INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TEHUACÁN
PRESENTA: JORGE ALBERTO LEZAMA LE ZAMA MARTÍNEZ, 09360051 ASESOR: ING. EDUARDO LÓPEZ SÁNCHEZ
ÍNDICE Índice................. Índice................................ .......................... ....................... ....................... .......................... ............................ ........................ ...................... .............. ........... .............2 .....2 Antecedentes...... Antecedentes................... .......................... ........................ ....................... ......................... ........................... ......................... ................................. ...........................3 .....3 Clasificación de suelos según SUCS
Análisis fundamental fundamental del sistema sistema unificado............ unificado......................... ........................... .......................... ........................... .......................4 ........4 Procedimiento Procedimiento para la clasificación SUCS.............. SUCS............................. .......................... .................................. .................................. ............5 .5 Clasificación de suelos según AASHTO
Clasificación de suelos por el método AASHTO.................................................................10 Procedimiento para la clasificación AASHTO......................................................................14 Ejemplo Clasificación de Material para Base Hidráulica del banco de San Gabriel Chilac por el método SUCS y el método AASHTO...................................................................................16
Conclusión........... Conclusión....................... ....................... .......................... .......................... ...................... ...................... .......................... .......................... .........................21 ..............21
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CLASIFICACIÓN DE SUELOS POR EL MÉTODO DE S.U.C.S. Y POR EL MÉTODO AASHTO INTRODUCCIÓN Dada la complejidad y prácticamente la infinita variedad con que los suelos se presentan en la naturaleza, cualquier intento de sistematización científica, debe ir precedido por otro de clasificación completa. Obviamente la mecánica de suelos desarrollo estos sistemas de clasificación desde un principio. Primeramente, dada el escaso conocimiento que sobre los suelos se tenía, fundándose en criterios puramente descriptivos; nacieron así varios sistemas de los cuales los basados en las características granulométricas, ganaron popularidad rápidamente. La búsqueda de un trasporte eficiente de pasajeros, turismo y productos nos impulsa a llevar un mejor control de calidad sobre los materiales con los que se construyen los caminos por donde transitan millones de usuarios diariamente. Es por ello que en las obras viales durante todo su proceso constructivo es de suma importancia verificar las propiedades de cada uno de los materiales empleados y el desempeño de su combinación al conformar las distintas capas del pavimento. La determinación de las propiedades y desempeño de los materiales se logra a partir de un conjunto de ensayos o pruebas establecidas precisamente para comprobar que dichos materiales funcionen correctamente de acuerdo a rangos, límites y/o valores estándares para condiciones similares o equivalentes. En este trabajo analizaremos específicamente dos sistemas de clasificación: •
Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS)
•
Método de Clasificación de , la American Association of State Highway and Transportation, (AASHTO)
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ANTECEDENTES El comportamiento de los suelos es complejo debido a la naturaleza granular y a la coexistencia de partículas sólidas con fluido intersticial que generalmente está compuesto por más de un fluido (agua, contaminantes orgánicos e inorgánicos, gases como ser aire o metano, etc.). El entendimiento actual del comportamiento de los suelos ha evolucionado a través del siglo XX, incluyendo esfuerzos efectivos (Terzaghi en los años ‘20), coloides y arcillas (Goy, Chapman en los ’10, Lambe y Mitchell en los ’50), dilatación en corte (Taylor 1948 y Estado Crítico con Roscoe, Schofield y Wroth en los ’60), fase fluida mixta y suelos no saturados (Bishop, Aitchinson, Fredlund y Morgenstern en los ’60). Una nueva etapa se
anticipa actualmente con el estudio de la geo-química mediada por microorganismos.
Las distintas clasificaciones de suelos intentan capturar y describir este complejo material en vista a aplicaciones específicas, con sus correspondientes necesidades: construcción de caminos y pavimentos, agricultura, minería o geo-mecánica. Las diferentes clasificaciones son: 1) el sistema unificado de clasificación de suelos SUCS 2) el sistema de la American Association of State Highway & Transportation Officials AASHTO 3) el método propuesto por la Federal Aviation Administration FAA 4) el sistema de US Department of Agriculture USDA, Entre otros.
