Mecanica de Suelos i -Umss

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL LABORATORIO DE GEOTECNIA

“APOYO DIDÁCTICO AL APRENDIZAJE DE LA ASIGNATURA MECÁNICA DE SUELOS I CIV-219” TRABAJO DIRIGIDO, POR ADSCRIPCIÓN, PARA OPTAR AL DIPLOMA ACADÉMICO DE:

LICENCIATURA EN INGENIERÍA CIVIL.

PRESENTADO POR:

CAMPOS RODRIGUEZ JORGE GUARDIA NIÑO DE GUZMÁN GERMÁN MARCELO

TUTOR: Ing. Msc. LUIS MAURICIO SALINAS PEREIRA

COCHABAMBA – BOLIVIA 5 DE DICIEMBE DEL 2005

Dedicado a: •

Mis papás Germán Guardia y Rosario Niño de Guzmán por apoyarme y haber confiado en mí siempre.

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A mis hermanos Ximena, Sergio, Javier, Cristhían, Carlos y Annelisse, por su comprensión y ayuda desinteresada.

•

A mis abuelitos y tíos que siempre confiaron en mí. Germán M. Guardia Niño de Guzmán

Dedicado a: •

Mis papás Juan Campos y Julieta Rodríguez por su apoyo y confianza en mí.

•

Mis hermanos Ronald y Patricia por apoyarme y haber confiado en mí siempre.

•

A mis abuelitos y tíos que siempre confiaron en mí.

Jorge Campos Rodríguez

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AGRADECIMIENTOS

A Dios, por no abandonarnos nunca y habernos ayudado a llegar a esta etapa de nuestra vida. Agradecemos a nuestros padres por todo el amor, aliento y confianza con que nos apoyaron durante toda nuestra carrera, a nuestros hermanos por su comprensión y apoyo desinteresado, a nuestros tíos y abuelitos que siempre confiaron en nosotros. Agradecemos a Ingrid Fernández por su colaboración en la realización de este proyecto de grado. Agradezco al Ing. Mauricio Salinas Pereira, director del Laboratorio de Geotecnia y Tutor del presente trabajo, por su colaboración, enseñanzas y guió durante la realización de dicho proyecto. A todo el personal del Laboratorio de Geotecnia que ayudaron y facilitaron el desarrollo del presente trabajo. Al Ing. Oscar Zabalaga Montaño director de la carrera de ingeniería civil, quien apoyo e impulso la culminación de dicho proyecto. Al tribunal, Ing Gabriel Rodríguez, Ing. Martín Duchen e Ing. Guido León, por el tiempo dedicado a la lectura y corrección de este proyecto de grado. A los compañeros de carrera por su amistad y por todos los momentos compartidos durante los años de estudio universitario.

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FICHA RESUMEN

La asignatura Mecánica de Suelos I – CIV 219 corresponde al sexto semestre de la Carrera de Ingeniería Civil de la Universidad Mayor de San Simón. En los últimos tiempos, la Universidad Mayor de San Simón ha establecido la necesidad de mejorar el proceso de aprendizaje, a través de la realización de textos que permitan mejorar y apoyar el desempeño del alumno. Es por tal razón, que la elaboración de este texto referido a la materia de “Mecánica de Suelos I” surge como respuesta a la necesidad del estudiante de poder disponer de un texto adecuado, en un lenguaje simple y que cumpla cabalmente con las exigencias del contenido de la materia. El presente documento es el producto de la investigación de abundante bibliografía sintetizada en un volumen que engloba lo más importante y útil para el aprendizaje de la materia. El texto se divide en siete capítulos. El primer capítulo desarrolla las propiedades índice de los suelos. En el segundo capítulo se exponen los sistemas mas usados para la clasificación de suelos en laboratorio. El tercer capítulo desarrolla el sistema de clasificación de suelos por medio de métodos visuales y manuales, el cual consiste en describir el suelo para poder posteriormente identificarlo. En el cuarto capítulo se desarrolla el flujo de agua en los suelos ya sea en una, dos y tres dimensiones. En el quinto capítulo se desarrolla el concepto de los esfuerzos efectivos actuantes en el interior de una masa de suelo. El sexto capítulo comprende la resistencia al corte que ofrece un suelo, al ser sometido a cambios de esfuerzos. Finalmente en el séptimo capítulo se desarrolla la compactación de los suelos para el uso en obras civiles.

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PREFACIO

Todas las obras de ingeniería civil descansan de una u otra forma sobre el suelo y muchas de ellas utilizan el suelo como elemento de construcción como es el caso de terraplenes, diques y rellenos en general; por lo que, en consecuencia su estabilidad, comportamiento funcional y estético están regidos, entre otros factores, por la conducta del material de asiento situado dentro de las profundidades de influencia de los esfuerzos que se generan, o por el suelo utilizado para conformar los rellenos. Si se sobrepasan los límites de la capacidad resistente del suelo, o si aún sin llegar a ellos las deformaciones en el suelo son considerables, se pueden producir esfuerzos secundarios en los miembros estructurales no hayan sido considerados en el diseño, lo que produce importantes consecuencias en la estructura como ser fisuras, grietas, alabeo o desplomos que pueden producir, en casos extremos el colapso de la obra o su inutilización y abandono de la misma. En consecuencia, las condiciones del suelo como elemento de sustentación, construcción y las del cimiento como dispositivo de transición entre aquél y la superestructura, han de ser siempre observados, aunque esto se haga en proyectos pequeños fundados sobre suelos normales a la vista de datos estadísticos y experiencias locales y en proyectos de mediana a gran importancia o en suelos dudosos, infaliblemente, a través de una correcta investigación con la mecánica de suelos. Durante los últimos años se han estado empleando cada vez más los vocablos geotecnia y geomecánica para significar la asociación de las disciplinas que estudian la corteza terrestre desde el interés de la ingeniería civil, concurriendo a este vasto campo ciencias como la geología con sus diversas ramas y la geofísica con su división, la sismología. A la vista de los tres materiales sólidos naturales que ocupan nuestra atención, puede dividirse la geotecnia en: mecánica de suelos, mecánica de rocas y mecánicas de nieves, todas presentadas en orden de aparición dentro de las cuales la última no tiene cabida en un medio subtropical. La más utilizada es la mecánica de suelos donde se considera al suelo como un material heterogéneo, distinto de partícula a partícula, donde su contenido de humedad que puede ser variable con el tiempo ejerce una importante influencia sobre su comportamiento; debiendo aplicarse los conocimientos físicos-matemáticos para evaluar y

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predecir su comportamiento. El caso es distinto para con otros materiales de construcción tales como el acero y el hormigón, donde las cualidades físicas son claras y comprensibles, con relativa facilidad a través de procesos metalúrgicos que ofrecen una amplia gama de productos finales, en el primer caso, y mediante diseños de mezclas en el segundo, todo en armonía con las necesidades de un proyecto dado. Sin embargo, esta rama de la ciencia ha tenido un desarrollo esforzado y acelerado en los últimos años, pese a la utilización de teorías e hipótesis de cumplimiento parcial o entre rangos determinados. Al suelo se aplican leyes como las de Hooke y Navier que presuponen al hormigón como un cuerpo perfectamente elástico donde las secciones planas, antes de la deformación, continúan siendo planas durante y después de la deformación, distantes de ser exactas; aceptándose como buenos y válidos los resultados obtenidos de su aplicación. Terzaghi definió que la mecánica de suelos es la aplicación de las leyes de la mecánica y la hidráulica a los problemas de ingeniería que tratan con sedimentos y otras acumulaciones no consolidadas de partículas sólidas, producidas por la desintegración mecánica o la descomposición química de las rocas, independientemente de que tengan o no materia orgánica. La mecánica de suelos incluye: a. Teorías sobre el comportamiento de los suelos sujetos a cargas, basadas en simplificaciones necesarias dado el estado actual de la teoría. b. Investigación de las propiedades físicas de los suelos. c. Aplicación del conocimiento teórico y empírico de los problemas prácticos. Los métodos de investigación de laboratorio son parte de la mecánica de suelos. En los suelos se tiene no solo los problemas que se presentan en el acero y concreto (módulo de elasticidad y resistencia a la ruptura), sino otros como su tremenda variabilidad (uniformidad, homogeneidad, isotropicidad, etc.) además de que todos los procesos naturales que originan la formación de los suelos están fuera del control del ingeniero. En la mecánica de suelos es importante el tratamiento de las muestras (inalteradas – alteradas). La mecánica de suelos desarrolló los sistemas de clasificación de suelos – color, olor, texturas, distribución de tamaños, plasticidad (A. Casagrande). El muestreo y la

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clasificación de los suelos son dos requisitos previos indispensables para la aplicación de la mecánica de suelos a los problemas de diseño.

Problemas planteados por el terreno en la ingeniería civil. En su trabajo práctico el ingeniero civil ha de enfrentarse con muy diversos e importantes problemas planteados por el terreno. Prácticamente todas las estructuras de ingeniería civil, edificios, puentes, carreteras, túneles, muros, torres, canales o presas, deben cimentarse sobre la superficie de la tierra o dentro de ella. Para que una estructura se comporte satisfactoriamente debe poseer una cimentación adecuada. Cuando el terreno firme está próximo a la superficie, una forma viable de transmitir al terreno las cargas concentradas de los muros o pilares de un edificio es mediante zapatas. Un sistema de zapatas se denomina cimentación superficial. Cuando el terreno firme no está próximo a la superficie, un sistema habitual para transmitir el peso de una estructura al terreno es mediante elementos verticales como pilotes. El suelo es el material de construcción más abundante del mundo y en muchas zonas constituye, de hecho, el único material disponible localmente. Cuando el ingeniero emplea el suelo como material de construcción debe seleccionar el tipo adecuado de suelo, así como el método de colocación y, luego, controlar su colocación en obra. Ejemplos de suelos como material de construcción son las presas en tierra, rellenos para urbanizaciones o terraplenes para las carreteras y ferrocarriles. Otro problema común es cuando la superficie del terreno no es horizontal y existe un componente del peso que tiende a provocar el deslizamiento del suelo. Si a lo largo de una superficie potencial de deslizamiento, los esfuerzos tangenciales debidos al peso o cualquier otra causa (como agua de filtración, peso de una estructura o de un terremoto) superan la resistencia al corte del suelo, se produce el deslizamiento de una parte del terreno. Las otras estructuras muy ligadas a la mecánica de suelos son aquellas construidas bajo la superficie del terreno como las alcantarillas y túneles, entre otros, y que están sometidas a las fuerzas que ejerce el suelo en contacto con las mismas. Las estructuras de contención son otro problema a resolver con el apoyo de la mecánica de suelos entre las más comunes

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están los muros de gravedad, los tablestacados, las pantallas ancladas y los muros en tierra armada.

Historia y desarrollo de la mecánica de suelos. El suelo uno de los elementos más abundantes en la naturaleza, ya señalado por los antiguos como uno de los cuatro básicos tomados como material de construcción. En su manejo y utilización el análisis científico ha ido reemplazando, gradualmente, a las reglas intuitivas, siendo el estado actual del conocimiento la suma de los aportes de diversos científicos, físicos, matemáticos e ingenieros, que desde el principio fueron forjando, sin saberlo, una nueva ciencia, nutrida por sus investigaciones. En la dinastía Chou, 1000 A. C, se dan recomendaciones para construir los caminos y puentes. El siglo XVII trae las primeras contribuciones literarias sobre ingeniería de suelos y el siglo XVIII marca el comienzo de la Ingeniería Civil, cuando la ciencia se toma como fundamento del diseño estructural. Entre los principales contribuyentes literarios cabe destacar los nombres de: C. A. de Coulomb (1736-1806) Alexander Collin (1627-1694) T. Telford (1757-1834) J. V. Poncelet (1810-1894) G. Rankine (1820-1872) Karl Culmann (1821-1881) O. Mohr (1835-1918) J. V. Boussinesq (1842-1929) Coulomb, Poncelet, Collin y Rankine aportaron valiosas experiencias en el análisis de presiones de tierras. Las contribuciones del ingeniero militar francés Coulomb tienen todavía vigencia, en fricción, electricidad y magnetismo.

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Poncelet ofreció en 1840 un método gráfico para la determinación directa de la superficie de falla y las presiones de tierra activa y pasiva. Collin publicó en 1846 su trabajo "Recherches Expérimentales sur les Glissements Spontanés des Terrains Argileux". Guillermo M. Rankine fue un ingeniero y físico escocés que se distinguió, también, por sus trabajos en termodinámica. Culmann le dio una solución gráfica a la teoría Coulomb - Poncelet, permitiendo la resolución de problemas complejos de presiones de tierras. Tomás Telford fue un ingeniero inglés, constructor de puentes, puertos y canales, primer presidente de la Asociación Británica de Ingenieros Civiles, en 1820. Sus investigaciones le llevaron a desarrollar una modalidad de pavimentos. Mohr ideó un método gráfico para representar esfuerzos normales y tangenciales actuantes en planos inclinados, cuando el material se somete a esfuerzos biaxiales, de útil aplicación en el campo de los suelos. De Boissinesq se ha aprovechado sus ecuaciones para establecer los valores de las componentes verticales de esfuerzos generados por la aplicación de cargas. Dos nombres no incluidos en la relación de precursores antiguos y que merecen ser citados son los G. G. Stokes, quien enunció una ley que rige el descenso de una esfera en un líquido, fundamento del ensayo granulométrico por sedimentación y el del físico francés H. Darcy autor, en 1856, de una ley básica para el estudio del flujo del agua en los suelos. Entre los principales contribuyentes modernos se tiene a: Karl Terzaghi (1883-1963) A. Atterberg (1880-1947) Wolmar Fellenius (1876-1957) A. Casagrande (1902-1981) Laurits Bjerrum (1918-1973) A. W. Skempton (1914- ) En 1925, Terzagui, presenta en Viena el tratado ERDBAUMECHANIK que hace de la Mecánica de Suelos una rama autónoma de la Ingeniería. El científico de Praga, Karl Terzagui, es el padre de la Mecánica de Suelos. ix

En la Sede de Manizales cuando la entonces Facultad de Ingeniería creada en 1948, hacia 1952 se dictó por primera vez el curso de M de S por el Ingeniero Civil Julio Robledo Isaza. Karl Terzaghi, el padre indiscutible de la mecánica de suelos, nació en Praga, Checoslovaquia, y murió en los Estados Unidos de Norteamérica, a los ochenta (80) años de edad. Trabajó en Austria, Hungría y Rusia, de 1915 a 1911. Fue profesor del Robert College de Constantinopla, de 1915 a 1925. Enseñó ingeniería de fundaciones en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, entre 1925 a 1929, dedicándose simultáneamente a la práctica consultiva en Norte y Centro América. Catedrático en Viena, de 1929 a 1938, comenzó a laborar a partir de este último año con la Universidad de Harvard. Su obra "Erdbaumechanik", publicada en 1925, en Viena y en idioma alemán, marcó el nacimiento de una nueva disciplina. A. Atterberg, sueco, estableció una serie de ensayos para determinar el comportamiento plástico de los suelos cohesivos, de amplia difusión mundial, hoy en día, en cuyos resultados están basados todos los sistemas de clasificación ideados. Fellenius, trabajando para la Comisión Geotécnica de los Ferrocarriles del Estado Sueco, creó un método para analizar y diseñar taludes que se designa con su apellido o es denominado "Método Sueco", el cual se ha convertido en el procedimiento indispensable para el estudio de taludes de presas, carreteras o de cualquier otro tipo. Arthur Casagrande, alemán de origen, emigró a los EE.UU. en 1926. Alumno sobresaliente y compañero de Terzaghi, es después del maestro la figura más relevante en la mecánica de suelos; siendo notables sus contribuciones en equipos y sistemas al estudio de la plasticidad, consolidación y clasificación de los suelos. Organizó junto al Dr. Terzaghi el Primer Congreso de Mecánica de Suelos y Fundaciones, celebrado en la Universidad de Harvard, Cambridge, Massachusetts, en el año de 1936, habiendo sido presidente de la Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos y Cimentaciones. Bjerrum nació y estudió en Dinamarca. Trabajo en Suiza y en su país natal, siendo el primer director, en 1951, del Instituto Geotécnico Noruego. De esa época son sus valiosas investigaciones en torno a la resistencia al corte de los suelos y de modo especial sobre la sensibilidad de las arcillas.

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Skempton, nacido en Inglaterra, es profesor del colegio Imperial de la Universidad de Londres, donde introdujo la enseñanza de la mecánica de suelos. Ha sido presidente de la Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos y Fundaciones. Sus contribuciones han discurrido sobre presiones efectivas, capacidad de carga y estabilidad de taludes. Es oportuno señalar que la Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Fundaciones, organizada por Terzaghi y con asiento en Londres, tiene como miembros componentes a sociedades nacionales de igual naturaleza constituidas en casi todos los países del mundo. Esta sociedad auspicia cada cuatro (4) años, como suceso principal, congresos mundiales que hasta el momento presente han sido celebrados en las ciudades y años indicados a continuación: Primero Cambridge 1936 Segundo Rotterdam 1948 Tercero Zurich 1953 Cuarto Londres 1957 Quinto París 1961 Sexto Montreal 1965 Séptimo Ciudad de México 1969 Octavo Moscú 1973 Noveno Tokio 1977 Décimo Estocolmo 1981 De igual modo tienen lugar eventos regionales dentro de los cuales nos tocan directamente los congresos panamericanos. El primero de ellos tuvo lugar en la Ciudad de México en el año 1959. Casos mundiales en los que hizo falta la aplicación de la mecánica de suelos. Dos de las obras de construcción de carácter monumental en el ámbito mundial donde se hizo patética la ausencia de los postulados de la mecánica de suelos moderna son la Torre de Pisa y el canal de Panamá.

