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MECÁNICA DE SUELOS

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

MÓDULO MECÁNICA DE SUELOS Presentado por: Escuela de Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería – Ingeniería – UCV UCV

Decano de la Facultad de Ingeniería. Mg. Ricardo Delgado Arana.

Director de la Escuela de Ingeniería Civil. Mg. Ricardo Delgado Arana.

Docente del Curso. Ing. Sheyla Cornejo Rodríguez

2015-II

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ING SHEYLA Y. CORNEJO RODRIGUEZ

MECÁNICA DE SUELOS

DEFINICIÓN DE LOS TÉRMINOS MÁS USUALES     

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ABSORCION: Agua que es retenida en el suelo o roca, después de 24 h. ADHESION: Resistencia al corte entre el suelo y otro material cuando la presión que se aplica externamente es cero. AGREGADO: Un material granular duro de composición mineralógica, usado para ser mezclado en diferentes tamaños. AGREGADO ANGULAR: Son aquellos que poseen bordes bien definidos formados por la intersección de caras planas rugosas. rugosas. AGREGADO BIEN GRADADO: Agregado cuya gradación va desde el tamaño máximo hasta el de un relleno mineral con el objeto de obtener una mezcla bituminosa con un contenido de vacíos controlado y alta estabilidad. AGREGADO DE GRADACION ABIERTA: Agregado que contiene poco o ningún relleno mineral, y donde los espacios de vacíos en el agregado compactado son relativamente grandes. AGREGADO DE GRADACION FINA: Agregado cuya gradación es continúa desde tamaños gruesos hasta tamaños finos, y donde predominan estas últimas AGREGADO DE GRADACION GRUESA: Agregado cuya gradación es continúa desde tamaños gruesos hasta tamaños finos, y donde predominan los tamaños gruesos. AGREGADO DENSAMENTE GRADADO: Agregado con una distribución de tamaños t amaños de partícula tal que cuando es compactado, los vacíos que resultan entre las partículas, expresados como un porcentaje del espacio total ocupado, son relativamente pequeños. AGREGADO FINO: Agregado Agregado que pasa pasa el tamiz (N°4). AGREGADO GRUESO: Agregado retenido en el tamiz (N°4). AGUA ABSORBIDA: Agua que es retenida mecánicamente en el suelo o roca. ALMACENAMIENTO ALMACENAMIENTO (estabilidad al): Ensayo que sirve para determinar si ha habido un asentamiento en el almacenamiento de un asfalto modificado. ALUVIAL (aluvional): Suelo que ha sido transportado en suspensión por el agua y luego depositado sedimentándose. sedimentándose. ANALISIS MECANICO: Sirve para determinar la granulometria en un material o la determinación cuantitativa de la distribución de tamaños. ANGULO DE FRICCION EXTERNA: (ángulo de la fricción con una pared o muro), entre la abscisa y la tangente de la curva que representa la relación de la resistencia al corte entre el esfuerzo normal que actúa entre el suelo y la superficie a otro material. Nota: Se recomienda r ecomienda consultar un texto de Mecánica de Suelos. ANGULO DE FRICCION INTERNA ó ROZAMIENTO INTERNO (grados): (ángulo de resistencia al corte), es aquel que se produce entre la tensión normal y la tangente de la envoltura del circulo de MOHR, en el punto que representa una condición de falla en un material sólido. ANGULO DE REPOSO, α (grados): El que se produce entre lo horizontal y el talud máximo que el suelo asume a través de un proceso natural. ARENA MOVEDIZA (quicksan ( quicksana): a): Condición según lo cual el agua fluye hacia arriba con velocidad suficientemente como para reducir significativamente la capacidad de soporte del suelo con un decrecimiento de su presión integranular. ASENTAMIENTO: Efecto de descenso del terreno bajo la cimentación de una edificación ocasionado por las cargas que se transmiten al mismo. BANCO DE GRAVA: Material que se encuentra en depósitos naturales y usualmente mezclada en mayor ó menor cantidad con material fino, como la arena o la arcilla, resultando en diferentes combinaciones; por ejemplo arcilla gravosa, arena gravosa, grava arcillosa, grava arenosa, etc.

Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ

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BARRENO: Instrumento en forma de espiral, con un elemento helicoidal. CAL- Oxido de calcio CaO : Adopta la denominación de cal rápida e hidratada, según su proceso de producción. producción. CALICATA (Perforación): Que se realiza en un terreno, con la finalidad de permitir la observación de los estratos del suelo a diferentes profundidades y eventualmente obtener muestras generalmente disturbadas. CANTO RODADO: Partícula de roca redondeada r edondeada o semi-redondeada que pasa la zaranda de 3” y son retenidas en la malla Nº 4. CARBURO DE CALCIO: Material utilizado en instrumentos destinados a medir el porcentaje (%) de humedad humedad de suelos, materiales, materiales, etc., etc., en forma rápida rápida y muy aproximada. CBR (California Bearing Ratio): Valor soporte de un suelo o material, que se mide por la penetración de una fuerza dentro de una masa de suelo. CEMENTACIÓN: Proceso de endurecimiento que ocurre en ciertas arenas. CHANCADO (Triturado): La porción total sin tamizar que resulta de un triturador de piedra. COHESION: La resistencia al corte de un suelo, a una tensión normal. Fuerza Fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo COHESION (aparente): En suelos granulares debido a fuerzas de capilaridad. COLOIDALES (partículas): Tamaño tan pequeños que ejercen una actividad superficial apreciable sobre las propiedades del agregado. COMPACTACION: Densificación de un suelo por medio de una manipulación mecánica. COMPRESION: Acción de comprimir un material aplicando una carga que puede ser axial, existiendo variantes en ensayos como: no confinada, triaxial y entre estos el ensayo consolidado no drenado; el ensayo drenado, el ensayo no consolidado no drenado y que sirven para medir el ángulo de fricción interna ØF); la cohesión (c), cuyos valores se emplean en análisis de estabilidad en estructuras (fundaciones), cortes, taludes, muros de contención, etc. COMPRESION NO CONFINADA: Procedimiento para determinar la resistencia al corte de un suelo. CONSISTENCIA: Relativa facilidad con que el suelo puede fluir y deformarse. CONSOLIDACION: Reducción gradual en volumen de un suelo, como resultado de un incremento de las tensiones de compresión. Proceso de reducción de volumen de los suelos finos cohesivos cohesivos (arcillas y limos plásticos), provocado por la actuación de solicitaciones (cargas) sobre su masa y que ocurre en el transcurso de un tiempo generalmente largo. Es la reducción gradual de volumen del suelo por compresión, debido a cargas estáticas. También puede darse por pérdida de aire o agua. Puede haber: Consolidación Inicial (comprensión inicial) Consolidación Primaria. Consolidación Secundaria. CONSOLIDACION CONSOLIDACION (ensayo): Es una prueba en la cual el espécimen está lateralmente confinado en una arcilla y es comprimido entre dos superficies porosas. CONTRACCION: Esfuerzo lineal asociado con un decrecimiento en longitud. CONTRACCION (factores): Parámetros relativos a cambios de volumen de un suelo. CORTE (directo): Ensayo según el cual un suelo sometido a una carga normal falla al moverse una sección con respecto a otra. CUARTEO: Procedimiento de reducción del tamaño de una muestra. CURVA DE COMPACTACION (curva de Proctor): que relacione el peso unitario seco (densidad) y el contenido de agua del suelo para un determinado esfuerzo de compactación.


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DENSIDAD EN EL SITO (in situ): Procedimiento para determinar el peso unitario de los suelos en el terreno. ELASTICIDAD: Propiedad del material que hace que retorne a su forma original después que la fuerza aplicada se mueve o cesa. DENSIDAD RELATIVA: Propiedad índice de estado de los suelos que se emplea normalmente en gravas y arenas, es decir, en suelos que contienen reducida cantidad de partículas menores que 0.074 mm (tamiz # 200). La densidad relativa indica el grado de compactación del material y se emplea tanto en suelos naturales como en rellenos compactados. EMPUJE ACTIVO Empuje provocado debido a la deformación lateral del suelo, disminuyendo la tensión horizontal hasta un valor mínimo donde se alcance un estado tensional de falla. EMPUJE PASIVO Empuje provocado debido a la deformación lateral del suelo, aumentando la tensión horizontal hasta un valor máximo donde se alcance un estado tensional de falla. EMPUJE DE REPOSO: Empuje provocado debido a un confinamiento lateral total de manera que un punto en el suelo se deforme libremente en sentido vertical mientras que lateralmente la deformación es nula. ESFUERZO EFECTIVO: Esfuerzo transmitido a través de la estructura sólida del suelo por medio de los contactos intergranulares. Se ha definido en forma cuantitativa como la diferencia entre el esfuerzo total y la presión de poro. ESFUERZO NORMAL Esfuerzo interno o resultante de las tensiones perpendiculares (normales) a la sección transversal de un prisma mecánico. ESFUERZO ORTOGONAL: Esfuerzo perpendicular o en ángulo recto. ESFUERZO CORTANTE: Esfuerzo interno o resultante de las tensiones paralelas a la sección transversal de un prisma mecánico como por ejemplo, una viga o un pilar. EQUIVALENTE DE ARENA: Determinación del contenido de polvo fino nocivo (sucio) en un material ó medidor de la cantidad de limo y arcilla según el ensayo respectivo. ESTABILIDAD: La habilidad de una mezcla asfáltica de pavimentación de resistir deformación bajo las cargas impuestas. La estabilidad es una función de la cohesión y la fricción interna del material. EXCENTRICIDAD: Distancia medida a partir del centroide de área de la cimentación al lugar de aplicación de la carga puntual. FINOS: Porción de suelo más fino que la malla Nº 200. FLUENCIA PLÁSTICA: Deformación de un material plástico producida por una fatiga superior al límite elástico del material, que le produce un cambio permanente de su forma. También llamada deformación plástica. GRAVEDAD ESPECIFICA DEL SUELO: Determina el Peso Específico de un suelo con el Picnómetro, siendo la relación entre el peso en el aire de un cierto volumen de sólidas a una temperatura dada. HORIZONTE (suelo): Una de las capas de un perfil de suelos. HUMEDAD: Porcentaje de agua en suelo o material INDICE DE FORMA (agregados): Permite medir las características de forma y textura. LIMITE LIQUIDO: Contenido de agua del suelo entre el estado plástico y el líquido de un suelo. LÍMITE PLASTICO: Contenido de agua de un suelo entre el estado plástico y el semisólido LIQUEFACCION: Proceso de transformación del suelo del estado sólido al estado líquido. MALLA: La abertura cuadrada de un tamiz.


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MATERIA ORGANICA (suelos): Elementos perjudiciales en un suelo o material: turba, raíces, etc. MUESTRAS DE CAMPO: Materiales obtenido de un yacimiento, de un horizonte de suelo y que se reduce a tamaños, cantidades representativos y más pequeñas según procedimientos establecidos. MUESTREADORES: Instrumentos que permiten obtener muestras, existiendo: los muestradores de pistón y los de tubo abierto. Los primeros son los mejores. PENETRÓMETRO Instrumento que sirve para evaluar el estado del terreno. PERMEABILIDAD: Capacidad de la roca de conducir un líquido o un gas. PESO ESPECIFICO (productos asfálticos): Sólidos y semisólidos. Relación del peso de un volumen dado de material a 25ºC y el peso de un volumen aquel de agua a la temperatura indicada. PRESIÓN DE PORO Presión del agua que llena los espacios vacíos entre las partículas de suelo. El fluido en los poros es capaz de transmitir esfuerzos normales pero no cortantes por lo que es inefectivo para proporcionar resistencia al corte, por ello se le conoce a veces como presión neutra. PRESIÓN DE CONFINAMIENTO Presión aplicada por medio del agua en la cámara para ensayo triaxial, con la finalidad de generar el efecto del suelo que rodea la muestra en estado natural. PREFABRICADO Se dice del elemento o pieza que han sido fabricados en serie, para facilitar el montaje o construcción en el lugar de destino. PH: Indice de acidez o alcalinidad de un suelo o concentración de ion hidrógeno. PH (emulsiones): Proceso por medio de diferencia de potencias. PICNOMETRO: Recipiente de vidrio, forma cilíndrica o cónica. PIEZOMETRO: Aparato que mide la carga en un punto por debajo de la superficie. POISE: Una unidad de centimetro-gramo-segundo de viscosidad absoluta, correspondiente a la viscosidad de un fluido en donde un esfuerzo de una dina por centímetro cuadrado es requerido para mantener una diferencia de velocidad de un centímetro por segundo entre dos planos paralelos del fluido, orientados en la dirección del flujo y separados por una distancia de un centímetro. POROSIDAD - RELACION: Entre el volumen de vacíos del agregado dentro de los intersticios de la roca y el volumen total. PUNZONAMIENTO Esfuerzo producido por tracciones en una pieza debidas a los esfuerzos tangenciales originados por una carga localizada en una superficie pequeña de un elemento bidireccional alrededor de su soporte. RELACIONES HUMEDAD/DENSIDAD (Proctor): Humedad vs. P.U. de suelos compactados. RELLENO MINERAL: Un producto mineral finamente dividido en donde más del 70 por ciento pasa el tamiz de 0.075 mm (#200). La caliza pulverizada constituye el relleno mineral fabricado más común. También se usan otros polvos de roca, cal hidratada, cemento Portland, y ciertos depósitos naturales de material fino. SIFONAMIENTO Movimiento ascendente de las aguas subterráneas a través de drenajes o ascensión capilar. Como consecuencia produce una pérdida de la capacidad portante del suelo. SOBRECARGA Carga extra aplicada. SUELO COHESIVO Suelo, que no estando confinado, tiene considerable resistencia cuándo se ha secado al aire, y tiene una cohesión importante cuando está sumergido. SUELO CONSOLIDADO: Suelo arcilloso que nunca en su historia geológica ha soportado las cargas actuales. Es una arcilla generalmente compresible.


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SUELO NO COHESIVO: Suelo que, cuándo está confinado, tiene poca o ninguna resistencia cuándo está secada al aire, y que tiene poca o ninguna cohesión cuando está sumergido. SUELO PRECONSOLIDADO: Suelo arcilloso que recibe hoy en día cargas menores de las que en su historia geológica ha recibido. Es una arcilla generalmente dura.


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INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA DEL TERRENO APLICACION 

En su trabajo práctico el Ingeniero Civil ha de enfrentarse con muy diversos e importantes problemas planteados por el terreno.



El suelo (Terreno) le sirve de cimentación para soportar estructuras y terraplenes – Emplea el suelo como material de construcción – Proyectar estructuras para la retención o sostenimientos del terreno en excavaciones y cavidades subterráneas.

DIVERSOS PROBLEMAS DE APLICACIÓN DE LA MECANICA DE SUELO 1.1 CIMENTACIONES: 

Edificios, puentes, carreteras, túneles, muros, torres, canales, presas deben cimentarse sobre la superficie de la tierra o dentro de ella, Y ES

NECESARIO UNA

ADECUADA CIMENTACION.

ZAPATAS – CIMENTACIONES SUPERFICIALES

CIMENTACIONES PROFUNDAS

TERRAPLENES: Empleado en rellenos-mejoramientos


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1.2 EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCION 

El suelo es el material de construcción más abundante del mundo y en muchas zonas constituye el único material disponible localmente.



Empleado en construcción de monumentos, tumbas, viviendas, vías de comunicaciones y estructuras para retención de agua.



Necesidad del Ingeniero de seleccionar el tipo adecuado de suelo, método de colocación y control en la ejecución de la obra. (Relleno)

Terraplén

Pendiente

Estabilización de suelos blandos

Pilar de un puente

Pared reforzada

1.3 TALUDES Y EXCAVACIONES

PRESA DE TIERRA

TALUD NATURAL


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EXCAVACIÓN DE SUELOS

CANALES DE IRRIGACION 1.4 ESTRUCTURAS ENTERRADAS Y DE RETENCION 

Tuberías enterradas



Estructuras de retención y/o sostenimiento



Ejecución defectuosa



Carga de construcciones superiores a la proyectada



Flexión de la tubería por asentamiento de la cimentación o hundimiento.


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1.5 PROBLEMAS ESPECIALES DE INGENIERIA DE SUELOS  Vibraciones  Explosiones/Terremotos  Almacenamiento de fluido industriales (En depósito de tierra)  Helada (Expansión)  Hundimientos Regionales  Tipos de problemas geotécnicos: o Asentamientos del terreno o Expansión del terreno o Agrietamientos del terreno y las estructuras o Deslizamientos o Erosión del terreno 1.6 LOS PROBLEMAS GEOTÉCNICOS PUEDEN INDUCIR:  Pérdida de vidas  Damnificados  Cierre y daños a vías de comunicación  Daños a edificaciones y vehículos  Daños graves a servicios públicos En la mayoría de los casos estos problemas son previsibles y evitables  Si se siguen instrucciones simples  Se recurre a expertos en la materia 1.7 INDICIOS DE PROBLEMAS GEOTÉCNICOS  Puertas y ventanas que se traban o están descuadradas, o con dificultades para abrir o cerrar.  Grietas nuevas o grietas visiblemente reparadas en la estructura y en obras exteriores.  Desniveles entre pisos y terreno. El terreno ha bajado dejando el piso al aire en algunos sectores.  Depresiones en el terreno. Un jardín en áreas planas o en pendiente, normalmente no debe tener formas onduladas.  Levantamientos del terreno y de aceras. A veces estos levantamientos son debidos a raíces de árboles. Si esto no es evidente, pueden ser por expansión del suelo.  Grietas en el suelo en forma de media luna. Las grietas en el terreno siempre son indicio de algún problema geotécnico.  Terreno con topografía original escalonada. Indicio de movimientos antiguos que pueden reactivarse, o de un movimiento actual lento pero continuo.  Escarpas que muestran suelo “fresco” o escarpas viejos cubiertos por vegetación Estas son evidencias claras de deslizamientos.  Muros, cercas, postes, o cualquier otra cosa que no esté aplomada o alineada en su forma natural Estos son indicios de que el terreno se está moviendo, arrastrando o empujando obras enterradas.  Árboles inclinados: son indicadores menos confiables de movimientos, pues tienden a doblarse en búsqueda de la luz solar. Cuando se presentan muy inclinados o inclinados en diferentes direcciones, pueden ser indicio de deslizamientos o reptación superficial.  Taludes verticales o con pendientes abruptas. Los taludes pueden lucir estables, pero la descomposición con el tiempo de los materiales que los constituyen, puede originar su deslizamiento.


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1.8 INTRODUCCION A LA GEOLOGIA El término suelo tiene un significado muy específico para los ingenieros de diversas especialidades:  Para el ingeniero agronomo-agricola el suelo es denominado como capa vegetal, caracterizado por un estrato superficial de suelo altamente meteorizado, rico en humus y capaz de soportar el crecimiento de la vegetación, de espesor frecuente inferior a los 0.50-1.00 mts.  Desde el punto de vista del I ngeniero Civil representa la roca fragmentada, de todo tipo y representa la corteza terrestre visible, que no supera los 80 mts de profundidad, hasta donde a la fecha han llegado sus cimentaciones.  Para el geólogo, el suelo lo denomina roca, es todo lo que constituye la corteza terrestre. 1.9 CONSTITUCION DE LA TIERRA:

El análisis de las observaciones sismológicas ha permitido estimase la composición interna de la tierra, sintetizada en: Es importante reconocer que el conocimiento directo de la tierra es mínimo. Se calcula que sólo 8 elementos químicos contribuyen con más del 98% del peso de la corteza terrestre, representando una simplicidad asombrosa: Oxigeno 46.6% Silicio 27.7% Aluminio 8.1% Hierro 5.0% Calcio 3.6% Sodio 2.8% Potasio 2.6% Magnesio 2.1% Resto pequeños porcentajes de elementos raros: Titanio. Hidrogeno, fósforo y otros La combinación de los elementos químicos forman una inmensidad de minerales, que en el campo de la ingeniería civil son limitados, sintetizados como: *Los cuarzos *Los feldespatos *Las micas *Los carbonatos. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ

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Estos a su vez forman nuestros suelos:

SÍMBOLO DESCRIPCIÓN

G

Grava

S

Arena

M

Limo

C

Arcilla

LEYENDA

Suelos Gruesos

Suelos Finos

Suelos con % de materiales

O

Limos orgánicos y arcilla

contaminados

Pt

Turba y suelos altamente orgánicos

COLORES ASOCIADOS CON LOS COMPONENTES MINERALES Y ORGÁNICOS DEL SUELO Color negro: Se asocia a la incorporación de materia orgánica que se descompone en humus que da la coloración negra al suelo, este color por lo general está asociado a la presencia de 

Carbonatos de Ca 2+ o Mg2+ más materia orgánica altamente descompuesta.



Otros cationes (Na+, K +) más materia orgánica altamente descompuesta.

Color rojo: Se asocia a procesos de alteración de los materiales parentales bajo condiciones de alta temperatura, baja actividad del agua, rápida incorporación de materia orgánica, alta liberación de Fe de las rocas; En términos generales se asocia con la presencia de Óxidos de Fe 3+.


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Color amarillo a marrón amarillento claro: Por lo general es indicativo de meteorización bajo ambientes aeróbicos (oxidación),se asocia con la presencia de  Óxidos hidratados de Fe 3+ Color marrón: Este color está muy asociado a estados iniciales a intermedios de alteración del suelo;se asocia con la ocurrencia de  Materia orgánica ácida parcialmente descompuesta.  Combinaciones de óxidos de Fe más materiales orgánicos. Color blanco o ausencia de color: se debe fundamentalmente a la acumulación de ciertos minerales o elementos que tienen coloración blanca, como es el caso de calcita, dolomita y yeso, así como algunos silicatos y sales, se asocia con la presencia de  Óxidos de Al y silicatos (caolinita, gibsita, bauxita).  Sílice (SiO2).  Tierras alcalinas (CaCO 3, MgCO3)  Yeso (CaSO4. 2H2O).  Sales altamente solubles (cloruros, nitratos de Na + y K + Color gris: puede ser indicativo del ambiente anaeróbico. Este ambiente ocurre cuando el suelo se satura con agua, siendo desplazado o agotado el oxígeno del espacio poroso del suelo. Bajo estas condiciones las bacterias anaeróbicas utilizan el Fe férrico (Fe3+)

Color verde: en algunos suelos bajo condiciones de mal drenaje se genera este color, estos suelos están constituidos por materiales altamente calcáreos, se asocia con la ocurrencia de Óxidos Fe 2+ (incompletamente oxidados).

Color azulado: en zonas costeras, deltaicas o pantanosas donde hay presencia del anión sulfato, y existen condiciones de reducción (saturación con agua y agotamiento del oxígeno), se asocia con la presencia de 1.

Óxidos hidratados de Al (Aloisita).

2.

Fosfatos ferrosos hidratados (Vivianita).


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1.10SISTEMA DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS BASADOS EN CRITERIO GRANULOMÉTRICO (Distribución del tamaño de partículas) Diversas organizaciones que estudian aspectos relacionados con el suelo han elaborado sistemas de clasificación para identificar el tamaño de las partículas de un suelo para sus propósitos específicos. En la Tabla se muestra algunos de los sistemas más conocidos empleados por estas organizaciones para identificar las partículas del suelo. Tamaño del Grano Nombre de la Organización Grava Arena Limo Arcilla Instituto tecnológico de Massachusetts (MIT)

> 2mm

2 a 0.06mm

76.2 a 2 mm

2 a 0.075 mm

0.06 a 0.002 mm < 0.002 mm

Asociación Americana de Funcionarios del Transporte

0.075 a 0.002

< 0.002 mm

y Carreteras Estatales (AASHTO) Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (U.S Army Corps of Engineers; U.S Bureau of Reclamation; American Society for

Testing and

Finos 76.2 a 4.75 mm

4.75 a 0.075 mm

(Es decir limos y arcillas < 0.075 mm)

Materials

Grava. Según la norma ASTM D2487 el tamaño de estas partículas varía de 75 a 4.75 mm, estas a su vez están divididas en dos categorías: grava gruesa que está comprendida entre 75 y 19 mm y grava fina que está comprendida entre 19 y 4.75 mm. Las gravas son acumulaciones sueltas de fragmentos de roca de textura redondeada, debido al desgaste que sufren las partículas al ser transportadas por las corrientes de los ríos. Como material suelto suele encontrarse en los lechos, márgenes, en los conos de deyección de los ríos y suele encontrarse depósitos con grandes cantidades. Arena. Se llama arena a las partículas granulares de textura variada procedentes de la desintegración de las rocas o de su trituración artificial y cuyo tamaño según la norma ASTM D2487 varía entre 4.75 a 0.075 mm, la arena está clasificada en tres categorías: arena gruesa que tiene un tamaño de 4.75 a 2 mm, la arena mediana de un tamaño comprendido entre 2 y 0.425 mm y la arena fina comprendida entre 0.425 y 0.075 mm. El origen y la existencia de la arena es análoga a la de la grava, comúnmente las dos suelen encontrarse juntas en el mismo depósito. Principalmente está compuesta de cuarzo y otros minerales que dan resistencia mecánica a las partículas. Limo. El limo es una partícula mineral pequeña de textura granular o escamosa, que suele encontrarse en las canteras y en los ríos. El tamaño de las partículas de limo según la norma ASTM D2487 es menor a 0.075 mm. Su color varía desde gris claro a muy oscuro. El suelo compuesto por limo es relativamente impermeable, fácilmente erosionable. Arcilla. Se da el nombre de arcilla a las partículas sólidas de textura escamosa, compuestas de minerales de arcilla con un tamaño diminuto mucho menor a 0.075 mm. La arcilla Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ

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químicamente es un silicato hidratado de: aluminio, hierro o magnesio. Las microestructuras que forman las partículas diminutas que componen la arcilla ocasionan que esta sea poco permeable y el contenido de humedad comunica a la masa de suelo la propiedad plástica.

Guijarro y canto rodado. Existen partículas de mayor tamaño que la grava, según la norma ASTM D2487 a las partículas con tamaño comprendido entre 75 a 350 mm se las llama guijarro o bolón y a las que superan los 350 mm se las denomina canto rodado . Por lo general estos dos tipos de partículas son fragmentos de roca, constituyen ser componentes aislados del suelo y suelen aparecen sobre o por debajo de la superficie terrestre. Materia coloidal. Existen también partículas muy pequeñas que no pueden llegar a ser vistas fácilmente. Las partículas con tamaño menor a 2 µm, constituyen la fracción mas fina de los suelos. Que pueden ser distinguidas con la ayuda de un microscopio potente y su estructura molecular puede ser analizada por medio de los rayos X, a este tipo de partículas se las conoce como coloide o ultra-arcilla. Estas partículas debido a su tamaño no suelen considerarse dentro los sistemas de clasificación, pero forman parte de la fracción fina del suelo. FORMA DE LOS AGREGADOS Según la forma de los agregados:  Prismática. Los agregados tienen forma de prisma, de mayor altura que anchura. Es típico de suelos con mucha arcilla.  Columnar. Semejante a la estructura prismática, pero con la base redondeada. Ésta estructura es típica de suelos envejecidos.  En bloques . Angulares o subangulares. Los agregados tienen forma de bloque, sin predominio de ninguna dimensión.  Laminar. Los agregados tienen forma aplanada, con predominio de la dimensión horizontal. Las raíces y el aire penetran con dificultad.  Granular. Los agregados son esferas imperfectas, con tamaño de 1 a 10 mm de grosor. Es la estructura más ventajosa, al permitir la circulación de agua y aire.


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TIPOS DE SUELOS A) SUELOS EXPANSIVOS: Son suelos que tienen la propiedad de contraerse o expandirse debido a cambios en su contenido de humedad. Este proceso involucra grandes cambios volumétricos generando esfuerzos considerables. Características de estos suelos: Son arcillas altamente plásticas y con alto contenido de montmorillonita en su composición. ¿Qué factores intervienen en el fenómeno de la expansión? El potencial expansivo de un suelo (presión de hinchamiento y elevación) dependen, como mínimo, de las siguientes variables: a) Naturaleza y tipo de arcilla. La composición mineralógica de la arcilla (porcentajes de illita, caolinita y montmorillonita) que está compuesto la arcilla resulta fundamentales en cuanto al potencial expansivo del suelo. Los suelos expansivos por excelencia son aquellos que tienen altos porcentajes de montmorillonita.

b) H umedad inicial Arcilla “secas”, con contenido de humeda d por debajo del 15 % indican un riesgo de expansión alto, pues fácilmente puede llegar absorber contenidos de humedad de 35% con los consecuentes daños estructurales. Por el contrario, arcillas cuyo contenido de humedad está por encima del 30 % indica que la mayoría de la expansión ya ha tenido lugar y sólo es esperable algún leve hinchamiento remanente. c) Peso específico seco del suelo La densidad seca de una arcilla se ve reflejada en valores altos en los resultados en el ensayo de penetración estándar. Valores de "N" inferiores a 15 indican densidades secas bajas y riesgo expansivo bajo, aumentando significativamente estos a medida que aumenta el valor de “N”. d) Características plásticas del suelo Las propiedades plásticas del suelo juegan un importante papel en el fenómeno expansivo

¿Cómo actuar frente a un suelo expansivo? Actuar en el sentido de reducir o eliminar la expansión del suelo. Las diferentes formas de acción sobre el suelo se pueden agrupar en: Inundar el suelo en el sitio de manera que se produzca una expansión antes de la construcción. Reducir la densidad del suelo mediante un adecuado control de la compactación. Remplazar el suelo expansivo por uno que no lo sea. Modificar las propiedades expansivas del suelo mediante diversos procedimientos: estabilización mediante cal, cemento, inyecciones, etc. Aislar el suelo de manera que no sufra modificaciones en su contenido de humedad. Actuar sobre la estructura y a través de la selección de un diseño de cimentación apropiado. En líneas generales se actúa en el sentido de rigidizar o flexibilizar de tal forma la estructura que sea capaz de absorber o adaptarse a las deformaciones resultantes. En el diseño del cimiento se tiende a una concentración de cargas de manera que la presión trasmitida al suelo sea capaz de controlar la deformación. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ

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Alternativa de solución: Pre-humectación del suelo La teoría de pre-humectar el suelo antes de la construcción está basada en el hecho de que si al suelo se le permite que se expanda antes de la construcción y si luego la humedad del suelo es mantenida, no es de esperar cambios volumétricos y por lo tanto no es esperable daños sobre la estructura. Este método de inundación previa puede resultar útil para la cimentación mediante losas, construcción de pavimentos, canales, etc., pero no es adecuado para cimentaciones aisladas (tipo patín). La razón es que el pre-humectar el suelo conlleva a reducir en una forma muy significativa los parámetros resistentes del suelo, lo que lo hace inadecuado para el apoyo de cimientos aislados. Reducción de la densidad del suelo: Es naturalmente válido cuando la cimentación se debe hacer sobre un material a terraplenar, o en aquellos casos en que se procede a la sustitución del suelo. La magnitud del asentamiento en un relleno depende de la densidad alcanzada en la compactación, el contenido de humedad de la compactación, el método de compactación y la carga que se aplique sobre el relleno. Sustitución del Suelo Expansivo: Una alternativa simple de cimentar una losa o un patín en un material expansivo es remplazar el material expansivo por otro que no lo sea. La experiencia indica que si el suelo natural sobre el que estamos apoyando nuestro cimiento consiste en más de 5 pies (aprox. 1.50 mts) de suelo granular del tipo (SC SP), que a su vez se apoya en un suelo altamente expansivo no existe riesgo de movimiento en la fundación cuando apoyamos la misma sobre este material granular. B) SUELOS COLAPSABLES: Generalmente son suelos de origen eólico, cuya estructura está ligeramente cementada por sales acarreadas por la brisa marina, con lo cual adquieren una resistencia aparente. Son suelos en estado meta estable, que generalmente se presentan en áreas desérticas. Características de estos suelos: al contacto con el agua sufren cambios bruscos en su volumen por efecto del lavado de sus cementantes (sales), debido al reacomodo de sus partículas. Alternativa de solución: • Generación del Colapso por Saturación • Impermeabilización de suelos. • Evitar la construcción de jardines, diseñando jardineras. • Estabilización del terreno mediante procesos físicos o químicos. C) SUELOS ORGANICOS Y TURBAS Son suelos que debido a su gran compresibidad y bajo esfuerzo cortarte conduce a serios problemas de inestabilidad y asentamientos. Características de estos suelos: Altos contenidos de humedad. Alta relación de vacíos. Contenido de materia orgánica. .


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MECÁNICA DE SUELOS

D) SUELOS DISPERSIVOS Son aquellos suelos que por la naturaleza de su mineralogía y la química del agua en ellos, son susceptibles a la separación de las partículas individuales y a la posterior erosión a través de grietas en el suelo bajo la infiltración de agua. Son aquellos altamente erosivos a bajos gradientes hidráulicos de flujo. Incluso en algunos casos con el agua en reposo. Estas arcillas erosionan rápidamente en presencia del agua cuando las fuerzas repulsivas que actúan entre las partículas de arcilla exceden a las fuerzas de atracción (Van der Waals) de tal forma que las partículas son progresivamente separadas desde la superficie entrando a una suspensión coloidal. Por esta razón estas arcillas son llamadas arcillas “defloculadas”, “dispersivas” o “erodibles”. I dentificación de los suelos dispersivos La presencia de quebradas profundas y fallas por tubificación en pequeñas presas. La erosión en grietas de los caminos. La erosión tipo túnel a lo largo de las quebradas o las arcillas unidas en roca. La presencia de agua nublada en presas pequeñas y charcos de agua de la lluvia.


