsorbida alrededor de los minerales; desplazándose como sustancia viscosa 69

a lo largo de la superficie mineral, controlada por la atracción iónica. La plasticidad en las arcillas, por su forma aplanada (lentejas) y pequeño tamaño, es alta. La plasticidad del suelo, depende del contenido de arcilla. Skempton (1953), expresó esta relación matemáticamente con la actividad de la arcilla (A), según la ecuación:

   %    Donde:

IP :

Índice Plástico

% de arcilla:

5.4.10

% de arcilla % en peso W S de partículas < a 2μ

La actividad de la montmorilolnita es alta.

A = 7,20

La actividad de la ilita es media.

A = 0,90

La actividad de la caolinita es baja.

A = 0.38

Resistencia al esfuerzo cortante (τ): El límite líquido proporciona una medida de la resistencia al corte que posee un suelo mezclado con agua. Se puede decir que mide la verdadera cohesión potencial de un material y que además depende de la superficie total de sus áreas de contacto, es decir de la finura y forma de sus granos, cuanto más pequeños y más aplanados son los granos de una arcilla, mayor es el área total de contacto entre los granos, por lo tanto mayor será la cantidad de agua necesaria para revestirlos, como consecuencia el Límite líquido será más alto. El límite plástico esta afectado por el contenido orgánico, que eleva su valor sin elevar simultáneamente el LL, en consecuencia los suelos con contenido orgánico tienen bajos índices de plasticidad y límites líquidos relativamente altos.





Resistencia al esfuerzo cortante ( τ), en el límite plástico:

 log  log 25/

Resistencia al esfuerzo cortante ( τ), para cualquier contenido de

humedad:

70

(   log 25)/ 

Resistencia al esfuerzo cortante ( τ), en el límite líquido:

(  log 25)25/

5.4.11 Determinación del límite de contracción (LC)

El Límite de Contracción es medido siguiendo la variación del volumen de una muestra de suelo en función de su humedad, cuando la humedad disminuye el volumen de la muestra permanece constante, luego el límite de contracción, es la humedad a partir de la cual el volumen de la muestra deja de disminuir, cuando el contenido de humedad decrece .

71

VI.

CLASIFICACIÓN DE SUELOS

6.1 Generalidades Resolver un problema de geotecnia supone conocer y determinar las propiedades del suelo; por ejemplo: 

Para determinar la velocidad de circulación de un acuífero, se mide la permeabilidad del suelo, se utiliza la red de flujo y la ley de Darcy.



Para calcular los asentamientos de un edificio, se mide la compresibilidad del suelo, valor que se utiliza en las ecuaciones basadas en la teoría de la consolidación de Terzaghi.



Para calcular la estabilidad de un talud, se mide la resistencia al corte del suelo y este valor se lleva a expresiones de equilibrio estático.

En otros problemas, como pavimentos, no se dispone de expresiones racionales para llegar a soluciones cuantificadas. Por esta razón, se requiere una taxonomía de los suelos, en función de su comportamiento, y eso es lo que se denomina clasificación de suelos, desde la óptica geotécnica.  Agrupar suelos por la semejanza en los comportamientos, correlacionar propiedades con los grupos de un sistema de clasificación, aunque sea un proceso empírico, permite resolver multitud de problemas sencillos. Eso ofrece la caracterización del suelo por la granulometría y la plasticidad. Sin embargo, el ingeniero debe ser precavido al utilizar esta valiosa ayuda, ya que soluciones a problemas de flujos, asentamientos o estabilidad, soportado sólo en la clasificación, puede llevar a resultados desastrosos. Las relaciones de fases constituyen una base esencial de la Mecánica de Suelos. El grado de compacidad relativa de una arena es seguro indicador del comportamiento de ese suelo. La curva granulométrica y los Límites de Atterberg, de gran utilidad, implican la alteración del suelo y los resultados no revelan el comportamiento del suelo in situ. De hecho una de las más importantes funciones de un sistema sería proporcionar la máxima información normativa, a partir de la cual el técnico sepa en que dirección profundizar su investigación.

72

6.2

Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) Está basado en la identificación de los suelos según sus calidades estructurales, la plasticidad y la agrupación con relación a su comportamiento como materiales de construcción. Para la clasificación se toma en cuenta lo siguiente: 

Porcentaje de la fracción que pasa el tamiz N° 200



Forma de la curva de distribución granulométrica



Características de plasticidad y compresibilidad.

Los suelos se separan en tres grupos. 

Suelos de grano grueso



Suelos de grano fino



Suelos altamente orgánicos

Los suelos de grano grueso: Se dividen en gravas (G) y arenas (S),  las gravas contienen un 50% > de la fracción gruesa retenida en el tamiz N° 4 (4.75 mm). Y las arenas son aquellos suelos cuya porción 50% > pasa el tamiz N° 4. Tanto las gravas (G) como las arenas (S) se dividen en cuatro grupos secundarios: GW, SW

: Limpio de finos bien graduado

GP, SP

: Limpio de finos mal graduado

GM, SM

: Con cantidad apreciable de finos no plásticos

GC, SC

: Con cantidad apreciable de finos plásticos.

Los suelos de grano fino: Los limos (M) y las arcillas (C), se dividen a su vez en dos grupos secundarios basados en el hecho de que el suelo tiene un LL relativamente bajo (L = low), o alto (H = high) En la Carta de Plasticidad, estos suelos tienen un límite líquido y un índice plástico que resultan puntos por debajo de la línea “A”.

73

Los suelos altamente orgánicos: Son usualmente muy comprensibles y tienen características inadecuadas para la construcción. Se clasifican dentro del grupo designado por el símbolo Pt: turba, el humus y los suelos de pantanos son ejemplos típicos de este grupo de suelos.

Criterios para la clasificación “SUCS” según resultados obtenidos por medio de ensayos de laboratorio Suelos de grano grueso (más del 50% será retenido por la malla N° 200) 1.

Distinción entre grava y arena (G, S) > 50% retenido por la malla N° 4 (4.75 mm), el suelo será G < 50% retenido por la malla N° 4 (4.75 mm), el suelo será S.

2.

Material que pasa por la malla N° 200 (0.075 mm) < 5% gravas o arenas limpios bien ó mal graduados: GW, GP o SW, SP. > 12% gravas ó arenas con finos GM, GC, ó SM, SC. Entre 5 y 12% simbología doble.

3.

Determinación de la graduación para suelos de grano grueso con pocos finos (menor del 12% que pase la malla N° 200). a.-

C u

Coeficiente de uniformidad. 

 D60  D10



3 el  suelo  será : GW , SW 

 Donde : C u : Coeficient e de uniformidad   D60 : Porcentaje que  pasa la malla correspond iente  D10 : Porcentaje que  pasa lamalla correspond iente b.-

Coeficiente de gradación

  6

: Sí 1< Cc< 3 el suelo será: GW, SW

74

Donde: Cc  es el coeficiente de graduación, D 60  es el porcentaje que pasa la malla correspondiente, D 10  es el diámetro efectivo, D 30  es el porcentaje que pasa la malla correspondiente. Se tiene que cumplir  las dos afirmacion es : Entonces el  suelo  será : GW , SW  C u 1  C c



3



3

Caso contrario o de no cumplirse los dos int ervalos el  suelo  será : GP , SP 

4.

Suelos de grano grueso con finos (GM, GC, ó SM, SC) Se toma en cuenta los límites:

a.- Para GM Y SM (Suelos limosos) Los límites deben encontrarse bajo la línea “A” o el IP debe ser menor de 4

b.- Para GC y SC (mezclas bien graduadas con arcilla): Los límites deben encontrarse sobre la línea “A” o el IP debe ser mayor de 7

Suelos de grano fino: Esta clasificación está basada sólo en los límites de Atterberg para la fracción que pasa la malla Nº40, y se obtiene a partir de la llamada Carta de Plasticidad.

75

Detalle de clasificación en la zona de LL <30 y el IP <10 Donde: CH: Arcilla inorgánica de alta plasticidad CL: Arcilla inorgánica de baja plasticidad OH: Arcilla orgánica de alta plasticidad OL: Arcilla orgánica de baja plasticidad MH: Limo inorgánico de alta plasticidad ML:

Limo inorgánico de baja plasticidad

OL:

Limo inorgánico de baja plasticidad

OH: Limo inorgánico de alta plasticidad

1.

Grupo CL y CH (constituido por arcilla inorgánica). a.- El grupo CL comprende a la zona sobre la línea “A” LL < 50 % y IP > 7 % b.- El grupo CH comprende a la zona arriba de “A” LL < 50 %

2.

Grupo ML y MH (limos inorgánicos). a.- El grupo ML comprende a la zona bajo la línea “A” con IP < 4 % b.- El grupo MH, corresponde a la zona debajo de la línea “A” LL > 50 % Los suelos finos que caen sobre la línea “A” con 4% < I y < 7%, se consideran

como casos de frontera asignándoles el símbolo CL  – ML.

3.

Grupo OL y OH (Suelos orgánicos): Las zonas correspondientes son las mismas que los de los grupos ML y MH. Una pequeña adición de materia orgánica coloidal hace que el LL. De una arcilla crezca sin apreciable cambio de su IP.

76

4.

Grupos Pt: El límite líquido de estos grupos suele estar entre el 300 y 500 %, quedando su posición en la carta de plasticidad netamente debajo de la línea “A”.

6.3 Sistema de Clasificación (AASHTO): American Association of State Highway Officiale), (Asociación Americana de Agencias Oficiales de Carreteras Y Transportes). Se distingue entre 7 grupos básicos: El mejor suelo para sub rasante de carreteras viene clasificado como A - 1, le sigue en calidad el A  – 2, siendo el A  – 7 de peor calidad. Los siete grupos básicos se han dividido en sub grupos con un Índice de Grupo (IG), con el fin de aproximar dentro de las valorizaciones del grupo, los índices de grupo van de cero (0) para la mejor subrasante a 20 para pésimas. Los incrementos de valor de los índices de grupo reflejan una reducción en la capacidad para soportar cargas, por el efecto combinado del LL e IP y disminución en el % de material grueso. El IG se lo obtiene mediante el uso de una formula para índice de grupo basado en la granulometría y los límites (LL e IP) del suelo.

 IG  ( F 200



35)0.2  0.005( LL  40)  0.01( F 200



15)( IP   10)

 F 200 : Porcentaje que  pasa la malla  N º 200 exp resado en entero  positivo. o también :  IG  0.2 a  0.005 a c  0.01b d  a   F 200



35

b   F 200



15

c   LL  40 d    IP   10 Donde: a = Porción de porcentaje que pasa el tamiz N° 200 mayor del 35% expresada como número entero positivo (1  – 40). b = Porción de porcentaje que pasa el tamiz N° 200 mayor del 15% expresada como número entero positivo (1  – 40). c = Porción numérica del límite líquido mayor de 40 y que no exceda de 30 número entero (I a 20) d = Porción numérica del IP mayor de 10 y que no exceda de 30 número entero (I a 20)

77

El índice de grupo se expresa en un paréntesis después del número del grupo por ejemplo.

A – 6 (7). La clasificación de las subrasantes en términos del IG es la siguiente: Excelente................A – I (0)

Buena.................IG de 0 a 1

Regular.................IG de 2 a 4

Mala....................IG de 5 a 9

Muy mala............ IG de 10 a 20 a +

Suelos A – 1.- Son mezcla bien graduadas de gruesos a finos con aglutinantes no plásticos o de plasticidad débil. Estos suelos tienen una gran estabilidad a la carga, sin afectar las condiciones de humedad, se comportan satisfactoriamente como bases de superficie bituminosas de desgaste delgadas. Los suelos clasificados en este grupo son materiales adecuados o que pueden hacerse adecuados para capas granulares de base

Suelos A  – 2.- Están constituidos de material fino y grueso mezclados con aglutinantes, pero son inferiores a los suelos A  – 1 debido a su mala graduación, a su aglutinante inferior o ambas cosas. En la superficie de la carretera pueden presentar una gran estabilidad cuando estén secos, según la cantidad y características del aglutinante, pueden reblandecerse, cuando se humedecen o volverse sueltos y polvorientos durante los periodos de sequía. Si se usan como capas de base, los tipos plásticos pueden perder estabilidad, debido a la saturación por capilaridad o deficiencia de drenaje.