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La llamada Torre Inclinada de Pisa fue comenzada por Bonno Pisano en el 1174 y terminada en la segunda mitad del Siglo XIV. Con una altura de cuarenta y cinco metros y un peso total de 14500 toneladas, su cimentación anular transmite presiones al subsuelo del orden de 5 Kg/cm². Fundada sobre capas alternadas de arena y arcilla, su inclinación comenzó a producirse desde la época de su construcción como consecuencia de presiones diferenciales de los suelos afectados, observándose en la actualidad una separación entre la vertical y el eje longitudinal de la torre de 4.90 m en su parte más alta. Una estructura parecida construida en Venecia, de 100 m de altura, se desplomó en 1902 cuando su inclinación era de apenas 0.8%. Una nueva torre, existente, fue erigida en el lugar de la antigua, con una cimentación más grande. El primer intento por construir un canal artificial que uniese los océanos Atlántico y Pacífico fue realizado por el Ing. Francés Fernando de Lesseps, en el 1881, quien antes había llevado a cabo el Canal de Suez. Pero no fue hasta el año 1914 que el canal de navegación solucionado por los norteamericanos mediante un sistema de esclusas pudo ser puesto en servicios, después de lograr el saneamiento de la zona de la fiebre amarilla y la malaria. El costo final de la obra fue de 380 millones de dólares, suma superior a la estimada en el presupuesto. Se excavaron 315 millones de metros cúbicos de material, en los 82.5 Km. de longitud del canal, de los cuales 129 millones correspondieron al corte de Gaillard. La construcción de caracterizó por grandes deslizamientos en las formaciones denominadas "culebra" y "cucaracha", estando constituida esta última por arenisca arcillosa estructuralmente débil. Las fallas se siguieron produciendo años después de la inauguración del canal provocando el cierre temporal por períodos más o menos largos. La estabilidad actual de las laderas del canal plantea un problema de resistencia a largo tiempo, donde las respuestas hay que buscarlas en la asociación de la geología y la mecánica de suelos. Ciudades notorias por sus hundimientos A nivel universal hay ciudades grandes y populosas caracterizadas por hundimientos importantes, pudiéndose citar entre ellas a las siguientes urbes: Ciudad de México Venecia

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Roma Tokio Shanghai Bangkok Madrás Bombay Ciudad de México fue fundada por los Aztecas en el año 1325, en una isla sobre el lago de Texcoco. La parte colonial de ciudad, ubicada encima del fondo del depósito de agua, tiene uno de los subsuelos de cimentación más críticos del mundo, constituido por gruesos depósitos de arcillas volcánicas, lacustres, altamente compresibles, habiéndose perforado hasta 2000 pies de profundidad sin haber encontrado roca. Presenta contenidos medio de humedad del orden de 200% con valores esporádicos de hasta 600%. Existen allí capas alternadas de arena de pequeño tamaño, consecuencia todo del origen sedimentario del área. A unos treinta y tres (33) metros de profundidad está localizado un manto de arena densa y espesor de más o menos cinco (5) metros en la cual está cimentada la Torre Latinoamericana, de cuarenta y tres (43) pisos de altura, uno de los edificios más elevados construidos en la América hispana. El hundimiento de la ciudad es debido al secado de los antiguos lagos del Valle de México, acrecentado por la extracción de agua del subsuelo en la medida del crecimiento demográfico. En la Catedral se llegaron a medir velocidades de hundimiento de hasta cuarenta (40) centímetros anuales, pudiendo observarse un plano de curvas con iguales hundimientos correspondientes a observaciones efectuadas dentro del lapso 1891-1956. En los últimos tiempos se ha logrado reducir la compresión de los suelos, controlándose la explotación de los acuíferos de la zona urbana, sustituyéndose por fuentes alejadas de la metrópoli

que

aunque

subterráneas

parecen

pertenecer

a

cuencas

hidráulicas

independientes. Venecia, construida sobre una serie de lagunas del Mar Adriático, sufre hundimientos estimados en 32 cm durante el presente siglo, mayores que en la centuria pasada. Las inundaciones marinas, las actividades fabriles y la extracción de agua subterránea parecen ser las causas más importantes del deterioro; habiendo preocupación mundial por detener

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las anomalías y preservar los grandes tesoros artísticos de la ciudad, considerados patrimonio universal. En el año de 1973 el parlamento italiano aprobó un proyecto de obras de protección a la ciudad, con financiamiento extranjero, por 500 millones de dólares. Entre 1955 y 1970 Roma - La Ciudad Eterna - registró un hundimiento total de treinta (30) centímetros. Para explicar el fenómeno se ha dicho que las lluvias han ido elevando paulatinamente el nivel de las aguas subterráneas que reblandecen el suelo al no poder escapar hacia el río Tíber, por estar sus orillas revestidas con hormigón. Sobre Tokio, una de las ciudades más grandes del mundo, se ha dicho que desde la Segunda Guerra Mundial el sector oriental de la gran capital se ha hundido más de dos (2) metros. Juzgándose que el problema tiene su origen en la explotación de los mantos acuíferos, los japoneses han implantado leyes severas contra el uso de las aguas subterráneas. Shanghai, la población más extendida de China, importante puerto y centro industrial comercial, es otra metrópoli que experimenta problemas de descensos por la extracción de agua del subsuelo para fines domésticos e industriales. Un informe presentado por el Servicio Geológico de la ciudad indica que en los 44 años transcurridos entre 1921 y 1965 el hundimiento fue de 2.63 m. Bangkok, capital de Tailandia, tiene una velocidad de hundimiento de 7 cm/año. Las ciudades de Madrás y Bombay también se están hundiendo aunque lentamente. En muchas de las supradichas ciudades la explotación de los depósitos subterráneos de agua, petróleo o gas se indica como causa de los problemas de grandes hundimientos, aunque también se ha sustentado la tesis de que los movimientos tectónicos de los bloques o placas que constituyen la corteza terrestre tienen responsabilidad en los fenómenos. (G. Duque E. y C. E. Escobar)

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INDICE GENERAL Página

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Propiedades índice de los suelos. 1. Definiciones. 2. Origen del suelo y ciclo de la roca. 2.1 Meteorización. 2.2 Transporte y deposición. 2.3 Rocas ígneas. 2.4 Rocas sedimentarias. 2.5 Rocas metamórficas. 2.6 Ciclo de la roca. 3. Composición mineralógica del suelo. 4. Forma y textura de las partículas del suelo. 5. Estructura y cohesión del suelo. 6. Fases del suelo 6.1 Relaciones de volumen. 6.2 Relaciones de peso. 6.3 Modelo del volumen de sólidos unitario. 6.4 Modelo del volumen total unitario. 6.5 Relaciones de peso - volumen. 7. Distribución del tamaño de partículas. 7.1 Suelo de grano grueso. 7.1.1 Análisis mecánico por tamices. 7.2 Suelo finos. 7.2.1 Análisis mecánico por hidrómetro. 8. Consistencia del suelo. 8.2 Límites de Atterberg. 8.2.1 Liquidez. 8.2.2 Plasticidad. 8.2.3 Contracción. 8.2.4 Índice de consistencia.

2.

Clasificación de suelos. 1. Sistema de clasificación Unificado. 1.1. Características del sistema de clasificación Unificado. 1.2. Procedimiento para la clasificación de suelos. 1.3. Propiedades de los suelos. 2. Sistema de clasificación AASHTO. 2.1. Características del sistema de clasificación AASHTO. 2.2. Procedimiento para la clasificación de suelos. 2.3. Calculo del índice de grupo. 2.4. Propiedades de los suelos en el uso de las carreteras. 3. Comparación entre los sistemas de clasificación Unificado y AASHTO.

1 1 3 3 5 7 8 9 10 11 15

16 18 20 21 25 26 29 29 31 31 35 35 40 43 44 47 50 53 54 54 54 57 62 65 66 57 68 69 75

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3.

Descripción e identificación de suelos. 1. Características del sistema de clasificación Unificado. 2. Material, equipo y reactivos. 3. Precauciones de seguridad. 4. Muestreo o preparación de las muestras a ensayar. 5. Procedimiento para la clasificación de suelos. 6. Procedimiento para la identificación de suelos. 6.1 Identificación de la turba. 6.2 Procedimiento para identificar suelos de grano fino. 6.3 Procedimiento para identificar suelos de grano grueso. 7. Procedimiento para la identificación de suelos.

4.

Flujo de agua. 1. Ciclo hidrológico y ocurrencia de agua en el suelo. 2. Aguas subterráneas. 3. Capilaridad. 4. Concepto de carga. 5. Condiciones de flujo subterráneo. 6. Flujo en una dimensión. 6.1. Ensayos en laboratorio para determinar la conductidad hidráulica. 6.2. Métodos empíricos para determinar la conductidad hidráulica. 6.3. Ensayos en campo para determinar la conductidad hidráulica. 6.5. Flujo unidimensional en suelo anisotrópico. 6.6. Flujo unidimensional en suelo estratificado. 7. Flujo en dos dimensiones. 7.1. Ecuación de Laplace. 7.2. Redes de flujo. 7.3. Soluciones matemáticas para presas de tierra. 7.4. Método de los fragmentos. 7.5. Analogías y modelos físicos para resolver problemas de flujo. 7.6. Gradiente hidráulico de salida. 7.7. Presión ascendente de flujo. 7.8. Factor de seguridad contra la flotación. 7.9. Flujo en dos dimensiones en suelo anisotrópico. 7.10. Flujo en dos dimensiones en suelo estratificado . 8. Flujo de agua en tres dimensiones. 8.1. Análisis del problema de pozos. 8.2. Ecuaciones básicas del pozo para flujo en estado estacionario. 8.2.1 Flujo estacionario radial en pozos con penetración total. 8.2.2 Flujo estacionario radial en pozos con penetración parcial.

5.

Esfuerzos efectivos. 1. Introducción 1.1 Esfuerzos y deformaciones. 1.2 Esfuerzo total.

78 78 79 79 80 80 84 84 85 88 90 96 96 98 100 105 109 111 119 125 133 138 140 144 145 147 165 168 177 188 191 195 197 201 205 206 208 208 214 217 217 217 223

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1.3 Esfuerzo neutral o presión de poros del agua. 225 1.4 Concepto de esfuerzo efectivo. 225 1.5 Principio del esfuerzo efectivo. 229 1.6 Calculo del esfuerzo efectivo. 230 1.6.1 Determinación del esfuerzo total. 230 1.6.2 Determinación de la presión de poros del agua. 231 1.6.3 Calculo del esfuerzo efectivo en suelos saturados sin flujo de agua. 232 1.6.4 Calculo del esfuerzo efectivo en suelos con flujo de agua ascendente. 234 1.6.5 Calculo del esfuerzo efectivo en suelos con flujo de agua descendente.236 2 Aplicaciones del esfuerzo efectivo a propósitos ingenieríles. 238 2.1 Fuerza de escurrimiento. 239 2.2 Calculo de la fuerza de escurrimiento. 239 2.3 Uso de filtros para aumentar el factor de seguridad contra el levantamiento. 243 3 Cambio de esfuerzos efectivos. 246 3.1 Modelo mecánico. 247 3.2 Generación de la presión de poros en el cargado y descargado de suelos. 249 4 Esfuerzos y deformaciones elásticas en los suelos. 252 4.1 Ley de Hooke. 253 4.2 Esfuerzos principales. 254 4.3 Desplazamientos de las deformaciones y fuerzas de los esfuerzos. 255 4.4 Estado de deformación plana. 255 4.5 Simetría axial o condición axisimetrica. 256

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Resistencia al corte. 1 Respuesta de los suelos a esfuerzos de corte. 2 Envolvente de falla. 2.1 Suelos del tipo I. 2.2 Suelos del tipo II. 2.3 Suelos del tipo II A. 2.4 Suelos cementados. 3 Círculo de falla de Mohr - Coulomb. 4 Ensayos de laboratorio para determinar los parámetros de resistencia al corte. 4.1 Ensayo del corte directo. 4.2 Ensayos triaxiales. 4.2.1 Cámara triaxial y preparación de la muestra. 4.2.2 Compresión no drenada. 4.2.3 Compresión drenada. 4.3 Ensayo de compresión incofinada. 4.5 Selección del ensayo triaxial adecuado. 4.6 Otros ensayos en laboratorio. 5 Métodos empíricos para determinar los parámetros de resistencia al corte. 6 Sensibilidad de la arcilla. 7 Análisis mediante trayectoria de esfuerzos. 8 Modelo del estado critico. 8.1 Suelos normalmente consolidados y ligeramente sobreconsolidados en estado drenado.

258 268 272 272 274 277 278 278 284 284 289 290 300 304 306 308 309 311 313 314 324 338

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8.2 Suelos normalmente consolidados y ligeramente sobreconsolidados en estado no drenado.. 8.3 Suelos sobreconsolidados en estados drenados y no drenados. 8.4 Ensayo triaxial drenado. 8.5 Ensayo triaxial no drenado. 8.6 Rigidez del suelo. 8.7 Deformaciones en el modelo e estado crítico. 8.7.1 Deformación volumétrica. 8.7.2 Deformación por corte. 8.8 Respuesta del suelo Ko consolidado.

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Compactación.

339 341 343 344 347 349 349 351 352

1 Concepto de compactación. 2 Compactación en laboratorio. 2.1 Curva de compactación. 2.2 Factores que afectan la compactación. 2.3 Prueba Proctor estándar. 2.4 Prueba Proctor modificado. 3 Aplicación de la compactación a obras civiles 3.1 Efecto de la compactación en las propiedades del suelo. 4 Control de la compactación. 4.1 Especificaciones del resultado final 4.2 Especificaciones del método. 4.3 Determinación del grado de compactación. 5. Determinación de la compactación en campo. 5.1 Tipos de compactadoras. 5.2 Elección de la compactadota en campo.

283 357 359 359 361 365 366 368 368 379 380 382 382 389 390 398

Bibliografía

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xviii

INDICE DE FIGURAS Página Figura 1.1.

Proyectos de ingeniería que requieren un análisis del suelo. (a) Estribo de puente, (b) Muro de contención, (c) Presa de concreto, (d) Talud. Figura 1.2. Ciclo geológico de la roca (Coduto, 1999). Figura 1.3. Estructuras atómicas básicas de los minerales de arcilla (Whitlow, 1994), (a) Unidad tetraédrica, (b) Unidad octaédrica. Figura 1.4. Láminas formadas por estructuras atómicas básicas (Whitlow, 1994). (a) Lámina de sílice, (b) Lámina de gibsita, (c) Lámina de brucit, Figura 1.5. Estructuras laminares (Whitlow, 1994). (a) Estructura de dos láminas, (b) Estructura de tres láminas. Figura 1.6. Minerales de arcilla (Whitlow, 1994). (a) Caolinita, (b) Halosita, (c) Ilita, (d) Montmorilonita, (e) Vermiculita Figura 1.7. Ábaco para evaluar las partículas de forma granular (Krumbein & Sloss, 1963) Figura 1.8. Textura de partículas con forma granular (Das, 1998) Figura 1.9. Estructuras que dan cohesión a los suelos granulares. (a) Partículas con textura angular, Partículas con textura redondeada, Figura 1.10. Estructura de las partículas de arcilla sedimentadas (Whitlow, 1994). (a) Partículas floculadas, (b) Partículas dispersas Figura 1.11 Estructuras microscópicas que dan cohesión al suelo (Das, 1998). (a) Macroestructura, (b) Microestructura. Figura 1.12. Composición del suelo. Figura 1.13. Estados del suelo, (a) Saturado, (b) No saturado, (c) Seco, (d) No saturado contráctil Figura 1.14 Cuantificación del volumen y masa de las fases del suelo. Figura 1.15. Modelo del volumen de sólidos unitario . Figura 1.16. Modelo del volumen de sólidos unitario para suelo saturado. Figura 1.17. Modelo del volumen total unitario. Figura 1.18. Modelo del volumen total unitario para suelo saturado. Figura 1.19. Tamices para el análisis mecánico del suelo de grano grueso.

1 11 12

13 14

14 15 16 (b) 16 17 17 18

19 19 25 26 27 27

xix

(a) Tamiz, (b) Tamiz de 8”, (c) Tamiz de 12” 31 Figura 1.20. Tamizador de laboratorio. 32 Figura 1.21. Curva de distribución del tamaño de partículas. 33 Figura 1.22. Curvas de distribución del tamaño de partículas de cinco suelos (Coduto, 1999). (a) Suelo de grano grueso (grava y arena). (b) Suelo bien gradado con una amplia variedad de tamaños de partícula. (c) Suelo de grano grueso con una reducida variedad de tamaños de partícula. (d) Suelo con gradación hueca, no contiene un cierto rango de tamaños de partícula. (e) Suelo compuesto de partículas finas (limo y arcilla). 34 Figura 1.23. Hidrómetro (Das, 1998). (a) Hidrómetro tipo ASTM 152H, (b) Determinación de la gravedad específica, 36 Figura 1.24. Curva de distribución del tamaño de partículas 40 Figura 1.25. Formas de empaquetamiento de las partículas del suelo (Das, 1998). (a) Densa., (b) Suelta 41 Figura 1.26. Variación de emax y emin respecto a la angularidad y CU (Youd, 1973) 42 Figura 1.27. Relación aproximada de d, e y Dr para suelos de grano grueso (Das, 1998) 43 Figura 1.28. Consistencia del suelo según al contenido de humedad (Coduto, 1999) 43 Figura 1.29. Cuchara de Casagrande para determinar el límite líquido del suelo. Vista lateral. (b) Vista frontal. (c) Espátula 44 Figura 1.30. División de la pasta de suelo. (a) Raspadodel suelo (Laboratorio de geotecnia, UMSS), (b) Vista superior, (c)Vista frontal, 44 Figura 1.31. Cierre de la pasta de suelo. (a) Vista superior, (b) Vista frontal. 45 Figura 1.32. Determinación del límite líquido del suelo. 45 Figura 1.33. Determinación del límite plástico (Laboratorio de geotecnia, UMSS). (a) Realizando el rollito. (b) Rollitos de suelo empezando a fragmentarse. 47 Figura 1.34. Relación entre el índice de plasticidad y el porcentaje en peso de partículas compuestas de minerales de arcilla (Seed, Woodward y Lundgren, 1964). 48 Figura 1.35. Gráfico de plasticidad (Casagrande, 1932). 49 Figura 1.36. Variación del volumen respecto al contenido de humedad. 50 Figura 1.37. Determinación del límite de contracción (Das, 1998). (a) Muestra de suelo en consistencia líquida. (b) Muestra de suelo sin contenido de humedad. 51 Figura 1.38. Estimación del límite de contracción con el gráfico de plasticidad (Das, 1998). 52 Figura 1.39. Molde para el ensayo de contracción lineal. 52 Figura 2.1. Carta de plasticidad. (Norma ASTM, 2003). 63

xx

Figura 2.2. Figura 2.3.

Variación del límite líquido e índice de plasticidad para los suelos de los grupos A-2, A-4, A-5, A-6 y A-7 (Norma ASTM, 2003). Ábaco para el calculo del índice de grupo (Norma ASTM, 2003).

66 70

Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura

Partículas angulares. Partículas subangulares. Partículas subredondeadas. Partículas redondeadas. Forma de las partículas. Color. Consistencia. Cementación. Dureza. Humedad y estructura. Tamaño de partículas Grava Tamaño de partículas Guijarros. Separación de la muestra. finos de los gruesos. Esferas de 1” y ½”resistencia en seco. Presión con los dedos resistencia en seco. Reacción del agua en la superficie de la esfera. Presión de la muestra con la mano y su reacción. Formado un rollo de 1/8”con la mano y una superficie lisa. Ruptura del rollo luego de llegar al límite plástico. Resistencia del rollito 1/8”. Rejuntado de las piezas del rollo hasta que esta se quiebre. Diagrama para la identificación de suelos de grano fino. Diagrama para la identificación de suelos de grano grueso.

92 92 92 92 92 92 92 92 93 93 93 93 93 93 93 93 94 94 94 94 94 90 91

3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 3.10. 3.11. 3.12. 3.13. 3.14. 3.15. 3.16. 3.17. 3.18. 3.19. 3.20. 3.21. 3.22. 3.23.

Figura 4.1.

Figura 4.2. Figura 4.3. Figura 4.4. Figura 4.5.

Figura 4.6.

Figura 4.7. Figura 4.8. Figura 4.9. Figura 4.10. Figura 4.11.

Ciclo hidrológico del agua. (a) Ciclo hidrológico (Diccionario del agua). (b) Esquema del ciclo hidrológico con todos los procesos (Blyth & de Freitas, 1989). Aguas subterráneas (Whitlow, 1994). Formaciones geológicas subterráneas (Coduto, 1999). Máximo ascenso capilar en tubos (Das, 1998). Máximo ascenso capilar en tubos (Whitlow 1994; Das, 1998). (a) Detalle de la superficie libre, (b) Tubo capilar. (c) Presión hidrostática. Ascenso capilar en el suelo (Terzagui & Peck; Das, 1998). (a) Columna de suelo en contacto con el agua. (b) Variación del grado e saturación en la columna de suelo. (c) Variación de la velocidad del ascenso capilar en el suelo. Relación aproximada entre el ascenso capilar y el tipo de suelo (Whitlow, 1994). Tubería con un piezómetro y tubo Pitot instalados (Coduto, 1999). Piezómetro instalado en un suelo. Tubería con piezómetros instalados en los puntos A y B (Coduto, 1999). Ubicación correcta de los puntos

96 98 100 101

101

103 104 105 105 106

xxi

Figura 4.12. Figura 4.13. Figura 4.14. Figura 4.15. Figura 4.16. Figura 4.17. Figura 4.18. Figura 4.19. Figura 4.20.

Figura 4.21. Figura 4.22. Figura 4.23. Figura 4.24. Figura 4.25. Figura 4.26. Figura 4.27. Figura 4.28. Figura 4.29. Figura 4.30. Figura 4.31. Figura 4.32. Figura 4.33. Figura 4.34. Figura 4.35. Figura 4.36.