18

MECÁNICA DE SUELOS

PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS SUELOS a) ESTRUCTURA DEL SUELO (FASES/PARTES) ESTRUCTURA DEL SUELO

PARTICULAS FORMADO POR:

AGUA VACIOS AIRE

MODELO DE CASAGRANDE Va= Volumen de la fase gaseosa de la muestra (Volumen de aire). Vw= Volumen de la fase liquida contenida en la muestra (Volumen de agua). Vs= Volumen de la fase sólida de la muestra (Volumen de sólidos). Vm= Volumen total de la muestra del suelo (Volumen de masa). Vv= Volumen de vacíos Wa= Peso total de la fase gaseosa de la muestra Ws = Peso total de la fase sólida de la muestra de suelo (Peso de sólidos). Ww = Peso total de la fase líquida de la muestra (Peso de agua) Wm = Peso total de la muestra de suelo. Vm= Va + Vw + Vs Wm= Wa + Ww + Ws Vm= Vv + Vs b) CARACTERISTICAS DE LAS FASES/PARTES DEL SUELO b-1) PARTE SOLIDA: La fase solida puede ser mineral u orgánica; el mineral está compuesto por partículas de distintos tamaños, formas y composición química; la orgánica está compuesta por residuos vegetales en diferentes etapas de descomposición y organismos en estado de vida activa.

b-2) PARTE LIQUIDA Factor importante en el comportamiento de un suelo, es la cantidad de agua o humedad que contiene (varias según el clima de tiempo en tiempo). Se clasifican en: (Base de su comportamiento) Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ

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MECÁNICA DE SUELOS

ESTADO

HUMEDAD TOTAL

Secado al horno

Ninguna

Secado al aire

En su interior contiene humedad.

Saturado con superficie seca

Contiene humedad en todo su interior

Con humedad superficial

Contiene también humedad superficial

EL AGUA DE GRAVEDAD: Es el agua que está en masas suficientemente grandes, como para obedecer la acción de la gravedad  AGUA CAPILAR: Existente en los pequeños vacíos de manera que la tensión superficial del agua se convierte en un factor importante, considerando que predomina sobre la acción de la gravedad. Se mueve a través del suelo, en especial en aquellos de granos finos denominado. “MOVIMIENTO CAPILAR” El agua capilar es la fracción del agua que ocupa los microporos, se mantiene en el suelo gracias a las fuerzas derivadas de la tensión superficial del agua. Esta fracción del agua es utilizable por las plantas, es la reserva hídrica del suelo. La capacidad de algunas sustancias de absorber o ceder humedad al medio ambiente también es sinónimo de higrometría.  AGUA HIGROSCÓPICA O MOLÉCULA: Es el agua que envuelve y está íntimamente asociada con los granos individuales del suelo (No puede ser evaporado simplemente secándola al aire) La cantidad de agua Higroscópica se supone que es igual a la diferencia de pesos entre el de una muestra secada al aire y el de la muestra secada dentro de un horno a la temperatura de 110°C durante 24 horas. El agua higroscópica o molecular es la fracción del agua absorbida directamente de la humedad del aire. Esta se dispone sobre las partículas del terreno en una capa de 15 a 20 moléculas de espesor y se adhiere a la partícula por adhesión superficial. El poder de succión de las raíces no tiene la fuerza suficiente para extraer esta película de agua del terreno. En otras palabras esta porción del agua en el suelo no es utilizable por las plantas. 

b-3) PARTE GASEOSA Constituido por el aire encerrado en los vacíos que no son ocupados por el agua (se supone que este aire está sa-turado con vapor de agua y que su composición es algo diferente del aire exterior)


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MECÁNICA DE SUELOS

VACIOS En el suelo cualquiera se llama vació a los espacio libres que existen entre las partículas que están completamente llenos de agua, llenos completamente de aire o ambos a la vez. Esto determina que:  Suelo saturado : Cuando los vacíos están llenos de agua  Suelo seco. Cuando los vació están completamente lleno de aire  Suelo con contenido de humedad: Cuando están llenos de aire y agua 

PROPIEDADES: 



El peso específico representa la fuerza con que la Tierra atrae a un volumen unidad de la misma sustancia considerada. El peso específico de una sustancia es el peso de la unidad de volumen. Se obtiene dividiendo un peso conocido de la sustancia entre el volumen que ocupa. Llamando W al peso y V al volumen, el peso específico , vale:

 WV



Densidad Se obtiene dividiendo una masa conocida de la sustancia entre el volumen que ocupa. Llamando m a la masa, y v al volumen, la densidad, D, vale:

 mV

La densidad puede variar para un mismo suelo, dependiendo de la cantidad relativa de agua que contenga el suelo. 

Relación entre el peso específico y la densidad. El peso específico y la densidad son evidentemente magnitudes distintas como se ha podido comparar a través de las definiciones que se dieron en la parte de arriba, pero entre ellas hay una íntima relación, que se va a describir a continuación. Se recordará que el peso de un cuerpo es igual a su masa por la aceleración de la gravedad: W= m. g Pues bien, sustituyendo esta expresión en la definición del peso específico y recordando que la densidad es la razón m/V , queda:

 WV  mV.g  mV .gD.g

El peso específico de una sustancia es igual a su densidad por la aceleración de la gravedad. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ

21

MECÁNICA DE SUELOS

A) Peso específico de la masa del Suelo (



           

)

(g/cm3, tn/m3, kg/m3)

B) Peso específico de la parte solida (

) llamado peso volumétrico de los sólidos


C) Peso específico de la parte liquida (



  

)


= Peso específico del agua en condiciones reales de trabajo, su valor difiere un poco del ɣo , en la práctica se toma igual que . D) Peso específico del agua destilada ( ) = Peso específico del agua destilada, a 4º C. y a la presión atmosférica correspondiente al nivel del mar. γo = 1 g/ cm³



  γ         γ   γ   γ   γ   γ

E) Peso Específico Relativo de la Masa del suelo

F) Peso específico relativo de los sólidos (

)

)

G) Densidad absoluta: (Da) Es la masa de dicho cuerpo contenido en la unidad de volumen, sin incluir sus vacíos.

 WV

H) Densidad aparente: (Dá) Es la masa de dicho cuerpo contenido en la unidad de volumen, incluyendo sus vacíos.

  WV ´


22

MECÁNICA DE SUELOS

I) Densidad relativa: (Dr)

 Dγ



J) Peso unitario ( ). El peso unitario es definido como la masa de una masa por unidad de volumen. El peso unitario del suelo varía de acuerdo al contenido de agua que tenga el suelo, que son: húmedo (no saturado), saturado y seco. El peso unitario húmedo ( ), es definido como el peso de la masa de suelo en estado no saturado por unidad de volumen, donde los vacíos del suelo contienen tanto agua como aire, que será:



El peso unitario seco (  d ), se define como el peso de suelo sin contenido de agua por unidad de volumen, que se escribe:

      W   V

El peso unitario saturado (  ), se define como el peso de suelo en estado saturado por unidad de volumen, donde los espacios vacíos están llenos de agua, que será: sat

El Peso unitario del agua (  ), es peso del agua por unidad de volumen que será: w

Debido a que la gravedad es: g =9.81 m/s2 y la densidad del agua es: D=1000 kg/m 3, el peso unitario del agua será: = 9.81 KN/m3.



'

El peso unitario sumergido (  ), se conoce como a la diferencia del peso unitario húmedo del suelo y el peso unitario del agua, que será:  '









w

La gravedad específica puede expresarse como: G s



 s  w


23

MECÁNICA DE SUELOS

En la Tabla se muestran valores típicos del peso unitario seco para algunos suelos. Tipo de suelo Arena uniforme suelta Arena uniforme densa Arena limosa suelta Arena limosa densa Arcilla dura Arcilla blanda Arcilla orgánica suave

e

0.8 0.45 0.65 0.4 0.6 0.9 - 1.4 2.5 - 3.2

% Típico

w

30 16 25 15 21 30 - 50 90 - 120

3

K/m 14.5 18 16 19 17 11.5 - 14.5 6-8 d

K) Contenido de Humedad ( ω) El contenido de humedad de un suelo, es el peso del agua que contiene expresado como porcentaje del peso seco de la muestra, puede definirse como la relación del peso de agua presente al total del peso de la muestra secada al horno. En mecánica de suelos el contenido de humedad ω está referido al peso del material seco y se expresa en porcentaje.

% WW ∗100     ∗100 %   

L) Humedad Relativa: (Grado De Saturación) Proporción de los vacíos llenos de agua al total de vacíos que tiene la masa del suelo

.% VV ∗100

Los suelos se clasifican según su humedad relativa (H.R.): TIPO H.R. SITUACION SUELO SECO 0 SECO LIGERAMENTE HUMEDOS 0-0.25 (0% -25%) HUMEDO 0.25-0.50 (25% -50%) PARCIALMENTE SATURADO MUY HUMEDO 0.50-0.75 (50% -75%) MOJADO 0.75-1.00 (75% -100%) SATURADO 1.00 (100%) SATURADO

M) Porosidad: 

Es la relación que muestra entre los espacios vacíos y el volumen total de la masa del suelo.



Los huecos que dejan entre sí las partículas sólidas del suelo pueden ser:


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MECÁNICA DE SUELOS

Poros. Huecos que dejan las partículas y los agregados. Tienen contornos irregulares y están conectados entre ellos, lo que favorece la circulación de agua y aire. En el suelo hay varios tamaños de poros y cada uno ejerce una función diferente: Los poros grandes y medianos. permiten que el suelo se ventile y que se filtre el agua. Mi croporos. Son los poros de menor tamaño, capaces de retener agua. Macroporos. Son los poros de mayor tamaño, por los que el agua circula pero no es retenida, conducen el agua a niveles más profundos del suelo. Normalmente los macroporos están ocupados por aire, excepto cuando el agua está circulando por ellos. Canales. Huecos comunicantes que se forman por la actividad de la fauna del suelo. Fisuras o grietas. Huecos intercomunicados que se forman como consecuencia de la retracción del suelo.  Denominado como a la relación que hay entre el volumen de vacíos que tiene una masa de suelo y el volumen total que tiene una masa de suelos.  Se expresa en tanto por ciento (%), y está condicionada por la textura y la estructura del suelo.  Los suelos de textura fina tienen mayor porosidad que los de textura gruesa.  Los suelos arcillosos tienen gran número de poros pequeños (microporos), mientras que los arenosos tienen un número escaso de poros grandes (macroporos) comunicados entre sí.



La porosidad ( ) lo hace con un valor que varía en el tiempo (por cargas, desecamiento, o humectación)

%  ∗

Vv= Volumen total de vacíos de masa de suelo Vm = Volumen total de la masa de suelo Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ

25

MECÁNICA DE SUELOS

N) Proporción de Vacíos: o relación de vacíos (e) Es la relación que hay entre el volumen total de vacíos y el volumen de la parte solida de una masa de suelo. Proporción de vacíos (e) vincula el volumen de vacíos con una magnitud constante, para un determinado tipo de suelo, en el tiempo

 

  +

Vv= Volumen total de vacíos de masa de suelo Vs = Volumen de solidos En la práctica, 0.25 ≤ e ≤ 15 O) Relaciones de vacíos (e) y porosidad (n) ( Considerando Vs=1)

 S . γO   .S . γO  e 1  1  1ee

P) Expresiones referentes a suelos saturados. ( Considerando Vs=1)

 VvVs Vv  γ . e ω.    ee1S Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ

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MECÁNICA DE SUELOS

 e γ  S1ω% γ γ  s1e 1Sω%

  ω1 ω 1

Expresión del peso específico relativo de masa en función del contenido de humedad

  [S 1   ] γ

Expresión del peso específico relativo de masa en función de la porosidad

Q) Expresiones referentes a suelos parcialmente saturados. ( Considerando Vs=1)

 γ.S [1] 1ω]} γ  {[S 1   .S  % .S

R) Expresiones referentes a suelos totalmente secos. ( Considerando Vs=1)

Sabemos que el peso específico de la masa es igual al peso específico seco.

  Ws

  1 

 d

 d

d  d







1 w

G s

  w

1 e

Gs  w







(1



n)

  w w  G s

G s 1

S


27

MECÁNICA DE SUELOS

e  S   w



 d

1  e   w

 d   sat 

 d  d

 sat







e   w

1 e



sat

n  w





 w

G s







Gs

1

S) Relaciones para determinar el peso unitario húmedo  

1     G

S

 

W

1 e



 GS   W

1  n1  w



 GS   W

1  n  n  S  



W

1  w  G

S



G

S



S e

 W

w  G S

1

 



S

  

W

1 e

T) Relaciones para determinar el peso unitario saturado (

  WsWw   sat



G

s



e

):

sat

  

w

1 e

(1  n)  G



 n   w

 sat



 sat

 1 w     G   w G   1  

s

sat

s

sat

w

s

 e  1  w        w 1 e     sat

 sat

w

sat

 sat

 e   d     w  1 e 

 sat

  d  n   w

 sat

 1   1    d   w G  s 


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MECÁNICA DE SUELOS

 sat  sat



 d





1  w  sat

 1  w sat     w w sat  

n

U) Densidad relativa de suelos o compacidad relativa El estado de densidad de los suelos arenosos, puede ser expresado numéricamente por la fórmula empírica de TERZAGHI, determinable en laboratorio.

%  ee−ee 100

Donde: emax. = Relación de vacíos del suelo en su estado más suelto. emin. = Relación de vacíos del suelo en el estado más compacto. e = Relación de vacíos del suelo en el estado natural. Por otra parte, tenemos según el “Bureau of Reclamation” la fórmula empírica siguiente:

 γmin 100 %  γγmaxγ γmaxγmin

Donde: γd máx. = Peso Específico seco, en su estado más compacto. γd min. = Peso Específico seco del suelo en su estado más suelto. γ d = Peso Específico seco “in situ”. V) Otras expresiones

 Da 1 Da   1e   1 γ  ω.eDr 

  +

Donde ω está dado en forma decimal.


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MECÁNICA DE SUELOS

Ejercicios 1. En un depósito de 556cm 3 se tiene una muestra de arcilla con un peso de 1600g, pero al secar al horno su peso disminuye un 22%. Si se sabe que el volumen del líquido fue de

cm

92

y su peso específico de los sólidos es igual a 3.1g/cm 3.

a) Calcular el peso específico de la parte liquida, el peso específico de la masa.

b) Calcular el contenido de humedad. c) Calcular la proporción de vacíos y la porosidad.

DATOS     

   

= = = = =

556cm3 1600g 92cm3 3.1 g/cm3 0g

Solución: Calculo del peso de los solidos

  22%    78%78    100 ×1600         16001248    ⁄⁄γ γ     3.11248⁄     . 

Calculo del peso de los líquidos

Calculo del volumen de los solidos

⁄ γγ WmVm     γ  2.88 g⁄cm ⁄ γγ WwVw     Solución al ítem a

Peso específico de la masa


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MECÁNICA DE SUELOS

γ  3.83 g⁄cm mVa  VmVsVw VsVwVa  VaVa  61. 556402. 5 892cm 42 cm ⁄  ω%  WwWs ×100 ω%  352g×100 1248 g % % ⁄1242  ×100 %    %  556  % % %  ⁄×100   4 2 ×100 %  92 61.  402. 5 8  1242  %  402.58  % .%

Peso específico de la parte liquida

Solución al ítem b

Calculo del contenido de humedad

Solución al ítem c

Calculo de la porosidad

Calculo de la proporción de vacíos

2. Una probeta con una muestra de arcilla completamente saturada pesa 68.959g. Después del secado el peso es 62.011g, si la probeta pesa 35.046g. y tiene un peso específico relativo de solidos es 2.80. Determinar el contenido de humedad, la relación de vacíos y la porosidad de la muestra original.

DATOS

   Wprob

= = = =

68.959g 62.011g 35.046g 2.80

Solución: Calculo del peso de la masa



= 68.959 – 35.046 = 33.913 g.


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MECÁNICA DE SUELOS

Calculo del peso de los solidos Ws = 62.011g

–

35.046g = 26.965 g.

Calculo del peso de la parte liquida Wm=Ws+Ww+Wa



= 33.913g - 26.965g = 6.948g.


%   ∗100  .. ∗100 % ω.  25.8%∗2.80 =

= 25.8 %

Calculo de la relación de vacíos

e=0.72 →72%

Calculo de la porosidad

 1ee  +.. 0.41

→41%

3. Los alumnos del curso de mecánica de suelos obtienen una muestra que pesa 3250g, luego se lo coloca al horno y su peso es de 2862g. Si el peso específico de la parte del solido es de 1.96 g/cm 3 así como el volumen de la muestra es de 1735cm 3. Determinar el peso específico de la masa del suelo, humedad, proporción de vacíos y porosidad.

DATOS

   = = =

3250g 2862g 1.96 g/cm3 1735cm3

Solución: Calculo del Volumen de solidos

 γ=  1.96/  2862 


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MECÁNICA DE SUELOS

Vs=1460.20cm 3 Calculo del peso específico de la masa

γ=  3250 γ= 1735 γ=1.87/

Calculo del volumen de vacíos Vm=Vs+Vw+Va 1735cm3=1460.20cm3+Vv Vv=274.8cm3

Wm=Ws+Ww+Wa 3250g=2862g+Ww+0 Ww=388g


388 ∗100 %  2862 % 13.56%

Calculo de proporción de vacíos

⁄  ×100 %    ×100 %  274.1460.8cm3203 % .%  1ee  10.0.18821882 .%


Calculo de porosidad


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MECÁNICA DE SUELOS

4. Se tiene una muestra de terreno con un volumen total de 35.07cm 3; con una porosidad de 0.42. Se desea calcular la Humedad Relativa y la proporción de vacíos de dicha muestra. Datos:

 35.07  0. 4 2 Solución:

Calculo del Volumen de vacios

   0.42 .  14.73  Calculo del volumen de solidos Vm=Vs+Vw+Va Vm=Vs+Vv

35.07cm3=Vs+14.73cm 3

Vs=20.34cm 3 Calculo de la proporción de vacíos

%  ⁄ ×100   14. 7 3 %  20.34 ×100  % %


Calculo de humedad relativa

.% VV ∗100 Vv=Va+Vw Vv= Vw

 14. 7 3 .%  14.73 ∗100100 5. Un recipiente tiene 2.4m 3 de capacidad y contiene una muestra de suelo seco que pesa 3400 kg, que cantidad de agua en litros debe añadirse para que el suelo este saturado. Considerar el peso específico de los sólidos igual a 2.7Tn/m 3.

6. Una muestra inalterada de arcilla tiene una humedad del 8%, una densidad absoluta de 2.66g/cm3, un peso de solidos igual a100g y un peso específico de la masa 1.9g/cm 3 Determinar relación de vacíos y porosidad.

7. Se determina de un suelo los siguientes valores; peso específico húmedo de 1.9g/cm 3, un contenido de humedad del 13%, una densidad relativa de 2.7. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ

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MECÁNICA DE SUELOS

Se desea calcular, peso volumétrico seco, porosidad, relación de vacíos, y grado de saturación.

8. Una muestra de arcilla saturada pesa 1526g, un volumen de 863cm 3. Después de colocada y secada en el horno su peso pasa a ser de 1053g. Si el peso específico de los sólidos es de 2.7g/cm3.Calcule la proporción de vacíos, porosidad, contenido de humedad, peso específico de la masa, y la densidad aparente.

9. Se desea compactar un suelo que tiene un porcentaje de humedad del 9%, un volumen de 310m3, en estado suelto. Que cantidad de agua se debe agregar para llevarlo a su optimo contenido de humedad del 20%, si el peso específico del material es de 1.35kg/m 3


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MECÁNICA DE SUELOS

LÍMITES DE CONSISTENCIA LÍMITES DE CONSISTENCIA Atterberg (1911) realizó una serie de experimentos con suelos finos haciendo variar su contenido de humedad, con el objetivo de encontrar la relación que existe entre el contenido de humedad y la consistencia del suelo. Este investigador observó que para ciertos contenidos de humedad el suelo presentaba uno de los cuatro estados distintos de consistencia, que son: sólido, semisólido, plástico y líquido. Estado líquido: Fácilmente deformable. Tiene una consistencia similar a mantequilla suave.

Limite líquido ) %( d a

Estado plástico: Se deforma sin romperse. Tiene una consistencia de mantequilla suave a masilla en endurecimiento. d e m u h e

Limite plástico d o di n et

Estado semisólido: Al deformarse no recupera su forma inicial. Su consitencia es quebradiza similar a un quezo. n o c l e d

Limite de contracción ot n e m er c nI

Estado sólido: Se rompe antes de deformarse. Su consistencia es similar a un dulce duro.

Posteriormente Terzaghi y Casagrande idearon métodos para determinar estos contenidos de humedad específicos para los distintos estados de consistencia, descritos en la norma ASTM D427 y D4318, en la actualidad a estos contenidos de humedad especiales se los conoce como límites de Atterberg o de consistencia. Puede hablarse de los límites de Atterberg en suelos que tienen un tamaño de partículas que pasan por el tamiz N°40. Para un bajo contenido de humedad el suelo tendrá una consistencia sólida a semisólida, a medida que se va incrementando el contenido de humedad el suelo progresivamente tomará una consistencia plástica y finalmente para un contenido de humedad muy alto el suelo tendrá una consistencia líquida. Los límites de Atterberg son contenidos de humedad específicos en los cuales el suelo se encuentra en etapa de transición, de un estado de una consistencia a otro.


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MECÁNICA DE SUELOS

FORMA DE DETERMINAR LÍMITES DE CONSISTENCIA 1. LÍMITE LÍQUIDO: Es el contenido de humedad en el cual el suelo fluirá suficientemente como para cerrar una ranura de ancho determinado hecha en la muestra del suelo cuando un recipiente especificado es golpeado en número fijado de veces.

   ℎ ∗100  í    

El resultado del porcentaje de humedad, se dará con aproximación a un número entero. Siguiente rango: 25 a 35 golpes; 20-30 golpes; 15-25 golpes.

Determinación del límite líquido ( LL ). El límite líquido es un contenido de humedad específico que divide la consistencia plástica de la líquida del suelo. Casagrande (1932) desarrolló un método en laboratorio para determinar el límite líquido del suelo, con un aparato similar al que se muestra en la Figura, conocido como la cuchara de Casagrande.

(a)

(b)

(c)

Figura. Cuchara de Casagrande para determinar el límite líquido del suelo. (a) Vista lateral. (b) Vista frontal. (c) Espátula.

11 mm

8 mm

2 mm

(a)

(b)

(c)

Figura. División de la pasta de suelo. (a) Raspado del suelo. (b) Vista superior. (c) Vista frontal. Con la cuchara de Casagrande puede determinarse el límite líquido del suelo para un tamaño de partículas que pasan por el tamiz N°40. En primer lugar la muestra de suelo debe ser humedecida hasta que se alcance una consistencia líquida, después, está es esparcida uniformemente como una pasta en la cuchara del aparato, entonces se raspa la parte central de la pasta con la espátula que se muestra en la Figura (a), de tal forma que esta queda dividida en dos partes La abertura que se hace en la pasta debe ser recta y uniforme, de tal manera que cumpla con ciertas dimensiones establecidas que se muestran en la Figura c. Luego se mueve la manivela que acciona un mecanismo que da golpes a la cuchara, estos ocasionan que la Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ

37

MECÁNICA DE SUELOS

abertura se cierre progresivamente. Se dan golpes hasta que la abertura se cierre en ½ pulgada (12.7 mm) del largo total de ésta.

m m 7 . 2 1

(b)

(a)

Figura. Cierre de la pasta de suelo. (a) Vista superior. (b) Vista frontal. Casagrande, tras realizar varios ensayos con diversos suelos, determinó empíricamente que para un contenido de humedad correspondiente al del límite líquido solo hacen falta 25 golpes para cerrar la abertura en la distancia especificada. Debido a que no es posible humedecer el suelo hasta alcanzar exactamente el límite líquido, se realizan varios ensayos con el mismo suelo y se registran ordenadamente los resultados en una Tabla. 60 ) % ( d a d 50 e m u h e d o d 40 i n e t n o C

Límite líquido

30 10

20

25

30

40

50

60

70

Número de golpes

Figura. Determinación del límite líquido del suelo. El U.S. Corps of Engineers y el Waterways Experiment Station, elaboraron una ecuación empírica para determinar el límite líquido del suelo en función al número de golpes y el contenido de humedad del suelo, que será:

LL  .

Donde: LL = Límite líquido. W n = Contenido de humedad natural. N = Número de golpes. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ

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MECÁNICA DE SUELOS

Con la ecuación se obtienen buenas aproximaciones del límite líquido realizando un solo ensayo, la norma ASTM D4318 recomienda que esta ecuación deba usarse para un número de golpes comprendidos entre 20 y 30.

LL  Valores para la relación ( N /25)0.121 (ASTM D4318). N

 N     25 

20

0.121

0.121

N

 N     25 

0.973

26

1.005

21

0.979

27

1.009

22

0.985

28

1.014

23

0.990

29

1.018

24

0.995

30

1.022

25

1.000

¿Por qué 25 golpes para el Límite Líquido? Como es sabido, la resistencia a esfuerzo cortante, o cohesión, no es un valor intrínseco del suelo, depende de las tensiones soportadas en el pasado y de la humedad. Al aumentar la humedad disminuye la cohesión, es intuitivo, si se sigue añadiendo agua al final el conjunto deja de ser plástico y pasa a ser líquido. Pues bien, justo en ese punto, cuando la humedad coincide con el Límite Líquido, "casi todos" los suelos presentan la misma cohesión o resistencia a corte: 2,50 KN/m². Por esa razón da 25 golpes en la Copa de Casagrande, porque está diseñada para crear un esfuerzo de 0,1 KN/m² en cada golpe, es decir, que si el suelo rompe a 25 golpes es que está en su Límite Líquido. LO MALO DEL MÉTODO: No todos los suelos son iguales ni la resistencia a corte es exactamente de 2,50 KN/m², digamos que oscila entre 1,10 y 3,20 KN/m². Se puede decir que “casi todos” los suelos presentan la misma cohesión o resistencia a corte: 2,50 kN/m². Por esa razón da 25 golpes la cuchara (también llamada cazo o copa) de Casagrande, porque está diseñada para crear un esfuerzo de 0,1 kN/m² en cada golpe, es decir, que si el suelo rompe a 25 golpes es que está en su Límite Arthur Casagrande, el mismo que propuso el "invento" en 1932, planteó en 1958, tras 25 años de pruebas, cambiarlo por algún otro ensayo que presentara menos errores, desafortunadamente, por ahora no existe ningún ensayo que remplace al actual". LO BUENO DEL MÉTODO: que confirma algo muy interesante; Si la cohesión de un suelo natural depende de su humedad y del historial de tensiones, como al molerlo y amasarlo para hacer el ensayo se rompe toda su estructura anterior, la cohesión ya sólo tendría que depender de la humedad. Y eso es justamente lo que ocurre, si representamos la cohesión remoldeada frente al índice de fluidez (ese que nos indica en qué posición real nos encontramos respecto de los límites), se observa esa dependencia (que todavía se ajusta mucho mejor si se usa el método del cono, con menor dispersión). La resistencia al corte de una arcilla amasada depende sólo de su índice de fluidez


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MECÁNICA DE SUELOS

       

CARACTERÍSTICAS DEL LÍMITE LÍQUIDO Elevado LL – Alto contenido de arcilla; Bajo LL – Alto contenido de arena. Elevado LL – Baja capacidad portante; Bajo LL – Elevada capacidad portante. Suelo típico rico en arcilla --> LL = 40-60%; no obstante puede ser > 100% (más de la mitad de la masa es agua). LL y ϕ (tan ϕ) están inversamente relacionadas. ϕ= 30° →> LL = 40%. ϕ = 6° →> LL = 80%. Arcillas duras son aquellas con bajo LL (y elevado IP). Arcillas blandas son aquellas con elevado LL (y bajo IP). La relación entre el Límite Líquido y el Índice de Plasticidad ofrece importante información sobre la composición granulométrica, comportamiento, naturaleza y calidad de la arcilla.

ECUACIÓN DE LA CURVA DE FLUIDEZ.

 .  w = Contenido de agua, porcentaje del peso seco. IL = Índice de Fluidez, pendiente de la curva de fluidez, igual a la variación del contenido de agua, correspondiente a un ciclo de la escala logarítmica. N = Número de golpes. C = Constante que representa la ordenada en la abscisa de 1 golpe; se calcula prolongando el trazado de la curva de fluidez.


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MECÁNICA DE SUELOS

INDICE DE FLUIDEZ El índice de fluidez también conocido como índice líquido, define la consistencia de un suelo.

ω%LP I  IP CONSISTENCIA DEL SUELO COHESIVO

IL

DURA

< 0.2

MUY FIRME FIRME MEDIANA BLANDA

0.2 a 0.35 0.35 a 0.50 0.50 a 0.65 0.65 a 0.80

MUY BLANDA

0.8 a 1

FLUIDA

>1

ÍNDICE DE TENACIDAD

COMPORTAMIENTO DEL SUELO Se puede penetrar solo con instrumentos filosos; el suelo forma terrones que ofrecen gran dificultad a ser pulverizados. Se penetra con gran esfuerzo Se penetra a manos con dificultad Difícilmente moldeable Se moldea fácilmente a mano Se escurre entre los dedos cuando se la presiona Suelo saturado. Se comporta como liquido viscoso.

T   log 

S1 = 25 g. /cm 3; resistencia al esfuerzo cortante de los suelos plásticos, en el Límite Líquido. S2 = Resistencia al esfuerzo cortante correspondiente al límite plástico, cuyo valor puede usarse para medir la tenacidad de una arcilla. El índice de tenacidad varía entre el rango siguiente: 1 < TW < 3 Es rara la vez que alcanza valores de 5 ó menores que 1.

2. LÍMITE PLÁSTICO: La plasticidad es una propiedad característica de los suelos finos, donde el contenido de humedad del suelo está comprendido entre el límite líquido y plástico. En este estado el suelo permite ser moldeado de manera similar a la masa o la plastilina, debido a que el contenido de humedad del suelo contiene la cantidad ideal de moléculas de agua para que la fuerza de atracción entre las partículas compuestas de minerales de arcilla sea la mayor. Determinación del límite plástico ( LP ). Puede determinarse el límite plástico para un suelo con un tamaño de partículas que pasan el tamiz N°40, para lo cual debe humedecerse el suelo lo suficiente como para poder amasarlo, entonces sobre un papel seco en una superficie plana o encima de un vidrio deben formarse rollitos de unos 3.2mm de diámetro. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ

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MECÁNICA DE SUELOS

Posteriormente los rollitos deben ser juntados en uno para ser amasados y nuevamente formar rollitos, a medida que se formen los rollitos el suelo progresivamente perderá humedad, entonces llegará un momento cuando al formar el rollito el suelo empiece a disgregarse en su superficie y luego a fragmentarse. En este estado cuando el suelo empieza a perder su consistencia plástica, se procede inmediatamente a determinar su contenido de humedad que este a la vez será el límite plástico del suelo, que es un contenido de humedad específico que divide la consistencia semisólida de la plástica del suelo.

(b)

(a)

Determinación del límite plástico. (a) Realizando el rollito. (b) Rollitos de suelo empezando a fragmentarse. El resultado del porcentaje de humedad, se dará con aproximación a un número entero.

  ℎ ∗100 í    

Nota Entonces podemos decir: Si se fisura antes de llegar de llegar a los 3.2mm (1/8”) el suelo está seco. Si al llegar a los 3.2mm y no se fisura el suelo está muy húmedo.

3. LÍMITES DE CONTRACCIÓN: Un suelo fino que contenga en su mayor parte partículas compuestas de minerales de arcilla variará de volumen de acuerdo a su contenido de humedad, por lo tanto a medida que aumente el contenido de humedad también proporcionalmente aumentará su volumen. w lo e u s l e d n e m lu o V

Consistencia sólida

Consistencia semisólida

LC

Consistencia plástica

LP

Consistencia líquida

LL

w0

Contenido de humedad (%)

Figura. Variación del volumen respecto al contenido de humedad. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ

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MECÁNICA DE SUELOS

Los cambios de volumen con respecto al contenido de humedad obedecerán la trayectoria que se muestra en la Figura, al cambio de volumen por pérdida de humedad se lo llama contracción del suelo.

Determinación del límite de contracción ( LC ). El límite de contracción es un contenido de humedad específico que divide la consistencia sólida de la semisólida del suelo y establece el contenido de humedad máximo que el suelo tolera antes de sufrir cambios en su volumen, este límite será:

ωO ∆

Dónde: LC = Límite de contracción del suelo. = Contenido de humedad del suelo en consistencia líquida. = Cambio del contenido de humedad durante la contracción.

ω∆O

Puede determinarse el límite de contracción para suelos que tienen un tamaño de partículas que pasan el tamiz N°40, para lo cual la muestra de suelo debe ser humedecida lo suficiente hasta que alcance una consistencia líquida, entonces se procede a determinar el contenido de humedad de una parte de la muestra suelo para ese estado que será: W O.  La otra parte de la muestra es vaciada en un cilindro cerámico de tal forma que quede completamente lleno del suelo, este cilindro previamente es cubierto con un gel de petróleo (vaselina) para evitar que él suelo se adhiera a él, como se muestra en la Figura 

Volumen del suelo = V i Peso del suelo = M i

Volumen del suelo = V F Peso del suelo = M F

(b)

(a)

Figura. Determinación del límite de contracción. (a) Muestra de suelo en consistencia líquida. (b) Muestra de suelo sin contenido de humedad.