Los suelos A-2-4 y A-2-5, incluyen aquellos materiales granulares que tienen un suelo aglutinante con características de los suelos A-2-6 y A-2-7 incluyen materiales granulares que tienen un suelo aglutinante con características de los suelos de los grupos:

A – 6 y A – 7 .

Suelos A – 3.- Están compuestos por arenas deficientes en aglutinante. Son típicos en este grupo la arena fina de desierto y la arena transportada por el viento (costa peruana) así como las mezclas de depósitos aluviales de arena fina de mala graduación con pequeñas cantidades de arena gruesa, tienen una estabilidad deficiente a la carga de los suelos, excepto cuando están húmedas, las condiciones de humedad las afecta ligeramente; no tienen cambios de volumen y constituyen una sub rasante adecuada para pavimentos de todo tipo, cuando están confinados. Pueden ser compactados por vibración, con rodillo de acero, con rodillos de llantas o cubiertas neumáticas.

78

Suelos A –4.-Están compuestas predominantemente por limos con solo moderados cantidades de arcilla pegajosa coloidal. Se encuentran frecuentemente y proporcionan una superficie firme para la circulación cuando están secos, teniendo un escaso abultamiento después de ser cargados. Cuando absorben agua se abultan, perjudicialmente pierden estabilidad. Varían ampliamente en composición textural desde limosos arenosos, barros limosos y arcillosos, son difíciles de compactar ya que el intervalo de humedad para una compactación satisfactoria, es muy pequeña. Los tipos más prácticos se dilatan con los aumentos del contenido de humedad, especialmente cuando se han compactado a un contenido de humedad inferior al óptimo. Las superficies bituminosas requieren bases sustanciales cuando se colocan sobre sub rasantes de los de este grupo.

Suelos A  –5.-  Son similares a los A  –  4, con excepción de que incluyen suelos de graduación muy mala. Estos suelos se presentan raramente, son suceptibles al abultamiento cuando se retira la carga aunque estén secos. Las propiedades plásticas dificultan la conveniente compactación, las bases de tipo flexible colocadas durante la construcción y no son aceptables como sub rasantes para capas delgadas de capa flexible estabilizada, ni para superficies bituminosas. Están sujetas a la acción de la congelación, se ha observado que los pavimentos colocados sobre sub rasantes de este tipo de suelo se agrietan excesivamente.

Suelos A  –6.- Se componen predominantemente de arcilla con contenidos moderados de materiales gruesos. En los estados de plasticidad blanda o rígida solo absorben agua adicional cuando se les manipula, tienen una buena aptitud portante cuando está compactado a la densidad máxima, pero bajan su capacidad portante cuando absorben humedad, presentan índices de plasticidad altos, por encima de 18 de esos suelos indican una naturaleza cohesiva del material aglutinante (arcilla) y solamente serán adecuados para rellenos y sub rasantes cuando se colocan y mantienen bajo contenido de humedad. Mientras, que el flujo de agua por gravitación es muy pequeño, la acción capilar que ocasiona que el agua se mueva de las porciones húmedas a las más secas es muy grande y se pueden desarrollar por este motivo grandes fuerzas expansivas. Serán inadecuadas para sub-base bajo capas delgadas flexibles o capas superficiales bituminosas a causa de los grandes cambios de volumen que motivan las variaciones de humedad y la pérdida de poder portante después de la aducción de agua.

Suelos A –7.- Están compuestos predominantemente de arcilla como los suelos A  – 6, pero debido a las partículas de limo de tamaño uniforme, a la materia orgánica, escamas de

79

única, o carbonato de cal, son elásticos. Un determinado contenido de humedad se deforma y abultan apreciablemente cuando se retira la carga. También presentan las características dadas para los suelos A-6 en el párrafo anterior. Son difíciles de compactar convenientemente lo que hace que sean especialmente inadecuados para pavimentos flexibles.

Los suelos A-7-5.- Comprenden los suelos A -7 con índice de plasticidad moderado, en relación al LL y pueden ser altamente elásticos, así como estar sujetos a considerables cambios de volumen.

Los suelos A-7-6.- Comprenden suelos con índice de plasticidad muy alto con relación al LL y estar sujetos a cambios de volumen extremadamente altos.

Turba y Escombros.- Son aquellos compuestos de turba y escombros muy blandos, contienen grandes cantidades de material orgánico y no deben ser usados en ningún tipo de construcción.

Ejemplo: Un suelo A-7-6 con un 73% de material fino que pasa el tamiz N° 200 un LL de 65% y un IP de 28% tendrá. Determinar el IG.

 IG  73  350.2  0.00565  40   0.0173  1528  10   22.79  20 o  IG  0.2a  0.005ac  0.01bd   22.35  20

80

Clasificación de suelos y mezclas de agregados para la Construcción Vial Recommended Practice AASHTO M 145-82 (Specifications - Parte 1, 1986) Clasificación General Clasificación de Grupo

Materiales Granulares

Materiales limo-arcillosos

(35% o menos pasa el tamiz Nº200)

(más de 35% pasa el tamiz Nº200)

A-1 A-1-a

A-2 A-1-b

A-3

A-2-4

A-2-5

A-7 A-2-6

A-2-7

A-4

A-5

A-6

A-7-5 A-7-6

------36 min

------36 min

------36 min

------36 min

Análisis de tamizado (% pasa)

2.00 mm (# Nº10) 0.425 mm (# Nº40) 0.075 mm (# Nº200)

50 máx ------------------30 máx 50 máx 51 min ------------15 máx 25 máx 10 máx 35 máx 35 máx 35 máx 35 máx

Características de fracción pasa # Nº40

Límite Líquido (LL) Índice Plástico (IP)

---6 máx

---NP

Materiales constituyentes significativos

Fragmentos de piedra, grava y arena

 Arena fina

Clasificación general como subrasante

40 máx 41 min 40 máx 41 min 40 máx 41 min 40 máx 41 min 10 máx 10 máx 11 min 11 min 10 máx 10 máx 11 min 11 min Grava y arena limosa o arcillosa

Excelente a buena

Suelos limosos

Suelos arcillosos

Regular a pobre

El IP del subgrupo A-7-5 es igual o menor que LL menos 30. El IP del subgrupo A-7-6 es ma yor que LL menos 30 (ver Gráfico siguiente). La casilla A-3 antes de la A-2 es debido al proceso de eli minación de izquierda a derecha. No indica superioridad de A-3 sobre A-2.

81

Problema: El ensayo de granulometría efectuada a una muestra de suelo obtenida por cuarteo es la siguiente: Malla Nº

% que pasa

20

95.33

40

89.65

60

75.45

140

64.26

200

47.23

 Así mismo se cuenta con los resultados de los ensayos para determinar el LL=51.80% y LP = 27.3%. Determinar la clasificación de la muestra de suelo mediante el método AASHTO. Solución :  IP    LL   LP   51.80  27.30  24.5  Aplicando el  método  AASHTO 1.Cálculo del  IG :  IG  47.23  350.2  0.00551.8  40  .0147.23  1527.3  10  8.68  IG  9 2. Porcentaje que  pasa la malla  N º 200  47.23  35% (ver  tabla)  Entonces el  suelo  puede ser :  A  4,  A  5,  A  6,  A  7  Aplicando las condicione s  según la tabla : Clasificación general % de material que pasa Nº 200

Materiales fino - arcillosos (más del 35% del total pasa la malla Nº 200) A-4

A-5

A-6

A-7 A-7-5

IP < LL-30

A-7-6

IP > LL-30

% de material que pasa Nº 200

36 mín.

36 mín.

36 mín.

36mín

LL

40 máx.

41 mín.

40 máx.

41 mín.

IP

10 máx.

10 máx.

11mín.

11 mín.

IG

6 máx.

12 máx.

15 máx.

20 máx.

Conclusión el suelo es: A-7-6 (9)

Problema:

El análisis de un suelo ha arrojado los siguientes resultados, de

granulometría y límites de consistencia, LL = 54% y LP = 29%. Se solicita clasificar la 82

muestra de suelo mediante los métodos AASTO y SUCS, a partir de los resultados indicados. Análisis granulométrico Malla N

Abertura en mm

Pesos ret. (gr)

2" 0.00 1" 0.00 1/2" 157.50 Nº4 4.75 162.00 Cazoleta 1180.50 Para el análisis del material fino (arena) se tomo sólo 200 g ramos. 10 2.000 29.50 20 0.841 24.60 30 0.595 19.10 40 0.42 21.50 60 0.25 22.00 100 0.149 24.00 200 0.075 19.70 Cazoleta 39.60

Solución: Tabulación de resultados Pesos ret. (gr)

% ret.

% ret. Acumulado

% que pasa

2"

0.00

0.00

0.00

100.00

1"

0.00

0.00

0.00

100.00

1/2"

157.50

10.50

10.50

89.50

162.00

10.80

21.30

78.70

1180.50

78.70

100.00

0.00

Malla N

Nº4

Abertura en mm

4.75

Cazoleta

Para el análisis del material fino (arena) se tomo sólo 200 gramos. 10

2.000

29.50

11.61

32.91

67.09

20

0.841

24.60

9.68

42.59

57.41

30

0.595

19.10

7.52

50.11

49.89

40

0.42

21.50

8.46

58.57

41.43

60

0.25

22.00

8.66

67.23

32.77

100

0.149

24.00

9.44

76.67

23.33

200

0.075

19.70

7.75

84.42

15.58

39.60

15.58

100.00

0.00

Cazoleta

83

Método SUCS: 1.1 Suelos de  grano grueso más del  50% Re t . en la malla  N º 200 Grava (G ) o  Arena ( S ) 1.2  Distinción entre G  y S   Para que sea G : Más del  50% ret . malla  N º 4  OK  1.3 Material  que  pasa la malla  N º 200  Pasa la malla  N º 200  15.58 



12%



12% no  se det er min a.

 Podrá  ser  GM  o GC 

1.4  Deter min ación del  C u  y C c  Pasa la malla  N º 200  15.58

1.5 Suelos de  grano grueso con   finos : GM  o GC   En la carta de  Plasticidad  :  Los valores  se encuentran sobre la línea  A, el  IP   25  7  OK   El  suelo es GC .



Suelo  gravoso, con arcilla de alta  plasticidad .

Método AASHTO 2.1 Cálculo del  IG :

 IG



0.01 F 200

 15

 IG



0.0087

0



 IP   10   0.0115.58  15 25  10 

2.2  En la tabla

 Material  que  pa sa la malla  N º 200  15.58  35% 

 El  suelo  pu ede ser  :  A  1,  A  3,  A  2

 Anlizand o en la tabla.

84

PROBLEMA: El análisis de un suelo da los siguientes resultados LL= 18, LP = 14% y la granulometría respectivamente. Clasificar el suelo mediante los métodos SUCS y AASHTO e indicar sus principales características. Tabulación de la granulometría : N° de malla

Peso retn. (gr)

% ret.

% ret. Acumulado

% que pasa

1´´

0

0

0

100

3/4"

15

5

5

95

1/2"

8

3

8

92

3/8"

9

3

11

89

4

12

4

15

85

8

10

3

18

82

10

2

1

19

81

16

8

3

22

78

30

23

8

30

70

40

21

7

37

63

50

28

9

46

54

80

39

13

59

41

100

21

7

66

34

200

37

12

78

22

Cazoleta

67

22

100

0

Solución:

Metodo SUCS: 1.1 Suelos de  grano  grueso más del  50% Re t . en la malla  N º 200 Grava (G ) o  Arena ( S ) 1.2  Distinción entre G  y S   Para que  sea S  :  Más del  50%  pasa malla  N º 4  OK  1.3  Material  que  pasa la malla  N º 200  Pasa la malla  N º 200  22%



12%



 Podrá  ser  GM  o GC 

1.4  Deter min ación del  C u  y C c  Pasa la malla  N º 200  22



12% no  se det er min a.

