2.1.1. El concepto “Mecánica del Suelo”
Definir una disciplina técnica no acostumbra a ser sencillo, más aún cuando se trata de un concepto más ingenieril que científico, como de hecho lo es el concepto “Mecánica del Suelo”. La Mecánica del Suelo es una disciplina (que no una ciencia) que aplica los fundamentos de la física al sujeto “suelo”, con la finalidad de comprender el comportamiento del mismo ante
solicitaciones, generalmente entendidas desde el punto de vista de la mecánica clásica, si bien considera también fenómenos que trascienden a los parámetros exclusivamente mecánicos, tales como la electrostática de partículas o el comportamiento químico de los materiales. Este cuerpo disciplinar se engloba en un conjunto más diverso aún de conocimientos que en ocasiones denominamos Geotecnia, y en otras Ingeniería Geológica, en función de que el énfasis que se haga más sobre las cuestiones de física conceptual, o bien se pretenda diferenciar dichos conceptos en función del sujeto a los que se aplica. El autor de este texto propondría siguiente relación gráfica entre las ciencias y disciplinas relacionadas en el contexto de la Mecánica del Suelo
Pueden mencionarse también otras visiones y propuestas en este sentido
Partiendo de la hipótesis más simple de la mecánica de medios continuos, el suelo pudiera estudiarse como un SÓLIDO, HOMOGÉNEO, ISÓTROPO e INDEFINIDO, lo cual está absolutamente alejado de la realidad. El suelo, si por algo se caracteriza, es por su heterogeneidad y anisotropía, constituyendo un material natural en el que se dan prácticamente todos los grados intermedios (entre extremos), para cualquier propiedad que se analice. Los suelos constituyen un material sometido, desde su génesis, a procesos en los que los grados de libertad y probabilidades de sucesión de acontecimientos configuran materiales de muy alta variabilidad.
Las teorías científicas requieren de hipótesis que en general solo tienen validez dentro de ciertos límites. En Mecánica de Suelos esto es especialmente aplicable, ya que la experimentación tiene lugar raras veces a escala real y sobre condiciones naturales, siendo más habitual el caso de la implementación de modelos de laboratorio de tamaño reducido y en condiciones ideales o muy determinadas, una simplificación que comporta un problema de escala de gran importancia. Las fuentes que contribuyen al conocimiento del comportamiento del suelo son: - La experiencia: el criterio empírico que relaciona una causa con una consecuencia, sin un conocimiento detallado del porqué de dicha relación. - Los ensayos o pruebas de laboratorio y campo, cuya finalidad es reproducir fenómenos para entender la correspondencia entre lo que se predice en base al criterio empírico o teórico y el resultado real. - La interpretación científica basada en un conocimiento de los fenómenos que influyen en el comportamiento de un suelo, y que permiten comprenderlo. De todo lo anterior se deriva que es fundamental en Ingeniería Geológica, y en especial en la Mecánica de Suelos, disponer del criterio que proveniente de un conocimiento científico, apoyado por la experiencia y fundamentado en los ensayos de campo y laboratorio necesarios, permita poner a disposición del proyectista las características, propiedades y parámetros del suelo sobre el que se va a actuar con la finalidad de prever las consecuencias que sobre el mismo se deriven de las solicitaciones inducidas por la actividad humana, y para el caso que nos ocupa, por el proceso de la edificación.
2.1.2. Definición de “suelo”. Suelo: Agregado de partículas sólidas, las cuales envuelven huecos de diferente tamaños rellenados, total o parcialmente, por agua y/o aire. Se considera que dichas partículas proceden de la alteración (física y/o química) de rocas.