Se deja secar al aire la muestra en el cilindro cerámico por 6 horas, luego debe completar se el secado del suelo en horno, se determina la masa de suelo para esta condición que será: MF.  Para determinar el cambio del contenido de humedad primero deben determinarse el volumen inicial del suelo antes de perder humedad y después que ha perdido toda su humedad. El volumen inicial del suelo se determinará vaciando mercurio al cilindro cerámico vacío hasta que esté completamente lleno, conociendo la gravedad específica del mercurio y el peso que ocupa este en el cilindro, se determina el volumen que ocupa este que será: Vi.  Para determinar el volumen final se introduce la muestra seca de suelo en el cilindro lleno de mercurio, la masa del mercurio que es desplazado por el suelo será: Md. Entonces el volumen final del suelo (V F) será: 

   

Donde a densidad del mercurio, con valor de 13.55 g/cm 3  El cambio de contenido de humedad que experimenta el suelo durante la etapa de contracción, entre el contenido inicial y el contenido en el límite de contracción será: Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ

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MECÁNICA DE SUELOS

∆   Índice de contracción ( I C ). El índice de contracción es un parámetro utilizado como indicador del cambio de volumen respecto al cambio del contenido de humedad, determinado en base al ensayo del límite de contracción, este índice será:

 

Donde:

IC = Índice de contracción del suelo. M s = Peso del suelo seco. V F = Volumen final del suelo luego de ser secado.

Índice de consistencia ( CI ). Con el índice de consistencia puede evaluarse la consistencia actual que presenta el suelo en base al límite líquido, índice de plasticidad y el contenido de humedad actual que presente el suelo, que es:

  

Donde:

CI = Índice de consistencia del suelo. w = Contenido de humedad actual del suelo. LL = Límite líquido. IP = Índice de plasticidad. Mineral Montmorilonita Nontronita Illita Caolinita Halosita hidratada Halosita no hidratada Atapulgita Clorita Alofano

Límite líquido 100 - 900 37 - 72 60 - 120 30 - 110 50 - 70 35 - 55 160 - 230 44 - 47 200 - 250

Límite plástico 50 - 100 19 - 27 35 - 60 25 - 40 47 - 60 30 -45 100 - 120 36 - 40 130 - 140

Límite de contracción 8.5 - 15

15 - 17 25 - 29

Tabla Valores de los límites de Atterberg para los minerales de arcilla (Mitchell, 1976). Método De Public Roads Administration

V1 = Volumen de la muestra húmeda. V2 = Volumen de la muestra seca. W1 = Peso de la muestra húmeda. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ

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MECÁNICA DE SUELOS

WS = Peso de la muestra seca.

4. ÍNDICE DE PLASTICIDAD Según Atterberg, el Índice de Plasticidad , corresponde a un rango de contenido de humedad en el cual el suelo es plástico y fue el primero en sugerir que éste podía ser útil en la clasificación de suelos. El índice de plasticidad de un suelo es la diferencia numérica entre los valores del límite líquido y el límite plástico de un mismo suelo. Es decir:

IPLLLP

IP: Índice plástico del material (%), con aproximación a la unidad LL: Límite liquido del material obtenido (%) LP: Límite plástico del material obtenido (%) Nota Cuando el material sea muy arenoso y no pueda determinarse el límite plástico, se reportan el límite plástico y el índice plástico como NP ( NO PLÁSTICO) Acorde al valor del índice de plasticidad, distinguió los siguientes materiales:  Suelos friables o desmenuzables (IP<1)  Suelos débilmente plásticos (115) Un índice de plasticidad bajo, ejemplo el 5%, significa que un incremento pequeño en el contenido de humedad del suelo, lo transforma de semisólido a la condición de líquido, es decir resulta muy sensible a los cambios de humedad. Por lo contrario un IP=20%, indica que para que un suelo pase del estado semisólido a líquido, se le debe agregar gran cantidad de agua, en suelos no plásticos no es posible determinar el IP.


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MECÁNICA DE SUELOS

Ejercicios PROBLE MA N º 1.- Una muestra de suelo tiene las siguientes características: LIMITE LIQUIDO: NTP 339.129 ASTM D-4318 Muestra

1

2

3

35

23

15

11

18.05

11

38.2

45

28.3

35

40

24

Número de golpes Peso de Cápsula (g) Peso de Cápsula + suelo húmedo (g) Peso de Cápsula + suelo seco (g) Peso de Suelo seco (g) Peso del Agua (g) Humedad (%)

13.33 22.78 33.08

Límite Líquido (%)

21%

LIMITE PLÁSTICO : NTP 339.129 ASTM D - 4318 Muestra 1 2 Peso de Cápsula (g) Peso de Cápsula + suelo húmedo (g) Peso de Cápsula + suelo seco (g)

3

18.50

18.00

18.50

21.70

21.90

21.70

21.50

21.60

21.50

6.7

8.33

6.7

Peso de Suelo seco (g) Peso del Agua (g) Humedad (%)

Límite plástico (%)

7

Calcule: LL; LP; IP, Il y Tw

PROBLE MA N º 2.- En una prueba de L. L. se obtuvieron los siguientes resultados

Nº de golpes ω (%)

28

22

15

17

51.6

52.2

53.8

51.2

Se encontró, LP. = 25% Calcule: LL; IP, Il y TW

PROBLE MA N º 3.- En una prueba de L. L. se obtuvieron los siguientes resultados

Nº de golpes

9

15

22

30

ω (%)

85

80

76

74

Se encontró, LP. = 32% Calcule: LL, IP, Il y TW Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ

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MECÁNICA DE SUELOS

PROBLE MA N º 4.- Una muestra de suelo tiene las siguientes características: Descripción Nº de golpes Peso tara Peso tara + suelo húmedo Peso tara + suelo seco Humedad %

g g g

DATOS DEL ENSAYO LIMITE LIQUIDO LIMITE PLASTICO NTP 339.129 ASTM D-4318 NTP 339.129 ASTM D - 4318 13 25 45 14.75 22.34 16.52 22.37 14.71 16.44 19.31

26.89

23.24

23.84

15.53

18.32

18.03

25.74

21.62

23.57

15.42

18.00

Límites

Calcule: LL; LP; IP, Il y Tw PROBLE MA N º 5.- El Límite de contracción de un suelo es de 18.4 %. Si 1pie cúbico de

muestra saturada, con un contenido de humedad de 27.4% se contrae por secado, cuál será el volumen a una humedad de 13.8 %. Desprecie la contracción residual y asuma que el peso específico relativo de solidos es 2.72. Solución Datos: Lc= 18.4% W=27.4% V=? γs= 2.72


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MECÁNICA DE SUELOS

PROBLE MA N º 6.- Se constata que un cierto suelo saturado disminuye su humedad hasta

llegar al Límite de Contracción. La muestra saturada pesa 90 gr. y su W% = 41%. Después de la desecación total llega a tener un volumen de 31 cm3. Calcular el Límite de Contracción para cuando SS = 2.70.


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MECÁNICA DE SUELOS

CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS UNIFIED SOIL CLASSIFICATION SYSTEM (USCS) SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN DE SUELO (SUCS) El sistema de clasificación unificado USCS (Unified Soil Classification System), designación ASTM D-2487, originalmente fue desarrollado por A. Casagrande (1948) para la construcción de aeródromos durante la segunda guerra mundial. Este sistema de clasificación fue posteriormente modificado en 1952 por el mismo autor y el cuerpo de ingenieros de la armada de los Estados Unidos quienes hicieron que este sistema sea más aplicable a los propósitos ingenieríles, es decir que ya no era solo aplicable al campo de la aviación. Este sistema de clasificación actualmente goza de amplia aceptación y es el preferido por la mayor parte de los ingenieros en todo el mundo. El sistema de clasificación USCS está basado en la determinación en laboratorio de la distribución del tamaño de partículas, el límite líquido y el índice de plasticidad. Este sistema de clasificación también se basa en la gráfica de plasticidad, que fue obtenida por medio de investigaciones realizadas en laboratorio por A. Casagrande (1932). El significado y uso de esta gráfica de plasticidad es explicada en forma más detallada en el capítulo uno. Este sistema de clasificación presenta las siguientes características: Suelos divididos en: 1. Suelos de grano grueso 2. Suelos de grano fino 3. Suelos altamente orgánicos

Delimitados por: 

Ensayo del análisis granulometría



Límites de Atterberg

Recomendación:

Debe ejecutarse en muestra representativas. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ

49

MECÁNICA DE SUELOS

Clasifi cación simbología Suelos Gruesos Son de naturaleza tipo grava y arena con menos del 50% pasando por el tamiz Nº 200. Los símbolos de grupo comienzan con un prefijo G para la grava o suelo gravoso del inglés “Gravel” y S para la arena o suelo arenoso del inglés “Sand”. Suelos Finos Son aquellos que tienen 50% o más pasando por el tamiz Nº 200. Los símbolos de grupo comienzan con un prefijo M para limo inorgánico del sueco “mo y mjala”, C para arcilla inorgánica del inglés “Clay”. Suelos orgánicos. Son limos y arcillas que contienen materia orgánica importante, a estos se los denomina con el prefijo O del inglés “Organic”. Turbas. El símbolo Pt se usa para turbas del inglés “peat”, lodos y otros suelos altamente orgánicos.

SÍMBOLO

DESCRIPCIÓN

G

Grava (Gravel)

S

Arena (Sand)

M

Limo (mo y mjala)

C

Arcilla (Clay)

O

Limos orgánicos y arcilla

Pt

Turba y suelos altamente orgánicos

H

L

W P

LEYENDA

Alta plasticidad (High plasticity) (Limite liquido mayor que 50) Baja plasticidad (Low plasticity) (Limite liquido menor que 50) Bien graduados (Well graded) Mal graduados (Poorly graded)

Con los prefijos y sufijos anteriormente mencionados se pueden hacer combinaciones que ayudan a describir de mejor manera el suelo en cuestión, por ejemplo a una arena S, si tuviera la característica de estar bien gradada será SW, de la misma manera un limo M, con una alta plasticidad se simbolizara MH.


50

MECÁNICA DE SUELOS

SÍMBOLO

DIVISIONES MAYORES SUCS

GRAFICO

DESCRIPCIÓN Gravas bien mezclas arena, con

GW

poco o nada de material fino, variación en tamaños granulares

Grava mal graduadas, mezcla de

GP

arena – grava con poco o nada de material fino.

Grava arcillosas, mezclas de

GC

grava-arena arcilla gravas con material fino cantidad apreciable de material fino.

se

Arena bien graduados, arenas con l

grava, poco o nada de material

ra u na r g

SW s ol

fino. Arenas limpios poco o nada,

e

amplia variación en tamaño

S

granulares

u

de

partículas

en

tamaño intermedios. Arena mal graduados con grava poco o nada de material fino, un Arena y suelos

SP

tamaño predominante o una serie de tamaños con ausencia de

arenosos

partículas internas.

SM

SC

Materiales finos sin plasticidad o con plasticidad muy baja.

Arenas arcillosas, mezclas de arena-arcillosa. Limos orgánicos y arenas muy

s o ni

Limos y arcillas ol

(LL<50)

s

f e u

ML

S


finos, polvo de roca, arenas finos limosos o arcillosas o limos arcillosos con ligera plasticidad.

51

MECÁNICA DE SUELOS

Arcillas inorgánicas de

CL

plasticidad baja o mediana, arcillas, gravas, arcilla limosa, arcilla magro.

OL

Limo orgánico y arcillas limosas, arcillas magros.

Limos orgánicos y arcillas

MH

limosas orgánicas, baja plasticidad.

Limos y arcillas (LL>50)

CH

Arcillas inorgánicas de elevada plasticidad, arcillas grasosas. Arcillas orgánicas de mediana o

OH

elevada plasticidad, limos orgánicos.

Suelos altamente orgánicos

Pt


Turba, suelos considerablemente orgánicos.

52

MECÁNICA DE SUELOS

la ni p f a ne

sa IM

ít

N

L L

A A

A L

ca la

R

N

V

R

o M

n

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CL

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F

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n A

5 et

p

S

IM

m

la

L

A o U

OL p

CÍ T

as

C

.

A

Limos inorgánicos, polvo de roca, limos arenosos o arcillosos ligeramente plásticos.

requieren el uso de símbolos dobles.

Cu = D60 / D10 mayor de 6 ; Cc = (D30)2 / (D10) (D60) entre 1 y 3. S

N

G ,

E S A

S

M U

E

L

O Y

G

C

R

, S , S M O L

G 0 2

% 2 el

:

R ) G

No satisfacen todos los requisitos de graduación para SW

0 E

1

D .º

d

S EJ al

N ás

N

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;

C

r

la m P

R

op W


E

la S

O P

saa L

O u S

E n NÍ

ca

,

abajo de la “línea A” S

o I.P. menor que 4. , P

Arriba de la “línea A” y con I.P. entre 4 y 7 son casos de frontera que requieren el uso de símbolos dobles.

G p , e q

W

E

ióc %

M

rf

de arena y arcilla

Límites de Atterberg G : 5

arriba de la “línea d

A” con I.P. mayor en

que 7.

le ( so

E

S E

NI

T

O D

F

M

G – Grava, S – Arena, O – Suelo Orgánico, P – Turba, M – Limo C – Arcilla, W – Bien Graduada, P – Mal Graduada, L – Baja Compresibilidad, H – Alta Compresibilidad

Arcillas inorgánicas de baja o media plasticidad, arcillas con grava, arcillas arenosas, arcillas limosas, arcillas pobres. Limos orgánicos y arcillas limosas orgánicas de baja plasticidad.

a +

R

R

casos de frontera que

t U

R

d

sa

E

n

S

t

i

0

E

5

S

C

S

O

Arenas limosas, mezclas de arena y limo.

na or

ed

E

er

R

Arenas arcillosas, mezclas ni

ic C

A la

as ba

O R

al

0

L

S

%

7.

A

S

V

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N

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L

0

0.

C

S A

p NI

e )

* SM l

CI

n



con I.P. mayor que y

1 E

C

L

A

FI G

Arenas mal graduadas, arena con gravas, con poca o nada de finos.

SP

sa

da

47

arriba de la “línea a” %2

:

C

a

A

or

o

oc A

d

2.

E ÓI

x

s


N e

im

d os

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V la

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A

A

R

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R

A

e

V

A SI

ma

con I.P. entre 4 y 7 son

N

C

a N

ar

O N

U

A

L L

L

Arenas bien graduadas, arena con gravas, con poca o nada de finos.

SW

P

ur

Arriba de la “línea A” y rf

no M

U

d

E

A

t

rae

D

½

i

S

O

Gravas arcillosas, mezclas de gravas, arena y arcilla pa

o I.P. menor que 4.

É

eu S

GC cie

q

GI

U T

le

A

abajo de la “línea A”

R

CI

A

O de

Límites de Atterberg r

qe :

M

O

u E

,

u

E E

D

Gravas limosas, mezclas de grava, arena y limo

ra N

eri

d

* GM ni

B

a

T

le

U

lal

CÍ

d N E

E

v

GP P

n

id

NO SATISFACEN TODOS LOS REQUISITOS DE GRADUACIÓN PARA GW.

N

oc

D

M

U

s

R

E

sá

L

b O EI

m

e

.a

mí

o

Gravas mal graduadas, mezclas de grava y arena con poco o nada de finos

os

al

ne

D

o

d

A

ol E e

A

m

S

L

P

adt 2

G

a

s

da n

Cc = (D30)2 / (D10 * D60)

Cu = D60 / D10 d

O

D

0

U

o

e

A

0

S

R

1 y 3. b

e



A

l

se

D

al

i

m

E

N

* C

G

d

ú

*

de 4.COEFICIENTE DE CURVATURA Cc: entre

T

A

d V

4

L

ur

EJ

p

A e

S

COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD Cu: mayor D

ra S

as

E

uc P

.o se

S

l

4

etr

GW

AI

id

CRITERIO DE CLASIFICAC IÓN EN EL LABORATORI O

Gravas bien graduadas, mezclas de grava y arena con poco o nada de finos

sa r o

roe

NOMBRES TÍPICOS

SÍMBOLO

DIVISIÓN MAYOR

CARTA DE PLASTICIDAD Para la clasificación de suelos de partículas finas en Lab. 60 BAJA

MEDIA

ALTA

50

P

la

D

ta

p

A E

rie S

m

MH

L

le U ti L

A la C

u

O d da

S m

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E S

0

e

di 5

d

ed

CH

L ro

A sá Y

tei O L

S

ay

M

mí MI

M

L

Limos inorgánicos, limos micáceos o diatomáceos, más elásticos.

Arcillas inorgánicas de alta plasticidad, arcillas francas Arcillas orgánicas de

OH

media o alta plasticidad, limos orgánicos de media plasticidad

SUELOS ALTAMENTE ORGÁNICOS


P

CH

O40 C I T S Á30 L P E C20 I D N Í 10 7 4

0

0

CL

" ) " A 2 0 A L L. E ( L I N 7. 3 0 = . I P OH ó

CL

MH

OL CL-ML ML 10 20

ó ML 30

40

50

60

70

80

LÍMITE LÍQUIDO %

Turbas y otros suelos altamente orgánicos.

53

90

1 00

MECÁNICA 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 únicamente, la sub-división está 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.


54

MECÁNICA DE SUELOS

ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DEFINICIONES SUELO BIEN GRADUADO: Relacionado a la grava/arena, es una composición granulométrica de tamaños de partículas perfectamente graduadas, es decir sin predominio ni defecto marcado de ningún tamaño particular.

-

-

SUELO MAL GRADUADO: Igualmente relacionado a grava y arenas, tiene una composición granulométrica con exceso de algunos tamaños particulares y defecto de otros. SUELO CON GRADUACION DISCONTINUA: Existe una graduación discontinua de tamaños.

La medición de los tamaños de las partículas en un suelo se hace por medio de la granulometría, usando unas serie de tamices, que son recipientes cilíndricos con fondo de malla (el tamaño de los granos en los materiales de base de roca triturada, también se miden con tamices). Las mallas tienen diferentes tamaños de aberturas, permitiendo que cualquier material más pequeño que las aberturas, pase a través de ellas. Se toma una muestra de suelo, se seca en un horno, se pesa y se echa en el tamiz más grueso, que se ha colocado sobre los demás tamices, cuya finura aumenta a medida que descienden. Los tamices arrumados se agitan juntos. Cada uno bloquea un tamaño específico (o mayor) de partícula, para que no pase al próximo tamiz, más pequeño. El material que queda en cada tamiz se pesa. Este peso se resta del peso total de la muestra. La diferencia se divide por el peso total de la muestra y se obtiene el porcentaje que pasa un tamaño dado de tamiz.


55

MECÁNICA DE SUELOS

COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD: Proporción obtenida por división del máximo tamaño de la partícula que están debajo del 60% (D60) en la curva granulométrica por el tamaño efectivo (D10) Cu

D 60 

D10

COEFICIENTE DE CURVATURA O GRADO DE CURVATURA: Obtenido por la expresión: Cc


( D30) 2 

D10 xD60

56

MECÁNICA DE SUELOS

Tamices Abertura ASTM

Peso retenido (g)

(mm) A B C D E

Plato

F

SUMA

Σ(A+B+C+…E)=G

% Retenido

%

% Que

parcial

Retenido

Pasa

 ∗100  ∗100  ∗100  ∗100  ∗100  ∗100

Acumulado H

100-H

H+I=N

100-N

N+J=O

100-O

O+K=P

100-P

P+L=Q

100-Q

Q+M=R

100-R

100

Tamaño de Malla Tamices

Abertura en

Tamices

Abertura en

(ASTM)

mm.

(ASTM)

mm.

3"

76.2

Nº 10

2.00

2 1/2"

63.5

Nº 16

1.180

2"

50.6

Nº 20

0.850

1 1/2"

38.10

Nº 30

0.600

1"

25.40

Nº 40

0.425

3/4"

19.05

Nº 50

0.300

1/2"

12.70

Nº 60

0.250

3/8"

9.525

Nº 80

0.180

1/4"

6.350

Nº 100

0.150

Nº4

4.75

Nº 200

0.075

Nº 8

2.36

Pasa N° 200


57

MECÁNICA DE SUELOS

CURVA GRANULOMETRICA N°200

ARENA FINA

N°40

ARENA MEDIANA

N°10

ARENA GRUESA

N°4

GRAVA FINA

3/4"

GRAVA GRUESA

3"

100 90 80

) % ( A S A P

70 60 50 40 30 20 10 0 0.01

0.10

1.00

10.00

100.00

ABERTURA DE TAMIZ (mm) 58


MECÁNICA DE SUELOS

SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN, SÍMBOLOS DE GRUPO PARA SUELOS GRAVA Y ARENOSOS NOMBRE DEL GRUPO SÍMBOLO DE GRUPO Grava bien graduada < 15% arena GW ≥ 15% arena Grava bien graduada con arena Grava mal graduada < 15% arena GP ≥ 15% arena Grava mal graduada con arena Grava bien graduada con limo. < 15% GW-GM arena ≥ 15% arena Grava bien graduada con limo y arena Grava bien graduada con arcilla < 15% (o arcilla limosa) GW-GC arena ≥ 15% arena Grava bien graduada con arcilla y arena (o arcilla limosa y arena) Grava mal graduada con limo. < 15% GP-GM arena ≥ 15% arena Grava mal graduada con limo y arena. Grava mal graduada con arcilla (o arcilla limosa) < 15% Arena GP-GC Grava mal graduada con arcilla y arena ≥ 15% arena (o arcilla limosa y arena) Grava limosa < 15% arena GM ≥ 15% arena Grava limosa con arena Grava arcillosa < 15% arena GC ≥ 15% arena Grava arcillosa con arena Grava limo -arcillosa < 15% GC-GM arena ≥ 15% arena Grava limo – arcillosa con arena Arena bien graduada < 15% grava SW ≥ 15% grava Arena bien graduada con grava Arena mal graduada < 15% grava SP ≥ 15% grava Arena mal graduada con grava Arena bien graduada con limo. < 15% SW-SM grava ≥ 15% grava Arena bien graduada con limo y grava Arena bien graduada con arcilla < 15% (o arcilla limosa) grava SP-SC ≥ 15% grava Arena bien graduada con arcilla y arena (o arcilla limosa y grava) Arena mal graduada con limo. < 15% grava SP-SM ≥ 15% grava Arena mal graduada con limo y grava. Arena mal graduada con arcilla < 15% (o arcilla limosa) grava SP-SC Grava mal graduada con arcilla y arena ≥ 15% grava (o arcilla limosa y arena) Arena limosa < 15% grava SM ≥ 15% grava Arena limosa con grava Arena arcillosa < 15% grava SC ≥ 15% grava Arena arcillosa con grava 59


MECÁNICA DE SUELOS

SC-SM

Arena limo -arcillosa

< 15% grava

Arena limo – arcillosa con grava SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN, SÍMBOLOS DE GRUPO PARA SUELOS TIPO GRAVA Símbolo de Criterios Grupo Menos de 5% pasa la malla N° 200 ≥ 15% grava

Cu = D60 / D10 mayor de 6;

GW

Cc = (D30)2 / (D10) (D60) entre 1 y 3.

GP GM GC GC-GM GW-GM GW-GC GP-GM GP-GC

Menos de 5% pasa la malla N°200; no cumple ambos criterios para GW Más del 12% pasa la malla N°200; debajo de la línea A, IP < 4 Más del 12% pasa la malla N°200; arriba de la línea A, IP >7 Más del 12% pasa la malla N°200; los Limites de Atterberg caen en el área sombreada marcada CL-ML % que pasa la malla N°200, está entre 5 y 12% y cumple los criterios para GW y GM % que pasa la malla N°200, está entre 5 y 12% y cumple los criterios para GW y GC % que pasa la malla N°200, está entre 5 y 12% y cumple los criterios para GP y GM % que pasa la malla N°200, está entre 5 y 12% y cumple los criterios para GP y GC

SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN, SÍMBOLOS DE GRUPO PARA SUELOS ARENOSOS Símbolo de Criterios Grupo Menos de 5% pasa la malla N° 200 SW

Cu = D60 / D10 mayor de 6; Cc = (D30)2 / (D10) (D60) entre 1 y 3.

SP SM SC SC-SM SW-SM SW-SC SP-SM SP-SC

Menos de 5% pasa la malla N°200; no cumple ambos criterios para SW Más del 12% pasa la malla N°200; debajo de la línea A, IP < 4 Más del 12% pasa la malla N°200; arriba de la línea A, IP >7 Más del 12% pasa la malla N°200; los Limites de Atterberg caen en el área sombreada marcada CL-ML % que pasa la malla N°200, está entre 5 y 12% y cumple los criterios para SW y SM % que pasa la malla N°200, está entre 5 y 12% y cumple los criterios para SW y SC % que pasa la malla N°200, está entre 5 y 12% y cumple los criterios para SP y SM % que pasa la malla N°200, está entre 5 y 12% y cumple los criterios para SP y SC


60

MECÁNICA DE SUELOS

SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN, SÍMBOLOS DE GRUPO PARA SUELOS LIMOSOS Y ARCILLOSOS Símbolo de Criterios Grupo Inorgánico; LL<50; IP>7; se grafica sobre o arriba de la Línea A CL Inorgánico; LL< 50; IP <4; se grafica debajo de la Línea A ML Orgánico; LL — seco en horno/ (LL- sin secar); <0,75; LL< 50 Pasa N°200>=50 OL LL<50 IP>=10 IP<0.73*(LL-20) Inorgánico; LL>=50; IP>7 se grafica sobre la Línea A Pasa N°200>=50 CH LL>=50 IP>=0.73*(LL-20) Inorgánico; LL>=50; IP < 4 se grafica debajo la Línea A MH Orgánico; LL — seco en horno/ (LL- sin secar); <0,75; LL>=50 Pasa N°200>=50 OH LL>=50 IP>16 IP<0.73*(LL-20) Inorgánico; se grafica en la zona sombreada. CL-ML Turba, lodos y otros suelos altamente orgánicos Pt

Ejemplo de OH

Nº 200 Nº 4

86.97 98.49

Limite Liquido Índice de plasticidad

55.00 18.00

Pasa N°200>=50

86.97>50 Ok

LL>=50

55>50

Ok

IP>16

18>16

Ok

IP<0.73*(LL-20)

18<0.73 (55-20)


18 < 25.55 Ok

61

MECÁNICA DE SUELOS

S MBOLO DE GRUPO

NOMBRE DE GRUPO <15 % excede Nº 200

< 30% excede Nº 200 IP> 7 y grafica sobre o arriba de la línea A

CL

15-29 % excede Nº 200 % arena ≥ % grava

≥ 30% excede Nº 200 % arena < % grava

Arcilla ligera % arena ≥ % grava Arcilla ligera con arena % arena < % grava Arcilla ligera con grava < 15 % grava

Arcilla ligera arenosa

≥ 15 % grava

Arcilla ligera arenosa con grava

< 15 % arena

Arcilla ligera tipo grava

≥ 15 % arena

Arcilla ligera tipo grava con arena

<15 % excede Nº 200 < 30% excede Nº 200 LL < 50

Inorgánicos

4 ≤ IP ≤ 7 y la gráfica sobre o arriba de la línea

CL-ML



Arcilla limosa % arena ≥ % grava

% arena < % grava Arcilla limosa con grava < 15 % grava

Arcilla limo- arenosa

≥ 15 % grava

Arcilla limo- arenosa con grava

< 15 % arena

Arcilla limosa y tipo grava

≥ 15 % arena

Arcilla limosa y tipo grava con arena

<15 % excede Nº 200 < 30% excede Nº 200 IP< 4 y grafica debajo de la línea A

ML



Orgánicos

  ℎ <0.75 sin

Arcilla limosa con arena

Limo % arena ≥ % grava

Limo con arena

% arena < % grava Limo con grava < 15 % grava

Limo arenoso

≥ 15 % grava

Limo arenoso con grava

< 15 % arena

Limo y tipo grava

≥ 15 % arena

Limo y tipo grava con arena

OL

62


MECANICA DE SUELOS

NOMBRE DE GRUPO

SÍMBOLO DE GRUPO <15 % excede Nº 200 < 30% excede Nº 200

15-29 % excede Nº

% arena ≥ % grava

Arcilla densa con arena

200

% arena < % grava

Arcilla densa con grava

Grafica IP sobre o arriba

< 15 % grava CH

de la línea A

% arena ≥ % grava ≥ 30% excede Nº 200

Inorgánico

≥ 15 % grava < 15 % arena

% arena < % grava

≥ 15 % arena

<15 % excede Nº 200

LL ≥ 50

< 30% excede Nº 200

debajo de la

% arena ≥ % grava

200

% arena < % grava

línea A

< 15 % grava MH


−   <0.75 −


% arena < % grava

Arcilla densa arenosa Arcilla densa arenosa con grava Arcilla densa y tipo grava Arcilla densa y tipo grava con arena Limo elástico

15-29 % excede Nº

Grafica IP

Orgánico

Arcilla densa

≥ 15 % arena

Limo elástico con arena Limo elástico con grava Limo elástico arenoso Limo elástico arenoso con grava Limo elástico y tipo grava Limo elástico y tipo grava con arena

OL

63

Elaborado por: Ing. Sheyla Y. Cornejo Rodriguez

MECANICA DE SUELOS

NOMBRE DE GRUPO

SÍMBOLO DE GRUPO <15 % excede Nº 200 < 30% excede Nº 200

15-29 % excede Nº 200

IP ≥ 4 y la gráfica

% arena ≥ % grava

Arcilla orgánica con arena

% arena < % grava

Arcilla orgánica con grava

< 15 % grava

sobre o arriba de la línea A

Arcilla orgánica


< 15 % arena % arena < % grava

OL

≥ 15 % grava

≥ 15 % arena

<15 % excede Nº 200 < 30% excede Nº 200

15-29 % excede Nº 200

% arena ≥ % grava

debajo de la línea A ≥ 30% excede Nº 200

grava Arcilla orgánica y tipo grava Arcilla orgánica y tipo grava con arena

% arena ≥ % grava

Limo orgánico con arena

% arena < % grava

Limo orgánico con grava


% arena < % grava

Arcilla orgánica arenosa con

Limo orgánico

< 15 % grava

IP < 4 y la gráfica

Arcilla orgánica arenosa

≥ 15 % arena

Limo orgánico arenoso Limo orgánico arenoso con grava Limo orgánico y tipo grava Limo orgánico y tipo grava con arena

64


MECANICA DE SUELOS

<15 % excede Nº 200 < 30% excede Nº 200 15-29 % excede Nº 200 Grafica sobre o

Arcilla orgánica % arena ≥ % grava

Arcilla orgánica con arena

% arena < % grava

Arcilla orgánica con grava

< 15 % grava

arriba de la línea A



% arena < % grava OH

≥ 15 % arena

<15 % excede Nº 200 < 30% excede Nº 200

15-29 % excede Nº 200

% arena ≥ % grava

línea A ≥ 30% excede Nº 200

grava Arcilla orgánica y tipo grava Arcilla orgánica y tipo grava con arena

% arena ≥ % grava

Limo orgánico con arena

% arena < % grava

Limo orgánico con grava


% arena < % grava

Arcilla orgánica arenosa con

Limo orgánico

< 15 % grava

Grafica debajo de la

Arcilla orgánica arenosa

≥ 15 % arena

Limo orgánico arenoso Limo orgánico arenoso con grava Limo orgánico y tipo grava Limo orgánico y tipo grava con arena

65


MECANICA DE SUELOS

m m 5 7 0 . 0 = 0 0 2 N

0 5 0 1 . 8 . 0 1 = 0 0 = 0 0 1 8 N N

°

°

100

°

CURVA GRANULOMETRICA 0 5 2 . 0 = 0 6 N

°

0 0 3 . 0 = 0 5 N

°

5 2 4 . 0 = 0 4 N

°

6 . 0 = 0 3 N

°

5 8 . 0 = 0 2 N

°

8 1 . 1 = 6 1 °

N

0 . 6 . 2 3 = 2 0 = 1 8 N N

°

°

5 7 . 4 = 4 N

°

5 3 . 6 = " 4 / 1

5 2 5 . 9 = " 8 / 3

7 . 2 1 = " 2 / 1

5 0 . 9 1 = " 4 / 3

4 . 5 2 = " 1

1 . 8 3 = " 2 / 1 1

6 . 0 5 = " 2

5 . 3 6 2 . = 6 "

2 7 / = 1 " 2 3

90 80 70 60 ) % ( 50 A S A P 40 30 20 10 0 0.01

0.10

1.00

10.00

100.00

ABERTURA DE TAMIZ (mm)

66


MECANICA DE SUELOS

SISTEMA AASHTO.