1.5 Suelos de  grano  grueso con   finos : GM  o GC   En la carta de  Plasticidad  :  Los valores  se encuentran  sobre la línea  A, el  IP   4  Por  lo tan to el  suelo  será : SM   SC  Suelo  Arenoso  Limoso  y  Arcilloso de baja  plasticidad .

Método AASHTO 85

2.1 Cálculo del  IG :

 IG



0.01 F 200

 15

 IP  10   0.0122  154  10    0.42  0

2.2  En la tabla

 Material  que  pasa la malla  N º 200  15.58  35% 

 El  suelo  puede ser  :  A  1,  A  3,  A  2

 Anlizando en la tabla.

Clasificación general Clasificación del grupo

Materiales gruesos (menos del 35% del total pasa la malla Nº 200) A-1 A-1-a

A-3 A-1-b

A-2

A-6

A-2-4

A-2-5

A-2.6

A-2-7

51 mín. 10 máx.

35 máx.

35 máx.

35 máx.

35máx.

41 mín.

40 máx.

41 mín.

10 máx.

11 mín.

11 mín.

% de material que pasa Nº 200 Nº 10 Nº 40 Nº 200 Caract. del material

50 máx. 30 máx.

50 máx. 25 15máx. máx.

LL 6 máx.

IP IG Materiales constituyentes

0

NP 0

Fragmentos de piedra, grava y arena

Clasificación como subrasante

0 Arena fina

40 máx. 10 máx.

Grava o Arena limosa o Arcillosa

Excelente a buena

Conclusión: El suelo es A-2-4 (0)

PROBLEMA: El análisis de un suelo da los siguientes resultados, Clasificar el suelo mediante los métodos SUCS y AASHTO; si los resultados de consistencia y granulometría son respectivamente: LL = 32.10%; LP = 13.56%

86

 N° de malla

Peso retn. (gr)

% ret,

% ret. Acumulado

% que pasa

1/2"

0

0

0

100

4

0

0

0

100

8

0

0

0

100

10

0

0

0

100

16

4

2

2

98

20

6

3

5

95

30

2

1

6

94

40

10

5

11

89

50

12

6

17

83

80

24

12

29

71

100

15

8

37

64

200

27

13

50

50

Cazoleta

100

50

100

0

Solución: Método SUCS: 1.1 Suelos de  grano :

Grueso más del  50% Re t . en la malla  N º 200  Fino más del  50%  pasa en la malla  N º 200 1.2  Distinción entre G  y S 

G  50% ret . Malla  N º 4 S   50%  pasa Malla  N º 4  OK  1.3  En nuestro caso  se retiene el  50%  y  pasa el  50%  N º 200

 Por  lo tan to el  suelo  puede ser  S   C  o S   M  1.4  Deter min ación del  C u  y C c

 Pasa la malla  N º 200  50



12% no  se det er min a.

1.5 Suelos de  grano grueso con   finos : S   M  o S   C 

 En la carta de  Plasticidad  :  Los valores  se encuentran sobre la línea  A, el  IP   18.60%  Por  lo tan to el  suelo  será : S   C  Suelo  Arenoso  y  Arcilloso de baja  plasticidad .

87

Método AASHTO 2.1 Cálculo del  IG :

 IG  0.2a  0.005ac  0.01bd  a  50  35

c  32.16  40

b  50  15

d   18.60  10

 IG  5.97  6 2.2  En la tabla

 Material  que  pasa la malla  N º 200  50%  35% 

 El  suelo  puede ser :  A  4,  A  5,  A  6,  A  7

 Anlizando en la tabla. Clasificación general

Materiales fino - arcillosos (más del 35% del total pasa la malla Nº 200)

Clasificación de grupo

A-4

A-5

A-6

% que pasa Nº 200

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

% de material que pasa Nº 200

36 mín.

36 mín.

36 mín.

36mín

LL

40 máx.

41 mín.

40 máx.

41 mín.

IP

10 máx.

10 máx.

11mín.

11 mín.

IG

6 máx.

12 máx.

15 máx.

20 máx.

Materiales constituyentes Clasificación como subrasante

Suelos Limosos

IP < LL-30 IP > LL-30

Suelos Arcillosos

Regular a mala

Conclusión: El suelo es A-6 (6)

En mecánica de suelos se requiere de bastante seriedad, en el análisis de los resultados, e interpretación de las normas correspondientes, es así que la ASTM D2487, con fines de clasificación mediante el método SUCS, considera grupos de suelos gruesos (G, S), finos inorgánicos y orgánicos, según se indican en las tablas siguientes:

88

VII. 7.1

RELACIÓN DE SOPORTE CALIFORNIA (CBR) Compactación de los suelos (Densidad vs Humedad)

7.1.1 Generalidades Si se excavan masas de suelos y se redepositan sin tomar un cuidado especial, la porosidad, permeabilidad y compresibilidad de estas masas de suelos aumenta, mientras que su capacidad para resistir la erosión interna disminuye grandemente. Por ello se acostumbra compactar a todo tipo de terraplenes , así por ejemplo, como presas, diques, bordes de defensa, muelles, pavimentos etc., incluso algunas veces se hace necesario compactar el terreno natural, como en el caso de cimentaciones sobre arenas con una densidad relativa o compacidad relativa suelta . El grado de compactación que alcanza un suelo dado sometidos a un procedimiento de compactación también dado, depende en gran parte del contenido de humedad del suelo. Una compactación máxima se obtiene para un cierto contenido de humedad conocido como “contenido óptimo de humedad” mientras q ue

el procedimiento utilizado para

mantener durante la compactación la humedad del terraplén cerca de la óptima, se conoce como control de humedad.

7.1.2 Definición. Es la densificación o estabilización del suelo por medios mecánicos, mejora la resistencia y estabilidad volumétrica, afectando la permeabilidad, como consecuencia del proceso de densificación de la masa.

7.1.3 Métodos de la compactación de suelos. Los métodos convenientes de compactación de terraplenes artificiales se dividen en tres grupos.

Los adecuados para suelos no cohesivos Los materiales puramente friccionantes se compactan eficientemente por métodos vibratorios, tales como el uso de plataformas vibratorias y rodillos lisos vibratorios.

Los adecuados para suelos arenosos o limosos con cohesión moderada Los suelos de cohesión moderada se compactan mediante rodillos neumáticos.

Los adecuados para arcillas Los suelos altamente plásticos, como la arcilla se compactan con rodillos “pata de cabra”.

89

 Además de los métodos de compactación de terraplenes artificiales se conocen ciertos procedimientos de la compactación de masas naturales de suelo, tales como la aplicación de una pre carga encima del terreno, el estallido de pequeñas cargas de dinamita en el interior de la masa, la hinca de pilotes, la instalación de drenes de arena (para la consolidación acelerada de la arcilla), etc.

7.1.4 La Máxima Densidad Seca y el Contenido Óptimo de Humedad. Cualquier sea el tipo de equipo de compactación disponible y el grado de cohesión del suelo. La eficacia del procedimiento de compactación depende en gran medida del contenido de humedad del suelo. La efectividad de la compactación se mide por el peso de los sólidos por unidad de volumen, es decir, por lo que se conoce con la “densidad seca”. Existe una relación entre la densidad seca de un suelo compactado y su contenido

de humedad.

Para ciertas condiciones de ensayo, la densidad seca que corresponde a la cima de la curva se conoce como “Máx. Densidad Seca” ó densidad seca para el 100 % de

compactación, y el correspondiente contenido de humedad optimo (OCH). Sí por ejemplo, todas las condiciones se mantienen inalteradas menos el peso del rodillo, o sea la energía específica de compactación y se utiliza un rodillo más liviano, el valor de la máxima densidad seca, como lo indica la curva “PE” es menor, y el contenido optimo de humedad mayor, que pasa un rodillo más pesado curva “PM”

90

7.1.5 Prueba de Compactación “Proctor” Normalizado. Prueba Proctor Estándar (ASTM D698) Con el objetivo de reproducir al menos teóricamente, en el laboratorio ciertas condiciones de compactación de campo es necesario efectuar un determinado procedimiento de compactación. Que consiste en compactar dentro de un molde, con cierta energía de compactación.

ASTM D - 968 PROCTOR ESTANDAR Descripción Método A Diámetro del molde Volumen del molde Peso del Pizón  Altura de caída del pizón Número de golpes/capa Número de capas Energía de compactación Compactación

Suelo por usarse

Método B

Método C

4” (101.6mm)

4” (101.6mm)

6” (152.4mm)

0.0333 p3 (944cm3) 5.5 lb(2.5kg)

0.0333 p3 (944cm3) 5.5 lb(2.5kg)

0.0333 p3 (944cm3) 5.5 lb(2.5kg)

12plg (304.8mm)

12plg (304.8mm)

12plg (304.8mm)

25

25

25

3

3

3

12,400 pie lb/p3

12,400 pie lb/p3

12,400 pie lb/p3

600KN-m/m3 

600KN-m/m3  Porción que pasa la malla 3/8”, se usa si el suelo retenido en la malla N° 4 es más del 20% y 20% o menos por peso es retenido en la malla de 3/8”.

600KN-m/m3 Porción que pasa la malla ¾”  se usa, si más de 20%, por peso de material es retenido en la malla de 3/8” y menos de 30%, por peso es retenido en la malla de

Porción que pasa la malla N° 4 se usa sí 20% o menos por peso de material es retenido en la malla N° 4

¾”.

7.1.6 Prueba de Compactación “PROCTOR” MODIFICADO (ASTM D-1557). Debido al rápido desenvolvimiento del equipo de compactación de campo comercialmente disponible, la energía de compactación ha aumentado y por eso, con el propósito de reproducir en el laboratorio las condiciones de compactación de campo, ha sido necesario modificar la prueba de Proctor, de modo que conservando el número de golpes por capa se eleva el número de esta de 3 a 5, aumentando al mismo tiempo el peso del pistón (4.5 Kg.) y la altura de caída de (18” = 45.7 cm.), respectivamente la máxima densidad seca

obtenida con esta mayor energía de compactación resultará mayor que la densidad seca (Ds) obtenida en la prueba Proctor Estándar, y consecuentemente la humedad optima será menor que aquel caso.

91

ASTM D – 1557 PROCTOR MODIFICADO Descripción

Método A

Diámetro del molde Volumen del molde Peso del Pizón  Altura de caída del pizón Número de golpes/capa Número de capas Energía de compactación Compactación



Método C

4” (101.6mm)

4” (101.6mm)

6” (152.4mm)

0.0333 p3 (944cm3) 10 lb(4.54 kg)

0.0333 p3 (944cm3) 10 lb(4.54 kg)

(2124 cm3) 10 lb(4.54kg)

12plg (304.8mm)

12plg (304.8mm)

12plg (304.8mm)

25

25

56

5

5

5

56,000 pie lb/p3

56,000 pie lb/p3

56,000 pie lb/p3

2700KN-m/m3 

2700KN-m/m3 

2700KN-m/m3 Porción que pasa la malla ¾”  se usa, si más de 20%, por peso de material es retenido en la malla de 3/8”  y menos de 30%, por peso es retenido en la malla de ¾”

Porción que pasa la malla N°4 se usa sí 20% o menos por peso de material es retenido en la malla N° 4

Suelo por usarse

Método B

Porción que pasa la malla 3/8”, se usa si el suelo retenido en la malla N° 4 es más del 20% y 20% o menos por peso es retenido en la malla de 3/8”.

