GENERALIDADES El Suelo.Es un conjunto de agregados de partículas p artículas no consolidadas, proveniente proveniente de la descomposición de la corteza terrestre como consecuencia de la intemperización. Las partículas pueden ser grandes (15 a 20 cm) como también de pequeñas dimensiones. Debe tener una resistencia al corte menor a 14 kg/cm2. Estudio del Suelo.Se le estudia desde el punto de vista de la: Geología: El Geología: El suelo es una roca blanda. Agrología: El suelo es el lugar donde se sustentan las plantas. Agrología: Ingeniería Civil: La Civil: La geotecnia que estudia a las rocas y suelos desde el punto de vista mecánico (estático y dinámico). El comportamiento Mecánico.Está dado por la resistencia y la deformabilidad. Resistencia: Es Resistencia: Es el máximo esfuerzo que soporta el suelo. Deformabilidad:: Es cuánto se deforma ante un esfuerzo u otras solicitaciones. Deformabilidad solicitaciones. Esfuerzos: compresión, tracción, corte. Esfuerzos: compresión, Características del Suelo.Existe una gran variedad de suelos; es muy heterogéneo, no está distribuido uniformemente tanto en planta como en corte. Es de comportamiento complejo, no son homogéneos, isótropos, continuos continuos ni elásticos. Por lo tanto es heterogéneo, anisótropo, discontinuo e inelástico. Forma de Estudio de la Mecánica de Suelos.Se realiza la investigación del sitio para cada tipo de proyecto. Mediante un laboratorio bien equipado. En campo mediante el muestreo, ensayos de campo.
EL SUELO Origen.Los suelos se forman de la descomposición descomposición de las rocas. Las formas de descomposición descomposición son: Agentes físicos:
Agentes químicos:
Esfuerzos:
Solución
Tracción
Oxidación
Compresión
Lixiviación
Corte
Hidrólisis
Calor – frío
Hidratación
Cambios de humedad La energía del sol provoca los cambios de temperatura, provocando vientos, lluvias, escorrentía. Así mismo se da la dilatación dilatación y contracción contracción térmica. El incremento de temperatura no es uniforme. La superficie de una roca se calienta y no transmite a su interior el calor, produciéndose el fenómeno llamado exfoliación. El agua cuando se congela aumenta de volumen y tiende a partir la roca. La acción de las plantas y otras partículas tienden a partir la roca. La exfoliación elástica es cuando una roca está sometida a grandes presiones y luego es liberada de dicha presión, la roca se fisura en forma paralela a su superficie y tiende a incrementar su volumen. Los glaciares son grandes masas de hielo en movimiento. Todos estos factores son procesos físicos que tienden a desgastar el suelo. Los agentes químicos transforman los nexos químicos de los cementantes liberando las partículas. Descomponen Descomponen al mineral que componen la roca, generándose los suelos finos formados por diferentes minerales. Clasificación General.Los suelos gruesos conformados por rocas y minerales, provienen de la descomposición por agentes físicos (gravas y arenas).
Lutitas
52%
Areniscas
15%
Granito
15%
Calizas y dolomitas 7% Basaltos
3%
Otros
8%
Los suelos finos tienen minerales propios, provienen como consecuencia de la transformación por agentes químicos. Tienen minerales arcillosos: Caolinita Illita Montmorilonita La división entre suelos gruesos y finos es de 0.10 mm. Entre grava y arena de 2 mm. Entre limos y arcillas la plasticidad. Clasificación de los Suelos por su Origen.1) Suelos Transportados.Son suelos formados por la meteorización de la roca en un determinado lugar y que ahora se encuentran en otro lugar, transportados por agentes como los glaciares, el viento, los ríos, las fuerzas de gravedad, etc. Suelos Aluviales.Son suelos que han sido transportados por el agua. Fluvio Aluvial.-
Contienen partículas redondeadas.
-
Son de partículas duras.
-
Son clasificados por tamaños.
-
Presentan estratificación. estratificación.
-
Son formados por suelos gruesos.
-
Lacustre Aluvial.-
Formado por suelos finos.
-
Se presentan los micro estratos.
-
Forman capas horizontales y delgadas.
-
Contienen arcillas barbadas.
-
Contienen capas alternas de arcillas y de arenas finas.
Marino Aluvial.-
Contienen fósiles marinos.
-
Contienen capas de diatomeas.
-
Forman capas mucho más gruesas (estratos).
-
Son parecidos a los lacustres.
Suelos Coluviales.Son mezclas de arcillas, arenas, fragmentos de roca caóticamente mezclados (huaycos). Están formados por fragmentos angulares. No tienen una estratificación definida. Es caótica, no es uniforme. Suelos Diluviales.Son suelos aluviales muy antiguos. Es de coloración anaranjada, amarillenta y otros. Tiene cierta cohesión, sus partículas están ligeramente pegadas (cementadas), el cementante puede ser silicio, cementante calcáreo, cementante salino, cementante arcilloso. Suelos Proluviales.Son suelos que conforman el frente de un cono de deposición (deyección). A la parte frontal de un cono se conoce como suelos proluviales por contener material más grueso. Suelos Glaciales.Las morrenas.Son masas de hielo que bajan por las quebradas hasta una zona donde se disuelve y deja de arrastrar materiales. El depósito tiene forma de media luna (herradura).
Esta conformado por piedras, arenas finas, pocos limos. Son de forma angular. No existe estratificación ni clasificación. Es un material caótico. El material es de cara estriada (piedras rayadas en diferentes direcciones). Tipos de Morrenas.-
Morrenas basales: rocas finas.
-
Morrenas laterales: rocas más grandes.
-
Morrenas terminales.
Los Eskeres.Tienen material fluvio aluvial, son originados por ríos que circulan en túneles dentro del hielo. Se encuentran sobre pendientes. Su composición es fluvial. Se encuentran sobre llanuras. Los Drumlins.Son montículos de material morrénico. Son bloques abandonados de hielo. Contienen fragmentos angulares de diversos tamaños. Suelos Eólicos.Son suelos transportados por el viento. Las Dunas.Son arenas muy uniformes de 0.50 a 1.00 mm. Tienen partículas muy redondeadas. Se forman en zonas secas. El Loes.Se forman donde existen niveles freáticos altos. Tienen partículas muy redondeadas. Tienen capas sueltas.
Presentan orificios verticales. No soportan mucho peso. Sus partículas están cementadas generalmente por sales. Es un suelo colapsable: -
Es resistente en seco
-
Falla al humedecerse.
Suelos Gravitacionales.Derrumbes.Son fragmentos de roca. Talus.Están al pie de un corte, es un material muy suelto, es malo como fundación (cimentación). Rellenos.Son materiales transportados artificialmente. Rellenos compactados: para obras civiles. Rellenos sanitarios: basura. Rellenos de desmonte: son desechos de construcción o demoliciones. 2) Suelos Residuales.Son materiales previamente meteorizados pero no erosionados, permanecen sobre la roca que les dio origen. Son características de zonas tropicales. En la selva existe abundancia de vida. Hay gran actividad química que descompone la roca. No hay pendiente. Están protegidas del viento. Suelos Lateríticos.Son generados en las zonas selváticas, tropicales por la acción química gracias a la abundante vegetación, precipitación, residuos orgánicos, alta temperatura, poca pendiente. Tienen colores muy vivos. Son de estructura cristalina. Su relación de vacíos es alta. Presentan la estructura y característica de la roca original. Presentan un perfil de laterización.
Suelos Saprolitos.Son productos de grandes esfuerzos, se fisuran en tal grado pero que no es trasladado, se producen en zonas de falla geológica. Suelos Metasomatitas.Se forman por la filtración de agua a grandes profundidades y su salida a grandes presiones (aguas calientes), y se produce un suelo altamente degradado. Alteración química de roca triturada por agua y vapores agresivos. Es blanda, arcillosa. Se dan en zonas de fallas geológicas. Suelos Milonitas.Se forman en zonas de fallas geológicas, es un material triturado y alterado por el agua. ESTRUCTURA DEL SUELO Y MINERALES QUE LO CONSTITUYEN Forma de las Partículas Minerales de un Suelo.La forma de las partículas minerales que constituyen una masa de suelo tiene importancia en el comportamiento mecánico de éste; la forma varía de acuerdo al tipo de suelo. • La forma redondeada que es prácticamente la esférica. • La forma sub redondeada que es medianamente redondeada. • La forma sub angulosa cuando los vértices y aristas están redondeados por
efecto del rodado y la abrahasión. • La forma angulosa cuando presentan aristas y vértices aguzados.
La forma de las partículas se pueden medir utilizando parámetros tales como la esfericidad y la angulosidad. La Esfericidad.Es una característica significativa de los granos redondeados; se describe mediante las diferencias entre el largo, el ancho y su espesor. El diámetro equivalente de las partículas, es el diámetro de una esfera de igual volumen que la partícula.
De = raíz cúbica de 6v entre pi Donde: De = diámetro equivalente y v = volumen La esfericidad se define de la siguiente manera: x = De entre L Donde: L = largo de la partícula Una esfera tiene una esfericidad igual a uno, mientras que una partícula plana tiene un valor menor. Un segundo índice es la planiformidad que se define por la relación: F = B entre H Donde: B = ancho de la partícula y H = espesor de la partícula El alargamiento E se expresa por la relación: E = L entre B Con la esfericidad se relacionan la facilidad de manipular los suelos o rocas fracturadas, la capacidad de permanecer estables cuando están sometidas a choques y su resistencia a la ruptura debido a la acción de las cargas. Cuanto mayor es la esfericidad y menor la planiformidad o el alargamiento, menor es la tendencia de las partículas a desmenuzarse en partículas menores bajo la acción de las cargas. Las partículas planas o alargadas tienden a orientarse de manera que quedan paralelas cuando estos suelos se utilizan en la construcción de terraplenes de carreteras formando planos de debilitamiento. Pero por otro lado una vez que las partículas se han trabado por efecto de la compactación forman una masa relativamente estable. La Angulosidad.O redondez R, son medidas de la agudeza de los vértices de las partículas, y se definen mediante la siguiente expresión:
R = radio promedio de vértices de aristas entre radio de la esfera máxima inscrita La angulosidad tiene una profunda influencia sobre el comportamiento ingenieril de las partículas del suelo. Por efecto de las cargas los vértices angulosos se rompen y trituran, pero las partículas tienden a resistir el desplazamiento. Las partículas redondas más lisas son menos resistentes al desplazamiento pero es menos probable a que se trituren. En suelos finos a causa de su génesis especial la forma de las partículas tienden a ser aplastadas, por lo que las partículas minerales de las arcillas en su mayor parte adoptan la forma laminar, como excepción algunos minerales tienen muy baja esfericidad (típicamente < 0.001 mm), son finas, pero no necesariamente muy alargadas; parecen hojas de papel en cuanto a sus dimensiones relativas. Se forman por la meteorización mecánica o desintegración de la mica, pero las partículas laminares más comunes son las de los minerales arcillosos. Comparadas con los granos redondeados son flexibles y elásticas como las hojas secas. Durante años se creyó que el tamaño de las partículas era el factor determinante en algunas propiedades mecánicas de los suelos concretamente en la compresibilidad. Hoy se estima que la forma de las partículas juega un papel mucho más preponderante en esta propiedad. Se ha realizado un experimento clásico como prueba de lo dicho anteriormente, consiste en llenar dos probetas de 1000 cc, una con arena y la otra con escamas de mica, de tamaño análogo; aplicando presión a la arena con un pistón, la compresión es tan pequeña que difícilmente es apreciable; sin embargo las mismas presiones aplicadas a la mica pueden reducir volumétricamente hasta el 80%. Estructuras de los Suelos.Los suelos gruesos o granulares están formados por partículas equidimensionales (largo, ancho, alto). Los suelos finos tienen partículas laminares. GRAFICO – ESQUEMA Estructura de los Suelos Gruesos.El peso propio es la fuerza mayor.
Las fuerzas de atracción o repulsión son insignificantes (magnéticas, eléctricas, gravitacionales). GRAFICO – ESQUEMA La variedad de los tamaños de las partículas producen una estructura aún más densa. GRAFICO – ESQUEMA Estructura de los Suelos Finos.El peso de las partículas es insignificante. Las fuerzas de atracción y repulsión eléctrica son predominantes. Las estructuras básicas que se presentan en los suelos son las siguientes:
-
La estructura simple.
-
La estructura panaloide.
-
La estructura floculenta.
-
La estructura compuesta.
-
La estructura en forma de casino de naipes.
-
La estructura dispersa.
Estructura Simple.Es aquella producida cuando las fuerzas debidas al campo gravitacional terrestre son claramente predominantes en la disposición de las partículas y es por lo tanto típica de los suelos de grano grueso (gravas y arenas limpias), de la masa comparativamente importante. Las partículas se disponen apoyándose directamente unas en otras y cada partícula posee varios puntos de apoyo. Desde un punto de vista ingenieril, el comportamiento mecánico e hidráulico de un suelo de estructura simple, queda definido principalmente por dos características fundamentales: • La compacidad o densidad. • La orientación de sus partículas.
La Compacidad.Se refiere al grado de acomodo alcanzado por las partículas del suelo, dejando más o menos vacios entre ellas. En un suelo muy compacto, las partículas que las constituyen tienen un alto grado de acomodo y la compacidad de deformación bajo carga del conjunto será pequeño. En suelos poco compactos el grado de acomodo es menor; en ellos el volumen de vacios y por ende la capacidad de deformación, serán mayores. Para medir la compacidad de un suelo de estructura simple, Terzaghi introdujo una relación empírica, determinable en laboratorio y campo, llamada compacidad relativa Cr ó densidad relativa Dr, que se determina mediante la siguiente expresión: Cr% = ((emáx – enat) / (emáx – emin)) x100 Donde: emáx = relación de vacios correspondiente al estado más suelto del suelo. emin = relación de vacios correspondiente al estado más compacto del suelo. enat = relación de vacios del suelo en su estado natural. Cr% = ((γdmáx (γd – γdmin) / γd (γdmáx – γdmin)) x100 Donde: γdmáx = peso específico seco correspondiente al suelo más compacto. γdmin = peso específico seco correspondiente al suelo más suelto. γd = peso específico seco correspondiente al suelo en su estado natural (in situ).
La Orientación de las Partículas.Es una propiedad que tiene fundamental importancia en la permeabilidad del suelo, según que el flujo del agua sea normal o paralela a la dirección de orientación de las partículas; el efecto aumenta notablemente si el suelo contiene un porcentaje apreciable de partículas laminares. Aún en arenas naturales de formas prácticamente equidimensionales el efecto de la orientación sobre la permeabilidad es apreciable.
Estructura Panaloide.Esta estructura se considera típica en granos de pequeño tamaño 0.002 mm de diámetro que se depositan en un medio continuo, normalmente agua y en ocasiones aire. La estructura panaloide bien puede corresponder a una situación en la que los grumos forman agrupamientos particulares durante la sedimentación y el conjunto de ellas llegan a formar una celda, con cantidad importante de vacios a modo de un panal. GRAFICO – ESQUEMA Estructura Floculenta.Cuando en el proceso de sedimentación, dos partículas de diámetros menores de 0.02 mm llegan a tocarse, se adhieren con fuerza y se sedimentan juntas, así otras partículas pueden unirse al grupo, formando un grumo con una estructura también similar a un panal. Cuando éstos grumos llegan al fondo forman a su vez panales cuyas bóvedas no están ya formadas por partículas individuales sino por grumos mencionados. Este mecanismo produce una estructura muy blanda y suelta, con gran volumen de vacios, llamada floculenta y a veces panaloide de orden superior. Las partículas menores de 0.0002 mm ó 0.2 micras se consideran ya como coloides; estas partículas pueden permanecer en suspensión indefinidamente, pues en ellas el peso ejerce poca influencia en comparación a las fuerzas de atracción molecular ejercidas por el propio agua. GRAFICO – ESQUEMA Estructura Compuesta.En la práctica raramente se presenta en forma aislada las estructuras anteriores, pues la sedimentación comprende partículas de todos los tamaños y tipos, para las que rigen las leyes de la naturaleza de modo diferente. En estas formaciones se definen un esqueleto constituido por los granos gruesos y por masas coloidales de floculos que proporcionan nexo entre ellas. GRAFICO – ESQUEMA Estructura en Forma de Castillo de Naipes.-
Llamada también floculada; es una estructura que tiene forma de un castillo de naipes, formada por las partículas de forma laminar de los suelos. GRAFICO – ESQUEMA La plasticidad se da con respecto al agua adsorbida de cada partícula y la carga bipolar del agua. La cohesión esta dado por la presencia del agua, atracción de las partículas con respecto al signo positivo y negativo. Estructura Dispersa.Es cuando las partículas se separan y adoptan una posición tal como se muestra en la figura: GRAFICO – ESQUEMA Minerales Constitutivos de los Suelos Gruesos.Un mineral es una sustancia inorgánica y natural, que tiene una estructura interna característica determinada por un cierto arreglo específico de sus átomos e iones. Su composición química y sus propiedades físicas o son fijas o varían dentro de límites definidos. En los suelos formados por partículas gruesas los minerales predominantes son: Silicatos.Principalmente feldespatos (de potasio, sodio o calcio, micas, olivino, etc.). Óxidos.Cuyos principales exponentes son el cuarzo, la limolita, la magnetita. Carbonatos.Entre los que destacan la calcita, la dolomita. Sulfatos.Cuyos principales componentes son el yeso, la anhidrita.