Figura 4.37. Figura 4.38. Figura 4.39.

Figura 4.40.

para determinar el gradiente hidráulico. Presión de poros en el suelo. Variación natural de la velocidad de descarga con el gradiente hidráulico. Condiciones de flujo en una dos y tres dimensiones. Permeámetro para la presión de flujo (Whitlow, 1994). Permeámetro utilizado por Darcy (Lambe & Whitman, 1976). Valores límites del número de Reynolds (U.S. Engineers Corps, 1986). Trayectoria del flujo de agua en un suelo (Lambe & Whitman, 1976). Velocidad de descarga y de flujo. Secciones transversales del permeámetro. (a) Sección transversal donde circula el agua con una velocidad de descarga v. (b) Sección transversal donde circula el agua con una velocidad de flujo vs. Permeámetro de carga constante (Coduto, 1999). Simplificación del permeámetro de carga constante (Das, 1998). Permeámetro de carga variable (Coduto, 1999). Simplificación del permeámetro de carga variable (Das, 1998). Curva granulométrica de una muestra de suelo. Ábaco para la conversión de mm a unidades Φ (U.S. Army Corps, 1986). Curva granulométrica de una muestra de suelo en unidades Φ . Ábaco para la conductividad hidráulica (U.S. Army Corps, 1986). Ábaco preparado por Shepherd (Tindall & Kunkel, 1999). Ábaco para la conductividad hidráulica en suelos granulares (Das, 1998). Variación de Ck en función a e0 (Das, 1998). Abatimiento del nivel freático (U.S. Army Corps, 1986 ). Ensayo del extremo inferior abierto (Das, 1999). (a) Nivel freático interceptado. (b) Nivel freático no interceptado. Ensayo de la empaquetadura (Das, 1999). (a) Nivel freático interceptado. (b) Nivel freático no interceptado. Ensayo de caída rápida de carga (Whitlow, 1994). Variación de la conductividad hidráulica según a la dirección del flujo. (a) Conductividad hidráulica horizontal. (b) Conductividad hidráulica vertical. (c) Componentes de la conductividad hidráulica. Conductividad hidráulica horizontal en suelo estratificado (Das, 1998). Conductividad hidráulica horizontal en suelo estratificado (Das, 1998). Ejemplos de flujo de agua en dos dimensiones. (P. L. Berry & D. Reid, 1993) (a) Presa de concreto, (b) Ataguías, (c) Presa de tierra. Flujo de agua expresado en campo vectorial.

107 108 109 109 110 113 114 115 115

116 119 120 122 123 125 126 127 127 128 131 132 133 134 136 137

139 139 141

143

xxii

Figura 4.41. Figura 4.42. Figura 4.43. Figura 4.44. Figura 4.45. Figura 4.46. Figura 4.47. Figura 4.48.

Figura 4.49. Figura 4.50. Figura 4.51.

Figura 4.52.

Figura 4.53. Figura 4.54. Figura 4.55. Figura 4.56. Figura 4.57. Figura 4.58. Figura 4.59.

(a) Vectores de velocidad. (b) Componentes del vector de velocidad. Fracción diferencial de suelo extraído del campo vectorial (Coduto, 1999). Red de flujo isotrópica. (a) En un sistema no confinado, (b) En un sistema confinado. Curva que representa la trayectoria del agua (J. Badillo, 2000). Cantidad de flujo entre dos líneas de flujo (Atkinson & Bransby, 1978). Cantidad de flujo en una porción de la red (Atkinson & Bransby, 1978). Red de flujo cuadrada. (Atkinson & Bransby, 1978). Cantidad de flujo en la red de flujo cuadrada. (Atkinson & Bransby, 1978) Condiciones de borde. (a) Presa impermeable de concreto en flujo no confinado. (b) Permeable de tierra en flujo confinado. (c) Presa permeable de tierra con filtro de pie. Línea freática de una presa de tierra (U.S. Engineers Corps, 1986). Construcción de la parábola básica. (a) Determinación de los valores de y0 y d. (b) Trazado de la parábola básica AF. Corrección en el borde de entrada para la parábola básica (Whitlow, 1994). (a) Para β < 90º, (b) Para β = 90º, (c) Para β > 90º. Corrección en el borde de salida para la parábola básica (Whitlow, 1994). (a) Para α = 180º, (b) Para α > 90º, (c) Para α = 90º, (d) Para α < 90º. Ábaco para determinar a (New England Waterworks Association, 1937). Determinación gráfica del valor de a. (a) Método de Schaffernak & Van Iterson. (b) Método de L. Casagrande. Construcción de la red de flujo cuadrada. Condiciones de borde. (a) Presa de concreto con ataguía. (b) Presa de tierra con filtro de pie. Construcción de la red de flujo cuadrada. Ubicación de las líneas de flujo. (a) Presa de concreto con ataguía. (b) Presa de tierra con filtro de pie. Construcción de la red de flujo cuadrada. Líneas equipotenciales. (a) Presa de concreto con ataguía. (b) Presa de tierra con filtro de pie. Ejemplos de redes de flujo cuadradas (J. Badillo, 2000). (a) Ataguía. (b) Presa de tierra. (c) Presa de concreto con mensuras. Análisis analítico para la parábola básica

144 144 148 149 150 151 152 153

154 155 156

157

158 159 160 161 161 161 163

xxiii

Figura 4.60. Figura 4.61. Figura 4.62. Figura 4.63. Figura 4.64. Figura 4.65. Figura 4.66. Figura 4.67. Figura 4.68. Figura 4.69. Figura 4.70. Figura 4.71. Figura 4.72. Figura 4.73. Figura 4.74. Figura 4.75. Figura 4.76. Figura 4.77. Figura 4.78. Figura 4.79. Figura 4.80. Figura 4.81. Figura 4.82. Figura 4.83. Figura 4.84. Figura 4.85. Figura 4.86. Figura 4.87. Figura 4.88.

Figura 4.89.

(U.S. Engineers Corps, 1986). Nomenclatura de la solución de Pavlovsky (Harr, 1962). Condiciones para la solución de Dupuit (J. Badillo, 2000). División de la región de flujo del sistema en fragmentos. (a) Sistema de doble ataguía (b) Presa de tierra. Fragmento tipo I (Harr, 1962). Fragmento tipo II (Harr, 1962). Fragmento tipo III (Harr, 1962). Fragmento tipo IV (Harr, 1962). Fragmento tipo V (Harr, 1962). Fragmento tipo VI (Harr, 1962). Fragmento tipo VII (Harr, 1962). Fragmento tipo VIII (Harr, 1962). Fragmento tipo VIII (Harr, 1962). Sistemas divididos en fragmentos reconocibles. (a) Sistema de doble ataguía, (b) Presa de tierra. Ábaco para los fragmentos del tipo II y III (Harr, 1962). Ábaco para el fragmentos del tipo II (Griffiths, 1984). Ábaco para los fragmentos del tipo II y III (Polubarinova & Kochina, 1962). Ábaco para el fragmento del tipo V (Harr, 1962). Modelo de la analogía eléctrica con papel conductor (Wiley, 1982) (a) Electrodos en los bordes permeables. (b) Electrodos en los bordes impermeables. Modelos en tanque de arena (U.S. Engineers Corps, 1986). (a) Flujo de canal a pozo. (b) Flujo de laguna a canal. (c) Tinte trazador en una presa. Modelos con fluido viscoso (U.S. Engineers Corps, 1986). Cara de la estructura donde se mide el gradiente hidráulico de salida. (a) Presa de concreto. (b) Sistema de doble ataguía. Longitud de la cara de la estructura en el borde de salida. Ábaco para determinar el gradiente hidráulico de salida (Harr, 1962). Determinación del diagrama de presiones mediante redes de flujo. Diagrama de la presión ascendente en la cara de contacto de la estructura. Determinación de diagrama de presiones con el método de los fragmentos. Determinación de diagrama de presiones con el método de Lane. Factor de seguridad contra la tubificación (Whitlow, 1994). Elemento de la red de flujo en suelo anisotrópico (Atkinson & Bransby, 1978). (a) Elemento en dimensiones reales. (b) Elemento en dimensiones reales. Redes de flujo construidas en suelo anisotrópico (Cedergren, 1972). (a) Red de flujo anisotrópica en dimensiones reales kz > kx. (b) Red de flujo anisotrópica en dimensiones reales kx > kz. (c) Red de flujo construida en la sección transformada.

164 165 167 168 169 169 170 172 172 173 174 175 175 176 179 181 182 182 184 186 186 187 188 189 191 191 192 194 195

197

198

xxiv

Figura 4.90. Figura 4.91. Figura 4.92.

Figura 4.93. Figura 4.94.

Figura 4.95. Figura 4.96. Figura 4.97. Figura 4.98. Figura 4.99. Figura 4.100. Figura 5.1. Figura 5.2. Figura 5.3. Figura 5.4. Figura 5.5. Figura 5.6. Figura 5.7. Figura 5.8. Figura 5.9. Figura 5.10.

Figura 5.11. Figura 5.12.

Figura 5.13.

Deflexión de las líneas equipotencialesy de flujo en el borde de suelos con distinta conductividad hidráulica (Atkinson & Bransby, 1978). Presa con sección compuesta. (a) Sección con dos conductividades (b) Sección con núcleo de distinta permeabilidad. Condiciones de transferencia para la línea freática (J. Badillo, 2000). (a) Para k1 > k2 y w < 90. (b) Para k1 < k2 y w < 90. (c) Para k1 < k2 y w > 90 (caso poco común). (d) Para k1 90 (k2 muy permeable). (e) Para k1 > k2 y w > 90. Modelo eléctrico para flujo tridimensional (Duncan, 1963). Salida del flujo radial simple (Taylor, 1968). (a) Flujo horizontal del pozo, (b) Red de flujo vista en planta. (c) Red de flujo vista en perfil Flujo radial estacionario con penetración total (J. Badillo, 2000). Flujo radial estacionario con penetración total (J. Badillo, 2000). Flujo radial estacionario con penetración total (J. Badillo, 2000). Superficie libre y superficie piezométrica (J. Badillo, 2000). Flujo radial estacionario con penetración parcial (J. Badillo, 2000). Relación de caudales en penetración parcial y total (J. Badillo, 2000).

200 202

202 204

206 207 209 211 212 213 215

Esfuerzos y deformaciones debido a las cargas aplicadas 218 Esfuerzo y deformación de corte. (Budhu, 2000) 219 Fuerzas y desplazamientos en un cilindro. (Budhu, 2000) 220 Curvas esfuerzo-deformación de un material elástico lineal y no lineal 221 Curvas esfuerzo-deformación de un material elastoplástico. (Budhu, 2000) 222 Respuesta esfuerzo de corte-deformación de corte para un material elastoplástico. (Budhu, 2000) 223 Esfuerzos en estado elástico, plástico y elastoplástico. (Budhu, 2000) 224 Fuerzas intergranulares actuando en la superficie b-b. (Simons & Menzies, 2000) 226 Separación de las componentes de las fuerzas intergranulares. (Simons & Menzies, 2000) 228 Representación esquemática de la transmisión de fuerzas a través de un suelo. (a) Sección de un recipiente lleno de suelo, (b) Ampliación de una parte de la sección mostrando las fuerzas transmitidas por dos puntos de contacto. (Lambe Whitman, 1976). 230 Esfuerzos en campo debidos al peso del suelo mismo en reposo. (Simons & Menzies, 2000) 230 (a) Estrato de suelo en un tanque donde no hay flujo de agua; variación de (b) esfuerzos totales, (c) presión de poros del agua; (d) esfuerzo efectivo con la profundidad para un estrato de suelo sumergido sin flujo de agua. (Das, 1998) 232 (a) Estrato de suelo en un tanque con flujo de agua ascendente; variación de (b) esfuerzos totales, (c) presión de poros del agua,

xxv

Figura 5.14.

Figura 5.15

Figura 5.16. Figura 5.17. Figura 5.18. Figura 5.19. Figura 5.20. Figura 5.21. Figura 5.22. Figura 5.23. Figura 5.24. Figura 5.25. Figura 5.26. Figura 6.1. Figura 6.2. Figura 6.3. Figura 6.4. Figura 6.5.

Figura 6.6. Figura 6.7. Figura 6.8. Figura 6.9.

(d) esfuerzo efectivo con la profundidad para un estrato de suelo con flujo de agua ascendente. (Das, 1998) 234 (a)Estrato de suelo en un tanque con flujo de agua descendente, variación de (b) esfuerzos totales, (c) presión de poros del agua, (d) esfuerzo efectivo con la profundidad para un estrato de suelo con flujo de agua descendente. (Das, 1998). 237 Fuerza producida en un volumen de suelo (a) sin flujo de agua, (b) Flujo de agua ascendente (c) Flujo de agua descendente. (Das, 1998) 241 (a) Verificación contra el levantamiento aguas abajo para una fila de tabla estacas introducidas en un estrato permeable, (b) ampliación de la zona de levante. (Das, 1998) 241 Uso de un filtro para aumentar el factor de seguridad contra el levantamiento. (Das, 1998) 244 Definición del material base y material del filtro. 245 Criterio para la selección de filtros. (Das, 1998) 246 Modelo cilindro–resorte para la condición de carga. (Simons & Menzies, 2000) 248 Modelo cilindro-resorte para la condición de descarga (Simons & Menzies, 2000) 249 Respuesta de la presión de poros de una arcilla saturada cargada rápidamente en forma local. (Simons & Menzies, 2000) 250 Presión de poros en un corte a largo y corto plazo. (Simons & Menzies, 2000) 251 Estado de esfuerzos general. (Budhu, 2000) 254 Condición de deformación plana para un elemento de suelo detrás de un muro de contención. (Budhu, 2000) 256 Condición axisimétrica en un elemento de suelo bajo el centro de un tanque. (Budhu, 2000) 256 Bloque que se desliza sobre una superficie inclinada. (a) Bloque encima de una superficie plana, (b) Fuerzas resultantes debido a la inclinación, 258 Esfuerzo de corte generado en la superficie de contacto. 258 Fuerzas surgidas por el contacto interpartícular. 259 Situaciones donde se genera la falla al corte del suelo. (a) Talud. (b) Fundación. 259 Estado de esfuerzos de un elemento de suelo en la superficie de corte. (a) Elemento ubicado en la superficie de corte, (b) Esfuerzos que actúan en las caras del elemento, (c) Esfuerzos que actúan en el prisma triangular. 260 Círculo de esfuerzos de Mohr. 262 Ubicación de los esfuerzos en el círculo de esfuerzos de Mohr. (a) Esfuerzos que actúan en el elemento, (b) Esfuerzos ubicados en el círculo. 263 Método del polo. (a) Esfuerzos que actúan en el elemento, (b) Esfuerzos ubicados en el círculo. 263 Elemento libre de esfuerzos de corte.

xxvi

Figura 6.10. Figura 6.11. Figura 6.12. Figura 6.13. Figura 6.14.

Figura 6.15. Figura 6.16. Figura 6.17. Figura 6.18. Figura 6.19. Figura 6.20. Figura 6.21. Figura 6.22. Figura 6.23. Figura 6.24. Figura 6.25. Figura 6.26. Figura 6.27. Figura 6.28. Figura 6.29. Figura 6.30. Figura 6.31. Figura 6.32. Figura 6.33. Figura 6.34. Figura 6.35.

(a) Esfuerzos normales máximo y mínimo en el elemento, (b) Esfuerzos en el círculo. Ejemplo del drenaje en suelos. (a) Esponja de orificios grandes, (b) Esponja de orificios muy pequeños. Incremento de la presión de poros por el terraplén (Simons & Menzies, 2000). Variación de espesores en un perfil de suelo (Simons & Menzies, 2000). Línea de consolidación del suelo. Arcilla normalmente consolidada y sobreconsolidada. (a) Variación del contenido de humedad y el esfuerzo de corte, respecto al esfuerzo efectivo de consolidación. (b) Niveles de deposición y erosión en toda la historia geológica. Distorsión debida al cortante puro en suelos del Tipo I y II (Budhu, 2000). (a) Elemento de suelo en su estado original, (b) Suelo del Tipo I. (c) Suelo del tipo II. Esfuerzo de corte respecto a la deformación angular (Budhu, 2000). Variación de la deformación unitaria respecto a la angular (Budhu, 2000). Índice de vacíos respecto a la deformación angular (Budhu, 2000). Esfuerzo de corte en función al esfuerzo efectivo normal (Budhu, 2000). Deformación unitaria en función al esfuerzo efectivo normal (Budhu, 2000). Índice de vacíos crítico en función al esfuerzo efectivo normal (Budhu, 2000). Envolvente de falla para suelos del Tipo I, II y II-A (Budhu, 2000). Modelo físico para suelos del Tipo I(Budhu, 2000). (a) Bloque de madera antes del deslizamiento, (b) Partículas antes del deslizamiento. Forma de deslizamiento de las partículas en suelos del Tipo I. Forma de deslizamiento de las partículas en suelos del Tipo II. Modelo físico para suelos del Tipo II (Budhu, 2000). Efecto de la dilatancia en la envolvente de falla en suelos Tipo II (Budhu, 2000). Envolvente de falla alternativa. Envolvente de falla para suelos cementados (Budhu, 2000). Envolvente de falla de Mohr-Coulomb para suelos del Tipo I. Envolvente de falla de Mohr-Coulomb para suelos del Tipo II. Envolvente de falla de Mohr-Coulomb alternativa para suelos del Tipo II. Envolvente de falla de Mohr-Coulomb en estado no drenado. Aparato para el ensayo del corte directo (Laboratorio de geotecnia, UMSS). Accesorios del aparato de corte (ELE). (a) Caja de corte, (b) Muestreador,

264 264 265 266 266

267 269 269 270 270 271 271 272 272 273 274 274 275 276 277 278 279 280 281 282 285

xxvii

Figura 6.36. Figura 6.37. Figura 6.38. Figura 6.39. Figura 6.40. Figura 6.41. Figura 6.42. Figura 6.43. Figura 6.44. Figura 6.45. Figura 6.46. Figura 6.47. Figura 6.48. Figura 6.49. Figura 6.50. Figura 6.51.

Figura 6.52.

Figura 6.53. Figura 6.54. Figura 6.55. Figura 6.56. Figura 6.57. Figura 6.58. Figura 6.59. Figura 6.60. Figura 6.61. Figura 6.62. Figura 6.63. Figura 6.64.

(c) Extractor de muestra, (d) Placa de transferencia de carga, (e) Piedras porosas. Armado de la caja de corte (Laboratorio de geotecnia, UMSS). Anillo de carga y deformímetro (Laboratorio de geotecnia, UMSS). Caja de corte (Das, 1997). Variación del esfuerzo de corte respecto al desplazamiento horizontal. Variación del desplazamiento vertical de corte respecto al horizontal. Envolvente de falla. Fotografía del sistema triaxial completo (Laboratorio de geotecnia, UTN). Esquema del banco triaxial completo. Prensa de compresión (Laboratorio de geotecnia, UTN). Cámara o celda triaxial. Componentes del exceso de presión de poros (Skempton, 1954). Influencia de la historia del suelo en la presión de poros (Bishop, 1960). Variación de Af según OCR (Bishop, 1960). ConFiguración del banco triaxial para las etapas 1 y 2. ConFiguración del banco triaxial para medir el cambio de volumen. Variación de la presión de poros durante la compresión (Whitlow, 1994). (a) Esfuerzos durante la compresión, (b) Presión de poros inicial, (c) Presión de poros de falla. Tipos de falla en ensayos triaxiales (Whitlow, 1994). (a) Falla frágil (corte), (b) Falla parcial al corte, (c) Falla de flexibilidad plástica o en barril. Envolvente de falla no drenado resultante del triaxial UU. Deformación vertical en función al esfuerzo desviador en un ensayo triaxial UU. Deformación vertical en función a σd, Δu y A en un triaxial CU en suelo Tipo II Envolvente de falla para un suelo Tipo II en un ensayo triaxial CU. Deformación vertical en función al esfuerzo desviador en un ensayo triaxial CD. Envolvente de falla para un suelo Tipo I en un ensayo triaxial CD. Ensayo de compresión inconfinada (Das, 1997). Deformación vertical respecto al esfuerzo axial en la compresión inconfinada. Combinación de esfuerzos en la falla en el ensayo de compresión inconfinada. Combinación de esfuerzos en la falla en el ensayo de compresión inconfinada. Extremo inferior de la Veleta. Ensamblado de la veleta en campo (U.S. Navy, 1982).