La definición anterior se encuentra bastante extendida dentro del ámbito de la Mecánica de Suelos, pero no se debe olvidar que existen otros ámbitos como el agronómico, o el geológico estricto, para los cuales el término suelo tiene otras connotaciones. Desde el punto de vista geotécnico resulta arbitrario establecer el límite exacto entre un suelo y una roca: muchos suelos duros y muchas rocas blandas podrían clasificarse de forma indistinta. En el ámbito de la construcción el suelo se acostumbra a considerar como aquél terreno que es susceptible de remoción sin necesidad de voladura o elementos de demolición. En términos cualitativos dicha aproximación cubre en buena medida la mayoría de los casos que puedan presentarse. La descripción y caracterización de un suelo puede realizarse desde diversos enfoques, en función del aspecto que pretenda resaltarse: en agronomía se definirá el suelo quizás en base a clasificaciones que tengan en consideración su fertilidad, en geología básica según los
procesos que den lugar a su génesis, en minería se considerará su grado potencial de aprovechamiento. En geotecnia se atenderá a aquellos parámetros que nos informen sobre su comportamiento ante las solicitaciones inducidas por las obras o por los trabajos que se desarrollen en relación al material. A partir de esta premisa, denominaremos “descriptor geotécnico” a aquél parámetro básico y
mesurable que nos permita definir una cualidad del suelo que pueda ser relacionada directa o indirectamente con su comportamiento en el ámbito ingenieril.
Densidad, humedad y parámetros de estado 2.2.1. Identificación de suelos El suelo está constituido por un conjunto de partículas minerales (con materia orgánica en menor medida, por lo general) y en contacto unas con otras. Entre estas partículas quedan huecos (poros) que pueden estar total o parcialmente ocupados por agua, o en su caso por aire. Puede entenderse, por tanto, que el suelo es un sistema constituido por tres fases: una sólida (las partículas), una líquida (el agua) y una gaseosa (el aire), tal como se esquematiza en la siguiente figura.
Relaciones entre las fases de un suelo: -A- Elementos del suelo natural; -B- División de un elemento en fases El suelo puede encontrarse en distintos estados según se combinen estas tres fases. Las propiedades del suelo varían con el estado en que se encuentran, es por ello que necesitamos conocer las características de cada una de las fases y del suelo en sus distintos estados. Los descriptores básicos de un suelo atienden a sus características de más fácil de terminación: el tamaño de las partículas que lo forman (granulometría), y la susceptibilidad de las mismas a variar
su consistencia con la variación de la humedad del material (plasticidad). Ambos parámetros acostumbran a agruparse en el concepto de la “identificación” de un suelo. Se consideran también
como básicos los parámetros que definen el estado del suelo, entendiendo por el mismo la configuración de los componentes fundamentales del mismo (partículas sólidas, agua y aire), definiéndose a partir de la misma la densidad y la humedad.
2.2.2. Parámetros de estado: humedad y densidad 2.2.2.1. Humedad Sea W s el peso de las partículas sólidas de una cierta masa de un suelo, y W w el peso del agua que esa masa de suelo contiene en sus poros. Se define la humedad w del suelo al siguiente cociente expresado en porcentaje: w = W w / W s
El procedimiento de laboratorio usual para la determinación de la humedad consiste en el desecado en estufa, a 105ºC, de una muestra, para la cual se determina antes y después su peso; por diferencia entre ambos se conoce el contenido de agua, mientras que su peso final representa el peso del suelo seco.
2.2.2.2. Densidad y parámetros relacionados Se define como densidad de un suelo (γ) a la relación entre su masa (tanto de la fracción sólida
como del agua que contiene (W s+w) y su volumen (V): γ = Ws+w / V
En ocasiones puede resultar útil referirse a la densidad seca del material, considerada como la relación entre la masa de las partículas sólidas y el volumen total del suelo. Dado que la humedad del terreno puede ser variable, considerar la densidad seca permite establecer un criterio comparativo entre suelos más o menos compactos con referencia a un valor determinado de densidad como máxima. Un ejemplo habitual es la valoración del grado de compactación de un terreno colocado en un relleno controlado, para la cual se compara la densidad seca “in situ” con
la densidad seca máxima obtenida mediante un ensayo de referencia (habitualmente el denominado Proctor.) Se denomina densidad aparente de un suelo a la relación entre su masa total (partículas sólidas y agua que haya en los poros) y su volumen:
a =
(W s + W w ) / V
Se denomina densidad seca de un suelo a relación entre la masa de las partículas y el volumen total del suelo: d =
W s / V
Se denomina densidad saturada de un suelo a la masa total de las partículas y del agua que ocupa la totalidad de los poros, dividida por el volumen total. sat =
(W s+ W w sat ) / V
Se entiende por densidad sumergida (g) de un suelo a su densidad saturada menos la densidad del agua (gw). = sat – w
Se pueden relacionar los diferentes parámetros referidos a la densidad con la porosidad ( n), y la humedad (w ), mediante las siguientes expresiones: d = (1 – n)
a = (1 – n)
(1 + w)
sat = (1 – n)
’
= ( –
w )
+ n w
(1 – n)
En suelos granulares (arenas, gravas y gravillas), se emplea habitualmente el concepto “índice de densidad” o “densidad relativa”, definido como sigue:
Id = Dr = (emax – e) / (emax – emin)
Donde: e: índice de poros
emin: mínimo índice de poros que puede tener un determinado suelo, es decir, el índice de poros correspondiente a su máxima densidad posible.