En los suelos gruesos el comportamiento mecánico e hidráulico esta principalmente condicionado por su compacidad y por la orientación de sus partículas, por lo que la constitución mineralógica es hasta cierto punto secundaria. Ello no debe interpretarse como un motivo para que el ingeniero se desentienda de este tópico cuyo estudio puede ser muy informativo en más de un aspecto práctico. Minerales Constitutivos de las Arcillas.El Ing. Civil debe ponerse en guardia siempre que se encuentre arcillas en un terreno destinado a cimentar una estructura. La experiencia ha demostrado que en algunas circunstancias acontecen fenómenos imprevisibles, por lo que se hace imprescindibles conocer los minerales constituyentes de las arcillas. Las arcillas están constituidas básicamente por silicatos de aluminio hidratado y ocasionalmente silicatos de magnesio, hierro u otros metales también hidratados. Estos minerales tienen casi siempre una estructura cristalina definida cuyos átomos se disponen en láminas. Existen dos variedades de láminas, la silícica y la alumínica. La Lámina Silícica.Está formada por un átomo de silicio, rodeado de cuatro átomos de oxígeno, disponiéndose el conjunto en forma de tetraedro. Estos tetraedros se agrupan en unidades hexagonales, estas unidades se repiten indefinidamente constituyendo una retícula laminar. GRAFICO – ESQUEMA La Lámina Alumínica.Está formado por retículas de octaedros, dispuestos con un átomo de aluminio al centro y seis átomos de oxígeno alrededor; estas retículas también se repiten indefinidamente constituyendo una retícula laminar de la siguiente forma: GRAFICO – ESQUEMA
De acuerdo a la estructura reticular los minerales de arcilla se clasifican en tres grandes grupos que son: Las Caolinitas.Están conformadas por una lámina silícica y otra alumínica que se superponen indefinidamente. GRAFICO – ESQUEMA La unión entre todas las retículas laminares es lo suficientemente firme para no permitir la penetración de moléculas de agua entre ellas. En consecuencia las arcillas caoliníticas son estables en presencia del agua, húmedas son moderadamente plásticas y tienden a poseer un coeficiente de tensión interna mayores que otras arcillas. Las Montmorilonitas.Están formadas por una lámina alumínica entre dos silícicas, superponiéndose indefinidamente. En este caso la unión entre las retículas del mineral es débil, por lo que las moléculas de agua pueden introducirse en la estructura con relativa facilidad. GRAFICO – ESQUEMA En consecuencia las arcillas montmoriloníticas especialmente en presencia del agua, presentan fuerte tendencia a la inestabilidad, húmedas poseen una gran plasticidad y un bajo coeficiente de fricción interna, en su proceso de desecación tiene grandes contracciones y agrietamientos. Estas características de dilatación es preocupante en ingeniería pues ocasiona levantamientos del suelo de cimentación, pavimentos, losas, que se colocan abiertamente sobre estos terrenos, etc. Las arcillas llamadas bentonitas pertenecen a este grupo, originadas por la descomposición química de cenizas volcánicas y presentan la expansividad típica del grupo en forma particularmente aguda, lo que hace sumamente crítico en su comportamiento mecánico. Se usa en construcción como lodo bentonítico para estabilizar las excavaciones.
Las arcillas montmoriloníticas por otra parte en ocasiones ayuda al Ing. En la resolución de ciertos problemas prácticos (para impedir fugas en depósitos y canales). Las Illitas.Están estructuradas análogamente que las montmorilonitas, pero su constitución interna manifiesta tendencia a formar grumos de material que reducen el área expuesta al agua por unidad de volumen, por ello su expansividad es menor que las anteriores. En general las arcillas illiticas tienen propiedades internas intermedias entre las caolinitas y las montmoriloníticas. Las illitas se obtienen principalmente de la mucovita (mica) y las bio titas que a menudo se le llama arcillas micáceas. GRAFICO – ESQUEMA Algunas Variantes.Si a la illita le cambiamos su lámina alumínica por una lámina de Mg, se convierte en vermicurita. GRAFICO – ESQUEMA Físico Química de las Arcillas.La superficie de cada partícula del suelo carga eléctrica negativa, según se desprende de la estructura iónica. La intensidad de la carga depende de la estructuración y composición de la arcilla, así la partícula atrae a los iones positivos del agua (H+) y a cationes de diferentes elementos químicos tales como Na+, K+, Ca++, Mg++,Al+++, Fe+++. Lo anterior conduce en primer lugar al hecho de que cada partícula individual de arcilla se ve rodeada de una capa de moléculas de agua orientadas en forma definida y ligadas a su estructura (agua adsorbida). Las moléculas de agua son polarizadas, es decir en ellas no coinciden los centros de gravedad de sus cargas positivas y negativas, sino que funciona como pequeños dipolos permanentes; al ligarse a la partícula por su carga positiva el polo de agua negativa queda en posibilidad de actuar como origen de atracción para otros cationes positivos. Los propios cationes atraen moléculas de agua gracias a la naturaleza polarizada de éstas, de modo que cada catión esta en posibilidad de poseer un volumen de agua en torno a él.
GRAFICO – ESQUEMA Intercambio Catiónico.Los cristales de arcilla pueden cambiar los cationes adsorbidos en su película superficial. Las caolinitas son menos susceptibles de intercambiar sus cationes que las montmorilonitas y las illitas poseen esta propiedad en grado intermedio. Las propiedades mecánicas de una arcilla pueden cambiar al variar los cationes contenidos en su capa de adsorción, pues a diferentes cationes ligados corresponden distintos espesores de película adsorbida, lo que se refleja sobre todas en las propiedades de plasticidad y resistencia del suelo. Por esta ra zón el intercambio catiónico forzado se ha usado y se usa para tratar suelos con fines de mejorar su comportamiento mecánico (estabilización). Identificación de Minerales Constitutivos de las Arcillas.Existen varios procedimientos al alcance del investigador a fin de identificar los minerales constituyentes de una arcilla. El método de investigación por rayos X y el conocido como balance técnico de las arcillas son las más conocidas. Las observaciones practicadas mediante el microscopio electrónico suministran datos sólo en lo referente a forma y tamaño de partículas minerales. El análisis químico es útil, pero da la composición integral de la arcilla y no informa sobre cómo se distribuye sus componentes, inclusive en arcillas formadas por un solo mineral, la composición de este puede tener variaciones importantes, por lo que los métodos químicos pueden ser de conclusiones inseguras. Exploración y Muestreo de Suelos.La muestra es el conjunto de elementos de suelo que se eligen para el estudio de una masa superior. El espécimen es cada uno de los elementos a ensayar. Características de la Muestra.Debe ser representativa (conformados por elementos similares al resto del suelo y en la misma proporción). La representatividad es muy baja en mecánica de suelos generalmente menor al 1%.
Debe conservar características del estrato al que representa. Igual proporción de partículas de diversos tamaños. Conservar la estructura interna, porque de ella depende la densidad, resistencia y deformabilidad. Tipos de Exploración.Calicatas, pozos o zanjas son excavaciones. GRAFICO – ESQUEMA Perforaciones mediante cucharas perforadas. GRAFICO – ESQUEMA Perforación por lavado (wash boring). GRAFICO – ESQUEMA SPT (Estándar Penetration Test).Consiste en hincar un pedazo de tubo en el suelo pero con una energía estándar (normalizada). GRAFICO – ESQUEMA El procedimiento consiste en contar el número de golpes necesarios para hincar 30 cm de la cuchara en suelo virgen. En la práctica se hinca los 60 cm contando el número de golpes cada 15 cm y se considera el NSPT igual al número de golpes de los 30 cm centrales. Ensayos de Penetración Dinámica.Se hinca una punta en forma de plomada, no se saca muestra alguna, se trata de contar el número de golpes necesarios para hincar una varilla con punta cada 30 cm ó cada 10 cm (según el equipo).
Cono de Peck.SPT + punta de ½” a 90°
GRAFICO – ESQUEMA Penetrómetro Dinámico de Cono: PDC Usa una masa de 8 Kg; tiene una altura de caída de 50 cm; la punta es de 2 cm de diámetro; el ángulo es de 60° y la varilla es de 5/8”; se cuenta cada 10 cm el
número de golpes. GRAFICO – ESQUEMA Métodos Geofísicos.Resistividad Eléctrica.GRAFICO – ESQUEMA Refracción Sísmica.GRAFICO – ESQUEMA Radar Terrestre.Es la enviación de ondas sub sonoras al suelo. Tipos de Muestreo.La muestra debe ser sacada de cada estrato. La muestra alterada de bolsa (Mab) sólo contiene material representativo, no presenta la humedad, no presenta su estructura. La muestra de lata (Maw), el material es representativo, si preserva la humedad pero no representa la estructura. La muestra inalterada de bloque (Mib) preserva todo, es un bloque tallado, es revestido con plástico, tela, parafina, se introduce en una caja con aserrín y va en una caja de madera, se marca la cara superior.
La muestra inalterada de tubo (Mit), el tubo debe ser de pared delgada y borde fino, hincada a presión rápida o a un solo golpe (tubo shelby). Diámetro del tubo de 2” a 4”.
GRAFICO – ESQUEMA Preparación de Especímenes.Depende del ensayo que se va a tener. Para muestras alteradas se debe mantener su composición, se debe tener en cuenta las técnicas del cuarteo. GRAFICO – ESQUEMA Para ensayos de resistencia o de deformabilidad, se debe simular el fenómeno de campo. a.- Material de Fundación.La muestra debe ser inalterada, se debe tallar el espécimen. GRAFICO – ESQUEMA b.- Para presas y Pavimentos.Se debe moldear el espécimen compactado, con igual energía y con igual humedad. Se usa en obras en el cual el suelo va compactado. La muestra es inalterada, luego es compactada y posteriormente se saca la muestra moldeada. c.- En Suelos Granulares sin Finos.Se debe reconstituir a una densidad deseada generalmente de campo. En campo se mide la densidad del suelo. GRAFICO – ESQUEMA γ = W/v
Del molde se conoce el volumen que va a tener la muestra. Donde: v del molde y γ del campo entonces W = γv Se debe llenar el molde densificado en varios intentos hasta que el peso W entre en el volumen v exactamente. GRAFICO – ESQUEMA La densificación puede ser por golpes interno o externo y por vibración también interna o externa. d.- La Saturación.Es para poner al suelo en condiciones críticas. Se produce por inmersión prolongada, la muestra debe estar dentro del molde. Las muestras pequeñas por un día y las muestras grandes por 3 ó 4 días. Las muestras granulares se saturan en horas y las muestras de material fino en mayor tiempo (días). e.- Por Flujo Interior.Es siempre de abajo hacia arriba, se debe evitar el exceso de presión porque provoca erosión interna o socavación. GRAFICO – ESQUEMA
Fases del Suelo.GRAFICO – ESQUEMA Fase Sólida.-
Formada por rocas.
-
Es más resistente que el conjunto llamado suelo.
-
Es más o menos indeformable.
-
Es incompresible.
-
Es más pesado.
Fase Líquida.-
Formada por el agua.
-
Es incompresible.
-
Es transitoria, puede entrar mayor o menor cantidad de agua.
-
Su peso específico es igual a uno.
-
El agua libre libre o gravitacional que circula por gravedad gravedad es eliminado eliminado por escurrimiento, escurrimiento, se encuentra en espacios vacíos grandes.
-
El agua agua capilar capilar se puede eliminar eliminar por presión o succión, succión, se encuentran en espacios vacíos pequeños.
-
El agua agua adherida adherida es la que que moja la superficie superficie de las partículas sólidas, se reconoce porque la superficie brilla, se elimina secando con un paño.
-
El agua agua absorbida absorbida ocupa los poros poros del mineral, dicha agua agua se seca al aire, en hornos.
-
El agua molecular se elimina cocinando al horno.
-
El agua de composición química se elimina mediante alteraciones químicas.
Fase Gaseosa.-
Esta compuesta por aire y otros gases.
-
El aire no pesa.
-
El aire es muy compresible.
-
El aire fluye muy fácilmente.
Esquema de Fases.-
t
t
t
v
v
s
w
suelo en general
t
v
a
s
v
w
s
a
s u elo s at u r ad o
suelo hú húmedo medo
s s u el o s ec o
Su representación es de la siguiente forma:
Con cep ci ón bi fási ca
Solidos
Con cep ci ón tri fási ca
a
v
w Vacios
Forma real
s
s Form a idealizada
Medición de Fases.Se realiza mediante los pesos y volúmenes.
Va
a
Wa = 0
Vw
w
Ww
Vv Vt
Wt Vs
Vs
s
Ws
Donde: Vt = volumen total de la muestra de suelo (volumen de masa) Vv = volumen de vacios de la muestra de suelo (volumen de vacios) Vs = volumen de fase solida de la muestra (volumen de sólidos) Va = volumen de la fase f ase gaseosa de la muestra (volumen de aire) Vw = volumen de la fase líquida contenida en la muestra (volumen de agua) Wt = peso total de la muestra de suelo Wa = peso de la fase gaseosa de la muestra, m uestra, considerado considerado cero en mecánica de suelos Ww = peso de la fase líquida de la muestra (peso del agua) Ws = peso de la fase sólida de la muestra de suelo (peso de sólidos) Relaciones Básicas.Wa = 0 Wt = Ww + Ws Vv = Va + Vw Vt = Vv + Vs Vt = Va + Vw + Vs Propiedades Físicas.-. Relaciones Volumétricas.Dichas relaciones volumétricas son tres:
1.- Relación de Vacíos: e e = Vv/Vs x 100 Teóricamente varía de cero al infinito. En la práctica: 0.25 ≤ e ≤ 1.5 Arenas de 0.25 a 0.45 Arcillas de 0.35 a 1.50; excepcionalmente hasta 6-7 (se dan en suelos lateríticos y turbas). Si e = alto; son suelos malos, poco resistentes, muy deformables, fácilmente erosionables. 2.- Porosidad: n n = Vv/Vt Teóricamente varía de 0 a 1. En la práctica son distintos: Si n = 1 entonces Vv = Vt entonces Vs = 0 así: e = Vv/0 = infinito Si n = 0 entonces Vv = 0 entonces Vt = Vs así: e = 0/Vs = 0 3.- Grado de Saturación: Sr Sr = Vw/Vv x 100 Teóricamente varía de 0 a 1; así como en la práctica. Relaciones Gravimétricas.Es la relación de pesos y masas. 1.- Humedad: ω ω = Ww/Ws x 100
Sus valores van de 0 al infinito. En la práctica humedades mayores a 1 son raras; excepcionalmente hay humedades de 7, 8 y 9. Relación de Pesos y Volúmenes.-
1.- Densidad: ρ ρ = M/V
2.- Peso Específico: γ γ = W/V
3.- Peso Específico Total: γt γt = Wt/Vt
4.- Peso Específico de Sólidos: γs γs = Ws/Vs
5.- Peso Específico del Agua: γw γw = Ww/Vw = 1
6.- Peso Específico Húmedo: γhum γhum = Wt/Vt = (Ws + Ww) / Vt
7.- Peso Específico Seco: γd γd = Wt/Vt = Ws/Vt
8.- Peso Específico Saturado: γsat γsat = Wt/Vt = (Ww + Ws) / Vt = (Vw + Ws) / Vt = (Vv + Ws) / Vt
9.- Peso Específico Relativo: γr γr = γs/γw
Las unidades del peso específico son: gr/cm3;
Tn/m3;
kg/m3;
lb/pie3;
γnat = γhum = γt = de 1.4 a 2
KN/m3;
1kg = 9.807 N
γsat = de 1.9 a 2.15
γd = de 1.2 a 1.7
γsuelos orgánicos < 1
γs:
-
Suelos granulares (arenas o gravas): de 2.6 a 2.65
-
Suelos arcillosos: de 2.68 a 2.72
-
Suelos orgánicos < 1
10.- Peso Específico Sumergido: γ’ W’t = Wt – Vt.γw γ’ = W’t/Vt = (Wt – Vt.γw) / Vt = γt = γw γ’ = γt - 1 γ’ = γsat - 1
11.- Humedad de Saturación: ωsat ωsat = Ww/Ws = Vv.γw/Ws ωsat = Vv/Ws
Relaciones entre Propiedades.1.- γd = f(γt,ω) γd = γt / (1 + ω)
2.- e = f(n) e = n / (1 – n) 3.- γd = f(γs,e) γd = γs / (1 + e)
4.- γs = f(γt, ω, e) γs = γt(1 + e) / (1 + ω)
5.- Sr = f(ω, γs, e) Sr = ω.γs/e 6.- ωsat = f(γs,e) ωsat = e/γs
7.- γsat = f(γs,e) γsat = (e + γs) / (e + 1)
8.- n = f(e) n = e / (e + 1) Problemas.1.- Una muestra de suelo pesa 115 gr en estado natural y 90 gr cuando esta seca. Calcular su humedad. Datos: Wt = 115 gr Wd = Ws = 90 gr ω = ?