Esfuerzo de compactación: La energía aplicada durante la compactación con un martillo que se deja caer de una altura es la siguiente:

 E c



W   x  H   x  N  x n

en cm kg / cm3 , o, lb  pie / p lg 3 



V  Donde: W es el peso del martillo en kg, H es la Altura de caída del martillo, N es el Número de golpes por capa, n es el Número de capas, V es el Volumen del molde en cm3 

ENSAYO DE COMPACTACION Y EL EQUIPO

Diámetro – Peso- altura de Designación Designación Energía  N° de capas caída del 3 Volumen ASTM AASHTO Ft –  lb / ft Golpes/capa del Molde martillo PS. D 698 (A) T- 99

(B)

(C )

(A)

Diámetro máx. de partículas

12375

4 in - 0.033

5.5 lb.  – 12 in

3 - 25

N° 4

(B)

12375

4 in – 0.033

5.5 lb. – 12in

3 - 25

N° 4

(C)

12375

6in – 0.075

5.5 lb. – 12 in

3 - 56

3/4

92

PM. D –  1557 T – 180 (A)

(B)

(C )

(A)

56250

4 in – 0.033

10 lb. -18 in

5 - 25

N° 4

(B)

56250

4in – 0.033

10 lb. – 18 in

5 - 25

N° 4

(C)

56250

6 in – 0.075

10 lb. – 18 in

5 - 56

3/4

7.1.7 Correlación entre la prueba Proctor estándar y Proctor modificada en comparación con la compactación en obra mediante rodillos De acuerdo con los diferentes equipos mecánicos pesados para la compactación de suelos se obtienen ciertas correlaciones en cuanto a la máxima densidad y el contenido optimo de humedad.

7.1.8 Compactación de los suelos no cohesivos Por medio de rodillos de 5 a 15 TN. Equipados con vibradores que operan a frecuencias comprendidas entre 1100 y 1500 pulsos/minuto, se ha obtenido la compactación efectiva de arena gruesa grava y enrocado de piedra, aplicando capas de 30 a 40 cm. de espesor, y entre 2 a 4 pasadas de tales rodillos tirados a una velocidad que no exceda de alrededor de 3 Km. /hora suele resultar adecuada para alcanzar un alto grado de compactación. También pueden utilizarse en estos suelos los rodillos neumáticos, pero se necesita en este caso un número mayor de pasadas entre 6 y 8, debido a la mayor velocidad del rodillo. El suelo debe ser depositado en capas de un espesor no mayor de 30 cm, compactando áreas limitadas pueden usarse compactadores manuales de pistón, accionados por motor de explosión (espesor de capas de 10 a 20 cm).

Figura 1: Corte

Figura 2: Perfilado de subrasante

93

Figura 3: Riego con cisterna

Figura 4: Compactado

7.1.9 Compactación de suelos arenosos o limosos con cohesión moderada  A medida que aumenta la cohesión, disminuye rápidamente la eficacia de las vibraciones como medio de compactación. También la baja permeabilidad de estos suelos hace difícil la penetración con agua, no obstante la compactación por capas utilizando distintos rodillos, neumáticos y patas de cabra. Los rodillos neumáticos son más convenientes en la compactación de suelos arenosos ligeramente cohesivos, los rodillos patas de cabra tienen su máxima eficacia en suelos plásticos para presas de embalse y otros terraplenes, se utiliza rodillos neumáticos de 50 Tn. Con presiones de inflado de las llantas muy altas (>9 Kg/cm 2) y capas de espesor compactando que varia entre 15 y 30cm (utilizando rodillos de 100 TN. El espesor puede variar entre 30 y 45 cm.), se requiere usualmente 4 a 6 pasadas para alcanzar la compactación deseada  A veces en obras grandes es necesario determinar el número de pasadas por medio de ensayos de compactación en el terreno mismo antes de inicio de los trabajo. Los rodillos patas de cabra usados en la construcción de presas de tierra pesan alrededor de 15 TN. Según el tamaño del pie, la presión de contacto varía entre 20 y 40 Kg./cm2.En terraplenes de caminos se utilizan rodillos algo menores. El espesor de las capas por compactar no debe exceder de unos 15 cm. El número requerido de pasadas debe determinarse en el terreno por medio de ensayos previos. La forma de la pata mas adecuada depende del tipo del suelo. Hay una tendencia hacia el uso de patas tronco piramidales que evitan el arado del suelo a su paso. La superficie de apoyo más efectiva es función de la plasticidad y granulometría del suelo. En suelos menos plásticos la superficie de la pata a usar es mayor que en suelos muy cohesivos. 94

Se usan también rodillos patas de cabra vibrantes, en estos casos la acción principal de la vibraciones es la de aumentar el efecto gravitacional del paso del rodillo debe tenerse presente, que en suelos de plasticidad moderada, la aspersión de agua durante el proceso de compactación es poca eficiente. Si el contenido de humedad del suelo a usar es mayor que el optimo, el agua debe agregarse en el propio préstamo o por aspersión antes de iniciar las compactaciones para obtener un mejor efecto de uniformización de la humedad si el contenido de humedad , del suelo en el terreno es mayor que el óptimo, debe permitirse que se seque en el lugar de su almacenamiento, la densidad seca y el contenido de humedad del suelo se controlan en el terraplén continuamente (método del reemplazo de arena).

7.1.10 Compactación de arcillas. Si el contenido natural de humedad de una arcilla en el préstamo no está próximo al óptimo puede resultar muy difícil llevarlo a dicho valor óptimo, sobre todo, si el contenido natural de humedad es demasiado alto. Por eso a veces es inevitable utilizar la arcilla con un contenido de humedad diferente del óptimo. Extrayendo la arcilla de los préstamos se obtiene pedazos o terrones. Ahora bien solo los rodillos patas de cabra están en capacidad de reducir el tamaño de espacios abiertos existentes entre los terrones. En la compactación de estos suelos se obtienen mejores resultados cuando el contenido de humedad es ligeramente superior al límite plástico. Si es mucho mayor la arcilla tiende a pegarse al rodillo, o bien este a hundirse en el terreno. Si es mucho menor, los terrones no se deforman y los espacios quedan abiertos. El espesor de las capas por compactar y el número de las pasadas requerido debe averiguarse previamente por medio de ensayos.

7.1.11 Compactación de masas naturales de suelos y de terraplenes existentes  – método de compactación especial. Los estratos naturales y los terraplenes existentes no pueden compactarse en capas y por eso un agente compactador debe actuar en el interior de la masa de suelo. Una forma efectiva para compactar arena no cohesiva es por vibraciones a mucha profundidad. El método consiste en hincar pilotes, cuando se hincan pilotes en arena 95

suelta, la superficie del terreno situado entre pilotes se asienta, a pesar de la disminución de volúmenes producido por el desplazamiento de arena por los pilotes. Otro método de compactación satisfactoria de gruesos estratos de arena consiste en hacer estallar pequeñas cargas de dinamita en muchos puntos del interior de su masa Los suelos arenosos con alguna cohesión y los terraplenes existentes cohesivos, también pueden compactarse hincando pilotes. La compactación de estos suelos sin embargo, es causada por la presión estática, la que reduce el tamaño de los espacios vacíos. Los suelos altamente plásticos (compresibles) pueden compactarse por precarga. La zona a ser tratada se cubre con un terraplén que transmite un peso unitario suficientemente alto como para consolidar el suelo en una magnitud que aumenta la resistencia y reduzca su compresibilidad a los límites requeridos dentro del tiempo disponible para la operación precarga. También es posible acelerar el proceso de consolidación (disminución de la compresibilidad) por medio de la instalación de drenes de arena, cuando existan capas naturales de drenaje, sí se facilita la expulsión del agua de las capas plásticas. El método consiste en la hinca de caños de acero (30 cm) llenándolos con una mezcla de grava y arena luego retirando el tubo de acero, la consolidación del suelo circundante se acelera extrayendo por bombeo agua de los drenes.

7.1.12 Grado de compactación En una obra nunca se logra precisamente la máxima densidad seca indicada por las pruebas de compactación del laboratorio (pruebas PROCTOR) por eso se define como grado de compactación de un suelo compactado la relación , en porcentaje, entre la densidad seca obtenida en obra y máxima densidad seca averiguada en el laboratorio por tal obra El control de la obra se lleva generalmente investigando el grado de compactación de los materiales ya compactados y estableciendo un mínimo aceptable, que varía según la importancia y función de la obra. En obras importantes se recomienda siempre recurrir a secciones experimentales (por ejemplo terraplenes de prueba ) que permitan determinar el espesor de las capas y el número de pasadas de un cierto equipo para obtener el grado de compactación deseado. 96

El grado de compactación de suelos se expresa:

Gc %

  sec a log rada en elcampo



 x100

  sec amáx.log rada en el  laboratorio 

La máxima densidad seca (máx. Ds) puede representar el valor obtenido por la prueba proctor estándar ó proctor modificado. La aplicación del valor para máx. Ds depende de las distintas condiciones de la obra. Según normas elementales, hay ciertas demandas en cuanto a la compactación de terraplenes en caminos Hasta

una

Gc

 

profundidad 100%

de

2

m.

proctor

Por

debajo

estándar

de

la

para

capa

de

suelos

desgaste.

friccionantes

Gc  97% proctor estándar para suelos cohesivos En profundidades mayores que 2 m. Por debajo de la capa de desgaste Gc

  100%

proctor

estándar,

metros

suelos

friccionantes

terraplenes

hasta

de

2

altura.

Gc   97% proctor estándar; suelos cohesivos terraplenes hasta 2m de altura Gc   92% proctor estándar suelos cohesivos, terraplenes más altos que 2 metros de altura. El grado de compactación, presas de tierra, campos de aterrizaje etc. Debe corresponder a las demandas específicas de la obra.

7.1.13 Determinación de la densidad In Situ; Método del Reemplazo de arena: 1. Se determina el peso de la arena por unidad de volumen (Da). 2. Se pesa el frasco con la arena y se determina además el peso que se necesita para llenar el embudo mayor (peso antes del ensayo “P”, peso necesario para llenar el embudo mayor “p”) 3. Se limpia el sitio escogido y luego se excava un hoyo de unos 10 cm de diámetro. 4. Cuidadosamente se extrae el material colocándolo en un frasco y se pesa (Wf). 5. Se cierra la válvula y se enrosca el embudo menor al cuello del frasco. 6. El aparato se coloca encima del hoyo. 97

7. Una vez que la arena deja de caer, lo que puede verse. 8. Se determina el peso del suelo seco. 9. Se desenrosca el cono y se pesa nuevamente el frasco con la arena que haya sobrado (peso de la arena después del ensayo “p´”) . 10. Determinación de la densidad seca de campo:

   s



  d 



W  s V m

;

W  s



W h x100 1   

;

V  

 P    p   p´  Da

 Donde :    s

: densidad  sec a

W  s :  peso del  suelo sec o V m : volumen muestra, volumen arena en el  hoyo, volumen del  hoyo W h :  peso del  suelo húmedo  Da : densidad  de la arena 7.1.14 Penetrómetro Proctor. Herramienta que se hinca a mano. Se trata de una aguja o varilla con un dispositivo para medir la fuerza requerida (en libras), para que la penetre (variable en tamaño y forma) profundice en el suelo 3’’por lo general. La operación se hace en el laboratorio y en

campo, simultáneamente, para comparación de

d,

o de la humedad si se quiere. (No

debe existir grava en el suelo)

7.2

Relación de Soporte California (CBR)

7.2.1 Generalidades: El método CBR fue propuesto en 1929 por los Ingenieros T. E. Stanton

y O. J. Porter, del

departamento de carreteras del Estado de California. Desde

fecha,

esta

tanto

en

Europa como en América, el método CBR se ha generalizado y es, hoy en día, uno de los más empleados en el cálculo de pavimentos flexibles. Este método ha sido adoptado por el cuerpo de ingenieros del ejército estadounidense, así como por otros organismos técnicos y viales, ha experimentado varias modificaciones, pero en la actualidad se sigue, en líneas generales. El procedimiento sugerido por el U. S. Waterways Experiment Station, Vicksburg, Misisipi.