AMERICAN ASSOCIATION OF STATE HIGHWAY AND TRANSPORTATION OFFICIALS (AASHTO) ASOCIACIÓN ASOCIACI ÓN AMERICANA DE OFICIALES DE CARRETERAS ESTATALES Y TRANSPORTES AASHTO) El Sistema de clasificación AASHTO se usa principalmente para clasificación de las capas de carreteras. No se usa en la construcción de cimentaciones. El sistema de Clasificación fue desarrollado en 1929 como el Public Road Administration Classification System (Sistema de Clasificación de la Oficina de Caminos Públicos). Ha sufrido varias versiones, con la versión actual propuesta por Highway Research Board´s Commitee sobre clasificación de materiales para subrasantes y caminos de tipo granular (1945). Los suelos comprendidos en los grupos A-1, A-2 y A-3 son materiales de granulares donde 35% o menos de las partículas pasan por la criba Nº 200 y aquellos en los grupos A-4, A-5, A-6 y A-7 son suelos de los que más del 35% pasan por la criba Nº 200. El sistema de clasificación AASHTO (para suelos A-1 al A-7) se presenta en la siguiente tabla. Nótese que el grupo A-7 incluye dos tipos de suelos. Para el tipo A-7-5, el índice de plasticidad es menor o igual que el límite menos que 30. Para el tipo A-7-6, el índice de plasticidad es mayor mayor que el límite liquido menos 30. 30. Materiales granulares. Contienen 35% o menos de material que pase el tamiz de 75 mm (#200). Grupo A-1: El material típico de este grupo es una mezcla bien graduada de fragmentos fragmentos de piedra o grava, arena gruesa, arena fina, y un ligante de suelo no plástico o de baja plasticidad. Sin embargo, este este grupo incluye también fragmentos fragmentos de roca, grava, grava, arena gruesa, cenizas cenizas volcánicas, volcánicas, etc. Sin un ligante de suelo. suelo. Subgrupo A-1-a: Incluye aquellos materiales que consisten predominantemente de fragmentos de roca o grava con o sin un ligante bien gradado de material fino. Subgrupo A-1-b: Incluye aquellos materiales que consisten predominantemente de arena gruesa con o sin un ligante de suelo bien graduado. Grupo A-3: El material típico de este grupo es la arena fina fi na de playa o la arena fina de desierto, sin finos de arcilla, limo o con una pequeña cantidad de limo no plástico. Este grupo también incluye las mezclas aluviales de arena fina mal gradada con pequeñas cantidades cantidades de arena arena gruesa y grava. Grupo A-2: Este grupo incluye una amplia variedad de materiales granulares, que se encuentran en el límite entre los materiales que se clasifican en los grupos A-1 A -1 y A-3, y los materiales tipo limo y arcilla que se clasifican en los grupos A-4, A-5, A-6 y A-7. Incluye todos los materiales que contienen 35% o menos de material que pasa el tamiz de 75 mm (#200) que no pueden ser clasificados en los grupos A-1 o A-3, debido al contenido de finos o a los índices de plasticidad, o ambos, por encima de las limitaciones de estos grupos. Los subgrupos subgrupos A-2-4 y A-2-5 incluyen varios materiales granulares que contienen 35% o menos de material que pasa el el tamiz de 75 mm (#200) y con una porción que pasa pasa el tamiz de 425 mm (#40) que que tiene las características de los grupos A-4 y A-5 A-5 respectivamente. Estos grupos comprenden materiales tales como grava y arena gruesa con contenidos de limo e IP por encima de las limitaciones del grupo A-1, y arena fina con un contenido de limo no plástico por encima de las limitaciones del grupo A-3. Los subgrupos A-2-6 y A-2-7 incluyen materiales similares a los descritos en los subgrupos A-2-4 y A-2-5 excepto en que la porción fina contiene arcilla plástica que tiene las características de los grupos A-6 y A-7 respectivamente. 67


MECANICA DE SUELOS

Material limo arcilloso: contiene más de 35% de material que pasa la malla de 75 mm (#200). Grupo A-4: El material típico de este grupo es un suelo limoso no plástico o moderadamente plástico, que normalmente normalmente tiene el 75% o más de material que pasa el tamiz de 75 75 mm (#200). Este grupo grupo también incluye incluye mezclas de suelo limoso fino y hasta 64% de arena y grava grava retenida sobre el tamiz de 75 mm (#200). Grupo A-5: El material típico tí pico de este grupo es similar al descrito en el grupo A-4, salvo que usualmente tiene un carácter diatomáceo o micáceo y puede ser muy elástico, como lo indica su alto alt o LL. Grupo A-6: El material típico de este grupo es una arcilla plástica que usualmente tiene el 75% o más del material que pasa el tamiz de 75 mm (#200). Este grupo también incluye mezclas de suelo arcilloso y hasta el 64% de arena y grava retenida sobre el tamiz #200. Los materiales de este este grupo normalmente presentan presentan grandes cambios de volúmenes entre los estados seco y húmedo. Grupo A-7: El material típico tí pico de este grupo es similar al descrito en el grupo A-6, salvo que tiene el LL elevado, característico del grupo A-5, y puede presentar elasticidad o alto potencial de expansión. Subgrupo A-7-5: Incluye materiales materi ales con IP moderados en relación con el LL y que pueden presentar presentar un alto potencial potencial de expansión. expansión. Subgrupo A-7-6: Incluyen materiales con un alto IP en relación con el LL y presentan un alto potencial de expansión.

68


MECANICA DE SUELOS

CLASIFICACIÓN GENERAL GRUPO

MATERIALES GRANULARES

MATERIALES LIMO ARCILLOSOS

(pasa menos del 35% por el tamiz ASTM N° 200)

(más de 35% pasa el tamiz ASTM N° 200)

A-1

A-2

A-7

A-3 Subgrupo

A-1-a

A-1-b

A-4 A-2-4

A-2-5

A-2-6

A-5

A-6

A-2-7

A-7-5

A-7-6

AN LISI LISIS S GRANU GRANULO LOM M TRIC TRICO O % que pasa por cada tamiz N°10 N°40

N°200

≤ 50 50 máx. ≤ 30

≤ 50

≥ 51

30 máx.

50 máx.

51 min.

≤ 15

≤ 25

≤ 10

≤ 35

≤ 35

≤ 35

≤ 35

≥ 36

≥ 36

≥ 36

≥ 36

≥ 36

15 máx.

25 máx.

10 máx.

35 máx.

35 máx.

35 máx.

35 máx.

36 min.

36 min.

36 min.

36 min.

36 min.

≤ 40 40 máx.

≥ 41 41 min.

≤ 40 40 máx.

≥ 41 41 min.

≤ 40 40 máx.

≥ 41 41 min.

≤ 40 40 máx.

≤ 10 10 máx.

≤ 10 10 máx.

≥ 11 11 min

≥ 11 11 min

≤ 10 10 máx.

≤ 10 10 máx.

≥ 11 11 min

≥ 41 41 min. (IP≤ (IP≤LL-30) ≥ 11 11 min

≥ 41 41 min. (IP>LL-30) ≥ 11 11 min

≤8 8 máx.

≤ 12 12 máx.

≤ 16 16 máx.

ESTADO DE CONSISTENCIA (de la fracci fracci n de suelo que pasa por el el tamiz ASTM ASTM N°40) Limite Liquido NP ≤6

Índice de Plasticidad

6 máx.

NDICE DE GRUPO

0

0

TIPOS DE MATERIALES CARACTERÍSTICOS CALIDAD

0

≤4 4 máx.

≤ 20 20 máx.

Arena Fragmentos de roca, grava y arena

GENERAL

COMO SUB- BASE

Grava y arena Limo o arcillosa

Suelos limosos

Suelos arcillosos

fina Excelente a bueno

Regular a malo

69


MECANICA DE SUELOS

MÉTODO PARA CLASIFICAR  Aplíquense los datos proporcionados por los ensayos, con lo que procediendo de izquierda a derecha en la parte superior de la tabla, se encuentra el grupo correspondiente, por eliminación. El primer grupo de izquierda nos da la clasificación correcta, sin más que aplicar los datos de los ensayos. ensayos.  El índice de plasticidad del sub grupo A-7-5 es igual o menor que LL menos 30. El índice de plasticidad del subgrupo A-7-6 es mayor que LL menos 30.  Véase el índice de grupo en la formula por el método de cálculo. El índice de grupo deberá aparecer en paréntesis, después del símbolo del grupo así: A-2-6 (3) A-6 (12) A-7-5 (17) ÍNDICE DE GRUPO Para evaluación de la calidad de un suelo como material para subrasante de carreteras, se incorpora también un índice llamado Índice De Grupo (IG), juntos con los grupos y subgrupos de los suelos.

   [..] .

   

F=Porciento que pasa el tamiz N°200. tamiz N°200. LL=Limite Líquido IP=Índice de Plasticidad. Reglas para determinar el índice de grupo Si la ecuación da un valor negativo para índice de grupo, se toma igual a 0. El índice de grupo calculado, se redondea al número entero más cercano. El índice de de grupo de suelos que pertenecen a los grupos grupos A-1-a, A-1-b, A-2-4, A-2-5 A-2-5 y A-3 siempre es 0. Al calcular el índice de grupo grupo para suelos que que pertenecen a los grupos grupos A-2-6 y A-2-7, use:

.  

70


MECANICA DE SUELOS

COMPARACIÓN ENTRE LOS SISTEMAS DE CLASIFICACIÓN UNIFICADO Y AASHTO. La principal diferencia en los dos sistemas de clasificación es el uso que tiene cada uno de ellos, ya que el sistema AASHTO es esencialmente para la construcción de carreteras mientras que el Unificado no presenta restricciones de ningún tipo y su uso es más general. Ambos sistemas de clasificación están basados en los mismos ensayos de laboratorio, como la distribución de tamaño de partículas, el límite líquido y plástico, con la diferencia de que cada sistema adopta distintos valores como límites entre los tipos de suelos. Por ejemplo el sistema AASHTO considera como suelo fino si más del 35% del total de la muestra de suelo pasa por el tamiz Nº 200, mientras que el sistema Unificado lo hace si más del 50% de la muestra de suelo pasa por el mismo tamiz. En el sistema AASHTO el tamiz Nº 10 es el que separa la grava de la arena mientras que en el unificado es el tamiz Nº 4. En el sistema Unificado los suelos gravosos de los arenosos están muy claramente separados, mientras que en el sistema AASHTO no lo están. El grupo A-2 en particular contiene una amplia variedad de suelos gravosos y arenosos. En el sistema Unificado los símbolos GW, SM, CH y otros son usados para una mejor descripción de las propiedades de los suelos, mientras que los símbolos de grupo A del sistema AASHTO no son tan descriptivos en este aspecto. En el sistema Unificado se puede clasificar a los suelos orgánicos como OL, OH y Pt; mientras que en el sistema AASHTO no se los toma en cuenta en el proceso de clasificación, y se los deja con el grupo A-8, que no figura en las tablas de clasificación. Liu (1967) hizo investigaciones comparando los sistemas de clasificación AASHTO y Unificado, llegando a obtener los siguientes resultados que son resumidos en las siguientes tablas.

Comparación del sistema AASHTO con el sistema Unificado. Grupo del suelo en el sistema AASHTO A-1-a A-1-b A-3 A-2-4 A-2-5 A-2-6 A-2-7 A-4 A-5 A-6 A-7-5 A-7-6

Comparación de los grupos de suelos en el sistema Unificado Más Probable Posible Posible pero improbable GW, GP SW, SP GM, SM SW, SP, GM, SM GP — SP — SW, GP GM, SM GC, SC GW, GP, SW, SP GM, SM — GW, GP, SW, SP GC, SC GM, SM GW, GP, SW, SP GM, GC, SM, SC — GW, GP, SW, SP ML, OL CL, SM, SC GM, GC OH, MH, ML, OL — SM, GM CL ML, OL, SC GC, GM, SM OH, MH ML, OL, CH GM, SM, GC, SC CH, CL ML, OL, SC OH, MH, GC, GM, SM

Comparación del sistema Unificado con el sistema AASHTO. Grupo del suelo en el sistema Unificado GW GP GM GC SW SP SM SC ML CL OL MH CH OH Pt

Comparación de los grupos de suelos en el sistema AASHTO Más Probable Posible Posible pero improbable A-1-a A-1-a A-1-b, A-2-4, A-2-5, A-2-7 A-2-6, A-2-7 A-1-b A-3, A-1-b A-1-b, A-2-4, A-2-5, A-2-7 A-2-6, A-2-7 A-4, A-5 A-6, A-7-6 A-4, A-5 A-7-5, A-5 A-7-6 A-7-5, A-5 —

— A-1-b A-2-6 A-2-4 A-1-a A-1-a A-2-6, A-4 A-2-4, A-6, A-4, A-7-6 A-6, A-7-5, A-7-6 A-4 A-6, A-7-5, A-7-6 — A-7-5 — —

A-2-4, A-2-5, A-2-6, A-2-7 A-3, A-2-4, A-2-5, A-2-6, A-2-7 A-4, A-5, A-6, A-7-5, A-7-6, A-1-a A-4, A-6, A-7-6, A-7-5 A-3, A-2-4, A-2-5, A-2-6, A-2-7 A-2-4, A-2-5, A-2-6, A-2-7 A-5, A-6, A-7-5, A-7-6, A-1-a A-7-5 — — — A-7-6 — A-7-6 —

71


MECANICA DE SUELOS

EJERCICIOS PROBLE MA N º 1.- Una muestra de suelo tiene las siguientes características: Porcentaje que pasa por el tamiz Nº 200 = 75% Límite Líquido (L.L.) = 69% Límite Plástico (L.P.) = 29% ¿Cuál será su clasificación según SUCS? PROBLE MA N º 2.- Una muestra de suelo tiene las siguientes características: Porcentaje que pasa por el tamiz Nº 200 = 67% Límite Líquido (L.L.) = 65% Límite Plástico (L.P.) = 35% ¿Cuál será su clasificación según SUCS? PROBLE MA N º 3.- Una muestra de suelo tiene las siguientes características: Tamaño de Malla

Peso

%

%

%

Tamices

Abertura

Retenido

Retenido

Retenido

Que

ASTM

en mm.

g

Parcial

Acumulado

Pasa

1/4"

6.350

0.80

0.08

0.08

99.92

Nº4

4.75

0.50

0.05

0.13

99.87

Nº 8

2.36

5.00

Nº 10

2.00

22.00

Nº 16

1.180

209.50

Nº 20

0.850

63.50

Nº 30

0.600

99.00

Nº 40

0.425

97.00

Nº 50

0.300

88.50

Nº 60

0.250

95.00

Nº 80

0.180

166.50

Nº 100

0.150

Nº 200

0.075

36.50 78.80

7.88

96.26

3.74

Pasa N° 200

37.40

3.74

100

Total

1000.00

¿Cuál será su clasificación según SUCS? PROBLE MA N º 4.- Una muestra de suelo tiene las siguientes características: Porcentaje que pasa por el tamiz Nº 4 = 90% Porcentaje que pasa por el tamiz Nº 200 = 8% Límite Líquido (L.L.) = 45% Índice de Plasticidad (I.P.) = 14% De la curva granulométrica: Cu = 8; Cc = 2 ¿Cuál será su clasificación según SUCS?

72


MECANICA DE SUELOS

PROBLE MA Nº 5.- Una muestra de suelo tiene las siguientes características: ¿Cuál será su clasificación según SUCS y AASHTO? Peso seco inicial= 2065.80g Peso seco lavado= 1262.27g Peso perdido lavado= 803.53g ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO POR TAMIZADO NTP 339.128 ASTM D - 422 Tamaño de Malla Tamices Abertura

Peso

%

%

%

Retenido

Retenido

Retenido

Que

Parcial

Acumulado

Pasa

ASTM

en mm.

g

3/4" 1/2" 3/8" 1/4" Nº 4 Nº 8 Nº 10 Nº 16 Nº 20 Nº 30 Nº 40 Nº 50 Nº 60 Nº 80 Nº 100 Nº 200 Pasa N° 200 Total

19.050 12.700 9.525 6.350 4.178 2.360 2.000 1.180 0.850 0.600 0.420 0.300 0.250 0.180 0.150 0.074

105.89 112.25 115.25 198.23 130.05 275.42 36.05 139.53 25.02 32.89 23.35 18.05 11.12 12.85 8.48 7.95

Descripción Nº de golpes Peso tara Peso tara + suelo húmedo Peso tara + suelo seco Humedad % Límites

34.64 731.11

68.89 53.81

43.61

40.79

803.53+9.89

2065.80 DATOS DEL ENSAYO LIMITE LIQUIDO LIMITE PLASTICO NTP 339.129 ASTM D-4318 NTP 339.129 ASTM D - 4318 15 17 42 23.05 14.78 22.18 10.83 16.12 g 14.78 g

19.45

26.87

18.80

23.54

12.07

19.32

g

17.98

25.75

17.69

23.26

11.81

18.64

43%

26%

73


MECANICA DE SUELOS

PROBLE MA Nº 6.- Una muestra de suelo tiene las siguientes características:

¿Cuál será su clasificación según SUCS y AASHTO? Límite Líquido (L.L.) = 28% Índice de Plasticidad (I.P.) = 18% Realizar comentario ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO POR TAMIZADO NTP 339.128 ASTM D - 422 Tamaño de Malla Tamices Abertura ASTM en mm. 3" 76.2 2" 50.6 1 ½” 38.10 1” 25.4 3/4” 19.05 ½” 12.70 3/8” 9.525 1/4" 6.350 Nº4 4.75 Nº 8 2.36 Nº 16 1.18 Nº 30 0.600 Nº 50 0.3 Nº 100 0.150 Nº 200 0.180 Pasa N° 200 Total

Peso

%

%

%

Retenido g 1829.50 1978.50 1055.50 437.00 320.50 432.00 235.50 333.00 200.50

Retenido Parcial

Retenido Acumulado

Que Pasa

2.11

71.8664

28.14 51.45

530.50 478.50 393.50 424.50 406.00 168.00 270.50 2070.00

34.45 2.85

74


MECANICA DE SUELOS


¿Cuál será su clasificación según SUCS y AASHTO? ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO POR TAMIZADO NTP 339.128 ASTM D - 422 Tamaño de Malla Tamices Abertura

Peso

%

%

%

Retenido

Retenido

Retenido

Que

Parcial

Acumulado

Pasa

34.64

65.36

ASTM

en mm.

g

1/2" 3/8" 1/4" Nº4 Nº 10 Nº 20 Nº 30 Nº 40 Nº 50 Nº 80 Nº 100 Nº 200 Pasa N° 200 Total

12.70 9.525 6.350 4.75 2.00 0.850 0.600 0.425 0.300 0.180 0.150 0.075

176.00 196.00 209.00 136.00


288.00 230.00 86.00 36.00 409.00 228.00 12.00 28.00 36.00 2070.00

51.45

34.44

1.74

DATOS DEL ENSAYO LIMITE LIQUIDO LIMITE PLASTICO NTP 339.129 ASTM D-4318 NTP 339.129 ASTM D - 4318 15 22 33 g 22.7 23.1 23.2 22.60 22.30 22.70 g g

34.6

38.3

43.1

25.70

24.60

25.40

32.8

36.4

40.6

25.30

24.30

25.10

15

14

75


MECANICA DE SUELOS


¿Cuál será su clasificación según SUCS y AASHTO? ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO POR TAMIZADO NTP 339.128 ASTM D - 422 Tamices Abertura

Peso retenido

ASTM

(mm)

(g)

Nº 4

4.75

0.00

Nº 8

2.36

1.44

Nº 10

2.00

1.33

Nº 16

1.180

5.33

Nº 20

0.850

12.70

Nº 30

0.600

23.14

Nº 40

0.425

26.62

Nº 50

0.300

27.09

Nº 60

0.250

27.93

Nº 80

0.180

70.56

Nº 100

0.150

27.55

Nº 200

0.075

113.63

Plato

(%)

(%)

Retenido

Retenido

Parcial

Acumulado

(%) Que Pasa 100 99.63

90.32

53.54

388.68

Total

Descripción Nº de golpes Peso tara Peso tara + suelo húmedo Peso tara + suelo seco Humedad %

DATOS DEL ENSAYO LIMITE LIQUIDO LIMITE PLASTICO NTP 339.129 ASTM D-4318 NTP 339.129 ASTM D - 4318 16 26 35 20.14 20.31 36.03 37.40 37.84 g 19.57 g

64.44

63.08

65.05

81.84

82.82

83.99

g

53.81

53.32

55.20

74.80

76.40

77.43

Límites

76


MECANICA DE SUELOS


¿Cuál será su clasificación según SUCS y AASHTO? Tamaño de Malla

Peso

%

%

%

Tamices

Abertura

Retenido

Retenido

Retenido

Que

ASTM

en mm.

g

Parcial

Acumulado

Pasa

Nº 8

2.36

0.38

Nº 10

2.00

0.15

Nº 16

1.180

0.48

Nº 20

0.850

0.44

Nº 30

0.600

0.84

Nº 40

0.425

0.97

Nº 50

0.300

2.31

Nº 60

0.250

4.16

Nº 80

0.180

13.99

Nº 100

0.150

37.55

Nº 200

0.075

107.91

Pasa N° 200

330.82

Total

500.00

Descripción Nº de golpes Peso tara Peso tara + suelo húmedo Peso tara + suelo seco Humedad %

99.89

99.35

66.16

DATOS DEL ENSAYO LIMITE LIQUIDO LIMITE PLASTICO NTP 339.129 ASTM D-4318 NTP 339.129 ASTM D - 4318 15 19 37 g 24 23.8 26.55 22.48 25.00 25.35 g g

52.85

52.47

53.59

49.45

49.11

48.65

45.09

45.12

46.93

44.85

44.99

44.65

Límites

77


MECANICA DE SUELOS


¿Cuál será su clasificación según SUCS y AASHTO? Tamaño de Malla

Peso

%

%

%

Tamices

Abertura

Retenido

Retenido

Retenido

Que

ASTM

en mm.

g

Parcial

Acumulado

Pasa

Nº4

4.75

0.16

Nº 8

2.36

4.33

Nº 10

2.00

2.18

Nº 16

1.180

5.92

Nº 20

0.850

6.53

Nº 30

0.600

18.50

Nº 40

0.425

29.02

Nº 50

0.300

40.42

Nº 60

0.250

25.90

Nº 80

0.180

34.66

Nº 100

0.150

36.97

Nº 200

0.075

55.08

Pasa N° 200

240.33

Total

500.00


DATOS DEL ENSAYO LIMITE LIQUIDO LIMITE PLASTICO NTP 339.129 ASTM D-4318 NTP 339.129 ASTM D - 4318 15 20 35 23.05 23.33 g 23.28 23.26 23.39 23.35 g

50.68

52.12

53.20

50.08

50.25

50.35

g

44.00

45.40

46.55

45.95

46.00

46.10

78


MECANICA DE SUELOS

COMPACTACIÓN DE SUELOS 1. CONCEPTOS PREVIOS  Suelos Cohesivos Son suelos arcillosos y limosos es un material de grano muy fino , y la compactación se produce por la reorientación y por la distorsión de los granos y sus capas absorbidas. Esto se logra por una fuerza que sea lo sufrientemente grande para vencer la resistencia de cohesión por las fuerzas entre las partículas.  Suelos No Cohesivos (Granular) Son suelos compuestos de rocas, gravas y arenas, es decir de suelos de grano grueso. En el caso de suelos granulares el proceso de compactación más adecuado resulta el de la vibración, pero debe tenerse en cuenta, como ya se sabe, que el comportamiento de los suelos gruesos depende mucho de la granulometría. Se requiere una fuerza moderada aplicada en una amplia área, o choque y vibración. La compactación eficiente en los suelos cohesivos requiere presiones más altas para los suelos secos que para los húmedos, pero el tamaño del área cargada no es crítico. La eficiencia se mejora aumentando la presión durante la compactación a medida que el peso específico y la resistencia aumentan.  Suelos mixtos En la naturaleza la mayoría de los suelos están compuestos por una íntima mezcla de partículas de diferentes tamaños. 2. COMPACTACIÓN DE LOS SUELOS 1.1 Antecedentes históricos Por más de 2000 años la tierra ha sido aprisionada con maderos pesados, por las pisadas del ganado o compactada por cilindros o rodillos.

En la antigüedad los romanos vieron la necesidad de compactar, los materiales que se usaron para la construcción de pavimentos fueron los rodillos de piedra tirados por esclavos. Con ello lograron una unión íntima de la base y la superficie de piedra que pudo resistir a los golpes de las herraduras y de las duras ruedas de las carrozas cargadas sin que el camino se destruyera. Con el paso del tiempo aumentaron las cargas ocasionando esfuerzos mayores, en la superficie transitada.

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MECANICA DE SUELOS

Otra manera de compactación antigua fue la manera de apisonar la tierra con maderos pesados, por las pisadas del ganado o compactada por cilindros o rodillos, pero el costo de este trabajo bruto era mayor, en muchos casos, que el valor de la compactación..

3. CONCEPTO La compactación de suelo puede ser definida como la aplicación de acciones mecánicas al suelo, provocando reacomodo de sus partículas sólidas, que resulta en un rápido incremento de su densidad. Este proceso comprende la reducción de volumen total por la expulsión de aire que ocupa los poros del suelo, manteniendo la cantidad de agua constante.

Su objetivo es el mejoramiento de las propiedades de ingeniería del suelo. Compactar es la operación previa, para aumentar la resistencia superficial de un terreno sobre el cual deba construirse una carretera y otra obra. Aplicando una cantidad de energía la cual es necesaria para producir una disminución apreciable del volumen.

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MECANICA DE SUELOS

4. OBJETIVOS DE LA COMPACTACIÓN Las obras hechas con tierra, ya sea un relleno para una carretera, un terraplén para una presa, un soporte de una edificación o la subrasante de un pavimento, debe llenar ciertos requisitos: Debe tener suficiente resistencia para soportar con seguridad su propio peso y el de la estructura o las cargas de las ruedas. No debe asentarse o deformarse tanto, por efecto de la carga, que se dañe el suelo o la estructura que soporta. No debe ni retraerse, ni expandirse excesivamente. Debe conservar siempre su resistencia e incompresibilidad, y por lo tanto el asentamiento del suelo, reduciendo sus vacíos. Debe tener la permeabilidad apropiada o las características de drenaje para su función. 5. BENEFICIOS DE LA COMPACTACIÓN  Aumenta la capacidad para soportar cargas : Los vacíos producen debilidad del suelo e incapacidad para soportar cargas pesadas. Estando apretadas todas las partículas, el suelo puede soportar cargas mayores debidas a que las partículas mismas que soportan mejor. 

Impide el hundimiento del suelo: Si la estructura se construye en el suelo sin afirmar o afirmado con desigualdad, el suelo se hunde dando lugar a que la estructura se deforme (asentamientos diferenciales). Donde el hundimiento es más profundo en un lado o en una esquina, por lo que se producen grietas o un derrumbe total.



Reduce el escurrimiento del agua: Un suelo compactado reduce la penetración de agua. El agua fluye y el drenaje puede entonces regularse.

81


MECANICA DE SUELOS 



Reduce el esponjamiento y la contracción del suelo: Si hay vacíos, el agua puede penetrar en el suelo y llenar estos vacíos. El resultado sería el esponjamiento del suelo durante la estación de lluvias y la contracción del mismo durante la estación seca y la del congelamiento. Impide los daños de las heladas: El agua se expande y aumenta el volumen al congelarse. Esta acción a menudo causa que el pavimento se hinche, y a la vez, las paredes y losas del piso se agrieten. La compactación reduce estas cavidades de agua en el suelo.

6. FACTORES QUE AFECTAN EL PROCESO DE COMPACTACIÓN. A. NATURALEZA DEL SUELO: Los factores inherentes al suelo que condicionan la compactación, están vinculados a las características de las partículas, a saber: Forma. La forma de las partículas de los suelos se aparta en distinto grado de la esférica y en consecuencia también de la de los anillos de agua en cada contacto. Simples consideraciones geométricas, indican que la superficie contactada para un mismo volumen de partículas, será tanto mayor cuando la forma de las partículas se aparte más de la esférica. Textura de la superficie. La textura de la superficie de las partículas condiciona el coeficiente de fricción entre las mismas y por ende la acción de un esfuerzo exterior destinado a lograr la densificación. Orientación relativa entre partículas. La orientación relativa de las partículas incide en la forma de los anillos de agua. Por otra parte penderá de la forma de entrega de la energía de compactación, (golpes, amasado, presión estática, etc.). Cuanto mayor sea el paralelismo en su distribución, mayores serán los puntos de contacto y por ende la cantidad de anillos de agua que se formen. Distribución de los tamaños (granulometría). Para un mismo volumen sólido y forma de las partículas una granulometría bien graduada, provee mayor número de contactos que en una granulometría uniforme. A mayor uniformidad de tamaños, el contenido de humedad tiene menor influencia en la compactación, lo que se evidencia en curvas de forma más achatada comparativamente con suelos similares mejor graduados granulométricamente. Actividad superficial. Las fracciones finas son superficialmente activas, por lo tanto capaces de retener e inmovilizar agua por adsorción (orientación polar). Ésta actúa como un incremento de su volumen sólido real. El agua está retenida por energías muy elevadas y la de contactos solo puede existir, cuando el contenido de humedad supera el necesario para saturar la capacidad de adsorción propia de cada suelo. B. EL MÉTODO DE COMPACTACIÓN: Los métodos de laboratorios empleados para estudiar la compactación de suelos son de cuatro tipos: por impacto, por amasado, por carga estática y por vibración. La finalidad de estos ensayos es correlacionar de algún modo los resultados que se obtiene, con la compactación que en el campo producen los diversos equipos.

82


MECANICA DE SUELOS

C. LA ENERGÍA DE COMPACTACIÓN: Es aquella energía que se entrega al suelo por unidad de volumen durante el proceso de compactación. Cuando esta se hace por impacto, la expresión mediante la cual se la obtiene es la siguiente:

 ∗∗∗ 

Ec: energía de compactación w: peso del martillo de compactación h: altura de caída de martillo de compactación. N: número de golpes que se aplica a cada capa de suelos o relleno. V: volumen del molde de compactación. n: número de capas dentro del molde. D. CONTENIDO DE AGUA DEL SUELO: Estudios realizados por Proctor tuvieron como conclusión el hecho de que, al compactar un suelo con la misma energía de compactación y diferentes contenidos de agua, la densidad seca que se obtenía aumentaba a medida que se incrementaba la cantidad de agua, hasta cierto punto en el cual las densidades secas comenzaban a decrecer. A este punto en el que se halla la densidad máxima corresponde una humedad, que proctor denominó como óptima de compactación.

7. APLICACIÓN DE LA COMPACTACIÓN A OBRAS CIVILES. La compactación de un suelo es muy importante en la mayoría de las obras civiles, generalmente su campo de aplicación es más para la construcción de carreteras y presas. Las obras de gran importancia involucran grandes cantidades de dinero y por consiguiente se tiene que asegurar que el periodo de vida de la estructura sea lo más prolongado posible. El terreno es el que sostiene toda la estructura de la obra civil y si no es lo suficiente estable, empiezan a producirse asentamientos perjudiciales del terreno lo que provoca que se produzcan fisuras en la presa o carretera, llegando incluso en algunas ocasiones a provocar derrumbes, que pueden involucrar vidas humanas. Dada la gran importancia de la estabilidad del terreno en este tipo de obras, es que existe la gran necesidad de aumentar la estabilidad del mismo mediante distintas técnicas, la más usada por su simplicidad y eficacia es la compactación del terreno. Cada tipo de obra tiene sus especificaciones mínimas que se deben alcanzar. Los principales parámetros que rigen el valor del peso específico seco máximo y el contenido de humedad óptimo, son la permeabilidad y la resistencia del suelo. Generalmente lo que se quiere lograr es una permeabilidad lo más baja posible y una resistencia del suelo lo más alta posible. Por lo tanto para la obtención de un terreno que cumpla con estas condiciones es necesario tomar en cuenta las propiedades del suelo para poder determinar un rango de contenido de humedad en el que se puedan alcanzar tanto el peso específico seco mínimo requerido como también las propiedades del suelo requeridas.

83


MECANICA DE SUELOS

8. GRADO DE COMPACTACIÓN El concepto de grado de compactación es el más empleado en nuestro medio para controlar la compactación de suelo y consiste en relacionar el peso unitario seco del suelo compactado en obra, con el máximo peso unitario seco obtenido en el laboratorio empleando el mismo material.

de arena %   ó γ enγ elmaxiterrenocono mo de laboratorio ∗100 COMPACTACIÓN DE SUELOS EN EL LABORATORIO

La representación gráfica de la relación densidad seca – humedad, da lugar a lo que habitualmente se denomina “curva de compactación” o “curva Proctor”. La primer parte ascendente se denomina “rama seca”. El punto máximo superior es un punto singular, del cual se obtiene el valor de la “densidad seca máxima” y la “humedad óptima”. La parte descendente se conoce como “rama húmeda”.

ENSAYO PROCTOR Detalla el procedimiento a seguir para estudiar las variaciones del peso unitario de un suelo en función de los contenidos de humedad, cuando se somete a un determinado esfuerzo de compactación normalizado. Permite establecer la Humedad óptima con la que se obtiene el mayor valor del Peso unitario, llamado Densidad seca máxima Objeto de la compactación de suelos: aumentar la resistencia mecánica del suelo y disminuir su capacidad de deformación. El optimo contenido de humedad: Corresponde a la cima de la curva sera el “contenido optimo de humedad” del suelo bajo compactación. Maxima densidad seca: la densidad en g/cm 3 correspondiente al contenido de humedad optimo sera la “densidad maxima” del suelo compactado. CURVA DE SATURACIÓN: La curva de saturación representa las densidades de un suelo en estado de saturación; es decir cuando el volumen de vacíos Vv ha sido totalmente llenado por agua es decir cuando el volumen de vacíos llenos de aire es cero; de ahí que se conozca también esta curva con el nombre de “Curva de Cero de Vacíos de Aire”

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MECANICA DE SUELOS

 ∗.