emax: máximo índice de poros que puede tener un determinado suelo sin que se desmorone, o sus partículas dejen de estar en contacto unas con otras, es decir, el índice de poros correspondiente a su mínima densidad posible. El índice de densidad o densidad relativa puede expresarse también en función de la densidad seca, máxima y mínima (γd, γmax y γmin respectivamnente, tal como sigue: ID = Dr = [γmax / γd]·[(γd - γmin)/(γmax- γmin)]
Los valores de la densidad relativa dan idea del grado de compacidad de un suelo granular. Es de gran utilidad, pues la resistencia y la deformabilidad de una arena dependen casi exclusivamente de su densidad relativa.
Determinación de la densidad de una muestra de suelo: La densidad aparente de una muestra de suelo se calcula mediante la determinación del peso en una balanza de precisión adecuada, y del volumen de la muestra. Para lo segundo puede recurrirse a diversos procedimientos: - Tallado de una probeta de geometría regular (cálculo del volumen a partir de dicha geometría). - Determinación del peso sumergido de una muestra que se ha parafinado previamente (la parafina evita que el agua penetre en la probeta), y estimación del volumen por diferencia respecto al peso al aire (según el principio de Arquímides), deduciendo el volumen de parafina por diferencia de pesada antes y después del parafinado (conociendo previamente la densidad de la parafina.)
Una vez conocida la densidad aparente y la humedad (por el procedimiento del secado a la estufa) pueden calcularse el resto de parámetros relativos al peso específico (densidad seca, densidad saturada, etc.) Los métodos indicados son apropiados para la determinación de la densidad de suelos coherentes, de los cuales es factible la obtención de muestras representativas que mantengan inalterada la estructura del material. Para suelos granulares de los que no es factible la obtención de muestras inalteradas mediante procedimientos convencionales, es usual valorar, en lugar de la densidad, la densidad relativa (D r ) o índice de densidad mediante la estimación empírica a partir del resultado de ciertos ensayos “in situ”, cuestión que se trata en el tema 4.
2.2.2.3. Grado de saturación Sin que varíe la porosidad de un suelo, éste puede tener una humedad variable entre cero y la correspondiente a aquella en la que los poros estén completamente llenos de agua. En este segundo caso se dice que el suelo está saturado. Sea W sat la humedad de saturación o humedad del suelo saturado. Se denomina “grado de saturación” del suelo (Sr ) al cociente entre la humedad natural y la humedad de saturación, y se expresa en porcentaje: Sr = W / Wsat
El grado de saturación corresponde también el cociente entre el volumen de agua que hay en los poros y el volumen total de los poros. Sr = [(W γd) / (n γ)] = [(W γ) / (e γw)] = (W G) / e
Donde:
G: peso específico de las partículas sólidas. n: porosidad e: índice de poros
γ: densidad natural
γd: densidad seca
γw: densidad del suelo saturado
2.2.2.4. Porosidad. Índice de poros. Permeabilidad Se denomina porosidad (n), al cociente entre el volumen que ocupan los poros, y el volumen total del suelo (suma de poros y partículas sólidas.) n = Vv / Vt
Siendo:
Vv = volumen de huecos. Vt = volumen total.