98

En general las fallas en los pavimentos flexibles, se debe principalmente a las fallas por corte del suelo o de los materiales que conforman las diferentes capas. Su diseño se basa en los resultados del corte directo, prueba triaxial o simplemente midiendo la resistencia a la penetración del material. El índice C.B.R. Es un valor empírico que sirve para determinar la resistencia de terrenos de fundación y/o cimentación de carreteras, aeropuertos, etc. Será determinado por la penetración de un pistón (con cierta velocidad) a una muestra compactada al contenido óptimo de humedad modificado. El índice C.B.R. Se obtiene como un porcentaje del esfuerzo requerido para hacer penetrar un pistón en el suelo que se ensaya, dividido entre el esfuerzo requerido para hacer penetrar el mismo pistón hasta la misma profundidad en una muestra patrón compuesto de piedra triturada y compactada. CBR CBR(%) (%) 

 Esfuer  Esfuerzo zo del  suel  suelo o ensayado  Esfuer  Esfuerzo zo del  del  suel  sueloPa oPatro tron

x100 100

Valores correspondientes a la muestra patrón (MACADAM) EN UNIDADES METRICAS EN UNIDADES INGLESAS 2 mm Kg/cm Plg. Libras/plg2 CARGA CARGA PENETRACION PENETRACION UNITARIA UNITARIA 2.54 70.31 0.1 1000 5.08 105.46 0.2 1500 7.62 133.58 0.3 1900 10.16 161.71 0.4 2300 12.7 182.80 0.5 2600 En el diseño de pavimentos flexibles el C.B.R. Que se utiliza es el valor que se obtiene para una penetración de 0.1” (2.54 mm).Sin embargo, si el valor CBR a una penetración de 0.2”

(5.08 mm) es mayor, el ensayo deberá repetirse. Si un segundo ensayo produce nuevamente un valor de CBR mayor de 5.08mm de penetración, se debe considerar el valor mayor obtenido. En general se establece en este método una relación entre la resistencia a la penetración de un suelo, y su valor relativo como base de sustentación de pavimentos flexibles. Este método, si bien es empírico, se basa en un sinnúmero de trabajos de investigación llevados a cabo tanto en los laboratorios de ensayo de materiales, así como en escala natural o

99

directamente en el terreno, lo que permite considerarlo como uno de los mejores métodos prácticos.

7.2.2 Condiciones del ensayo (Relación entre la Densidad y el Índice C.B.R.): La densidad deberá ser la que se espere obtener con el medio de construcción empleado (método de compactación), es decir cuando se trata de un terraplén en el cual vamos a exigir el 95% de máx. densidad proctor, la muestra habrá de compactarse con la humedad optima correspondiente. correspondiente. Para pistas de aeropuertos y a veces para carreteras se exige la máx. densidad proctor modificada que es más elevada. Sí por circunstancias especiales, no sea posible lograr las densidades máximas estándar, el ensayo habrá de realizarse con otras densidades (en función de la humedad) análogas a tales densidades, que en realidad se alcanza. La densidad del suelo se alterará si cambia la proporción de humedad y se habrá de prever las peores condiciones de resistencia en el suelo que podrá encontrarse en el transcurso del tiempo.

7.2.3 Tipos de ensayos El

ensayo

puede

realizarse

sobre

muestras

remoldeadas

que

representan

aproximadamente iguales condiciones de humedad y densidad como el material en la obra, sobre muestras inalteradas ó “IN SITU”.

Para el pavimentado encima de terraplenes se opera sobre muestras remoldeadas y para proyectar pavimentos encima del suelo natural o sobre una carretera antigua se determinará el C.B.R. “in situ” o con muestr as as sin perturbar

Ensayando a capas de base o sub base de carreteras y aeropuertos debe todavía tomarse en cuenta la sobrecarga debido a las capas superiores yacentes encima de la capa ensayada. Eso significa que se habrá de determinar la presión de contacto producida por estas capas superiores y aplicar la misma presión de contacto sobre las muestras por ensayar, en todo caso, lo que se pretende es que la muestra ensayada sea la más representativa de las peores condiciones en que el terreno se ha de encontrar en el transcurso de su vida, en especial lo que se refiere a su estado de humedad.

7.2.4 Tipos de suelos 100

 Aplicando el método de diseño C.B.R. Todas las capas como, sub rasantes, sub bases y bases se las agrupa en tres clases   

Suelos sin cohesión (de ninguna plasticidad). plasticidad). Suelo cohesivo (suelo expansivo de alta plasticidad) Suelo altamente plástico.

a.

Suelos no cohesivos (Arenas y Gravas)  A estos suelos se les compacta fácilmente mediante rodillos lisos vibratorios (o por medio del tránsito) y por eso, sus pesos volumétricos máximos alcanzados ( smáx.) en la obra corresponden a los de ensayo Proctor  – Modificada. Muestras sin cohesión alguna, una vez compactadas al contenido optimo de humedad modificado, serán ensayadas al índice C.B.R. (prueba de penetración) sin otro tratamiento.

b.

Suelos con cohesión Tales como las arenas limosas, limos orgánicos y limos arcillosos serán tratadas de manera diferente que se obtengan datos que mostrarán el comportamiento sobre un rango completo de contenido de humedad anticipados para muestras representativas. Se compactarán tres muestras a diferentes densidades al contenido óptimo de humedad (proctor modificada) ósea debe averiguarse primero este mismo contenido de humedad óptimo y luego se compactará una muestra con 12 golpes, la segunda con 25 golpes y la tercera con 56 golpes por capa respectivamente, después las muestras serán sumergidas al agua y se las deja hincharse durante un plazo de cuatro días y luego se realiza la penetración con el fin de obtener una serie de curvas que muestran la relación entre el peso volumétrico, contenido de agua y el índice C.B.R. determinado por el 95% de la máxima densidad seca.

c.

Suelos altamente plásticos Los que comprenden las arcillas grasosas y limos inorgánicos , los procedimientos de prueba son los mismos que para suelos cohesivos. No obstante, las pruebas que se realizan con estos suelos tienen una finalidad que es la determinación de humedades y densidades apropiadas y estas no son necesariamente los valores óptimos obtenidos a través de la prueba “proctor modificada”. Por lo general, la expansión

101

mínima y el máximo C.B.R. Ocurren para un contenido de humedad ligeramente mayor que el óptimo.

7.2.5 Determinación del C.B.R. de suelos perturbados y remoldeados (ASTM D-1883-73; AASHTO t-193-63) Equipo: Para la compactación de muestras 

Molde de compactación de Ø i = 15.2 x 17.5 a 20 cm. De altura (o equivalente con collar) se acopla un collarín de 5 cm. Y una base perforada. El ensamble de estas piezas se aprecia en la figura I.



Disco espaciador de 15.1 cm. de Ø por 6.14 cm. de altura ( ó 5.1 cm.)



Martillo ó pisón.- Generalmente se emplea el martillo de 10 libras con una altura de caída de 18” – según método AASHTO T-180.

Para medir el hinchamiento del material al absorber agua 

Plato y vástago.- El vástago cuya altura puede graduarse se halla fijado en el disco metálico, como se indica en la figura I.



Trípode y extensómetro, para medir la expansión del material se emplea un extensómetro, con aproximación a 0.001”, montado sobre un trípode en la

forma indicada en la figura I y fotografías. 

Pesas.- Como sobre carga se emplea una pesa anular y varias pesas cortadas en la forma indicada en la figura I las cuales son de plomo y cada una pesa 5 libras.

Para la prueba de penetración Equipo de penetración 

Pistón.- Un pistón cilíndrico, de acero de 3 pulgadas cuadrados de sección circular y de longitud suficiente para poder pasar a través de las pesas y penetrar el suelo hasta ½”.



Aparato para aplicar la carga.- Puede emplearse una prensa hidráulica o cualquier aparato especialmente diseñado, que permita aplicar la carga una

velocidad de 0.05 pulgadas por minuto (1.27 mm/Min). Generalmente,

102

los aparatos que se fabrican para este tipo de ensayos llevan anillos calibrados 

Equipo mixto.-  Además del indicado anteriormente, deberá disponerse de un equipo misceláneo necesario, tal como balanzas, hornos, tamices graduados, papel filtro, tanques para inmersión de muestras cronómetros, extensómetros, etc.

Preparación del material 1.

Si se halla húmedo tendrá que ser secado previamente ya sea al aire o calentándolo a una temperatura no mayor de 60°C

2.

Una vez secado el material, será menester desmenuzar los terrones existentes, teniendo cuidado de no romper las partículas individuales de la muestra.

3.

Las muestras que se vayan a compactar, habrán de tamizarse en las mallas de ¾” y la N° 4. La fracción retenida en el tamiz de ¾”, se descartará y

reemplazará, en igual proporción por el material comprendido entre los tamices ¾” y la N° 4 lueg o se mezclarán bien las dos fracciones del material

tamizado. 4.

Se determina el contenido de humedad de las muestras así preparadas

5.

Cantidad de material.- para cada determinación de densidad, o sea, para determinar un punto de la curva de compactación se necesitan unos 5 Kg. De material. De modo que para cada curva de compactación, deberá disponerse de unos 30 Kg. De material, suponiendo que se determinen 5 ó 6 puntos. Así mismo, ha de tenerse presente que cada muestra se debe utilizar una sola vez, es decir, que no podrá usarse material que haya sido previamente compactada.

Determinación de la densidad y humedad El problema principal consiste en preparar en el laboratorio una muestra que tenga, prácticamente la misma densidad y humedad que se proyecta alcanzar en el sitio donde se construirá el pavimento.

103

En el método C.B.R., el procedimiento comúnmente empleado para compactar las muestras es, en líneas generales, el que indicamos a continuación. 1.

Se ensambla el molde cilíndrico, se introduce el disco espaciador y se coloca encima de este disco un papel filtro grueso de 6” de Ø para que el

suelo no se pegue durante la compactación. 2.

La muestra que ha sido debidamente preparada, como indicamos anteriormente, se humedece añadiendo cantidad de agua que ha sido previamente determinada, se mezcla bien el material, a fin de obtener una muestra uniformemente húmeda y se determina su contenido de humedad, para poder determinar con mayor exactitud la humedad óptima. Una vez preparada la muestra, con su correspondiente contenido de humedad, se la coloca dentro del molde y se compacta en 5 capas que tenga un espesor aproximadamente igual, haciendo caer el pisón 56 veces sobre cada capa. Esta compactación se hace siguiendo un método análogo al indicado en AASHTO ST-180 D la briqueta compactada deberá tener un espesor aproximado de 5 pulgadas.

3.

Una vez compactada la muestra, se quitará el collarín metálico, se enrasará la parte superior de aquella, suavemente hasta nivelarla en el molde. Llenar con suelos finos los pequeños huecos que se hayan podido formar en la operación. Se volteará el molde, y se quitará la base metálica perforada y el disco espaciador.

4.

Se pesará el molde con la muestra y se determinará la densidad y la humedad de aquella.

Determinación de la expansión del material 1.

Una vez determinada la densidad y humedad de la muestra, indicada o descrita anteriormente, se colocará un papel filtro grueso de 6”  de diámetro

sobre la superficie enrasada; se montará encima de está superficie el plato metálico perforado y se volteará el molde (de forma que el espacio dejado por el disco espaciador quede en la parte superior) y asegurar el molde a la base de forma que el suelo quede en contacto con el papel filtro. 2.

Sobre la superficie libre de la muestra se colocará un papel filtro grueso de 6” de diámetro y se montará el plato con él vástago graduable, en la forma

104

indicada en la figura II.a, luego sobre el plato se colocarán varias pesas de plomo. La sobrecarga que se aplique mediante pesas de plomo, debe ser prácticamente igual a la correspondiente al pavimento ( Sub -Base, Base y capa de rodamiento) a construirse. La sobrecarga mínima a emplearse será de 10 libras (4.54 Kg.) equivalente a la de un pavimento de concreto de espesor equivalente a 5” (12.5 cm)

3.