285 285 286 287 288 288 288 289 289 290 291 292 295 295 296 298

298

299 300 301 303 303 305 306 306 307 307 309 309

xxviii

Figura 6.65. Figura 6.66. Figura 6.67. Figura 6.68. Figura 6.69. Figura 6.70.

Figura 6.71. Figura 6.72. Figura 6.73. Figura 6.74. Figura 6.75. Figura 6.76. Figura 6.77.

Figura 6.78. Figura 6.79. Figura 6.80. Figura 6.81. Figura 6.82. Figura 6.83.

Figura 6.84. Figura 6.85. Figura 6.86. Figura 6.87.

(a) Dimensiones estándar. (b) Ensamblado. Penetrómetro de bolsillo (ELE). Micromolinete (ELE). Valores típicos de Φ’ para suelos poco cohesivos (U.S. Navy, 1982). Valores típicos deΦ’ para arcillas y limos NC (Mitchell, 1993). Compresión inconfinda en arcilla inalterada y remoldeada (Das, 1998). Comportamiento esfuerzo-deformación unitaria (Whitlow, 1994). (a) Elástico frágil, (b) Dúctil, (c) Completamente plástico, (d) Inelástico, (e) Cedencia dúctil. Comportamiento esfuerzo-deformación unitaria (Whitlow, 1994). Trayectorias de esfuerzos en el espacio (σ'1, σ'3) (Whitlow, 1994). Trayectorias de esfuerzos en el espacio (t', s')(Whitlow, 1994). (a) Condición drenada, (b) Condición no drenada. Trayectorias de esfuerzos por descarga en una excavación (Whitlow, 1994). (a) Condición drenada, (b) Condición no drenada. Envolvente de puntos de esfuerzo de falla (Whitlow, 1994). Trayectorias de esfuerzos en el espacio (q', p') (Whitlow, 1994). Parámetros del modelo de estado crítico (Budhu, 2000). (a) Envolvente de falla, (b) Línea de consolidación, (c) Línea de consolidación normalizada. Proyección tridimensional de la línea de estado crítico (Whitlow, 1994). Líneas de estado crítico en los espacios (q, p') y (e, p') (Whitlow, 1994). Expansión de la superficie de fluencia (Budhu, 2000). Formas de la línea de estado crítico (Budhu, 2000). Representación de ensayos triaxiales en el espacio (q, p') (Whitlow, 1994). Determinación del índice de vacíos en la línea de estado crítico (Budhu, 2000). (a) Superficie de fluencia, (b) CSL en el espacio (e, p'), (b) CSL en el espacio (e, ln p'). Trayectoria de esfuerzos efectivos (Budhu, 2000). Superficie de Roscoe en suelo muy sobreconsolidado (Whitlow, 1994). Superficie de Hvorslev en un suelo muy sobreconsolidado (Whitlow, 1994). Aspecto tridimensional de la superficie límite de estado (Whitlow, 1994).

310 311 311 312 312 314

315 316 317 318 319 320 322

325 327 328 329 330 331

332 333 334 335 336

xxix

Figura 6.88. Figura 6.89.

Figura 6.90.

Figura 6.91.

Figura 6.92.

Figura 6.93. Figura 6.94. Figura 6.95. Figura 6.96. Figura 6.97. Figura 6.98.

Figura 7.1. Figura 7.2. Figura 7.3. Figura 7.4. Figura 7.5. Figura 7.6. Figura 7.7. Figura 7.8. Figura 7.9.

Superficie límite de estado normalizada (Whitlow, 1994). Predicción de resultados de un ensayo CD usando el MSC (Budhu, 2000). (a) Superficie de fluencia, (b) Trayectoria de carga/descarga, (c) Deformación debido al esfuerzo desviador, (d) Variación del índice de vacíos respecto a la deformación. Predicción de resultados de un ensayo CU (R0 ≤ 2) en el CSM (Budhu, 2000). (a) Superficie de fluencia, (b) Trayectoria de carga/descarga, (c) Deformación debido al esfuerzo desviador, (d) Variación de la presión de poros respecto a la deformación. Predicción de resultados de un ensayo CD (R0 > 2) en el CSM (Budhu, 2000). (a) Superficie de fluencia, (b) Trayectoria de carga/descarga, (c) Deformación debido al esfuerzo desviador, (d) Variación de la presión de poros respecto a la deformación. Predicción de resultados de un ensayo CU (R0 ≥ 2) en el CSM (Budhu, 2000). (a) Superficie de fluencia, (b) Trayectoria de carga/descarga, (c) Deformación debido al esfuerzo desviador, (d) Variación de la deformación volumétrica εp respecto a la deformación. Falla en ensayos CD (Budhu, 2000). (a) Superficie de fluencia, (b) Trayectoria de carga/descarga. Falla en ensayos CU (Budhu, 2000). Respuesta del suelo a la carga y descarga/recarga (elástica) (Budhu, 2000). Variación de los parámetros de rigidez según a la deformación (Budhu, 2000). Determinación de la deformación plástica (Budhu, 2000). (a) Superficie de fluencia, (b) Trayectoria de carga/descarga. Suelo K0-consolidado y el isotrópicamente consolidado (Budhu, 2000). (a) Superficie de fluencia, (b) Trayectoria de carga/descarga. Principios de compactación. (Das, 1998) Curva de compactación típica. Curvas de compactación para ocho suelos utilizando la prueba Proctor estándar, (Jonson y Sallberg, 1960). Cuatro tipos de curvas de compactación encontradas en los suelos. Efecto de la energía de compactación en la compactación de una arcilla arenosa. Equipo para la prueba Proctor estándar (a) molde, (b) pison, (Das, 1998). Compactación de un suelo, usando el pisón Proctor estándar Equipo de compactación en laboratorio. Curvas de compactación para los ensayos Proctor estándar y modificado. (Holtz & Kovacs, 2000)

337

338

340

341

341 343 345 347 348 350 353 358 359 362 362 364 365 366 367 368

xxx

Figura 7.10. Figura 7.11. Figura 7.12. Figura 7.13. Figura 7.14. Figura 7.15. Figura 7.16. Figura 7.17. Figura 7.18. Figura 7.19.

Figura 5.20. Figura 7.21. Figura 7.22. Figura 7.23. Figura 7.24. Figura 5.25.

Figura 7.26.

Figura 7.27.

Estructuras extremas de un suelo arcilloso: (a) Alto grado de orientación de las partículas, (b) bajo grado de orientación de las partículas. Efecto de la compactación en la estructura del suelo. (Lambe, 1958) Influencia del tipo de compactación en la estructura adquirida por el suelo compactado. Cambio en la permeabilidad con el contenido de agua del moldeado. (Lambe, 1958) Cambio en la compresibilidad con el contenido de agua del moldeado. (a) Baja presión de consolidación, (b) Alta presión de consolidación. (Lambe, 1958) Expansión de una muestra de arcilla arenosa compactada estáticamente y por manipulación. Relación entre la presión estática de compactación (energía de compactación)y la presión de expansión en una arcilla. La contracción como una función del contenido de agua y tipo de compactación. (Seed y Chan, 1959) La resistencia como una función de la energía de compactación, y el contenido de agua del moldeado. (Seed y Chan, 1959) La resistencia como medida del CBR y la densidad seca versus el contenido de agua para compactación de impactos en laboratorio. (Tumbull y Foster, 1956) Conceptos de densidad relativa y compactación relativa. (Lee y Singh, 1971) Densidad seca en función del contenido de humedad, ilustrando la condición más eficiente para la compactación en campo. (Seed, 1964) Algunos métodos para determinar la densidad en campo (Holtz & Kovacs, 2000) Procedimiento del método rápido de determinación del grado de compactación del terraplén. Densímetro nuclear en funcionamiento. (ELE internacional, 1993) Determinación nuclear de la densidad y el contenido de humedad: (a) Transmisión directa, (b) Dispersión trasera, (c) Boquete de aíre. (Troxler electronic laboratorios, Inc., Research triangle park, North Carolina). Comparación entre las compactaciones en laboratorio y en campo, (1) Compactación estática en laboratorio, 140 kg/cm2, (2) Proctor modificado, (3) Proctor estándar, (4) Compactación estática en laboratorio a 14 kg/cm2, (5) Compactación en campo con seis pasadas de un rodillo neumático, (6) Compactación en campo con seis pasadas de un rodillo pata de cabra. Compactador con rodillos pata de cabra.

369 370 371 372 374 375 375 376 378

378 380 381 385 387 388

389

390 391

xxxi

Figura 7.28.

Formas usuales en las patas de los rodillos pata de cabra, (J. Badillo, 1976). Figura 7.29. Influencia de la forma en la punta del vástago de los “rodillos pata de cabra”, (J. Badillo, 1976). Figura 7.30. Influencia del tamaño y área de la sección recta en los vástagos de los “rodillos pata de cabra”, (J. Badillo, 1976). Figura 7.31. Compactador con rodillos de pata apisonadora. Figura 7.32. Compactador con rodillos neumáticos. Figura 7.33. Compactación con rodillo neumático. Relación entre el peso especifico seco y la presión de inflado. (Juárez Badillo, 1976) Figura 7.34. (a) Compactador con rodillos vibratorios, (b) Rodillo liso vibratorio tipo remolcado. Figura 7.35. Compactador con rodillos lisos de acero. Figura 7.36. Compactador con placa vibratoria. Figura 7.37. Tipos de suelo lo mejor posible satisfechos para varios tipos de equipos de compactación. (Coduto, 1998) Figura 7.38. Relación entre el peso específico seco y el número de pasadas (por un rodillo liso de tres llantas de 9.5 ton), el suelo de un estrato suelto es compactado 9 plg a diferentes contenidos de humedad. Curva de crecimiento para una arcilla limosa. Figura 7.39. Efecto del número de pasadas en el grado de compactación de diversos suelos con un rodillo para de cabra, (Lambe Whitman, 1976) Figura 7.40. Compactación con rodillo neumático. Efecto del número de pasadas y de la presión de inflado en el peso especifico seco de diversos suelos. Figura 7.41. Ilustración de la eficiencia de la compactación por vibración. Figura 7.42. Variación del peso específico seco con el número de pasadas del rodillo; espesor del terraplén = 2.44 m.

392 392 393 394 394 395 396 397 397 398

399 400 401 401 402

xxxii

INDICE DE TABLAS Página Tabla 1.1. Tabla 1.2. Tabla 1.3. Tabla 1.4. Tabla 1.5. Tabla 1.6. Tabla 1.7. Tabla 1.8. Tabla 1.9. Tabla 1.10. Tabla 1.11. Tabla 1.12. Tabla 1.13. Tabla 1.14. Tabla 1.15. Tabla 1.16. Tabla 2.1.

Ejemplos de rocas ígneas (Blyth & de Freitas, 1989). Ejemplos de rocas sedimentarias (Blyth & de Freitas, 1989). Ejemplos de rocas metamórficas (Blyth & de Freitas, 1989). ndice de vacíos, contenido de humedad y peso unitario sec (Coduto, 1999). Gravedad específica de algunos minerales (Coduto, 1999). Relaciones de peso-volumen (Das, 1998). Sistemas para identificar el tamaño de partículas del suelo (Das, 1998). Serie ASTM de tamices (ASTM D422 y E100). Valores de K (ASTM D422). Valores de L para distintas lecturas (R) del hidrómetro. Valores de a (ASTM D422). Descripción del suelo según la densidad relativa (Lambe & Whitman, 1969). Valores para la relación (N/25)0.121 (ASTM D4318). Grado de plasticidad del suelo (Sowers, 1979). Actividad de las arcillas (Whilow, 1994). Valores de los límites de Atterberg para los minerales de arcilla (Mitchell, 1976).

8 9 10 23 24 28 29 32 37 38 39 41 46 48 49 53

Tabla 2.10. Tabla 2.11.

Símbolos de grupo para la clasificación de suelos según el sistema Unificado Nombres de grupo para suelos gravosos. Nombres de grupo para suelos arenosos. Nombres de grupo para suelos finos inorgánicos. Nombres de grupo para suelos finos orgánicos. Evaluación de las propiedades del suelo en base al símbolo de grupo. (Coduto, 1999) Clasificación de suelos sistema AASHTO. (a) Material granular; (b) Material fino. Propiedades y características físicas. en suelos Granulares y suelos Finos (Valle Rodas, 1976). Compactación y tipo de pavimento. (a) Suelos granulares, (b) Suelos Finos (Valle Rodas, 1976). Comparación del sistema AASHTO con el sistema Unificado. Comparación del sistema Unificado con el sistema AASHTO.

74 75 76

Tabla 3.1. Tabla 3.2. Tabla 3.3. Tabla 3.4. Tabla 3.5. Tabla 3.6.

Cantidad mínima de muestra que se debe examinar. Criterio para describir la angularidad de las partículas granulares. Criterio para describir la forma de las partículas granulares. Criterio para describir la reacción del HCl. Criterio para describir la condición de humedad. Criterio para describir la consistencia.

79 80 80 81 81 81

Tabla 2.2. Tabla 2.3. Tabla 2.4. Tabla 2.5. Tabla 2.6. Tabla 2.7. Tabla 2.8. Tabla 2.9.

59 60 60 61 62 64 67 71

xxxiii

Tabla 3.7. Tabla 3.8. Tabla 3.9. Tabla 3.10. Tabla 3.11. Tabla 3.12. Tabla 3.13 Tabla 3.14. Tabla 4.1. Tabla 4.2. Tabla 4.3. Tabla 4.4. Tabla 4.5. Tabla 4.6. Tabla 4.7. Tabla 4.8. Tabla 4.9. Tabla 4.10 Tabla 4.11. Tabla 4.12. Tabla 4.13.

Criterio para describir el grado de cementación. Criterio para describir la estructura. Criterio para describir la resistencia en seco. Criterio para describir la Dilatancía. Criterio para describir la Tenacidad. Criterio para describir la Plasticidad. Identificación de suelos finos Inorgánicos sobre la base de ensayos manuales. Información básica en una Descripción e Identificación se Suelos

81 82 85 85 86 86 87 89

103 Valores del coeficiente C en mm2 (Crespo, 2001). Rango aproximado de ascenso capilar en suelos (Das, 1998). 104 Valores típicos de la conductividad hidráulica (Coduto, 1999). 117 Grado de permeabilidad del suelo (Whitlow, 1994). 118 118 Valores para Ct (Das, 1998). Valores del coeficiente C (Tindall & Kunkel 1999; Whitlow, 1994) 125 Factor de angularidad (U.S. Army Corps, 1986). 129 130 Valores de Si para USCS (U.S. Army Corps, 1986). 132 Relaciones empíricas para determinar k (Das, 1998). Implicaciónes de la conductividad hidraulica (Holtz & Kovacs,1981) 138 Tipos de fragmentos (Harr, 1962). 177-178 Tabla para los fragmentos del tipo II y III (Harr, 1962). 180 Correspondencia entre el flujo de agua y la corriente eléctrica (J. Badillo, 2000). 184

Tabla 5.1 Tabla 5.2. Tabla 5.3.

Típicos valores del índice de Poisson. Variación de Co con d/T Típicos valores de E y G.

221 243 254

Tabla 6.1. Tabla 6.2.

Rango de valores para ángulos de fricción (Budhu, 2000). Ensayos para determinar los parámetros de resistencia al corte del suelo. Valores de coeficiente Af. (Skempton, 1964) Rango de valores de A en la falla para diversos suelos. Consistencia de la arcilla (Das, 1997). Parámetros determinados en los ensayos triaxiales. Relaciones empíricas para los parámetros de resistencia al corte (Budhu, 2000). Sensitibidad de la arcilla. (Das, 1997) Valores de a. (Jamiolkowski, 1991) Valores de k1 (Seed & Idriss, 1970).

278

Tabla 6.3. Tabla 6.4. Tabla 6.5. Tabla 6.6. Tabla 6.7. Tabla 6.8. Tabla 6.9. Tabla 6.10. Tabla 7.2. Tabla 7.1. Tabla 5.4.

284 296 304 308 308 313 314 349 349

Efecto de la energía de compactación con el número de caídas por capa (Das, 1998) 363 Especificaciones técnicas para la prueba de compactación Proctor según las especificaciones ASTM. 367 Comparación de las propiedades del suelo entre la compactación por el lado húmedo y por el lado seco del óptimo (Holtz & Kovacs, 1981). 379

xxxiv

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

CAPITULO UNO

Propiedades índice del suelo. Desde hace ya mucho tiempo la humanidad ha construido diversos tipos de estructuras, como ser: presas, carreteras, acueductos y otros proyectos de ingeniería. Aunque el análisis estructural de todos estos varía de acuerdo a cada caso todos tienen algo en común, que se fundan sobre el suelo o la roca. Por varios años, los ingenieros de la antigüedad desconocieron la importancia del estudio del comportamiento del suelo antes del diseño y construcción de estas estructuras, como consecuencia sus estructuras experimentaron los efectos del comportamiento del suelo, como el caso de la inclinación de la torre de Pisa construida en 1173. Por lo general, en aquel tiempo para construir una estructura importante los ingenieros solían copiar a otra que había dado resultados satisfactorios. A lo largo de los años, diversos investigadores modernos han estudiado el suelo logrando significativos avances en cuanto a: clasificarlo, identificar sus propiedades y conocer su comportamiento. En la Figura 1.1, se muestra algunos tipos de estructuras que requieren un estudio previo del comportamiento del suelo antes de su diseño.

(a)

(b)

β

(c)

(d)

Figura 1.1. Proyectos de ingeniería que requieren un análisis del suelo. (a) Estribo de puente. (b) Muro de contención. (c) Presa de concreto. (d) Talud. Cuando se ignora el estudio del comportamiento del suelo, el suelo responde de madera inesperada originando condiciones no previstas en el diseño de la estructura, lo cual vulnera su estabilidad. El estudio del suelo, implica: determinar sus propiedades índice, clasificarlo, conocer el comportamiento del agua en este, su resistencia a esfuerzos externos y los límites respecto a su cambio de volumen. Una vez conocidas sus propiedades y comportamiento, pueden diseñarse estructuras que se ajusten a las condiciones específicas de cada suelo.

1. Definiciones. Dentro el estudio de la mecánica de suelos, es importante definir algunos términos técnicos de uso común que difieren del concepto o idea popular que se tiene acerca de ellos.

1

Fundamentos de mecánica de suelos

Mineral. Mineral es definido, como una sustancia inorgánica natural que tiene una composición química en particular o una variación de su composición y una estructura atómica que guarda íntima relación con su forma cristalina (Blyth & de Freitas, 1989). Los minerales llegan a ser los principales constituyentes sólidos de todas las rocas, que dan a las rocas propiedades físicas, ópticas y químicas como ser: color, lustre, forma y dureza. El suelo por lo general, contiene algunas variedades comunes de minerales.

Roca. Roca es definida, como un agregado natural sólido con contenido mineral que tiene propiedades físicas y químicas. Desde un punto de vista ingenieríl, puede ser definido como un material duro, durable que no puede ser excavado si no con explosiones. La roca es considerada como material casi impermeable (Blyth & de Freitas, 1989). Las rocas son clasificadas de acuerdo a sus características físicas y a la forma de su formación, además constituyen ser la materia prima del suelo.