Se denomina índice de poros ( e) al cociente entre el volumen que ocupan los poros y el volumen que ocupan las partículas sólidas.
e = Vv / Vs
Donde:
Vv = volumen de huecos. Vs = volumen de sólidos.
Porosidad e índice de poros están relacionados entre sí matemáticamente, por las expresiones siguientes: n = e / (1+e)
e = n / (1-n)
Con frecuencia interesa conocer el coeficiente de permeabilidad de una arena saturada a partir de fórmulas empíricas, bien sea para detectar posibles errores de medida en los ensayos directos de permeabilidad, o bien para tener una idea del orden de magnitud del coeficiente de permeabilidad con objeto de seleccionar las muestras sobre las que deben realizarse dichos ensayos. De entre las diferentes expresiones que relacionan la permeabilidad con los parámetros de identificación del suelo, una de las más utilizadas (probablemente por su simplicidad) es la propuesta por Hazen, hallada en arenas uniformes, y cuyos valores de D10 oscilan entre 0,1 mm y 3
mm, y que se expresa de la siguiente manera: k (cm/s) = C D 102 Siendo D10 el tamaño (en cm) correspondiente al 10% de la curva granulométrica del cernido ponderal acumulado, para el cual se supone que dicha fracción granulométrica presenta una superficie específica equivalente a la del conjunto (siendo por lo tanto representativa del mismo), y C un coeficiente que varía en función de las características de la arena, pudiendo tomar los siguientes rangos (Bowles, 1984; Purushothama, 2008)):
Arenas finas, bien graduadas o con un contenido apreciable en finos: C = 40 – 80.
Arenas medias o gruesas y poco graduadas, y arenas gruesas limpias y bien graduadas: C = 80 – 120
Arenas muy gruesas, muy poco graduadas, y arenas limpias con gravas: C = 120 – 150.
Debe tenerse en cuenta que dicha correlación es solo aproximada y estimativa. Burmister (1954), por ejemplo, indica que se obtiene mejor correlación a partir de D 50. En realidad, la permeabilidad
nos solo depende de la granulometría del suelo, sino también de la morfología de las partículas (esfericidad y superficie específica) y obviamente de su compacidad.
La Geotecnia y la Hidrotecnia La historia de la geotecnia (con la evolución de los principios de la mecánica de suelos y la ingeniería de fundaciones) ha venido de la mano de otra rama de la ingeniería civil conocida como hidrotecnia, en la cual el almacenamiento, conducción y desvío del agua es el principal objetivo, a la par de la comprensión y el desarrollo de los principios de la mecánica de fluidos (iniciada por Arquímedes en la antigua Grecia con la investigación de la estática de fluidos y la flotación que lo llevó a presentar su "Principio de Arquímedes") de la cual hace uso extensivo.
Principios Básicos de Geotecnia La geotecnia es un conjunto de técnicas que permiten conocer el terreno para usarlo como elemento de construcción. La geotecnia tiene una base científica, la mecánica de s uelos (ciencia sobre la que se soporta la geotecnia)
Fases del suelo Gaseosa: aire y gases que puede haber en los huecos del terreno Líquida: agua y sales disueltas Sólida: partículas minerales. Parte más importante. Es muy heterogénea Lo que más nos interesa es la fase sólida. La fase líquida va a influir en la disposición de las partículas. La fase gaseosa nos interesa para hacerla lo menor posible. Para hablar de estas fases usamos el peso específico (kg/dm3, T/m 3, g/cm3) Para conocer el suelo se realizan ensayos normalizados.
***Técnicas de muestreo Hay dos modos de coger muestras:
- inalteradas: se conserva la estructura del suelo - alteradas: se usa más porque interesa la textura, no la estructura. Son las que usamos. ***Granulometría. Análisis granulométrico Es el ensayo más importante. Se trata de determinar la textura del suelo, es decir, el %, en peso, que hay de cada una de las partículas de diferente tamaño que conforman el suelo.
**clasificación del suelo por el tamaño de sus partículas Con él podemos denominar el tipo de suelo.
Ej: si la mayor cantidad de partículas son arcillas hablamos de suelo arcilloso.