Densidad (g/cm3) ω= Contenido de humedad G= Gravedad especifica de sólidos del material.

CÁLCULOS La densidad húmeda: Se obtiene dividiendo el peso del suelo húmedo entre el volumen del molde.

   ℎ La densidad húmeda/    

Contenido de humedad El cálculo del contenido de humedad, se indica a continuación

    ∗100 %   

  ℎ     %        ∗100 Densidad seca El cálculo del peso unitario seco, se indica a continuación

    ℎ/   /  1  %

Gráfico La densidad del suelo deberá ser trazado como ordenada y el contenido de humedad como abscisas.

85


MECANICA DE SUELOS

PROCTOR ESTANDAR

PROCTOR MODIFICADO

86


MECANICA DE SUELOS

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MECANICA DE SUELOS

Ejercicios

ENSAYO DE COMPACTACION PROCTOR MODIFICADO ASTM D-1557 METODO “C ” Molde Nº Peso del Molde g. Volumen del Molde cm 3. Nº de Capas Nº de Golpes por capa

S - 111

3080 2124.00 5 56

Unid

1

2

3

4

Peso de Suelo húmedo + Molde

g

7070

7433

7537

7372

Peso de Molde

g

3080

3080

3080

3080

Peso del suelo Húmedo Densidad húmeda

g

3990

4353

4457

4292

g/cm3

1.88

2.05

2.10

2.02

Tara

Nº

S-100

X-100

H-11

H-12

Peso de suelo Húmedo + Tara

g

575.14

542.87 528.75

585.67

Peso de suelo seco + Tara

g

559.52

527.69 513.37

557.77

Peso de Agua

g

Peso de Tara

g

123.15

126.85 125.65

122.56

Peso de Suelo Seco

g

Contenido de Humedad

%

3.58

3.79

3.97

6.41

Peso unitario seco (Densidad )

g/cm3

1.82

1.98

2.02

1.89

Gravedad Especifica de los Solidos

g/cm3

Ensayo Nº

DENSIDAD

CONTENIDO DE HUMEDAD

DENSIDAD SECA

2.63

88


MECANICA DE SUELOS

ENSAYO DE COMPACTACION PROCTOR MODIFICADO ASTM D-1557 METODO “C ” Molde Nº Peso del Molde g. Volumen del Molde cm 3. Nº de Capas Nº de Golpes por capa

Ensayo Nº

S - 123

3080 2124.00 5 56

Unid

1

2

3

4

g

7279

7635

7637

7505

DENSIDAD Peso de Suelo húmedo + Molde Peso de Molde Peso del suelo Húmedo Densidad húmedo

3080.0

3080.0 3080.0

3080

g

g/cm3

1.98

Tara

Nº


g

S-100 145.48

X-100 H-11 147.27 136.74

H-12 142.36

132.52

131.45 120.70

123.91

12.96 24.09

15.82 24.70

16.04 23.80

18.45 25.01

2.14

2.15

2.08



g

Peso de Agua

g

Peso de Tara

g

Peso de Suelo Seco

g

108.43

106.75

96.9

98.9


%

11.95

14.82

16.55

18.66

g/cm3

1.77

1.86

1.84

1.75

DENSIDAD SECA Peso unitario seco (Densidad ) Gravedad Especifica de los Solidos

g/cm3

2.67

89


MECANICA DE SUELOS

ENSAYO DE COMPACTACION PROCTOR MODIFICADO ASTM D-1557 METODO “C ” Molde Nº

S - 111 2080

Peso del Molde g. Volumen del Molde cm 3. Nº de Capas

5 25

Nº de Golpes por capa

Ensayo Nº

Unid

943.00

1

2

3

4

3661

3869

4009

3912

2080

2080

2080

2080

S-100 68.18

X-100 H-11 62.33 68.38

H-12 60.34

63.19

56.61

60.64

52.15

15.62 11.98

15.18 10.86

15.38 10.82

27.90 10.82

DENSIDAD Peso de Suelo húmedo + Molde

g

Peso de Molde Peso del suelo Húmedo Densidad húmedo

g

g/cm3


Tara

Nº


g


g

Peso de Agua

g

Peso de Tara

g

Peso de Suelo Seco

g


%

DENSIDAD SECA Peso unitario seco (Densidad ) Gravedad Especifica de los Solidos

g/cm3 g/cm3

2.63

90


MECANICA DE SUELOS

ENSAYO DEL CONO DE ARENA. Es el método más utilizado y representa una forma directa de obtener el volumen del agujero excavado, utilizando para ello, una arena estandarizada compuesta por partículas cuarzosas, sanas no cementadas, de granulometría redondeada y comprendida entre los tamices Nº 10 y Nº 60. Para calibrar el equipo de densidad de campo Revisar que todos los instrumentos a utilizar se encuentran en perfecto estado para su utilización. Pesar el frasco y cono vacios y registrarlo.(P 1) Encontrar el volumen del frasco con el siguiente procedimiento: Llenar el frasco con agua a temperatura ambiente hasta la altura de la válvula y cerrarla y pesarla.(P2) Por diferencia del frasco lleno con agua menos el frasco vacío, hallamos el volumen del frasco.

 −  −

Temperatura del agua en grados centígrados 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

Densidad relativa del agua 0.99862 0.99843 0.99823 0.99802 0.99780 0.99756 0.99732 0.99707 0.99681 0.99654 0.99626 0.99597 0.99567 0.99537 0.99505

Factor de conversión K 1.0004 1.0002 1.0000 0.9998 0.9996 0.9993 0.9991 0.9988 0.9986 0.9983 0.9988 0.9977 0.9974 0.9971 0.9968

Secar el frasco y embudo. Tamizar la arena que pasa por la malla Nº 10 ASTM (2mm.) y Nº 60 ASTM; (arena calibrada), guardar la parte que quedo en la Nº 60. Con la válvula abierta verter la arena calibrada, hasta que llegue a la altura de la válvula, y cerrarla. Eliminar la arena que sobro dentro del cono (parte de arriba del cono) Pesar el frasco más cono y con la arena calibrada hasta la válvula y registrar este peso.(P3) 91


MECANICA DE SUELOS

Descontamos el peso del frasco con cono vacio, para obtener el peso de la arena calibrada.(Pa=P3-P1) Dividimos el peso de la arena calibrada, entre el volumen del frasco, y encontramos el peso unitario de la arena.

de arena Peso unitario de la arena seca VolPeso umen del frasco

Volumen de la arena en el cono Colocamos un vidrio de 0.40*0.40m sobre la balanza, asimismo colocar el plato base del cono de arena encima del vidrio de tal manera que no se mueva. Luego, volteamos el frasco, con la válvula cerrada, y que encaje dentro del plato de la base, una vez volteada abrimos totalmente la válvula para que pase la arena, hasta esperar que ya no baje más, cerramos la válvula y levantamos el frasco cuidadosamente para no votar la arena. Pesamos lo que quedo en el frasco, tomamos apunte de este dato para sacar por diferencia cuanto quedo de arena remanente.(Pac=P 3-P4)

Trabajo en el campo Si el lugar donde debe realizarse la determinación presenta una superficie plana y lisa, se elimina todo el material suelto barriendo con una brocha de 1” seco y se apoya la base del plato, marcando su contorno y el borde del orificio central.

Si la superficie presenta pequeñas irregularidades, antes de eliminar el polvo con la brocha se empareja con una cuchilla de enrasar. Con ayuda de un cincel y con la pala jardinera o cucharón, o con cualquier otra herramienta adecuada, se ejecuta un hoyo cuyo diámetro será el mismo del tamaño del oficio central de la base del plato, y los volúmenes del orificio de prueba serán tan grandes para como para que sean prácticos y minimicen los errores, y en ningún caso más pequeños que los volúmenes indicados en la siguiente tabla. Volumen Tamaño máximo de la mínimo del Altura partícula orificio de ensayo Pulgada mm cm cm3 1/2 12.5 7.8 1420 1 25 11.6 2120 2 50 15.5 2830 92


MECANICA DE SUELOS

Volumen Mínimo del Hoyo de Ensayo Basado en el Tamaño Máximo de la Partícula

Se recoge cuidadosamente todo el material retirado del hoyo, colocándolo dentro de una bolsa plástica gruesa marcado para identificar el número de prueba a medida que se lo va extrayendo, de este mismo también se determinar el contenido de humedad, en una bolsa más pequeña. Pesar el material del hoyo. Pesar el frasco del cono de arena y tomar apunte. Limpie el borde del orificio del plato base, voltee el cono de arena y coloque el embudo el orificio rebordeado del plato base en la misma posición que se marcó durante la calibración. Elimine o minimice en el área de prueba las vibraciones que pueda causar el personal que realiza la prueba o el equipo de compactación que se utiliza. Abra la válvula y deje que la arena llene el orifico. Trate de evitar que el cono de arena se sacuda o vibre mientras la arena está corriendo. Cuando la arena deje de fluir, cierre la válvula, voltee el frasco.

Limpiar el borde del plato base

Esperar que la arena fluya

Abrir la válvula

Cerrar válvula y levantar frasco

Pesar el frasco para ver cuánto de arena se ha utilizado, y tomar apunte de este peso.

Para determinación de resultados finales en laboratorio: Pesar la tara limpia y seca. (Pr) Pesar la muestra húmeda a utilizar en el recipiente pesado y registrarlo en la hoja de datos. (Prmh) Colocar el recipiente con la muestra húmeda al horno a una temperatura de 110 ± 5ºC, hasta que tengamos una masa constante sin variación de peso. Sacar la tara del horno utilizando los guantes o las pinzas y colocar la tapa de la tara para evitar que la muestra tome la humedad ambiental, dejar enfriar a la temperatura de la habitación en donde se está trabajando. Pesar el material con la tara y regístralo en la hoja de datos. (Pmrs)

93


MECANICA DE SUELOS

CALCULOS Para calibrar el equipo de densidad de campo

1

Peso del frasco mas el cono vacio

P1

794

g

2

Peso del frasco mas agua hasta la válvula

P2

4994

g

3

Peso del frasco mas el cono con arena calibrada

P3

6450

g

4

Peso del frasco mas arena remanente

P4

4973

g

5

Volumen del frasco= (P 2-P1)

Vf

4200

g

6

Peso de la arena calibrada (P 3-P1)

Pa

5656

g

7

Densidad de la arena=Pa/Vf

ɣs

1.347

g/cm

8

Peso de arena en el cono y placa (P 3-P 4)

Pac

1477

g

3

                ℎ    ℎ     ℎ  ℎ        ℎ   ℎ       1             ∗100

El Grado de Compactación de un suelo se determina de acuerdo a la siguiente expresión:

  ó            ∗100 Donde: GC = Grado de Compactación Pu seca = Densidad Seca en el campo ɣdmax = Densidad Seca Máxima obtenida en el laboratorio .

94


MECANICA DE SUELOS

Frasco de vidrio con 20-30 de arena de Otawa (o similar)

Plato con agujero

Válvula Cono

(a) Cono de arena

COMPACTACIÓN MECÁNICA

Si se aumenta la carga al doble, es decir 2P, sin que se altere las dimensiones del área, los esfuerzos aumentan al doble como se puede observar, lo que puede ocasionar fracturas en las partículas del suelo variando grandemente su granulometría, además no se incrementa la distribución de esfuerzo esquematizadas por las semicircunferencias, lo que se concluye que no es conveniente sobrecargar los equipos más allá de las especificaciones de los fabricantes, pues también pueden llegar a dañarse al aplicarles cargas que sobre pasen a las de diseño. Pero si se aumenta la carga y el área al doble el esfuerzo es el mismo que el primero, pero la profundidad de las distribuciones si aumenta, con lo que se concluye que si se desean capas de mucho mayor espesor deben usarse equipos más pesados y con áreas de contacto mayores.

1. MÉTODOS Y EQUIPOS DE COMPACTACIÓN ¿De qué dependen los métodos empleados para la Compactación?

95


MECANICA DE SUELOS

Los métodos empleados para la compactación de suelos dependen del tipo de los materiales. CASOS:  Materiales puramente friccionantes como la arena, los métodos vibratorios son los más eficientes.  Suelos plásticos el procedimiento de carga estática resulta el más ventajoso.  En la práctica, estas características se reflejan en el equipo disponible para el trabajo, tales como: plataformas vibratorias, rodillos lisos, neumáticos o patas de cabra. Los Métodos de compactación usados son: 1.- Compactación por presión estática. 2.- Compactación por impacto. 3.- Compactación por vibración. 4.- Compactación por amasado.

1.1 COMPACTACIÓN POR PRESIÓN ESTÁTICA. El esfuerzo estático produce bajo la carga circulante tensiones con predominio de la componente vertical. Trabajan fundamentalmente mediante una elevada presión estática que debido a la fricción interna de los suelos, tienen un efecto de compactación limitado, sobre todo en terrenos granulares donde un aumento de la presión normal repercute en el aumento de las fuerzas de fricción internas, efectuándose únicamente un encantamiento de los gruesos. La compactación se logra utilizando una máquina pesada, cuyo peso comprime las partículas del suelo, sin necesidad de movimiento vibratorio. a) Apisonadoras clásicas de rodillos lisos: Estos equipos transmiten al suelo energía de presión y algo de amasamiento en materiales cohesivos. Al principio de la compactación al material de la capa es poco resistente y el rodillo se hunde una cierta cantidad con un cierto ancho de contacto, pero conforme el proceso avanza el material aumenta su resistencia por lo que la penetración es menor. Estas máquinas, aunque muy empleadas, la verdad es que su efecto de compactación alcanza muy poca profundidad en suelos cohesivos. Sin embargo son útiles para el planchado de asfalto y sellado de superficies regadas con emulsiones asfálticas, se emplean en la compactación de materiales como: grava, arena, piedra triturada, entre otras.

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b) Rodillos (patas de cabra): Esta denominación genérica se aplica a rodillos cilíndricos metálicos que cuentan con protuberancias. Éstas se presentan de variadas formas, pudiendo citarse: _ Pata de cabra. _ Segmentos. _ Grillas.

Estos Compactadores concentran su peso sobre la pequeña superficie de las puntas troncocónicas solidarias al rodillo, ejerciendo por lo tanto unas presiones estáticas muy grandes en los puntos en que las mencionadas partes penetran en el suelo. Conforme se van dando pasadas y el material se compacta, dichas partes profundizan cada vez menos en el terreno, llegando un momento en que no se aprecia mejora alguna, pues la superficie, en una profundidad de unos 5 centímetros siempre quedara distorsionada.  Este tipo de compactador trabaja bien con suelos coherentes, sin piedras, en capas de 20 cm, con humedad adecuada, se consiguen resultados satisfactorios en unas 8/10 pasadas.

c) Compactadores con ruedas neumáticas: Consiste en un equipo dotado de ruedas neumáticas lisas, de un ancho de banda superior al de un neumático de un vehículo de carga. Resulta un equipo de gran adaptación a una amplia gama de materiales. Sin embargo no resultan los más adecuados para la compactación de granulares de granulometría uniforme. El área de contacto de cada neumático produce un cierto grado de confinamiento, lo que hace que a la inversa que los pata de cabra, se considera que “compactan desde arriba”. La figura muestra la disposición de los neumáticos delanteros y traseros, que permiten lograr por superposición un ancho dado de compactación en cada pasada. El confinamiento que produce cada neumático, permite realizar tareas de terminación 97


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de compactación. Esta tarea habitualmente se denomina en obra como “compactación de sellado” o simplemente “sellado”. RODILLOS NEUMÁTICOS Compacta a mayores espesores que la pata de cabra. Produce una superficie relativamente lisa resistente a la lluvia. Permite compactar suelos con partículas grandes cuando el VENTAJAS pata de cabra no puede hacerlo. Las áreas húmedas de rellenos se detectan observando el sucio de las llantas. Se le puede utilizar para compactar pavimentos asfálticos. Se requiere escarificar entre capas. DESVENTAJAS No rompe los terrones de suelos (el pata de cabra sí).

d) Compactadores con ruedas neumáticas autopropulsadas: Equipados, generalmente, con dos ejes, con pesos normales entre 9 y 15 toneladas y con 8 hasta 13 neumáticos, son apropiados para suelos coherentes de granulado fino y arenas y gravas bien graduadas.  Los que conocemos por <<13 ruedas>>, son específicos para cerrar los aglomerados asfálticos.  Son máquinas complicadas que exigen entretenimiento cuidadoso; la altura de tongadas suele variar de 15 a 20 cm., y requieren 8/12 pasadas.  Su velocidad de trabajo oscila sobre los 3 km./pul. e) Compactadores con ruedas neumáticas remolcados: Por lo general poseen un solo eje y pocos neumáticos, con pesos de trabajo hasta de 200 Tn. Son apropiados para terrenos coherentes, margas, etc., influyendo poco los grandes tamaños de piedra. Estas máquinas son muy sencillas y no requieren más cuidado que el vigilar las presiones de los neumáticos. Los grandes Compactadores de este tipo hay que arrastrarlos con bulldozers de grandes potencies y por lo tanto requieren para su buena utilización grandes áreas de trabajo. 1.2 COMPACTACIÓN POR IMPACTO. Produce una onda de presión que se propaga hacia abajo produciendo movimiento relativos entre partículas. Se alcanza un esfuerzo mayor que el correspondiente al peso estático, trabajan únicamente según el principio de que un cuerpo que choca contra una superficie, produce una onda de presión que se propaga hasta una mayor profundidad de acción que una presión estática, comunicando a su vez a las partículas una energía oscilatoria que produce un movimiento de las mismas. La compactación es producida por una placa apisonadora que golpea y se separa del suelo a alta velocidad, es decir amasado al suelo para aumentar su peso especifico a) Placas de caída libre: Se trata de unas placas de hierro de superficie de contacto lisa de 0,5 m 2, de forma rectangular y con un peso que oscila entre las 2 y 3 Tm., las cuales se eleven mediante cables hasta una altura de 1,5 a 2 m. sobre el suelo y se les deja caer libremente sobre el 98


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mismo. Para ello se necesita una maquina adicional tal como una excavadora, grúa, etc. La preside de contacto que produce la caída es muy alta y comprime en combinación con una cierta sacudida hasta los suelos pesados, rocosos. Es únicamente en la compactación de roca donde puede ser interesante.

b) Pisones de explosión: Este tipo de maquina se levanta del suelo debido a la explosión de su motor, que por reacción contra el mismo produce la suficiente fuerza ascendente pare elevar toda ella unos 20 cm. Al caer ejerce un segundo efecto compactador dependiente de su peso y altura de elevación. Estos pisones son muy apropiados pare suelos coherentes, aunque también den resultado con otra clase de materiales. Son muy buenos para la compactación de zanjas, bordes de terraplenes, cimientos de edificios, etc. La habilidad del operador es decisiva en el rendimiento y calidad del trabajo. Los pisones grandes, de 500 a 1.000 kg., 11egan a compactar incluso tongadas de unos 30 centímetros de espesor en 4 ó 6 pasadas. Estas máquinas, sin embargo, tienen un defecto grave y es el elevado número de horas de avería por hora útil de trabajo.

1.3 COMPACTACIÓN POR VIBRACIÓN. El esfuerzo vibratorio produce una rápida sucesión de impactos aplicando al suelo vibraciones de alta frecuencia y, por lo tanto de ondas de presión que se propagan en grandes profundidad. Por ejemplo: Placa o rodillos vibratorios. Las compactadoras vibratorias proporcionan la fuerza compactadora mediante una combinación del peso y la vibración de sus rodillos (tambores) de acero. a) Rodillos vibratorios: Estos rodillos funcionan disminuyendo temporalmente la fricción interna del suelo. Como en los suelos granulares (gravas y arenas) su resistencia depende principalmente de la fricción interna, en los suelos plásticos depende de la cohesión, la eficiencia de estos rodillos está limitada a suelos granulares. Los factores que influyen en los resultados del rendimiento del equipo son los siguientes:  La frecuencia que puede alcanzar el oscilador por minuto  La amplitud, que puede ser cuantificada por una distancia vertical en casi todos los equipos del mercado  El empuje dinámico que se genera con cada impulso del oscilador  La carga muerta, el peso del equipo de compactación, es decir, todo lo demás sin considerar el oscilador  El área que abarca el compactador en el suelo  La estabilidad del rodillo 99


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b) Placas vibrantes: Consisten en una plancha base que produce un golpeteo en sentido vertical, debido al movimiento giratorio de un plato excéntrico accionado por un motor. Las fuerzas vibratorias engendradas son mayores que el peso de la máquina y por lo tanto la maquina se levanta del suelo en cada ciclo de rotación del plato excéntrico, El movimiento de traslación se consigue utilizando parte de la energía de vibración según la componente horizontal. Hay placas vibrantes con alta frecuencia (> 40 c/seg.), que funcionan muy bien con suelos cohesivos, arenas y gravas, pero la capa superior de unos 5 cm. de espesor queda removida por efecto de las vibraciones sin sobrecarga. Las placas con frecuencias bajas (< 30 c/seg.) disminuyen este efecto de superficie y sin embargo en las capas profundas producen buenos resultados en suelos algo cohesivos . Estas máquinas son útiles para trabajos pequeños, tales como relleno de zanjas, arcenes, paseos, etcétera. Sin embargo, se pueden unir 2, 3 6 más vibradores de placa en paralelo y obtener de esta manera una poderosa máquina de compactación. c) Rodillos Vibratorios Autopropulsados: Es importante o bien que se requiera previamente a la vibración un (planchado), son muy útiles. Su empleo está indicado en los suelos granulares bien graduados sobre todo cuando los tajos son estrechos y no permiten alar la vuelta fácilmente a los rodillos remolcados. d) Rodillos Vibrantes Remolcados: Son muy apropiados para compactar arenas y gravas no cohesivas o ligeramente cohesivas, así como terrenos naturales rocosos, siempre que los fragmentos de roca sean pequeños. En suelos coherentes no dan buen resultado pues la vibración que producir en las partículas, no suele ser suficiente para vencer la cohesión existente entre ellas y como consecuencia su efecto sobre el material, es el puramente estático e) Compactadores vibratorios “patas de cabra”: Estos rodillos fueron construidos pensando en compactación de suelos coherentes y en particular en los terrenos arcillosos, pues al concentrar las fuerzas estáticas y dinámicas sobre áreas pequeñas, es más fácil conseguir la energía necesaria y suficiente pare romper las fuerzas de cohesión (de naturaleza capilar), entre sus partículas. Las patas de estos rodillos producen una acción mezcladora y rompedora muy beneficiosa, sobre todo si el terreno no es homogéneo. f) Supercompactadores pesados remolcados: Se refiere a los que poseen peso propio entre 8 y 10 toneladas., son especialmente indicados pare la compactación de suelos rocosos no 100


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coherentes o ligeramente coherentes. Para la compactación de roca, el espesor de la capa debe ser función del tamaño máximo y del porcentaje de granos finos.

VENTAJAS

DESVENTAJAS

COMPACTADORES VIBRATORIOS Se obtienen densidades mayores en suelos granulares que con el compactador de neumáticos. Puede compactar rellenos limpios saturados. Puede romper las gravas y deteriorar la calidad del material. Puede crear laminación y capas de finos Requiere escarificar entre capas

1.4 COMPACTACIÓN POR AMASADO Producen este tipo de compactación aquellos equipos que concentran todo su peso sobre la pequeña superficie de un conjunto de patas de forma variada, ejerciendo elevadas presiones en los puntos en que dichas patas penetran en el suelo. El rodillo llamado pata de cabra es el dispositivo de campo más popular que produce este tipo de compactación. a) Rodillo pata de cabra Esta máquina ejerce elevadas presiones en los puntos en que dichas patas penetran el suelo.

VENTAJAS

RODILLOS PATA DE CABRA El proceso de amasado mezcla el suelo con el agua en mejor forma que otros compactadores. Rompe los pedazos o “grumos” de suelo a roca blanda. Produce muy buena unión entre capas.

Es excelente en la compactación de arcillas puras.

DESVENTAJAS

Deja la superficie muy rugosa y desigual susceptible a empozamiento del agua lluvia. Compacta capas más delgadas que otros compactadores. La efectividad disminuye cuando los suelos poseen partículas grandes bloques o cantos. Es inadecuado en la compactación de gravas. Los rodillos pata de cabra autopropulsados a veces producen rotura o laminación del relleno.

En la actualidad se han desarrollado otros tipos de compactadores que pueden considerarse como variantes de la pata de cabra, que son:

101


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b) El Rodillo de Rejillas: Se ha empleado en materiales que requieren disgregación, sobre suelos como arcillas homogéneas o mezclas de arenas, limos y arcillas, con abundancia de finos.

c) El Rodillo Segmentado: Se ha usado de modo preferente en materiales que requieren disgregación, pero hoy en día su uso se ha extendido a otros tipos de suelo, entre los que están los limos y las arcillas no muy plásticas.

Selección del tipo de maquina en función del tipo de suelo según la clasificación AASHTO (Dujisin y Rutland) Equipo

A-1 a

A-1 b

A-3

A-2-4

A-2-5

A-2-6

A-2-7

A-4

A-5

A-6

A-7

Rodillo liso

1

2

2

1

1

1

2

2

3

3

4

2

2

2

1

1

1

1

2

2

2

3

5

5

5

4

4

3

2

2

1

1

1

2

2

1

2

2

2

4

4

4

4

4

1

1

1

1

1

3

4

3

3

5

5

Rodillo neumático Rodillo pata de cabra Pisón impacto Rodillo vibratorio

Clasificación del comportamiento del equipo

Excelente

1

Bueno

2

Regular

3

Deficiente

4

Inadecuado

5

102


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Gravas

Arenas

Arenas Arcillas. y Limosas

GW GP GM GC

SW SP

SC SM

RODILLO LISO

Bueno

Excelente

Bueno

Deficiente

Inadecuado

RODILLO NEUMÁTICO

Bueno

Excelente

Bueno

Bueno

Deficiente

RODILLO PATA DE CABRA

Inadecuado

Inadecuado

Deficiente

Excelente

Excelente

PISON IMPACTO

Excelente

Excelente

Deficiente

Inadecuado

Inadecuado

RODILLO VIBRATORIO

Excelente

Excelente

Bueno

Inadecuado

Inadecuado

EQUIPO

Limos y Limos Arcillas.

Arcillas Puras

ML CL OL MH CH OH

1.5 MÉTODOS DE COMPACTACIÓN COMBINADOS Uno de los dispositivos más empleados es el rodillo liso con una unidad de vibración acoplada, siendo su eficiencia máxima en suelos granulares. También se acoplan unidades de vibración a rodillos neumáticos, los cuales encuentran su mejor aplicación en suelos arenosos bien gradados, arenas limosas e incluso arcillosas. El rodillo pata de cabra con aditamento de vibración es empleado en la compactación de suelos arcillosos en capas un poco mayores a las normales. MATERIALES Terraplenes y terrenos naturales de grano fino Capas granulares de base, sub base y terreno mejorado

TIPO DE MAQUINARIA DE COMPACTACIÓN Rodillo de pata de cabra Rodillo de llantas de acero segmentada Rodillos neumáticos con ruedas oscilantes Rodillos vibratorios con llantas metálicas Rodillos de neumáticos Compactadores vibratorios Rodillos neumáticos de ruedas oscilantes Rodillos de llanta metálica segmentada.

Capas de base y otros tipos de áridos gruesos.

Compactadores vibratorios de zapatas Compactadores vibradores de rodillo y llantas metálicas Compactadores de llanta metálica Compactador de neumáticos

Capas asfálticas de base mezcladas in situ

Apisonadoras de neumáticos Apisonadoras de llanta metálica Apisonadora de llanta metálica segmentada

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Capas de base, intermedias o de superficies mezcladas en instalación mezcladora.

Apisonado inicial Apisonadoras de llanta metálica (tipo tándem 2 ejes) Apisonado intermedio Apisonadoras de neumáticos (autopropulsados) Rodillos tándem de 2 y 3 ejes. Apisonado final

CONCLUSIONES.  Los métodos empleados para la compactación de suelos dependen del tipo de materiales con que se trabaje en cada caso; en los materiales puramente friccionantes como la arena, los métodos vibratorios son los más eficientes, en tanto que en suelos plásticos el procedimiento de carga estática resulta el más ventajoso. En la práctica, estas características se reflejan en el equipo disponible para el trabajo, tales como: plataformas vibratorias, rodillos lisos, neumáticos o patas de cabra.  La compactación de los suelos se produce por la reorientación de las partículas o por la distorsión de las partículas y sus capas absorbidas. En un suelo no cohesivo la compactación ocurre mayormente por la reorientación de los granos para formar una estructura más densa. La presión estática no es muy efectiva en este proceso porque los granos se acuñan unos contra otros y resisten el movimiento.  La importancia de este proceso radica en el aumento de la resistencia y la disminución de la capacidad de deformación que se obtiene al someter el suelo a procesos que aumentan el peso específico seco. Por lo general, las técnicas de compactación se aplican a rellenos artificiales, tales como cortinas de presas de tierra, diques, terraplenes para caminos y ferrocarriles, bordes de defensas, muelles, pavimentos, etc.  Equipos de compactación son herramientas que se utilizan para comprimir ya sea el suelo o el material de desecho. En su mayoría son utilizados por las empresas de construcción para preparar los sitios de construcción. Los compradores pueden elegir entre una variedad de estos equipos en función de su uso previsto, ya sea para la compactación del suelo o de los residuos, el tipo de suelo, el precio, entre otros. La primera consideración es determinar el tipo de suelo a compactar. Cada tipo de suelo tiene sus requisitos propios y exclusivos. Los tipos de suelo se diferencian por su tamaño de grano. Hay, tipos de suelos cohesivos, granulares, y orgánicos, basados en el tamaño de sus partículas. Cada uno de los tipos de suelo puede ser perfectamente compactado con diferentes equipos.

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TENSIÓN SUPERFICIAL TENSIÓN SUPERFICIAL: Es una característica de los suelos de generar esfuerzos de manera que pueda resistir pesos en función de las características del fluido. Tensión superficial es una propiedad de las superficies de los líquidos.

  

F= ( π D ) 2T

En donde: T = Tensión superficial F= fuerza D= diámetro. La superficie de cualquier líquido se comporta como si sobre esta existe una membrana a tensión. A este fenómeno se le conoce como tensión superficial. La tensión superficial de un líquido está asociada a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. La tensión superficial es responsable de la resistencia que el agua presenta a la penetración de su superficie, de la tendencia a la forma esférica de las gotas de agua, del ascenso del agua por tubos capilares y de la flotación de objetos u organismos sobre la superficie del agua. En el interior del agua, alrededor de una molécula actúan fuerzas atractivas simétricas que se contrarrestan entre sí, pero en la superficie del agua es algo distinto, una molécula se encuentra sólo parcialmente rodeada por otras moléculas y en consecuencia esta es atraída hacia el interior del agua por las moléculas que la rodean. Esta fuerza de atracción, tiende a arrastrar a las moléculas de la superficie hacia el interior del agua y al hacerlo el agua se comporta como si estuviera rodeada por una membrana invisible que impide que cuerpos muy pequeños la penetren. Se ha medido el valor de la tensión superficial del agua, que es: T = 0.073 N/m

¿Por qué las gotas de agua no son cuadradas o triangulares, sino que tienden a ser esférica? Las fuerzas de tensión superficial tienden a minimizar la energía en la superficie del fluido haciendo que estas tengan una tendencia a una forma esférica, las moléculas establecen interacciones atractivas que las mantienen cohesionadas. En el interior, una molécula de agua está rodeada de otras de su misma especie, las interacciones se distribuyen en todas las direcciones sin existir ninguna privilegiada. Sin embargo en la interface que limita la gota y la separa del aire, la situación es diferente. Una molécula de agua que ocupe cualquier posición de esta superficie, no tiene a otras sobre ella, lo que significa que no está sometida a interacciones con otras moléculas de agua, más allá de la interface. En consecuencia se da una asimetría en la distribución de interacciones y la aparición de una fuerza resultante neta que apunta hacia el interior de la gota.

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¿Porque se da la tensión superficial? La tensión superficial existe en la superficie de un líquido expuesto al aire es debida a la atracción intermolecular que la masa del líquido ejerce sobre aquellas moléculas situadas en la superficie. Esta figura muestra el diagrama de fuerzas actuando sobre el cuerpo, nótese que el peso es equilibrado por la tensión superficial del agua.

La tensión superficial depende de la naturaleza del líquido, del medio que le rodea y de la temperatura. Líquidos cuyas moléculas tengan fuerzas de atracción intermoleculares fuertes tendrán tensión superficial elevada.

¿Porque la tensión superficial del agua es superior a los demás líquidos? Dado que las fuerzas intermoleculares de atracción entre moléculas de agua se deben a los enlaces de hidrogeno y estos representan una alta energía, la tensión superficial del agua es mayor que la de muchos otros líquidos. Eter liquido………17dinas/cm Alcohol………….. 22 dinas/cm Benzeno………….29 dinas/cm Agua…………..…73 dinas/cm Mercurio………….430 dinas/cm (1 Dina= milésima de 1 gramo)

Tensión Superficial en el Suelo En los suelos de grano grueso, la mayor parte del agua retenida lo es por tensión superficial, que se presenta alrededor de los puntos de contacto entre las partículas sólidas o en los poros y conductos capilares del suelo.