Suelo. Suelo, puede definirse desde dos puntos de pista el geólogo y el ingenieríl. El suelo está clasificado de acuerdo a sus propiedades físicas, como ser: la consistencia y el tamaño de sus partículas. Para el geólogo, el suelo describe capas de material suelto sin consolidar que se extienden desde la superficie hasta la roca sólida y que se ha formado por meteorización y la desintegración de las propias rocas. El punto de vista geólogo del suelo, permite conocer el origen del suelo ya que mediante la geología se puede clasificar las rocas y comprender las transformaciones que tienen en su ciclo hasta convertirse en suelo (Whitlow, 1994). Desde el punto de vista ingenieríl, suelo es definido como un agregado natural no cementado de granos minerales y materia orgánica en descomposición, con líquido y gas en los espacios vacíos entre las partículas que lo constituyen. El ingeniero, compara al suelo como un material de construcción que tienen una importante influencia en el diseño y construcción de una obra de ingeniería (Das, 1999). El suelo al igual que otros materiales posee propiedades ingenieriles, que están gobernadas por el tamaño de sus partículas y la forma en que estas interaccionan entre si. Los suelos por lo general, son materiales heterogéneos y anisotrópicos, por lo que no están compuestos de un mismo material en toda su masa, además son materiales no conservativos, es decir que la masa de suelo al deformarse no recupera su forma original.

Mecánica de suelos. La mecánica de suelos, estudia el comportamiento y las propiedades físicas del suelo cuando fuerzas y agentes externos actúan en la masa de suelo. Esta rama de la geotecnia considera la estructura del suelo, la forma de las partículas que lo constituyen y las fases que éste presenta, concentrándose en las propiedades ingenieríles (Das, 1999).

Ingeniería de suelos. Ingeniería de suelos, es la aplicación de los principios de la mecánica de suelos a problemas prácticos, donde la experiencia y la teoría se complementan (Das, 1999).

2

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

Geotecnia. Es una ciencia, que combina los conocimientos de la ingeniería geotécnica y la ingeniería geológica al estudio del comportamiento y la clasificación de los elementos encontrados en la corteza terrestre, como ser: suelo, roca y agua subterránea (Coduto, 1998).

Ingeniería geotécnica. Ingeniería geotécnica, es una rama de la ingeniería civil que aplica los conocimientos de la mecánica de suelos y de la ingeniería civil a algunos aspectos de la corteza terrestre. Generalmente, se concentra sólo en los materiales encontrados cerca de la superficie de la tierra como: la roca, suelo y el agua subterránea. Determina relaciones matemáticas y empíricas, útiles para conocer el comportamiento de estos materiales y diseñar estructuras relacionadas a estas (Coduto, 1998).

Propiedades índice del suelo. Existe una gran variedad de suelos con características diferentes, por lo que se los clasifica en diferentes categorías y tipos. Las propiedades índice del suelo, se refiere a las características particulares que identifican a un suelo de una misma categoría, estas son: granulometría, consistencia, cohesión y estructura. Conociendo toda esta información del suelo, se puede anticipar su comportamiento y la metodología que se seguirá al tratar con aquel tipo de suelo.

2. Origen del suelo y ciclo de la roca. El suelo tiene su origen en la roca a través de la meteorización y otros procesos geológicos que experimentan las rocas que se encuentran cerca de la superficie terrestre, es decir la desintegración de estas en pedazos cada vez más pequeños, que en contacto con el medio ambiente (agua y aire) se concentran formando el suelo. Las rocas tienen su origen a partir de varios procesos geológicos, los más importantes que dan origen a una variedad de rocas son: la cristalización de los minerales que la componen durante la solidificación del magma, la cementación de las partículas del suelo de un depósito y el metamorfismo. Las diversas variedades de roca que se encuentran en la corteza terrestre, están clasificadas en tres grandes categorías, que son: rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas.

2.1. Meteorización. La meteorización generalmente es el resultado de procesos atmosféricos como: la lluvia y los cambios de temperatura, estos son responsables de la destrucción gradual de las masas de roca sólida durante largos periodos de tiempo, donde se altera la composición y estructura de las rocas por medios físicos y químicos. El producto del proceso de meteorización de las rocas y suelos corresponde a varios tamaños de partículas cada vez más pequeñas con una nueva composición y forma.

Meteorización física o mecánica. La meteorización física o mecánica, causa la desintegración de las rocas en partículas más pequeñas ya sea por: acción de la temperatura, por impacto de un agente externo o por la abrasión de las mismas partículas minerales acarreadas por el viento. Entre los principales procesos que ocasionan la meteorización mecánica se pueden mencionar la: descarga y carga

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Fundamentos de mecánica de suelos

mecánica, expansión y contracción térmica, acumulación de sales, desprendimiento coloidal, actividad orgánica y carga neumática. •

•

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Descarga mecánica.- Las rocas que se encuentran por debajo de la superficie terrestre están sometidas a una: presión vertical y de confinamiento (presión lateral). Cuando la presión vertical reduce por alguna causa externa como ser la erosión, la roca tiende a romperse o fisurarse. Se llama exfoliación al rompimiento o descascaramiento de las capas superficiales de la roca, este proceso generalmente ocurre durante la excavación de un túnel. Carga mecánica.- Es ocasionada por el impacto de partículas que pueden ser arrastradas por el viento o agua sobre una roca, con el tiempo este proceso puede ocasionar su fisuramiento. El impacto de las gotas de lluvia durante las tormentas intensas sobre las rocas débiles, contribuyen a este proceso destructivo. Expansión y contracción térmica.- Debido a: un golpe físico, acción de una planta o animal, al cambio brusco de la temperatura, puede ocasionar la fisuración la roca. Este hecho da lugar al ingreso de agua a su interior y esta al congelarse se expande ocasionando esfuerzos internos que quiebran más la roca. Los efectos de contracción debido al congelamiento del agua en las fisuras y la expansión térmica debido a la insolación, van debilitando a la roca hasta que ocasionan su rompimiento completo. Estos cambios frecuentes de temperatura son uno de los agentes principales en la meteorización física o mecánica en áreas desérticas. Acumulación de sales.- Al saturarse de agua las rocas, las presiones de la cristalización de las sales ocasionan esfuerzos internos que contribuyen a una significativa desintegración de las rocas. Desprendimiento coloidal.- Las rocas en algún momento, pueden estar cubiertas de materia coloidal húmeda. La contracción de estos materiales coloidales durante su secado, puede producir esfuerzos de tensión en la superficie con la cual están en contacto, debilitando la superficie de la roca. Actividad orgánica.- El crecimiento de las raíces de las plantas en las fisuras de la roca, es un proceso que ocasiona una desintegración importante en las rocas. Carga neumática.- El aire atrapado en las fisuras expuestas de la roca, ejerce presión interna en la roca debido a oleaje de un lago o río, que debilita a la roca.

Meteorización química. El agua por lo general ataca químicamente a los minerales que componen la roca, por lo que todo proceso de meteorización química depende de la presencia del agua. El agua que es adsorbida y la que se encuentra sobre la superficie de la roca causa algunos procesos químicos importantes. La meteorización química descompone los minerales de la roca por: oxidación, reducción, carbonización y otros procesos químicos. Generalmente la meteorización química, es mucho más importante que la física en la formación del suelo. Algunos procesos que a menudo ocurren en la meteorización química son: •

Hidrólisis.- Es un proceso químico importante que consiste en la reacción del mineral el hidrógeno (H+) y el oxidrilo (OH-) del agua, donde el PH del

4

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

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• •

•

agua juega un papel importante. El resultado de estos procesos son minerales arcillosos, donde los iones de hidrógeno del agua percolante reemplazan a los cationes, lo que no da lugar al proceso de oxido-reducción. Carbonización.- El agua en combinación del dióxido de carbono de la atmósfera, forman sobre la superficie de la roca ácido carbónico (H2CO3), este reacciona con los minerales que contiene la roca ocasionando un proceso de disociación de minerales en iones, que aumenta considerablemente por la presencia de CO2. En consecuencia se forman minerales arcillosos, sales solubles y hasta ácidos orgánicos, ocasionando la descomposición de materia orgánica lo que causa la meteorización química. Oxidación.- Es producida por el contacto del oxigeno del aire con ciertos componentes químicos-mineralógicos de las rocas particularmente favorables para combinarse con él (compuestos férricos, carbonatos, sulfuros, etc.). Durante este proceso, existe una transformación química de estos en óxidos ocasionando un cambio en la composición de la superficie externa de los afloramientos, haciendo variar su coloración a color rojizo u ocre oscuro, pero sin penetrar más allá de unos milímetros la superficie exterior de la roca. Reducción.- Mediante reacciones químicas, se lleva a cabo un proceso complementario a la oxidación donde se libera el oxígeno de los minerales que pasa a formar parte del ambiente circuncidante, el oxígeno deja la estructura del mineral a medida que la oxidación disminuye el número de elementos reducidos. Hidratación.- Se refiere a la absorción de moléculas de agua dentro de la estructura interna de un mineral. Este fenómeno provoca una expansión y acelera los procesos de la carbonización, oxidación, reducción e hidrólisis. Lixiviación.- Se refiere a la migración de iones alentada por los procesos antes citados, la movilidad de los iones depende de su potencial iónico. El Ca, Mg, Na y el K, son fácilmente lixiviados por las aguas circulantes. El Fe, es el más resistente. El Si, es difícil de lixiviar y el Al, es casi inamovible. Cambio de cationes.- Es la absorción de cationes en solución cargados positivamente en un mineral arcilloso cargado negativamente, especialmente: Ca, H, K y Mg.

2.2. Transporte y deposición. Los arroyos, corrientes oceánicas, olas, viento, aguas subterráneas, glaciales y la gravedad continuamente erosionan y transportan suelo, fragmentos de rocas y sedimento, a lugares de deposición donde se meteorizan. Generalmente, estos agentes transportadores ocasionan cambios físicos en las partículas que son transportadas. Erosión incluye todo proceso de desintegración, principalmente el desgaste de la superficie terrestre por acción mecánica. Cuando las partículas son levantadas o arrastradas por alguno de estos agentes estas se erosionan, sufren un decremento en su tamaño lo cual hace más fácil su transporte. Los diferentes tipos de depósitos de suelo, están clasificados según al modo de transportación de estos materiales.

Depósitos eolíticos. El viento a diferencia de otros solo puede mover sedimento compuesto de pequeñas partículas a diferentes lugares. El depósito ocurre cuando la velocidad del viento disminuye,

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Fundamentos de mecánica de suelos

consecuentemente las partículas se acumulan a lo largo del camino, el viento llega a clasificarla ya que deja las partículas más grandes y se lleva las partículas más pequeñas. El trabajo de denudación del viento, se puede observar en forma más destacada en las regiones que tienen un clima seco y caliente.

Depósitos glaciales. Un glaciar transporta rocas de todo tamaño y una variedad de sedimentos, los cuales caen sobre su superficie provenientes de las laderas de los valles circundantes, la confluencia de dos glaciales trae como consecuencia la formación de las morrenas. Las morrenas llegan a transportar material de todo tamaño. Los materiales de los depósitos glaciales varían mucho en sus propiedades físicas.

Depósitos aluviales. La acción mecánica de la caída de la lluvia en forma continua sobre la superficie terrestre, desprende partículas sueltas del suelo y polvo de las rocas. Los depósitos aluviales son el resultado de deposición pluvial (lluvia) y fluvial (ríos) de estas partículas. Estas partículas son transportadas por una corriente de agua, la deposición se realiza debido a una disminución en la pendiente de la corriente, ocasionando la pérdida de velocidad. En esta forma de transporte las partículas de todo tamaño están en contacto colisionando constantemente entre si, por lo que generalmente estas tienen los bordes redondeados.

Depósitos lacustres. La deposición lacustre o la de lagos tanto en agua dulce como salada, consiste de la deposición de sedimento generalmente de material diminuto en el fondo del lago. En el caso de agua salada la floculación de las partículas de tamaño coloidal es acelerada, lo que ocasiona una rápida precipitación al fondo.

Depósitos marinos. Las olas del mar continuamente rompen en una costa, erosionando la margen terrestre por la fuerza del impacto y en especial durante las tormentas. Los fragmentos de roca disgregados, llegan a redondearse reduciéndose de tamaño por el golpeo que reciben de las olas, y en conjunto forman los depósitos que se encuentran en la playa. Existen tres variedades importantes de depósitos marinos: • • •

Litógenos.- Son de origen terrestre, volcánico o cósmico. Biógenos.- Están constituidos de los restos de organismos marinos. Hidrógenos.- Proveniente de las precipitaciones y los afluentes que desembocan en el océano.

Suelos residuales. Se llama residual, al suelo formado producto de la meteorización que se mantiene en el mismo lugar de origen. A diferencia de los suelos producto del transporte y deposición, estos están relacionados con los materiales del lugar, clima y topografía. Se caracterizan por tener un orden en el tamaño de las partículas que lo constituyen, aumentado su tamaño con la profundidad. Por lo general los suelos residuales están compuestos de materiales altamente compresibles, su estudio entre en otra categoría de la mecánica de suelos.

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CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

2.3. Rocas ígneas. Se llaman así a las rocas formadas por la solidificación del magma a diferentes profundidades. El material rocoso fundido (magma), se enfría lentamente y se solidifica dentro o debajo de la corteza terrestre. Debido a movimientos técnicos o erosión, estas rocas salen a la superficie terrestre. Los tipos de rocas ígneas formadas por el enfriamiento del magma depende de factores como: la composición del magma y el grado de enfriamiento asociado con él. Se estima que las rocas ígneas componen el 98% de la corteza terrestre, estas se clasifican según su: forma de solidificación y composición química.

Clasificación de las rocas ígneas según a su forma de solidificación. De acuerdo a su forma de solidificación, existen dos tipos de rocas ígneas: rocas ígneas extrusivas e intrusivas. El magma que es expulsado hacia la superficie de la tierra por medio de erupciones o fisuras volcánicas (lava), con el tiempo se solidifica y los diferentes minerales se unen para formar cristales silicatados como las: piroxenas, las anfíbolas, los feldespatos y óxidos como la magnetita. Estos minerales llegan a cristalizar consumiendo parte del sílice, magnesio y hierro del magma, de acuerdo a su composición se llaman ferromagnesianos o máficos (mezcla de magnesio y hierro) y minerales félsicos que dan color a la roca dando lugar a la formación de una variedad de rocas ígneas extrusivas. Las rocas ígneas extrusivas son generalmente de lustre vítreo, tienen granos finos y una superficie suave, con una textura anímica a porfirítica o también de textura brechoide. En ocasiones el magma se eleva a diferentes niveles sin alcanzar la superficie terrestre, donde al cesar su movilidad se enfría y la cristalización de sus minerales constituyentes forma variedades de roca ígnea intrusiva, llamadas también rocas plutónicas debido a su gran tamaño. Según al tamaño de estas rocas se las clasifican en dos tipos: •

•

Intrusiva menor.- Cuando el magma se eleva, llena fracturas y otras aberturas en las rocas encajonadas donde se forman las intrusiones menores, es decir cuerpos ígneos pequeños como ser: los diques que son semejantes a un muro muy empinado o vertical cuyos lados son aproximadamente paralelos y también se forman los mantos que son hojas de roca cuya extensión es mas o menos horizontal. Las rocas ígneas intrusivas, por lo general tienen una textura fina a moderadamente gruesa. Intrusiva mayor.- Se llama así a una masa grande de magma de muchos kilómetros cúbicos de volumen, que se enfría lentamente debido a su tamaño. Entre las intrusiones mayores se encuentran: el plutón, que es un cuerpo de magma moderadamente grande con varias formas pero comúnmente tiene una sección transversal casi circular. El tronco, es un cuerpo cilíndrico casi vertical con una sección transversal que ocupa unos 100 km2. Un batolito es una masa ígnea que no tiene base, que se eleva como una proyección irregular dentro de las rocas de la corteza, por lo cual puede decirse que es un conjunto de plutones separados que generalmente ocupan una superficie de hasta 1000 km2. Estas rocas ígneas son generalmente cristalinas y de textura gruesa.

Clasificación de rocas ígneas según a su composición química. De acuerdo a su composición química de los minerales constituyentes de la cristalización, estas rocas ígneas se clasifican en:

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Fundamentos de mecánica de suelos •

•

•

•

Ácidas.- Son rocas intrusivas mayores, que contienen una gran cantidad de sílice que le da un color claro, además de mica biotita, ortoclasa, plaglioclasa, hornblenda y en ocasiones magnetita. Estas rocas presentan una textura de grano grueso. Intermedias.- Por lo general son rocas intrusivas menores, contienen poco o nada de cuarzo y una pequeña cantidad de biotita o piroxena y en ocasiones ortoclasa, sin embargo contienen una gran cantidad de plaglioclasa y hornblenda, lo que le da un color castaño. Estas rocas son de textura de grano grueso a mediano y rara vez porfirítica. Básicas.- Estas rocas contienen poco sílice, olivino y clorita, pero mayor cantidad de óxidos metálicos, minerales ferromagnesianos y un gran contenido máfico, los cuales dan a la roca una apariencia oscura. Algunas de estas rocas, son importantes como material de agregado en la construcción de carreteras. Los minerales esenciales son la plaglioclasa, augita y dialaga, estas rocas tienen una cristalización gruesa, rara vez porfirítica y algunas son de grano fino a mediano. Ultra básicas.- Estas rocas contienen principalmente minerales máficos, olivino y augita, contienen poco o nada de feldespatos por lo que tienen un color oscuro, además suelen contener piroxena, biotita y óxidos de hierro. Estas rocas son de textura de grano grueso.

La Tabla 1.1 muestra ejemplos de algunas variedades de roca ígnea. Tabla 1.1. Ejemplos de rocas ígneas (Blyth & de Freitas, 1989). ROCAS IGNEAS Clasificación según a la forma de su solidificación

Intrusivas

EXTRUSIVAS

Clasificación según a su composición química Ácidas Intermedias Básicas Ultrabásicas Riolita

Andesita

Basalto

Picrita

MENORES

Felsia

Porfirita

Dolerita

Picrita

MAYORES

Granito

Diorita

Gabro

Perdorita

Textura Vitrea con grano fino Fina a casi gruesa Gruesa a cristalina

2.4. Rocas sedimentarias. Por lo general, los sedimentos producto de la meteorización, el transporte y deposición, forman una capa superficial relativamente delgada de la corteza terrestre. Los componentes de los sedimentos se endurecen formando rocas sedimentarias, en un proceso llamado cementación. En este proceso de cementación algunos agentes cementadores como el: oxido de hierro, calcita, dolomita y cuarzo, son llevados por aguas subterráneas que percola por los espacios vacíos entre partículas del suelo, donde llena esos espacios y actúa como un cemento que los une. Los factores que influyen en la formación de rocas sedimentarias son: el tiempo, la sobrecarga (que constituye el peso propio) y la consolidación (precipitación de las sustancias disueltas por el agua). Las rocas sedimentarias, se clasifican según al origen y tipo de sedimentos que la componen, en clásticas, químicas y biológicas.

Rocas sedimentarias clásticas. También llamadas Detríticas, son rocas formadas con sedimentos que provienen del rompimiento de rocas preexistentes en diferentes tamaños de granos. Este grupo de rocas sedimentarias, se clasifica según el origen del sedimento en:

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CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo •

•

•

Terrígenos.- Son producto de la meteorización y erosión de rocas. Este grupo está dividido de acuerdo al tamaño de las partículas componentes, como ser: rudáceos (que significa guijarroso), arenaceo (que significa arenoso) y argiláceo o lutáceo (que significa arcilloso o limoso respectivamente). Las rocas más comunes encontradas formadas con estos tipos de sedimentos, son: los conglomerados, las areniscas, coloditas y lutitas. Piroclásticos.- Los sedimentos que componen estas rocas provienen de las erupciones volcánicas, la ceniza y detrítos expulsados de un volcán activo, que llueven sobre el área circundante formando una cubierta de depósitos piroclásticos que con el tiempo se cementan. Calcáreos.- Estas rocas, son formadas principalmente por sedimentos compuestos de partículas calcáreas que han sido clasificadas como si fueran detritos. Las rocas comúnmente encontradas de este tipo son las variedades de caliza, como la caliza conchífera y la greda (que es una caliza suave).