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CLASIFICACIÓN DE UN SUELO POR EL MÉTODO SUCS
ANÁLISIS FUNDAMENTAL DEL SISTEMA UNIFICADO La primera y más importante decisión está dada por el contenido de finos, definido como el correspondiente a partículas de diámetro equivalente menor a 0,075 mm, pasante del tamiz #200. Si menos del 50% en peso del suelo pasa el tamiz #200, entonces el suel o es “grueso” y se subclasifica en arena o grava usan do el tamiz #4. De otro modo, el suelo es “fino” y se subclasifica en limo o arcilla, usando los límites de plasticidad. La Figura 2 presenta un esquema simplificado del SUCS.
Sistema Unificado de Clasificación de Suelos. Está basado en el análisis granulométrico y los límites de Atterberg. El tamaño de las partículas determina la naturaleza de las fuerzas que gobiernan el comportamiento de los suelos. Fuerzas de naturaleza eléctrica (fuerzas atractivas y repulsivas de van der Waals) predominan en partícu (Tamiz #200).
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La importancia del tamiz #200 se hace evidente cuando se analizan las fuerzas dominantes sobre las partículas, incluyendo las de peso propio, las fuerzas debidas a los esfuerzos efectivos, fuerzas eléctricas, y fuerzas capilares. La Figura anterior muestra la correlación existente entre el tamaño equivalente de las partículas y la naturaleza de las fuerzas gobernantes. Nótese que los tamices #200 y #4 logran capturar estos límites. Desde el punto de vista del diseño, la velocidad de disipación del exceso de presión de poros discrimina entre análisis en condiciones “drenadas” o en condiciones “no drenadas”. Típicamente, las condiciones de carga “drenadas” están asociadas a suelos de grano grueso, en tanto que las de carga “no drenadas”, a suelos de grano fino. Sin embargo, un
suelo de grano grueso pero con la presencia de sólo 10% de finos ve afectada grandemente su permeabilidad, haciendo que su valor cambie en órdenes de magnitud. Consecuentemente, el SUCS tiene un rango del 5% al 12% de contenido de finos que modifica la clasificación de suelos. En la ausencia de finos, el empaquetamiento de granos en suelos gruesos (gravas o arenas) depende del coeficiente de uniformidad Cu = D60/D10; este determina las máximas y mínimas relaciones de vacío que un determinado suelo granular puede alcanzar. El coeficiente de curvatura Cc=D30 2 /(D10*D60) agrega información acerca de la convexidad de la curva granulométrica, indicando la presencia de diámetros extremos. Por otro lado, los límites de Atterberg son escogidos para clasificar los suelos finos. Los ensayos de límites de consistencia deben ser realizados con el mismo fluido que estará involucrado durante la vida útil del proyecto ya que diferentes iones y concentraciones afectan la capa difusa y las fuerzas de repulsión.
Procedimiento para la clasificación SUCS Este sistema clasifica los suelos en dos amplias categorías: “suelos de grano grueso que
son de naturaleza tipo grava y arenosa con menos del 50% pasando la malla No. 200” y los suelos de grano fino con 50% o más pasando la malla No. 200” .
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Para clasificar apropiadamente un suelo utilizando este sistema, deben conocerse el porcentaje de grava, el porcentaje de arena, el porcentaje de limo y arcilla, los coeficientes de uniformidad y curvatura y el límite líquido e índice de plasticidad. Los primeros cinco datos se obtienen a partir de un análisis granulométrico. El método SUCS presenta diversa nomenclatura; para suelos granulares, las siglas son G (grava), S (arena), W (bien graduada) y P (mal graduada). Para suelos finos la nomenclatura es M (limo), C (arcilla), H (alta compresibilidad) y L (baja compresibilidad). Y para los suelos orgánicos la sigla es Pt (turba). El procedimiento para la clasificación de suelos viene descrito de la siguiente forma: 1. Descartar que el suelo sea un Pt. 2. Determinar si el suelo es fino o granular: - Granular....... % pasando # 200 < 50%. - Fino............... % pasando # 200 ≥ 50%. 3. Si el suelo es granular, seguir los siguientes pasos: 3.1. Determinar si es grava o arena: - Si Ret. #4 > 50% Ret. #200, hay más grava que arena, por lo que es un suelo tipo grava. - Si Ret. #4 ≤ 50% Ret. #200, hay más arena que grava, por lo que es un suelo tipo arena.
3.2. Determinar si G ó S está limpia, intermedia o sucia: - Limpia, si el % pasa #200 es < 5%. Determinar si es W ó P. - Intermedia, si el % pasa #200 está entre 5 y 12%. Determinar si es W ó P. Determinar si está contaminada con M ó C. - Sucia, si el % pasa #200 es > 12%. Determinar si está contaminada con M ó C. Para determinar si el suelo es W o P se utiliza el Cc y el Cu.
