UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL “LISANDRO ALVARADO” DECANATO DE INGENIERÍA CIVIL DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA VIAL
CÁTEDRA DE MECÁNICA DE SUELOS
EL SUELO Y SUS PROPIEDADES BÁSICAS GUÍA DE LOS TEMAS 3 Y 4
MILA SÁNCHEZ 01/11/2011
Tabla de contenido
INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................................... 3 EL SUELO Y SUS PROPIEDADES BÁSICAS .................................................................................................... 4 MAPA CONCEPTUAL ............................................................................................................................... 4 OBJETIVOS .............................................................................................................................................. 5 Objetivo terminal ............................................................................................................................... 5 Objetivos específicos .......................................................................................................................... 5 EL SUELO................................................................................................................................................. 5 ESTRUCTURA DEL SUELO ........................................................................................................................ 5 Elementos constituyentes de la estructura del suelo ........................................................................ 5 Fase sólida. ......................................................................................................................................... 5 Fase líquida. ........................................................................................................................................ 6 Fase gaseosa. ...................................................................................................................................... 6 Relaciones gravimétricas y volumétricas de los suelos .......................................................................... 6 Relaciones de peso. ............................................................................................................................ 6 Relaciones de volumen. volumen. .................................................................................................................... 7 Relaciones de peso y volumen. volumen. ........................................................................................................ 8 Ejercicio. ........................................................................................................................................... 10 Ejercicio. ........................................................................................................................................... 11 PROPIEDADES BÁSICAS DEL SUELO ...................................................................................................... 15 Propiedades Físicas: Físicas: ........................................................................................................................ 15 Propiedades Índice: Índice: ........................................................................................................................ 15 Propiedades Mecánicas: Mecánicas: ................................................................................................................ 15 PROPIEDADES ÍNDICE ........................................................................................................................... 15 Granulometría .................................................................................................................................. 15 Plasticidad de los suelos ................................................................................................................. 16 Consistencia de los suelos cohesivos. .............................................................................................. 17 Estados de consistencia.................................................................................................................... 19 Límites de consistencia o de Atterberg. ........................................................................................... 20 Ejercicio. ........................................................................................................................................... 21 Índices de consistencia. .................................................................................................................... 21
1
Índice de plasticidad. ........................................................................................................................ 21 Índice de consistencia. ..................................................................................................................... 22 Índice de liquidez. ............................................................................................................................ 22 Índice de retracción. ......................................................................................................................... 23 Índice de actividad de la arcilla. ....................................................................................................... 23 Ejercicio. ........................................................................................................................................... 23 CLASIFICACIÓN DE SUELOS .................................................................................................................. 24 Sistema AASHTO ............................................................................................................................... 25 Ejercicio. ........................................................................................................................................... 26 Ejercicio. ........................................................................................................................................... 29 Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) ....................................................................... 29 Ejercicio. ........................................................................................................................................... 35 ACTIVIDADES DE AUTOEVALUACIÓN ....................................................................................................... 37 Actividad N° 1 ....................................................................................................................................... 37 Actividad n° 2 ....................................................................................................................................... 37 Actividad N° 3 ....................................................................................................................................... 39 Actividad N° 4 ....................................................................................................................................... 39 Actividad N° 5 ....................................................................................................................................... 40 RESPUESTA A LAS ACTIVIDADES DE AUTOEVALUACIÓN .......................................................................... 41 Actividad N° 1 ....................................................................................................................................... 41 Actividad N° 2 ....................................................................................................................................... 41 Actividad N° 3 ....................................................................................................................................... 43 Actividad N° 4 ....................................................................................................................................... 44 Actividad N° 5 ....................................................................................................................................... 46 BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................................... 47
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INTRODUCCIÓN La Mecánica de suelos es la rama de la ingeniería que estudia el comportamiento físico de los suelos por medio de sus características índices y de sus propiedades mecánicas e hidráulicas. Características índices tales como contenido de humedad, relación de vacíos, porosidad, grado de saturación, pesos volumétricos, límites de consistencia consistencia y consistencia natural entre otras. Propiedades mecánicas como la compresibilidad, deformabilidad y resistencia al esfuerzo cortante. c ortante. Propiedades hidráulicas como la permeabilidad. El conocimiento de las características índices y de las propiedades hidráulicas y mecánicas de los suelos permite estudiar problemas de estabilidad de excavaciones, túneles y terraplenes, empujes de tierra, capacidad de carga, asentamientos y desplazamientos, filtraciones, presiones hidrodinámicas, estabilidad de taludes, consolidación, relaciones esfuerzo-deformación-tiempo. Por tanto, su dominio resulta primordial para el ingeniero civil. Este módulo comprende el estudio de las propiedades y características básicas del suelo, y tiene como principal objetivo brindar al estudiante de de Ingeniería Civil, este conocimiento conocimiento básico y fundamental.
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UNIDAD I EL SUELO Y SUS PROPIEDADES BÁSICAS MAPA CONCEPTUAL
EL SUELO
FASES RELACIONES GRAVIMETRICAS Y VOLUMETRICAS
PROPIEDADES
ÍNDICE
FÍSICAS
MECÁNICAS
GRANULOMETRIA PLASTICIDAD: LIMITES E INDICES DE CONSISTENCIA
CLASIFICACION DEL SUELO
S.UC.S.
AASHTO
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OBJETIVOS Objetivo terminal
Conocer las características generales del suelo, sus principales constituyentes y propiedades.
Objetivos específicos
Estudiar las fases constituyentes del suelo. Estudiar las propiedades del suelo. Estudiar las características de plasticidad del suelo. Conocer y aplicar los diferentes sistemas de clasificación del suelo.
EL SUELO Es todo depósito de partículas minerales y orgánicas disgregadas pero íntimamente relacionadas entre sí, que presentan diferentes grados de cohesión y fuerzas intermoleculares que las mantienen vinculadas.
ESTRUCTURA DEL SUELO Es la que produce una respuesta a los cambios exteriores como cargas, agua y temperatura entre otros.
Elementos constituyentes de la estructura del suelo Los suelos están formados por muchos materiales diferentes que pueden encontrarse en las tres fases de la materia, es decir, los componentes del suelo son: materia sólida, líquido y gas.
Fase sólida. Conforman el esqueleto estructural del suelo, y es la que determina en su mayor parte el comportamiento ingenieril del suelo. Está constituida por minerales, por los productos de la meteorización meteorización de las rocas y por productos orgánicos. Minerales.
Uno de los principales constituyentes del suelo es el sílice, el cual se presenta en dos formas: cristalina (cuarzo) y amorfa (pedernal, sílex y calcedonia). Otros de los minerales que más comúnmente se encuentran en el suelo son los feldespatos, mica (moscovita y biotita), ferromagnesianos, óxidos de hierro, carbonatos minerales (calcita y dolomita). Productos de la meteorización meteorización de las rocas. rocas.
Son los fragmentos de roca producidos por la meteorización mecánica o química. La primera llamada también desintegración, reduce la roca a fragmentos cada vez más pequeños, pero siguen conservando su composición mineralógica original. La meteorización química o descomposición produce alteración química de los minerales de las rocas, para formar nuevos minerales que generalmente tienen 5
propiedades físicas y químicas completamente diferentes a los que les dieron origen. Se pueden encontrar silicatos complejos de aluminio, carbonatos de sodio, sílice y minerales arcillosos como productos de la descomposición de feldespatos; las micas forman minerales arcillosos, carbonatos, carbonatos, sílice y óxidos de hierro (cuando la mica tiene este mineral); los minerales ferromagnesianos forman óxidos e hidróxido s de hierro y minerales arcillosos. Los carbonatos minerales, calcita y dolomita se meteorizan por solución. Partículas orgánicas. orgánicas.
Se originan por la descomposición de materia orgánica vegetal y animal. Se conoce muy poco acerca de los compuestos orgánicos del suelo. Existen suelos formados totalmente por partículas orgánicas como las turbas y hay otros que contienen una mezcla de partículas orgánicas e inorgánicas, como es el caso de los limo s y arcillas orgánicas.
Fase líquida. El líquido que se encuentra en el suelo básicamente es agua; aunque en algunos casos se encuentran sales disueltas en ella. El agua se presenta en e n el suelo de varias formas: agua libre, agua capilar yagua adsorbida.
Fase gaseosa. Por lo general el gas presente en el suelo es aire, pero hay ocasiones en que se puede encontrar metano proveniente de la descomposición descomposición de materia orgánica.
RELACIONES GRAVIMÉTRICAS Y VOLUMÉTRICAS DE LOS SUELOS Las fases del suelo se pueden representar gráficamente tal como se indica en la figura 1. Las relaciones entre los pesos y volúmenes de las diferentes fases señaladas en la figura 1, son importantes porque ayudan a definir condiciones del suelo o su comportamiento físico. El ingeniero debe comprender antes que nada y de una manera clara las definiciones y términos que se asignan a estas relaciones para poder lograr un conocimiento c onocimiento cabal de las propiedades de los suelos y las rocas.
Figura 1. Diagrama de fases del suelo.
Relaciones de peso. El peso de los sólidos se designa como W s , el peso del agua como W w y el peso del aire como W a, éste último no se toma en cuenta por ser insignificante con lo que W a aproximadamente 0. El peso de la masa de suelo es W t, y es la suma de peso de los sólidos y el peso del agua:
6
Wt=Ws+Ww
Contenido de humedad (ω).