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Naturaleza de la Deformación del Suelo Fuerzas de Contacto entre partículas adyacentes Deformaciones elásticas y plásticas de partículas en puntos o zonas de contacto.

Naturaleza de la Deformación del Suelo Fractura y Aplastamiento de partículas con aumento de área de contacto

Flexión de “láminas” con movimiento relativo entre

partículas adyacentes

Deslizamiento relativo entre partículas cuando T > Resistencia tangencial

Deformación general del suelo Deformaciones individuales de partículas + Deslizamiento relativo entre partículas. 107


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(Deformación de masa de suelo controlada por interacciones entre partículas individuales, especialmente por deslizamiento entre las mismas (fricción, adhesión))

¿Qué es cohesión? Esta fuerza es debida a atracción molecular en razón, a que las partículas de arcilla presentan carga superficial, la cohesión es la atracción entre las moléculas de una misma naturaleza ¿la adhesión es la atracción entre moléculas de diferentes sustancias. Se debe a la tensión superficial que se presenta entre las partículas de suelo y las moléculas de agua. Sin embargo, cuando el contenido de agua aumenta, excesivamente, la adhesión tiende a disminuir. El efecto de la adhesión es mantener unidas las partículas por lo cual depende de la proporción Agua/Aire. La cohesión aparente , que pueden presentar taludes de arena que se han mantenido estables, se

explica por la humedad de contacto. Ella la ejerce la pequeña cantidad de agua que puede mantenerse, sin caer, rodeando los puntos de contacto entre los diminutos granos de arena, gracias a fuerzas de adherencia entre el líquido y el sólido y de tensión superficial, que se oponen a la gravedad.

Ejercicio 1. Si la fuerza requerida para separar un anillo de DuNoy de 4 cm. de diámetro de la superficie de un líquido es de 18.6g ¿Cuál es el valor de la tensión superficial del líquido? 108


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CAPILARIDAD ¿Qué es la capilaridad? La capilaridad es un fenómeno, que consiste en el ascenso de agua por un tubo delgado, conocido como tubo capilar. Este fenómeno depende de las fuerzas creadas por la tensión superficial y el estado de la pared del tubo. La capilaridad puede ocurrir tanto en tubos como en el suelo. La Humedad por Capilaridad es un fenómeno natural que se produce por la absorción del agua a través de materiales porosos como lo son todos los materiales de construcción. Esto es lo que hace, que el agua del subsuelo , en casos de terrenos húmedos, o empapados por la lluvia, ascienda a través de los pequeños poros del material empleado (como el ladrillo y mortero), mojando la pared y presentando, las típicas manchas blancas de salitre. caída del revestimiento, manchas, mohos, malos olores, salitre, ácaros, etc. Este tipo de humedades, es muy frecuente, en construcciones de principios de siglo, de ladrillo macizo, de mampostería o tapial, que su cimiento se realizaba igualmente con materiales porosos. Hay veces, que aunque la edificación disponga de sótano, se ven las paredes de éste todas humedecidas, ascendiendo el agua a través de ellas, hasta salir en la planta baja.

Capilaridad de Aguas Freáticas En el momento que la cimentación de cualquier estructura, sea una cimentación profunda (pilotes, pilas o cajones), se debe tener en cuenta que esta estructura estará sumergida parcialmente por aguas freáticas, y que esta estructura de cimentación, sufrirá cambios de humedad por la subida y la bajada del nivel Freático. Para que se presente la capilaridad del agua freática en un suelo, se debe tener en cuenta que el suelo debe ser fino, para poder que los poros que haya entre las partes sólidas del suelo, sea tan pequeño como un tubo capilar. Si tenemos un suelo como una grava gruesa, no se producirá el fenómeno de capilaridad, haciendo así estos suelos gruesos muy apetecidos en la construcción cuando se tienen niveles freáticos altos.

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MECANICA DE SUELOS

Máximo ascenso capilar en tubos. Solida

α α

a) El ángulo de contacto es menor de 90° b) El ángulo de contacto es mayor de 90°

a) Forma cóncava o

o

o

b) Forma convexo

De acuerdo a la figura (a) el ángulo de contacto es menor de 90° y se observa que el líquido moja la superficie de la parte sólida. De acuerdo a la figura (b) el ángulo de contacto es mayor de 90° y se observa que el líquido no moja la superficie de la parte sólida. La máxima tensión es cuando el menisco es 0°

hc hc hc

AGUA

Se muestra tres tubos capilares de diámetros diferentes colocados en posición vertical sobre una masa de agua, de tal manera que el extremo inferior está sumergido y el extremo superior queda libre a la atmósfera. Al poner el tubo en contacto con el agua, la atracción molecular 110


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entre el vidrio y el agua se combina con la tensión superficial, como resultado de esto la tensión superficial actúa en las moléculas de agua y eleva el agua hasta una altura hc , conocida como el máximo ascenso capilar. Este ascenso depende del diámetro del tubo, mientras más pequeño sea el diámetro del tubo mayor será el ascenso capilar. Tubo capilar

D 



T

hc· w

T

hc

uw

Presión +

W

h

h·w

(b)

(a)

(c)

En esta figura se muestra que la superficie libre de la columna de agua capilar, tiene una forma una cóncava llamada menisco. Esta forma se debe a que la tensión superficial ( T ), actúa perimetralmente alrededor del tubo con una inclinación α respecto a la pared del tubo. El ángulo α, es llamado ángulo de contacto, su valor depende de las condiciones de la pared del tubo. En tubos con pared limpia, tomará el valor de cero. Si la pared el tubo está sucia, tomará un valor comprendido entre 0 y 90º. En cambio, si la pared del tubo está cubierta de grasa de modo que impida la adherencia del agua, tomará un valor mayor a 90º.

ΣFabajo + ΣFarriba = 0

……. (Ecuación 1)

La única fuerza hacia arriba considerada como negativa, es la componente vertical de la tensión superficial, que será:

 F

arriba

 T

V

La componente vertical Tv de la tensión superficial, ocasiona el ascenso capilar que será.

 F

arriba

   D  T  cos 


La fuerza que actúa hacia abajo, considerada positiva es la del peso de la columna de agua que será:

 F abajo  W

111


MECANICA DE SUELOS

Donde, se tendrá que:     hC    D    w 4 

 F


2

abajo

Por lo tanto, reemplazando las ecuaciones [2] y [3] en la ecuación [1], se tiene que: 2

hc

 d 



4



w



 D T cos  







0

Despejando hc, se tiene que:

   

   

Dónde: T= tensión superficial (dinas/cm) (g/cm) α= ángulo de contacto w= densidad del líquido (peso específico) (g/cm 3) r= radio interno del tubo capilar (cm) D = diámetro interno del tubo capilar (cm) hc= máximo ascenso capilar (cm) Elevación capilar en los suelos La altura típica que alcanza la elevación capilar para diferentes suelos es: Arena gruesa 2 a 5 cm, Arena media 12 a 35 cm, Arena fina 35 a 70 cm, Limo 70 a 150 cm, Arcilla 200 a 400 cm y más. Gracias al fenómeno de la Tensión superficial y Capilaridad, existe un incremento de agua a la capa activa del suelo.

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Ejercicios 1. Cuál será la altura que alcance el agua en un tubo vertical con D= 0.4mm, si su ángulo es 30°.

α

    ∗cos 30  4∗73/1000g/cm 0.04cm∗1g/ 6.32 2. Se tiene en el laboratorio 2 tubos capilares llenos con líquido de agua, de diámetro 6mm y 4mm respectivamente. La altura de elevación capilar en ambos tubos es la misma, siendo máximo en el primer tubo, y considerando que el ángulo de contacto que hace con el tubo capilar es de 0°. Se desea conocer el ángulo de contacto del líquido en el segundo tubo. 3. Un tubo de vidrio de diámetro interior 0.5mm, se introduce verticalmente en un recipiente de mercurio, de modo que su extremo inferior quede 1cm, por debajo de la superficie del mismo. A que altura se elevara el mercurio en el tubo, si la presión del aire en el mismo es 3x10 4 dinas/cm2 por debajo de la atmosfera. El ángulo de contacto entre el mercurio y el vidrio es 140°, y el peso específico del mercurio es 13.6g/cm 3.

113


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PERMEABILIDAD DE SUELOS Los suelos y las rocas no son sólidos ideales, sino que forman sistemas con 2 o 3 fases: partículas sólidas y gas, partículas sólidas y líquidas, o bien, partículas sólidas, gas y líquido. El líquido es normalmente agua y el gas se manifiesta a través de vapor de agua. Por lo tanto se habla de medios “porosos”. A estos medios se les caracteriza a través de su porosidad y a su vez esta propiedad condiciona la permeabilidad del medio o del material en estudio. Se dice que un material es permeable cuando contiene vacíos continuos, estos vacíos existen en todos los suelos, incluyendo las arcillas más compactas, y en todos los materiales de construcción no metálicos, incluido el granito sano y las pasta de cemento, por lo tanto dichos materiales son permeables. La permeabilidad es la facilidad con la que un fluido se mueve a través de un medio poroso. El fluido es el agua y el medio poroso la masa de suelo. Esta presencia de agua en la masa de suelo, es uno de los factores de mayor importancia que incide en las propiedades ingenieriles del suelo, lo cual implica un estudio muy cuidadoso que requiere la participación de un ingeniero civil y un geólogo. Estos especialistas realizarán una revisión geológica, antecedentes del área y una investigación de campo con el objetivo de obtener un coeficiente de permeabilidad “in situ”, los cuales son muy diversos, dependiend o del tipo de roca o suelo, de los poros, vacíos, discontinuidades o fisuras. Se considera que los suelos y rocas en general tienen una permeabilidad media o cierto grado de permeabilidad, considerándose a este flujo del agua a través de los poros, vacíos, discontinuidades o fisuras como laminar, es decir un flujo no turbulento. La representación para un flujo promedio en condiciones de permeabilidad media es expresada por:  La Ley De Darcy: Encontró que para velocidades suficientemente pequeñas el gasto o caudal Q es:

  .  . 

Dónde: Q= Caudal o gasto (cm 3/seg)

:Di:Variferiaciencion adell devoltieumpo men en un diferiencial de tiempo k = coeficiente de permeabilidad (cm/seg) A=Sección transversal del filtro (cm 2) i = Gradiente hidráulico (adimensional).

Darcy, hizo variar la longitud de la muestra ( L) y las alturas piezométricas en la parte superior (h3) e inferior (h4) de la muestra. Para todas las variantes, midió el caudal ( q) desplazado, que era el que circulaba a través de la arena. Darcy encontró experimentalmente que el caudal era proporcional a la relación: (h1 – h2)/ L. Por lo cual propuso que:

 h  h    A  L 

Q  k  

1

2

114


MECANICA DE SUELOS

entra

q

1 2 3

Arena

L

4

q sale h

2

Línea de referencia

La relación: ( h1 – h2)/ L, resulta ser el gradiente hidráulico del sistema

Q=K. i. A Se considera la ecuación de continuidad:

Q=V. A Dónde: Q= Caudal o gasto (cm 3/seg) A=área transversal (cm 2) V = Velocidad (cm/seg) La variación de la velocidad de descarga respecto al gradiente hidráulico, describe una trayectoria que se ajusta a una línea recta que parte del origen. La ecuación de esta línea será: 

Velocidad de descarga o velocidad de flujo V = k. i



Velocidad de filtración; Velocidad de escurrimiento (V1) Velocidad media de avance del agua en la dirección del flujo Es la que toma en cuenta la exigencia de una fase solida impermeable. Puede considerarse como velocidad media de avance del agua en la dirección del flujo. Esta velocidad supone que el agua tiene trayectoria recta al atravesar el suelo.

115


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Área total=A=h unidad de profundidad Área de vacíos=Av=hv unidad de profundidad. S e observa que el área disponible para el paso del agua es el área de vacíos Av en lugar del área total A propuesta por Darcy. Si el caudal Q esta en régimen, por condición de continuidad. Q=V. A V. A=V1*Av

  ∗  A∗L V 1 1e    A ∗L V n e

Si se considera una muestra de suelo de longitud L A.L=V, volumen total Av=L=Vv, volumen de vacíos n = Porosidad de la muestra. e= relación de vacíos V 1= Velocidad de filtración en cm/seg V = Velocidad de descarga. n = Porosidad de la muestra. e= relación de vacíos 

   ∗ 1

Velocidad real (Vr) También se le denomina, velocidad media real. Considera que el agua al atravesar el suelo recorre una longitud sinuosa o irregular de longitud Lm y las variaciones del área de los poros en cada canal

  ∗   1 .  Lm = Longitud sinuosa o irregular (m.) L = Longitud teórica recta (m.) 

Expresión conocida como LEY DE DARCY Q=K. i. A

116


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Todos los suelos tienen un mayor grado o menor grado de percolación.

G>S>M>C 

Gradiente Hidráulico El gradiente hidráulico se define como la relación entre la pérdida de carga y la distancia donde ocurre esta pérdida, es medido en dos puntos del sistema como el caso de los puntos A y B de la Figura. La altura total de carga disminuirá siempre en el sentido del flujo de agua, por lo cual el valor del gradiente hidráulico siempre será positivo, además será adimensional. Los puntos ubicados para medir el gradiente hidráulico siempre estarán alineados respecto a la dirección del flujo. h A h A h

h B

l d e a ó g i n u c r e c d e a i D j o f l u

Dirección del flujo de agua

h A

h

h

h B h B

Dirección del flujo de agua

A

A L

B

A

L

B

B

L

Ubicación correcta de los puntos para determinar el gradiente hidráulico

Vinculando la perdida de carga con el recorrido de la línea de filtración se obtiene el gradiente hidráulico i, (adimensional), considerando positivo en la dirección de la corriente

Dónde:

 ∆

L: longitud del recorrido en la muestra de suelo (m) Un valor elevado del gradiente hidráulico refleja una fricción excesiva, y esto generalmente significa un flujo con velocidad alta. En el caso de los suelos es igual

117


MECANICA DE SUELOS

1. OBJETIVOS DEL ENSAYO DE PERMEABILIDAD:  Conocer a priori la factibilidad del almacenamiento de un determinado volumen de agua en un lugar con fines de saneamiento.  Evaluar la cantidad de flujo filtrado a través o por debajo de presas y diques, hacia pozos de agua.  Evaluación de las fuerzas de subpresión o fuerzas de filtración bajo estructuras hidráulicas, para un análisis de estabilidad.  Evitar la tubificación, mediante el control de las velocidades de filtración.  Evaluación de la velocidad de asentamiento debido al cambio de volumen que ocurre cuando el agua alojada en los poros del suelo es evacuado bajo un gradiente de energía.  Obtener información de un material acerca de sus condiciones hidráulicas e hidrogeológicas en lugares donde se ubique la cimentación de una obra proyectada.

Los diques del estanque se deben construir con un tipo de suelo que garantice una buena retención del agua.

2. FORMAS DE CAPTACIÓN DEL AGUA EN LA NATURALEZA A. PROCEDENCIA DEL AGUA DE TERRENO El agua presente en los suelos puede prevenir de distintas fuentes:  Agua de sedimentación: es aquella incluida en suelos sedimentarios al depositarse sus partículas.  Agua de filtración: es la proveniente de lluvias, corriente de agua o hielos, lagos y mares. FLUJO DE AGUA. La tierra en su mayor parte contiene agua, la cual compone el 70 % de ella. Por esa razón, no resulta raro que sea el agua el fluido más comúnmente encontrado durante la excavación en la construcción de una obra de ingeniería. El agua principalmente se encuentra en los ríos, lagos, mares, en el suelo como agua subterránea y otros lugares. Esta proviene de diversas fuentes, pero principalmente de la lluvia y de la fusión de la nieve. Ciclo hidrológico y ocurrencia de agua en el suelo. El ciclo hidrológico, es el proceso que resulta en la circulación del agua por toda la tierra. Básicamente el proceso empieza cuando el agua se evapora de la superficie del océano y asciende a la atmósfera. Las corrientes de aire que se mueven constantemente en la atmósfera de la Tierra llevan hacia los continentes el aire húmedo. Cuando el aire se enfría, el vapor se condensa y forma gotitas de agua que por lo general se las ve en forma de nubes. Con frecuencia las gotitas se juntan y forman gotas de lluvia. Si la atmósfera está lo suficientemente fría, en vez de gotas de lluvia se forman copos de nieve. Sea en una forma 118


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o la otra, el agua que ha viajado centenares o hasta miles de kilómetros desde el océano cae sobre la superficie terrestre. Allí se junta en riachuelos o se infiltra en el suelo y empieza su viaje de regreso al mar ( Compton’s Encyclopedia). Los procesos internos más importantes que ocurren continuamente en el ciclo hidrológico son:  Evaporación.- La fuente de la energía necesaria para el movimiento del agua proviene del calor del Sol. La temperatura del suelo y la radiación calórica transforma el agua en vapor ligero que se eleva hasta la atmósfera, cada segundo el Sol hace subir 15.000.000 de toneladas de agua de los océanos y otras fuentes. Pero el vapor acuoso no solo se produce como resultado de la acción de bombeo del Sol en las superficies de los cuerpos de agua. Aproximadamente el 85 % proviene de los océanos, pero las plantas también contribuyen vapor acuoso. Embeben humedad por medio de su sistema de raíces y luego la pasan por las hojas como vapor. Un abedul puede despedir unos 265 litros de agua diariamente y una hectárea de maíz puede despedir unos 36.300 litros en un día (Compton’s Encyclopedia).  Condensación.- El agua que se evapora y asciende a la atmósfera, mediante las corrientes de aire que se mueven constantemente en la atmósfera de la Tierra, llevan hacia los continentes cada año unos 400.000 km 3 de aire húmedo. Cuando el aire se enfría, el vapor se condensa y forma gotitas de agua. Por lo general se las ve en forma de nubes que flotan mientras están en forma de vapor, las cuales circulan por todo el planeta gracias a la acción de los vientos.  Precipitación.- El agua en forma de nubes que ya se encuentra filtrada y depurada, cae como lluvia, nieve y hielo a la superficie terrestre. A esta acción se la denomina precipitación.  Escurrimiento.- Cuando el agua cae al suelo, una parte de esta ingresa al interior (infiltración) de este modo se reabastecen los depósitos subterráneos de agua. Sin embargo, el agua que no ingresa corre por encima de la superficie terrestre y llega a formar parte de los lagos, ríos o algún tipo de corriente y con el tiempo regresa al mar para empezar nuevamente el ciclo. La fuente de energía que hace posible este proceso es la gravedad.

Precipitación

Infiltración

Evaporación

Escorrentía

Lago

Nivel freático

Dirección del movimiento del agua

Mar

(a) 119


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Eva oración

Atmósfera

Evaporación Transpiración de las plantas Preci itación Escurrimiento Sobre la tierra

Flujo de agua Infiltración

(b) Ciclo hidrológico del agua. (a) Ciclo hidrológico (Diccionario del agua). (b) Esquema del ciclo hidrológico con todos los procesos (Blyth & de Freitas, 1989).

B. NIVEL FREÁTICO Se define como nivel freático al lugar geométrico de puntos del suelo en los que la presión de agua es igual a la atmosférica. Corresponde además al lugar geométrico de los niveles que alcanza la superficie del agua en los pozos de observación en comunicación libre con los huecos del suelo. Por debajo del nivel freático las presiones neutras son positivas. Para condiciones estáticas del agua, en un cierto suelo, el nivel freático sería una superficie horizontal, sin embargo, si existe la posibilidad de que el agua fluya dentro del suelo, ya no hay razón para que el nivel freático siga siendo horizontal, y de hecho, naturalmente no lo es: el nivel freático en un punto varia con respecto a las variaciones de precipitación, presión atmosférica y con las mareas. C. NIVEL PIEZÓMETRO. Se define como nivel piezómetro a la altura que alcanza el agua en un tubo vertical o piezómetro en un punto determinado.

D. ACUÍFERO Un acuífero es un estrato subterráneo de suelo, generalmente compuesto de arena o grava cuya permeabilidad permite la retención de agua, dando origen a las aguas interiores o freáticas. Generalmente los acuíferos se originan cuando el agua que se encuentra ocupando los espacios vacíos entre las partículas del 120


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suelo no queda retenida en ellos, estos espacios sirven como conductos de transmisión y como depósitos de almacenamiento. Como conductos de transmisión transportan el agua subterránea de las áreas de recarga, hacia lagos, pantanos, manantiales, pozos y otras fuentes de captación. El límite inferior de un acuífero descansa sobre un nivel o substrato rocoso impermeable; el límite superior se denomina nivel freático. Como depósitos de almacenamiento, los acuíferos actúan suministrando agua de sus reservas para ser utilizada cuando la extracción exceda a la recarga y, a la vez, almacenando agua durante los períodos en que la recarga resulta mayor que la extracción  Acuífero artesiano o confinado: es aquel en que el agua del subsuelo esta confinada a presión entre estratos impermeables o semipermeables de manera que el nivel piezómetro correspondiente al estrato está a un nivel superior que la frontera más alta del mismo, por lo que si se abre un pozo el agua subirá por encima de esta frontera Puede alcanzar el nivel del terreno y según ello suceda o no se tendrá un pozo brotante, respectivamente. El agua en un pozo artesiano marca el nivel de las presiones hidrostáticas en el acuífero en el sitio en que se abrirá el pozo, la superficie imaginaria definida por esos niveles es la superficie piezometrica del acuífero artesiano. Las elevaciones o descensos del nivel de agua dentro de un pozo artesiano se deben más a cambios de presión en el acuífero que a cambios en el volumen del almacenamiento.  Acuífero libre o no confinado: Es aquel en que la superficie superior de la zona de saturación está a la presión atmosférica, esta superficie es el nivel freático. El agua en un pozo realizado en un acuífero libre se eleva como es natural, solo hasta el nivel freático precisamente. Las elevaciones o descensos del nivel freático corresponden a cambios en el volumen de almacenamiento y no a los cambios de presión en el agua.  Acuífero colgado: Acuífero libre en el que la masa de agua subterránea es soportada por un estrato impermeable o semipermeable situado sobre el nivel freático medio de la zona.  Acuífero filtrante: es aquel en el que el agua que se pierde o se gana a través de sus fronteras representa un volumen apreciable.  Acuífero no filtrante: en este caso los estratos que sirven de frontera al acuífero lo impermeabilizan casi totalmente. E. ACUIFUGO: formación impermeable que no contiene agua o que la contiene en poros no intercomunicados, de manera que no es capaz de proporcionar agua por ningún método práctico, la roca sana constituye un ejemplo de esto. F. ACUITARDO: Es una formación geológica semipermeable, que conteniendo apreciables cantidades de agua la transmiten muy lentamente, por lo que no son aptos para el emplazamiento de captaciones de aguas subterráneas, sin embargo bajo condiciones especiales permiten una recarga vertical de otros acuíferos. Por ejemplo los limos. G. ACUICLUDO: formación impermeable que aunque porosa y con sus poros intercomunicados, no es capaz de proporcionar cantidades aprovechables de agua por ningún procedimiento practico y económico. La arcilla masiva de baja permeabilidad constituye un buen ejemplo de esta formación.

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H. CLASIFICACIÓN DEL AGUA PRESENTE EN SUELOS. Agua Adsorbida: Es el agua ligada a las partículas del suelo por fuerzas de origen eléctrico, no se mueve en el interior de la masa porosa y por lo tanto no participa del flujo. Agua Capilar: Es aquella que se encuentra sobre el nivel freático en comunicación continua con él. Su flujo presenta una gran importancia en algunas cuestiones de mecánica de suelos, tales como humedecimiento de un pavimento por flujo ascendente y otras análogas. Sin embrago en la mayoría de los problemas de filtración de agua, el efecto de flujo en la zona capilar es pequeño y suelo despreciarse en atención a las complicaciones que plantearía al ser tomada en cuenta teóricamente su influencia. Agua de contacto: Es la que se encuentra sobre el agua capilar. La masa de suelo no está saturada. Agua libre gravitacional o freática: se encuentra bajo el nivel freático en comunicación con él. Las presiones neutras son positivas. El agua bajo el efecto de la gravedad terrestre puede moverse en el interior de la masa sin otro obstáculo que él le imponen su viscosidad y la trama del suelo.

123


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3. DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE PERMEABILDAD “k” Un ensayo de permeabilidad consiste en inducir un flujo conociendo las condiciones de borde y la cantidad de flujo. El coeficiente de permeabilidad se puede determinar en laboratorio, campo o a partir de la curva granulométrica y se puede hacer de varias maneras. Así mismo existen numerosos criterios para hallar el valor de “K ”, por lo que se hace necesarios indicar la referencia utilizada en la toma de este valor.

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Clasificación de los Suelos Según Sus Coeficientes de Permeabilidad Tipos de Suelos Grava limpia Arena gruesa limpia Arena media limpia Arena fina limpia Grava y arena limosa Arena limosa Arcilla arenosa Arcilla limosa Arcilla Arcilla coloidal

Coeficiente de permeabilidad aproximados (cm/seg) 5-10 0.4-3 0.05-0.15 0.004-0.02 10 -5 -0.01 10-5 -10-4 10-6 -10-5 10-6 10-7 10-9

Características de drenaje Bueno Bueno Bueno Bueno Pobre a bueno Pobre Pobre Pobre Pobre Pobre

Factores principales:  La densidad del suelo  La relación de vacíos del suelo  La estructura y estratificación del suelo  La existencia de agujeros, fisuras, etc en el suelo  La viscosidad del agua del suelo, que varía con la temperatura . 125


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4. MÉTODOS PARA DETERMINAR EL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD Prueba de carga constante (Permeámetro) La prueba de constante, se usa para determinar coeficientes de permeabilidad de suelos relativamente permeables, tales como gravas y arenas , es adecuada para suelos que tienen grandes valores en la relación de vacíos, en cuyo caso es conveniente tener una cantidad de flujo considerable para mejorar la precisión de los cálculos. En estos aparatos la cantidad de agua que fluye a través de una muestra de suelo, de dimensiones conocidas, en un tiempo determinado, puede ser medida. Los niveles de agua a la entrada y salida del permeámetro se pueden mantener constantes por medio de compuertas. La pérdida de carga h, depende únicamente de la diferencia entre los niveles de agua. El diámetro D y el largo L de la muestra pueden ser medidos. El agua a la salida es recogida en una probeta graduada y la cantidad de descarga Q es medida.

Permeámetro a

Permeámetro b

Para el cálculo de k se determina primero el caudal circulante una vez que el sistema se encuentra en régimen (la cantidad de agua que ingresa es igual a la que sale) midiendo el tiempo t en el cual se llena un recipiente de volumen V

   /

Una vez obtenido el caudal y en función de las características del permeámetro, aplicando la Ley de Darcy se obtiene: Q=K. i. A

 .  .  De donde:

   A V.i. t

  .    

 AV.tL.h 126


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Dónde: k = coeficiente de permeabilidad (cm/seg) A=Sección transversal de la muestra (cm 2) L= longitud de la muestra (cm) i = Gradiente hidráulico (adimensional). Q= Caudal o gasto (cm 3/seg) V = Agua drenada (cm 3) t= Tiempo en que se puede medir “V”. (seg)

Prueba de carga variable (Permeámetro) Es más adecuada y económica para suelos menos permeables, tales como limos y arcillas cuyos ensayos tienen más larga duración. La dirección del flujo puede ser en el sentido de la gravedad u opuesto a ella; cuando se considera el fenómeno de capilaridad, el flujo se considera perpendicular a la gravedad. En este caso la cantidad de agua escurrida es medida en forma indirecta por medio de la observación de la relación entre la caída del nivel de agua en un tubo recto colocado sobre la muestra y el tiempo transcurrido. La longitud L, el área A de la muestra y el área “a” del tubo recto son conocidos. En adición, las observaciones deben ser hechas en no menos de 2 niveles diferentes de agua en el tubo recto.

2.3   log ℎℎ Dónde: a= área de la sección transversal del tubo. (cm 2) A= área de la sección transversal de la muestra (cm 2) L= longitud de la muestra (cm) h1=altura de agua al inicio de la prueba, o carga hidráulica (cm) h2=altura al final de la prueba. (cm) t = tiempo para que el agua pase de h 1 a h2 (seg)

Prueba de bombeo permanente: Los ensayos en pozos de bombeo son utilizados para determinar el nivel de la napa freática en pozos individuales y la permeabilidad de materiales subterráneos in situ. Para ello es necesario contar con un pozo de bombeo y uno o más pozos de observación y tener conocimientos acerca de cortes geológicos, características de perforaciones y detalle de instalaciones generales. Las bocas de los pozos deben estar niveladas de manera que los niveles piezómetros en las mismas puedan señalarse a un mismo plano de referencia. 127


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La forma de proceder en un ensayo de bombeo se detalla a continuación:  Una vez completadas las perforaciones o pozos, los agujeros son limpiados, se miden las profundidades de los mismos ys e instala la bomba. Luego el pozo de bombeo es testeado para 1/3, 2/3 y la totalidad de su capacidad, entendiendo por totalidad a la máxima descarga accesible con el nivel de agua en los pozos de bombeo y observación estabilizados.  Durante el ensayo se debe tomar nota de cierta información: o Localización, nivel de borde y profundidad del pozo. o Características del instrumental utilizado. o Características de filtros utilizados. o Nivel del agua en los pozos antes del ensayo.  Además se requiere conocer el valor de descarga y de la nueva línea freática para determinados intervalos de tiempo.

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Dónde: q = gastos que atraviesan la frontera de cualquier sección cilíndrica que tenga un radio r. ri: distancia al pozo i hi: nivel freático en el pozo i El coeficiente de permeabilidad se expresa de la siguiente manera:

 (  . ) 

Si la temperatura del ensayo es diferente a 20ºC, se tendrá que hacer la corrección respectiva valiéndose de:

   ƞƞ

Dónde: k T = coeficiente de permeabilidad a cualquier temperatura de ensayo t = temperatura del ensayo  = viscosidad T = tensión superficial.

Formula de Allen Hazen. La correlación de Hazen, es la forma empírica más conocida y rápida para determinar una aproximación del coeficiente de permeabilidad o conductividad hidráulica del suelo. Este método considera las características granulométricas de las partículas del suelo. Hazen en sus estudios observo que la conductividad hidráulica es aproximadamente proporcional al cuadrado del diámetro del poro y a su vez es proporcional al diámetro efectivo del suelo. Valiéndose de estas ideas, Hazen propuso que la conductividad hidráulica de un suelo será: Para el caso de arenas sueltas muy uniformes para filtros (coeficiente de uniformidad ≤ 2) Allen Hazen obtuvo la siguiente ecuación empírica para calcular el coeficiente de permeabilidad.

.

Donde: k = Coeficiente de permeabilidad. C = Coeficiente de Hazen que depende de las partículas del suelo. D10 = Es el diámetro efectivo expresado en centímetro correspondiente al 10% en la curva granulométrica. TIPO DE SUELO

C

Arena muy fina, pobremente gradada Arena fina, con finos apreciables Arena media, bien gradada Area gruesa, pobremente gradada Arena gruesa limpia, bien gradada

0.4 a 0.8 0.4 a 0.8 0.8 a 1.2 0.8 a 1.2 1.2 a 1.5

C U

D 10 mm

C U  5

0.003 a 0.6

C U <

0.06 a 3.0

5

El coeficiente de Hazen ( C), puede ser estimado de la Tabla 4.6, para lo cual debe conocerse el nivel de gradación del suelo, el coeficiente de uniformidad y el diámetro efectivo del suelo. 129


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La British Geotechnical Society ha aplicado la correlación de Hazen a una gran variedad de suelos, los mejores resultados corresponden a suelos con las siguientes características:   

El diámetro efectivo ( D10) debe estar comprendido entre: 0.1 y 3 mm. El coeficiente de uniformidad ( C U) debe ser menor a 5. Se asume un coeficiente de: C = 1.

La temperatura influye en el coeficiente de permeabilidad, puesto que altera la viscosidad del agua, factor que se ha de tomar en cuenta cuando se determina el coeficiente de permeabilidad en el laboratorio o en el campo. Haciendo esta consideración la fórmula de Hazen se escribirá: cm/seg

 ...

Siendo “t”, la temperatura en grados centígrados.

Formula de Schlichter. Existen otras fórmulas como la de Schlichter, quien además de considerar la temperatura, considera también la compacidad:

  .  ... cm/seg

En la cual D10 también es expresado en centímetros.

Formula de Terzaghi. Así mismo Terzaghi, dio su fórmula para terrenos arenosos:

 . ...

cm/seg

Donde C1 es un coeficiente que tiene el siguiente valor:

   .. √   

Dónde: n: porosidad C0: Coeficiente que depende del suelo

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COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD DE MASAS ESTRATIFICADAS Los depósitos transportados consisten generalmente en capas con diferentes permeabilidades. Para determinar el coeficiente k medio de tales depósitos, se obtienen muestras representativas de cada capa y se ensayan independientemente. Una vez conocidos los valores de k correspondientemente a cada estrato individual, el promedio para el depósito puede ser calculado. Determinación de K, coeficiente de permeabilidad promedio para la filtración de agua en sentido paralelo o los planos de estratificación (generalmente horizontal) La carga hidráulica es constante para todos los estratos, y la longitud del recorrido L

 

=cte

Dónde: K 1, K 2….Kn: coeficiente de permeabilidad de los estratos. H1, H2….Hn: espesores de los estratos

Coeficiente de permeabilidad horizontal K H = Coeficiente de permeabilidad horizontal al promedio para la filtración del agua, en sentido paralelo a los planos de estratificación.