Solución: Wt = Ww + Ws Ww = Wt – Ws Ww = 115 – 90 Ww = 25 gr ω = Ww/Ws x 100 ω = 25/90 x 100 ω = 27.78 %
2.- En laboratorio: Peso muestra húmeda + cápsula = 175 gr Peso muestra seca + cápsula = 137 gr Peso cápsula vacía = 27 gr Ww = Wmh+c – Wmd-c = 175 – 137 = 38 gr Wd = Ws = Wmd+c – Wc = 137 – 27 = 110 gr ω = Ww/Ws x 100 ω = 38/110 x 100 ω = 34.55 %
3.- La relación de vacíos de un suelo es de 0.47; calcular su porosidad. Datos: e = 0.47 n=? Solución: e = Vv / Vs Vv = 0.47Vs Vt = Vv + Vs Vt = 0.47Vs + Vs Vt = 1.47Vs n = Vv / Vt n = 0.47Vs / 1.47Vs n = 0.32 4.- Un suelo húmedo pesa 20.40 kg y tiene un volumen de 12200 cm3, cuando el suelo se secó durante 24 hr pesó 18.20 kg, siendo el peso específico relativo de 2.67. Calcular el peso específico, la relación de vacíos, la porosidad y el grado de saturación. Datos:
Wt = 20.40 kg Vt = 12200 cm3 Wd = Ws = 18.20 kg γr = 2.67 γt = ?
e=? n=? ω = ?
Sr = ? Solución: Wt = Ww + Ws Ww = Wt – Ws Ww = 20.40 – 18.20 Ww = 2.20 kg γr = γs / γw γs = γw.γr
i
γw = 1 gr/cm3
γs = 2.67 gr/cm3 γs = Ws / Vs
Vs = Ws / γs Vs = (18.20 x 1000) / 2.67 Vs = 6816.48 cm3 Sabemos que: Ww = Vw Vw = 2.20 x 1000 Vw = 2200 cm3 Vt = Vv + Vs Vv = Vt – Vs Vv = 12200 – 6816.48 Vv = 5383.52 cm3 Vv = Va + Vw Va = Vv –Vw
Va = 5383.52 – 2200 Va = 3183.52 cm3 γt = Wt / Vt
entonces
γt = (20.40 x 1000) / 12200
entonces
γt = 1.67
gr/cm3 e = Vv / Vs entonces e = (5383.52/6816.48) x 100 entonces e = 78.98 % n = Vv / Vt entonces n = 5383.52 / 12200 entonces n = 0.44 ω = Ww / Ws x 100
entonces
ω = (2.20/18.20) x 100
entonces ω = 12.09
% Sr = Vw / Vv x 100 entonces Sr = (2200 / 5383.52) x 100 entonces Sr = 40.87 % 5.- Un terraplen de vía se construye con relleno de arcilla compactada a una densidad aparente de 2.05 gr/cm3, con un contenido de humedad de 24 %, la gravedad específica 2.70. Calcular la porosidad, la relación de vacíos, el grado de saturación y la densidad seca. Datos: ω = 24 %
Gs = ρ / ρw = 2.05 gr/cm3 γr = 2.70
n=? e=? Sr = ? ρs = ?
Solución: γr = γs / γw γs = γr.γw
i γw = 1 gr/cm3 entonces
γs = Ws / Vs
γs = 2.70 gr/cm3
si Vs = 1 cm3 entonces Ws = γs.Vs
Ws = 2.70 x 1 entonces Ws = 2.70 gr
ω = Ww / Ws = 0.24
entonces Ww = 0.24Ws
Ww = 0.24 x 2.70 entonces Ww = 0.648 gr Wt = Ww + Ws entonces Wt = 0.648 + 2.70 entonces Wt = 3.348 gr Sabemos que: Ww = Vw entonces Vw = 0.648 cm3 ρ / ρw = 2.05
entonces (Wt/Vt) / ρw = 2.05 entonces Wt / Vt = 2.05
Vt = Wt / 2.05 entonces Vt = 3.348 / 2.05 entonces Vt = 1.63 cm3 Vt = Vv + Vs entonces Vv = Vt – Vs entonces Vv = 1.63 – 1 Vv = 0.63 cm3 n = Vv / Vt entonces n = 0.63 / 1.63 entonces n = 0.39 e = Vv / Vs x 100 entonces e = (0.63 / 1) x 100 entonces e = 63 % Sr = Vw / Vv x 100 entonces Sr = (0.648/0.63) x 100 entonces Sr = 102.86 % ρs = (Gs/(1 + e)) x ρw
entonces ρs = (2.05 / (1 + 0.63)) x 1
ρs = 1.26 gr/cm3
6.- Calcular la relación de vacíos de una muestra si se conoce que pesó 185 gr cuando contenía 25 % de humedad y 215 gr al estar saturada. Asumir γs = 2.70
gr/cm3. Datos: Wt = 185 gr
Wt = 215 gr
γs = 2.70 gr/cm3
ω = 25 %
Sr = 100 %
e=?
Solución: Wt = Ww + Ws ω = Ww / Ws
entonces Ww = ω.Ws
Wt = ω.Ws + Ws entonces Wt = Ws(1 + ω) entonces Ws = Wt / (1 + ω) Ws = 185 / (1 + 0.25) entonces Ws = 148 gr
γs = Ws / Vs
entonces Vs = Ws / γs entonces Vs = 148 / 2.70 entonces Vs = 54.81 cm3 Wt = Ww + Ws entonces Ww = Wt – Ws entonces Ww = 215 – 148 Ww = 67 gr Como: Ww = Vw entonces Vw = 67 cm3 = Vv e = Vv / Vs entonces e = 67 / 54.81 entonces e = 1.22 7.- Calcular el peso específico seco, la relación de vacíos, la porosidad, el peso específico saturado y la humedad de saturación de un suelo cuyo peso específico es 1.97 gr/cm3, tiene una humedad del 12 % y un peso específico de sólidos igual a 2.68 gr/cm3. Datos: γt = 1.97 gr/cm3 ω = 12 % γs = 2.68 gr/cm3 γd = ?
e=? n=? γsat = ? ωsat = ?
Sr = ? Solución: Asumimos: Vt = 1 cm3
a w s
Vt = 1 cm3
γt = Wt / Vt
entonces Wt = γt.Vt entonces Wt = 1.97 x 1 = 1.97 gr
ω = Ww / Ws
entonces Ww = ω.Ws
Wt = Ww + Ws entonces Wt = ω.Ws + Ws entonces Wt = Ws( ω + 1) Ws = Wt / (1 + ω) entonces Ws = 1.97 / (1 + 0.12) entonces Ws = 1.76 gr Wt = Ww + Ws entonces Ww = Wt – Ws entonces Ww = 1.97 – 1.76 Ww = 0.21 gr γs = Ws / Vs
entonces Vs = Ws / γs entonces Vs = 1.76 / 2.68
Vs = 0.66 cm3 Vt = Vv + Vs entonces Vv = Vt – Vs entonces Vv = 1 – 0.66 Vv = 0.34 cm3 γd = Wt / Vt = Ws / Vt
entonces
γd = 1.76 / 1
entonces
γd = 1.76 gr/cm3
e = Vv / Vs entonces e = 0.34 / 0.66 entonces e = 0.52 n = Vv / Vt entonces n = 0.34 / 1 entonces n = 0.34 Sr = Vw / Vv
entonces Sr = 0.21 / 0.34 entonces Sr = 0.62
γsat = (Ws + Vv) / Vt
entonces
γsat = (1.76 + 0.34) / 1
entonces γsat =
2.10 gr/cm3 ωsat = Vv / Ws
entonces
ωsat = 0.34 / 1.76
entonces
ωsat = 0.19
8.- Un volumen de arcilla de 105 cm3 pesa 143 gr en un estado no perturbado, cuando se seca el espécimen pesa 111.30 gr. Cual es el contenido natural de agua de la arcilla y cual es su grado de saturación. Datos: Vt = 105 cm3
Wt = 143 gr
Ws = Wd = 111.30 gr
γr = 2.68
ω=?
Sr = ?
Solución: γr = γs / γw
i
γw = 1 gr/cm3
γs = 2.68 gr/cm3 γs = Ws / Vs
entonces Vs = Ws / γs entonces Vs = 111.30 / 2.68
Vs = 41.53 cm3 Vt = Vv + Vs entonces Vv = Vt – Vs entonces Vv = 105 – 41.53 Vv = 63.47 cm3 Wt = Ww + Ws entonces Ww = Wt – Ws entonces Ww = 143 – 111.30 Ww = 31.70 gr Sabemos que: Ww = Vw entonces Vw = 31.70 cm3 ω = Ww / Ws
entonces
ω = 31.70 / 111.30
entonces ω = 0.28
Sr = Vw / Vv entonces Sr = 31.70 / 63.47 entonces Sr = 0.50 9.- Un espécimen cúbico de 6 cm de lado pesa 380 gr cuando su humedad es del 12 %. Determinar la relación de vacíos, la porosidad, el grado de saturación, el peso específico seco, el peso específico saturado, el peso específico húmedo, el peso específico total, el peso específico sumergido, la humedad de saturación. Asumir un peso específico de sólidos igual a 2.62 gr/cm3. Datos: Wt = 380 gr
ω = 12 %
L = 6 cm
e=?
n=?
Sr = ?
γd = ?
γsat = ?
γhum = ?
γt = ?
γ’ = ?
ωsat = ?
γs = 2.62 gr/cm3
Solución: Vt = L x L x L entonces ω = Ww / Ws = 0.12
Wt = Ww + Ws
Vt = 6 x 6 x 6 entonces
entonces
Vt = 216 cm3
Ws = Ww / 0.12 ……….(1)
entonces Ws = Wt – Ww ……….(2)
Igualando (1) con (2): Ww / 0.12 = Wt – Ww entonces Ww / 0.12 + Ww = Wt Ww + 0.12Ww = 0.12Wt
entonces
1.12Ww = 0.12Wt
Ww = 0.12Wt / 1.12 entonces Ww = (0.12 x 380) / 1.12 Ww = 40.71 gr
En (2): Ws = 380 – 40.71 entonces Ws = 339.29 gr γs = Ws / Vs
entonces Vs = Ws / γs entonces Vs = 339.29 / 2.62
Vs = 129.50 cm3 Vt = Vv + Vs entonces Vv = Vt – Vs entonces Vv = 216 – 129.50 Vv = 86.50 cm3 Como Ww = Vw entonces Vw = 40.71 cm3 e = Vv / Vs entonces e = 86.50 / 129.50 entonces e = 0.67 n = Vv / Vt entonces n = 86.50 / 216 entonces n = 0.40 Sr = Vw / Vv entonces Sr = 40.71 / 86.50 entonces Sr = 0.47 γt = Wt / Vt γd = Ws / Vt
entonces
γt = 380 / 216
entonces γt = 1.76 gr7cm3
entonces γd = 339.29 / 216 entonces γd = 1.57 gr/cm3
γsat = (Vv + Ws) / Vt
entonces
γsat = (86.50 + 339.29) / 216
γsat = 1.97 gr/cm3
γhum = (Ws + Ww) / Vt
entonces
γhum = (339.29 + 40.71) / 216
γhum = 1.76 gr/cm3
γ’ = γsat – 1
entonces γ’ = 1.97 – 1 entonces γ’ = 0.97 gr/cm3
ωsat = Vv / Ws
entonces
ωsat = 86.50 / 339.29
entonces
ωsat = 0.25
10.- Sabiendo que el peso específico de sólidos de un suelo es de 2.65 y que su 10.- Sabiendo porosidad es de 0.44, calcular la humedad de saturación. Datos: γs = 2.65 gr/cm3
n = 0.44
ωsat = ?
Solución: ωsat = Vv / Ws ………. (1) γs = Ws / Vs
entonces Ws = γs.Vs
e = Vv / Vs entonces Vv = e.Vs i e = n / (1 + n) reemplazando valores en (1): ωsat = e.Vs / γs.Vs;
de e = n / (1 + n) entonces e = 0.44 / (1 + 0.44)
e = 0.7857 ωsat = 0.7857 / 2.65
entonces
ωsat = 0.296
11.- Determinar le humedad de saturación de un suelo cuyo peso específico total 11.- Determinar es de 1.65 gr/cm3 cuando tiene un grado de saturación de 80 % y una relación de vacíos de 1.42 Datos: e = 1.42 Sr = 80 % γt = 1.65 gr/cm3 ωsat = ? γs = ?
Solución: Asumimos que Vt = 1 cm3 γt = Wt / Vt
entonces Wt = γt.Vt entonces
Wt = 1.65 gr
e = Vv / Vs entonces Vv = e.Vs Vt = Vv + Vs entonces Vt = e.Vs + Vs entonces Vt = Vs(e + 1) Vs = Vt / (1 + e) entonces Vs = 1 / (1 + 1.42) entonces Vs = 0.41 cm3 Vt = Vv + Vs entonces Vv = Vt – Vs entonces Vv = 1 – 0.41 Vv = 0.59 cm3 Sr = Vw / Vv entonces Vw = Sr.Vv entonces Vw = 0.80 x 0.59 Vw = 0.47 cm3
Sabemos que: Vw = Ww entonces Ww = 0.47 gr Wt = Ww + Ws entonces Ws = Wt - Ww entonces Ws = 1.65 – 0.47 Ws = 1.18 gr ωsat = Vv / Ws
γs = Ws / Vs
entonces
entonces
ωsat = 0.59 / 1.18
γs = 1.18 / 0.41
entonces
ωsat = 0.50
entonces γs = 2.88 gr/cm3
12.- Una base de pavimento tiene una capa de suelo de 20 cm de espesor con 8 12.- Una % de humedad y con una relación de vacíos de 0.50; se desea incrementar la humedad de esta capa hasta un 15 %, mezclándola con una cantidad del mismo suelo que tiene una humedad de 20 % considerando el peso específico de sólidos de 2700 kg/m3. Calcular la cantidad en peso del suelo más húmedo que hay que añadir por metro cuadrado. Datos: Espesor = 0.20 m ω = 8 % γs = 2700 kg/m3
e = 0.50 Solución: Suelo A: Vt = espesor x L x L i L = 1 m Vt = 0.20 m3 e = Vv / Vs entonces Vv = e.Vs Vt = Vv + Vs entonces Vt = e.Vs + Vs Vt = Vs(e + 1) entonces Vs = Vt / (1 + e) Vs = 0.20 / (1 + 0.50) entonces Vs = 0.13 m3 γs = Ws / Vs
entonces Ws = γs.Vs entonces Ws = 2700 x 0.13
Ws = 351 kg ω = Ww / Ws
entonces Ww = ω.Ws entonces Ww = 0.08 x 351
Ww = 28.08 kg Suelo mezclado:
ω = 15 %
Ws = WsA + WsB ω = Ww / Ws
entonces Ww = ω.Ws entonces Ww = ω(WsA + WsB)
Ww = 0.15(351 + WsB) ……….(1) Ww = WwA + WwB entonces Ww = 28.08 + WsB.WB Ww = 28.08 + 0.20WsB ………. (2) Igualando (1) con (2): 0.15(351 + WsB) = 28.08 + 0.20WsB entonces WsB = 491.40 kg Suelo a añadir: WtB = WsB(1 + W)
entonces WtB = 491.40(1 + 0.20)
WtB = 589.68 kg 13.- Una arena sobre el nivel freático tiene un contenido de humedad del 15 % y un peso específico absoluto de la masa de 1.60 gr/cm3, su peso específico relativo de los sólidos es de 2.67. En el laboratorio se determinó que su relación de vacíos para el estado más suelto es de 1.20 y para el estado más denso es de 0.60. Calcular el grado de saturación y la compacidad relativa. Datos: ω = 15 %
γm = γt = 1.60 gr/cm3
γr = 2.67
emáx = 1.20
emín = 0.60
Sr = ?
Cr = ? Solución: Sabemos que: Sr = Vw / Vv x 100 i Cr = ((emáx – enat)/(emáx – emín)) x 100 γr = γs / γw
i γw = 1 entonces
γs = Ws / Vs
γs = 2.67 gr/cm3
hacemos que Vs = 1 entonces Ws = 2.67 gr
ω = Ww / Ws = 0.15
entonces Ww = 0.15Ws
Ww = 0.15 x 2.67 entonces Ww = 0.40 gr entonces Vw = 0.40 cm3 γm = Wt = Vt = 1.60
entonces Vt = Wt / γm i Wt = Ww + Ws
Vt = (0.40 + 2.67) / 1.60 entonces Vt = 1.92 cm3 Vt = Vv + Vs entonces Vv = Vt – Vs entonces Vv = 1.92 – 1 Vv = 0.92 cm3
Reemplazando valores tenemos: Sr = 0.40 / 0.92 x 100 entonces Sr = 43.48 % e = enat = Vv / Vs entonces enat = 0.92 / 1 entonces enat = 0.92 Cr = ((1.20 – 0.92)/(1.20 – 0.60)) x 100 entonces Cr = 46.67 % 14.- Una muestra de arena se tomó de un depósito eólico utilizando un muestreador cilíndrico con las siguientes dimensiones y datos: Volumen del cilindro = 382 cm3 Peso de la muestra natural = 707 gr Peso de la muestra seca = 664 gr Volumen de la muestra compacta = 334 cm3 Volumen de la muestra suelta = 493 cm3 El peso específico relativo de los sólidos obtenidos en laboratorio es de 2.62 Determinar la compacidad relativa del depósito. Solución: γr = γs / γw γs = Ws / Vs
i γw = 1 gr/cm3 entonces γs = 2.62 gr/cm3 entonces Vs = Ws / γs entonces Vs = 664 / 2.62
Vs = 253.44 cm3 e = Vv / Vs i Vv = Vcil – Vs entonces Vv = 382 – 253.44 Vv = 128.56 cm3 e = 128.56 / 253.44 entonces e = enat = 0.51 emáx = Vvmáx / Vs i Vvmáx = Vsuelto – Vs entonces Vvmáx = 493 – 253.44 Vvmáx = 239.56 cm3 emáx = 239.56 / 253.44 entonces emáx = 0.95 emín = Vvmín / Vs i Vvmín = Vcompactado – Vs Vvmín = 334 – 253.44 entonces Vvmín = 80.56 cm3 emín = 80.56 / 253.44 entonces emín = 0.32 Así: Cr = ((0.95 – 0.51)/(0.95 – 0.32)) x 100 entonces Cr = 69.84 %
15.- Calcular el peso específico relativo de los sólidos y la densidad relativa de una muestra de suelo que en el estado natural tiene una proporción de vacíos de 0.70. Además se han obtenido en el laboratorio los siguientes datos: En el estado más denso y seco: 580 cm3 y 980 gr En el estado más flojo y seco: 750 cm3 y 960 gr Usando un frasco volumétrico se obtuvo que el peso del agua más el frasco es de 408.20 gr. El peso del agua más el frasco más 20 gr de suelo seco: 420.70 gr Datos: γr = ?