Una vez colocado el vástago y las pesas en la forma indicada líneas arriba se colocará cuidadosamente el molde dentro de un tanque o depósito lleno de agua. Para permitir el libre acceso de agua por debajo de la muestra se recomienda colocar el molde sobre bloques metálicos y no directamente sobre la superficie del tanque o depósito. Así mismo, para que la muestra se sature fácilmente por la parte superior de las pesas véase la figura II –a. Los niveles de agua dentro y fuera del molde deben ser iguales.

4.

Colocado dentro del tanque con agua se monta el trípode con un extensómetro, en la forma representada en la figura II-a y se toma y registra la “lectura inicial”  0,1,2,4,8,12,24,36,48,72 y 96 horas . O también.

5.

Cada 24 horas y por un periodo de 96 horas (4 días), se toman y registran las “lecturas” del extensómetros.

6.

Al cabo de 96 horas, o antes si el material es arenoso, se toma y anota la “lectura final” para calcular el hinchamiento o expansión del material: La

expansión progresiva diaria, así como la expansión total registrada al cabo de los cuatro días, es referida, en porciento, a la lectura inicial que tenía la muestra antes de ser sumergida en agua. Los adobes, suelos orgánicos a algunos suelos cohesivos tienen expansiones muy grandes, generalmente mayores de 10%. Las especificaciones establecen, generalmente, que los materiales de préstamo para sub base deben tener expansiones menores del 2% al cabo de 4 días. Así mismo se recomienda que los materiales para bases tengan expansiones menores del 1%. Nota: 1.

Los suelos que tienen hinchamientos de 3% o más, generalmente tienen C.B.R. Menores del 9%

2.

Los suelos que tienen hinchamientos de 2% como máximo, tienen aproximadamente C.B.R. Iguales o mayores al 15%. 105

3.

Los suelos que tienen hinchamientos menores de 1%, tienen generalmente, C.B.R. Del 30%

Drenaje: Después de saturada la muestra durante 4 días, se saca el cilindro y cuidadosamente se drena, durante 15 minutos, el agua libre que queda. Como para drenar bien el agua hay que voltear el cilindro, sujétese bien el disco y las pesas metálicas al hacer la operación. Luego, remuévase el disco, las pesas y el papel filtro y pésese la muestra.

Determinación de la resistencia a la penetración 1.

Si no es necesario sumergir la muestra en agua, se colocará sobre ella la pesa anular y se montarán las pesas de plomo, de tal modo que se obtenga una sobrecarga semejante a la del pavimento a construirse. Una vez preparada así la muestra, se procederá como se indica en los párrafos siguientes.

2.

Si la muestra ha sido sumergida en agua para medir la expansión, como indicamos anteriormente, y después que haya sido drenada, se colocará la pesa anular y encima las pesas de plomo que tenía la muestra cuando estaba sumergida en agua, o sea que la sobrecarga para la prueba de penetración deberá ser prácticamente igual a la sobre carga colocada durante el ensayo de hinchamiento.

3.

El molde con la muestra y la sobre carga, se colocan debajo de la prensa y se asienta el pistón sobre la primera, aplicando una carga de 10 libras (4.5 Kg.).

4.

Una vez “asentado” el pistón, se coloca en (0) cero el extensómetro que mide la deformación. Sí para la aplicación de la carga se emplea un aparato con anillo calibrado, el extensómetro del anillo deberá también colocarse en cero.

106

5.

Se hinca el pistón manteniendo una velocidad de 0.05 pulgadas por minuto (1.27mm/min.), y se leen las cargas totales necesarias para hincar el pistón en incrementos de 0.025, hasta alcanzar ½”.

6.

Hincando el pistón hasta 0.5 pulgadas (1.27 cm.), se suelta la carga lentamente se retira el molde de la prensa, y se quitan las pesas y la base metálica perforada.

7.

Finalmente, Finalment e, se determina el contenido de humedad de la muestra, para el control de campo, bastará determinar el contenido de humedad de la parte superior de la muestra, pero en las pruebas de laboratorio se recomienda tomar el valor promedio de los diferentes contenidos de humedad obtenidos en los extremos y parte media de la muestra.

Cálculos y presentación de resultados. 1.

Dibujar una curva de resistencia resistenc ia a la penetración (la ordenada) en lbs/plg

2

contra la penetración en mm ó pulg., tanto para la muestra recién compactada como para la muestra saturada. Sí la curva no es esencialmente lineal a través del origen extender una línea desde la porción recta de la curva para tratar de interceptar el eje de las abcisas. La diferencia entre este valor y la penetración correspondiente a cero es una corrección que debe utilizarse para calcular el C.B.R. Las curvas para ambas muestras (la saturada y la recién compactada) deben dibujarse en la misma gráfica con su identificación adecuada junto con los valores de corrección de las curvas de forma que se pueda apreciar fácilmente el efecto de saturación en la muestra. 2.

Obtener la resistencia a la penetración para 2.5 y 5 mm y calcular el C.B.R. ( El C.B.R. De un suelo es la carga unitaria correspondiente a 0.1” ó 0.2” de penetración expresada en por ciento de su respectivo “ valor estándar”, si los C.B.R. Para 0.1” y 0.2” son semejantes, se recomienda usar los calculos al C.B.R correspondiente a 0.2”, si el C.B.R correspondiente a 0.2”, es muy superior al C.B.R correspondiente a 0.1”, deberá repetirse el ensayo.

En el CÁLCULO DEL INDICE C.B.R.: En caso de que sea necesario necesari o se determinará los valores de esfuerzo corregidos de modo siguiente:

107

Los índices C.B.R. Se obtendrá dividiendo el esfuerzo en el suelo ensayado entre el esfuerzo en el suelo patrón multiplicado por cién, según una penetración de 0.1” ó 0.2”, considerando como índice C.B.R. El valor mayor averiguado para 0.1” de

penetración. Sí varias pruebas de comprobación resultan con un mayor índice de C.B.R. Para 0.2” de penetración, penetración, se considerará este valor como representativo. representativo.

Procedimiento de los ensayos de laboratorio Suelos gravosos y arenosos con poco o nada de material fino.Estos suelos sin cohesión generalmente tienen índices plásticos inferiores al 2%, y pueden ser compactados rápidamente en el campo. En general, su capacidad de soporte no se altera apreciablemente con los cambios de humedad, de ahí que su C.B.R. Que se adopte para los cálculos de diseño de pavimentos flexibles, puede ser el correspondiente a su densidad máxima, ó si se sigue un criterio más conservador, el menor de los C.B.R. Obtenidos. El C.B.R. De estos suelos granulares es generalmente mayor de 20 %

Suelos no cohesivos, poco plasticos y poco o nada expansivos: son en general, GM, GC, SM, SC, CL, ML, OL. Para determinar el C.B.R. De estos suelos se recomienda seguir:

Primero:  Se aplica condiciones climáticas normales y aquellos suelos cuya capacidad de soporte no varía apreciablemente cuando se altera ligeramente su contenido de humedad, ósea que no requieren un control muy estricto cuando son compactados en el campo.

Segundo: Es un procedimiento más elaborado y se aplica a condiciones climáticas desfavorables y aquellos suelos que son muy “sensibles” a pequeños cambios de

humedad, lo que hace que se requiera un mayor control de ella en el campo. Los ensayos del C.B.R. se realizan sobre muestras compactadas al C.O.H. Para el suelos específicos, determinado previamente utilizando el ensayo de compactación modificado (densidad Vs Humedad), Utilizando los métodos 2 ó 4 de la norma  ASTM D698-70 ó D 1557-70 (para el molde de 15.20 cm. de diámetro) diámetro) se debe compactar las muestras utilizando las siguientes energías de compactación .

108

7.2.6 Ensayos de laboratorio: C.B.R. con muestras remoldeadas, compactadas y saturadas. Objetivo 

Dar información informació n sobre la expansión esperada en el suelo bajo la estructura estructur a del pavimento cuando el suelo se satura.



Dar indicación de la pérdida de resistencia resistenc ia debida a la saturación en el campo.



El valor del CBR se utiliza para establecer una relación entre el comportamiento comportamie nto de los suelos principalmente con fines de utilización como base y sub rasante bajo pavimentos de carreteras y aeropistas.

Procedimiento del ensayo ensayo de laboratorio laboratorio 1.

Preparar aproximadamente 4.5 4.5 Kg. De suelo de grano fino menor que el tamiz Nº 4. ó 55 Kg. De material con partículas de 19 mm de diámetro máximo, al contenido de humedad óptimo del suelo determinado con el esfuerzo de compactación adecuado (ensayo de compactación). compacta ción). Si se desea curar el suelo para obtener una distribución distribuc ión más uniforme de la humedad. humedad. Se debe mezclar mezclar con el porcentaje porcentaje necesario necesario de humedad y almacenar en un recipiente sellado por espacio de 12 a 24 horas antes del ensayo. La muestra se pasa por el tamiz de (3/4”ASTM) descartando el material retenido. Si es necesario mantener el porcentaje de material grueso del material original se deberá efectuar un reemplazo. Para esto se determina por tamizado el porcentaje del material que pasa por el tam iz de 50 mm. (2”ASTM) y queda retenido en el tamiz de ¾” . Se reemplaza dicho material por una masa igual de material que pasa por el tamiz d e ¾”. Y queda retenido en el tamiz de 4.75 mm. tomada de la porción no utilizada de

suelo original. 2.

Antes de compactar el suelo en un molde, se debe tomar una muestra representativa para determinar su contenido de humedad (por lo menos 100 gr, si el suelo es de grano fino).

3.

Pesar el molde sin su base ni el collar y regístrese los datos.

4.

Ajustar el molde a la base, insertar el disco espaciador (el disco redondo sólido de 15.1 x 5.1. cm) en el molde y cubrirlo con un disco de papel de filtro. 109

5.

Compactar el suelo de acuerdo con la norma ASTM ó D1557 Métodos B o D para el suelo utilizado de acuerdo con lo especificado por el instructor. Tomar una muestra representativa para determinar el contenido de humedad final del suelo remanente. Para el caso de la práctica se utilizará: (Tres ensayos) Los métodos se indican en la tabla.

6.

METODOS

GOLPES

CAPAS

PESO DEL MARTILLO

Suelos de grano fino

56,25,10

5

4.5 kg

Suelos de grano grueso

56

5

4.5 kg

Quitar el collar y enrasar la muestra suavemente hasta nivelar en el molde. Llenar con suelos finos los pequeños huecos que se hayan podido formar en la operación anterior de nivelación de la muestra. Para suelos de grano grueso se pueden utilizar partículas de suelo ligeramente menores que el agujero para completar el volumen en el sitio requerido

7.

Retirar la base y el disco espaciador, pesar el molde con el suelo compactado y determinar el peso unitario total del suelo.

8.

Colocar un disco de papel de filtro sobre la base, invertir la muestra (de forma que el espacio de 5.1. cm dejado por el disco espaciador quede en la parte superior) y asegurar el molde a la base de forma que el suelo quede en contacto con el papel de filtro. Para muestras no saturadas, llevar a cabo los pasos 9 a 11 que se presentan a continuación.

9.

Colocar la muestra en la máquina de compresión y sentar el pistón sobre la superficie de suelo utilizando una carga inicial no mayor de 4.5 Kg.

Fijar el cero en los

deformímetros de medida de carga y de penetración (o deformación). 10. Hacer lecturas de deformación o penetración como se indica en la “Exposición General” y tomar las respectivas lecturas de deformímetro de carga.