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- Para las gravas, es W si u >4 ,1< c<3, es P si incumple alguno de los dos parámetros. - Para las arenas, es W si u >6 ,1< c<3, es P si incumple alguno de los dos parámetros. 4. Determinar el nombre de grupo utilizando el cuadro respectivo. 5. Si el suelo es fino, determinar directamente la clasificación por medio de la carta de plasticidad, conociendo el límite líquido (LL) y el índice de plasticidad (IP). 6. Determinar si el suelo es inorgánico (M ó C) u orgánico (O): 7. Determinar el nombre de grupo utilizando el cuadro respectivo.
Clasificación de suelos SUCS presentado en forma esquemática general.
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Carta de Plasticidad, los criterios para el uso de esta carta están dadas en el cuadro siguiente.
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CLASIFICACIÓN DE SUELOS POR EL MÉTODO AASHTO La American Associattion of State Highway Officials adoptó este sistema de clasificación de suelos (AASHTO M 145), tras varias revisiones del sistema adoptado por el Bureau of Public Roads de Estados Unidos, en el que los suelos se agrupan en función de su comportamiento como capa de soporte o asiento del firme. Es el sistema más utilizado en la clasificación de suelos en carreteras. En esta clasificación los suelos se clasifican en siete grupos (A-1, A- 2,…, A-7), según su granulometría y plasticidad. Más concretamente, en función del porcentaje que pasa por los tamices nº 200, 40 y 10, y de los Límites de Atterberg de la fracción que pasa por el tamiz nº 40. Estos siete grupos se corresponden a dos grandes categorías de suelos, suelos granulares (con no más del 35% que pasa por el tamiz nº 200) y suelos limo-arcillosos (más del 35% que pasa por el tamiz nº 200). La categoría de los suelos granulares; gravas, arenas y zahorras; está compuesta por los grupos A-1, A-2 y A-3, y su comportamiento en explanadas es, en general, de bueno a excelente, salvo los subgrupos A-2-6 y A-2-7, que se comportan como los suelos arcillosos debido a la alta plasticidad de los finos que contiene, siempre que el porcentaje de estos supere el 15%. Los grupos incluidos por los suelos granulares son los siguientes:
A-1: Corresponde a una mezcla bien graduada de gravas, arenas (gruesa y fina) y finos no plásticos o muy plásticos. También se incluyen en este grupo las mezclas bien graduadas de gravas y arenas sin finos.
- A-1-a: Incluye los suelos con predominio de gravas, con o sin material fino bien graduado - A-1-b: Incluye suelos constituidos principalmente por arenas gruesas, con o sin material fino bien graduado.
A-3: Corresponde, típicamente, a suelos constituidos por arena fina de playa o de duna, de origen eólico, sin finos limosos o arcillosos o con una pequeña cantidad de limo no plástico. También incluyen este grupo, los depósitos fluviales de arena fina mal graduada con pequeñas cantidades de arena gruesa o grava.