Cr = ? e = Vv / Vs = 0.70 Solución: γr = γs / γw
entonces
γr = γs
con
γw = 1 gr/cm3
γs = 20 / (Wwf + Ws – Wwfs) γs = 20 / (408.20 + 20 – 420.70)
Por lo tanto:
entonces γs = 2.67
γr = 2.67
Cr = γmáx/γnat x ((γnat – γmín)/( γmáx – γmín)) x 100 γnat = Ws / Vt γs = Ws / Vs
entonces
γnat = Ws / (Vv + Vs)
entonces Vs = Ws / γs entonces Vs = 20 / 2.67
Vs = 7.49 cm3 e = Vv / Vs = 0.70 entonces Vv = 0.70Vs entonces Vv = 0.70 x 7.49 Vv = 5.24 cm3 γnat = 20 / (5.24 + 7.49)
entonces γnat = 1.57 gr/cm3
γmáx = Ws / Vt
entonces γmáx = 980 / 580 entonces
γmáx = 1.69 gr/cm3
γmín = Ws / Vt
entonces
γmín = 1.28 gr/cm3
γmín = 960 / 750
entonces
Cr = 1.69 / 1.57 x ((1.57 – 1.28)/(1.69 – 1.28)) x 100 Cr = 76.14 %
16.- Una muestra de arcilla saturada pesa 1526 gr y 1053 después de secada al horno. Calcule su porcentaje de humedad considerando un peso específico de sólidos de 2.7 gr/cm3, calcule también la relación de vacios, la por osidad y el peso específico total. Datos: Peso saturado de la arcilla = 1526 gr
OJO AL PIOJO
Peso seco de la arcilla = 1053 gr ω% = ? γs = 2.7 gr/cm3
e=? n=? γt = ?
Solución: Construiremos el esquema para suelos saturados, hallando los respectivos valores para los pesos y volúmenes, a partir de los datos dados en el problema.
Volum enes cm 3 473
Pes os g r
Fase liqui da
473 1526
863 390
Fase sólida
1053
Como γs = 2.7 gr/cm3 = Ws / Vs Entonces Vs = Ws / γs = 1053 / 2.70 = 390 cm3 Ww = 1526 – 1053 = 473 gr Por lo tanto: Vw = 473 cm3 Vt = Vw + Vs = 473 + 390 = 863 cm3
Del esquema y aplicando las correspondientes definiciones, obtenemos: ω% = Vw / Ws = 473 / 390 = 0.45x100 = 45%
e = Vv / Vs = 473 / 390 = 1.21 n = e / (1+e) = 1.21 / (1+1.21) = 0.55 γt = Wt / Vt = 1526 / 863 = 1.77 gr/cm3
tonces γr = γs con
γw = 1 gr/cm3
γs = 20 / (Wwf + Ws – Wwfs) γs = 20 / (408.20 + 20 – 420.70)
Por lo tanto:
entonces γs = 2.67
γr = 2.67
Cr = γmáx/γnat x ((γnat – γmín)/( γmáx – γmín)) x 100 γnat = Ws / Vt γs = Ws / Vs
entonces
γnat = Ws / (Vv + Vs)
entonces Vs = Ws / γs entonces Vs = 20 / 2.67
Vs = 7.49 cm3 e = Vv / Vs = 0.70 entonces Vv = 0.70Vs entonces Vv = 0.70 x 7.49 Vv = 5.24 cm3 γnat = 20 / (5.24 + 7.49)
entonces γnat = 1.57 gr/cm3
γmáx = Ws / Vt
entonces γmáx = 980 / 580 entonces
γmáx = 1.69 gr/cm3
γmín = Ws / Vt
entonces
γmín = 1.28 gr/cm3
γmín = 960 / 750
entonces
Cr = 1.69 / 1.57 x ((1.57 – 1.28)/(1.69 – 1.28)) x 100 Cr = 76.14 %
15.- Calcular el peso específico relativo de los sólidos y la densidad relativa de una muestra de suelo que en el estado natural tiene una proporción de vacíos de 0.70. Además se han obtenido en el laboratorio los siguientes datos: En el estado más denso y seco: 580 cm3 y 980 gr En el estado más flojo y seco: 750 cm3 y 960 gr Usando un frasco volumétrico se obtuvo que el peso del agua más el frasco es de 408.20 gr. El peso del agua más el frasco más 20 gr de suelo seco: 420.70 gr Datos: γr = ?
Cr = ? e = Vv / Vs = 0.70 Solución: γr = γs / γw
entonces
γr = γs
con
γw = 1 gr/cm3
γs = 20 / (Wwf + Ws – Wwfs) γs = 20 / (408.20 + 20 – 420.70)
Por lo tanto:
entonces γs = 2.67
γr = 2.67
Cr = γmáx/γnat x ((γnat – γmín)/( γmáx – γmín)) x 100 γnat = Ws / Vt γs = Ws / Vs
entonces
γnat = Ws / (Vv + Vs)
entonces Vs = Ws / γs entonces Vs = 20 / 2.67
Vs = 7.49 cm3 e = Vv / Vs = 0.70 entonces Vv = 0.70Vs entonces Vv = 0.70 x 7.49 Vv = 5.24 cm3 γnat = 20 / (5.24 + 7.49)
entonces γnat = 1.57 gr/cm3
γmáx = Ws / Vt
entonces γmáx = 980 / 580 entonces
γmáx = 1.69 gr/cm3
γmín = Ws / Vt
entonces
γmín = 1.28 gr/cm3
γmín = 960 / 750
entonces
Cr = 1.69 / 1.57 x ((1.57 – 1.28)/(1.69 – 1.28)) x 100 Cr = 76.14 %
15.- Calcular el peso específico relativo de los sólidos y la densidad relativa de una muestra de suelo que en el estado natural tiene una proporción de vacíos de 0.70. Además se han obtenido en el laboratorio los siguientes datos: En el estado más denso y seco: 580 cm3 y 980 gr En el estado más flojo y seco: 750 cm3 y 960 gr Usando un frasco volumétrico se obtuvo que el peso del agua más el frasco es de 408.20 gr. El peso del agua más el frasco más 20 gr de suelo seco: 420.70 gr Datos: γr = ?
Cr = ? e = Vv / Vs = 0.70 Solución: γr = γs / γw
entonces
γr = γs
con
γw = 1 gr/cm3
γs = 20 / (Wwf + Ws – Wwfs) γs = 20 / (408.20 + 20 – 420.70)
Por lo tanto:
entonces γs = 2.67
γr = 2.67
Cr = γmáx/γnat x ((γnat – γmín)/( γmáx – γmín)) x 100 γnat = Ws / Vt γs = Ws / Vs
entonces
γnat = Ws / (Vv + Vs)
entonces Vs = Ws / γs entonces Vs = 20 / 2.67
Vs = 7.49 cm3 e = Vv / Vs = 0.70 entonces Vv = 0.70Vs entonces Vv = 0.70 x 7.49 Vv = 5.24 cm3 γnat = 20 / (5.24 + 7.49)
entonces γnat = 1.57 gr/cm3
γmáx = Ws / Vt
entonces γmáx = 980 / 580 entonces
γmáx = 1.69 gr/cm3
γmín = Ws / Vt
entonces
γmín = 1.28 gr/cm3
γmín = 960 / 750
entonces
Cr = 1.69 / 1.57 x ((1.57 – 1.28)/(1.69 – 1.28)) x 100 Cr = 76.14 %
Volumen de Suelos no Cohesivos (arenas y gravas limpias).Medir el volumen del hoyo que queda luego de sacar la muestra. El hoyo se debe impermeabilizar para luego echar agua y medir el volumen.
Hoyo
Muestra
Ensayo del Cono de Arena.-
Muestra
Botella con arena
Embudo
Primeramente pesar la botella con la arena: WA Después de vaciar al hoyo pesar la botella con arena: WB Arena en el embudo más hoyo: WA – WB Por lo tanto: W hoyo = (WA – WB) – W arena en embudo V hoyo = W arena hoyo / γ arena
V hoyo = Vm volumen de la muestra.
GRANULOMETRIA DE LOS SUELOS El análisis granulométrico de un suelo se refiere a la determinación del tamaño de las partículas o granos que constituyen un suelo y fijar el porcentaje de su peso total la cantidad de granos de distintos tamaños que contiene dicho suelo. El método más directo para separar el suelo en fracciones de distintos tamaños consiste en hacerlo pasar a través de un juego de tamices. Pero como la abertura de la malla más fina que se fabrica corrientemente es la de 0.074 mm (malla Nº 200), el uso de tamices está restringido hasta el análisis de suelos del
tamaño de la malla 200, de modo que si un suelo contiene partículas menores que dicho tamaño, el suelo para hacer su análisis granulométrico debe ser separado en dos partes por lavado sobre el tamiz Nº 200. La parte de suelo retenida por el tamiz Nº 200, es tamizado mediante un juego de tamices de diferentes tamaños, mientras que aquella demasiada fina para ser retenida por tamices y que ha sido arrastrada por el agua es analizada por medio del método del análisis granulométrico por vía húmeda, basados en la sedimentación, como el análisis por el método del hidrómetro llamado también prueba de los ollucos. O sea que cuando un suelo contiene suficiente material grueso y fino como para ameritar un análisis por medio de mallas y otro por hidrómetro se hace necesario emplear un procedimiento de análisis mecánico combinado. Si predomina en el suelo los tamaños finos pueden efectuarse la prueba del hidrómetro como muestra total para lo cual la muestra deberá tamizarse a través del tamiz Nº 100 ó Nº 40, secando el material retenido antes de someterlo al análisis por mallas. Parámetros de Clasificación.Se basan en dos ensayos simples: -
La granulometría.
-
La consistencia de los suelos finos (plasticidad)
Tipos de Clasificación.☺ Para cimentaciones y presas se emplea el SUCS (sistema unificado de
clasificación de suelos). ☺ Para pavimentos y carreteras se emplea el sistema AASHTO. ☺ Para aeropuertos se emplea la FAA (federación americana de aeropuertos).
suelos gruesos m all a Nº 200
grava + arena
(0.074 mm )
cazuela, base suelos finos
ens ayo po r v í a h úmed a
limos + arcilla
prueba del hidrómetro
grava
m al la N º 4 (4.75 mm ) separa gravas de arenas
arena
m all a Nº 200
suelos fi nos
Suelo Bien Graduado.Contiene todos los tamaños de las partículas. Suelo Mal Graduado. Ausencia de algún grupo de tamaños de partículas. Suelo Uniforme.Esta formado por un mismo tamaño de partículas. Tamices.3” 2”
1 1/2”
1” 3/4” 3/8”
Tamiz Nº 4 (4.75 mm) Tamiz Nº 10 (2 mm) Tamiz Nº 20 (0.84 mm) Tamiz Nº 40 (0.425 mm) Tamiz Nº 60 (0.25 mm) Tamiz Nº 100 (0.148 mm) Tamiz Nº 140 (0.105 mm) Tamiz Nº 200 (0.074 mm) Granulometría Mecánica por la Vía Seca.El ensayo de análisis granulométrico consiste en el tamizado del suelo mediante mallas o sedazos, reteniendo cada tamiz aquellas partículas cuyo tamaño es superior a las aberturas de la malla correspondiente. El peso de estas porciones retenidas se relacionan al peso total del suelo tamizado. Los resultados de este análisis granulométrico se suelen representar en forma acumulativa y siempre que se cuente con suficiente número de puntos, la representación gráfica de la distribución granulométrica es la forma mucho más conveniente para representar el análisis granulométrico, para esto se utiliza un gráfico semilogarítmico donde las abcisas representan el diámetro o tamaño en mm de las partículas (escala logarítmica) y las ordenadas el porcentaje en peso de los granos menores que el tamaño indicado por la abcisa (porcentaje que pasa en peso). Cuanto más uniforme es el tamaño de los granos tanto más inclinada es la curva, una linea recta vertical representaría un suelo con partículas perfectamente uniforme. La ventaja más importante de la representación semilogarítmica estriba en que las curvas granulométricas de suelos de igual uniformidad tienen formas idénticas cualquiera sea el tamaño medio de sus partículas.
tamiz abertura
peso retenido
% retenido
% que pasa
∑ = peso
total
% que pasa 100 90 80 70
tamizado
60 50 40 sedimentación
30 20 10
abertura
0 10
1
0.1
0.01
0.001
Cur va gr anu lo mé tr ica (en p apel s emi lo gar í tm ico )
0.0001
% que pasa suelo fino arena uniforme
gravilla uniforme
suelo grueso
suelo bien graduado abertura
Estudio de Curvas Granulométricas.Coeficiente de Uniformidad Cu.Propuesta por Allen Hanzen y que trata de una medida simple de la uniformidad de un suelo, que se determina mediante la siguiente expresión: Cu = D60 / D10 Donde: 60 %
D60 = diámetro efectivo o tamaño de abertura correspondiente al que pasa en peso. D10 = diámetro efectivo o tamaño de abertura correspondiente al
10 % que pasa en peso. Si Cu > 4 entonces gravas Si Cu > 6 entonces arenas Si Cu < 3 entonces suelo muy uniforme (arena de playa) Coeficiente de Curvatura Cc.Es un dato complementario necesario para definir la granulación del suelo y se determina mediante la siguiente expresión:
Cc = (D30)^2 / D60.D10 Donde: 30 %
D30 = diámetro efectivo o tamaño de abertura correspondiente al que pasa en peso.
Si 1 < o = Cc < o = 3 entonces suelos bien graduados
% que pasa 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 abertura en mm
0 D60
D30
D10
Granulometría Mecánica por la Vía Húmeda.Pesar la muestra completa. Lavar la muestra echando el agua a través de la malla Nº 200. GRAFICO – ESQUEMA Secar la muestra al sol en un plato evaporador y luego llevarlo al horno. Pesar la muestra seca. Wm – Wd = pérdida por lavado + malla Nº 200
Hacer la granulometría mecánica (curva granulométrica) Error = Wm – ( ∑Wret + pérdida por lavado) Error < 2 % Corrección: Se manejan dos criterios: Técnicos. Matemático estadístico. Igual corrección a todas las mallas. Proporcional al peso retenido en cada malla. Buscar o intuir la causa: -
Mallas defectuosas.
-
Peso faltante de acorde con el tamaño retenido en cada malla.
-
Peso sobrante: balanza defectuosa.
Granulometría por Sedimentación.Se basa en la ley de Stokes. Primero sedimentan las partículas mayores. A continuación sedimentan las partículas menores.
h Ø v
Boyucos.v=d/t
v = f (Ø) Ø = d iám et ro
d
c.g.
v = 2/9 x (γs – γw)/η x (D/2)^2
D=
18.η.v / (γs – γw)
Lectura del agua más turbia. Lectura del agua limpia. % que pasa = f(lectura del densímetro) Se simplifica variando el hidrómetro 122.H (ASTM) Procedimiento.-
Separar una cantidad exacta de suelo (50 gr de suelo fino).
- Desmenuzarlo. -
Amasar con agua.
-
Agregar defloculante (125 ml metafosfato de sodio).
-
Dejar remojar de uno a cinco minutos.
-
Batir en una batidora de ensayos por 10 minutos.
-
Vaciarlo al tubo sedimentador.
-
Llenar hasta enrrasar.
-
Previamente se prepara un tubo sedimentador de control con agua y defloculante.
-
Tomar la corrección por menisco (cm).
-
Tomar la lectura de cero (Ro).
cm
Ro
-
Sacudir tapando la boca invirtiendo el tubo, repetir varias veces por 60 segundos.
-
Colocarlo en una plataforma fija.
-
Tomar lecturas con el hidrómetro.
Tiempo 1'
2'
4'
8'
16' 30' 1hr 2hr 4hr 8hr 16hr …..
Lectura ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. …..
-
Colocar el hidrómetro lentamente.
-
Hacer la lectura en el tiempo exacto, es necesario colocar 20 segundos antes.
-
04 lecturas sin sacar el hidrómetro.
-
Entre lecturas dejar el hidrómetro en el tubo de control.