**Tamices Se usan tamices para saber la cantidad de partículas con cierto diámetro. Se han normalizado una serie de tamices, caracterizados por la abertura de su malla. Hay dos series: - gruesa - fina Los limos y las arcillas no se pueden clasificar por tamices. La norma americana ASTM usa pulgadas para la serie gruesa y números para la fina (número de mallas que entran en una pulgada). Los tamices más finos son los de 0,04 mm y hay partículas más finas que eso, por lo que hay que usar otros ensayos para clasificar esas partículas.
**Curva granulométrica Para hacer el ensayo se toman 7-8 tamices y se colocan en columna, ordenándolos de mayor a menor abertura. En la serie fina se suelen coger el nº4, el nº10, el nº40 y el nº200. Se echa la muestra y se agita, quedando en cada tamiz cierta cantidad de suelo, que está comprendida entre el tamiz anterior y este. Una vez hecho esto el análisis se presenta como una gráfica. La gráfica se hace en función del tamaño de las partículas (eje horizontal) y el %, del total de suelo, que pasa por cada tamiz eje vertical). La escala del %, de material que pasa, es normal y la del tamaño de partículas es logarítmica. La gráfica obtenida es semilogarítmica. Si la gráfica es muy tendida, fundamentalmente, hay partículas finas.
Los ensayos no suelen ir más allá del tamiz 0,08. - Suelo A: Tiene fundamentalmente elementos gruesos. Por el tamiz de 5 mm no pasa nada. - Suelo C: Por el tamiz 0,06 pasa el 72% del total. Es un suelo muy arcilloso. - Suelo B: bien graduado. Tiene tamaños de gran número de partículas.
**Coeficientes Coeficiente de uniformidad: relación entre el tamaño máximo de partículas que pasan en el 60%, con respecto al tamaño por el que pasa el 10%. -Dx: apertura de malla por cuyo tamiz pasa X%. -D60: pasa 60%. -D10: pasa 10%. Indica la uniformidad de las partículas Cuándo hay un coeficiente menor que 5 la granulometría es uniforme. Si es menor de 2,5 la granulometría es muy uniforme.
**Coeficiente de curvatura -Coeficiente entre 1 - 3: suelo bien graduado -Suelo grava con coeficiente mayor que 4: suelo bien graduado -Suelo arena con coeficiente mayor que 6: suelo bien graduado
**Límites de Atterberg Sirven para conocer el estado físico del suelo Estado de coherencia/consistencia La forma de un suelo depende de la cantidad de agua que hay en él (al faltar agua el suelo disminuye su tamaño). Atterberg cogió un suelo y lo secó totalmente observando que el suelo estaba duro. Él fue echando agua y llegó a un punto en el que el suelo comenzó a expandirse, pudiéndose desmenuzar (estado semisólido). Siguió aumentando la humedad y el suelo llegó a ser moldeable (estado plástico). Al seguir echando agua se convirtió en viscoso y podía fluir (estado líquido). Nos interesan suelos duros o blandos, pero no viscosos.
Fijó los puntos donde variaba el estado, que son los límites de Atterberg. - Límite de retracción: De sólido a semisólido - Límite plástico: de semisólido a plástico - Límite líquido: de plástico a líquido Los límites vienen en % de agua, respecto al peso del suelo.
**Índice de plasticidad La franja en la que el suelo es plástico se define con el índice de plasticidad siendo la diferencia entre el límite líquido y el plástico, en % de agua. IP= LL - LP IP= índice de plasticidad LL= límite líquido LP= límite plástico
**Determinación de LL Se usa la cuchara de Casagrande. El método consiste en coger una muestra de suelo, tamizarlo por el tamiz 40, y añadir agua. La masa obtenida se pone en la cazoleta (aplastándola y haciendo un surco), que se levanta 1 cm, al dar la vuelta a la manivela, y se deja caer. Al ir golpeando la cuchara el surco se va desplazando, cerrándose. Se cuenta a que número de golpes se cierra el surco. Hay que conseguir que se cierre entre: + 15 - 35 golpes + 15 - 25 golpes + 25 - 35 golpes
Para esto se varía la humedad de las muestras. Se pesan las muestras, se secan, y se vuelven a pesar, obteniendo la humedad por diferencia. Con el número de golpes y el porcentaje de húmedas se hace una gráfica.