A-2: Este grupo comprende a todos los suelos que contienen un 35% o menos de material que pasa por el tamiz nº 200 y que no pueden ser clasificados en los grupos AP á g i n a 10 | 21
1 y A-3, debido a que el porcentaje de finos o la plasticidad de estos (o ambas cosas) están por encima de los límites fijados para dichos grupos. Por todo esto, este grupo contiene una gran variedad de suelos granulares que estarán entre los correspondientes a los grupos A-1 y A-3 y a los grupos A-4, A-5, A-6 y A-7. - A-2-4 y A-2-5: En estos subgrupos se incluyen los suelos que contienen un 35% o menos de material que pasa por el tamiz nº 200 y cuya fracción que pasa por el tamiz nº 40 tiene las características de los grupos A-4 y A-5, de suelos limosos. En estos subgrupos están incluidos los suelos compuestos por grava y arena gruesa con contenidos de limo o índices de plasticidad por encima de las limitaciones del grupo A-1, y los suelos compuestos por arena fina con una proporción de limo no plástico que excede la limitación del grupo A-3. - A-2-6 y A-2-7: En estos subgrupos se incluyen suelos como los descritos para en los subgrupos A-2-4 y A-2-5, excepto que los finos contienen arcilla plástica con tienen las características de los grupos A-6 y A-7. La categoría de los suelos limo-arcillosos está compuesta por los grupos A-4, A-5, A-6 y A7, cuyo comportamiento en explanadas ve de regular a malo. En esta categoría los suelos se clasifican en los distintos grupos atendiendo únicamente a su límite líquido y a su índice de plasticidad, según las zonas del siguiente gráfico de plasticidad. De esta forma se clasifican también los suelos del grupo A-2 en los distintos subgrupos
En este cuadro podemos apreciar en qué lugar se sitúan los diferentes suelos según la clasificación Limos-arcillosos definidos por su LL y IP
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Los grupos incluidos en los suelos no granulares son los siguientes:
A-4: El suelo típico de este grupo es un suelo limoso no plástico o moderadamente plástico, que normalmente tiene un 75% o más de material que pasa por el tamiz nº 200. También se incluyen en este grupo los suelos constituidos por mezclas de suelo fino limosos y hasta un 64% de gravas y arenas. A-5: El suelo típico de este grupo es similar al descrito en el grupo A-4, salvo que suele tener carácter diatomáceo o micáceo, y pueden ser muy compresibles, como indica su elevado límite líquido. A-6: El suelo típico de este grupo es un suelo arcillosos plástico, que normalmente tiene un 75% o más de material que pasa por el tamiz nº 200. También se incluyen en este grupo las mezclas de suelo fino arcilloso y hasta un 64% de gravas y arenas. Estos suelos, experimentan generalmente grandes cambios de volumen entre los estados seco y húmedo. A-7: El suelo típico de este grupo es similar al descrito en el grupo A-6, salvo que que tiene las características de elevado límite líquido del grupo A-5, y puede ser elástico y estar sujeto a grandes cambios de volumen. - A-7-5: Se incluyen en este subgrupo los suelos con un índice de plasticidad moderado en relación con el límite líquido y que pueden ser altamente compresibles, además de estar sujetos a importantes cambios de volumen. - A-7-6: Se incluyen en este subgrupo los suelos con un índice de plasticidad elevado en relación con el límite líquido y que están sujetos a cambios de volumen muy importantes.
En la siguiente tabla se representa gráficamente la clasificación de los suelos según AASHTO.
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Procedimiento para la clasificación AASHTO
La clasificación realizada de esta manera se complementa con el índice de grupo, que permita caracterizar mejor cada suelo dentro de los grupos, ya que estos admiten suelos con porcentajes de finos y plasticidad muy diferentes. El índice de grupo de obtiene mediante la siguiente expresión: IG = (F - 35) [0,2 + 0,005 (LL – 40)] + 0,01 (F – 15) (IP – 10) Siendo: F: Porcentaje en peso que pasa por el tamiz nº 200 del material inferior a 75 mm, expresado en número entero. LL: Límite líquido IP: Índice de plasticidad.
El índice de grupo se expresa en números enteros positivos (un número negativo se expresará como IG = 0) y se escribe entre paréntesis a continuación de los símbolos de
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grupo o subgrupo correspondientes, por ejemplo A-2-4 (0). Generalmente cuanto menor es el IG de un suelo, mejores son las cualidades del suelo como explanada o capa de asiento del firme. Los suelos de los grupos A-1, A-3, A-2-4 y A-2-5, que pueden calificarse de buenos a excelentes, tienen un IG = 0. Un IG = 20 o mayor corresponde a un suelo de muy mala calidad, en condiciones medias de drenaje y compactación. El valor crítico de finos es F = 35 con independencia de la plasticidad, y si el índice de plasticidad es superior a 10 este valor será F = 15. Los valores críticos del límite líquido y del índice de plasticidad serán, respectivamente, 40 y 10. Por último, hay que señalar que para calcular el IG de los subgrupos A-2-6 y A-2-7 sólo se considera el segundo sumando de la expresión.
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Ejemplo de Clasificación de Material para Base Hidráulica del banco de San Gabriel Chilac. Primero recolectamos la muestra del material en el banco ubicado en la comunidad de San Gabriel Chilac, desde donde se proveen materiales para las capas de la terracerías de muchas obras de la región.
Una vez llegando al laboratorio procedimos a preparar la muestra para realizar las pruebas de Granulometría y Límites de consistencia, de acuerdo a la normativa SCT.
Para realizar el secado de la muestra al aire o al sol a temperatura ambiente, se extiende La muestra en las charolas o sobre una superficie sensiblemente horizontal, lisa y limpia, para que sea fácil recogerla, evitar la pérdida de finos y su contaminación.