-
Tomar la temperatura del agua a intervalos razonables.
-
Si no se logra medir en el tiempo correspondiente anotar el tiempo restante de la lectura.
- Cálculos.
Fecha hora tiempo Tº
Donde:
Ra
Rc
% pasa Rm
Ra = lectura real del hidrómetro. Rc = lectura corregida: Rc = Ra – Ro + Ct
L
v= L/t
K
D
Ro = lectura en el tubo de control. Ct = corrección por temperatura (tabla C-23, Bowles).
Tº
extrapolar
15
Ct
% peso = Rc / Ws x 100 Wr = peso del suelo en el tubo (determinado después del ensayo) Rm = lectura corregida sólo por menisco Rm = Ra – Cm L = de la tabla (6.5 de Bowles); L = f(Rm) K = constante; K = f(γs) D=K
v
mm
%
% de arcilla que pasa
D 0.002 mm
Boyucos: sirve principalmente para determinar el porcentaje de arcilla así como para determinar la granulometría de suelos finos.
Granulometría Compuesta.En campo tomar muestras, hallar el porcentaje de piedras de 8”, 6”, 4”, 2”; se lleva al laboratorio a partir de 2” hasta la malla Nº 200. Granulometría mecánica: 2” a 0.075 mm
Granulometría sedimentaria: 2 mm a 0.001 mm
boyucos
curva real de gr anu lo met ría com plet a
campo
Problemas.1.- Dibujar la curva granulométrica de un suelo que fue sometido al análisis mecánico con un juego de tamices conformado por las mallas de 3/4”, 3/8”, 4, 10, 20, 40, 60, 200 y la cazuela. Así mismo determinar el coeficiente de uniformidad y el coeficiente de curvatura. Los pesos retenidos en cada una de las mallas o tamices se indican a continuación.
Tamices Diámetros
Peso retenido
% retenido
% que pasa
3/4"
19.05
43.24
2
98
3/8"
9.525
281.06
13
85
4
4.75
151.34
7
78
10
2.00
389.16
18
60
20
0.84
475.64
22
38
40
0.425
259.44
12
26
60
0.25
302.68
14
12
200
0.074
86.48
4
8
172.96
8
0
∑: 2162 gr
∑: 100
cazuela
% que pasa 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 3 " 4
3 " 8
4
10
20
D60
40 D30
60
200 D10
Cálculo de D10: El D10 está entre las mallas 60 y 200 entonces: Malla 60 = 0.25 mm Malla 200 = 0.074 mm
%
12 8 4 0 . 2 5
D 1 0
0 0. 7 4
(log0.074 – logD10) / (10 – 8) = (log0.074 – log0.25) / (12 – 8) logD10 = log0.074 – 2/4 x (log0.074 – log0.25)
abertura de la malla
D10 = 0.136 mm Cálculo de D30: El D30 esta entre las mallas 20 y 40 entonces: Malla 20 = 0.84 mm Malla 40 = 0.425 mm %
38 30 26 0 8 . 4
D 3 0
0 . 4 2 5
(log0.425 – logD30) / (30 – 26) = (log0.425 – log0.84) / (38 – 26) logD30 = log0.425 – 4/12 x (log0.425 – log0.84) D30 = 0.533 mm Cálculo de D60: Del gráfico: D60 = 0.25 mm Así: Cu = D60 / D10 entonces Cu = 0.25 / 0.136 entonces Cu = 1.84 Cc = (D30)^2 / D60.D10 entonces Cc = (0.533)^2 / 0.25 x 0.136 entonces Cc = 8.36 2.- En un ensayo granulométrico se obtuvieron los siguientes resultados: malla
peso retenido (gr)
3"
0
1 1/2"
1960
1"
2320
3/4"
2310
3/8"
3700
4
1850
pasa 4
6575
De la fracción que pasó la malla 4 se tomaron 200 gr y se sometieron al análisis mecánico por tamizado con los siguientes resultados:
malla
peso retenido (gr)
10
31.50
20
26.60
40
28.80
60
22.00
100
24.70
200
18.00
pasa 200
48.40
Determinar el coeficiente de uniformidad, el coeficiente de curvatura y dibujar la curva granulométrica.
malla diámetro
peso retenido
% retenido
% retenido
% que pasa
3"
76.20
1 1/2"
38.10
1960
10.47
11
89
1"
25.40
2320
12.40
12
77
3/4"
19.05
2310
12.34
12
65
3/8"
9.525
3700
19.77
20
45
4
4.75
1850
9.89
10
35
4 pasa
4.75
6575
35.13
35
0
10
2
31.50
5.51
6
29
20
0.84
26.60
4.66
5
24
40
0.425
28.80
5.04
5
19
60
0.25
22.00
3.85
4
15
100
0.148
24.70
4.32
4
11
200
0.074
18.00
3.15
3
8
200 pasa
0.074
48.40
8.47
8
0
I ) % retenido = peso retenido x 100 % / ∑ peso retenido 10.47 = 1960 x 100 / 18715 II ) % retenido = peso retenido x 35% / ∑ peso retenido 5.51 = 31.50 x 35 / 200 % que pasa: I ) 89 = 100 – 11 77 = 89 – 12 II ) 29 = 35 – 6 24 = 29 – 5
% que pasa 10 0 90 80 70 60 50 40 30 20 10 abertura de la malla
0 1 1/2"
1"
3/4"
3/8" D60
Cálculo de D60:
4
10 D30
20
40
60
0 20 0 10 D10
D60 esta entre las mallas 3/4” y 3/8” : Malla 3/4” = 19.05 mm Malla 3/8” = 9.525 mm %
65 60
45 1 D 9 6 0. 0 5
9 5. 2 5
(log9.525 – logD60) / (60 – 45) = (log9.525 – log19.05) / (65 – 45) logD60 = log9.525 – 15/20 x (log9.525 – log19.05) D60 = 16.02 mm Cálculo de D30: D30 se encuentra entre las mallas 4 y 10: Malla 4 = 4.75 mm Malla 10 = 2 mm %
35
30 29 4 . 7 5
D 2 3 0
(log2 – logD30) / (30 – 29) = (log2 – log4.75) / (35 – 29) logD30 = log2 – 1/6 x (log2 – log4.75) D30 = 2.31 mm
Cálculo de D10: D10 se encuentra entre las mallas 100 y 200: Malla 100 = 0.148 mm Malla 200 = 0.074 mm
%
11 10
8 0 . 1 4 8
D 0 1 0 . 0 7 4
(log0.074 – logD10) / (10 – 8) = (log0.074 – log0.148) / (11 – 8) logD10 = log0.074 – 2/3 x (log0.074 – log0.148) D10 = 0.118 mm Así: Cu = D60 / D10 entonces Cu = 16.02 / 0.118 entonces Cu = 135.76 Cc = (D30)^2 / D60.D10 entonces Cc = (2.31)^2 / 16.02 x 0.118 entonces Cc = 2.82 3.- Dibujar la curva granulométrica y hallar los coeficientes de uniformidad y curvatura de una muestra de suelo que fué sometido a un análisis mecánico.
malla diámetro
peso retenido
% retenido
% que pasa
3"
76.20
215.62
16
84
2"
50.80
150.81
11
73
1 1/2"
38.10
217.17
17
56
1"
25.40
48.94
4
52
3/4"
19.05
57.04
4
48
3/8"
9.525
88.07
7
41
4
4.75
124.63
9
32
10
2.00
95.00
7
25
20
0.84
114.44
9
16
40
0.425
77.21
6
10
60
0.25
32.09
2
8
100
0.148
47.68
4
4
140
0.105
27.18
2
2
200
0.074
15.10
1
1
10.02
1
0
∑: 1321 gr
∑: 100
base
% retenido = peso retenido x 100 / ∑ peso retenido
215.62 x 100 / 1321 = 16 (redondeando) % que pasa = 100 % - % retenido
% que pasa 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 3"
2" 1 1/2" 1" D60
3/4"
3/8"
4
10
D30
20
40 60
100 140 200
abertura de la malla
D10
Cálculo del D60: 50.80 > D60 > 38.10 (log38.10 – logD60) / (60 – 56) = (log38.10 – log50.80) / (73 – 56) D60 = 40.77 mm Cálculo del D30: 4.75 > D30 > 2.00 (log2 – logD30) / (30 – 25) = (log2 – log4.75) / (32 – 25) D30 = 3.71 mm Cálculo del D10: D10 = 0.425 mm Así: Cu = 40.77 / 0.425 entonces Cu = 95.93 Cc = (3.71)^2 / 40.77 x 0.425 entonces Cc = 0.79
CARACTERISTICAS PLASTICAS DE LOS SUELOS
Stiction y Plasticidad de Suelos Arcillosos.La plasticidad es la capacidad de experimentar deformaciones irreversibles sin romperse y se presentan en la mayor parte de suelos arcillosos con humedad intermedia. Si se seca un bloque de arcilla plástica, pierde su plasticidad y se convierte en un sólido frágil con una resistencia considerable que resulta de la stictium entre las partículas de arcilla. Sin embargo, si el bloque se descompone en las partículas que lo constituyen la stictiun, se pierden y el material se convierte en un polvo seco. Al mezclarse nuevamente el polvo que resulta con una cantidad de agua adecuada, reaparecerán las propiedades del stictiun y plasticidad. Este efecto no se consigue si la mezcla se hace con tetracloruro de carbono como fluido intersticial, el cual es un compuesto cuyas moléculas no son bipolares y no se ionizan. Estados de Consistencia de los Suelos y Límites de Plasticidad.Una de las características más importantes de la arcilla es su plasticidad. La magnitud de la plasticidad que presenta una arcilla natural depende de su composición mineralógica y contenido de humedad. Además, la consistencia de una arcilla natural varía de acuerdo con el contenido de humedad, desde un estado semisólido para bajos contenidos de humedad en que el suelo se desmorona y no presenta plasticidad, pasando también por un estado plástico para altos contenidos de humedad, hasta llegar finalmente a un estado esencialmente líquido para contenidos de humedad muy altos.
estado sólido
W = 0
W1
L C
estado semisólido sin plasticidad
estado p lás ti c o
W2
W3
L P Wp
LC = límite de contracción. LP = límite plástico.
LL Wl
IP
Donde:
estado lí q u id o
W4
LL = límite líquido. ω1 < ω2 < ω3 < ω4
IP = índice de plasticidad. El contenido de humedad ω para el cual la consistencia cambia de un estado a
otro, varía de una arcilla a otra, dependiendo de la confinidad y del tipo de mineral de arcilla presente. Puesto que la humedad es una propiedad que se mide fácilmente, se desarrolló un método de dosificación de las arcillas basados en estos contenidos límites. Como cambio de un estado de consistencia a otro es gradual para satisfacer los requerimientos de un sistema de clasificación estándar fue necesario establecer límites arbitrarios entre los diferentes estados. Estos se denominan límites de consistencia o límites de Atterberg que se pueden observar en la figura y consiste en lo siguiente: Límite de Contracción o Retracción LC.Es el cambio del estado sólido al estado semisólido o estado no plástico. Límite Plástico LP o ωp. -
Es el cambio entre el estado no plástico y el estado plástico. Límite Líquido LL o ωl. -
Es el cambio del estado plástico al estado líquido. Además de los límites de plasticidad, Atterberg definió otros límites de consistencia tales como: Límite de Adhesión.Es el contenido de agua en el que la arcilla pierde sus propiedades de adherencia con una plancha metálica. Límite de Cohesión.Es el contenido de agua con lo que los grumos de arcilla ya no se adhieren entre sí. Límite Líquido.Se define como el contenido de humedad expresado en porcentaje con respecto al peso seco de la muestra, con el cual el suelo cambia del estado líquido al plástico. De acuerdo con ésta definición, los suelos plásticos tienen en el límite líquido una resistencia muy pequeña al esfuerzo de corte, pero definida y según
Atterberg es de 25 gr/cm2. La cohesión de un suelo en el límite líquido es prácticamente nula. Para determinar el límite líquido en laboratorio existe una técnica basada en el uso de la cuchara de Casagrande que es un recipiente de bronce o latón que unido en uno de sus extremos de éste en torno a un eje fijo y accionado por una excéntrica hace que la cuchara caiga periódicamente golpeándose contra la base del dispositivo. La altura de caída de la cuchara es por especificación de un cm. La copa es esférica con un radio interior de 54 mm y un espesor de 2 mm. ESQUEMA El límite líquido se determina como el contenido de humedad del material a la cual una masa de suelo que pasa por la malla 40 fluye lo suficientemente como para cerrar una ranura de medidas determinadas, hecho en la muestra de suelo con un ranurador, el límite líquido corresponde al contenido de humedad donde la ranura se cerrará a los 25 golpes, valor que se determinará luego de haber realizado 3 ó 4 deformaciones de contenidos de humedad diferentes, con los correspondientes números de golpes y trazando la curva N v s ω sobre un papel
semilogarítmico donde las abcisas corresponden al número de golpes y las ordenadas al contenido de humedad. De este gráfico se puede obtener el contenido de humedad correspondiente a 25 golpes resultando ser el límite líquido buscado.
W = humedad W% recomen dable: 3 a 4 ensayos W1
2 pun tos plástic os 2 pu nto s l í qu ido s
W2 LL W3 W4
N N1 N2
N = 25
N3
N4
n úm er o d e g ol pes
Método de Determinación del Límite Líquido con un Solo Ensayo.Partiendo de la hipótesis de que la pendiente de la relación N, ω representada a escala semilogarítmica es una línea recta, en la cual el límite líquido puede ser obtenido a partir de cualquier punto de la curva, Lambe ha sugerido el empleo de la siguiente expresión:
LL = ω(N/25)^0.121 Donde: LL = límite líquido calculado del suelo. ω = contenido de humedad arbitrario del suelo con respecto al peso
seco Wd %. N = número de golpes necesarios para cerrar la ranura en la copa de Casagrande correspondiente a ω.
Se debe cumplir que:
20 < N < 30
Como puede observarse la ecuación de Lambe permite calcular el límite líquido de un suelo con base en un solo punto del método mecánico. Esto elimina tiempo y además la variable operador, la fórmula propuesta puede ser usada con suficiente grado de precisión en el cálculo del límite líquido de un suelo, siempre y cuando se amase la pasta de suelo con un contenido de humedad tal que se cumpla con la condición imprescindible que N esté entre 20 y 30. En ensayos de investigación conviene hacer uso del método mecánico normalizado. Para facilitar el empleo de la fórmula, ésta se puede simplificar de la siguiente manera: LL = ω.F Donde: F = factor de corrección F = (N/25)^0.121 Que puede obtenerse de la siguiente tabla:
N
F
20
0.9734
21
0.9792
22
0.9847
23
0.9900
24
0.9951
25
1.00
26
1.0048
27
1.0094
28
1.0138
29
1.0182
30
1.0223
Límite Plástico.Se define como el contenido de humedad expresado en porcentaje con respecto al peso seco de la muestra secada al horno, para el cual los suelos cohesivos pasan de un estado semisólido a un estado plástico. Para determinar el límite plástico generalmente se hace uso del material que mezclado con agua ha sobrado de la prueba del límite líquido y al cual se le evapora humedad por mezclado hasta tener una mezcla plástica que sea fácilmente moldeable pero que tenga un contenido de humedad algo inferior al del límite líquido, el procedimiento para calcular el límite plástico consiste en formar rollitos cilíndricos de 1/8” de diámetro. Estos filamentos cilíndricos se hacen
generalmente en una hoja de papel totalmente seca para acelerar la pérdida de humedad del material; cuando los rollitos llegan a 1/8” de diámetro (3.17 mm) se dobla y presiona, formando una pastilla que vuelve a doblarse hasta que en los 3.17 mm exactos ocurran el desquebrajamiento y agrietamiento; en ese momento se determina rápidamente el contenido de humedad que representa el límite plástico. Algunos suelos finos y arenosos pueden ser similares a la arcilla pero al tratar de determinar su límite plástico se nota la imposibilidad de formar los rollitos cilíndricos, revelándose así la falta de plasticidad del material; en estos suelos el límite líquido resulta prácticamente igual al límite plástico y aún menor, resultando entonces índices plásticos relativos por lo que las determinaciones de plasticidad no conducen a ningun resultado de interés en la ingeniería y los límites líquidos y límites plásticos carecen de sentido. El límite plástico es muy afectado por el contenido orgánico del suelo, ya que eleva su valor sin aumentar simultáneamente el límite líquido. Por tal razón los suelos con contenido orgánico tienen bajo índice plástico, límites líquidos altos.
Consideraciones Sobre los Límites de Plasticidad.Indice de Fluidez If.Es la pendiente que corresponde a una curva de fluidez determinada en laboratorio.
W = hum edad W%
W10 golpes
curva de fluidez
If
W = -If.logN + C W100 golpes N 10
100
n úm er o d e g olp es
(log)
If = (ω10 golp – ω100 golp) / (log100 – log10) If = ω10 golp – ω100 golp Donde: ω = contenido de humedad en % del peso seco. If = pendiente negativa de la curva de fluidez igual a la variación del contenido de agua correspondiente a un ciclo de escala logarítmica. ω10 = contenido de humedad para diez golpes. ω100 = contenido de humedad para cien golpes.
N = número de golpes en la cuchara de Casagrande. C = constante que representa la ordenada en la abcisa de un golpe: se calcula prolongando el trazo de la curva de fluidez.