          ⋯  Dónde: K 1, K 2….Kn: coeficiente de permeabilidad de los estratos. H1, H2….Hn: espesores de los estratos

 ∗−/     ⋯     131


MECANICA DE SUELOS

Coeficiente de permeabilidad vertical K V = Coeficiente de permeabilidad vertical promedio para la filtración del agua, en sentido perpendicular a los planos de estratificación.

      ⋯  Coeficiente de permeabilidad promedio de la masa

°    . 

Otras formulas K=KĆ3 (e1-e0) Dónde: C3= constante de ajuste, que se a hecho necesariamente K´=K para e=1 e0= constantemente debe determinarse para cada suelo por medio de una prueba a falta de ella puede tomarse e 0=1

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Ejercicios 1. El coeficiente de permeabilidad de un suelo es igual a 3.6x10 -3cm/seg. El cual se ha obtenido empleando un permeámetro de carga constante y cuya muestra tiene una sección de 40cm 2. Durante el ensayo se ha observado que la presión hidrostática baja de 75 a 25cm y tiene una descarga de 250 cm 3 en un tiempo de 1150seg. Se solicita la altura de la muestra ensayada. Datos: K=3.6x10 -3cm/seg. A=40cm 2 h=75 a 25cm=50cm v=250cm 3 t=1150seg L=?

 ..

3.6x10seg−cm  40 ∗1150seg∗50cm 250  33.12 2. Una muestra de suelo arcilloso tiene una área transversal de 78cm 2 y una altura de 5cm, este es colocado en un permeámetro de carga variable, en el que el área del tubo es de 0.50cm 2 durante el ensayo se verifica que las presiones disminuyen de 0.80 a 0.38cm, en un tiempo de 1 hora 24 minutos y 18segundos. Determinar el coeficiente de permeabilidad y velocidad de permeabilidad. Datos: A=78cm 2. L=5cm a=0.50cm2 h1=0.80cm h2=0.38cm. t=5058seg. K=?

2.3   log ℎℎ  0 . 5 0 ∗5 log 0.0.830 − 2.3 78 ∗5058 4. 7 1∗10 / 8

V=1.97*10-6cm/seg

133


MECANICA DE SUELOS

3. Un canal de irrigación y un río corren paralelamente uno del otro, separados 45.5m. como promedio. La elevación del agua canal es 188m. mientras que la cota del río 181m. El canal y el rio están ambos intersectados un estrato de arena de 1.50m de espesor, que se encuentra entre dos estratos de arcilla impermeable que atraviesa el canal y el río por debajo del nivel de las aguas. Calcular la perdida por filtración del canal en m 3/ seg por cada Km de longitud, si el coeficiente de permeabilidad de la arena es 0.063 cm/seg. CT canal=188m

CT río=181m 1.5m

Datos: L=45.5m h1=188m h2=181m espesor=1.5m. k=0.063cm/seg Q=? 1km Q=k i A

4. Se hizo una prueba de bombeo con gravas y arenas a distancias de 4m y 7.50m del pozo de bombeo, cuya descarga del pozo llego a 3.025*10 -3 m3/seg. El abatimiento de las aguas llegaron a 15m y 13m.calcule el coeficiente de permeabilidad.

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MECANICA DE SUELOS

MUROS DE CONTENCIÓN

Como lo indica el nombre, los muros de contención son elementos estructurales diseñados para contener algo; ese algo es un material que, sin la existencia del muro, tomaría una forma diferente a la fijada por el contorno del muro para encontrar su equilibrio estable.

1. DEFINICIÓN DE MUROS DE CONTENCIÓN Son elementos estructurales que se diseñan para soportar los empujes activos que genera el suelo, así como de sobrecargas que se presentan. Los muros son elementos constructivos cuya principal misión es servir de contención, de un terreno natural, de un relleno artificial o de un elemento a almacenar. Los muros de contención se utilizan para detener masas de tierra u otros materiales sueltos cuando las condiciones no permiten que estas masas asuman sus pendientes naturales. Estas condiciones se presentan cuando el ancho de una excavación, corte o terraplén está restringido por condiciones de propiedad, utilización de la estructura o economía. Por ejemplo, en la construcción de vías férreas o de carreteras, el ancho de servidumbre de la vía es fijo y el corte o terraplén debe estar contenido dentro de este ancho. De manera similar, los muros de los sótanos de edificios deben ubicarse dentro de los límites de la propiedad y contener el suelo alrededor del sótano.

135


MECANICA DE SUELOS

2. TIPOS DE MUROS DE CONTENCIÓN Los muros de contención se clasifican por su perfil y los usados con mayor frecuencia son los siguientes: Entre los tipos más generales de muros de contención se destacan los siguientes:  Muros de contención tipo gravedad.  Muros de contención semi-gravedad  Muros de contención tipo ménsula (voladizo).  Muros de contención con contrafuertes.  Muros de contención tipo bandeja.  Muros de contención tipo criba. 

MUROS DE GRAVEDAD Son muros que se construyen de concreto o de mampostería, en los que la resistencia es conseguida a través de su propio peso. Este tipo de construcción no es económica para muros altos, pero puede ser interesante para muros de altura moderada siempre y cuando su longitud no sea muy grande. Los muros tipo gravedad no resultan ser muy económicos debido a que al no utilizarse armadura, por lo general se trabaja con grandes volúmenes de concreto. Son aconsejables cuando el ancho de la base tiene una dimensión de 1/2 a 1/3 de la altura total del muro. La resultante de la presión de tierra y el peso muerto no producirá esfuerzos de tensión en la sección horizontal del cuerpo del muro. B=0.5 a 0.7H t1>35 cm (para considerar la trabajabilidad)

136


MECANICA DE SUELOS



MUROS DE SEMI-GRAVEDAD. Muros de semi-gravedad, son un poco más esbeltos que los anteriores porque se toleran esfuerzos de tracción pequeños que se absorben con pequeñísimas cuantías de refuerzo y que en general pueden resultar aún más económicas que los muros de gravedad para alturas hasta de 4.00 mts.



MUROS DE CONTENCIÓN TIPO MÉNSULA (VOLADIZO) Son muros que se construyen de concreto armado y consisten de un tallo o cuerpo delgado y una losa de base. Son los más usados actualmente; y pueden tener la forma de una L o una T invertida. Son usados generalmente a partir de una altura de 6 m. y se considera que son económicos hasta una altura de 8 a 10 m. Su aplicación depende de los costes relativos de excavación, concreto, acero, encofrados y relleno, así como también de la apariencia y durabilidad de la obra, sobre todo en áreas urbanas.

Armadura

137


MECANICA DE SUELOS 

MUROS CON CONTRAFUERTE Este tipo de muros constituye una solución evolucionada a los muros tipo ménsula, cuya concepción nace debido a la necesidad de aligerar las piezas en aquellos muros de gran altura en los que se requerirían, por consiguiente, grandes espesores. La geometría de estos muros, es similar a la del muro ménsula con la diferencia de que a intervalos regulares de longitud se tienen losas verticales delgadas de concreto, denominadas contrafuertes, que se hallan uniendo la cara posterior del muro con la base. Estas losas se constituyen en rigidizadores de tensión que disminuyen tanto los esfuerzos de flexión como los esfuerzos cortantes. Los muros de contención con contrafuertes son aconsejables a partir de los 12 m o cuando el relleno se halla muy sobrecargado.



MUROS DE CONTENCIÓN TIPO BANDEJA. El concepto de funcionamiento de estos muros es muy diferente al de los muros con contrafuertes. En este tipo de muro no se trata de resistir el momento flector aumentando el canto y aligerando la sección, sino que se trata de reducir los momentos flectores debidos al relleno mediante los momentos producidos por la carga del propio relleno sobre las bandejas. Su principal desventaja radica en la complejidad de la construcción, pero puede ser una buena alternativa al muro con contrafuertes para grandes alturas.



MUROS DE CONTENCIÓN TIPO CRIBA. El sistema de este tipo de muros emplea piezas prefabricadas de concreto de muy diversos tipos que forman una red espacial que se rellena con el propio suelo. La concepción de estos muros tiene su origen en la de muros análogos que se realizaban antiguamente con troncos de árboles.

138


MECANICA DE SUELOS

La escogencia de un tipo determinado de muro dependerá, como es obvio, en primer lugar de la función que debe cumplir además de las condiciones del terreno, materiales de construcción que pueden conseguirse, economía general, etc. por lo cual la mayoría de las veces habrá que hacer varios diseños alternativos con base en predimensionamientos rápidos; con ello se podrá determinar con bastante seguridad el tipo de mano más adecuado para el caso y entonces proceder al diseño completo.

3. CARACTERÍSTICAS DE UN MURO DE CONTENCIÓN Desarrolladas las características de los principales tipos de muros de contención, a continuación se presenta para un caso general de muro Relleno Cara anterior

Cara posterior

Tallo Talón Pie Tacón

Peso muerto Concreto Armado Concreto Grava, suelo gravoso, arena Suelo arenoso Suelo cohesivo Sobrecarga

Losa de base o zapata

2.40 T/m3 2.35 T/m3 2.00 T/m 3 1.90 T/m 3 1.80 T/m 3 1.00 T/m3 139


MECANICA DE SUELOS

4. Predimensionamiento de muros de contención. Cuando se diseña muros de contención, con objeto de realizar la primera verificación de estabilidad se debe realizar un predimensionamiento o proporcionamiento de las dimensiones iniciales del muro. En caso de que la primera revisión de estabilidad no de buenos resultados, las secciones se cambian y deben volver a revisarse. Esta secuencia se sigue hasta conseguir las dimensiones óptimas del muro. A través del tiempo y basándose en la experiencia acumulada de la observación de muros estables para la condición de Rankine; se ha logrado estimar las proporciones generales tanto para muros de gravedad como para muros tipo ménsula. Estas proporciones son utilizadas para realizar la primera verificación de estabilidad. La Figura,presenta las citadas proporciones. En tal Figura la dimensión mínima de D debe ser 0.6 m. Es común, por lo general, que el ancho de la base sea de aproximadamente 0.5 H . Por otra parte, el espesor de la parte superior del tallo debe ser tal que permita el adecuado vaciado del concreto. Finalmente, para muros de contención con contrafuertes, la separación de las losas de contrafuerte debe ser de 0.5 a 0.7 H y el espesor de las losas de 0.3 m. 0.3 m

0.3 m

min

min

Min Min

0.02 H

0.02 H

1 1 H

H

Tallo

D

Talón Pie

0.12 H a 0.17 H

D 0.1 H

0.1 H

0.1 H

0.12 H a 0.17 H

0.5 H a 0.7 H 0.5 H a 0.7 H

Dimensiones aproximadas para varias componentes de un muro de contención para revisiones iniciales de estabilidad: (a) Muro tipo gravedad (b) Muro tipo ménsula.

5. BASES PARA EL DISEÑO DE MUROS DE CONTENCIÓN Las teorías más comúnmente usadas son las C.A. Coulomb (Francia 1776), y W.J.M. Rankine (Inglaterra 1857), las cuales pueden sintetizarse diciendo que el empuje activo de tierra es una fricción del empuje hidrostático debido a la misma altura de agua, la cuantía de la fricción depende del ángulo formado por la tierra del relleno con el horizontal trazada en el extremo superior del muro ( α) y del ángulo de fricción interna (Φ) del mismo material de relleno, (el empuje de tierra actúa paralelo al relleno, o sea formando el mismo ángulo α con la horizontal ); para una altura h de agua, el empuje hidrostático vale: 140


MECANICA DE SUELOS

Empuje Activo Coeficiente Activo de presión de tierras (K A)

∅   ℎ  45  2 141


MECANICA DE SUELOS

Coeficiente Pasivo de presión de tierras. (K P)

∅   ℎ  45  2

TEORÍA DE RANKINE DEL EMPUJE DE TIERRAS. Siendo Ɣ el peso unitario del relleno y Ka un factor menor que la unidad cuya expresión varía según la teoría que se esté aplicando; para materiales granulares puros, es decir, sin ninguna cohesión, las teorías de Coulomb y Rankine coinciden y la expresión de Ka según Rankine es:

    cos∝   ∝   cos∝ cos∝ ∝ ∅∅   45 ∅2

Si α=0° (talud horizontal)

Si existe una sobrecarga uniforme repartida.

/   /

1. TEORÍA DE RANKINE DEL EMPUJE DE TIERRAS. a) EMPUJES DE SUELOS SIN COHESIÓN, MUROS DE PARAMENTO VERTICAL. 

Cuando el relleno es horizontal

Empuje activo El empuje activo total de tierras (Ea) se obtiene asimilando este al empuje hidrostático, o sea:

 12 Kaγ H

Empuje Pasivo

 12    142


MECANICA DE SUELOS



Cuando la superficie de relleno es inclinado, un ángulo

Empuje activo

∝

con la horizontal.

      cos ∝    ∝  1   2   cos∝ cos∝  ∝ ∅∅ Empuje Pasivo

      cos ∝    ∝  1   2   cos∝ cos∝  ∝ ∅∅ 

Cuando el relleno horizontal, parcialmente sumergido soporta una carga uniforme (q).

b) EMPUJE DE SUELOS CON COHESIÓN Y FRICCIÓN. MUROS DE PARAMENTO VERTICAL Empuje activo

143


MECANICA DE SUELOS

Empuje Pasivo

+∅ − ∅

Donde Nϕ =

ESTABILIDAD DE MUROS. Se debe proporcionar un adecuado factor de seguridad contra el deslizamiento. El empuje pasivo delante del muro puede omitirse si ocurrirá socavación. Se puede utilizar llaves en la cimentación para aumentar la estabilidad. La mejor localización es en el talón 

VERIFICACIÓN AL DESLIZAMIENTO : Se verifica que la componente horizontal del empuje de la tierra ( Eah) no supere la fuerza de retención ( Fr) debida a la fricción entre la cimentación y el suelo, proporcional al peso del muro. En algunos casos, puede incrementarse ( Fr) con el empuje pasivo del suelo en la parte baja del muro. Normalmente se acepta como seguro un muro si se da la relación:

Wt

Eav

Ea Eah

Fr f

de f u erzas resi s tentes .. Suma Suma de fuerzas actuantes ≥.

 ≥.

(Esta relación se puede llamar también coeficiente de seguridad al deslizamiento (F.S.D)).

 ∑∗ó  . 144


MECANICA DE SUELOS



VERIFICACIÓN AL VOLTEO: Se verifica que el momento de las fuerzas ( Mv) que tienden a voltear el muro sea menor al momento que tienden a estabilizar el muro (Mr) en una relación de por lo menos 1.8.

de momentos resi s tentes .  .   Suma Suma de momentos actuantes ≥.

 ≥.

(Esta relación se puede llamar también coeficiente de seguridad al volteo (F.S.V)).

      ∑∗ 



Verificación de la capacidad de sustentación : Se determina la carga total que actua sobre la cimentación con el respectivo diagrama de las tensiones y se verifica que la carga trasmitida al suelo ( Ta) sea inferior a la capacidad portante ( Tp), o en otras palabras que la máxima tensión producida por el muro sea inferior a la tensión admisible en el terreno. Es decir: Tp/Ta > 1.0 (coeficiente de seguridad a la sustentación). Verificación de la estabilidad global : Se verifica que el conjunto de la pendiente que se pretende contener con el muro tenga un coeficiente se seguridad globar

Ángulo de fricción entre varios materiales suelo o rocas. Masas de concreto o albañilería con: C Roca solida limpia 35° Grava arena o arena gruesa 29° a 31° 145


MECANICA DE SUELOS

Arena fina medio gruesa Arena fina limpia o arena arcillosa Limo arenoso Arcilla consolidada muy rígida Arcilla media rígida Pilotes de acero con: Grava limpia, mezcla de grava y arena Arena limpia arena- grava Arena limosa o arcillosa Arena limosa fina, limo no plástico Concreto pre moldeado-tablestacas con: Grava limpia, mezcla de grava y arena Arena limpia arena- grava Arena limosa o arcillosa Arena limosa fina, limo no plástico Otros materiales Albañilería sobre madera (perpendicular al grano) Acero o acero en tablestacado Madera sobre suelo

24° a 19° 19° a 24° 17° a 19° 22° a 26° 17° a 19° 22° 17° 14° 11° 22° a 26° 17 a 22° 17° 14° 26° 17° 14° a 16°

EMPUJE DE TIERRAS COEFICIENTE DE PRESIÓN LATERAL ACTIVA Ka (VESIC)

10°

ϕ

β=0

β=10°

β=20°

β=30°

15°

20°

25°

30°

35°

40°

α=0°

0.79

0.59

0.49

0.41

0.33

0.27

0.22

α=10°

0.97

0.70

0.57

0.47

0.37

0.30

0.24

α=20°

---

---

0.88

0.57

0.44

0.34

0.27

α=30°

----

----

----

----

0.75

0.43

0.32

α=ϕ

0.97

0.93

0.85

0.82

0.75

0.67

0.59

α=0°

0.76

0.65

0.55

0.48

0.41

0.43

0.29

α=10°

1.05

0.78

0.64

0.55

0.47

0.38

0.32

α=20°

---

---

1.02

0.69

0.55

0.45

0.36

α=30°

----

----

----

----

0.92

0.56

0.43

α=ϕ

1.05

1.04

1.02

0.98

0.92

0.86

0.79

α=0°

0.83

0.74

0.65

0.57

0.50

0.43

0.38

α=10°

1.17

0.90

0.77

0.66

0.57

0.49

0.43

α=20°

---

---

1.21

0.83

0.69

0.57

0.49

α=30°

----

----

1.17

0.73

0.59

α=ϕ

1.17

1.20

1.21

1.2

1.17

1.12

1.06

α=0°

0.94

0.86

0.78

0.70

0.62

0.56

0.49

α=10°

1.37

1.06

0.94

0.83

0.74

0.65

0.56 146


MECANICA DE SUELOS

α=20°

---

---

----

1.06

0.89

0.77

0.66

α=30°

----

----

----

----

1.55

0.99

0.79

α=ϕ

1.37

1.45

1.51

1.54

1.55

1.54

1.51

β =ángulo de rozamiento interno del elemento contenido ϕ =ángulo de rozamiento entre elemento contenido y muro α= Angulo del talud natural del elemento contenido

ÁNGULOS DE FRICCIÓN INTERNA Y PESOS ESPECÍFICOS DE SUELOS Densidad o Angulo de Peso específico Tipos de Suelos consistencia fricción interna lb/pie3 Arena gruesa o arena

Suelto

40

140

con grava

Compacto

35

90

Arena media

Suelto

40

130

Compacto

30

90

Arena limosa fina o

Compacto

30

130

limo arenoso

Suelto

25

85

Limo uniforme

Compacto

30

135

suelto

25

85

Arcilla -limo

Suave a mediana

20

90-120

Arcilla limosa

Suave a mediana

15

90-120

arcilla

Suave a mediana

0-10

90-120

147


MECANICA DE SUELOS

Ejercicios 1. Un muro de contención de paredes verticales de 7m de alto soporta el empuje de una arena con un peso volumétrico de 1760Kg/m 3 y un ángulo de fricción interna de 32°.La superficie del terreno es horizontal. Determinar el empuje que recibe el muro por metro de profundidad; despreciar el empuje pasivo.

 12 Kaγ H    ∅    .     ∗ 0.307∗1760Kg/ ∗ 7 

13237.84Kg/m 2

2. Se construye un muro de retención de 7m de alto para sostener un limo arenoso con un peso volumétrico de 1760kg/m 3 y un ángulo de fricción interna de 32°. El limo arenoso presenta además una cohesión de 1220Kg/m 2. La superficie del terreno es horizontal. Se desprecia fricción del muro. Determinar la presión en la base de la pantalla.

3. Se pide determinar los factores de seguridad de deslizamiento (F.S.D) y factor de seguridad de volteo (F.S.V). Comentar resultados y dar resultados si es necesario. 0.30

4.5m 1m 0.50m 3.50m

∅ γ 1.65Tn/m3   45 ∅2   45 32.25°0.301  12 Kaγ H   ∗0.301∗1.65Tn/m3∗ 5 f=0.37

32.5°

Desarrollo

6.21Tn/m 148


MECANICA DE SUELOS

 . 6.21∗cos0°6.21Tn/m Sumatoria de pesos

0.30m

2.20m

 ∑.∗.

149


MECANICA DE SUELOS

CIMENTACIONES GENERALIDADES Hacer una edificación no importa cuál sea su tamaño y el destino que se le va a dar, requiere necesariamente del conocimiento geotécnico del terreno de cimentación, con el fin de determinar cuáles serán las deformaciones y riesgos de falla que pudiera presentar y cuál será la cimentación que más se ajuste a las condiciones del terreno. La investigación de las deformaciones y riesgos de falla es del dominio del especialista en mecánica de suelos. Su conocimiento de los conceptos de carga muerta y carga viva debe ser claro, así como de los sometimientos externos a que puede estar sujeta la obra (fenómenos de geodinámica interna y externa u otras). Cada una de las estructuras, correspondientes, está en su parte inferior en contacto con el terreno, ya sea suelo o roca, lo que se conoce con el nombre de cimentación. DEFINICIÓN DE CIMENTACIÓN Es la parte que soporta a una estructura y se considera como la transición o la liga entre el suelo y/o la roca subyacente. Sus características de diseño dependen de la estructura por construir, de las propiedades mecánicas del material del sitio y aun de factores de tipo económico. • Permitir la transmisión de esfuerzos compatibles con la resistencia a la ruptura del terreno (conocimiento de capacidad de carga). • Limitar la importancia de los asentamientos y repartirlos mejor (conocimiento de asentamientos diferenciales).

CAPACIDAD PORTANTE DEL SUELO En cimentaciones se denomina capacidad portante a la capacidad del terreno para soportar las cargas aplicadas sobre él. Técnicamente la capacidad portante es la máxima presión media de contacto entre la cimentación y el terreno tal que no se produzcan un fallo por cortante del suelo o un asentamiento diferencial excesivo. Por tanto la capacidad portante admisible debe estar basada en uno de los siguientes criterios funcionales:  Si la función del terreno de cimentación es soportar una determinada tensión independientemente de la deformación, la capacidad portante se denominará carga de hundimiento.  Si lo que se busca es un equilibrio entre la tensión aplicada al terreno y la deformación sufrida por éste, deberá calcularse la capacidad portante a partir de criterios de asiento admisible.

150


MECANICA DE SUELOS

1. Modos de Falla por Capacidad Portante en Zapatas: Zapatas: Las fallas por capacidad de carga se presentan debido a la rotura por corte del suelo bajo la cimentación, existen tres tipos de falla: falla: falla por corte general, falla por punzonamiento punzonamiento y falla por corte local. 1.1.Falla por corte general: (Arcillas duras y densas) Se tiene una cimentación corrida con un ancho B, la cual es soportada por un suelo denso o cohesivo firme, si la carga que soporta dicho suelo es incrementada de forma gradual, habrá un aumento en el asentamiento llegando al punto en el cual la carga por unidad de área es igual a la capacidad de carga última, ocurrirá entonces una falla repentina en el suelo, esta falla es llamada falla por corte general. Se presenta en arenas densas y arcillas rígidas. Su principal característica es una superficie de falla continua que comienza en el borde de la cimentación y llega a la superficie del terreno, es una falla frágil y súbita, llegando al punto de ser catastrófica, y si la estructura no permite la l a rotación rot ación de las zapatas, puede ocurrir con cierta inclinación visible de la cimentación, lo que provoca hinchamiento del suelo a los lados, el colapso final se presenta en un solo lado  Patrón de falla bien definido. (cuña de suelo y dos superficies de deslizamiento)  La superficie del terreno a la zapata se levanta y puede rotar (inclinándose).  La falla es violenta y catastrófica.  Generalmente ocurre en suelos “incompresibles” (suelos granulares densos y cohesivos de consistencia dura a rígida).

1.2.Falla por punzonamiento Ocurre en suelos bastante sueltos, la zona de falla fall a no se extiende como en el corte general. La cimentación provoca la compresión inmediata del suelo en un movimiento vertical, el suelo presenta falla por corte alrededor de la cimentación y los movimientos del suelo junto con la cimentación cimentación no son muy visibles por lo que el equilibrio vertical y horizontal de la misma se mantiene.(ver fig)

151


MECANICA DE SUELOS

1.3.Falla local por corte: Si la cimentación se encuentra sobre suelo arenoso o arcilloso con compactación media, al aumentar la carga, también ocurre un incremento en el asentamiento, pero la superficie de falla se extiende de forma gradual hasta la superficie o en algunos casos cuando el desplazamiento vertical es grande (la mitad del lado o diámetro de la zapata) termina dentro de la propia masa de suelo y no en el terreno (ver fig). Cuando la carga por unidad de área es igual a qu (1), conocida como carga primera de falla, ocurren sacudidas repentinas junto con el movimiento, por lo que se requiere de un movimiento considerable de la cimentación para que la superficie de falla llegue a la superficie, este movimiento ocurre cuando se alcanza la capacidad de carga última. Es una falla intermedia entre el corte general y el punzonamiento. Presenta hinchamiento del suelo al lado de la cimentación y compresión vertical del suelo bajo la cimentación.  Patrón de falla sólo está bien definido debajo de la zapata.  Tendencia visible al levantamiento del terreno alrededor de la zapata.  No se producirá un colapso catastrófico catastrófico de la zapata zapata ni una rotación de de la misma.  Constituye un modo transicional entre falla general y falla por punzonado.

NOTA: Todas las fallas mencionadas pueden ser bien diferenciadas unas de otras, pero no hay parámetro numérico que permitan predecir el tipo de falla a ocurrir, sin embargo una forma de llegar a un estimado es basándos basándosee en la compresibilidad del suelo, debido a las condiciones de carga y geometría de la l a cimentación.

´2/3

En corte local: Los coeficientes empíricos de soporte también pueden calcularse con las siguientes ecuaciones:

152


MECANICA DE SUELOS

ECUACIÓN DE TERZAGHI 

Cimiento corrido:



Cimiento circular:



Zapata cuadrada:

  CN  γ D  N  12 γ BN  1. 3 ∗CN  γ D  N 0. 3 ∗γ BN  1. 3 ∗CN  γ D  N 0. 4 ∗γ BN

Dónde: qu =Resistencia a la rotura del suelo (Tn/m 2 ; Kg/m2 ) C= Cohesión del suelo (Tn/m 2; Kg/m2) ɣs= Peso específico del suelo (Tn/m 3; Kg/m3 ; g/cm3) Df= Profundidad de cimentación del suelo (m, cm) B= es la dimensión de cada lado de la cimentación en el caso de cimentaciones cuadradas, para cimentaciones circulares B es el diámetro de la cimentación. Para falla por corte local del suelo suelo (m, cm) Nc= Nq= Factores de capacidad capacidad de carga carga (son adimensionales adimensionales y se = encuentran en función del ángulo de fricción del suelo Ø)

N

/∅/∅     /∅/ °+∅

∅ cot∅Nq1    12 ∅ 1∅  3.tan45 ∅+ 

El valor de debe convertirse a radianes al ingresarse a (3 π/4 - Ø/2).

Coeficiente de de empuje empuje pasivo pasivo

ECUACIÓN DE MEYERHOF En el caso de carga vertical:

  CN S d  γ D  N S d  12 γ BN S d   CN d i  γ D  N d   12 γ BN d 

En el caso de carga inclinada:

153


MECANICA DE SUELOS

Factores de capacidad de carga

 eπ. ∅.tan45 ∅ cot∅Nq1  Nq1.tan1.4∅ Factores de forma

tan45 ∅2 10. 2 . K p  =10.1.Kp  =1

para cualquier valor de φ para φ > 10º

para φ = 0

Factores de profundidad

 10.2 K DfB ,para cualquier valor de ∅   10.1 K DfB ,para ∅>10°   1,para ∅10° Factores de inclinación de la carga

  1 90°θ°  para cualquier valor de ∅  1 ∅°θ° para ∅>10°  0 para ∅0

θ = ángulo de la fuerza inclinada respecto a la vertical

B, L, Df definidos previamente

154


MECANICA DE SUELOS

ECUACIÓN DE HANSEN

quCNSdigb qNSdigb  0.5γNSdigb

Para suelo puramente cohesivo ( φ = 0):

5.14.. 1´ ´ ´ ´ ´ 

Cimentación superficial inclinada (ecuaciones de Hansen y Vesic)

Factores de capacidad de carga Nq = igual al factor para la ecuación de Meyerhof Nc = igual al factor para la ecuación de Meyerhof

1.5 Nq1.tan∅ Factores de forma:

N B  =1 N . L  =1  tan∅ B =1 0.4 L

Sc, Sq, S γ=1 , para zapatas continuas

Factores de profundidad

d 10. 4 . k  12.  ∅1∅  1,    ∅   ,  ≤1 155


MECANICA DE SUELOS

 1 0. 5.. cot∅  i  N1i 1 Factores de inclinación

Para φ = 0:

Factores de terreno (base cercana a un talud)

Para φ = 0:

156


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Factores de base (base inclinada)

Para φ = 0:

Dónde: º indica valor del ángulo en grados H = fuerza horizontal soportada tangencialmente por la cimentación, H ≤ V ⋅ tanδ + c ⋅ Af como factor de seguridad. V = fuerza vertical soportada perpendicularmente por la cimentación Af = área efectiva B ’x L’ Ca= adhesión a la base = cohesión del suelo o un valor reducido, se recomienda que su valor esté entre 0.6c y c. δ = ángulo de fricción entre el cimiento y el suelo, usualmente δ = φ, se recomienda que su valor esté entre 0.5 φ y φ. η= ángulo de inclinación del talud, positivo hacia arriba. β = ángulo de la pendiente del terreno fuera de la base, positivo hacia abajo. En caso de que no exista carga inclinada los factores i i toman valor igual a uno, lo mismo para los factores de terreno y de base, cuando el terreno adyacente está plano y la base no se encuentra inclinada respectivamente. Cuando se evalúe la componente horizontal H paralela a la base B debe utilizarse B’ con e l término Nγ en la ecuación de capacidad de carga y si H es paralela a la longitud de la cimentación, es decir L, utilizar L’ con el término Nγ . Una restricción es que los factores de inclinación deben ser mayores a cero, i i > 0, a partir de un valor de i i ≤ 0 es una cimentación inestable en la que se requiere cambiar el tamaño antes de proceder. Para cimentaciones en arcilla con φ = 0 evaluar usando H paralela a B y/o L según corresponda, nótese que es una constante sustractiva en la ecuación de capacidad de carga modificada para cargas inclinadas. Tomar en cuenta que cuando la base es inclinada V y H son perpendiculares y paralelas a la base respectivamente en comparación como cuando es horizontal. Los factores de terreno (g i) son usados para reducir la capacidad de carga, sin 157


MECANICA DE SUELOS

embargo deben ser usados con cautela debido a que se tienen pocos resultados experimentales disponibles. Es difícil encontrar un caso en campo en el que se pueda usar un aumento en las dimensiones de la cimentación en un suelo cohesivo de pendiente β a menos que el ángulo sea bajo y la profundidad de desplante de la cimentación sea muy grande. En cualquier caso, debido a que hay fuerzas de corte en el suelo en pendiente (reteniendo el talud en su lugar) no se debe ajustar cualquier ángulo obtenido del ensayo triaxial ( φtr) y adicionalmente debe usarse un factor de seguridad grande. Utilizar la dimensión más pequeña de Df para el término q.

ECUACIÓN DE VESIC

Factores de capacidad de carga Nq = igual al factor para la ecuación de Meyerhof Nc = igual al factor para la ecuación de Meyerhof

2 Nq1.tan∅ Factores de forma:

Igual a los factores de forma de la ecuación de Hansen.

Factores de profundidad Igual a los factores de forma de la ecuación de Hansen.

Factores de inclinación

158


MECANICA DE SUELOS

Para φ = 0:

m  2/ ,   ℎ      1/ m  2/ 1/ ,   ℎ      Si se tienen horizontales se puede utilizar

  

159


MECANICA DE SUELOS

CARTA MOSTRANDO LA RELACIÓN ENTRE φ Y FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA En suelos cohesivos cuando Ø=0, se determina:

Kpy, es un factor que depende de Ø y afecta la magnitud de la capacidad portante del suelo. Sus valores se indican en la siguiente tabla:

160


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161


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Factores que determinan el tipo de cimentación Para la adecuada selección de la cimentación a emplear existen tres factores que se pueden tomar en cuenta:  Las cargas que se transmiten al suelo por medio de la estructura y los materiales que la constituyen.  Las propiedades hidráulicas, mecánicas, en especial las que influyan en cuan compresible y resistente es el suelo.  Los factores económicos, la importancia de la estructura debe estar en equilibrio con el costo de la cimentación. Pueden tomarse en cuenta las siguientes indicaciones en base a la capacidad de carga y la compresibilidad del suelo: a. Cuando las cargas sean demasiado grandes, y se utilice cimiento corrido que ocupe cerca del 50% del área de la construcción en planta es más eficiente y económico el uso de una sola losa de cimentación. b. Si la cimentación no es económica para soportar las cargas puede cimentarse una parte por medio de pilotes. c. Si los suelos tienen baja capacidad de carga, usar pilotes de punta apoyados en un estrato resistente. d. En suelos de baja compresibilidad y con asentamientos controlables, utilizar zapatas aisladas. e. En suelos de compresibilidad media, para mantener los asentamientos en un rango controlable, se recomienda usar cimiento corrido rigidizado por medio del uso de vigas de cimentación. f. En suelos de mediana y alta compresibilidad con baja capacidad de carga, es recomendable el uso de cimentaciones compensadas. Capacidad portante de zapatas: La capacidad portante o de carga se determina en base a la fórmula de Terzaghi. Siendo la Capacidad Admisible para cimentaciones corridas y cuadradas calculada por las siguientes expresiones:

 .  .      .     