Es la relación entre el peso del agua y el peso de los sólidos. Se expresa en porcentaje. ω=
x 100
Físicamente representa la cantidad de agua contenida en el suelo.
Relaciones de volumen. volumen. El volumen de los sólidos se designa como Vs, el volumen que ocupa el agua es Vw y el volumen ocupado por el aire es Va. El volumen de la masa de suelo es Vt, e incluye los volúmenes sólidos, agua y aire: Wt=Vs+Vw+Va A los espacios entre las partículas sólidas que están ocupados por el aire y el agua se les llama poros o vacíos, y su volumen se designa por Vv: Vv=Vw+Va Relación de vacíos (e).
Es la razón entre el volumen de vacíos y el volumen de los sólidos. e=
Es un valor adimensional que siempre se expresa como un número decimal. Tiene una variación teórica entre O y co. En la práctica los valores menores están alrededor de 0,25 y 0,30 para arenas muy compactas y los mayores valores encontrados están alrededor de 15 para arcillas lacustres. Porosidad (n).
Es la relación entre el volumen de vacíos y el volumen de la muestra. n=
x 100
Esta relación a menudo se expresa en porcentaje, pero en los cálculos de ingeniería se usa como un decimal Saturación (S).
Es la relación entre el volumen de agua contenido en la muestra y el volumen de vacíos de la muestra. S=
x 100
Esta relación se expresa en porcentaje, pero en los cálculos de ingeniería se usa como un decimal. 7
Un suelo con grado de saturación cero está totalmente seco, un suelo con grado de saturación igual a 100 se dice saturado y un suelo con grado de saturación intermedio corresponde a un suelo húmedo o parcialmente saturado.
Relaciones de peso y volumen. Son los diferentes pesos unitarios y gravedades específicas. Peso unitario del suelo (γ).
Es la relación entre el peso de la masa de suelo y el volumen que ella ocupa: γ=
=
Peso unitario saturado (γsat)
Es un caso específico del peso unitario del suelo, cuando c uando éste está totalmente saturado
γsat=
=
Para S= 100%
Peso unitario seco ( γd) γd)
Es el peso unitario del suelo cuando no hay agua en la muestra. γd=
=
Para S = 0%
Peso unitario de los los sólidos ( γs) γs)
Definen el peso de los sólidos en relación al volumen que ocupan. γs=
=
Peso unitario aparente aparente o sumergido (γ´)
Representa el peso unitario del suelo cuando está sumergido en agua. Se calcula como el peso del suelo menos el peso de agua que desplaza por unidad de volumen. γ´=
.γ
=
-
γw = γsat - γw =
Gravedad especifica del suelo (G).
Define la relación del peso unitario del suelo con el peso unitario del agua. Es un valor adimensional. G=
Gravedad especifica de los sólidos del suelo (Gs)
Es la relación entre el peso de los sólidos y el peso de un volumen de agua igual al que los sólidos están ocupando: 8
Gs=
.γ
=
Los valores típicos de Gs para los sólidos del suelo está entre 2,60 y 2,75. Densidad relativa (Dr). (Dr).
Es la comparación entre la relación de vacíos en condición natural de un suelo y las relaciones de vacío de ese mismo suelo en e n sus estados más compacto y más suelto posible, se expresa en porcentaje:
Dr =
.γ
x 100
Es una propiedad muy importante en suelos granulares pues mide su compacidad. En mecánica de suelos resulta de mucha utilidad obtener relaciones para algunas de sus propiedades, en función de otras de fácil determinación en el laboratorio como Gs, ω, e, S. A continuación se presentan algunas de ellas:
γ=
S=
e= ωGs, cuando S= 100% 100%
γh =
γsat =
γd =
γd =
(γ(ω )))
=
ω
=
(ω) ω
ω/
9
Ejercicio. Se colocan 1870 g de suelo húmedo en un molde t se compacta hasta que el suelo alcanza un volumen de 1000 cm3. El suelo se seca al horno a una temperatura de 105°C, hasta que llega a un peso de 1677 g. Se supone que la gravedad específica de los sólidos de este suelo es 2,66. Se requiere calcular: a) Contenido de humedad del suelo. b) Peso unitario seco. c) Porosidad. d) Grado de saturación. e) Peso unitario húmedo. f) Peso unitario saturado.
Parte a
ω=
x 100
Ww = 1870g – 1677g Ws = 1677g ω=
x 100 = 11,51%
Parte b
γd =
Ws = 1677g Vt = 1000cm3
γd =
= 1,68g/cm3
Parte c
n=
x 100
Vs = Vv + Vs
Gs=
.γ
Vv = Vt – Vs
Vs =
.
=
, /
= 630,45 cm3
10
Vv = 1000cm3 - 630,45cm3 = 369,55cm3 ,
n=
x 100
Parte d
S= S=
x 100 ;
,
Vw =
γ
=
,/
= 193 cm3
x 100 = 52,23%
Parte e
γh=
=
= 1,87g/cm3
Parte f
γsat=
Vt = 1000cm3
Wt = Ws + Ww
Ws = 1677g
Si el suelo está saturado Vv = Vw = 369,55g
y
Ww = Vw γw
Ww = 369,55cm3 x 1g/cm3 = 369,55g Wt = 1677g + 369,55g = 2046,55g γsat=
,
= 2,05g/cm3
Ejercicio. De un depósito natural de suelo granular se tomó una muestra que reportó: Peso de la muestra húmeda: 3220 g. Volumen de la muestra húmeda: 2000 cm3. Saturación: 36%. Densidad relativa: 28,57%.
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El material se utilizó en la base compactada de una carretera, de esa base se tomó una muestra con las siguientes características: Peso de la muestra húmeda: 4400 g. Volumen de la muestra húmeda: 2000 g. Saturación: 95%. La relación de vacíos del suelo compactado es la mitad de la relación de vacíos del suelo en estado natural, y en el laboratorio se determinó que la relación de vacíos en su estado más suelto posible es igual a l. Se pide determinar: a) Densidad relativa de la base compactada. b) Qué cantidad en volumen hubo que excavar por cada c ada metro cúbico de base compactada. c) Qué cantidad de agua en litros debe agregarse al material traído del depósito natura.l d) por cada metro cúbico de base compactada. compactada. e) Cuantos centímetros se reducen al compactar 30 centímetros de altura de material. f) suelto. Parte a
γnatural =
γcompactada =
γnatural =
=
=
= 1,66g/cm3
= 2,20g/cm3
..
γcompactada =
..
El término Gsγw es el mismo en ambas relaciones, ya que el Gs en un suelo no varía independientemente de la humedad, saturación o compactación del suelo. Se despeja Gsγw de las expresiones anteriores: γnatural (1 + e n) = Gsγw + en Sn γw γnatural (1 + e n) - en Sn γw = Gsγw γcompactado (1 +e c) = Gsγw + e c Sc γw γcompactado (1 +e c) - ec Sc γw = Gsγw Igualando: γnatural (1 + e n) - en Sn γw= γcompactado (1 + e c) - ec Sc γw 12
1,66(1 +en) - en x 0,36 x 1 = 2,20 (1 +e c) - ec x 0,95 x 1 1,66 + 1,66 e n - 0,36 en = 2,20 + 2,20 e c - 0,95 e c 1,3 en = 1,25 ec + 0,54 Sustituyendo en la expresión anterior en = 2 ec y resolviendo 1,3 x 2ec = 1,25 ec + 0,54 1,35 ec = 0,54 ec = 0,40 y en = 0,80
Dr n =
Dr c =
0,2857 =
=
, ,
,
emin = 0,30
= 0,857
Dr c = 85,70%
Parte b
Vt = Vs + Vv Vs =
e=
Vv = eVs
Vt = Vs + eVs = Vs(1 + e)
()
Dado que el volumen de sólidos permanece siempre constante:
VACIOS VACIOS
Vn SOLIDOS
Vc
SOLIDOS
Compactación
en Vs =
()
y
ec Vs =
()
13
Igualando:
Vn =
()
( ) ()
=
. ()
= 1m3
(,) (,)
= 1,28m3
Parte c
En estado natural S= 36% Vs =
e=
()
Vvn = 1,286m3
Sn =
Vvc = 1m3
Sc =
ΔV
, (,)
= 0,36
, (,)
= 0,95
=
()
Vv =
()
= 0,572m3
Vwn= 0,36 x Vvn = 0,36 x 0,572 = 0,206m3
= 0,286m3
Vwc = 0,95 x 0,286 0 0,272m3
= 0,272 – 0,206 = 0,066m3 = 66 litros de agua por m 3 de base compactada.
Parte d
Δh
hsuelta hcompactada Muestra Suelta
Muestra Compactada
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Vs =
por lo que: Vs =
()
Igualando:
()
()
=
hcompactado =
Δh
=
( )
y
Vs =
()
()
()
( )
() ()
=
(,) ()
=
()
= 21cm
= hsuelo - hcompactado = 30cm – 21cm = 7cm
PROPIEDADES BÁSICAS DEL SUELO
Se pueden clasificar en: físicas, índice y mecánicas.
Propiedades Físicas: Densidad, tamaño y distribución de las partículas, gravedad específica y contenido de humedad.
Propiedades Índice: No consideran la influencia de factores externos. Son: límite líquido, límite plástico, límite de contracción, granulometría, densidad relativa.