Los 3 puntos deben quedar equilibrados y para ello se hace una recta equidistante que pase por los 3 puntos, paralela a las que tiene la gráfica marcada. A continuación se lee el valor para 25 golpes y ese es el valor del límite líquido.
**Determinación del LP Se coge el suelo, y se tamiza por el tamiz nº40. Se hace una masa, que se frota, y se hace un rollito. Cuándo tenga 3 mm de diámetro, y, a partir de ahí, se desmorona, tiene una humedad equivalente al límite plástico.
**Determinación del límite de retracción (LR) Casi no se usa
**Equivalente de arena Es un método rápido para saber un índice que nos indica el porcentaje de material fino (pasa por el tamiz número 200, que es el de 0,08 mm). Nos da una idea de la calidad. Se usa cuando hay tan poca arcilla que no se pueden usar los límites de Atterberg. Se toma una muestra, se mete en disolución, se agita y se deja reposar. Se va a separar arena, arcilla y limo. Equivalente arena= lectura arena x 100
**Lectura arcilla Oscila entre 0 y 100. Si es alto hay pocos finos. Si es menor de 25 es un suelo plástico y poco adecuado para la construcción. Nunca es bueno que la cantidad de arcilla sea muy grande y es recomendable que el equivalente de arena sea mayor que 25.
***Compactación del suelo **Consolidación La consolidación es un proceso natural por el cual el suelo disminuye su densidad seca. **Compactación Persigue crear los mismos efectos de la consolidación, aplicando un proceso mecánico.
Produce diferentes efectos: - aumento de la densidad - disminución de la porosidad - aumento de la capacidad resistente del suelo - Disminución de la permeabilidad: el suelo va a admitir peor que el agua penetre en él
- aumento del rozamiento interno
los parámetros que se usan son: + densidad seca del suelo + porosidad: relación entre el volumen total de poros y el volumen total del suelo. La compactación depende de: - La naturaleza del suelo: forma, tamaño y clase de partículas - el método de compactación - La energía de compactación: cuántas más pasadas hay más energía de compactación ***El contenido de agua. Proctor en los años 30 observó como la cantidad de agua en el suelo influía sobre la densidad. Le aplicó una energía de compactación a una muestra determinando la densidad, según la cantidad de agua. Al aplicar mayor humedad hay mayor densidad. Con ello obtuvo una gráfica. Al compactar se reorganizan las partículas, para que el suelo esté más denso, con o que el agua ayuda a la compactación. Habla de Humedad Óptima (ho), con lo que se obtiene la máxima densidad, y de densidad seca máxima ( m) Llegaba a un punto donde aumentaba la humedad y disminuía la densidad. Si se varía la energía de compactación se van obteniendo las diferentes curvas. Al aumentar la energía de compactación las densidades máximas son más altas, pero la humedad óptima disminuye. Había que establecer un ensayo para saber cuánta humedad debe haber. Para ello se ideó el Ensayo del Proctor Normal. Este ensayo consistía en coger un cilindro de 1 l de capacidad, que se va llenando de suelo, tras tamizarlo por el tamiz 20 mm. Se tomaba una tongada, y se le daban 25 golpes con una maza de 2,5 kg, con una altura de 0,3 m de caída. Se repetía hasta llenar el molde (se hacen 3 tongadas). Repetía el ensayo, con el suelo al que se le había añadido humedad. Con los dato s obtenidos se sacaba una gráfica. Hay otro proceso muy similar, el Proctor Modificado, con un molde de 2,32 l, 5 capas, 60 golpes por capa, una maza de 4,54 kg y una altura de caída de 0,4 m. Se utiliza mayor energía. En el Proctor Modificado da menor humedad y densidad más alta, que en el Normal. Se aumentan las capas y la capacidad de compactación, para que sea más representativo con las máquinas que hay actualmente. En la realidad se determina el índice de compactación (relación entre la densidad seca exigida en obra y la densidad seca, conseguida en laboratorio mediante el ensayo Proctor). Si tengo un Proctor de 955, en obra exigimos que se llegue al 95% de la densidad seca máxima. En el suelo se hacen ensayos, que se comparan con el Proctor. Para la humedad: + se coge una muestra, a la que se le echa alcohol, y se hace arder. + ensayo Speed: mete el suelo en una cápsula con carburo de Ca, que explota y se mide el aumento de presión. + métodos nucleares. + se seca en estufa.