Extraer la

muestra del molde y tomar dos muestras representativas adicionales para contenido de humedad. 110

Para muestras saturadas: 11. Colocar la placa perforada con el vástago ajustable sobre el suelo compactado y aplicar suficientes pesas ranuradas adicionales para obtener la sobrecarga deseada dentro de una aproximación de 2.2 Kg. Cuidando de que la sobrecarga total no sea inferior a 4.5 Kg. Registrar la sobrecarga total (asegurarse de incluir la placa perforada como parte del peso de sobrecarga). También asegurarse de usar un disco de papel de filtro entre la base perforada del vástago y el suelo para evitar que el suelo se pegue a la base del vástago. 12. Sumergir el molde y las pesas en un recipiente de agua de forma que el agua tenga acceso tanto a la parte superior como a la parte inferior de la muestra y ajustar el deformímetro de carátula (con lecturas al 0.01 mm) en su respectivo soporte (Fgs. indicadas en la teoría). Marcar sobre el molde los puntos donde se apoya el soporte de forma que pueda removerse y volverse a localizar sobre el molde en el mismo sitio cuando se desee hacer una lectura. 13. Colocar suficientes pesas ranuradas (no menos de 4.5 Kg.) sobre la muestra de suelo par simular la presión de sobrecarga requerida. 14. Ajustar en cero el deformímetro de expansión y registrar el tiempo que comienza del ensayo, tomar las lecturas a: 0, 1, 2, 4, 8, 12, 24, 36, 48,72 y 96 horas. De tiempo transcurrido. El ensayo de expansión puede terminarse después de 48 horas si las lecturas en el deformímetro de expansión se mantienen constantes por lo menos durante 24 horas 15. Al final de las 96 horas de inmersión, sacar la muestra y dejarla drenar por espacio de 15 min. Secar completamente la superficie superior de la muestra con toallas de papel. 16. Pesar la muestra sumergida incluyendo el molde y regístrese los datos. 17. Hacer los pasos 9 a 11 (es decir, tomar lecturas de penetración y cargas). 18. Tomar muestras para contenido de humedad del espécimen saturado de la siguiente forma: Dos dentro de los 3 cm superiores del suelo Dos dentro de los 3 cm inferiores del suelo

111

Dos en el centro de la muestra de suelo

Cálculos y presentación de resultados 19. Dibujar una curva de resistencia a la penetración (la ordenada) en Lbs/plg2 contra la penetración de plg. tanto para la muestra recién compactada como para la muestra saturada. Si la curva no es esencialmente lineal a través del origen, extender una línea desde la porción recta de la curva para tratar de interceptar el eje de las abscisas. La diferencia entre este valor y la penetración correspondiente a cero es una corrección que debe utilizarse para calcular el valor de CBR. Las curvas para ambas muestras (la saturada y la recién compactada) deben dibujarse en la misma gráfica con su identificación adecuada, junto con los valores de corrección de las curvas, de forma que se pueda apreciar fácilmente el efecto de saturación en la muestra. 20. Obtener la resistencia a la penetración para 2.5 y 5.0 mm de la curva (utilizando las correcciones del paso 1 anterior si se necesitan) y calcular el valor de CBR 21. Calcular los contenidos de humedad y las densidades secas de las muestras antes de saturar y en la condición final luego de saturadas. Para la muestra saturada, utilizar los datos del paso 18 del procedimiento A 22. Calcular el porcentaje de expansión sobre la base de la altura nominal inicial de la muestra. Dibujar una curva de porcentaje de expansión (ordenada) contra el tiempo transcurrido en una gráfica separada 23. El informe debe comparar los valores de CBR, presentar un resumen de los contenidos de humedad adecuadamente identificados, e incluir las curvas requeridas. Discutir el significado de un valor grande o pequeño obtenido en el CBR, cualquier cambio sufrido en el valor de CBR con la saturación, y cualquier expansión que hubiera podido tener lugar. ¿Cómo podría reducirse la expansión (si existe una cantidad significativa) o eliminarse para este suelo? Asegurarse de registrar en el informe los datos de Clasificación Unificada del Suelo y su respectiva clasificación  AASHTO.

IX.

ESTABILIZACIÓN DE SUELOS

112

Introducción

Cuando un suelo presenta resistencia suficiente para no sufrir deformaciones ni desgastes inadmisibles por la acción del uso o de los agentes atmosféricos y conserva además esta condición bajo los efectos climatológicos normales en la localidad, se dice que el suelo es estable. El suelo natural posee a veces la composición granulométrica y la plasticidad así como el grado de humedad necesario para que, una vez apisonado, presente las características mecánicas que lo hacen utilizable como firme de un camino. Los métodos empleados en la antigüedad para utilizar los suelos en la construcción eran empíricos y, como las demás actividades artesanas, se transmitían de generación en generación. Los conocimientos en la actualidad sobre este campo se basan principalmente en estudios sistemáticos con fundamento científico corroborado mediante la experimentación. En general puede decirse que todos los suelos pueden ser estabilizados, pero si la estabilización ha de lograrse por aportaciones de otros suelos o por medios de otros elementos (por ejemplo cemento, cal, cloruro de sodio) el costo de la operación puede resultar demasiado alto si el suelo que se trata de corregir no posee determinadas condiciones. Entre las aplicaciones de un suelo modificado o estabilizado se encuentran la mejora de los suelos granulares susceptibles a las heladas y el tratamiento de los suelos limosos y/o arcillosos para reducir los cambios de volumen. 9.2

Definición

Llamamos estabilización de un suelo al proceso mediante el cual se someten los suelos naturales a cierta manipulación o tratamiento de modo que podamos aprovechar sus mejores cualidades, obteniéndose un firme estable, capaz de soportar los efectos del tránsito y las condiciones de clima más severas.

9.3

Clases

113

Se dice que es la corrección de una deficiencia para darle una mayor resistencia al terreno o bien, disminuir su plasticidad. Las tres formas de lograrlo son las siguientes:

9.3.1 Estabilización Física: Este se utiliza para mejorar el suelo produciendo cambios físicos en el mismo. Hay varios métodos como lo son: 

Mezclas de Suelos: este tipo de estabilización es de amplio uso pero por si sola no logra producir los efectos deseados, necesitándose siempre de por lo menos la compactación como complemento.

Por ejemplo, los suelos de grano grueso como las gravas-arenas tienen una alta fricción interna lo que lo hacen soportar grandes esfuerzos, pero esta cualidad no hace que sea estable como para ser firme de una carretera ya que al no tener cohesión sus partículas se mueven libremente y con el paso de los vehículos se pueden separar e incluso salirse del camino. Las arcillas, por lo contrario, tienen una gran cohesión y muy poca fricción lo que provoca que pierdan estabilidad cuando hay mucha humedad. La mezcla adecuada de estos dos tipos de suelo puede dar como resultado un material estable en el que se puede aprovechar la gran fricción interna de uno y la cohesión del otro para que las partículas se mantengan unidas. 

Geotextiles



Vibroflotación (Mecánica de Suelos)



Consolidación Previa

9.3.2 Estabilización Química: Se refiere principalmente a la utilización de ciertas sustancias químicas patentizadas y cuyo uso involucra la sustitución de iones metálicos y cambios en la constitución de los suelos involucrados en el proceso. 

Cal: disminuye la plasticidad de los suelos arcillosos y es muy económica.



Cemento Portland: aumenta la resistencia de los suelos y se usa principalmente para arenas o gravas finas.



Productos Asfálticos: es una emulsión muy usada para material triturado sin cohesión.

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

Cloruro de Sodio: impermeabilizan y disminuyen los polvos en el suelo, principalmente para arcillas y limos.



Cloruro de Calcio: impermeabilizan y disminuyen los polvos en el suelo, principalmente para arcillas y limos.



Escorias de Fundición: este se utiliza comúnmente en carpetas asfálticas para darle mayor resistencia, impermeabilizarla y prolongar su vida útil.



Polímeros: este se utiliza comúnmente en carpetas asfálticas para darle mayor resistencia, impermeabilizarla y prolongar su vida útil.



Hule de Neumáticos: este se utiliza comúnmente en carpetas asfálticas para darle mayor resistencia, impermeabilizarla y prolongar su vida útil.

9.3.3 Estabilización Mecánica: Es aquella con la que se logra mejorar considerablemente un suelo sin que se produzcan reacciones químicas de importancia. 

Compactación: este mejoramiento generalmente se hace en la sub-base, base y en las carpetas asfálticas.

Mejoramiento de suelos: El mejoramiento de los suelos ha atendido a diversos requerimientos, tales como la resistencia al esfuerzo cortante, la deformabilidad o compresibilidad, la estabilidad volumétrica ante la presencia de agua, entre otros, buscando en todos los casos, un buen comportamiento esfuerzo deformación de los suelos y de la estructura que se coloque sobre ellos, a lo largo de su vida útil. En los terrenos arcillosos, particularmente en climas áridos o semiáridos, es altamente probable encontrar problemas relacionados con inestabilidades volumétricas ante la ganancia o pérdida de agua. Existen en la práctica diversos métodos para estabilizar a tales suelos; cada método, utiliza diferentes agentes estabilizadores, entre los que se pueden encontrar: La cal El cemento Pórtland Productos asfálticos  Ácidos orgánicos 115

Resinas y polímeros Sales, entre otros Incluso se ha utilizado la combinación de diferentes productos estabilizadores, así como la mezcla de suelos con el fin de dar soluciones óptimas a problemas particulares.

Cosificación de suelos con fines de estabilización Existen varios sistemas para clasificar a los suelos con fines de estabilización, uno de los más conocidos es el que se basa en el tamaño, forma y arreglo de las partículas y conocido como sistema Northcote, en donde se divide al suelo en los grupos fundamentales siguientes:

Descripción

Símbolo

Suelos con perfil de textura uniforme

U

Suelos con perfil de textura gradual

G

Suelos con perfil de textura doble

D

Suelos orgánicos

O

Entendiéndose el concepto de textura desde el punto de vista científico geotécnico, a la forma en que están agregadas las partículas de arena, limo y arcilla. Además la descripción de textura se compone de tres partes: forma, tamaño y grado de desarrollo.  Asimismo se subdivide a estos suelos en subgrupos de acuerdo con algunas características visibles tales como el color, presencia de concreciones, rellenos en as grietas o fisuras, etc., así como algunas características no detectables a simple esta como lo es la alcalinidad o acidez. Cabe mencionar que esta clasificación no a sido aceptada en forma universal, aunque actualmente se están haciendo algunos esfuerzos para que sea aceptada. Resulta razonable pensar que mientras mejor se conozcan las características físicas y químicas de un suelo mejor se puede emprender el estudio de la estabilización.

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Productos empleados en la estabilización de los suelos

En el diseño de la estabilización de un suelo se deben tener presentes las variaciones que se espera lograr en lo que se respecta a la estabilidad volumétrica, resistencia mecánica, permeabilidad, durabilidad y compresibilidad. El diseño de estabilizaciones con agentes estabilizantes, consiste en llevar a cabo una adecuada clasificación del suelo con la cual se determina el tipo y cantidad de agente estabilizante así como el procedimiento para efectuar la estabilización. El método de diseño obviamente depende del uso que se pretenda dar al suelo estabilizado. En la Tabla se presenta la respuesta de los principales tipos de suelos a la estabilización con diversos aditivos.

Suelos estabilizados con cal Antecedentes: Hoy día las limitaciones más importantes en el diseño de estructuras para caminos y carreteras, sin menospreciar los parámetros de ingeniería, han sido el aspecto económico y cuidado del medio ambiente. Las soluciones tienden, con cada vez más frecuencia, al uso de tecnología y métodos de probada eficiencia. Los bancos de materiales se agotan o son de baja calidad, a la vez que agredimos el medio ambiente. En otros casos, simplemente no tenemos alternativa y debemos emplear los materiales del lugar. Es aquí donde la cal, un aditivo barato, ofrece una solución a estos problemas crónicos. El uso de material del lugar modificando sus propiedades conforme al proyecto, puede lograrse por diversos métodos, pero solo uno proporcionará una solución a largo plazo, el cambio en las propiedades químicas de sus elementos. Las características alcanzadas por medios químicos permanecerán inalterables e incluso mejorarán con el tiempo.