Propiedades Mecánicas: Indican el comportamiento de los suelos bajo esfuerzos inducidos y cambios del medio ambiente.
PROPIEDADES ÍNDICE Granulometría El análisis granulométrico de un suelo consiste en determinar cuantitativamente la distribución de las partículas por rangos de tamaño. Dependiendo el tamaño de los granos del suelo puede ser por tamizado, por sedimentación o una combinación de ambos métodos. Tomando en cuenta el tamaño de las partículas se distinguen los tipos de suelo que se describen a continuación:
Fragmentos de roca. Retenido en el tamiz 3".
Gravas gruesas. Pasante en 3" y retenido en %".
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Gravas finas. Pasante en %" y retenido en N° 4.
Arena gruesa. Pasante en N° 4 y retenido en N° 10.
Arena media. Pasante en N° 10 y retenido en N° 40.
Arena fina. Pasante en N° 40 y retenido en N° 200.
Limos. Pasante en N° 200 (Partículas > 0,002 mm).
Arcillas. Pasante en N° 200 (Partículas < 0,002 mm).
Plasticidad de los suelos Distintas ramas de la ingeniería han desarrollado diversas interpretaciones del concepto de plasticidad, fundamentándose fundamentándose en las características esfuerzo-deformación esfuerzo-deformación de los materiales. materiales. La curva esfuerzo-deformación dependerá de las características del material con que se trabaje, pero básicamente se trata de establecer una distinción entre el comportamiento elástico y el plástico. En el primer caso, la relación relación esfuerzo deformación es reversible, reversible, sin embargo a medida que los valores de esfuerzo se incrementan, la relación se hace irreversible y se llega al comportamiento plástico.
Figura 2. Relaciones esfuerzo-deformación para diferentes materiales.
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En los últimos tiempos se ha tratado de fundamentar el comportamiento de los suelos en las relaciones esfuerzo-deformación, pero teniendo en cuenta que las teorías de plasticidad y elasticidad son aplicables la Mecánica de Suelos, pero sólo de manera parcial. La figura 2, muestra las curvas esfuerzodeformación para diferentes materiales, y en la figura 3 las curvas real e idealizada para una arcilla blanda en su intervalo plástico, plástico, puede notarse la la similitud de éstas últimas últimas con la curva del concreto. concreto.
Figura 3. Relaciones esfuerzo-deformación para una arcilla blanda en su intervalo plástico. En Mecánica de suelos puede definirse definirse la plasticidad como como la propiedad que tiene tiene un material por la cual es capaz de soportar deformaciones rápidas, sin variaciones volumétricas apreciables y sin desmoronarse ni agrietarse. Los experimentos realizados por Atterberg, Terzaghi y Goldschmidt han revelado que la plasticidad en los suelos se debe a la carga eléctrica de las partículas laminares, que generan campos que actúan como condensadores y forman capas de agua sólida y viscosa o capa adsorbida cuyo efecto en la interacción de las partículas de suelo determinan su plasticidad.
Consistencia de los suelos cohesivos. La consistencia es la mayor o menor resistencia que ofrece el suelo para cambiar de forma. Es la medida de la plasticidad del suelo, y es función del contenido de agua y de los minerales de arcilla de las fracciones fina y muy fina del suelo. Es necesario distinguir dos tipos de consistencia: el primer tipo referido a la consistencia en estado natural o inalterado, y el segundo a suelos amasados o alterados. Consistencia de suelos inalterados.
La medida cuantitativa más directa de este tipo de consistencia es la resistencia resistencia a la compresión simple y se describe en los términos blando, compacto, resistente y duro. El valor de la resistencia a la compresión simple se obtiene ensayando una muestra inalterada de suelo tallada en forma cilíndrica, a la cual se aplica un esfuerzo uniaxial a velocidad constante, tal como se muestra en la figura 4. El esfuerzo se incrementa hasta llevar el suelo a la falla, obteniéndose qu o resistencia a la compresión simple como el valor más alto de esfuerzo soportado por la muestra. La tabla 1 proporciona los valores de referencia de la resistencia a la compresión simple para varios estados de consistencia. 17
qu
qu
Falla Frágil
Falla Plástica
Figura 4. Esquema del ensayo de compresión simple.
Tabla 1. Consistencia de las arcillas en función de la resistencia a la compresión simple
CONSISTENCIA
qu en Kg/cm2
Muy blanda
< 0,25
Blanda
≥ 0,25 y < 0,50
Medianamente compacta
≥ 0,50 y < 1,00
Compacta
≥ 1,00 y < 2,00
Muy compacta
≥ 2,00 y < 4,00
Dura
≥4,00
Consistencia de suelos amasados.
Atterberg, en 1911 hizo ver que la plasticidad no es una propiedad permanente de las arcillas, sino dependiente de su contenido de humedad y estableció una relación cualitativa que permite determinar el estado de consistencia en que se encuentra el suelo, tomando como base ciertas pruebas que permiten establecer los límites que separan los distintos estados de consistencia de un suelo fino. El establecimiento de estos límites se hizo mediante la observación del comportamiento del suelo en diferentes humedades. La figura 5 muestra los límites y estados de consistencia definidos por Atterberg. 18
Después que un suelo ha sido amasado su consistencia puede ser variada a voluntad, aumentando o disminuyendo su contenido de humedad. Así por ejemplo, si se tiene un barro arcilloso líquido y se va reduciendo lentamente su contenido de humedad, se verá como gradualmente el suelo pasa del estado líquido al estado plástico y finalmente al estado sólido. Las fronteras entre estas fases son un tanto arbitrarias y se conocen como límites de consistencia. El contenido de humedad al cual se produce el paso de un estado a otro, es muy diferente para las diferentes arcillas, y por ello, esos contenidos de humedad pueden ser utilizados para identificar y comparar las arcillas entre sí. Por esto, los valores de estos límites y los índices asociados con ellos, constituyen parámetros muy útiles en la caracterización y clasificación de suelos.
Liquido
+
Limite Liquido Plástico
Humedad
-
Limite Plástico Semisólido Sólido
Figura 5. Estados y límites de consistencia.
Estados de consistencia. Los estados de consistencia definidos por Atterberg son básicamente 4: líquido, plástico, semisólido y sólido. Estado líquido.
El suelo tiene la consistencia de un líquido de alta viscosidad, pudiendo producirse el flujo del mismo bajo ciertas condiciones. condiciones. Su resistencia al corte es nula. nula. Estado plástico.
El suelo tiene la consistencia de un material plástico y blando que le permite deformarse sin roturas ni agrietamientos. Estado semisólido.
El suelo ha dejado de ser plástico, pero las variaciones de humedad producen cambios en el volumen del suelo.
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Estado sólido.
El suelo no cambia su volumen aún cuando esté sometido a variaciones de humedad. Su resistencia es alta y su consistencia puede ser dura y frágil.
Límites de consistencia o de Atterberg. El concepto de un suelo como un material que puede presentarse en varios estados según su contenido de humedad resulta muy necesario. Cuanto mayor sea la cantidad de agua que contiene el suelo, menor será la interacción entre partículas adyacentes y más se aproximará el comportamiento del suelo al de un líquido. Si se comparan los suelos A y B, A tiene mayor tendencia a "adherir" agua sobre la superficie de sus partículas, por lo que es de esperar que la humedad para la cual ambos se comporten como un líquido sea mayor para A que para B. Es decir, el suelo A tiene mayor límite líquido que el suelo B. El mismo razonamiento es válido para el límite plástico. Límite líquido.
Es el contenido de humedad de un suelo por debajo del cual deja de comportarse como un líquido, adquiere resistencia al corte y es moldeable. El procedimiento usado por Atterberg para su determinación era ambiguo y con muchos detalles no especificados, por 10 que Casagrande ideó un método de ensayo que todavía hoy día es el de mayor utilización para la determinación del límite líquido en suelos cohesivos. El rango de variación del límite líquido puede estar entre 0 y 1000, pero la mayoría de los suelos tienen valores menores de 100. Límite plástico.
Es el contenido de humedad de un suelo cohesivo por debajo del cual pierde su plasticidad. Es la frontera entre los estados plástico y semisólido. El rango de variación del límite plástico puede estar entre 0 y 100, pero la mayoría de los suelos presentan valores menores de 40. Límite de contracción.