W = humedad W%
C
N 1
10
Índice de Plasticidad Ip.Se denomina índice de plasticidad o índice plástico a la diferencia numérica entre los límites líquido y plástico, e indica el margen de humedad dentro del cual el suelo se encuentra en estado plástico tal como lo definen los ensayos de laboratorio. IP = LL – LP Tanto el límite líquido como el límite plástico dependen de la cantidad y tipo de arcilla del suelo; sin embargo el índice de plasticidad depende generalmente de la cantidad de arcilla del suelo. Cuando no se puede determinar el límite plástico o sea que el suelo es no plástico (NP) entonces el índice plástico se dice que es igual a cero o sea que el límite líquido resulta prácticamente igual al límite plástico y a veces menor donde resultaría un índice plástico negativo que también se considera índice plástico igual a cero.
-
LL : no cambia en su contenido de humedad entonces IP = 0 plástico
-
LP > LL entonces negativo entonces IP = 0 P
Ojo: LP = 0 LL = 30
no N
Entonces
IP = 30 – 0
entonces
IP = 0
no plástico
Como el índice de plasticidad nos da una medida de la cantidad de arcilla que tiene el suelo, podemos expresar que un suelo con un índice de plasticidad grande corresponde a un suelo muy arcilloso, por el contrario si un suelo tiene un índice de plasticidad pequeño es característico de un suelo poco arcilloso, dentro de este contexto podemos dar la clasificación siguiente:
-
Suelo muy arcilloso: IP > 20
-
Suelo arcilloso: 10< = IP < 20
-
Suelo poco arcilloso: 0 < IP < 10
-
Suelo exento de arcilla: IP = 0
Según Atterberg: Si:
IP = 0 entonces suelo no plástico 0 < IP < 7 entonces suelo de baja plasticidad 7 < = IP < = 17 entonces suelo medianamente plástico IP > 17 entonces
suelo altamente plástico
Indice de Tenacidad It ó Tω.Cuanto mayor es el número de golpes que se requieren para cerrar la ranura de un suelo plástico se dice que el suelo es más tenaz. Por esta razón es que el índice de tenacidad esta expresado mediante la siguiente expresión: Tω = IP / If Donde: Tω = índice de tenacidad IP = índice plástico If = índice de fluidez Tω = log(SP / SL)
Donde: SP = Resistencia al esfuerzo cortante del suelo correspondiente al límite plástico
SP = τLP
SL = resistencia al esfuerzo cortante del suelo correspondiente al límite líquido
SL = τLL = 25 gr/cm2
El índice de tenacidad conjuntamente que el índice de fluidez son útiles para establecer una diferenciación adicional en lo que se refiere a las características de plasticidad de las arcillas. El índice de tenacidad generalmente varía entre 1 y 3 y rara vez alcanza valores de 5 o menores que 1; un alto valor del índice de tenacidad no implica que los límites de consistencia o de plasticidad sean altos. Indice de Liquidez IL.En los suelos plásticos el índice de liquidez es indicativo de la historia de los esfuerzos a que ha estado sometido un suelo en su pasado, si el valor del índice de liquidez es cercano a cero se considera que el suelo ha sido pre consolidado. Si este valor es cercano a uno entonces se considera como normalmente consolidado.
pasado
h o y
y v 1 p rec o ns o lid ado
v 2
y
n o rm alm en te consolidado
Para determinar el índice de liquidez se utiliza la siguiente expresión: IL = (ωn – LP) / IP Donde: ωn = contenido de humedad natural del suelo (in situ)
Si: IL < 0 entonces suelo en estado semiseco (rango no plástico) 0 < = IL < = 1 entonces suelo en estado plástico (rango plástico) IL > 1 entonces suelo en estado semilíquido (rango líquido) Si la humedad inicial de un suelo corresponde a un índice de liquidez mayor a 0.2 el suelo aún siendo altamente plástico tendrá poca o nula expansión. Existe una relación aproximada entre el índice de liquidez y la sensitividad de la arcilla. También existe una relación entre el índice de liquidez y la resistencia al esfuerzo cortante de arcillas (amasadas). Indice de Consistencia Ic.Se determina mediante la siguiente expresión: Ic = (LL – ωn) / IP Varía:
0 < = Ic < = 1
También existe una relación entre el índice de consistencia y la resistencia al esfuerzo cortante del suelo. Relación entre la Consistencia de Suelos Finos y sus Propiedades: Nº Consistencia
qu
N
IL
Ic
Descripción
kg/cm2 SPT 1 muy blanda 2 blanda medio 3 compacto compacto 4 (rígido)
0 - 0.25 0 - 2 0.25 0.50
>1
2-4
0.5 - 1
0.50 - 1 4 - 8
0.25 0.5
1-2
815
0 - 0.25
el puño penetra 10 cm 0 - 0.25 fácilmente 0.25 0.50
el pulgar penetra 5 cm fácilmente
el pulgar penetra 5 cm con 0.5 - 0.75 esfuerzo el pulgar deja marca 0.75 - 1 fácilmente
muy 5 compacto (muy rígido) 6 duro
2-4
15 30
<0
>1
>4
> 30
*
*
la uña raya fácilmente la uña raya con dificultad
Donde: qu = resistencia a la compresión no confinada del suelo N = número de golpes del ensayo SPT * = IL + Ic = 1 Actividad de la Arcilla A.Es una de las propiedades que tienen las arcillas cuyo término es aplicable en el caso de suelos plásticos con propensión a perder cambios en su volumen en presencia de diferentes contenidos de humedad. Skempton en el año 1953 propuso que la actividad de una arcilla se determine mediante la siguiente expresión: A = IP / % arcilla = IP / %<0.002 mm Los valores de la actividad de una arcilla están asociados con suelos que contienen minerales arcillosos de mayor actividad. El valor de A permanecerá aproximadamente constante para muestras que provengan de estratos del mismo origen geológico, por tanto el valor de A puede ser el medio más confiable de averiguar la existencia de estratos de diferente origen geológico en un determinado sondeo. La actividad de una arcilla puede apreciarse de acuerdo a las características del suelo como se muestra en el siguiente cuadro:
A
Descripción
< 0.75
arcilla relativamente inactiva (tipo caolinita)
0.75 1.25
arcilla con actividad normal (tipo illita)
> 1.25
progresivamente más activa (tipo montmorilonita)
El reflejo de la actividad es la capacidad que tenga un suelo para expandirse. Aunque la actividad esta numéricamente definida con la fórmula, una mejor indicación práctica de la actividad es el límite de contracción. El límite de contracción es el punto de partida del contenido de agua que inicia el cambio de volumen. La actividad en términos del cambio de volumen es una preocupación principal en la evaluación del suelo para uso en obras de tierra y cimentación. Sensitividad de la Arcilla St.Esta propiedad de los suelos finos se refiere al efecto que el remoldeo produce sobre un suelo inalterado. La pérdida de resistencia debido al remoldeo se caracteriza con la sensitividad de la arcilla, la cual se define mediante la siguiente expresión: St = resistencia inalterada / resistencia alterada para casos de representación sísmica de suelos. En arcillas: Resistencias a la compresión no confinada = qu Resistencia al corte = qu/2
P
compresión u niaxial P rotura qu = -------------- A rotura
esfuerzo en kg/cm2 P
Muestra inalterada entonces qu es inalterado Muestra remoldeada entonces qu es alterado St = qu inalterado / qu alterado Licuefacción entonces arenas saturadas Densificación entonces arenas secas (disminución de espacios vacíos) Se dice que una masa de arcilla ha sido remoldeada si se ha alterado severamente hasta el punto de destruir su estructura original. Los procesos que pueden producir remoldeo son numerosos y variados, desde un simple amasado de una muestra de arcilla manualmente hasta movimientos masivos de tierras que pueden ser por causa de movimientos sísmicos, excavaciones y reemplazo del suelo bajo condiciones de compactación controladas. En general se encuentra que la resistencia de una arcilla remoldeada es inferior a la que corresponde a una arcilla inalterada. La pérdida de resistencia se atribuye a la ruptura de la adhesión electroquímica entre las partículas y a la redistribución de parte del agua absorbida que se convierte en agua libre. La mayor parte de las arcillas tienen una sensitividad que esta en un rango de 1 a 4, mientras que las arcillas rápidas tienen valores tan altos que llegan hasta 100. Skempton propone una escala de sensitividad el cual se muestra en el siguiente cuadro: St
Descripción
<2
sensitividad baja (insensitiva)
2-4
medianamente sensitiva (normal)
4-8
sensitiva
8 - 16
muy sensitiva
> 16
rápida
Tixotropía.Se denomina tixotropía a la capacidad de recuperación que tienen las arcillas de su resistencia a la compresión simple que sufre un suelo después de ser amasado.
q u
qu
inalterado
q u re mo ld e a d o
(1)
(2 ) t (2) tixo tro pía m enor qu e (1)
Límite de Contracción. Al ir secando una muestra de suelo se va comprimiendo, reduciéndose su volumen por acción de las fuerzas capilares que van aumentando al disminuir la dimensión de los poros y expulsar su agua. Este fenómeno es muy visible en un suelo arcilloso seco y que queda cuarteado con grietas profundas. Si el proceso continua llega un momento en que las fuerzas capilares se ven contrarestadas por la acción del suelo; la desecación prosigue pero no habrá reducción de volumen. Teniendo en cuenta que la gran mayoría de los suelos no presentan prácticamente disminución de volumen durante el proceso de secado abajo del límite de contracción. Terzaghi sugirió un método muy simple de determinación que esencialmente consiste en medir el volumen y peso de una muestra de suelo totalmente seca; en tal momento puede decirse que el límite de contracción sería la humedad de la muestra seca como si estuviese sus vacíos llenos de agua. De esta idea se pueden deducir las fórmulas de límite de contracción de la siguiente manera:
estado
V1
estado lí quido
estado plást ic o
estado semis ólido
sólido
LC
LP
LL
W LC
W P
W L
gaseoso
Va
lí qu id o
Vw
V1 - V2
gaseoso
Va
Va = Vw Wt
sólido
Vs
sólid o
Vs
V2
sólid o
Vs
Lc = (1/Sd – 1/Gs) x 100
Donde: Sd = peso específico relativo de la masa del suelo seco: Sd = γm/γo = γd/γo = (Ws/Vm)/γo = Ws/Vm.γo Gs = Ss = peso específico relativo de los sólidos: Gs = γs/γo
En laboratorio se determina utilizando un suelo que pase la malla 4 y se determina utilizando la siguiente expresión: Lc = ((W1 – Ws)/Ws – ((V1 – V2)/Ws)).γo) x 100 Donde: V1 = volumen de la muestra húmeda. V2 = volumen de la muestra seca (sin agua). W1 = peso de la muestra húmeda. Ws = peso de la muestra seca. γo = volumen del agua destilada.
Razón de Contracción Rc.Rc = Sd = Ws/γo.V2 = γd/γo Cambio Volumétrico para un Contenido de Humedad Estipulado Cv.Es el cambio de volumen de la masa del suelo expresado como porcentaje del volumen del suelo seco, cuando se reduce el contenido de humedad d e un valor dado al límite de contracción y se determina mediante la siguiente expresión: Cv = (ω – Lc).Rc Donde: ω = contenido de humedad estipulado Efecto del Cambio Volumétrico del Suelo en una Losa de Pavimento de Hormigón (Pavimento Rígido).-
Pavimento en periodo seco
Pavimento en period o húmedo
expansión contracción del suelo
húmedo
se mantiene seco
seco
húmedo
se mantiene húmedo
seco
A fin de evitar el problema señalado es necesario colocar una base granular subyacente a la losa de hormigón que permita homogeneizar las variaciones de humedad del suelo natural por efecto de los cambios climáticos y distribuir mejor el agua que se incorpora desde el exterior a toda la superficie de apoyo de la losa. Problemas.1.- En un ensayo de límite líquido de una arcilla, se obtuvieron los siguientes resultados: Nro golpes ω%
9
15
22
30
85.1 % 80.2 % 76.5 % 73.9 %
Se encontró que el límite plástico tenía valores de 30.2 % y 30.7 %. Calcular el límite líquido, el índice de plasticidad, el índice de fluidez y el índice de tenacidad. Sabemos que:
ω = -If.logN + C
N = 22 y ω % = 76.5 % entonces 76.5 % = - Iflog22 + C ……….(1) N = 30 y ω % = 73.9 % entonces 73.9 % = - Iflog30 + C ……….(2)
Resolviendo (1) y (2): De (1): C = 0.765 + Iflog22 De (2): C = 0.739 + Iflog30 Desarrollando tenemos: If = 0.1930 y C = 1.024 N = 25 y ω = ? ω = - 0.1930log25 + 1.024
☺ LL = ω(N/25)^0.121
entonces ω % = 75.42 %
entonces: LL = 0.765(22/25)^0.121 LL = 0.7533 LL = 0.739(30/25)^0.121 LL = 0.7555
LL = (75.33 + 75.55) / 2 entonces LL = 75.43 % ☺ IP = LL – LP
y
LP = (30.2 + 30.7) / 2 = 30.45
IP = 75.43 – 30.45 entonces IP = 44.98 % ☺ It = IP / If
entonces It = 0.4498 / 0.1930 entonces It = 2.33
2.- Se constata que un cierto suelo saturado disminuye su humedad hasta llegar al límite de contracción. La muestra saturada pesa 90 gr y su humedad 41 %, después de la desecación total llega a tener un volumen de 31 cm3. Calcular el límite de contracción para cuando el peso específico relativo del suelo es 2.70 Datos: W = 90 gr
ω = 41 %
V = 31 cm3 γr = 2.70 = Gs
Lc = ? Sd = Ws / V. γo Solución: ω = Ww/Ws = (W – Ws) / Ws ω = W/Ws – 1
Ws.ω = W – Ws Ws.ω + Ws = W Ws(ω + 1) = W Ws = W / ( ω + 1) Ws = 90 / (0.41 + 1) entonces Ws = 63.83 gr Sd = 63.83 / 31x1 entonces Sd = 2.06 Lc = (1/Sd – 1/Gs) x 100 Lc = (1/2.06 – ½.70) x 100 Lc = 11.51 % CLASIFICACIÓN E IDENTIFICACIÓN DE LOS SUELOS Clasificación de Suelos.El suelo puede ser clasificado de una manera general como cohesivo o sin cohesión también como grueso o de grano fino. Como éstos términos son muy generales y cubren una gran gama de propiedades físicas y en ingeniería se requieren presiciones o medios de clasificaciones adicionales para determinar la conveniencia de un suelo para propósitos específicos de ingeniería y para tener capacidad de transmitir esta información a otros en forma comprensiva. Existen muchos tipos de clasificación de suelos, dependiendo esto del uso o el nivel de clasificación que se requiera para un determinado tipo de proyecto. Dentro de éstos tipos de clasificación los más importantes y universalmente conocidos son:
1- El sistema unificado de clasificación de suelos (SUCS) cuyo uso es para proyectos de cimentaciones de todo tipo de obra. 2- El sistema HRB adoptado por la AASHTO utilizado en la ingeniería de caminos. Importancia de los Sistemas de Clasificación.Un sistema de clasificación le permite a uno aprovechar la experiencia en ingeniería adquirida por otros; además facilita la comunicación entre grupos de ingenieros muy distantes que emplean el mismo método de clasificación de suelos. En otras palabras es un lenguaje de comunicación. El uso de un sistema de clasificación no elimina la necesidad de estudiar ensayos adicionales de los suelos para determinar sus propiedades ingenieriles por ejemplo ensayos de compactación, ensayos de pesos unitarios, ensayos triaxiales, etc. Sistema Unificado de Clasificación de Suelos SUCS.Este sistema divulgado por Casagrande en 1942 fue originalmente desarrollado para el uso en las construcciones de aeropuertos (pistas), posteriormente en 1952 fue ligeramente modificado para hacerlo aplicable en presas, edificaciones, puentes y otras construcciones. Luego fue adoptado por el cuerpo de ingenieros de los Estados Unidos y subsecuentemente por muchas otras organizaciones de nuestro país y del resto del mundo, siendo hasta la fecha uno de los más completos y ampliamente usados. Según este sistema los suelos se dividen en tres grupos principales: 1.- Suelos de grano grueso. 2.- Suelos de grano fino. 3.- Suelos altamente orgánicos (turba). Suelos de Grano Grueso.Se considera este suelo si más del 50 % es retenido en la malla 200, son llamados también suelos granulares. Se dividen en dos grupos principales de suelos (prefijo):
1- Gravas, cuyo símbolo es la letra G, pertenece a este grupo genérico si más del 50 % de la fracción gruesa (retenida en la malla 200) es retenida en la malla 4. 2- Arena, cuyo símbolo genérico es la letra S, pertenece a este grupo genérico si más del 50 % de la fracción gruesa pasa la malla 4. A su vez cada uno de éstos grupos de suelos se subdividen en cuatro tipos (sufijos). A.- Si es menor o igual al 50 % lo que pasa la malla 200 en peso, es un material limpio de finos entonces: a- Es bien graduado cuyo símbolo es W. b- Es mal graduado cuyo símbolo es P. ● GW si Cu > 4 y 1 <= Cc <= 3
● GP si no cumple con los requisitos anteriores de GW
● SW si Cu > 6 y 1 <= Cc <= 3
● SP si no cumple con los requisitos anteriores de SW
B.- Si más del 12 % pasa la malla 200 en peso, entonces es un material con una cantidad apreciable de finos. c.- Con finos no plásticos o de baja plasticidad: limo cuyo símbolo es la letra M d.- Con finos plásticos o de alta plasticidad: arcilla cuyo símbolo es la letra C GM, SM:
si los límites de plasticidad estan bajo la línea A o el índice plástico es menor a 4.