*** Para determinar la densidad se usan: - Métodos nucleares Método de la arena: se hacen huecos, donde se pesa el suelo sacado, y se rellenan con arena. Como se midió el volumen del hueco y se sabe el peso de la arena, puedo obtener la densidad.
**Ensayo de CBR Es el “valor soporte de California”. En Sudamérica lo llaman valor relativo soporte (VRS)
Sirve para evaluar la capacidad de soporte de los suelos explanados. La capacidad soporte mide en un suelo, la característica que tiene para soportar cargas, es decir, de que circulen vehículos por encima de él. Cuánto mayor sea la capacidad de carga hay menor posibilidad de que se deshaga el camino. Sirve para dimensionar espesores de firme. Hay un ensayo tomando el suelo que ha pasado un ensayo Proctor, que se satura (se mete 4 días en agua), y se punzona. Un pistón va a punzar el suelo y mido cuánto penetra (con un comparador) y la carga necesaria para hacer esas penetraciones, con lo que establezco una curva entre la presión y la penetración (mm). El índice de CBR es el porcentaje de la presión ejercida por el pistón, sobre el suelo, para una penetración determinada, con relación a la presión correspondiente a la misma penetración en una muestra patrón. Sobre una muestra patrón se hace el ensayo CBR y, con esta muestra, hago una gráfica. Con mi suelo hago lo mismo. El índice de CBR es la relación entre las dos gráficas. Cojo la presión que se produce con la penetración de 2,54 mm en nuestro suelo y se compara con la presión que se necesita en la muestra patrón (Po). Índice CBR= P x100 Po
**Hinchamiento Aumento del volumen de una muestra al estar saturada de agua. Es muy importante conocer como reacciona un suelo con la humedad. Si se encharca el suelo va a hincharse, por ocupar el agua los poros. El hinchamiento se obtiene con el ensayo del CBR, porque hay que saturar el suelo de agua. Se mide el volumen inicial y el que tiene a los 4 días.
**Ensayo de desgaste de los Ángeles Evalúa la resistencia de un material a ser desgastado, friccionado y triturado. Al desgastarse las partículas disminuyen su tamaño. Se usa un depósito cilíndrico, atravesado por un eje, según el cual puede girar. En el depósito se añade una muestra (P) con diámetros específicos, y una cierta cantidad de bolas de acero, de 5 cm de diámetro (11). En la parte interior hay una chapa que, al girar la máquina, hace que choquen bolas y muestra. Tras 500 vueltas se tamiza la muestra (por el tamiz de 1,6 mm) y se obtiene cierta cantidad
(P´) P - P´ x 100= LA P LA= coeficiente de desgaste de los Ángeles P= cantidad inicial P´= cantidad que sacamos tras tamizar Si tenemos un LA de 20% sólo el 20% se ha pulverizado. Si es mayor del 50% el suelo es mediocre y, si es inferior al 20%, es un suelo bueno.
**Rozamiento interno Las partículas están enlazadas, rozando unas contra otras. La cohesión (c) mide la adhesión de unas partículas con otras, como consecuencia de las fuerzas moleculares con las que se atraen. Se mide en unidades de tensión. Cuánto más pequeñas sean las partículas mayor es la cohesión. Un suelo arcilloso es un suelo cohesivo. En principio la cohesión es buena. El entumecimiento es una propiedad por la cual el suelo, en contacto con el agua, aumenta su volumen. Al hincharse, el suelo separa sus partículas y disminuye la cohesión. Nos interesan suelos muy estables y que no se separen. Se considera una superficie inclinada, donde está sujeta, por un tope, una cantidad de suelo. Encima colocamos otra cantidad de suelo. Si la inclinación es muy baja el suelo no se desplaza por un rozamiento de las partículas superficiales. Al aumentar la inclinación el suelo va a desplazarse. El ángulo donde empieza el desplazamiento es el que se usa para medir el rozamiento interno. En un suelo va a haber tensiones normales y cortantes. La tensión más importante es la cortante, porque es la que da l ugar a deformaciones.