Es el contenido de humedad por debajo del cual una pérdida de humedad por evaporación, no trae aparejada una reducción de volumen. Es el límite o frontera entre los estados semi- sólido y sólido. Su determinación resulta particularmente importante en suelos expansivos. En el laboratorio se determina de la siguiente manera: con la mezcla de material pasa 40 y agua destilada cuyo contenido de humedad esté próximo al límite líquido, se llena una cápsula de volumen conocido, expulsando las burbujas de aire a medida que se va llenando (golpeando el recipiente contra una superficie dura). Se enrasa y se pesa, obteniéndose así el volumen y peso inicial de la muestra. Se deja el recipiente al aire libre para que vaya perdiendo humedad gradualmente y contrayéndose uniformemente. A los dos o tres días se lleva al horno por 24 horas concluyendo el secado. El volumen final de la muestra se mide por desplazamiento de mercurio. El valor numérico del límite de contracción se determina por medio de la siguiente expresión: expresión:
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LC(%) =
Vfγw x 100 Ws
Donde: Vf = Volumen final de la muestra. Ws = Peso neto de la muestra seca. Gs = Peso específico de los sólidos del suelo. Yw = Peso unitario del agua. El límite de contracción es un parámetro de suma importancia en el análisis de la retracción en las arcillas. La retracción es causada por la tensión capilar, cuando un suelo saturado se seca se forma un menisco en cada poro y el agua se encuentra a tracción produciendo ese mismo mismo efecto en el esqueleto mineral del suelo. Estos esfuerzos le confieren al suelo una resistencia, en algunos casos muy alta, denominada cohesión aparente. Este nombre se debe a que se pierde cuando el suelo vuelve a estar saturado. A medida que el suelo se seca los poros se hacen más pequeños y aumenta la tensión capilar y la resistencia a la compresión del suelo (en diferentes proporciones). El suelo permanece saturado, porque la pérdida de agua produce una reducción igual en el volumen de vacíos, sin embargo, llegado el punto en que la tensión capilar se iguala a la resistencia a la compresión, se paraliza la reducción de volumen. El contenido de humedad en este momento es el límite de contracción. La tensión capilar irá en disminución y se hará menor que la resistencia a la compresión del suelo, el menisco comienza a retraerse de la superficie del suelo y éste pierde su aspecto húmedo cambiando a una coloración más clara, y la masa de suelo deja de estar saturada.
Ejercicio. Una muestra de arcilla remoldeada y saturada tiene un volumen de 40 cm 3 y un peso de 70 gramos. Por secado su volumen se redujo a 35 cm 3 y su peso a 50 gramos. La gravedad específica de los sólidos es 2,50. Determine el límite de contracción. LC(%) =
35cm3 x 1g/cm3 Vfγw x 100 = x 100 = 30% Ws 50g ,
Índices de consistencia. Los límites de Atterberg significan poco por si mismos, pero como índices de las propiedades características del suelo son muy útiles.
Índice de plasticidad. Indica la magnitud del intervalo en el cual el suelo posee consistencia plástica. Se calcula por medio de la siguiente expresión: Ip = LL-LP
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Donde: Ip = Índice plástico. LL = Límite líquido. LP = Límite plástico.
Índice de consistencia. Se calcula por medio de la siguiente expresión: Ic =
Donde: Ic = Índice de consistencia. ωn = Contenido de humedad natural del suelo. Ip = Índice de plasticidad. Según los valores que torne el índice de consistencia, el suelo puede ubicarse en uno de los rangos estipulados en la tabla 2.
Tabla 2. Consistencia del suelo en estado natural en función del índice de consistencia. Indice de consistencia Ic
Consistencia
0 o menor 0.00 - 0.5 0.5 - 0.75 0.75 - 1.00 >1
Líquida Plástica
Muy blanda Blanda Semidura
Dura
Un suelo con humedad natural mayor que el límite líquido (Ic < O) al ser amasado se transformará en un barro espeso. Si el contenido de humedad es menor que el límite plástico la consistencia es mayor que 1 y el suelo no puede ser amasado.
Índice de liquidez. Es el rango de variación de humedad del suelo en estado líquido. Se calcula por medio de la siguiente expresión: IL =
Si IL = 1, el suelo está en el límite lí mite líquido.
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Si IL > 1, el suelo está en estado líquido.
Índice de retracción. Es un indicativo del potencial de retracción del suelo. Se calcula por medio de la ecuación que a continuación se presenta: Ir = LP - LC Donde: Ir = Índice de retracción LC = Límite de contracción
Índice de actividad de la arcilla. Es un índice definido por Skempton, que sirve como indicador del potencial de variación de volumen de la arcilla, se calcula c alcula por medio de la siguiente expresión:
Ac =
%μ
Donde: Ip= Índice plástico % < 2µ = Porcentaje de material cuyas partículas son menores que 0.002 mm (% arcilla) Una arcilla puede tener varios rangos de actividad de acuerdo a este índice. Se dice que la arcilla es inactiva cuando Ac es menor de 0.75; normal cuando Ac está entre 0.75 y 1.25; y activa cuando Ac es mayor de 1.25.
Ejercicio. Para una arcilla se obtuvieron los siguientes valores experimentales: experimentales: Límite líquido: 120%. Límite plástico: 40%. Límite de contracción: 30%. % de arcilla: 55.
Determinar: a) Índice de plasticidad. b) Actividad de la arcilla. c) Índice de consistencia. d) Índice de liquidez.
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e) Índice de retracción.
Parte a
Ip = LL – LP = 120 – 40 = 80%, es una arcilla muy plástica, se sale del rango normal de plasticidad (0 – 60). Parte b
Ac =
%μ
=
= 1,45 > 1,25
la arcilla es activa
Parte c
Ic =
=
= -0,375
el suelo tiene consistencia liquida
Parte d
IL =
=
= 1,4
el suelo está en estado liquido
Parte e
Ir = LP – LC = 40 -30 = 10
CLASIFICACIÓN DE SUELOS Un sistema de clasificación de suelos es un ordenamiento de los diferentes suelos en grupos que tienen propiedades similares. Su propósito es dar facilidades para estimar las propiedades o aptitudes de un suelo por comparación con suelos de la misma clase cuyas propiedades se conocen. El suelo tiene muchas propiedades diferentes que son de interés en ingeniería y las posibilidades de combinaciones es también muy extensa, lo que hace impracticable la existencia de un sistema de clasificación que abarque todas las posibilidades. Por eso existen sistemas de clasificación donde los suelos son agrupados de acuerdo al carácter particular de la obra de ingeniería para la cual se desarrolló la clasificación, tales como:
Sistema P.RA., (Public Road Administración) usado en carreteras .
Sistema AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) usado para evaluar la construcción de subrasantes de carreteras y terraplenes .
Sistema SUCS (Sistema Unificado de Clasificación de Suelos), usado en presas de tierra, canales, pistas de aeropuertos, fundaciones, carreteras.
Estos sistemas de clasificación utilizan pruebas muy sencillas de tipo indicativo: granulometría y límites de consistencia.
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La granulometría agrupa a los suelos según su tamaño usando el criterio ASTM-ASCE, tal como se describió en secciones anteriores. Los límites e índices de consistencia de utilidad en la clasificación son el límite líquido, el límite plástico y el índice de plasticidad.
Sistema AASHTO Este sistema es utilizado fundamentalmente en subrasante de carreteras. Los suelos se clasifican en grupos y subgrupos, basándose en la composición granulométrica y en las características de plasticidad.
Existe primeramente una clasificación general que divide al suelo en tres categorías:
Suelos granulares gruesos, con pasa 200 < 35%
Suelos finos o materiales limo-arcillosos, con pasa 200> 35%
Suelos orgánicos.
En la tabla 3 se puede observar otra clasificación en 8 grupos: suelos suelos que van desde el grupo A-l hasta el A-S. Estos símbolos indican vagamente que con el aumento del número se disminuye la calidad del suelo para la construcción de carreteras. Las dos primeras categorías abarcan 7 grupos, grupos, desde A-l hasta A-7. Algunos de ellos (A-l, (A-l, A-2 Y A-7) a su vez se dividen en subgrupos basándose en su composición granulométrica y características de plasticidad. En la división del grupo A-7 el suelo será A-7-5 si el índice de plasticidad es menor o igual al límite líquido menos 30 30 (Ip s LL-30) y será A-7 -6 si el índice de plasticidad plasticidad es mayor que el límite líquido menos 30 (Ip > LL-30), o lo que es lo mismo LPs30 ó LP> 30. En la tercera categoría está el grupo A-S que son suelos con excesiva cantidad de materia orgánica. Este grupo no se indica en el cuadro de clasificación mostrado en la tabla 3, sino que se determina por inspección visual. La tabla continúa con el índice de grupo. Esta clasificación usa este índice para comparar diferentes suelos clasificados dentro del mismo grupo. Los suelos se comportan mejor a medida que el índice de grupo es menor, es decir, los números más bajos indican suelos de mejor calidad que los números más altos. El índice de grupo se calcula por medio de la siguiente expresión: IG=0,2a + 0,005ac+0,01bd Donde. IG= Índice de grupo. a= % pasa 200 > 35% y ≤ 75%, expresado como un número entero entre 0 y 40. b= % pasa 200 > 15% y
≤
55%, expresado como un número entero entre 0 y 40.
e= Parte del límite líquido > 40% y d= Parte del índice plástico > 1 0% y
≤
60%, expresado como un número entero entre 0 y 20. ≤
30%, expresado como un número entero entre 0 y 20.
El índice de grupo es siempre un número entero y puede también calcularse por medio de los gráficos mostrados en la figura 6, cada gráfico da una porción del índice de grupo.
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Al entrar en el gráfico 1 con el valor de pasa 200 y el índice de plasticidad se obtiene la primera porción del índice de grupo. La segunda porción se obtiene a partir del gráfico 2 al entrar con el valor de pasa 200 y el límite líquido. Finalmente, el índice de grupo será el resultado de redondear la suma de estas dos porciones. El cuadro de clasificación mostrado en la tabla 3 se usa de izquierda a derecha hasta obtener el primer grupo o subgrupo que tenga las características del suelo en consideración. El índice de grupo se coloca al final de la clasificación obtenida entre paréntesis.