Rocas sedimentarias químicas. Algunas rocas son formadas por procesos químicos, los depósitos de aguas salinas y carbonadas al evaporarse van cementándose dando lugar a la formación de estas rocas. Algunas de las rocas formadas por estos procesos son: las calizas, piedra yesera, dolomitas, yeso, anhidrita y otras.

Rocas sedimentarias biológicas. Estas rocas están constituidas enteramente o en parte por despojo mineral o de seres microscópicos o plantas que vivieron en los antiguos océanos. Estos seres al morir son cubiertos por capas de sedimento compuesto de material fino, que con el paso del tiempo se cementa donde la materia orgánica es reemplazada por minerales constituyéndose así en roca. Estas se clasifican según al tipo de material orgánico en: litógenos (origen vegetal) y biógenos (origen animal). La Tabla 1.2 muestra ejemplos de algunas variedades de roca sedimentaria. Tabla 1.2. Ejemplos de rocas sedimentarias (Blyth & de Freitas, 1989). Orígen y Tipo de sedimento ROCAS SEDIMENTARIAS DETRÍTICAS

Terrigeneas Piroclásticas Calcareas

(meteorización) Lithógenas BIOLÓGICAS Biógenas QUÍMICAS

Areniscas Brecha vol.

Limolita Toba

Lutita

Conglomerado brecha Lomonita Dolomita Anidrita Turba Lignita Antracita Rocas con fósiles en general Greda

Arenisca

Tilita

Brechas

Grava de Carbonato Yeso Lodos organ.

Limos de Carbonato Calizas Lufita

2.5. Rocas metamórficas. Se llaman así a las rocas que han sufrido un proceso de transformación denominado metamorfismo, que da lugar a la formación de nuevas rocas que anteriormente pudieran haber sido ígneas o sedimentarias. El calor y la presión son los agentes del metamorfismo que ocasionan cambios en la estructura de los minerales, recristalizándolos cambiando así su textura, forma y composición de la que originalmente poseían. Existen tres tipos de metamorfismo:

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Fundamentos de mecánica de suelos •

•

•

Termal o de contacto.- En este tipo de metamorfismo interviene el calor en la recristalización de algunos o todos los componentes a temperaturas comprendidas entre 500 a 800 ºC, formándose nuevas variedades de minerales en la roca. Dinámico.- En este tipo de metamorfismo el esfuerzo principal es el agente que ocasiona la transformación de la roca y la temperatura no tiene una influencia significativa. Generalmente estos esfuerzos que causan la transformación de la roca son por cizalla. Regional.- Cuando el esfuerzo y la temperatura son influyentes esenciales en la recristalización, se trata de un metamorfismo regional, lo que da como resultado la recristalización de los minerales existentes en la roca que transforman la roca.

Con el paso del tiempo, consecuencia de la deposición de sedimento compuesto de ceniza y material fino, las rocas ígneas y sedimentarias son sepultadas gradualmente por una capa de suelo y vegetación. Una nueva erupción volcánica puede incluso cubrir la superficie superior de lava que se solidifica rápidamente, formando así una capa rocosa, donde esas rocas que inicialmente estaban sobre la superficie terrestre pueden encontrarse por debajo, lo que da lugar a que sufran metamorfismo. Los procesos de metamorfismo influyen en el comportamiento mecánico de las rocas, aumentando su dureza y resistencia. La Tabla 1.3 muestra algunos ejemplos de roca metamórfica encontradas comúnmente en la corteza terrestre. Tabla 1.3. Ejemplos de rocas metamórficas (Blyth & de Freitas, 1989). Tipo de metamorfísmo ROCAS METAMÓRFICAS Termal o de contacto Dinámico Regional

Granito Milonita Pizarra

Diorita Grafito Filita

Andalusita Silimanita Esquisto

Marmol Cianita Migmatita

Cuarzita Granate Granulita

2.6. Ciclo de la roca. Se llama ciclo de la roca a un proceso geológico extremadamente lento, donde la roca va transformándose en tres categorías diferentes de roca, que son las: ígneas, sedimentarias y metamórficas. En la Figura 1.2 se muestra un esquema de todos los procesos en el ciclo geológico de la roca. El ciclo empieza cuando el magma sale a la superficie terrestre debido a una erupción volcánica, donde este se enfría en la superficie de la corteza terrestre o dentro de ella, formando así rocas ígneas extrusivas o intrusivas respectivamente. Estas rocas pueden fundirse nuevamente en una futura erupción y convertirse en parte del magma, o de lo contrario sufrir un proceso de metamorfismo debido a presión y temperatura convirtiéndose así en roca metamórfica. Durante una erupción el material piroclástico expulsado se esparce por la superficie terrestre, en contacto con el medio ambiente se meteoriza formando de esta manera el suelo. Si es compactado por presión y sobrecarga, se forma nuevamente la roca metamórfica. La roca metamórfica puede nuevamente fundirse y ser parte del magma o sufrir un proceso de meteorización convirtiéndose en suelo, al igual que el caso de la roca ígnea el sedimento producto de la meteorización puede nuevamente cementarse y convertirse en roca sedimentaria. La roca sedimentaria puede sufrir también un proceso de metamorfismo recristalizándose y convertirse en roca metamórfica, o de lo contrario sufrir meteorización convirtiéndose en sedimento que formará parte del suelo, donde todos los procesos del ciclo nuevamente se repiten.

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CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

En du rec im ien to

Suelo

Metamorfísmo

Me tam orf ís

mo

Roca sedimetaria

ón ici nd Fu

Ex pu lsió n

pir o

clá stic a

Roca metamórfica Fu nd ici ón

Roca Ígnea

nto mie f r ia En

Expulsión piroclástica

Me te

ori z

aci

ón

ción oriza Mete

Me teo riz ac ión

Magma

Figura 1.2. Ciclo geológico de la roca (Coduto, 1999).

3. Composición mineralógica del suelo. Se pueden identificar más de 2000 diferentes minerales en la corteza terrestre y muchos de ellos están presentes en las rocas. Existe una distinción entre los minerales que son constituyentes esenciales de las rocas que dan el nombre a estas y los que son accesorios que se encuentran en pequeñas cantidades, pero su presencia o ausencia no influye en el nombre del la roca. Las rocas también contienen minerales secundarios, que son aquellos que resultan de la descomposición de los minerales esenciales por acción del agua. Como resultado de la meteorización y el proceso de la deposición, estos minerales que poseen las rocas llegan a formar parte del suelo. Los minerales más comunes que pueden encontrarse en el suelo son: •

•

Feldespatos.- Los feldespatos forman un grupo grande de minerales monoclínicos, triclínicos y son un componente importante de algunos tipos de rocas. La Ortoclasa es un feldespato que contiene potasio (KAlSi3O8) abundante en granitos y sienitas, generalmente su color varía de blanco a rosado. La Plaglioclasa es otro feldespato que contiene sodio (NaAlSi3O8), calcio (CaAl2Si2O8) o ambos encontrados en abundancia en rocas ígneas y tiene color blanco a gris o negro. El feldespato se considera un material moderadamente duro. Cuarzo.- Es un mineral muy común, un constituyente esencial de los granitos y otras rocas. Este es un silicato (SiO2) y comúnmente tiene un color translucido a blanco lechoso. El cuarzo es más duro que la mayoría de los minerales y es uno de los más resistentes a la meteorización, se encuentra en abundancia en rocas metamórficas.

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Fundamentos de mecánica de suelos •

•

•

•

Minerales ferromagnesianos.- Corresponden al grupo de los silicatos que contienen tanto hierro como magnesio. Este grupo contiene las variedades de: piroxena, anfíbola, hornblenda y olivino. Estos minerales abundan en las rocas ígneas básicas y utrabásicas, tienen un color oscuro y una moderada dureza. Mica.- Son un grupo de minerales monoclínicos en forma de hojuelas o láminas delgadas translucidas, generalmente está presente en los granitos y rocas ácidas. Entre las variedades de mica se encuentran: la moscovita que tiene láminas plateadas y la biotita que tiene hojuelas gris oscuro o negro. Óxidos de hierro.- Constituyen minerales accesorios de las rocas, son minerales que contienen hierro (Fe2O3), entre los cuales se encuentran la limonita y magnetita. Aunque se presentan en menor cantidad estos minerales dan un distintivo color rustico a las rocas y suelos. Minerales secundarios.- Tienen su origen en la alteración de minerales preexistentes, entre los cuales están: los minerales de arcilla, la calcita, dolomita, clorita y otros.

Estructura de los minerales de Arcilla. Los minerales arcillosos son formados principalmente por la meteorización química de las rocas, es decir que estos minerales son producto de la alteración de minerales preexistentes en la roca. Estos minerales son tan diminutos que sólo pueden ser vistos utilizando un microscopio electrónico. Los principales elementos químicos constituyentes de estos minerales son átomos de: silicio, aluminio, hierro, magnesio, hidrógeno y oxígeno. Estos elementos atómicos se combinan formando estructuras atómicas básicas, que combinándose entre si forman láminas, la que al agruparse forman estructuras laminares que finalmente al unirse por medio de un enlace forman un mineral de arcilla.

Oxígeno Hidróxido Aluminio Magnesio Sílice

Forma simplificada

Forma simplificada

(a) (b) Figura 1.3. Estructuras atómicas básicas de los minerales de arcilla (Whitlow, 1994). (a) Unidad tetraédrica. (b) Unidad octaédrica.

La Figura 1.3 muestra las dos unidades estructurales básicas de los minerales de arcilla, que son: la unidad tetraédrica constituida por un ión de silicio rodeado por cuatro átomos de

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CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

oxígeno (Figura 1.3a) y la unidad octaédrica formada por un ión central de aluminio o magnesio rodeado por seis iones de oxidrilo (Figura 1.3b). En ambos casos el metal con valencia positiva está situado en el interior, mientras que los iones no metálicos con valencia negativa forman el exterior. Las estructuras laminares mostradas en la Figura 1.4 se forman cuando varias unidades atómicas básicas se enlazan covalentemente mediante los iones de oxígeno u oxidrilo. Entre las estructuras laminares se tiene la lámina tetraédrica y octaédrica.

Símbolo (a)

G Símbolo (b)

B Símbolo (c)

Figura 1.4. Láminas formadas por estructuras atómicas básicas (Whitlow, 1994). (a) Lámina de sílice. (b) Lámina de gibsita. (c) Lámina de brucita. En la Figura 1.4a se muestra una lámina tetraédrica llamada sílice, que está formada por tetraedros enlazados que comparten dos átomos de oxígeno, la forma simbólica de representar esta lámina es por medio de un trapecio. La Figura 1.4b muestra una lámina octaédrica formada por octaedros de aluminio enlazados que forman una estructura dioctaédrica llamada alumina o gibsita, simbólicamente está representada por un rectángulo con letra G. La lámina de la Figura 1.4c, corresponde a una lámina formada por octaedros de magnesio que forman una estructura trioctaédrica llamada brucita, simbólicamente está representada por un rectángulo con letra B. La separación entre los iones externos de las láminas de tetraédricas y octaédricas es suficiente para que ambas láminas puedan unirse por medio de iones oxígeno u oxidrilo mutuamente; esto hace posible la formación de estructuras laminares de dos o de tres láminas. En la Figura 1.5 se muestra estas estructuras. En la estructura de dos láminas mostrada en la Figura 1.5a, las láminas tetraédricas y octaédricas están alternadas, mientras que la de tres láminas mostrada en la Figura 1.5b consiste de una lámina octaédrica emparedada entre dos láminas tetraédricas, estas dos formas de estructuras laminares son generales para formar las distintas variedades de minerales de arcilla.

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Fundamentos de mecánica de suelos

G

B

Dioctaédrico

G

Trioctaédrico

B

Dioctaédrico

(a)

Trioctaédrico (b)

Figura 1.5. Estructuras laminares (Whitlow, 1994). (a) Estructura de dos láminas. (b) Estructura de tres láminas. La variedad de los minerales de arcilla, depende de la distribución de apilación de estas estructuras laminares, así como del tipo de iones que proveen el enlace de las mismas. La Figura 1.6 muestra los minerales de arcilla más comunes.

G G

B

G

G K

Puente de hidrógeno

G

H2O H2O

Mg

K

Mg

Mg

Mg

H2O H2O

G

Caolinita

Halosita

(a)

(b)

G

Ilita (c)

G

Montmorilonita (d)

B

Vermiculita (e)

Figura 1.6. Minerales de arcilla (Whitlow, 1994). (a) Caolinita. (b) Halosita. (c) Ilita. (d) Montmorilonita. (e) Vermiculita. La abundante variedad de minerales de arcilla, está bastante relacionada a la estructura de los minerales que se muestran en la Figura 1.6, por lo que se pueden identificar a cuatro grupos de minerales arcillosos que son: •

•

•

Grupo de la caolinita.- La caolinita (Al4Si4O10(OH)8) es el principal constituyente del caolín y las arcillas para porcelana. Las caolinitas son producto de la meteorización del feldespato ortoclasa proveniente del granito y comúnmente se encuentran en suelos compuestos de sedimento. La caolinita se presenta en hojuelas hexagonales de tamaño pequeño, su estructura consiste en una distribución de dos láminas de sílice y gibsita fuertemente enlazadas (Figura 1.6a). Algunos minerales de arcilla que pertenecen a este grupo son: la dickita que tiene la misma composición de la caolinita pero con un orden diferente en sus láminas y la halosita que generalmente aparece en algunos suelos tropicales, cuyas láminas en forma tubular están enlazadas por moléculas de agua (Figura 1.6b). Grupo de la ilita.- La ilita es el resultado de la meteorización de las micas, es similar en muchos aspectos a la mica blanca pero tiene menos potasio y más agua en su composición. Se presenta en forma de hojuelas y su estructura consiste en arreglos de tres láminas de gibsita con los iones de K proporcionando el enlace entre láminas adyacentes de sílice como muestra la Figura 1.6c. Debido a que el enlace es más débil que el de la caolinita sus partículas son más pequeñas y delgadas. Grupo de la montmorilonita.- La montmorilonita es el constituyente principal de la bentonita y otras variedades similares de arcilla. Las montmorilonitas suelen ser el resultado de la meteorización del feldespato plaglioclasa en los depósitos de ceniza volcánica. Su estructura fundamental

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CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

•

consiste de distribuciones de tres láminas, cuya lámina octaédrica intermedia es casi siempre gibsita o en otro caso brucita. Diversos enlaces metálicos además del potasio (K) forman enlaces débiles entre las láminas como muestra la Figura 1.6d. Una característica particular del los minerales del grupo de la montmorilonita es su considerable aumento de volumen al absorber partículas de agua. Grupo de la vermiculita.- Este grupo contiene productos de la meteorización de la biotita y la clorita. La estructura de la vermiculita es similar a la montmorilonita, excepto que los cationes que proporcionan los enlaces entre láminas son predominantemente Mg, acompañados por algunas moléculas de agua como muestra la Figura 1.6e.

4. Forma y textura de las partículas del suelo. Se define forma como a los rasgos particulares y textura como al tamaño que tiene la partícula de suelo. Existen tres categorías típicas de texturas que presentan las partículas del suelo donde puede evaluarse la forma, que son la: granular, en hojuela y en aguja.

Forma granular. Este tipo de partículas principalmente están constituidas de fragmentos provenientes de la meteorización física de rocas y minerales. Para describir la textura de estas partículas se usan los términos: angular, subangular, redondeada y subredondeada. La esfericidad es opuesta a la angularidad, es decir que una partícula más angular será menos esférica o viceversa. La esfericidad Es, para una partícula de forma granular se define como:

Es =

De L

Donde: De = Diámetro equivalente de la partícula, que será: De = L = Longitud de la partícula. V = Volumen de la partícula.

3

6 ⋅V

π

Esfericidad

0.9

0.7

0.5

0.3

0.1

0.3

0.5

0.7

0.9

Redondez Figura 1.7. Ábaco para evaluar las partículas de forma granular (Krumbein & Sloss, 1963).

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Fundamentos de mecánica de suelos

El término redondeado, indica que la forma de los bordes de la partícula son redondeados y no puntiagudos. Con el ábaco de la Figura 1.7 se puede evaluar cuantitativamente la angularidad y redondez de la partícula con forma granular, en base al valor de la esfericidad. En la Figura 1.8, se ha identificado la textura de algunas partículas con forma granular.

Subangular Subredondeada Redondeada Angular Figura 1.8. Textura de partículas con forma granular (Das, 1998).

Textura en hojuela. La textura de las partículas de minerales de arcilla tienen la forma de hojuelas o escamas, estas son partículas muy pequeñas con muy poca esfericidad y solo pueden observarse con microscopios electrónicos.

Textura en aguja. Estas partículas son igualmente pequeñas a las anteriores, su textura tiene la forma de una aguja y generalmente están presentes en depósitos de coral y rara vez en suelos arcillosos.

5. Estructura y cohesión del suelo. Se define estructura del suelo como al arreglo geométrico de las partículas del suelo respecto unas de otras. Existen varios factores que influyen en la estructura de suelo como ser: la textura, tamaño, composición mineralógica de las partículas y el contenido de agua del suelo. La cohesión del suelo se refiere a la capacidad que tienen las partículas del suelo de permanecer unidas como conjunto, como resultado de la trabazón conjunta o las microestructuras existentes en el suelo.

(b) (a) Figura 1.9. Estructuras que dan cohesión a los suelos granulares. (a) Partículas con textura angular. (b) Partículas con textura redondeada.

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CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

Para el caso de suelos compuestos de partículas con forma granular, la trabazón entre partículas origina estructuras granulares simples y la fricción que se origina entre ellas contrarresta el deslizamiento de unas respecto a otras, como se muestra en la Figura 1.9. A este comportamiento se lo identifica como la cohesión para el caso de suelos granulares, donde el suelo presenta resistencia contra su disgregación ocasionada por un agente externo. El grado de cohesión que presentan los suelos granulares, está en función a la textura de las partículas de forma granular. La partículas con textura angular (Figura 1.9a) logran que el suelo tenga cohesión, mientras que las partículas con textura redondeada (Figura 1.9b) no contribuyen a la cohesión del suelo. La forma de hojuela, el tamaño y la carga eléctrica negativa superficial de las partículas compuestas de minerales de arcilla, da lugar a que estas partículas generen fuerzas de atracción y repulsión entre ellas, originando estructuras que se muestran en la Figura 1.10.

(a) (b) Figura 1.10. Estructura de las partículas de arcilla sedimentadas (Whitlow, 1994). (a) Partículas floculadas. (b) Partículas dispersas. Los iones que forman la superficie en hojuelas de los minerales de arcilla son O– y (OH)–, por lo que estas superficies tienen una carga eléctrica negativa. Puesto que las moléculas de agua son bipolares, es decir que tienen un extremo positivo y negativo, la superficie negativa del mineral de arcilla atrae a las moléculas de agua, por lo que se forma una capa de agua que queda unida a la superficie del mineral por medio de un enlace de hidrógeno (H3O)+. La fuerza de atracción denominada fuerza de Van der Waals, se incrementa cuando el espesor de la capa de agua absorbida disminuye por un proceso de intercambio básico, lo que origina que las partículas suspendidas en agua se acerquen cada vez más. Cuando la capa absorbida es lo suficientemente delgada para que dominen las fuerzas de atracción, al sedimentarse se forman grupos de partículas con sus superficies en contacto entre extremos positivo–negativo (Figura 1.10a), lo que se llama floculación. Este comportamiento de las partículas de minerales de arcilla dan cohesión a la masa de suelo, manteniéndola unida. Macroporo Dominio Terrón Grupo

(a)

Microporo

(b)

Figura 1.11. Estructuras microscópicas que dan cohesión al suelo (Das, 1998). (a) Macroestructura. (b) Microestructura. En un depósito de sedimento compuesto de partículas floculadas de minerales de arcilla, se observa en la Figura 1.11 que se forman diferentes unidades estructurales microscópicas.