GC, SC:
si los límites de plasticidad estan sobre la línea A con un índice plástico mayor a 7.
C.- Si es mayor al 5 % y menor o igual al 12 % lo que pasa la malla 200, es un caso intermedio, se considera caso de frontera y se adjudica un símbolo doble, por ejemplo: ● GP – GC: grava mal graduada con contenido entre el 5 % y el 12 % de
fino plástico arcilloso. También: ● GM – GC, SM – SC: si los límites de plasticidad estan sobre la línea A y el
índice plástico esta entre 4 y 7. Nota: Así mismo cuando un material no cae claramente dentro de uno de los grupos indicados deberá usarse también símbolos dobles, correspondientes a casos de frontera, por ejemplo el símbolo GW – SW se usará para un material bien graduado con menos del 5 % de finos y formada por fracciones gruesas de igual proporción de grava y arena. Carta de Plasticidad.Es un gráfico en el cual se muestra el índice plástico versus el límite líquido. Existe una ecuación de la línea A: Tan α = IP / (LL – 20)
IP = 0.73x(LL – 20)
suelos de alta compresibilidad l í nea U (l í mi te su pe ri or ) C lí nea A
lí nea B
I P
suelo de baja compresibilidad L
22 20
H CH
M y O su elo or gáni co
CL 10
MH ó OH
ML
7
CL - ML
4
ML 8 10
20
50
90
L L
La línea A representa la división de un suelo arcilloso y un suelo limoso y un suelo orgánico. La ecuación de la línea U es: Tan α = IP / (LL – 8)
IP = 0.9x(LL – 8) La carta de plasticidad se requiere para la clasificación de suelos de grano fino. Cada suelo se agrupa de acuerdo con las coordenadas del índice de plasticidad y del límite líquido. En esta carta una línea empírica (línea A) separa las arcillas inorgánicas C, de los limos M y de los suelos orgánicos O. Aunque los suelos limosos y orgánicos tienen áreas coincidentes que son fácilmente diferenciados por examen visual de color y olor (color oscuro, con presencia de material orgánico). La mayoría de las arcillas inorgánicas C caen aproximadamente cerca de la línea A. Las arcillas caoliníticas tienden a caer por debajo de la línea A como limos inorgánicos ML o MH, en razón de la semejanza de sus propiedades de ingeniería. La línea U (límite superior) representa aproximadamente el límite superior de las coordenadas del índice de plasticidad y límites líquidos encontrados hasta ahora para todos los suelos. Cualquier suelo fino que esté a la izquierda de la línea U, debería motivar sospechas y se hace necesario verificar los límites como primer paso en la secuencia de clasificación puesto que no se ha encontrado un suelo fino por encima de la línea U.
Suelos de Grano Fino.Se considera este suelo si más del 50 % pasa la malla 200. Da lugar a tres grupos de suelos cuyo símbolo se usa como prefijo. Para su clasificación se requiere la carta de plasticidad. 1- Limos inorgánicos cuyo símbolo es M. Se considera cuando los límites de plasticidad están bajo la línea A de la carta de plasticidad. 2- Arcillas inorgánicas cuyo símbolo es la letra C. El límite líquido y el índice plástico están por encima de la línea A de la carta de plasticidad. 3- Suelo orgánico cuyo símbolo es la letra O. Puede ser arcilla orgánica o limo orgánico. Los límites líquidos e índices de plasticidad estan por debajo de la línea A de la carta de plasticidad. A su vez cada uno de estos grupos se subdivide en dos subgrupos cuyo símbolo se usa como sufijo según su límite líquido. Para su clasificación también se requiere la carta de plasticidad. Si LL < 50 % ● de baja compresibilidad cuyo símbolo es la letra L. Se encuentra a la izquierda de la línea B, combinando con el símbolo genérico tenemos: - ML si los límites de plasticidad (LL e IP) bajo la línea A o porción sobre la línea A con IP < 4 - CL si el límite líquido e índice de plasticidad sobre la línea A y IP >7 - OL si los límites líquidos e índice de plasticidad están bajo la línea A. Si LL > 50 % ● de alta compresibilidad cuyo símbolo es la letra H. Se encuentra a la derecha de la línea B, combinando con el
símbolo genérico tenemos: - MH si el LL e IP están bajo la línea A. - CH si el LL e IP están sobre la línea A. - OH si el LL e IP están bajo la línea A. Se considera casos de frontera y se adjudica un símbolo doble CL-ML si los límites de plasticidad están sobre la línea A con el IP entre 4 y 7. Suelos Altamente Orgánicos.Se considera este suelo a las turbas y cuyo símbolo genérico es la letra Pt. Estos suelos son muy compresibles y fácilmente identificables por su color, olor, sensación esponjosa y frecuentemente por su textura fibrosa. Los límites de plasticidad (LL e IP) de estos suelos estan bajo la línea A y a la derecha de la línea B ya que el límite líquido esta entre300 y 500 % y el índice de plasticidad esta entre 100 y 200 %. Identificación y Descripción de los Suelos.La diferencia entre el significado de clasificación del suelo e identificación del suelo es muy importante. La clasificación sitúa un suelo en un limitado número de grupos basándose en la granulometría y en las características de plasticidad de una muestra de suelo alterada, ignorando las condiciones particulares en la que se encuentra el suelo en el terreno. Por lo tanto la identificación y descripción de los suelos permite conocer información no solo del tamaño de las partículas, gradación, plasticidad sino también en forma cualitativa las propiedades mecánicas e hidráulicas de los mismos, además detallar a cerca del color, olor, presencia de material orgánico, etc. según el grupo en que se sitúen; naturalmente la experiencia juega un papel importante en la utilidad que se le pueda sacar de su clasificación o identificación. Por tanto nos da orientaciones, cuando el suelo debe utilizarse en su estado natural por ejemplo como estrato de cimentación una identificación completa deberá aportar las mejores indicaciones posibles con respecto a su comportamiento ingenieril. Por el contrario si el suelo se utiliza como material de construcción en terraplenes por ejemplo la clasificación del suelo deberá dar
buenas indicaciones a cerca de la conveniencia del uso del suelo en tales trabajos. El SUCS tiene una ventaja que ofrece criterios para su identificación en el campo es decir en aquellos casos en que no se disponga de equipo de laboratorio para efectuar las pruebas necesarias para una identificación estricta. Una identificación y una descripción completa del suelo necesita una inspección visual cuidadosa, un examen manual en el terreno y probablemente también de las muestras inalteradas llevadas al laboratorio. Se han desarrollado pruebas simples de campo para la evaluación rápida de las propiedades del suelo, cuyo detalle a cerca de dichas pruebas y las recomendaciones completas para la descripción del suelo se presentan en la norma ASTM-D-2488 Otras pruebas sencillas que llevan a poder identificar un suelo de manera aproximada cuando se carece de equipo de laboratorio están basadas en los conceptos que a continuación se indican: Identificación en Campo de Suelos Gruesos.Inspección Visual.-
Tamaño de las partículas.
- Angulosidad. - Gradación. -
Contenido de finos.
-
Densidad relativa.
-
Composición mineralógica.
Diferencia entre Grava y Arena.-
Utilizando la malla 4 (4.75 mm).
-
> 0.5 cm: grava.
-
< 0.5 cm: arena.
Gradación en Forma Visual.-
Se necesita experiencia. Densidad relativa
Descripción
Muy suelto 0 - 15 % entonces 28º Suelto
una barra de 1/2" penetra fácilmente con la mano si la barra de 1/2" penetra fácilmente
16 - 35 entonces 28º a 30º incada con una comba de 5 lb Medianamente denso
si la barra de 1/2" penetra 30 cm incado con una comba de 5 lb
Denso
si la barra de 1/2" penetra pocos centímetros incada con una comba de 5 lb
Identificación en Campo de Suelos Finos.Las principales bases de criterio para identificar los suelos finos en campo son la investigación de:
-
Dilatancia o reacción al sacudimiento.
-
Tenacidad o consistencia cerca al límite plástico.
-
Resistencia al quebramiento en estado seco.
- Sedimentación. -
Color y olor.
- Tacto.
El conjunto de las pruebas se efectúa con muestras de suelo mayores que el de la malla 40 o en ausencia de ella previamente sometida a un proceso manual equivalente. Problemas.1.- Clasificar el suelo según el SUCS cuyas características de granulometría y límites de consistencia son los siguientes: % retenido malla 200: 20 % respecto al total Pasa la malla 4: 92 % respecto al total
Cu = 4 Cc = 1.5 De la fracción fina se obtuvieron los siguientes límites: LL = 250 % LP = 100 % El suelo tiene una apreciable cantidad de materia orgánica. Solución:
suelos gruesos
grava
8%
arena
12 %
20 %
malla 4
malla 200 suelo fino
80 %
Como pasa la malla 200 más del 50 % entonces el suelo es fino LL = 250 % > 50 %: alta compresibilidad IP = 0.73x(LL – 20) IP = 0.73x(250 – 20) entonces IP = 168 por lo tanto 168 > 150 El punto cae por debajo de la línea A. Como tiene una cantidad apreciable de material orgánico. Respuesta: OH: arcilla orgánica de alta plasticidad, con un 20 % de suelo grueso. 2.- Clasifique el siguiente suelo por el sistema SUCS.
% retenido en la malla 4 = 10 % Pasa la malla 4 y es retenido en la malla 200 = 60 % Pasa la malla 200 = 30 % Cu = 4; Cc = 2 De la fracción fina se tomó los límites de consistencia: LL = 40 %; LP = 25 % Solución:
suelo grueso
grava
10%
arena
60%
suelo fino
30%
malla 4
m alla 200
Se tiene un 70 % de suelo grueso de los cuales un 60 % es arena S. Como el 70 % es retenido por la malla 200 entonces es un suelo grueso cuyo prefijo puede ser G o S. Como más de la mitad de la fracción gruesa es arena entonces el prefijo es S. % que pasa la malla 200 = 30 % > 12 %: suelo con apreciable cantidad de finos; puede ser SM o SC. IP = 40 – 25 entonces IP = 15 % > 7 LL = 40 % entonces IP = 0.73x(40 – 20) entonces IP = 14.60 % 14.60 % < 15 % entonces está por encima de la línea A e IP = 15 > 7 Así el suelo es SC: Respuesta: SC: arena arcillosa, medianamente graduada, con un 30 % de m aterial fino. 3.- Clasifique el siguiente suelo según el SUCS:
2 % del material se retiene en la malla 4 90 % del material pasa la malla 4 y se retiene en la malla 200 De la curva granulométrica se calculó que Cu = 8 y Cc = 2 En la fracción fina se determinó un LL = 45 % y un IP = 14 % Solución:
suelo
grava
2%
arena
90 %
suelo fino
8%
malla 4
grueso
m alla 200
Como el 92 % es retenida por la malla 200 entonces el suelo es grueso. Cuyo prefijo puede ser G o S. Como más de la mitad de la fracción gruesa es arena entonces el prefijo es S. % que pasa la malla 200: 8 % está entre 5 % y 12 % frontera: por lo tanto tiene doble signo Como: Cu = 8 > 6 Cc = 2 entonces 1 <= 2 <= 3 Es W En los finos: LL = 45 % IP = 14 % Esta debajo de la línea A y a la izquierda de la línea B entonces es M. Por lo tanto SW – SM Respuesta:
SW – SM: arena bien graduada, con contenido de finos de baja compresibilidad entre 5 % y 12 % de limo. 4.- Clasifique el siguiente suelo según el SUCS, cuyos resultados del análisis granulométrico son los siguientes:
malla
% que pasa
4
40
10
30
40
22
100
20
200
15
LL = 35 % LP = 22 % Observación visual: color café, amarillento oscuro con mucha grava. Solución:
grava
suelo grueso
60%
malla 4
85% arena
25%
malla 200 suelo fino
15%
Retiene la malla 200 el 85 % > 50 %; entonces es un suelo grueso. Más de la mitad de la fracción gruesa es grava; prefijo G. Pasa la malla 200: 15 % > 12 %; sufijo es M o C. Para M: límites bajo la línea A
o IP < 4
Para C: límites sobre la línea A e IP > 7 De nuestros datos: IP = 13 % entonces encima de la línea A IP = 13 % > 7 % entonces el símbolo es C Respuesta: GC: mezcla de grava, arena y arcilla de color café amarillento oscuro. Sistema de Clasificación AASHTO.El sistema emplea 8 grupos básicos designados como A-1, A-2, A-3, A-4, A-5, A6, A-7 y A-8. Los grupos A-1, A-2 y A-3 corresponden a suelos granulares en los cuales pasa menos de un 35 % bajo la malla 200. El resto de los grupos principales A-4, A-5, A-6, y A-7 corresponden a suelos finos, limos y arcillas en los cuales el porcentaje que pasa la malla 200 es mayor que el 35 %. La tabla de clasificación general no presenta el grupo A-8, pero es turba o tierra vegetal, con base a una clasificación visual. Los grupos principales del A-1 al A-7 han sido subdivididos en 12 subgrupos. 2 subgrupos de la A-1: (A-1-a; A-1-b) 4 subgrupos de la A-2: (A-2-4; A-2-5; A-2-6; A-2-7) 2 subgrupos de la A-7: (A-7-5; A-7-6) Por razones de clasificación se ha colocado el grupo A-3 antes que el A-2. La separación del grupo A-7 en los grupos A-7-5 y A-7-6 se efectúa de acuerdo al siguiente criterio: A-7-5 si IP <= LL – 30 A-7-6 si IP > LL – 30 Es importante indicar que la clasificación de suelos debe ir acompañado de un índice de grupo, el cual se debe colocar entre paréntesis a continuación de la clasificación.
Procedimiento de Clasificación.Con los datos de prueba disponibles que se requieren proceder a buscar de izquierda a derecha del cuadro de clasificación AASHTO hasta encontrar el grupo correcto por el proceso de eliminación. El primer grupo a partir de la izquierda al cual se ajustan los datos de prueba corresponde a la clasificación correcta. Todos los valores, límites de prueba se presentan con números enteros. Si en los informes de las pruebas hay números fraccionarios se aproxima al número entero más cercano con el objeto de clasificarlos. Seguidamente se calcula los valores del índice de grupo y se presentan entre paréntesis después del símbolo de grupo; por ejemplo: A-2-6 (12) donde A-5 (10)
donde
12 es el índice de grupo 10 es el índice de grupo
En general este sistema de clasificación evalúa un suelo como: a.- Más pobre para uso en la construcción de caminos en la medida en que se avanza de izquierda a derecha en la tabla de clasificación; por ejemplo el suelo A-6 es menos satisfactorio que el suelo A-5. b.- Más pobre para la construcción de caminos a medida que el índice de grupo aumenta para un subgrupo particular, por ejemplo un suelo A -6 (3) es menos satisfactorio que un suelo A-6 (1). La descripción general de los subgrupos de clasificación del sistema AASHTO se puede encontrar en la separata. Cálculo del Índice de Grupo.El índice de grupo es un coeficiente empírico que se relaciona en forma aproximada con el valor de soporte de los suelos de la sub rasante en pavimentos. En condiciones normales de drenaje, compactación, etc, el índice de grupo esta en relación inversa a la capacidad de soporte del suelo.
El índice de grupo es una función del porcentaje de suelo que pasa la malla 200 y de los límites de consistencia. El índice de grupo puede obtenerse como la suma de los valores de la figura B del cuadro de clasificación de suelos, que es una representación gráfica de la siguiente ecuación: IG = 0.2a + 0.005ac + 0.01bd Donde: IG = índice de grupo a = parte del porcentaje del material que pasa la malla 200, mayor de 35 y sin exceder 75, expresada como número entero, para porcentajes mayores de 75 se considera solo este valor y para valores menores de 35 a=0; el rango de variación de a es de 0 – 40. b = parte del porcentaje del material que pasa la malla 200 mayor de 15 y sin exceder 55, expresada como un número entero; el rango de variación es de 0-40. c = la parte del límite líquido mayor de 40 y no mayor de 60, expresada como un número entero positivo, el rango de variación es de 020. d = la parte del índice de plasticidad mayor de 10 y sin exceder de 30, expresada como un número entero positivo, el rango de variación es de 0-20. El índice de grupo debe ser redondeado al número entero más cercano. En general se interpreta que cuanto mayor sea el índice de grupo menos deseable es el suelo para su empleo en construcción de carreteras. Problemas.1.- Clasificar los siguientes suelos por el sistema AASHTO.