Ejercicio. Usando el sistema AASHTO clasifique un suelo con las siguientes características: Pasa 4 = 40% 40% Pasa 10 = 30% 30% Pasa 40 = 22% Pasa 200 200 = 15% Límite líquido = 35% Índice plástico = 13% Descripción visual: Suelo de color café amarillento, con mucha grava Cálculo del índice de grupo
Pasa 200 = 15% < 35% por lo que a= 0 Pasa 200 = 15% por lo que b= 0 LL = 35% < 40% => e= 0 IG
Ip = 13% > 10 % =>
d = 13 -10 = 3
= 0,2 x 0 + 0,005 x 0 x 0 + 0,01 x 0 x 3 = 0
El índice de grupo también puede calcularse por medio de la figura 6. Porción 1= 0 (entrando con pasa 200=15% e Ip=13%) Porción 2 = 0 (entrando con pasa 200=15% y LL=35%) IG = 0 % pasa 200 < 35 % por lo que el suelo es granular. Al entrar a la tabla de izquierda a derecha empezando por el grupo A-l porque el suelo es granular, se van descartando grupos hasta encontrar el primero donde se cumplen todas las exigencias del grupo que es A-2-6. El suelo es una grava arenosa de color café amarillento, A-2-6(0). De excelente a buena como subrasante para carreteras.
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Tabla 3. Sistema de Clasificación AASHTO
27
Figura 6. Gráficos para calcular el índice de grupo.
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Ejercicio. Usando el sistema AASHTO clasifique el suelo que tiene las siguientes características: %Pasa N° 4 = 100%. % Pasa N° 10 = 90%. % Pasa N° 40 = 85%. %Pasa 200 = 80%. LL=70%. LP=38 %. Ip = 70% - 38% = 32%. Pasa 200 = 80% > 35%, el suelo es fino y la búsqueda se inicia a partir del grupo A-4. Proporciones en las que se encuentran los diferentes tipos de material presentes en la muestra: Grava = Retenido acumulado en tamiz N° 4 = O %. Arena = Pasa N° 4 - pasa N° 200 = 100% - 80% = 20%. Limo y arcilla = Pasa N° 200 = 80%. Cálculo del índice de grupo IG= 0.2 a + 0.005 ac + 0.01 bd Pasa 200 > 75% => a= 40 Pasa 200 >55 % => b= 40 LL= 70% > 60% => e= 20 Ip = 32% > 30% => d = 20 IG =0.2 (40) + 0.005 (40) (20) + 0.01 (40) (20) = 20 Usando la tabla 3 de izquierda a derecha empezando por el grupo A-4 (ya que Pasa 200 > 35%), se van descartando grupos hasta encontrar el primero donde se cumplen todas las exigencias que es el A-7. Pero se debe definir si es A-7-5 Ó A-7-6. Para ello se busca el valor de LL-30 y se compara con el índice plástico. Ip = 32%
LL - 30 = 70 - 30 = 40 %
Ip < LL - 30, por lo que el suelo es A-7-6.
El suelo en estudio se clasifica según el sistema AASHTO, como un suelo arcilloso A-7-6 (20) de calidad muy pobre para ser usado como sub-rasante.
Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) Este sistema está basado en el sistema de clasificación de aeropuertos propuesto por Casagrande en el año 1942. De hecho, prácticamente prácticamente es el mismo con algunas modificaciones para adaptar adaptar su aplicación a otras obras de ingeniería como presas de tierra, canales, fundaciones etc. Los grupos y subgrupos principales de suelos en esta clasificación se muestran en la tabla 4
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Tabla 4. Principales grupos y subgrupos de suelo en el sistema SUCS
Tipo de suelo
Prefijo
Sug-grupo
Sufijo
Grava
G
Bien gradado
W
Arena
S
Pobremente gradado
P
Limo
M
Limoso
M
Arcilla
C
Arcilloso
C
Orgánico
O
Alta compresibilidad
H
Turba
Pt
Baja compresibilidad
L
La denominación funciona combinando un tipo de suelo con un subgrupo, de modo que adquiere un prefijo y un sufijo. Los grupos de gravas (G) y arenas (S) pueden llevar sufijos de los siguientes subgrupos: bien gradado (W), pobremente gradado (P), limoso (M) o arcilloso (e). Un suelo bien gradado tiene una distribución amplia de los tamaños de granos presentes. Esto se determina con el trazado de la curva granulométrica, observando su forma y amplitudes de tamaños (la curva es inclinada, no presenta tramos horizontales ni verticales), o también calculando los coeficientes de uniformidad Cu y curvatura Cc.
Cu =
Cc =
Un suelo es pobremente gradado si la muestra es mayoritariamente de un tamaño, o si es deficiente en ciertos tamaños de granos, curvas verticales indican un solo tamaño de grano y trazos horizontales indican deficiencia de algunos tamaños. Los subgrupos limo so y arcilloso indican la presencia de un porcentaje importante de estos materiales en el suelo, pero en menor proporción del material que le está dando el prefijo (grava o arena). Por ejemplo arena limosa, se refiere a un suelo que contiene arena y limo en proporciones considerables, pero el porcentaje de arena es mayor mayor que el del limo, su símbolo será será SM. Luego están los sufijos L y H que significan baja y alta compresibilidad respectivamente, estos sufijos se determinan a partir de los límites de Atterberg. El suelo es L si el límite líquido es menor o igual al 50% y es e s H si el límite líquido es mayor del 50%. Los suelos L son menos susceptibles a sufrir grandes asentamientos. Estos sufijos son usados solamente en suelos finos, es decir para los grupos de los limos y las arcillas. De acuerdo a las combinaciones posibles entre grupos (prefijos) y sub-grupos (sufijos) se pueden tener los tipos de suelos indicados en la tabla 5.
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Tabla 5. Principales grupos de suelos según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS)
GRAVAS
ARENAS
LIMOS
ARCILLAS
(G)
(S)
(M)
(C)
SUELOS ORGANICOS (O)
GW
SW
MH
CH
OH
Grava bien gradada
Arena bien gradada
Limo de alta compresibilidad
Arcilla de alta compresibilidad
Suelo orgánico de alta compresibilidad
GP
SP
ML
CL
OL
Grava mal gradada
Arena mal gradada
Limo de baja compresibilidad
Arcilla de baja compresibilidad
Suelo orgánico de baja compresibilidad
GM Grava limosa
SM Arena limosa
ML-CL Limo arcilloso de baja compresibilidad
CL-ML Arcilla limosa de baja compresibilidad
GC Grava arcillosa
SC Arena arcillosa
GW-GM Grava limosa bien gradada
SW-SM Arena limosa bien gradad
GW-GC
SW-SC
Grava arcillosa bien gradada
Arena arcillosa bien gradada
GP-GM Grava limosa mal gradada
SP-SM Arena limosa mal gradada
GP-GC Grava arcillosa mal gradada
SP-SC Arena arcillosa mal gradada
Para clasificar el suelo por el sistema SUCS, se debe determinar en primer lugar si el suelo es granular o fino a partir de la siguiente comparación:
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1) El suelo es fino cuando el % pasa 200 es mayor al 50 %. 2) El suelo es granular cuando el %retenido %r etenido acumulado en el tamiz 200 es mayor del 50%
1) Si el suelo es fino Cuando el suelo es fino se requiere del uso de la carta de plasticidad para su clasificación. La carta de plasticidad es un gráfico que elaboró Casagrande donde están representados el límite líquido en el eje de las abscisas y el índice de plasticidad en el eje de las ordenadas, tal como se observa en la figura 7. Casagrande en su estudio determinó que los suelos finos no adoptan una distribución caprichosa, sino que se agrupan de un modo específico, en cada una de las zonas del gráfico se sitúan suelos de características de plasticidad y propiedades hidráulicas y mecánicas cualitativamente definidas. Casagrande obtuvo empíricamente lo que denominó como línea A, que es una frontera entre los suelos de alta plasticidad y los de baja plasticidad. Esta línea pasa por los puntos (20, O) Y (50,22). Por encima de la línea A se encuentran las arcillas inorgánicas simbolizadas por el prefijo C y por debajo los limos inorgánico s cuyo símbolo es M y los suelos orgánicos cuyo símbolo es o. Los limo s y los suelos 0rgánicos se ubican en una misma zona, pero se diferencian fácilmente unos de otros por apreciación visual-manual (color, olor y efervescencia con agua oxigenada). En la carta también aparece una línea vertical que pasa por el punto (50,0), llamada línea B, que separa los suelos de alta compresibilidad de los de baja compresibilidad, determinando así el sufijo de los suelos finos como H y L respectivamente. Estas dos líneas A y B dividen la carta en 4 zonas:
Suelos arcillosos de alta compresibilidad compresibilidad CH, encima de la línea A y a la derecha de la línea B.
Suelos arcillosos de baja compresibilidad CL, encima de la línea A y a la izquierda de la línea B.
Suelos limosos de alta compresibilidad compresibilidad MH, debajo de la línea A y a la derecha de la línea B.
Suelos limosos de baja compresibilidad ML, debajo de la línea A y a la izquierda de la línea B.
La descripción realizada en los párrafos anteriores para clasificar los suelos finos se resume a continuación: 1.1. Si pasa 200 >1 50 %
=>
entrar a la carta de plasticidad con el punto (LL, IP).