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El cuarteo se realiza con el objeto de obtener de una muestra, porciones representativas de tamaño adecuado para efectuar las pruebas de laboratorio que se requieran.
Se vierte la muestra sobre el cuarteador, procurando que pasen cantidades similares a través de cada uno de los ductos, quedando en esta forma la muestra dividida en dos porciones que se depositan a la salida de los dos grupos de ductos en las char olas laterales del cuarteador, lo cual constituye la primera partición. Si la cantidad de material así obtenida es mayor que la requerida, se repite este procedimiento con una de las porciones, tantas veces como sea necesario para reducir su tamaño.
Así procedimos bajo las normativas de la SCT para la realización de las pruebas que necesitamos para clasificar el material. Obteniendo de la prueba granulométrica los siguientes resultados.
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Donde las columnas W i y w j muestran la cantidad retenida en gramos, de cada tamiz
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Obteniendo con estos datos la siguiente grafica granulométrica
Y con esta podemos obtener los valores de Cc y Cu
Para los límites de consistencia obtuvimos los siguientes resultados:
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Con todos estos datos obtenidos ya podemos clasificar nuestro material por los dos métodos vistos en este documento. Clasificado por el método SUCS Datos necesarios: Material que pasa por la malla 200: 12.4% Material que pasa por la malla No. 4: 51.1%
Coeficiente de uniformidad: Coeficiente de curvatura: Limite líquido:
155.6 2.675
25.7
Índice de plasticidad:
3.9
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De acuerdo a estos datos el material se clasifica dentro de las partículas gruesas al ser más de la mitad del material retenido en la malla # 200, lo que tenemos que definir es si es grava o arena, para esto tomamos como referencia la cantidad de material que paso la malla no. 4, según los datos obtenidos la cantidad en porcentaje que paso la malla no. 4 es de 51.1%, lo que nos indica que nuestro material cae en la clasificación de ARENAS. Basándonos en los criterios de clasificación en el laboratorio nuestro material presenta un Cc = 2.7 y un Cu = 156, lo que nos sirve para determinar que nuestro material de acuerdo a SUCS es un SW (Arena bien graduada con gravas). Clasificación por el método AASHTO Para esta clasificación necesitamos los siguientes datos que previamente ya obtuvimos en el laboratorio Porcentaje que pasa malla #10: 36.45 Porcentaje que pasa malla #40: 19.92 Porcentaje que pasa malla #200: 12.4 Limite líquido: 25.7 Índice plástico: 3.9 Índice de grupo: 0 El porcentaje que pasa la malla 200, es igual o menos al 35% especificado para materiales granules, por lo tanto nuestro material se clasificara de entre A-1, A-2, A-3. Para el grupo A-1-a donde el máximo porcentaje que pasa la malla #10 es del 50%max, la malla #40 es del 30%max, y la malla #200 es del 15% máx., es donde encaja nuestro material, ya que en todos los siguientes grupos y subgrupos incumple una o más de sus condicionantes. Por tanto nuestro material clasificado por este sistema, tenemos que es un: A-1-a (0) (fragmento de piedra grava y arena)
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Conclusión Se puede considerar que el sistema unificado de clasificación de suelos y el sistema AASHTO son métodos que nos impulsa a llevar un mejor control de calidad sobre los materiales con los que se construyen los caminos, ya sean de concreto hidráulico o de concreto asfaltico o también de terracerías por donde transitan millones de usuarios diariamente. Estos caminos se usan para impulsar el comercio, turismo, y las necesidades de las personas como trasladarse a su trabajo, escuela o a alguna unidad de salud. Si nuestros caminos no están en buenas condiciones por tener un material de mala calidad, el transporte a dichos lugares nos llevara más tiempo y esto a su consecuencia nos generara retrasos que nos conllevaran a pérdidas de capital económico, y hasta de vidas humanas. Por eso es tan importante la clasificación del suelo, ya que lo usamos como material y base de cualquier construcción, ya sea de transporte o edificación, como de escuela, salud, dependencias gubernamentales, y caminos, pero siempre necesitamos conocer el suelo, y así tener en cuenta los cálculos previos para elaborar un proyecto y que nuestro material como base, resista el peso de nuestro proyecto y no llegue a sufrir fallas y que estas nos llevaran a tener problemas en nuestro proyecto.
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