** Clasificación de suelos Consiste en asignar una muestra de un suelo a un grupo al que se le atribuyen características importantes. Ha de proporcionar unas características entendidas por todo el mundo. ** HRB Divide los suelos en: + materiales granulares: % que pasa por el tamiz nº200< 35% + materiales limo-arcillosos:> 35% pasa por el tamiz nº200 Se basa en el análisis granulométrico. Se establecen 7 grupos, que poseen subgrupos. Para clasificar el suelo se leen las características de arriba abajo y de izquierda a derecha. Hecha la clasificación inicial se usa lo que pasa por el tamiz nº10, 40 y 200. Después usa el límite líquido, el índice de plasticidad y el indice de grupo (v alor entero entre 0 y 20).
Hechos todos los ensayos la clasificación nos dice como es el suelo. Incluso hace una valoración de cómo funcionaría el suelo si lo usamos como cemento. Son mejores las arenas y las gravas, pero deben tener algo de arcilla, que funciona como elemento cementante. Para entrar en los últimos grupos se usa otro cuadro que se obtiene con el límite líquido y el de plasticidad. El índice de grupo se determina con: - Tamiz 200 pasa 40% - a= 40 - 35= 5 Si es mayor del 75% se da 40 y, si es menor del 35% cero. Hay una tabla que nos da las características de los suelos encuadrados en cada grupo Cuánto mayor es el índice de grupo peor es el suelo para usar como cemento. Saber el grupo nos vale para conocer las características del suelo. *-*-*Ejercicio. Tenemos un suelo con 56% que pasa por el tamiz 200, LL de 43 e IP de 9. Como pasa un % del 565 estamos en un material limoarcilloso. IG= 21 x 0,2 + 0,005 x 21 x 3 + 0,01 x 40 x 0= 4,515" 5 a= 56 - 35= 21 b= 40 c= 43 - 40= 3 d= 0 Con la tabla para suelos limo-arcillosos obtenemos un A-5. En la tabla vemos las características que tiene este suelo que es muy poco aprovechable. ** USCS
Sistema unificado de clasificación de suelos. Lo adoptaba la ASTM y se conoce como el método de Casagrande Modificado porque fue de los primeros que lo propuso. Se establecen 3 grandes grupos, contemplando los suelos orgánicos (se retiran). Distingue gravas y arenas, clasificadas en limpias y sucias (mayor cantidad de arcilla) dentro de las partículas gruesas. Las partículas finas las clasifica según sean resistentes o no a la compresión. Mal graduado se refiere a que la granulometría es constante. Hay un margen muy pequeño de tamaños. Se establecen 3 divisiones, suelos con partículas gruesas o finas y orgánicos (nos olvidamos de ellos) Se establece el limite, entre suelos finos o gruesos, en el 50%. Para arenas y gravas se usa el tamiz nº 4. Si más de la mitad pasa estamos en arena y, si más de la mitad queda retenida, estamos en grava. Luego se distingue entre sucias y limpias (< 5% retenido en el tamiz 200) Se usa Cu (coeficiente de uniformidad) y Cc (coeficiente de curvatura) para clasificar. Para partículas finas la 1º clasificación, en función del LL, nos da limos y arcillas con elevada, o escasa, resistencia a la compresión. Usamos una gráfica con el LL y el IP situando el s uelo en un punto, que nos da la clase que tenemos.
Se dan las características del suelo según el grupo al que pertenece. Diferencias entre clasificaciones + En la HRB se usa el 35% y en el USCS el 50% para diferenciar entre grano grues o y fino + La clasificación HRB es muy apropiada para la construcción de caminos rurales + La USCS tiene en cuenta los suelos orgánicos Se suelen usar las 2 clasificaciones.