1. 1. 1. Si cae por encima de la linea A el suelo es arcilla C
1.1.1.1. Si el límite líquido es :s: 50, la arcilla es de baja compresibilidad CL 1.1.1.2. Si el límite líquido es > 50, la arcilla es de alta compresibilidad CH 1.1.2. Si cae por debajo de la linea A el suelo es limo M
1.1.2.1. Si el límite líquido es ≤ 50, el limo es de baja compresibilidad CL 1.1.2.2. Si el límite líquido es > 50, el limo es de alta compresibilidad CH 1.1.3. Si cae por en la zona rayada (IP entre denominación. CL-ML
4 y 7), el suelo es de doble
2) Si el suelo es granular: 2.1.1. - Calcular la fracción granular FG= 100 - pasa 200. 2.1.2. - Calcular % grava 2.1.3.- Calcular % arena
=
=
100 - pasa N° 4.
pasa N°4 - pasa 200.
32
2.1.4.- Comparar % de arena y grava con la mitad de la fracción granular. 2.1.4.1. Si % grava> 0,5 FG => El suelo es una grava y su prefijo es G 2.1.4.2. Si % arena> 0,5 FG => El suelo es una arena y su prefijo es S 2.1.4. 1. Cuando el suelo es una grava G 2.1.4.1.1. Si pasa 200 ≤ 5 % => Calcular Cu y Cc Sj Cu > 4 y ≤ Cc ≤ 3 => La grava es bien gradada GW Si Cu < 4 y/o Cc no está entre 1 y 3
=> La
grava es mal gradada GP
2.1.4.1.2. Si pasa 200 12 ≥ % => Ir a carta de plasticidad Si el punto (LL, IP) cae encima de la línea lí nea A => la grava es arcillosa Si el punto (LL, IP) cae debajo de la línea A
=> la
grava es limosa
Si el punto cae en zona de doble denominación (IP entre 4 y 7) => la grava es limo arcillosa o arcillolimosa GM-GC o GC-GM 2,1.4.13. Si pasa 200> 5% Y < 12% => El suelo es de doble denominación y se debe calcular Cu y Cc, y también entrar a la carta de plasticidad. a) Si Cu > 4 Y 1 ≤ Cc ≤ 3, y si (LL, IP) cae encima de la línea A => El suelo es una grava arcillosa a rcillosa bien gradada GW-GC. b) Si Cu > 4 Y 1 ≤ Cc ≤ 3, y si (LL, IP) cae debajo de la línea A => El suelo es una grava limosa bien gradada GW-GC . e) Si Cu < 4 y/o Cc no está entre 1 y 3, Y si (LL, IP) cae encima de la línea A => El suelo es una grava arcillosa mal gradada GP-GC. d) d) Si Cu < 4 y/o Cc no está entre 1 y 3, Y si (LL, IP) cae debajo de la línea A => El suelo es una grava limosa mal gradada GP-GM. La tabla 6 contiene los criterios de clasificación del sistema unificado de clasificación de suelos (SUCS), incluyendo descripción de cada uno de los grupos.
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Figura 7. Carta de plasticidad
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Ejercicio. Usando el sistema SUCS clasifique un suelos con las siguientes %Pasa 200 = 8,49%; % Pasa N° 10 = 56,37%; % Pasa N° 40 = 38,39%; LL = 38,4%;
características:
IP =20,6% % Pasa N° 200 = 8,49% < 50%, el suelo es granular Fracción granular 100% - 8,49% = 91,51% => 1/2 Fracción granular = 45,75% Grava = Retenido acumulado en tamiz N° 4 = 34,32 % < 1/2 fracción granular =
Arena
=
Pasa N° 4 - pasa N° 200 = 65,68% - 8,49% = 57,2% >
1/2
fracción granular
El suelo es una arena. (S) % Pasa N° 200 entre 5 y 12%, el suelo es de doble denominación. D10 = 0,081 mm.
Cc
=
D30
=
0,28 mm
D60
=
2,9 mm
0,33 < 6 Y Cu = 35,8 > 3, el suelo es mal gradado (SP)
Por carta de plasticidad con LL= 38,4% e IP de arcillas (SC).
=
20,6%, el suelo cae por encima de la línea A en la zona
El suelo es una arena arcillosa mal gradada: SP-SC.
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Tabla 6. Sistema Unificado de clasificación de suelos.
** CLASIFICACIÓN DE FRONTERA- LOS SUELOS QUE POSEAN LAS CARACTERÍSTICAS DE DOS GRUPOS SE DESIGNAN CON LA COMBINACIÓN DE LOS DOS SÍMBOLOS; POR EJEMPLO GW-GC, MEZCLA DE ARENA Y GRAVA BIEN GRADUADAS CON CEMENTANTE ARCILLOSO. TODOS LOS TAMAÑOS DE LAS MALLAS EN ESTA CARTA SON LOS U.S. STANDARD. * LA DIVISIÓN DE LOS GRUPOS GM Y SM EN SUBDIVISIONES d Y u SON PARA CAMINOS Y AEROPUERTOS UNICAMENTE, LA SUB-DIVISIÓN ESTA BASADA EN LOS LÍMITES DE ATTERBERG EL SUFIJO d SE USA CUANDO EL L.L. ES DE 28 O MENOS Y EL I.P. ES DE 6 O MENOS. EL SUFIJO u ES USADO CUANDO EL L.L. ES MAYOR QUE 28.
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ACTIVIDADES DE AUTOEVALUACIÓN AUTOEVALUACIÓN ACTIVIDAD N° 1 Al responder correctamente las preguntas que a continuación se presentan, Ud. Habrá alcanzado el objetivo especifico N° 1: Estudiar las fases constituyentes del suelo. 1.- ¿Que es el suelo? 2.- ¿Cuál es la función que cumple la estructura del suelo? 3.- ¿Cuáles son los elementos que constituyen la estructura del suelo? 4.- ¿Cómo está constituida c onstituida la fase sólida del suelo? 5.- ¿Cuál es la función de la fase sólida del suelo? 6.- ¿Cuáles minerales se encuentran frecuentemente en el suelo? 7. - ¿Que productos de la meteorización de las rocas se encuentra frecuentemente en el suelo? 8.- Explique el componente orgánico presente en algunos tipos de suelo. 9.- ¿Cuáles son los componentes de la fase liquida del suelo? 10.- ¿Cuáles son los componentes de la fase gaseosa del suelo?
ACTIVIDAD N° 2 Al responder correctamente las preguntas y problemas que a continuación se presentan, Ud. habrá alcanzado el objetivo especifico N° 2: Estudiar las relaciones gravimétricas y volumétricas de los suelos. 11. - ¿Por qué es importante el diagrama de fases? 12.- Defina contenido de humedad 13. - Defina relación de vacíos 14.- ¿Cuál es el rango de valores de relación de vacíos que se puede encontrar en el suelo? 15. - Defina porosidad 16.- Defina saturación 17.- Si un suelo está e stá seco ¿cuál es su grado de saturación? 18.- Si un suelo está e stá saturado ¿cuál es su grado de saturación? 19.- Defina peso unitario del suelo 20- Defina peso unitario saturado 21- Defina peso unitario seco 22.- Defina peso unitario de los sólidos 23- Defina peso unitario aparente o sumergido 24- Defina gravedad específica del suelo 25.- Defina gravedad específica de los sólidos del suelo. 26.- ¿Cuál es el rango típico de valores para la gravedad específica de los sólidos del suelo?
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27.- Defina densidad relativa 28.- En qué tipo de suelos es importante la densidad relativa 29.-0btenga una expresión para el cálculo del peso unitario del suelo en función de la relación de vacíos, el grado de saturación y la gravedad específica de los sólidos del suelo. 30.- Obtenga una expresión para el grado de saturación en función de la relación de vacíos, el contenido de humedad y la gravedad específica de los sólidos del suelo. 31. - Obtenga una expresión para el cálculo del peso unitario del suelo en función del grado de saturación, el contenido de humedad y la gravedad específica del suelo. 32.-Obtenga una para el cálculo del peso unitario saturado en función de la relación de vacíos y la gravedad específica de los sólidos del suelo. 33.- Obtenga una para el cálculo del peso unitario saturado en función del contenido de humedad y la gravedad específica de los sólidos del suelo. 34.- Obtenga una expresión para el cálculo del peso unitario seco del suelo en función de la relación de vacíos y de la gravedad. 35.- Obtenga una relación para el peso unitario seco del suelo en función del peso unitario húmedo y del contenido de humedad. 36.- Luego de ensayar una muestra de suelo saturada en el laboratorio, se determinó que la gravedad específica de los sólidos es 2,66 y el peso unitario saturado es 1,96 gr/crrr', Determinar: a)
Contenido de humedad
b)
Peso unitario seco.
37.- En una muestra de suelo saturada ensayada en el laboratorio se determinó que el peso unitario seco es 1,6 g/cm 3 y la porosidad es del 40%. Calcular: a)
Peso unitario saturado
b)
Gravedad específica de los sólidos
c)
Contenido de humedad
38.- Una muestra de suelo húmeda pesa 690g. Luego de secada al horno a 105°C por un tiempo de 18 horas su peso es de 560g. La gravedad específica de la muestra es 1,85 y la gravedad específica de los sólidos es 2,70. Determinar: a)
Contenido de humedad
b)
Relación de vacíos
c)
Grado de saturación
d)
Porosidad
39. Un depósito natural tiene las siguientes características: peso unitario húmedo 1,7 g/cm 3, grado de saturación 25% y densidad relativa 45%. Ese material se usó en una base compactada de una carretera donde se logró un peso unitario seco de 2 g/cm 3 y una densidad relativa de 90%. En el laboratorio se
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obtuvo que la relación de vacíos mínima es 0,30. Determinar la relación de vacíos máxima y la gravedad específica de los sólidos. 40.- Una muestra de suelo tienen un contenido de humedad del 10%. Su gravedad específica es de 1,8 y la gravedad específica de los sólidos es 2,65. Calcular: a)
Relación de vacíos de la muestra
b)
Grado de saturación
c)
Porosidad
d)
Cantidad de agua que debe añadirse a 1 m3 de suelo para llevar su contenido de humedad al 15%
41.- Una muestra de suelo inalterada y saturada tiene un volumen de 1000cm 3, un peso de 2000 g y una gravedad específica de los sólidos sólidos de 2,70. Con esa misma muestra pero totalmente totalmente seca se obtiene que el volumen en el estado más más suelto posible es de 1115 cm 3 y el volumen en el estado más compacto posible es de 760 cm 3. Determinar la densidad densidad relativa de ese suelo. suelo.