Dónde: qu : Capacidad última de carga. σad : Capacidad Portante Admisible en Kg./cm 2. F.S. : Factor de Seguridad ɣs : Peso específico volumétrico del suelo. B : Ancho de la Zapata o cimiento corrido en m. Df : Profundidad de la Cimentación. Nc, Nq, Nɣ : Parámetros que son función de Ø Sc, Sq SƔ: Factores de forma. C : Cohesión

162


MECANICA DE SUELOS

1.4.Capacidad última de carga: (q u) Terzaghi (1943) fue el primero en presentar una teoría para evaluar la capacidad última de carga de cimentaciones superficiales, la cual dice que una cimentación es superficial si la profundidad Df de la cimentación es menor que o igual al ancho de la misma. Sin embargo investigadores posteriores han sugerido que cimentaciones con Df igual a 3 ó 4 veces el ancho de la cimentación se definen como cimentaciones superficiales.

1.5.Capacidad portante Admisible: (σadm) La capacidad portante depende del tipo de suelo (gravas, arenas, limos, arcillas o combinaciones de ellas), de las características de la cimentación y de la estructura, y del coeficiente de seguridad adoptado. 1.5.1. Factor de Seguridad: (FS) La capacidad de carga admisible, σadm, consiste una reducción de la capacidad de carga última con la aplicación de un factor de seguridad FS:  Para cargas estáticas: 3.0  Para solicitación máxima de sismo o viento (la que sea más desfavorable): 2.5

   

La capacidad de carga última neta es la carga última, qu, menos el exceso de presión de sobrecarga producida por el suelo alrededor de la cimentación y puede utilizarse en caso que la diferencia entre el peso específico del suelo y el concreto sea considerada pequeña:

  

Dónde: σneta

: Capacidad última de carga neta.

q

: ɣs, Df

      163


MECANICA DE SUELOS

164


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FACTORES DE CAPACIDAD DE CARGA (VESIC) Ø 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Nc 5.14 5.35 5.63 5.9 6.19 6.49 6.81 7.16 7.53 7.92 8.35 8.8 9.28 9.81 10.37 10.98 11.63 12.34 13.1 13.93 14.83 15.82 16.88 18.05 19.32

Nq 1 1.09 1.2 1.31 1.43 1.57 1.72 1.88 2.06 2.25 2.47 2.71 2.97 3.26 3.59 3.94 4.34 4.77 5.26 5.8 6.4 7.07 7.82 8.66 9.6

25

20.72

10.66

0 0.07 0.15 0.24 0.34 0.45 0.57 0.71 0.86 1.03 1.22 1.44 1.69 1.97 2.29 2.65 3.06 3.53 4.07 4.68 5.39 6.2 7.13 8.2 9.44

Nq/Nc 0.2 0.2 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 0.26 0.27 0.28 0.3 0.31 0.32 0.33 0.35 0.36 0.37 0.39 0.4 0.42 0.43 0.45 0.46 0.48 0.5

Tang Ø 0.00 0.02 0.03 0.05 0.07 0.09 0.11 0.12 0.14 0.16 0.18 0.19 0.21 0.23 0.25 0.27 0.29 0.31 0.32 0.34 0.36 0.38 0.40 0.42 0.45

10.88

0.51

0.47

Nɣ

Ø 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

Nc 22.35 23.94 25.8 27.86 30.14 32.67 35.59 38.64 42.16 46.12 50.59 55.63 61.35 67.87 75.31 83.86 93.71 105.11 118.37 133.88 152.1 173.64 199.26 229.93 266.89

Nq 11.85 13.2 14.72 16.44 18.4 20.63 23.18 26.09 29.44 33.3 37.75 42.92 48.93 55.96 64.2 73.9 85.38 99.02 115.13 134.88 158.51 187.21 222.31 265.51 319.07

Nɣ

12.54 14.47 16.72 19.34 22.4 25.99 30.22 35.19 41.06 48.03 56.31 66.19 78.03 92.25 109.41 130.22 155.55 186.55 224.64 271.76 330.35 403.67 496.01 613.16 762.89

Nq/Nc 0.53 0.55 0.57 0.59 0.61 0.63 0.65 0.68 0.7 0.72 0.75 0.77 0.8 0.82 0.85 0.88 0.91 0.94 0.97 1.01 1.04 1.08 1.12 1.15 1.2

Tang Ø 0.49 0.51 0.53 0.55 0.58 0.60 0.62 0.65 0.67 0.70 0.73 0.75 0.78 0.81 0.84 0.87 0.90 0.93 0.97 1.00 1.04 1.07 1.11 1.15 1.19

165


MECANICA DE SUELOS

Angulo de Fricción y Cohesión (C):

VALORES

Ø

C

ɣs

APROXIMADOS

(º)

Kg/cm2

Tn/m3

Gravas Compactadas

35

Gravas Sueltas

33

Arena Compactada

32

Arena Suelta

30

Limo Arenoso

25

Arcilla Arenosa

20

Arcilla Magra Arcilla Grasa Arcilla Muy Grasa

2.0 0.01

2.0 1.8

0.02

2.2

0.05 15

0.10

hasta

0.50

Tierra Orgánica

2.2

Ø: Angulo de fricción interna C: Cohesión ɣs: Peso Especifico

166


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Ejercicio 1. Determine la capacidad de carga admisible de la siguiente muestra de suelo, utilizando los datos obtenidos por medio del ensayo triaxial: Descripción del suelo: limo areno arcilloso color café (m 2) Ángulo de fricción interna = Ø= 30º Cohesión = 1.4 Tn/m 2 Peso específico: γ s = 1.55 Tn/m 3 Diámetro = 1.60 m Profundidad de desplante = Df = 1.50 m Factor de seguridad: FS = 3

    /−∅/ ∅   2 45° ∅     /−∗/∗/    2 45°  19.56

Determinando los factores de capacidad de carga



cot∅Nq1  19.561 32.15 cot30  12 ∅ 1∅ 52.05  3.tan 45 3033 2  12 52.0305 13019.75

Determinando la resistencia a la rotura del suelo

 1. 3 ∗CN γ D N 0.3∗γ BN

 1.3∗1.4Tn/ ∗32.151.55Tn/ ∗1.5∗19.560.3∗1.55Tn/ ∗1.6∗19.75  118.69Tn/m

    118.69Tn/m

Determinando Capacidad Portante Admisible

  3 39.56Tn/m2 167


MECANICA DE SUELOS

2. Calcule la capacidad de carga admisible, con un factor de seguridad de 2.5, para una zapata corrida de 3m de ancho que se desplanta a 2m de profundidad en un suelo cuyo γ=1.60Tn/m3.el suelo tiene una cohesión de 2 Tn/m 2 y un ángulo de fricción de 20°. Determinar según formula de Meyerhof, considerar una longitud de 5m. 3. Con los siguientes datos, encontrar las capacidades a la rotura según los autores Terzaghi y Meyerhof y determinar factores de forma, capacidad de carga y factores de profundidad según Hasen y Vesic Descripción del suelo: limo areno arcilloso color café (m 2) Ángulo de fricción interna = Ø = 25.21º Cohesión = 1.4 Tn/m 2 Peso específico: γ = 1.55 Tn/m3 B = 1.60 m L =1.60 m Profundidad de desplante = Df = 1.50 m Factor de seguridad = FS = 3

TIPOS DE CIMENTACIONES A.-CIMENTACIONES SUPERFICIALES: Se trata de cimentaciones en las que la profundidad de desplante no es mayor que un par de veces el ancho del cimiento. Se les conoce como cimentaciones superficiales a aquellas cuya profundidad de desplante Df es menor o igual que el ancho de la misma, pero también se sugiere que se tomen como cimentaciones superficiales aquellas cuya profundidad de desplante sea menor o igual a tres o cuatro veces el ancho de la cimentación. Presión en el suelo bajo zapatas Depende del tipo de suelo y de la rigidez relativa del suelo y de la cimentación.

I.

ZAPATAS AISLADAS O INDIVIDUALES: Es el agrandamiento de una columna en su base para reducir las presiones que se ejercen sobre el terreno, al aumentar el área en la que se distribuyen. Las zapatas aisladas son elementos estructurales, por lo general de forma cuadrada o rectangular, a veces circular, que se construyen para poder transmitir la carga de las columnas hacia el suelo por medio de una mayor área para disminuir la presión. Generalmente son de concreto reforzado.

168


MECANICA DE SUELOS

Zapata escalonada

II.

Zapata de peralte variable

ZAPATAS CORRIDAS: Es un cimiento continuo que soporta un muro o tres o más columnas en línea recta. Se emplea para dar continuidad estructural, sobre todo en suelos de resistencia baja o cuando se transmitirán grandes cargas al suelo. Son cimentaciones de gran longitud en comparación con su sección transversal. Las zapatas corridas están indicadas cuando: • Se trata de cimentar un elemento continuo, como por ejemplo un muro. • Queremos homogeneizar los asientos de una alineación de pilares y nos sirve de arriostramiento. • Queremos reducir el trabajo del terreno . • Para puentear defectos y heterogeneidades del terreno . • Por la proximidad de zapatas aisladas, resulta más sencillo realizar una zapata corrida. W

e

1.00m h

ZAPATA CORRIDA

III.

* EL DISEÑO SE EJECUTA PARA 1.00M DE ZAPATA

ZAPATA COMBINADA : Aquella sobre la que apoyan dos pilares separados una distancia que oscila de 3 a 5mts de distancia. Para calcularla hay que hacer pasar la resultante de los esfuerzos provenientes de los soportes por el centro de gravedad de la zapata.

169


MECANICA DE SUELOS

Este tipo de cimentaciones puede ser conveniente principalmente en los siguientes casos  Columnas muy cerca entre sí. Para esta condición si se usaran zapatas aisladas, podrían traslaparse o bien podrían resultar de proporciones poco económicas.



Es conveniente que el punto de aplicación de la resultante de las cargas actuantes coincida con el centro de gravedad de la zapata combinada para poder considerar una reacción uniforme repartida del terreno. Columna exterior muy cercana del límite de propiedad . El punto G fija la longitud de la zapata para una reacción uniforme repartida del terreno.

170


MECANICA DE SUELOS

IV.

ZAPATAS CONECTADAS: Cuando los elementos estructurales están unidas por vigas de conexión o denominada vigas de cimentación.

V.

LOSAS O PLACAS DE CIMENTACIÓN: Cuando son insuficientes otros tipos de cimentación o se prevean asientos diferenciales en el terreno, aplicamos la cimentación por losas. En general, cuando la superficie de cimentación mediante zapatas aisladas o corridas es superior al 50 % de la superficie total del solar, es conveniente el estudio de cimentación por placas o losas. Definición Elemento estructural de concreto armado cuyas dimensiones en planta son muy elevadas respecto a su canto. Define un plano normal a la dirección de los soportes. Campo de aplicación Los asientos en una cimentación directa son aproximadamente el doble de lo admisible. Para el sellado de cubetas sometidas a una supresión, evitando así que fluya el a gua en un sótano. -Estanqueidad de sótanos. -Para la estabilidad de una cimentación por placa o losa es condición indispensable que la resultante de cargas y la reacción del terreno sean colineales y pasen por el centro de gravedad de la placa.

171


MECANICA DE SUELOS

B.-CIMENTACIONES COMPENSADAS I. CAJONES DE CIMENTACIÓN : Se emplean en terrenos compresibles para reducir la descarga neta y evitar así incrementos de presión en la masa del suelo que pudieran producir asentamientos intolerables. Hay tres tipos de cajones: • Cimentaciones parcialmente compensadas. El peso de la estructura es mayor que el volumen de suelo excavado. • Cimentaciones compensadas. El peso de la estructura y el del volumen del suelo excavado son iguales y por ello no se alteran los esfuerzos. • Cimentaciones sobre compensadas. El peso del terreno excavado es mayor que el de la estructura y ésta tiende a emerger.

C.-CIMENTACIONES PROFUNDAS Denominadas cimentaciones indirectas. Emplean elementos indirectos para transmitir las cargas al suelo. 1.6 PILOTES: Denominamos pilote a un soporte , normalmente de concreto armado, de una gran longitud en relación a su sección transversal , que puede hincarse o construirse “ in situ” en una cavidad abierta en el ter reno. 172


MECANICA DE SUELOS

Partes de una cimentación por pilotaje  Soporte o pilar: Elemento estructural vertical , que arranca del encepado  Encepado: Pieza prismática de concreto armado similar a una zapata aislada, encargado de recibir las cargas del soporte y repartirlas a los pilotes.  Vigas riostras: Elementos de atado entre encepados. Son obligatorias en las dos direcciones si el encepado es de un solo pilote. En encepados de dos pilotes es obligatorio el arriostramiento en al menos una dirección, la perpendicular a la dirección de su eje de menor inercia.  Fuste del pilote: Cuerpo vertical longitudinal del pilote. Las cargar son transmitidas al terreno a través de las paredes del fuste por efecto de rozamiento con el terreno colindante.  Punta del pilote: Extremo inferior del pilote. Transmite las cargas por apoyo en el terreno o estrato resistente  Terreno circundante: Los pilotes pueden alcanzar profundidades superiores a los 40 m teniendo una sección transversal de 2-4m, pudiendo gravitar sobre ellos una carga de 2000Tn. La eficacia de un pilote depende de: • El rozamiento y la adherencia entre el suelo y el fuste del pilote • La resistencia por punta, en el caso de transmitir compresiones. Ante posibles esfuerzos de tracción, se puede ensanchar la parte inferior del pilote, de forme que trabaje el suelo superior. • La combinación de las dos anteriores Se utilizan cuando se requiere: El empleo de cimentaciones mediante pilotaje está indicado en los siguientes casos: • Transmitir las cargas de una estructura a través del suelo blando o a través del agua, hasta un estrato de suelo resistente que garantice el apoyo adecuado (por pilotes de punta). • Distribuir la carga dentro de un suelo de gran espesor, por medio de la fricción lateral que se produce entre suelo y pilote (pilotes de fricción). • Proporcionar el debido anclaje a ciertas estructuras (como tabla estacas) o resistir las fuerzas laterales que se ejerzan sobre ellas (como en el caso de un puente). En estas condiciones se suele recurrir a pilotes inclinados. • Proporcionar anclaje a estructuras sujetas a subpresiones, resistir el volteo de muros y presas de concreto o cualquier efecto que trate de levantar la estructura (pilotes de tensión). • Alcanzar con la cimentación profundidades ya no sujetas a erosión, socavación y otros efectos nocivos. • Si las distintas capas superficiales de los terrenos pueden sufrir variaciones estacionales como hinchamientos, retracciones, etc. • Si se quiere reducir o limitar los posibles asientos de la edificación. • En edificaciones sobre el agua.

173


MECANICA DE SUELOS

Casos donde pueden necesitarse pilotes

TIPOS DE PILOTES De punta: Por su forma trabajo

De fricción Mixtos

Desarrollan su capacidad de carga con apoyo directo en un estrato resistente. Desarrollan su resistencia por la fricción lateral que de genera contra el suelo que los rodea. Aprovechan a la vez los dos efectos anteriores.

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MECANICA DE SUELOS

Madera Por el tipo

Se usan poco en trabajos de importancia. Son los más usados en la actualidad, puede ser de sección llena o hueca de menor peso. Según sea el Concreto procedimiento de construcción y de colocación de material pueden ser prefabricados o bien colados en el lugar, en una excavación realizada previamente. Son de gran utilidad en aquellos casos en que la Acero hinca de pilotes de concreto se dificulte por la resistencia relativa del suelo, pues tienen mayor resistencia a los golpes de un martinete.

1.7 MICROPILOTE El micropilote es un elemento para las cimentaciones, resistente a los esfuerzos de tracción y compresión; está compuesto por un tubo de acero colocado en el interior de un taladro perforado en el terreno y recibido en el mismo mediante una lechada de cemento inyectado. El elemento resistente del pilote es una armadura de forma tubular que se coloca en el taladro con roscado o soldadura de los diferentes tramos. ¿Para qué sirve? El Micropilote es un elemento para las cimentaciones, resistente a los esfuerzos de tracción y compresión; está compuesto por un tubo de acero colocado en el interior de un taladro perforado en el terreno y recibido en el mismo mediante una lechada de cemento inyectado. El elemento resistente del pilote es una armadura de forma tubular que se colca en el taladro con roscado o soldadura de los diferentes tramos. ¿Dónde pueden emplearse los micropilotes? Como refuerzo de cimentaciones para la ampliación de edificios, naves industriales, puentes... En recalce de edificios. Cimentaciones profundas en predios de dimensiones reducidas con difícil acceso. Refuerzo y sostenimiento de cimientos existentes para excavación de sótanos. Cimentaciones profundas en predios de dimensiones reducidas con difícil acceso. Refuerzo y sostén de cimientos existentes para excavación de sótanos. Cimentaciones profundas en predios con terreno no apto para pilotes convencionales (golpeo fuerte, vibraciones, acceso de maquinaria...). Para recalzar estructuras colindantes. Posibilitar la excavación hasta determinada profundidad sin apeos. 1.8 PILAS: Las pilas de cimentación son elementos estructurales colados en el sitio, que presentan una sección transversal considerable y que se encargan de transmitir la carga proveniente de la superestructura (edificación, puente, etc.) a un estrato que sea capaz de soportarla. La relación entre la profundidad de la cimentación y el ancho de la pila es generalmente mayor que cuatro. Las pilas son cimentaciones profundas de gran capacidad de carga, que se diferencian de los pilotes en sus dimensiones. Las pilas tienen usualmente sección transversal circular u oblonga y por lo general llevan armadura longitudinal y transversal. Las características de las pilas y sus ventajas son las siguientes: Pueden resistir cargas axiales superiores a las 500 TN, pueden construirse bajo el nivel freático, soportan cargas horizontales e inclinadas, 175


MECANICA DE SUELOS

con buena resistencia a flexión, su construcción no afecta los edificios circundantes, pues no se producen vibraciones por lo cual se pueden ubicar próximas a colindancias, el lapso de servicio es prácticamente ilimitado, aun en medios agresivos, tal como ocurre con las construcciones costeras, o en pilas de puentes sobre ríos, Transfieren las cargas a estratos profundos, lo cual es especialmente ventajoso cuando existe el peligro de socavación por las corrientes fluviales y marítimas, o las mareas, y pueden construirse sin cabezales, o con cabezales de reducidas dimensiones. Las pilas, en forma similar a los pilotes, pueden ser excavadas o perforadas, y trabajan por punta o fricción lateral. Si las pilas descansan en roca dura, solo se toma en cuenta su resistencia por punta, despreciándose su resistencia por fricción lateral. Pero cuando el suelo es homogéneo de gran profundidad, la resistencia a fricción alcanza magnitudes importantes. Debido a sus grandes dimensiones, las pilas suelen sufrir asentamientos, los

cuales deben considerarse en el diseño. 1.9 CAJONES PROFUNDOS: Los cajones abiertos son pilas de concreto que permanecen abiertas en sus partes superior e inferior durante la construcción. El fondo del cajón tiene un borde cortante. El cajón se entierra en su lugar y el suelo del interior se retira por medio de cucharones de almeja hasta alcanzar el estrato de apoyo. Los cajones pueden ser circulares, cuadrados, rectangulares u ovalados. Una vez alcanzado el estrato de apoyo, se vierte concreto en el cajón (bajo agua) para formar un sello en su fondo. Cuando fragua el concreto del sello, el agua dentro del cajón se bombea hacia afuera. Se vierte entonces concreto en el cajón para llenarlo.

176


MECANICA DE SUELOS

Los cajones abiertos pueden extenderse a grandes profundidades y el costo de construcción es relativamente bajo, sin embargo, una de sus principales desventajas es la falta de control de calidad sobre el concreto vertido para formar el sello. Además, el fondo del cajón no llega a ser limpiado completamente. Un método alternativo de construcción de cajones abiertos es hincar varias tablaestacas para formar una zona encerrada que se llena con arena a la que se llama generalmente isla de arena. El cajón se entierra entonces a través de la arena hasta el estrato deseado de apoyo, procedimiento algo parecido al hincado de un cajón cuando la superficie del terreno está arriba del nivel freático. Los cajones cerrados son estructuras con fondo cerrado y se construyen en tierra y luego se transportan al sitio de la construcción. Se entierran gradualmente en el sitio llenando su interior con arena, balasto, agua o concreto. El costo de este tipo de construcción es bajo. La superficie de apoyo debe estar a nivel, y si no lo está, debe nivelarse por excavación.

177


MECANICA DE SUELOS

178


MECANICA DE SUELOS

DISEÑO DE ZAPATAS AISLADAS σn σt ɣm S/C hf

: Capacidad Portante Admisible Neto (Tn./m2) : Capacidad Portante Admisible (Tn./m 2) : Densidad promedio del suelo (Tn./m 3) : sobrecarga sobre el NPT : altura del suelo sobre la zapata

 −    / -

-

Si la columna es cuadrada o circular la zapata será cuadrada. Si la columna es rectangular la zapata también lo será

LV1 = LV2

   Az P Pz Po σn

: Área de la zapata (m 2) : Carga de servicio (Tn) : Peso propio de la zapata (Tn) : Pesos otros (Tn) : Capacidad Portante Admisible Neto (Tn./m 2)

179


MECANICA DE SUELOS

Pesos propios para un primer tanteo: σ (Kg/cm2) Pp en % de P 1.00 8% de P 2.00 5% de P 3.00 4% de P 4.00 3% de P Aproximadamente:

     

      

Dimensionamiento de la altura (hz ) de la zapata La condición para determinar el peralte efectivo de zapatas, se basa en que la sección debe resistir el cortante por penetración (cortante por punzonamiento) Se asume que se punzonamiento es resistido por la superficie bajo la línea punteada. Si: d=peralte útil de la zapata:

d  30cm (Artículo

15.7 E-060 Concreto del RNE)

15.7 PERALTE MÍNIMO DE LAS ZAPATAS La altura de las zapatas, medida sobre el refuerzo inferior no debe ser menor de 300 mm para zapatas apoyadas sobre el suelo, ni menor de 400 mm en el caso de zapatas apoyadas sobre pilotes. El peralte de la zapata deberá ser compatible con los requerimientos de anclaje de las armaduras de las columnas, pedestales y muros que se apoyen en la zapata. h=peralte total de la zapata: h  d  1.5  7.5cm

d/2

 AzapPu

d/2 A

n m L

Vu= Pu-Wu*m*n Vu: Cortante por punzonamiento actuante. Vc: Resistencia al cortante por punzonamiento en el concreto 180


MECANICA DE SUELOS

d/2

t

d/2

LA SECCIÓN CRITICA POR PUNZONAMIENTO.

Wn

PERIMETRO DE LA SECCIÓN CRITICA: b 0

d/2 b d/2

0.272  √ fć bo d 1.06√ fc bo .d

0.272   √ fć bo d 2m2n

bo: perímetro de la sección critica αs: parámetro igual a 40 para aquellas columnas en que la sección critica de punzonamiento tiene 4 lados, 30 para las que tiene 3 lados y 20 para las que tienen 2 lados.

Dmayor , β ≤ 2   Dmenor

∅ ≤V; ∅0.85

Esta última nos dará una expresión en función de “d” Dónde:  0.85 

181


MECANICA DE SUELOS

La zapata debe verificar la capacidad cortante como viga a una distancia d de la cara de la columna de apoyo. Se debe cumplir que:

∴≤

Extra Barra 6mm 8mm 3/8” 12mm ½” 5/8” ¾” 1”

Diámetro (cm) Área (cm2) 0.6 0.283 0.8 0.503 0.95 0.709 1.2 1.131 1.27 1.267 1.59 1.986 1.91 2.865 2.54 5.067

EJEMPLO DE ZAPATA AISLADA Una columna de 0.55*0.80m de lado, debe soportar una carga muerta de 180Tn y una carga viva de 65Tn y una sobrecarga sobre el N.P.T de 500kg/m 2 El esfuerzo permisible del terreno en condiciones de servicio es de 3.5Kg/cm 2, y una densidad promedio de 2.1Tn/m 3. Se deberá diseñar la zapata, la misma que deberá diseñarse con acero de fy=4200kg/cm 2 y concreto de fć=210kg/cm2 N.P.T+0.30 N.T.N+-0.00

hf=2.00 Df=1.70

N.F.C-1.70

1. Esfuerzo neto del terreno

 σ − γ h s/c  35Tn/ 2.1/ ∗20.5Tn/ 30.30Tn/

2. Área de la zapata

σ (Kg/cm2) Pp en % de P 1.00 8% de P 2.00 5% de P 3.00 4% de P 3.03 3.97% 4.00 3% de P 182


MECANICA DE SUELOS

Asumiendo que el peso propio de la zapata es el 3.97% de la carga que soporta la columna: Pz=3.97% (180Tn+65Tn)=9.73Tn Dimensionamiento en plantas:

    245Tn  9. 7 3Tn 0Tn     8. 4 1m    30.30Tn/m

Aproximadamente:

  AZ  12 tb    AZ  12 tb √8.41   0.8m0.55m 3.03m    8.41  12 0.8m0.55m 2.78m Dimensiones 3.03m*2.78m

En el caso que la carga P, actúe sin excentricidad, es recomendable buscar que: Primera opción Usar= 3.00m*2.80m Lv1=Lv2=(3.00m-0.8m)/2=1.1m = (2.80m-0.55m)/2=1.125m NO ES CONFORME Segunda opción Usar= 3.05m*2.80m Lv1=Lv2=(3.05m-0.8m)/2=1.125m = (2.80m-0.55m)/2=1.125m CONFORME 3. La carga neta o carga máxima de rotura será:

Pu= 1.4CM+1.7CV (Combinación de cargas) Art 9.2.1 E-0.60

 AzapPu 7 ∗65Tn  1.4∗180Tn1. 3.05∗2.80 42.45/

183


MECANICA DE SUELOS

4. Dimensionamiento de la altura hz de la zapata:

La condición para determinar el peralte efectivo de zapatas, se basa en que la sección debe resistir el cortante por penetración (punzonamiento). Se asume que ese punzonamiento es resistido por la superficie bajo la línea punteada. (Debemos trabajar con cargas factoradas).

1.9.1 Por punzonamiento 0.80+d

d/2 0.55+d

2.8

d/2

3.05

∅≥

Art 11.1 E-0.60

Vu: Cortante por punzonamiento actuante. Vc: Resistencia al cortante por punzonamiento en el concreto

∅

RESISTENCIA DE DISEÑO 9.3.1 Las resistencias de diseño ( Rn) proporcionada por un elemento, sus conexiones con otros elementos, así como sus secciones transversales, en términos de flexión, carga axial, cortante y torsión, deben tomarse como la resistencia nominal calculada de acuerdo con los requisitos y suposiciones de esta Norma, multiplicada por los factores de reducción de resistencia especificados a continuación.

∅

El factor de reducción de resistencia, , debe ser el especificado en 9.3.2.1 a 9.3.2.8: 9.3.2.1 Flexión sin carga axial………….………………...…………………..………………….… 0.90 9.3.2.2 Carga axial y carga axial con flexión: (a) Carga axial de tracción con o sin flexión………………………………..……………..……… 0.90

(b) Carga axial de compresión con o sin flexión: Elementos con refuerzo en espiral según 10.9.3…………………………….…................…….. 0.75 Otros elementos………………………………………………………………………………………. 0.70

Para elementos en flexocompresión  puede incrementarse linealmente hasta 0,90 en la medida que  Pn disminuye desde 0,1 f’c Ag ó  Pb, el que sea menor, hasta cero. 9.3.2.3 Cortante y torsión…………………………………………….………………………………. 0.85 9.3.2.4 Aplastamiento en el concreto (excepto para las zonas de anclajes de postensado)…. 0.70 9.3.2.5 Zonas de anclaje de postensado…………………………………………………………… 0.85

0.53√ fć bw d

Art 11.3.1.1 E-0.60

Condición de diseño: 184


MECANICA MECANICA DE SUELOS

/∅ ∅ ( ) ∅1.06 6    .. 

Dmayor  0.80 1.46<2   Dmenor 0.55 2m2n20.80d  20.55d 2. 7 4d 1.4∗180Tn1.7∗65Tn362.5Tn    362.5Tn  42.45Tn/220.80  d 0.0.55  d 210/ ∗ 10 2.7  4dd ∅1.06 6    ..   0.85∗1.06  210/ Pu=

De esta igualdad conseguimos conseguimos (d) altura útil (peralte)

362.5Tn  42.45Tn/0.0.80  d 0.0.55 55  d d  0.85 ∗ 1.06 2210 10// ∗10 2.74dd d= 0.498m = 0.50m+0.10 solado

USAR: h = 0.60 m Ø 3 / 4" r = 7.5 cm d prom = 60

- (7.5 (7.5 + Ø ) = 60 - ( 7.5 + 1.91 )

d prom = 50.59 cm.→51cm cm. →51cm Reemplazando datos:

   ( )

Vu362.5Tn  42.45Tn/ 0.80m0.5m 0.55m0.5m304.56Tn

∅1. 06 6    .. 

Vc0.85∗1.06 6  210/ 210/ ∗10 2.74∗0.500.50306.83Tn

 ≤∅→304.56 ≤306.83

Peralte adecuado

185



∅   VduWU ∗ Anch Anchoode zapat zapataLv aLv d Vdu42. 4 5/ ∗2. 8 0m1. 1 25m0. 5 0m74. 2 9Tn ∅  74.0.2895 87.4

1.9.2 Verificación por cortante

∅0.53√ 3 √ fć b d 0.85∗0.53 210/ 210/ ∗10∗2.80m ∗0.50m91.397Tn

Como:

∴≤ ∴Vu87.4Tn <91.397

El PERALTE ES ADECUADO ADECUADO

1.9.3 Verificación por flexión

 Lv MuWu∗Ancho∗ 2  1. 1 25m Mu42.45Tn/m2∗2.80m∗ 2 75.16

As As  ∅ − a∗0.85∗fc∗b 8f5∗fc∗b   a∗0. y dd   0. 9 ∗0.2∗Mu 8 5∗fc∗b  75. 1 6∗10 As As  0.9 ∗ 42420000 0.0.90 ∗ 5050 44.19 fy a  0. 8As5∗fc∗b 186



  44. 1 9 4 200kg/ a  0.85∗210kg/ ∗280cm 3.71   2 ∗ 75. 1 6∗10  5050   0.9∗0.85∗210∗280 3.46  3. 4 6cm∗0. 8 5∗210kg/ ∗280cm    41. 1 9  4200kg/ CONFORME

1.9.4 Verificación de acero mínimo

As min  PE ∗b∗d As min  0.0018 ∗ 280 ∗ 50  25.2 Usar:

As=44.19cm2 n=As/A Ø 41.19cm 2/2.85cm2=15.51cm→16cm =15.51cm→16cm

  1 2 2  ∅   ℎ  9 1   2802∗71. 17.6 161

Usar: 16 Ø 3/4 @ 0.18

En dirección transversal transversal

AsAncho ∗ Larg Largozapo zapzap    As∗     41.19cm2∗305cm 44. 8 6 280cm 9 1   3002∗71. 18.93 161 n=44.86/2.85cm2=15.74cm→16cm

Usar: 16 Ø 3/4 @ 0.18

187


MECANICA DE SUELOS

Diseñar una zapata combinada Una columna de 0.45*0.45m de lado, debe soportar una carga de servicio de 90Tn exterior y 130Tn interior con una sobrecarga 200kg/m 2. El esfuerzo permisible del terreno en condiciones de servicio es de 2.2Kg/cm 2, y una densidad promedio de 1.8Tn/m 3. Se deberá diseñar la zapata combinada, con acero de fy=4200kg/cm 2 y concreto de fć=210kg/cm 2. Considerar una altura de profundidad 1.90m. Longitud entre ejes de 4.5m. LP

4.5m 1. Esfuerzo neto del terreno

 σ − γ h s/c  22Tn/ 1.8/ ∗1.90.2Tn/ 18.38Tn/

2. Área de la zapata

σ (Kg/cm2) Pp en % de P 1.00 8% de P 1.838 5.486% de P 2.00 5% de P 3.00 4% de P 4.00 3% de P

Asumiendo que el peso propio de la zapata es el 5.486% de la carga que soporta la columna: Pz=5.486% (90Tn+130Tn)=12.07Tn Dimensionamiento en plantas:

90Tn130Tn18.38Tn/m  12.0 7Tn 0Tn 12.63m     

188


_Modulo de Mecanica 31-08-15.pdf

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