% que
suelos
pasa malla
1
2
3
4
40
69
95
10
30
54
90
40
22
46
83
100
20
41
71
200
15
36
55
LL
35%
39%
55%
LP
22%
27%
24%
IP
13%
12%
31%
Solución: ♥ Clasificación del suelo 1:
Procedimiento de izquierda a derecha en el cuadro de clasificación AASHTO, el suelo será A-2-6 a=0 b = 15 – 15 = 0 c=0 d = 13 – 10 = 3 IG = 0.2 (0) + 0.005 (0)(0) + 0.01 (0)(3) entonces IG = 0 Por lo tanto: A-2-6 (0) ♥ Clasificación del suelo 2:
Procedimiento de izquierda a derecha en el cuadro de clasificación AASHTO, el suelo será A-6 a = 36 – 35 = 1 b = 36 – 15 = 21 c = 39 – 40 = -1 = 0 d = 12 – 10 = 2 IG = 0.2 (1) + 0.005 (1)(0) + 0.01 (21)(2) entonces IG = 0.62 = 1 Por lo tanto: A-6 (1)
♥ Clasificación del suelo 3:
Procedimiento de izquierda a derecha en el cuadro de clasificación AASHTO, el suelo será A-7-6 Del gráfico: a=8 b = 5.6 entonces IG = 13.6 = 14 por lo tanto: A-7-6 (14) COMPACTACIÓN Y ESTABILIZACIÓN DE SUELOS Estabilización de Suelos.Cuando los suelos de un lugar son sueltos o altamente compresibles o cuando tienen índices de consistencia inapropiados o muy alta permeabilidad o cualquier otra propiedad indeseable que no pueda llenar los requisitos de resistencia y compresibilidad para su uso en un proyecto de construcción estos suelos pueden ser estabilizados. La estabilización es el proceso por el cual se mejora el suelo para que pueda alcanzar los requisitos y especificaciones fijados en una construcción; entendiéndose por un suelo estable a aquel que presenta una buena resistencia a la deformación y es poco sensible a la presencia del agua. En su más amplio sentido, la estabilización puede consistir en cualquiera de los siguientes procedimientos: 1- Aumentar la densidad del suelo mediante procesos de compactación. 2- Agregar materiales para efectuar un cambio químico y/o físico en el suelo. 3- Drenaje del suelo, cuando se trata de bajar el nivel freático. 4- Pre consolidación del suelo. 5- Remoción y/o reemplazo de los suelos malos. 6- Protección de la superficie contra la erosión y la infiltración de la humedad.
La estabilización de suelos es normalmente mecánica y físico-química aunque en ocasiones se han utilizado medios técnicos y eléctricos. Estabilización Físico-Química.Se realiza mediante la utilización de aditivos que actúan física o químicamente sobre propiedades del suelo, esto incluye la mezcla o inyección de sustancias químicas al suelo tales como cemento, asfalto, cal, cloruro de sodio, cloruro de calcio, etc. Últimamente también se han realizado estabilización de suelos utilizando geotextiles y productos químicos como el perma zyme 22x. Existen diferentes procedimientos para estabilizar suelos mediante alteraciones físico-químicas. La estabilización química consiste en cambiar las propiedades de los granos del suelo, principalmente de los minerales arcillosos y de su agua adsorvida. El cambio de iones, es el cambio de los cationes en la película de agua adsorvida. Existen estabilizaciones electroquímicas que implica un cambio de base o iones producido por una corriente eléctrica. Los cationes de Al se desprenden de un electrodo positivo de Al y emigran en el suelo hacia el electrodo negativo y en el curso de su movimiento se efectúa el cambio de iones para mejorar las características plásticas de los suelos. El cemento Pórtland, la cal y mezclas de cal-cemento se utilizan ampliamente en la estabilización de suelos, ya sea alterando la plasticidad para controlar el cambio de volumen o mejorando su resistencia. La alteración de la plasticidad supone un procedimiento de mezclas añadiendo pequeñas cantidades de cal y cemento al suelo (0.5 % al 5 %). La alteración de la resistencia implica la adición al suelo de porcentajes adecuados de cemento (4 % al 8 %). Estabilización Mecánica.La estabilización mecánica es el mejoramiento del suelo por el cambio de graduación. Consiste generalmente en mezclar dos o más suelos naturales para obtener un material compuesto que sea superior a cualquiera de sus componentes, esto también incluye la adición de roca triturada o escorias al suelo. Se incluye en la estabilización mecánica a procedimientos de compactación, técnicas de vibración y procedimientos de drenaje en suelos. Mezcla de Suelos.-
Lo normal es que una estabilización se lleve a cabo mediante la mezcla binaria de suelos. Estas mezclas y su homogenización en la obra nunca se realizan con más de dos suelos pues no son operaciones de prueba-costo, y aunque en laboratorio y para ensayos de experimentación se pueden mezclar más de dos suelos. La granulometría de la mezcla puede establecerse utilizando el concepto de módulo granulométrico. Se denomina módulo granulométrico al resultado de dividir por 100 la suma de las cantidades retenidas acumuladas en distintos tamices de un proceso de tamizado de las muestras de suelo. El número de tamices ha de ser suficiente para representar la granulometría con presición y cuanto más elevada sea, será mejor. En todo caso no deberán faltar la serie fina de tamices 4, 10, 40 y 200. En cuanto a la serie de gruesas los tamices se habrán de elegir en función del máximo tamaño del árido de la mezcla futura. El módulo granulométrico de un suelo de granulometría gruesa será elevado, mientras que el de un suelo fino será bajo, pero cuando se comparen módulos de dos suelos, se han de tomar siempre para su determinación los mismos tamices. No es preciso apostarse con toda exactitud a una curva granulométrica dada para lograr la máxima compacidad en los suelos gruesos, a igual dad de consistencia; es suficiente que el módulo granulométrico del árido o de una mezcla de áridos coincida con el de la curva teórica adoptada. Esta hipótesis de sobra confirmada por la práctica, también es aplicable para lograr la m áxima compacidad en las mezclas de suelos considerados, con una buena compactación a la humedad óptima como hormigones de áridos con un material ligante (arcilla), se ha comprobado máximas compacidades en muchas ocasiones. Se puede adoptar como una curva granulométrica de máxima compacidad la ecuación teórica deducida por Talbot que establece la granulometría ideal mediante la siguiente ecuación: P = (d/D)^n x 100 Donde: P = tanto por ciento en peso de partículas que pasa por el tamiz de abertura d D = es el máximo tamaño de las partículas en cada caso (abertura máxima del tamiz correspondiente). d = abertura del tamiz 1 ½”; 1”.
n = es un exponente que está en función de los valores de D que varía de 0.11 a 0.50
D
n
2"
0.5
1 1/2"
0.4
1"
0.33
3/4"
0.30
3/8"
0.22
Problemas.1.- Si aplicamos la ecuación de Talbot a un tamaño máximo de 1 ½” utilizando la serie de tamices especificado por la AASHTO, la ecuación de Talbot que se utilizará será la siguiente: P = (d/D)^n x 100 Donde: D = 1 ½” x 2.54 x 10 D = 38.10 mm por lo tanto n = 0.4 Así: P = (d/38.10)^0.4 x 100 Tamices para la AASHTO: tamiz % que pasa 1 1/2"
100
1"
70 - 100
3/4"
60 - 90
3/8"
40 - 70
4
30 - 60
10
20 - 50
40
10 - 30
200
5 - 15
tamiz
diámetro (mm)
% que pasa
% Talbot retenido Talbot
1 1/2"
38.10
100
100
0
0
1"
25.40
85
85.03
15
14.97
3/4"
19.05
75
75.79
25
24.21
3/8"
9.525
55
57.43
45
42.57
4
4.75
45
43.48
55
56.52
10
2.00
35
30.76
65
69.24
40
0.425
20
16.56
80
83.44
200
0.074
10
8.23
90
91.77 Σ:
Σ: 375
382.72
2.- Supongamos que se pretenda conseguir una mezcla de suelos A y B, de modo que tenga el mismo módulo granulométrico que el que corresponde a valores medios del uso de un tamiz de 1 ½” cuya especificación de obra se
tienen en el problema anterior. Los suelos A y B que se pretenden mezclar tienen los siguientes módulos granulométricos: Suelo A: MA = 4.53 suelo grueso Suelo B: MB = 2.30 suelo fino Mezcla: MM = 375/100
entonces
Xa = proporción de suelo A XB = proporción de suelo B
MM = 3.75
XA.MA + XB.MB = MM100 ………. (1) XA + XB = 100 ………. (2) De (2): XA = 100 – XB ………. (3) En (1): (100 – XB)x4.53 + 2.30XB = 375 Por lo tanto: XB = 35 % XA = 65 % XA y XB serán las proporciones en que deberían mezclarse los suelos A y B para obtener un suelo capaz de conseguir a la humedad óptima la misma compacidad que el suelo especificado. Compactación de Suelos.Es el mejoramiento artificial de sus propiedades mecánicas mediante la aplicación de energía mecánica. La importancia de la compactación de los suelos estriba en el aumento de la resistencia y disminución de capacidad de deformación que se obtiene al sujetar el suelo a técnicas convenientes que aumente su peso específico seco disminuyendo sus vacíos. Por lo general las técnicas de compactación se aplica a rellenos artificiales tales como cortinas de presas de tierra, diques, terraplenes para carreteras y ferrocarriles, pavimentos, etc. Entre las ventajas que se desarrollan en el suelo a través de la compactación tenemos: 1- Reducción de los asentamientos debido a la disminución de la relación de vacíos. 2- Aumento de la resistencia del suelo (resistencia al esfuerzo cortante). 3- Reducción de la contracción.
La principal desventaja es que se aumenta el hinchamiento y el potencial de expansión por heladas. Curva de Compactación.La representación gráfica del contenido de humedad ω-peso específico seco γd en un proceso de compactación sea cual fuere el procedimiento de compactación que se siga, recibe el nombre de curva de compactación y se obtiene variando el contenido de humedad y calculando γd mediante la siguiente expresión: γd = γ / (1 + ω)
para suelos parcialmente saturados. γ = peso volumétrico de la masa del suelo húmedo.
Donde:
ω = contenido de humedad.
d
línea d e sat ur aci ón:
Gs. w d = -------------- 1+ Gs
para suelos saturados dm áx.
curva de com pactación: para suelos parcialmente saturados % optimo
Ojo: dichas curvas nunca se intersectan. γdmáx = peso volumétrico seco máximo. ωopt = contenido de humedad óptimo.
Esta curva se puede obtener de un ensayo de compactación: ♥ Próctor estándar ♥ Próctor modificado
Si la curva o línea de saturación teórica no toca o cruza a la curva de compactación se acepta que el ensayo de compactación estuvo bien ejecutado. Factores que Afectan el Proceso de Compactación de Suelos.Como es natural un suelo se puede compactar de varias maneras y en cada caso se obtendrá un resultado diferente; por otra parte una misma forma de compactación dará resultados distintos si se aplica a diversos suelos. De estas afirmaciones justifican la conclusión de que los resultados de un proceso de compactación dependen de varios factores, unos que atañen al tipo de suelo, otros relativos al método de compactación que se emplea y otros que se refieren al esfuerzo o energía de compactación. Estos factores suelen denominarse “las variables” que rigen el proceso de compactación. Las principales de estas se describen a continuación: Características Físicas del Suelo (tipo de suelo).Es claro que la clase de suelo con que se trabaja influye de manera decisiva en el proceso de compactación. Existen diferencias entre las técnicas de compactación que se emplean y los resultados que se obtienen son precisamente con base en el tipo de suelo. En investigaciones se ha demostrado que además de la granulometría, contenido de humedad, peso unitario seco tiene incidencia sobre una buena compactación el contenido de finos, la angulosidad y rugosidad de las partículas. Dentro de la práctica os suelos gruesos y finos se pueden considerar como suelos cohesivos (arcillas), suelos friccionantes (gravas, arenas, limos limpios), suelos cohesivos friccionantes (grava con arcilla, arena con arcilla, limo con arcilla), debido a que su comportamiento bajo la acción de cargas ponen de relieve la mayor importancia en la selección del equipo apropiado de compactación para cierto tipo de suelo. Método de Compactación.En el laboratorio resulta bastante fácil clasificar los métodos de compactación los cuales son de tres tipos bien diferenciados:
-
Compactación por impacto.
-
Compactación por amasado.
-
Compactación por aplicación de carga estática.
Resulta más difícil en campo (en obra) diferenciar de un modo análogo los métodos de compactación. En una primera clasificación y dependiendo del tipo de suelo que se va a compactar, el equipo de compactación puede transmitir su energía al suelo por presión, vibración, impacto y amasado mediante rodillos estáticos, vibratorios, pata de cabra y neumáticos. Se supone que los métodos de laboratorio reproducen las condiciones del proceso de campo, pero en muchos casos no es fácil establecer una correspondencia clara entre el trabajo de campo y las pruebas de laboratorio, en el sentido de contar aunque estas últimas reproduzcan en forma suficientemente representativa todas las condiciones del suelo compactado en campo. Esfuerzo o Energía de Compactación.El esfuerzo de compactación es una medida de la energía mecánica aplicada a la masa de suelo en el campo el esfuerzo de compactación esta relacionado con el número de pasadas del equipo de compactación en un volumen dado de suelo. En laboratorio la energía de compactación puede ser desarrollada por impacto, amasado o por medios estáticos. Durante la compactación por impacto, un martillo cae varias veces en una muestra de suelo, en un molde, se especifica el tamaño del martillo, la altura de caída, el número de golpes, el número de capas de suelo y el volumen del molde. La energía de compactación por impacto para el ensayo de compactación estándar se calcula mediante la siguiente expresión: Ec = (N.n.W.H) / V Donde: Ec = energía específica de compactación (kg.cm/m3) N = número de golpes por capa. n = número de capas del suelo. h = altura de caída libre del pistón. W = peso del pistón.
V = volumen total del suelo compactado. Para los métodos de compactación por amasado y estáticos, el cálculo de la energía de compactación es extremadamente complejo. En la compactación por amasado, el pistón comprime al suelo aplicándole una presión dada en una fracción de tiempo. Se ha supuesto que la acción del amasado simula la compactación producida por un rodillo pata de cabr a. En la computación estática el suelo es presionado en un molde por una presión estática de cierta magnitud y la fricción lateral en el molde llega a ser un factor significante ya que se desarrolla una presión lateral que esta relacionada con la presión vertical. La compactación por amasado puede ser aplicada solo a suelos cohesivos y la compactación estática a cualquier suelo. Para estudiar la influencia del esfuerzo de compactación se han desarrollado las relaciones ω vs γd para diferentes energías de compactación obteniéndose las siguientes curvas de compactación.
d Ec (1) > Ec (2) > Ec (3) d 1
d1 > d2 > d3 1<
2<
3
d 2 Ec (1)
d 3
Ec (2)
Ec (3) 1
2
3
Problemas.1.- Se sabe que la energía específica de compactación que corresponde al ensayo de próctor modificado es 27.2 kg.cm/cm3 (hecho en el molde de 4” de diámetro). Disponiendo únicamente del equipo de próctor estándar, en cuantas capas y en cuantos golpes por capa se podrá compactar el suelo para alcanzar a 27.2 kg.cm/cm3 de energía específica de compactación. N=?
n=? Ec = 27.2 Equipo próctor estándar: ω = 5.5 lb = 2.5 kg h = 12” = 30.48 cm
V = 945 cm3 Solución: Ec = (N.n.W.h) / V
y
el molde es de 4.59” x 4”
27.2 = (N.n.25x30.48) / 945 N = 33.73 / n Por tanteos tenemos:
n
N
2
16.87
3
11.24
4
8.43
5
6.75
6
5.62
7
4.82
8
4.22
9
3.75
10
3.37
Por razones prácticas en un molde de 42 por 4.59” no es recomendable
compactar más de 8 capas, por lo tanto asumimos que: n=8 y N=4
2.- En un terreno seleccionado como cantera de materiales, para la construcción de una presa de tierra; se han efectuado in situ dos determinaciones de pesos volumétricos en el estado natural. También con las muestras representativas de este material de cantera, se han efectuado una serie de ensayos de próctor modificado, de las cuales se ha considerado como patrón los resultados que se presentan en el siguiente cuadro: próctor modificado compactado en molde de 6" en laboratorio peso suelo húmedo gr
I
II
III
IV
3830 4100 4030 3790
contenido de humedad %ω
5.5
7.0
9.0 11.0
volumen del molde 2130 cm3 Para los pesos volumétricos en campo utilizando el método del cono de arena: huecos para el cono de arena
01
02
peso del suelo húmedo gr
6034 6012
peso de la arena antes del ensayo gr
6323 5826
peso de la arena después del ensayo gr
1340 1002
contenido de humedad de compactación % ω
6.5
8.5
Peso volumétrico de la arena calibrada: 1.40 gr7cm3 (γ) Determinar los grados de compactación obtenidos en campo. Así mismo calcular las compacidades relativas si el peso volumétrico seco mínimo de campo es 1.5 gr/cm3. Solución: GC = (γd campo / γdmáx laboratorio) x 100
γd = γm / (1 + ω)
γm = Wmuestra húmeda / Vmolde
Cálculo del γd máximo: propiedad
I
II
III
IV
γm(gr/cm3) 1.80
1.92 1.89 1.78
γd(gr/cm3) 1.71
1.79 1.73 1.60
d
1.80 1.73 1.71 1.60
5.5
7
9
11
Por lo tanto: γdmáx = 1.80 gr/cm3 ωopt. = 7 %
γdcampo = γmcampo / (1 + ωcampo)
γ = W / Vhueco
entonces Vhueco = W1 / γ y Vhueco = W2 / γ
Vhueco 1 = (6323 – 1340) / 1.40 entonces Vhueco 1 = 3559.29 cm3 Vhueco 2 = (5826 – 1002) / 1.40 entonces Vhueco 2 = 3445.71 cm3