ACTIVIDAD N° 3 Al responder correctamente las preguntas que a continuación se presentan, Ud. habrá alcanzado el objetivo específico N° 3: Estudiar las propiedades del suelo. 42.- ¿Como se clasifican las propiedades básicas del suelo? 43.- ¿Cuáles son las propiedades físicas más usadas? 44.- ¿Qué son las propiedades índices? Mencione las más usadas. 45. - ¿Qué son propiedades mecánicas? 46.- Explique brevemente en qué consiste la granulometría de un suelo 47.- ¿Cuáles son los tipos de suelo que existen en función de la granulometría? Caracterícelos.
ACTIVIDAD N° 4 Al responder correctamente las preguntas que a continuación se presentan, Ud. habrá alcanzado el objetivo específico N° 4: Estudiar las características de plasticidad del suelo. 48.- Defina plasticidad. 49.- ¿A qué se debe la plasticidad en los suelos? 50.- Defina consistencia. c onsistencia. 51.- Que tipos de consistencia c onsistencia se pueden medir en el suelo. 52.- ¿Cómo se mide la consistencia en suelos inalterados? 53.- ¿Cuáles son los estados de consistencia de referencia en suelos inalterados? 54.- ¿Cómo se mide la consistencia en suelos amasados? 55. - ¿Es la plasticidad una propiedad permanente en las arcillas? Explique.
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56.- ¿Qué estados de consistencia se definen en suelos amasados o remoldeados? 57.- ¿Qué es el límite líquido? 58.- ¿Qué es el límite plástico? 59.- ¿Qué es el límite de contracción? 60.- ¿Por qué se usa el contenido de humedad para definir los diferentes límites de consistencia de las arcillas? 61.- ¿Cómo se determina en el laboratorio el límite de contracción? 62.- ¿En que casos es e s fundamental determinar el límite de contracción? 63- Defina Índice de plasticidad 64- Defina índice de consistencia 65.- Defina índice de liquidez 66.- Defina índice de retracción 67.- Defina índice de actividad de una arcilla 68.- ¿Qué tipos de arcilla pueden encontrarse de acuerdo a su índice de actividad? Caracterícelas.
ACTIVIDAD N° 5 Al responder correctamente las preguntas y problemas que a continuación se presentan, Ud. habrá alcanzado el objetivo específico N" 5 Conocer y aplicar los diferentes sistemas de clasificación del suelo. 69.- ¿Qué es un sistema de clasificación de suelos? 70.- ¿Por qué no ha sido posible establecer un sistema único de clasificación de suelos? 71.-¿Cuáles son brevemente.
los
sistemas
de
clasificación
de
suelos
más
utilizados?.
Explique
72- ¿ Cuáles son los parámetros usados en los principales sistemas de clasificación? 73- Clasifique por el sistema AASHTO los siguientes suelos Suelo A B C
Pasa 4 69 95 70
Pasa 10 54 90 60
Pasa 40 46 83 48
Pasa 100 41 71 18
Pasa 200 36 55 18
LL 39 55 75
LP 27 24 30
Pasa 200 18 4 55
LL 75 36 55
LP 30 18 24
74.- Clasifique por el sistema SUCS los siguientes suelos Suelo A B
C
Pasa 4 70 47 95
Pasa 10 60 30 90
Pasa 40 48 16 83
Pasa 100 18 8 71
40
RESPUESTA A LAS ACTIVIDADES DE AUTOEVALUACIÓN ACTIVIDAD N° 1 l. - Es todo depósito de partículas minerales y orgánicas disgregadas pero íntimamente relacionadas entre sí, que presentan diferentes grados de cohesión y fuerzas intermoleculares que las mantienen vinculadas. 2.- La de producir una respuesta a los cambios exteriores como cargas, agua y temperatura entre otros. 3. - Los suelos están formados por muchos materiales diferentes que pueden encontrarse en las tres fases de la materia, es decir, los componentes del suelo son: materia sólida, líquido y gas. 4.- La fase sólida del suelo está constituida por minerales, por los productos de la meteorización de las rocas y por productos orgánicos. 5.- La fase sólida del suelo conforma el esqueleto estructural del suelo, y es la que determina en su mayor parte su comportamiento ingenieril. 6.- Uno de los principales constituyentes del suelo es el sílice, el cual se presenta en dos formas: cristalina (cuarzo) y amorfa ( pedernal, sílex y calcedonia). Otros de los minerales que más comúnmente se encuentran en el suelo son los feldespatos, mica (muscovita y biotita), ferromagnesianos, óxidos de hierro, carbonatos minerales (calcita y dolomita). 7.- Se pueden encontrar silicatos complejos de aluminio, carbonatos de so dio, sílice y minerales arcillosos como productos de la descomposición de feldespatos; las micas forman minerales arcillosos, carbonatos, sílice y óxidos de hierro (cuando la mica tiene este mineral); los minerales ferromagnesianos forman óxidos e hidróxido s de hierro y minerales arcillosos. Los carbonatos minerales, calcita y dolomita se meteorizan por solución. 8.- Las partículas orgánicas se originan por la descomposición de materia orgánica vegetal y animal. Se conoce muy poco acerca de los compuestos orgánicos del suelo. Existen suelos formados totalmente por partículas orgánicas como las turbas y hay otros que contienen una mezcla de partículas orgánicas e inorgánicas, como es el caso de los limas y arcillas orgánicas. 9.- El líquido que se encuentra en el suelo básicamente es agua; aunque en algunos casos se encuentran sales disueltas en ella. El agua se presenta en el suelo de varias formas: agua libre, agua capilar yagua adsorbida. 10.- Por lo general el gas presente en el suelo es aire, pero hay ocaciones en que se puede encontrar metano proveniente de la descomposición de materia orgánica.
ACTIVIDAD N° 2 11. - Las relaciones entre los pesos y volúmenes de las diferentes fases son importantes porque ayudan a definir condiciones del suelo o su comportamiento físico. El ingeniero debe comprender antes que nada y de una manera clara las definiciones y términos que se asignan a éstas relaciones para poder lograr un conocimiento cabal de las propiedades de los suelos y las rocas. 12.- Es la relación entre el peso del agua y el peso de los sólidos. Se expresa en porcentaje: ω=
x 100 .Físicamente representa la cantidad de agua contenida en el suelo.
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13. - Es la razón entre el volumen de vacíos y el volumen de los sólidos: e = .Es un valor adimensional que siempre se expresa como un número decimal. 14.- En la práctica los valores menores están alrededor de 0,25 y 0,30 para arenas muy compactas y los mayores valores encontrados están alrededor de 15 para arcillas lacustres.
x 100.Esta 15. - Es la relación entre el volumen de vacíos y el volumen de la muestra: n= relación a menudo se expresa en porcentaje, pero en los cálculos de ingeniería se usa como un decimal. 16.- Es la relación entre el volumen de agua contenido en la muestra y el volumen de vacíos de
x 100. Esta relación se expresa en porcentaje, pero en los cálculos de la muestra. S= ingeniería se usa como un decimal. 17.- Un suelo seco tiene grado de saturación. 18.- Un suelo saturado tiene grado de saturación igual a 100. 19. - Es la relación entre el peso de la masa de suelo y el volumen que ella ocupa: γ=
=
20.- Es un caso específico del peso unitario del suelo, cuando éste está totalmente saturado: γsat=
=
Para S= 100%
21- Es el peso unitario del suelo cuando no hay agua en la muestra. γd=
=
Para S= 0%
22- Define el peso de los sólidos en relación al volumen que ocupan. γs=
=
23- Representa el peso unitario del suelo cuando está sumergido en agua. Se calcula como el peso del suelo menos el e l peso de agua que desplaza por unidad de volumen γ´=
.γ
=
-
γw = γsat - γw =
24 Define la relación del peso unitario del suelo con el peso unitario del agua. Es un valor adimensional G =
25 Es la relación entre el peso de los sólidos y el peso de un volumen de agua igual al que los sólidos están ocupando Gs=
.γ
=
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26 Los valores típicos de Gs para los sólidos del suelo está entre 2,60 y 2,75. 27 Es la comparación entre la relación de vacíos en condición natural de un suelo y las relaciones de vacío de ese mismo suelo en sus estados más compacto y más suelto posible, se expresa en porcentaje Dr = Dr =
x 100
28 Es una propiedad muy importante en suelos granulares pues mide su compacidad. 29.- γ = 30.- S =
(γ(ω )))
31.- γh =
ω
32.- γsat =
33.- γsat = 34.- γd = 35.- γd =
(ω) ω
ω/
36 a) Contenido de humedad = 27,4% 27,4% b) Peso unitario unitario seco =1,54 g/cm 3 37 a) Peso unitario saturado= 2g/cm 3 b) Gravedad específica de los sólidos del suelo = 2,67. e) Contenido de humedad = 25,1% 38 a) Contenido de humedad = 23,2% b) Relación de vacíos = 0,80 e) Grado de saturación 78,5% d) Porosidad = 44,4% =
39 a) Relación de vacíos máxima 2,76.