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La cal como un producto químico versátil representa importantes ventajas. En suelos geológicamente nuevos como las amplias zonas agrícolas, puede ser utilizado para estabilizar material con alto contenido de finos e índice plástico, para proporcionar una buena base. “Un camino es tan fuerte como sea su base”, reza el dicho.

Estabilización con Cal: La cal hidratada es el agente estabilizador que se ha usado más profusamente a través de la historia, pero solo recientemente se han hecho estudios científicos relacionados a su empleo como estabilizador de suelos y se han cuantificados sus magníficos resultados. Cuando tenemos arcillas muy plásticas podemos disminuir dicha plasticidad y consecuentemente los cambios volumétricos de la misma asociados a la variación en los contenidos de humedad con el solo hecho de agregarle una pequeña proporción de cal. Este es un método económico para disminuir la plasticidad de los suelos y darle un aumento en la resistencia. Los porcentajes por agregar varían del 2 al 6% con respecto al suelo seco del material para estabilizar, con estos porcentajes se consigue estabilizar la actividad de las arcillas obteniéndose un descenso en el índice plástico y un aumento en la resistencia. Es recomendable no usar mas del 6% ya que con esto se aumenta la resistencia pero también tenemos un incremento en la plasticidad. Los estudios que se deben realizar a suelos estabilizados con cal son: límites de Atterberg, granulometría, valor cementante, equivalente de arena, VRS, compresión. Se ha determinado que al mezclar la arcilla con cal apagada los iones de calcio sustituyen algunos iones metálicos presentes en la película de agua que rodea a la partícula de arcilla y que son responsables de los cambios volumétricos, además, si el suelo tratado contiene suficiente sílice y alúmina estos pueden reaccionar formando silicatos de calcio y alúmina. Estos silicatos tienen un gran poder cementante, lo que implica que al agregar cal también se logra aumentar la resistencia del suelo. Como especificamos anteriormente, la dosificación dependerá del tipo de arcilla, se agregará de 1% al 6% de cal por peso seco. Este porcentaje debe determinarse en el laboratorio, pero lo más común en la mayoría de los casos se requiere de un porcentaje cerca del 3%.

118

9.4

Procedimiento Constructivo:

La capa inferior a la que se va a estabilizar, deberá estar totalmente terminada, el mezclado puede realizarse en una planta adecuada o en campo, obteniéndose mejores resultados en el primer caso, la cual puede agregarse en forma de lechada, a granel o en sacada. Si se agrega en forma de lechada, ésta se disuelve en el agua de compactación, la que se incrementa en un 5%. Cuando se efectúa el mezclado en el campo, el material que se va a mejorar deberá estar disgregado y acamellonado, se abre una parte y se le agrega el estabilizador distribuyéndolo en el suelo para después hacer un mezclado en seco, se recomienda agregar una ligera cantidad de agua para evitar los polvos. Después de esto se agrega el agua necesaria y se tiende la mezcla debiendo darle un curado de hasta 48 horas de acuerdo con el tipo de arcilla de que se trate. Se tiende la mezcla y se compacta a lo que marca el proyecto para después aplicarle un curado final, el cual consiste en mantener la superficie húmeda por medio de un ligero rocío. Se recomienda no estabilizar cuando amenace lluvia o cuando la temperatura ambiente sea menor a 5 ° C, además se recomienda que la superficie mejorada se abra al tránsito vehicular en un tiempo de 24 a 48 horas.

Cómo funciona la cal en suelos arcillosos: Recordando la forma de fabricar el cemento, veremos que éste reproduce a partir de la calcinación de calizas en un 70% y arcillas en 30% para formar el clinker. Al cual se agregan otros componentes como el yeso para retardar en tiempo de fraguado (Ver figura 1). El producto resultante reaccionara rápidamente al ser hidratado. Esta resistencia y capacidad de carga son bien conocidas para elaborar el concreto estructural. La fabricación de la cal es muy similar. La explotación es 100% de calizas, que al calcinarlas producen el oxido de calcio. Este producto es triturado y ofrecido en dos presentaciones, cal viva (sin hidratar) o cal hidratada (Ver figura 2)

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Haciendo un analogía del proceso del cemento, si a un suelo arcilloso le agregamos el componente calizo estaremos haciendo un cemento de baja resistencia, pero suficiente para formar una base estabilizada. El componente calizo + las arcillas del suelo existente, se consolidaran paulatinamente e irreversiblemente, a un bajo costo. Mezclado la proporción adecuada de cal, reducimos la capacidad de variación volumétrica del suelo y obtenemos una capacidad de compresión que separa los 40 o 50 kgs/cm 2, similar a la capacidad de carga de ladrillos o bloques de concreto, siendo usado como base.

Cómo funciona la cal en carreteras y caminos: La estructura de un camino requiere de una base con cierta capacidad de carga y baja variación volumétrica, esto se logra tradicionalmente con la compactación. Sin embargo la compactación no es siempre la solución ideal para suelos altamente plásticos o con variaciones volumétricas importantes. Estabilizar el terreno natural con cal para obtener una base resulta más barato que cortar y acamellonar el material existente, explotar un banco y acarrear el material de mejoramiento, homogenizarlo, tenderlo, compactarlo, e impregnarlo. Aún después de estos procesos, no tenemos la garantía de que una base compactada no presentará baches o fallas estructurales. Una arcilla mezclado con cal y agua reacciona formando cristales que formarán un elemento sólido de alta resistencia. La estabilización de suelos arcillosos con cal es irreversible. En una reacción química que formará un alosa cementada impermeable de gran resistencia y bajo mantenimiento. Dependiendo del proyecto, esa losa se cubre con una superficie de rodamiento como la carpeta asfáltica y/o el sello en su caso. A medida que pasa el tiempo la base se solidifica y solo será necesario dar mantenimiento a la capa de desgaste o carpeta.

Estabilización de arcillas y finos: Cada suelos se analiza para conocer sus características y necesidades especificas de estabilización mediante incorporación de cal. L laboratorio se determina este contenido óptimo necesario para reducir el porcentaje de variación volumétrica (Ver figura 3)

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De acuerdo a la cantidad de cal óptima, puede ser determinada la resistencia simple a la compresión que le suelo estabilizado será capaz de soportar, siendo ésta significativamente mayor a medida que el tiempo pasa (Ver figura 4)

Otras propiedades de las calizas: La afinidad química del pétreo de origen calizo es un factor que merece ser considerado en la elaboración de mezclas asfálticas, por sus propiedades a nivel molecular, las valencias positivas del calcio generan una estabilidad eléctrica con el asfalto (cuya valencia es negativa) provocando una adherencia significativa e impidiendo la disgregación de la mezcla. El uso de arenas producto de la trituración de la caliza, como agregados finos en las carpetas asfálticas, proporciona estabilidad adicional a las mezclas. Este conocimiento no es nuevo y ha sido verificado con frecuencia en laboratorio.- el uso de finos de origen calizo garantiza las mismas propiedades con el asfalto y con ello la integración ideal con los agregados.

Preparación de las muestras suelo – cal en laboratorio para determinar ll y lp 1.

Trituración de la muestra de suelo hasta que los terrones sean: 100% menores a 1” y

64% min. Pase el tamiz # 4 Tamaño de la muestra (20Kg) suficiente para los ensayos Granulometría Ensayo Proctor modificado (densidad – humedad) Limites de Atterberg CBR (capacidad portante del suelo) Hinchamiento 2.

Adición y mezcla con el % de cal elegido.

3.

Agua de humectación > en 4% al w optimo. ( 72 horas en reposo en ambiente cerrado para medir la desecación del suelo)

4.

Extracción por cuarteo del espécimen para los limites de Atterberg (Aprox. 300 gr)

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5.

Secado en estufa a 60ºC hasta obtener peso constante (aprox. 24h). 6.

Desmoronamiento de los terrones formados con la cal empleando un martillo de goma ( frotando contra las paredes del recipiente hasta que el 100% pase el Tamiz 40)

7.

Tamizado en seco a través de la malla 40.

8.

Humedecimiento del espécimen empleando un contenido de humedad cercano al del límite plástico del suelo natural.

9.

El resto del proceso es el que se usa corrientemente para la determinación del LL y LP de los suelos.

9.5. Resumen del proceso constructivo en una carretera usando cal para estabilizar un terreno

Figura 1: Escarificado del terreno natural

122

Figura 2: Trituración de la subrasante arcillosa

Figura 3: Incorporación de cal

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Figura 4: Perfilado subrasante

Figura 5: Riego con cisterna

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Figura 6: Compactación inicial

Figura 6: Compactación final

Recordando la forma de fabricar el cemento, veremos que éste reproduce a partir de la calcinación de calizas en un 70% y arcillas en 30% para formar el clinker. Al cual se agregan otros componentes como el yeso para retardar en tiempo de fraguado. El producto resultante reaccionara rápidamente al ser hidratado. Esta resistencia y capacidad de carga son bien conocidas para elaborar el concreto estructural.

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La fabricación de la cal es muy similar. La explotación es 100% de calizas, que al calcinarlas producen el oxido de calcio. Este producto es triturado y ofrecido en dos presentaciones, cal viva (sin hidratar) o cal hidratada. Haciendo un analogía del proceso del cemento, si a un suelo arcilloso le agregamos el componente calizo estaremos haciendo un cemento de baja resistencia, pero suficiente para formar una base estabilizada. El componente calizo + las arcillas del suelo existente, se consolidaran paulatinamente e irreversiblemente, a un bajo costo. Mezclado la proporción adecuada de cal, reducimos la capacidad de variación volumétrica del suelo y obtenemos una capacidad de compresión que separa los 40 o 50 kgs/cm 2, similar a la capacidad de carga de ladrillos o bloques de concreto, siendo usado como base.

Cómo funciona la cal en carreteras y caminos La estructura de un camino requiere de una base con cierta capacidad de carga y baja variación volumétrica, esto se logra tradicionalmente con la compactación. Sin embargo la compactación no es siempre la solución ideal para suelos altamente plásticos o con variaciones volumétricas importantes. Estabilizar el terreno natural con cal para obtener una base resulta más barato que cortar y acamellonar el material existente, explotar un banco y acarrear el material de mejoramiento, homogenizarlo, tenderlo, compactarlo, e impregnarlo. Aún después de estos procesos, no tenemos la garantía de que una base compactada no presentará baches o fallas estructurales. Una arcilla mezclado con cal y agua reacciona formando cristales que formarán un elemento sólido de alta resistencia. La estabilización de suelos arcillosos con cal es irreversible. En una reacción química que formará un alosa cementada impermeable de gran resistencia y bajo mantenimiento. Dependiendo del proyecto, esa losa se cubre con una superficie de rodamiento como la carpeta asfáltica y/o el sello en su caso. A medida que pasa el tiempo la base se solidifica y solo será necesario dar mantenimiento a la capa de desgaste o carpeta.

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Estabilización de arcillas y finos Cada suelo se analiza para conocer sus características y necesidades especificas de estabilización mediante incorporación de cal. L laboratorio se determina este contenido óptimo necesario para reducir el porcentaje de variación volumétrica. De acuerdo a la cantidad de cal óptima, puede ser determinada la resistencia simple a la compresión que le suelo estabilizado será capaz de soportar, siendo ésta significativamente mayor a medida que el tiempo pasa.

Otras propiedades de las calizas La afinidad química del pétreo de origen calizo es un factor que merece ser considerado en la elaboración de mezclas asfálticas, por sus propiedades a nivel molecular, las valencias positivas del calcio generan una estabilidad eléctrica con el asfalto (cuya valencia es negativa) provocando una adherencia significativa e impidiendo la disgregación de la mezcla. El uso de arenas producto de la trituración de la caliza, como agregados finos en las carpetas asfálticas, proporciona estabilidad adicional a las mezclas. Este conocimiento no es nuevo y ha sido verificado con frecuencia en laboratorio.- el uso de finos de origen calizo garantiza las mismas propiedades con el asfalto y con ello la integración ideal con los agregados

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