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Fundamentos de mecánica de suelos

En la Figura 1.11b se ve que la unión de una cantidad pequeña de partículas de minerales de arcilla es llamada: dominios, un conjunto de dominios agrupado por las fuerzas interparticulares es llamado grupo, un grupo de dominios y racimos establecen una microestructura que encierran vacíos llamados microporos. Los racimos en grandes grupos forman un terrón (Figura 1.11b) que son las unidades más grandes y pueden ser vistos sin un microscopio, estos agrupados en conjunto establecen una macroestructura que forma vacíos llamados macroporos. Por lo general la relación de vacíos con respecto a sólidos en un suelo compuesto de partículas arcillosas es mayor que en el caso de suelos con partículas granulares. Las partículas de arcilla pueden tener una fuerza repulsiva si presentan cargas positivas en su superficie, por lo que sus bordes cargados se alejaran (Figura 1.10b). Debido a la abundante presencia de carbonatos y algunos minerales como el sodio o cuando se agrega una solución salina, las partículas cuya capa de agua adsorbida es doble (gruesa) se repelerán con mayor magnitud. Este comportamiento de las partículas de minerales de arcilla no contribuye a que la masa de suelo tenga cohesión.

Cementación. Los sedimentos que son depositados en un lecho con el tiempo van endureciendo hasta que se forman rocas sedimentarias, este proceso comienza inmediatamente después que el sedimento es acumulado. El agua que circula por los espacios vacíos o poros entre las partículas del sedimento acarrea materia mineral que cubre los granos y actúa como un cemento que las une. A este proceso se lo conoce con el nombre de cementación y es considerada una forma de cohesión pues une a partículas de diferentes tamaños.

6. Fases del suelo. En la Figura 1.12 se muestra una fracción de suelo agrandada de tal manera que pueden observarse los espacios vacíos entre partículas. De acuerdo a la definición de suelo desde el punto de vista ingenieríl, se concluye que este principalmente está compuesto por: materia sólida, líquida y gaseosa, a cada uno de estos componentes principales se denomina fase del suelo. El comportamiento del suelo depende de la cantidad relativa de cada una de estas tres fases, ya que estas interactúan entre si.

Aire

Sólido Agua

Figura 1.12. Composición del suelo. La fase sólida está compuesta de partículas diminutas derivadas de la roca o sedimento producto de la meteorización o incluso materia orgánica. La fase líquida, corresponde al agua que se ubica en los espacios vacíos entre partículas. La fase gaseosa corresponde al aire, los espacios vacíos los restantes que no ocupa el agua son ocupados por el aire.

18

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

A CO I RE TI L N TRAC

A I RE AGUA

AG U A

S Ó L DO I

SÓ L DO I

A I RE

AGUA S Ó LI DO

SÓ LI DO

(a) (b) (c) (d) Figura 1.13. Estados del suelo. (a) Saturado. (b) No saturado. (c) Seco. (d) No saturado contráctil. La fase líquida del suelo varía en su cantidad con respecto a las otras fases, lo que da lugar a distintos estados del suelo. En la Figura 1.13 se ha esquematizado los distintos estados que presenta el suelo de acuerdo a la variación de la fase líquida. De acuerdo a esta variación de la fase líquida (agua) del suelo, este puede ser clasificado en tres diferentes estados que son: • • • •

Suelo saturado.- La Figura 1.13a corresponde al estado del suelo saturado. Este estado del suelo contiene únicamente dos fases: la fase sólida y líquida. Se lo llama saturado, porque todos los espacios vacíos están llenos de agua. Suelo no saturado. - El estado de suelo de la Figura 1.13b, corresponde al suelo no saturado, llamado también húmedo. Posee: la fase sólida, líquida y gaseosa simultáneamente. Los vacíos están ocupados por aire y agua. Suelo seco.- Este estado de suelo mostrado en la Figura 1.13c, incluye solo dos fases: la fase sólida y la gaseosa, es decir que el suelo no contiene agua. Suelo no saturado contráctil.- El estado de suelo de la Figura 1.13d incluye las tres fases de suelo, además de una cuarta fase denominada contráctil. Esta cuarta fase es independiente y llega originarse como resultado de la interfase aire-agua, su problema predominante es su expansión y contracción, por lo que su estudio entra en otra categoría de la mecánica de suelos.

En la Figura 1.14 se ha ideado un modelo, donde se ha cuantificado la cantidad relativa de estas fases tanto en volumen como en masa. Estos valores pueden relacionarse entre si.

Aire

Va Vv

M

Mw

Agua

Vw

Ms

Sólido

Vs

V

Donde: Va = Volumen de aire. Vw= Volumen de agua. M = Masa total. Vs = Volumen de sólidos. V = Volumen total. Mw = Masa del agua. Ms = Masa de los sólidos.

Figura 1.14. Cuantificación del volumen y masa de las fases del suelo.

19

Fundamentos de mecánica de suelos

Algunos de estos valores pueden conocerse en laboratorio, mientras que otros son de difícil determinación. Por lo tanto, conviene encontrar relaciones matemáticas que ayuden a determinarlos implícitamente, conociendo algunos valores básicos.

6.1. Relaciones de volumen. El volumen es la cantidad de espacio físico que un cuerpo ocupa, para las relaciones de volumen se considerará el volumen de la fase sólida, líquida y gaseosa. El volumen total (V) del elemento de suelo es: V = Va + Vw + Vs

[1.1]

El volumen de vacíos (Vv) que contiene tanto agua como aire, será: Vv = Va + Vw

[1.2]

Índice de vacíos (e). El índice de vacíos, se define como la relación entre el volumen de vacíos y el volumen de sólidos del suelo, que es:

e=

Vv Vs

[1.3]

Porosidad (n). La porosidad expresa una idea similar al índice de vacíos, es valor se define como el cociente entre el volumen de vacíos y el volumen total, que se escribe:

n=

Vv V

[1.4]

La porosidad se puede determinar en función del índice de vacíos, ambos valores evalúan la misma propiedad del suelo (el volumen relativo de vacíos) y por tanto pueden usarse indistintamente, aunque sus valores no coinciden. El índice de vacíos es relativo al volumen de sólidos, lo que facilita el cálculo de sus variaciones al producirse cambios de volumen del suelo. Sin embargo, es más cómodo referirse a la porosidad para determinar el volumen de agua almacenado en un volumen de suelo. En base a operaciones con las ecuaciones [1.1], [1.2] y [1.3], se puede determinar la equivalencia entre la porosidad y el índice de vacíos que será:

n=

e 1+ e

[1.5]

Análogamente se puede despejar el índice de vacíos de la ecuación [1.5] en función a la porosidad, que será:

e=

n 1− n

[1.6]

20

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

Grado de saturación (S). El grado de saturación o llamado también el contenido de humedad volumétrico (θ), es el cociente entre el volumen de agua y vacíos, indica el porcentaje de agua que contiene el suelo respecto al contenido de vacíos, que se escribe:

S=

Vw Vv

[1.7]

Generalmente el grado de saturación es expresado en porcentaje, para el caso de un suelo seco: S = 0, mientras que para un suelo completamente saturado: S = 1.

6.2. Relaciones de peso. El peso de un cuerpo (W) se llega a conocer como la masa (m) de ese cuerpo magnificado por la gravedad (g), lo cual se escribe:

W = m⋅ g

[1.8]

Por conveniencia se considerarán las unidades de masa en lugar de las del peso excepto donde no corresponde, debido a que la masa a diferencia del peso no es influida por la gravedad. Las unidades de está serán expresadas en kg o g dependiendo a su cantidad. Para las relaciones de peso se considerará únicamente la masa de la fase sólida y líquida, mientras que la masa de la fase gaseosa es despreciada por ser una cantidad muy pequeña. La masa total (M) de la masa de suelo será:

M = Mw + Ms

[1.9]

Contenido de humedad (w). El contenido de humedad, se define como el cociente entre la masa de agua contenida y la masa de los sólidos de una masa de suelo, que se escribe:

w=

Mw Ms

[1.10]

La mayor parte de los ensayos en mecánica de suelos, requieren la determinación del contenido de humedad del suelo. Para lo cual, la idea general es determinar la masa del suelo libre del contenido de agua (masa de los sólidos del suelo) y también la masa del agua que contiene el suelo. La masa de la muestra de suelo será: M1. Si la muestra de suelo es secada en un horno de laboratorio de tal manera que ya no tenga contenido de agua, la masa de la muestra sin contenido de agua será: M2. Entonces la masa del agua que contiene el suelo será: M1 – M2. Por lo tanto el contenido de humedad del suelo será:

w=

M1 − M 2 M2

[1.11]

21

Fundamentos de mecánica de suelos

El valor del contenido de humedad, por lo general es expresado en porcentaje.

Densidad (ρ). La densidad del suelo es definida como la relación entre la masa y el volumen, que se expresa:

M V

ρ=

[1.12]

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

Peso unitario (γ ). 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 (γ ), 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:

γ =

W V

[1.10]

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

γd =

Ws V

[1.11]

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

γ sat =

W V

[1.12]

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

γw =

Ww Vw

[1.13]

Debido a que la gravedad es: g=9.81 m/s2 y la densidad del agua es:ρ w =1000 kg/m3, el

peso unitario del agua será: γw = 9.81 KN/m3. El peso unitario sumergido ( γ ' ), se conoce como a la diferencia del peso unitario húmedo del suelo y el peso unitario del agua, que será:

γ '= γ − γ w

[1.14]

22

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

En la Tabla 1.4 se muestran valores típicos del peso unitario seco para algunos suelos. Tabla 1.4. Índice de vacíos, contenido de humedad y peso unitario seco (Coduto, 1999). 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

w % Típico 30 16 25 15 21 30 - 50 90 - 120

γd KN/m 14.5 18 16 19 17 11.5 - 14.5 6-8

3

El valor del peso unitario del suelo dependerá del contenido de humedad como del tipo de partículas que componen el suelo. Una manera de determinar es midiendo la masa del suelo y el volumen que ocupa esta misma masa de suelo. La masa total de la masa de suelo al aire será: M1. Si se cubre la masa de suelo con cera con el objetivo de impermeabilizarla, la masa de la masa total de suelo mas cera al aire será: M2. La masa de la cera que cubre la masa de suelo será: Mcera = M2 – M1 El volumen de la cera que cubre la masa de suelo será:

Vcera =

M cera

ρcera

Donde: ρ cera = densidad de la cera. La masa de la masa de suelo más cera, ambas sumergidas en agua será: M3. Según al principio de Arquímedes, la masa del agua que es desplazada por el volumen que ocupa el suelo más cera, será: Magua = M2 – M3 El volumen de agua desplazada por la masa de suelo más cera, será:

Vagua =

M agua

ρ agua

Donde ρ agua es la densidad del agua, entonces el volumen del suelo sin cera, será: Vsuelo = Vagua – Vcera El peso unitario húmedo del suelo será:

γ=

M1 ⋅ g Vsuelo

23

Fundamentos de mecánica de suelos Por lo general el peso unitario del suelo es expresado en KN/m3. El peso unitario saturado y seco puede ser determinado implícitamente mediante relaciones de peso-volumen que involucren el peso unitario húmedo y otros valores conocidos.

Gravedad específica (Gs). La gravedad específica del suelo, se define como la relación entre la masa de los sólidos del suelo (Msuelo) y la masa del agua para el mismo volumen (Magua) que ocupan estos sólidos es:

Gs =

Ms M agua

[1.15]

Mediante la gravedad específica puede determinarse el valor de otras relaciones de peso o volumen del suelo que sean de interés, una forma de hallar este valor es determinando la masa de las partículas sólidas del suelo y la masa del volumen de agua que ocupan estas. La masa del suelo secado en horno (sin contenido de agua), será: M1. La masa de un frasco (o picnómetro) con agua destilada (sin aire) hasta el tope será: M2. Si se introduce la masa de suelo en el frasco con agua hasta el borde, esta desplazara un cierto volumen de agua, la masa del frasco con agua hasta el borde mas suelo será: W3. Es importante que no exista aire en el suelo, por lo que la muestra de suelo es saturada completamente de agua, esto es agitando el frasco que contiene suelo y agua. La masa del volumen de agua desplazada por los sólidos del suelo será: Magua = (M2 + M1) – M3 Entonces, la gravedad específica será:

Gs =

M1 M agua

Según la norma ASTM D854, el valor de la gravedad específica en los suelos generalmente varia entre 2.60 a 2.80, pero en el caso de suelos que contienen materia orgánica el valor de la gravedad específica desciende por debajo de 2. Más detalles acerca de este ensayo pueden consultarse en un manual de laboratorio especializado. En la Tabla 1.5 se muestran valores típicos de la gravedad específica para algunos minerales. Tabla 1.5. Gravedad específica de algunos minerales (Coduto, 1999). Mineral Gs Minerales no arcillosos 2.65 Cuarzo 2.54 - 2.67 Feldespato 3.00 - 3.50 Hornblenda 2.76 - 3.20 Mica 2.71 Calcita 5.2 Hematita 3.6 - 4.0 Limonita 2.32 Gibsita 2.70 - 2.80 Talco

Mineral

Gs Minerales arcillosos 2.62 - 2.66 Caolinita 2.75 - 2.78 Montmorilonita 2.60 - 2.86 Ilita 2.60 - 2.96 Clorita

24

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

6.3. Modelo del volumen de sólidos unitario. El modelo del volumen de sólidos unitario (Vs = 1) está basado en asumir una cantidad de volumen, donde la masa y el volumen de las demás fases son determinadas en función a esta medida que se mantiene constante. Por lo tanto, el modelo se construye como para una unidad (1 m3) de material sólido. La Figura 1.15 muestra el modelo.

Aire Vv M

Mw

Agua

Ms

Sólido

Vw

V = 1 + Vv

Vs= 1

Figura 1.15. Modelo del volumen de sólidos unitario. Reemplazando Vs=1 en la ecuación [1.3], el volumen de vacíos (Vv) será: Vv = e Reemplazando esta última expresión en la ecuación [1.1], el volumen total (V) será: V=1+e El contenido de humedad puede expresarse como:

w=

γ w ·Vw γs

Si se despeja Vw de está expresión, se tendrá que:

Vw = w ⋅

γs γw

[1.16]

La gravedad específica (Gs) puede expresarse como:

Gs =

γs γw

Si se reemplaza esta expresión en la ecuación [1.16], el volumen de agua (Vw) será:

Vw = w ⋅ Gs

25

Fundamentos de mecánica de suelos

Reemplazando esta expresión en la ecuación [1.13] y despejando la masa del agua (Mw), se tendrá que: Mw = γ w · w ⋅ Gs La Figura 1.16, muestra el modelo del volumen de sólidos unitario para el estado saturado.

Agua

Mw

V w = Vv V = 1 + Vv

M

Sólido

Ms

Vs= 1

Figura 1.16. Modelo del volumen de sólidos unitario para suelo saturado. Si S = 1 entonces: Vw = Vv = e La ecuación [1.13] puede escribirse: Mw = γ w ·Vw Reemplazando Vw en esta expresión, la masa del agua (Mw) será: Mw= γ w ·e

6.4. Modelo del volumen total unitario. El modelo del volumen total unitario (V = 1) mostrado en la Figura 1.7, al igual que el anterior modelo está basado en una cantidad de volumen donde la masa y el volumen de todas las demás fases están determinadas de acuerdo a esta medida que se mantiene constante. En esta forma la masa de suelo se describe como un volumen fijo compuesto de: material sólido, líquido y gaseoso. Reemplazando V = 1 en la ecuación [1.4], el volumen de vacíos (Vv) será: Vv = n Reemplazando la ecuación [1.1] en la ecuación [1.2] y sustituyendo los valores de V = 1 y el de Vv = n en esta nueva ecuación, el volumen de los sólidos (Vs) será: Vs= 1 – n El peso unitario de los sólidos del suelo será:

γs =

Ms ⋅ g Vs

[1.17]

26

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

Aire Vv Mw

V=1

Agua

M

Ms

Sólido

V s = 1 Vv

Figura 1.17. Modelo del volumen total unitario. La gravedad específica puede expresarse como:

Gs = γ s γ w Reemplazando la ecuación [1.17] en está expresión se tendrá que:

Ms Vs Reemplazando Vs=1 – n en está expresión, la masa de los sólidos (Ms) será: Gs ⋅ γ w =

M s = Gs ⋅ γ w ⋅ (1 − n) Sustituyendo el valor de Ms de esta expresión en la ecuación [1.10], la masa del agua (Mw) será:

M w = w ⋅ Gs ⋅ γ w ⋅ (1 − n)

La Figura 1.18, muestra el modelo del volumen total unitario para el estado saturado.

Mw

Agua

V w = Vv

M

V=1 Ms

Sólido

V s = 1 Vv

Figura 1.18. Modelo del volumen total unitario para suelo saturado. Si S = 1, se tendrá que: Vw = Vv = n

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Fundamentos de mecánica de suelos

Tabla 1.6. Relaciones de peso-volumen (Das, 1998). Relaciones para determinar el peso unitario húmedo (γ).

(1 + ω ) ⋅ GS ⋅ γ W

w, e, Gs, γw

[1.18]

γ = GS ⋅ γ W (1 − n )(1 + w)

w, n, Gs, γw

[1.19]

γ = GS ⋅ γ W (1 − n ) + n ⋅ S ⋅ γ W

w, n, Gs, γw

[1.20]

w, S, Gs, γw

[1.21]

e, S, Gs, γw

[1.22]

w, γ

[1.23]

e, Gs, γw

[1.24]

n, Gs, γw

[1.25]

w, S, Gs, γw

[1.26]

w, e, S, γw

[1.27]

γw, e, γsat

[1.28]

γsat, n, γw

[1.29]

γsat, Gs, γw

[1.30]

γ =

γ=

1+ e

(1 + w) ⋅ GS ⋅ γ W w ⋅ GS S

1+

γ=

( GS + S ⋅ e ) ⋅ γ W 1+ e

Relaciones para determinar el peso unitario seco (γ d).