=
1,1 b) Gravedad específica de los sólidos del suelo
=
40 a) Relación Relación de vacíos = 0,619 b) Grado de saturación = 42,8% e) Porosidad = 38,2% d) Cantidad de agua = 81,8 litros de agua. 41. - Densidad relativa = 31,9%
ACTIVIDAD N° 3 42.- Se pueden clasificar en: físicas, índice y mecánicas. 43.- Densidad, tamaño y distribución de las partículas, gravedad específica y contenido de humedad. 44.- Son aquellas que no consideran la influencia de factores externos, las más importantes son: límite líquido, límite plástico, límite de contracción, granulometría, densidad relativa. 45.- Indican el comportamiento de los suelos bajo esfuerzos inducidos y cambios del medio ambiente.
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46.- El análisis granulométrico o granulometría de un suelo consiste en determinar cuantitativamente la distribución de las partículas por rangos de tamaño. Dependiendo el tamaño de los granos del suelo puede ser por tamizado, por sedimentación sedimentación o una combinación combinación de ambos métodos. 47.- Tomando en cuenta el tamaño de las partículas se distinguen los tipos de suelo que se describen a continuación: Fragmentos de roca. Retenido en el tamiz 3" Gravas gruesas. Pasante en 3" y retenido en 3/4" Gravas finas. Pasante en 3/4" y retenido en N° 4 Arena gruesa. Pasante en N° 4 y retenido en N° 10 Arena media. Pasante en N° 10 y retenido en N° 40 Arena fina. Pasante en N° 40 y retenido en N° 200 Limas. Pasante en N° 200. Partículas > 0,002 mm Arcillas. Pasante en N° 200. Partículas Par tículas < 0,002 mm
ACTIVIDAD N° 4 48.- En Mecánica de suelos puede definirse la plasticidad como la propiedad que tiene un material por la cual es capaz de soportar deformaciones rápidas, sin variaciones volumétricas apreciables y sin desmoronarse ni agrietarse. 49.- Los experimentos realizados por Atterberg, Terzaghi y Goldschmidt han revelado que la plasticidad en los suelos se debe a la carga eléctrica de las partículas laminares, que generan campos que actúan como condensadores y forman capas de agua sólida y viscosa o capa adsorbida cuyo efecto en la interacción de las partículas de suelo determinan su plasticidad. 50.-La consistencia es la mayor o menor resistencia que ofrece el suelo para cambiar de forma. Es la medida de la plasticidad del suelo, y es función del contenido de agua y de los minerales de arcilla de las fracciones fina y muy fina del suelo. 51. - Dos tipos de consistencia: el primer tipo referido a la consistencia en estado natural o inalterado, y el segundo a suelos amasados o alterados. 52. - A través de la resistencia a la compresión simple El valor de la resistencia a la compresión simple se obtiene ensayando una muestra inalterada de suelo tallada en forma cilíndrica, a la cual se aplica un esfuerzo uniaxial a velocidad constante, el esfuerzo se incrementa hasta llevar el suelo a la falla, obteniéndose qu o resistencia a la compresión simple como el valor más alto de esfuerzo soportado por la muestra. 53.- Los estados de consistencia en suelos inalterados son: blando, compacto, resistente y duro. 54.- Se mide a partir de la realización de los ensayos de límite líquido, límite plástico y límite de contracción. 55. - La plasticidad no es una propiedad permanente de las arcillas, sino dependiente de su contenido de humedad. Después que un suelo ha sido amasado su consistencia puede ser variada a voluntad, aumentando o disminuyendo su contenido de humedad. Así por ejemplo, si se tiene un barro arcilloso líquido y se va reduciendo lentamente su contenido de humedad, se verá como gradualmente el suelo pasa del estado líquido al estado plástico y finalmente al estado sólido. sólido.
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56.- Líquido, plástico, semisólido y sólido. Estado líquido. El suelo tiene la consistencia de un líquido de alta viscosidad, pudiendo producirse el flujo del mismo bajo ciertas condiciones. Su resistencia al corte es nula. Estado plástico. El suelo tiene la consistencia de un material plástico y blando que le permite deformarse sin roturas ni agrietamientos. Estado semisólido. El suelo ha dejado de ser plástico, pero las variaciones de humedad producen cambios en el volumen del suelo. Estado sólido. El suelo no cambia su volumen aún cuando esté sometido a variaciones de humedad. Su resistencia es alta y su consistencia puede ser dura y frágil. 57.- Límite líquido. Es el contenido de humedad de un suelo por debajo del cual deja de comportarse como un líquido, adquiere resistencia al corte y es moldeable. El rango de variación del límite líquido puede estar entre 0 y 1000, pero la la mayoría de los suelos tienen tienen valores menores de 100. 58.- Límite plástico. Es el contenido de humedad de un suelo cohesivo por debajo del cual pierde su plasticidad. Es la frontera entre los estados plástico y semisólido. El rango de variación del límite plástico puede estar entre 0 y 100, pero la mayoría de los suelos suelos presentan valores valores menores de 40. 59.- Límite de contracción. Es el contenido de humedad por debajo del cual una pérdida de humedad por evaporación, no trae aparejada una reducción de volumen. Es el límite o frontera entre los estados semisólido y sólido. 60. - El contenido de humedad al cual se produce el paso de un estado a otro, es muy diferente para las diferentes arcillas, y por ello, esos contenidos de humedad pueden ser utilizados para identificar y comparar las arcillas entre sí. Por esto, los valores de estos límites y los índices asociados con ellos, constituyen parámetros muy útiles en la caracterización y clasificación de suelos. 61. - En el laboratorio se determina de la siguiente manera: con la mezcla de material pasa 40 yagua destilada cuyo contenido de humedad esté próximo al límite líquido, se llena una cápsula de volumen conocido, expulsando las burbujas de aire a medida que se va llenando (golpeando el recipiente contra una superficie dura). Se enrasa y se pesa, obteniéndose así el volumen y peso inicial de la muestra. Se deja el recipiente al aire libre para que vaya perdiendo humedad gradualmente y contrayéndose uniformemente. A los dos o tres días se lleva al horno por 24 horas concluyendo el secado. El volumen final de la muestra se mide por desplazamiento de mercurio. mercurio. El valor numérico del límite de contracción se determina por medio de la siguiente expresión 62. - La determinación del límite de retracción resulta particularmente importante en suelos expansivos, para el análisis de retracción. 63.- Indica la magnitud del intervalo en el cual el suelo posee consistencia plástica. Se calcula por medio de la siguiente expresión: Ip LL - LP =
64.- El índice de consistencia es una medida de la consistencia del suelo en estado natural, se calcula con la siguiente expresión: Ic =
65. - El índice de liquidez es el rango de variación de humedad del suelo en estado líquido. Se calcula por medio de la siguiente expresión: expresión: IL =
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66.- El índice de retracción es un indicativo del potencial de retracción del suelo. Se calcula por medio de la ecuación que que a continuación se presenta: presenta: Ir LP - LC =
67.- El Índice de actividad de la arcilla fue definido por Skempton y sirve como indicador del potencial de variación de volumen de la arcilla, se calcula por medio de la siguiente expresión: Ac =
%μ
68.- Una arcilla puede tener varios rangos de actividad de acuerdo a este índice. Se dice que la arcilla es inactiva cuando Ac es menor de 0.75; normal cuando Ac está entre 0.75 y 1.25; y activa cuando Ac es mayor de 1.25.
ACTIVIDAD N° 5 69.-Un sistema de clasificación clasificación de suelos es un ordenamiento ordenamiento de los diferentes diferentes suelos en grupos que tienen propiedades similares. Su propósito es dar facilidades para estimar las propiedades o aptitudes de un suelo por comparación con suelos de la misma clase cuyas propiedades se conocen. 70.- El suelo tiene muchas propiedades diferentes que son de interés en ingeniería y las posibilidades de combinaciones es también muy extensa, lo que hace impracticable la existencia de un sistema de clasificación que abarque todas las posibilidades. Por eso existen sistemas de clasificación donde los suelos son agrupados de acuerdo al carácter particular de la obra de ingeniería para la cual se desarrolló la clasificación. 71. - Los sistemas más usados son los siguientes:
Sistema P.R.A., (Public Road Administration) usado en carreteras .
Sistema AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) usado para evaluar la construcción de sub rasante s de carreteras y terraplenes.
Sistema SUCS (Sistema Unificado de Clasificación de Suelos), usado en presas de tierra, canales, pistas de aeropuertos, fundaciones, carreteras.
72.-Estos sistemas de clasificación utilizan pruebas muy sencillas de tipo indicativo corno la granulometría y los límites de consistencia (límite líquido y límite plástico) 73)
Suelo A = A-6 (1). Suelo B = A-7-6 (14). Suelo C = A-2-7 (1)
74)
Suelo A= SC. Suelo B = GW. Suelo C = CH
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