γd =

γd =

γ

1+ w

Gs ⋅ γ w 1+ e

γ d = Gs ⋅ γ w ⋅ (1 − n) γd =

γd =

Gs ⋅ γ w w ⋅ Gs 1+ S

e ⋅ S ⋅γw

(1 + e ) ⋅ w

γ d = γ sat −

e ⋅γw 1+ e

γ d = γ sat − n ⋅ γ w γd =

(γ sat − γ w ) ⋅ Gs Gs − 1

Relaciones para determinar el peso unitario saturado (γsat):

γ sat =

( Gs + e ) ⋅ γ w

W, γ

[1.31]

e, Gs, γw

[1.32]

⎛ 1 + wsat ⎞ ⎟ ⋅ Gs ⋅ γ w ⎝ 1 + wsat ⋅ Gs ⎠

n, Gs, γw

[1.33]

⎛ e ⎞ ⎛ 1 + wsat ⎞ ⎟⎜ ⎟ ⋅γw ⎝ wsat ⎠ ⎝ 1 + e ⎠

w, S, Gs, γw

[1.34]

w, e, S, γw

[1.35]

1+ e

γ sat = [ (1 − n) ⋅ Gs + n ] ⋅ γ w γ sat = ⎜

γ sat = ⎜

⎛ e ⎞

γ sat = γ d + ⎜ ⎟ ⋅γ w ⎝1+ e ⎠

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CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo γ sat = γ d + n ⋅ γ w ⎛

γ sat = ⎜1 − ⎝

1 ⎞ ⎟γ d + γ w Gs ⎠

γ sat = γ d ⋅ (1 + wsat ) ⎛ 1 + wsat ⎞ ⎟ ⋅γw ⎝ wsat ⎠

γ sat = n ⋅ ⎜

γw, e, γsat

[1.36]

γsat, n, γw

[1.37]

γsat, Gs, γw

[1.38]

γsat, Gs, γw

[1.39]

Despejando Mw de la ecuación [1.13], se tendrá que: Mw = γ w ·Vw Reemplazando Vw, la masa del agua será: Mw= γ w ·n

6.5. Relaciones de peso – volumen. Pueden formarse ecuaciones con las relaciones de volumen y de peso, que permitan conocer otros valores aunque en un estado diferente del suelo en base a algunos valores conocidos. La Tabla 1.6 muestra diversas relaciones para determinar el peso unitario húmedo, seco y saturado en función a las relaciones de peso y volumen. Todas las relaciones de las ecuaciones [1.18] a [1.39] son obtenidas matemáticamente con cualquiera de los dos modelos, para la mayoría de las relaciones el modelo del volumen de sólidos unitario es práctico mientras que el modelo del volumen total unitario es más práctico solo para algunas de ellas.

7. Distribución del tamaño de partículas. De acuerdo al tamaño predominante de partículas que contenga el suelo, los suelos generalmente son llamados: grava, arena, limo, arcilla o una mezcla de ellos. Tabla 1.7. Sistemas para identificar el tamaño de partículas del suelo (Das, 1998). NOMBRE DE LA ORGANIZACIÓN

Grava

TAMAÑO DE PARTÍCULAS en mm Arena Limo Arcilla

Massachusetts Institute of Tecnology (MIT)

>2

2 a 0.06

0.06 a 0.002

< 0.002

U.S. Department of Agriculture (USDA)

>2

2 a 0.05

0.05 a 0.002

< 0.003

American Association of State Highway and Transportation (AASHTO)

76.2 a 2

2 a 0.075

0.075 a 0.002

< 0.004

Unified Soil Clasification System (US)

75 a 4.75

4.75 a 0.075

Finos (limos y acrcillas) < 0.075

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 1.7 se muestra algunos de los sistemas más conocidos empleados por estas organizaciones para identificar las partículas del suelo. El sistema de clasificación unificado (USCS) ha sido adoptado como el estándar por la ASTM (American Society for Testing and Materials) y el reglamento que esta sociedad ha desarrollado para el análisis y estudio del suelo es aceptado a nivel internacional.

29

Fundamentos de mecánica de suelos

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 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

30

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

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.

7.1. Suelos de grano grueso. Estos suelos están constituidos de partículas con textura granular compuestas de fragmentos de roca y mineral. De acuerdo al sistema de clasificación unificado estas partículas tienen un tamaño comprendido entre 75 y 0.075 mm, que corresponde al tamaño de la grava y arena. Aunque en su mayoría contienen partículas mayores a 0.075 mm también contienen material fino en pequeña cantidad, como conjunto estos suelos tienen mayor resistencia a la erosión.

7.1.1. Análisis mecánico por tamices. Debido al tamaño de las partículas y la forma granular que presentan estos suelos, fácilmente puede clasificarse los distintos tamaños de las partículas que lo constituyen mediante tamices con diferentes aberturas. A este análisis se lo llama: análisis granulométrico del suelo. El tamiz o criba que se muestra en la Figura 1.19a, consiste de un plato de acero inoxidable con una malla metálica adherida en la parte inferior con aberturas de tamaño uniforme. Existen dos tamaños estándar de tamices los de 8 y 12”, mostrados en la Figura 1.19b y c, respectivamente.

8"

12"

(b) (c) (a) Figura 1.19. Tamices para el análisis mecánico del suelo de grano grueso.

(a) Tamiz. (b) Tamiz de 8”. (c) Tamiz de 12”. La Tabla 1.8 muestra la serie ASTM de tamices de 8” y 12” disponibles en el mercado para el análisis mecánico del suelo, el tamaño de la abertura de la malla (expresado en milímetros) esta identificada por un número de tamiz. No es necesario tener todos los tamices para realizar un análisis granulométrico del suelo, simplemente bastan algunos tamaños que están en función al sistema de clasificación del tamaño de partículas que se esté empleando. En el sistema de clasificación unificado (USCS) las partículas consideradas grano grueso tienen un tamaño mayor a 0.075 mm, por lo tanto el tamiz: Nro. 200 retiene las partículas de grano grueso y deja pasar las partículas finas del suelo, por lo que el tamiz Nro. 200 clasifica las partículas de grano grueso de las finas. Dentro las partículas de grano grueso el tamaño de la arena está comprendido entre 4.75 y 0.075 mm, el tamiz: Nro. 4 retiene los tamaños mayores a 4.75 mm y deja pasar los de menor tamaño que son retenidos en el tamiz Nro. 200. La grava tiene un tamaño comprendido entre 76.2 y 4.75 mm, el tamiz de 3” retiene partículas mayores a 76.2 mm y deja pasar partículas de menor tamaño que se retendrán en el tamiz Nro. 4 o en el Nro. 200. Para el sistema de clasificación unificado es indispensable tener los tamices Nro. 200, 4 y el de 3”, sin embargo si se utilizan tamices intermedios a estos tamaños se tendrá un análisis granulométrico más preciso.

31

Fundamentos de mecánica de suelos

Tabla 1.8. Serie ASTM de tamices (ASTM D422 y E100). Nro. 5" 4.24" 4" 3 1/2" 13/4" 3" 2 1/2" 2.12" 2" 1 3/4"

Abertura

127.00 107.70 101.60 88.90 82.55 76.20 63.50 53.85 50.80

44.45

Nro. 1 1/2" 1 1/4" 1.06" 1" 7/8" 3/4" 5/8" 0.53" 1/2" 7/16"

Abertura 38.10

31.75 26.92 25.40 22.23 19.05 15.88 13.46 12.70 11.11

TAMICES SERIE ASTM Nro. Abertura Nro. Abertura 3/8" 9.53 12 1.70 5/16" 7.94 14 1.40 16 1.18 0.265" 6.73 1/4" 6.35 18 1.00 4 4.75 20 0.85 5 4.00 25 0.71 6 3.35 30 0.60 7 2.80 35 0.50 8 2.36 40 0.43 10 2.00 50 0.36

Nro. 60 70 80 100 120 140 170 200 230 270

Abertura

0.250 0.212 0.180 0.150 0.125 0.106 0.090 0.075 0.065 0.053

Nro. 325 400 450 500 635

Abertura

0.041 0.035 0.031 0.028 0.021

En la Figura 1.20 se muestra un tamizador, que es un equipo de laboratorio donde se instalan las diferentes medidas de tamices, este agita todo el conjunto de tal manera que el suelo puede descender por todos los tamices que clasifican el tamaño de las partículas. Se instalan los tamices en forma descendente, el de mayor abertura en la parte superior y el de menor abertura en la parte inferior, el suelo es colocado en el tamiz superior y también se coloca un plato en la parte inferior del último tamiz para recibir la fracción mas fina de suelo. Deben seleccionarse con cuidado los tamices que se van ha instalar, el tamizador permite regular la intensidad y el tiempo del tamizado.

Figura 1.20. Tamizador de laboratorio. Antes de tamizar la muestra de suelo, esta debe ser lavada desmenuzando todos los terrones que existan y luego ser secada en horno por 24 horas a 105 ºC. Durante el lavado y tamizado se perderán partículas de suelo esta perdida no debe superar el 2% de la masa total.

Curva de distribución del tamaño de partículas. La muestra de suelo debe ser tamizada por lo menos 15 minutos, donde cada tamiz retendrá una fracción de masa de suelo y el plato inferior retendrá las partículas mas finas del suelo menores a 0.075 mm para otros propósitos.

32

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

La masa de la fracción de masa de suelo retenida en cada tamiz será: M1, M2, M3,…, Mi. La masa de la fracción fina de suelo en el platillo será: Mp. El total de la masa de suelo será: M1 + M2 + M3 +…+ Mi + Mp = ∑M. Se determina la masa acumulada de suelo retenida para cada tamiz, para un tamiz i será: M1 + M2 + M3 +…+ Mi Se determina la masa de suelo que deja pasar cada tamiz. La masa de suelo que deja pasar el tamiz i será: ∑M – (M1 + M2 + M3 +….+ Mi) Se determina el porcentaje de suelo que deja pasar cada tamiz. El porcentaje de suelo que pasar el tamiz i será:

P(%)i =

∑ M - (M

1

+ M 2 + M 3 + ... + M i )

∑M

× 100

Todos los resultados son registrados ordenadamente en una Tabla. Con los valores del tamaño de las aberturas del tamiz en milímetros ubicados en orden inverso en el eje de las abscisas en escala logarítmica y el porcentaje de la masa de suelo que pasa ubicada en el eje de las ordenadas, se traza la curva de distribución del tamaño de partículas como se muestra en la Figura 1.21. 100 90

Porcentaje que pasa (%)

80 70 60 50 40 30 20 10 0 75

10

1 0.1 Tamaño de la partícula (mm)

0.075

Figura 1.21. Curva de distribución del tamaño de partículas.

Parámetros de la Curva de distribución del tamaño de partículas. A partir de la curva de distribución del tamaño de partículas, se puede obtener cantidades en porcentaje de un tamaño de partículas especial que contenga el suelo. El diámetro de la partícula (Di) se refiere al tamaño del grano o diámetro aparente de una partícula de suelo y el subíndice que lo acompaña indica la cantidad de partículas en porcentaje más pequeñas que

33

Fundamentos de mecánica de suelos

esta. Por ejemplo: D10 = 2 mm, significa que el 10% de los granos de la muestra son menores en diámetro que 2 mm. El diámetro D10 es llamado diámetro o tamaño efectivo del suelo, este al igual que el: D60, D30, D25 y D75, son tamaños especiales de las partículas que contiene el suelo para evaluar la distribución del tamaño de partículas del suelo. 100

(e)

90 (b)

Porcentaje que pasa (%)

80

(c)

70 60

(d)

(a)

50 40 30 20 10 0 75

10

1 0.1 Tamaño de la partícula (mm)

0.075

Figura 1.22. Curvas de distribución del tamaño de partículas de cinco suelos (Coduto, 1999). (a) Suelo de grano grueso (grava y arena). (b) Suelo bien gradado con una amplia variedad de tamaños de partícula. (c) Suelo de grano grueso con una reducida variedad de tamaños de partícula. (d) Suelo con gradación hueca, no contiene un cierto rango de tamaños de partícula. (e) Suelo compuesto de partículas finas (limo y arcilla).

a) Coeficiente de uniformidad (CU). Este parámetro evalúa el grado de similitud en tamaño de las partículas del suelo, que será:

CU =

D60 D10

[1.40]

Un valor grande de este parámetro indica que las partículas entre D60 y D10 difieren en gran manera de tamaño, lo que indica desuniformidad en relación al tamaño. Un suelo con una distribución uniforme hará que la curva de distribución tienda a ser vertical como en la Figura 1.22c, mientras que la desuniformidad la hará más horizontal como en la Figura 1.22b.

b) Coeficiente de gradación (CC). Este parámetro evalúa la progresión de la variación en tamaño de las partículas del suelo, que será:

CC =

D302 D10 ⋅ D60

[1.41]

34

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

Los valores de CC muy alejados a la unidad indican la falta o la poca cantidad de una serie de tamaños de partículas. Una distribución bien gradada hará que la curva de distribución se asemeje a una recta (Figura 1.22a, b) y una mala gradación la hará sinuosa o uniforme (Figura 1.22c y d).

c) Coeficiente de clasificación (So). Este parámetro es otra alternativa poco conocida para evaluar la uniformidad y se escribe:

So =

D75 D25

[1.42]

7.2. Suelos finos. Los suelos finos están constituidos de partículas compuestas de fragmentos diminutos de roca, minerales y minerales de arcilla, con textura granular y en hojuelas. De acuerdo al sistema de clasificación unificado estas partículas tienen un tamaño inferior a 0.075 mm, que corresponden a la categoría del limo y la arcilla, por lo que toda fracción de suelo que pasa el tamiz Nro. 200 es considerado como suelo fino.

7.2.1. Análisis mecánico por hidrómetro. Aunque existen tamices con aberturas de malla menores a 0.075 mm, no es apropiado su uso para determinar la distribución del tamaño de partículas de la fracción de suelo fino, debido a que las partículas del suelo fino no siempre tienen textura granular sino en hojuelas y estas últimas poseen propiedades eléctricas importantes que dificultarían el tamizado. Stokes (1850) desarrolló una ecuación que relaciona la velocidad de descenso de una partícula esférica en un fluido con respecto al tamaño de esta, que es:

v=

γs −γw 2 ⋅D 18 ⋅η

Donde: v = Velocidad de descenso de la partícula. γs = Peso unitario de los sólidos del suelo γw = Peso unitario del agua. η = Viscosidad dinámica del fluido. D = Diámetro de la partícula con forma esférica. Con el concepto que encierra la ecuación [1.43] conocida también como la ley de Stokes, puede determinarse el tamaño del más del 90% de las partículas del suelo fino. El hidrómetro del tipo ASTM 152H que se muestra en la Figura 1.23a, es un instrumento de laboratorio para medir la gravedad específica de un líquido (Figura 1.23b). El análisis mecánico por hidrómetro está basado en el principio de sedimentación de las partículas del suelo fino en suspensión. Cuando un suelo fino es dispersado en agua, las partículas sedimentarán a diferentes velocidades, dependiendo de su textura, tamaño y masa, además de la viscosidad del agua. Para simplificar el análisis, se asume que las partículas

35

Fundamentos de mecánica de suelos

tienen forma esférica de tal manera que puede utilizarse la ley de Stokes para describir su comportamiento. El diámetro de la partícula según la ecuación [1.43] será:

D=

18 ⋅η ⋅ v γs −γw

La velocidad v de está ecuación puede escribirse como:

D=

18 ⋅η L ⋅ t γs −γw

Donde: L = Es la distancia que recorre la partícula al sedimentarse. t = Es el tiempo que tarda en recorrer esa distancia. Reemplazando: Gs = γ s γ w en esta ecuación y factorizando se tendrá que:

D=

18 ⋅η L ⋅ ( Gs − 1) ⋅ γ w t

Donde: Gs = Gravedad específica del suelo fino. 0

0

L1 L 60

L2 60

(a) (b) Figura 1.23. Hidrómetro (Das, 1998). (a) Hidrómetro tipo ASTM 152H. (b) Determinación de la gravedad específica. Debe tenerse cuidado al manejar las unidades de los diferentes valores que incluye esta ecuación. El diámetro de la partícula por ser un valor pequeño conviene manejarlo en mm, la viscosidad del agua se mide en g·s/cm2, el peso unitario del agua en g/cm3, la distancia L que

36

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

recorre la partícula conviene medirla en cm y el tiempo de la sedimentación es muy lento por lo que debe medirse en minutos. Compatibilizando unidades se tendrá que:

D [ mm ] 10

=

18 ⋅η ⎡⎣gr ⋅ sec cm 2 ⎤⎦

( Gs − 1) ⋅ γ w ⎡⎣gr

cm3 ⎤⎦

⋅

L [ cm ]

t [ min ]×60

Por lo que se tendrá que:

D=

30 ⋅η L ⋅ ( Gs − 1) ⋅ γ w t

[1.43]

Sin embargo, para determinar fácilmente del diámetro de la partícula, la ecuación [1.43] puede escribirse:

D=K⋅

Donde: K =

L t

[1.44]

30 ⋅η ( Gs − 1) ⋅ γ w

Tanto la gravedad específica como la viscosidad del agua dependen de la temperatura, por lo cual la norma ASTM D422 ha tabulado valores para el coeficiente K en función a la temperatura y la gravedad específica, que se muestran en la Tabla 1.9. Tabla 1.9. Valores de K (ASTM D422). Temperatura ºC 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

2.5 0.0149 0.0147 0.0145 0.0143 0.0141 0.0140 0.0138 0.0137 0.0135 0.0133 0.0132 0.0130 0.0129 0.0128

2.55 0.0146 0.0144 0.0143 0.0141 0.0139 0.0137 0.0136 0.0134 0.0133 0.0131 0.0130 0.0128 0.0127 0.0126

Gravedad es pecífica (Gs ) 2.6 2.65 2.7 0.0144 0.0142 0.014 0.0142 0.014 0.0138 0.0140 0.0138 0.0136 0.0139 0.0137 0.0134 0.0137 0.0135 0.0133 0.0135 0.0133 0.0131 0.0134 0.0132 0.013 0.0132 0.0130 0.0128 0.0131 0.0129 0.0127 0.0129 0.0127 0.0125 0.0128 0.0126 0.0124 0.0126 0.0124 0.0123 0.0125 0.0123 0.0121 0.0124 0.0122 0.012

2.75 0.0138 0.0136 0.0134 0.0133 0.0131 0.0129 0.0128 0.0126 0.0125 0.0124 0.0122 0.0121 0.0120 0.0118

2.8 0.0136 0.0134 0.0132 0.0131 0.0129 0.0128 0.0126 0.0125 0.0123 0.0122 0.0120 0.0119 0.0118 0.0117

En laboratorio el análisis mecánico por hidrómetro, se realiza en un cilindro (18” x 2.5”) con agua mantenida a temperatura constante donde es introducida una cantidad apropiada de

37

Fundamentos de mecánica de suelos

suelo. Para dispersar las partículas en todo el fluido y acelerar la sedimentación, se introduce defloculador que por lo general es hexametafosfato de sodio. La solución debe ser mezclada enérgicamente para homogenizar el fluido, es recomendable que la cantidad total de fluido sea de 1000 ml, por lo que talvez deba añadirse agua destilada. Cuando el hidrómetro es colocado en el cilindro (Figura 1.23b) este queda suspendido a cierta profundidad, a medida que las partículas en suspensión sedimenten el hidrómetro se hundirá consecuentemente, ya que la gravedad específica del fluido está en función al contenido de partículas por unidad de volumen en suspensión. La lectura del hidrómetro se realiza del punto que esta en el centro del bulbo del hidrómetro hasta la medida que marca el nivel superior de agua en la regla graduada, esta distancia es L en la Figura 1.23b. Este valor puede obtenerse de la siguiente expresión:

V ⎞ 1 ⎛ L = L1 + ⋅ ⎜ L2 − B ⎟ A⎠ 2 ⎝ Donde: L = Profundidad sumergida del bulbo del hidrómetro. L1 = Medida de la profundidad sumergida de la parte superior del bulbo. L2 = Longitud del bulbo (14 cm para hidrómetro ASTM 152H). VB = Volumen del bulbo del hidrómetro (67 cm3 para hidrómetro ASTM 152H). A = Área de la sección transversal del cilindro (27.8 cm2 si es de 18” x 2.5”). Tabla 1.10. Valores de L para distintas lecturas (R) del hidrómetro. Lectura R 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 25

L cm 16.3 16.1 16 15.8 15.6 15.5 15.3 15.2 15 14.8 14.7 14.5 14.3 14.2 14 13.8 13.7 13.5 13.3 13.2 13 12.9 12.7 12.5 12.4 12.2

Lectura R 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 51

L cm 12 11.9 11.7 11.5 11.4 11.2 11.1 10.9 10.7 10.6 10.4 10.2 10.1 9.9 9.7 9.6 9.4 9.2 9.1 8.9 8.8 8.6 8.4 8.3 8.1 7.9

38

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

Para un hidrómetro del tipo ASTM 152H y un cilindro de sedimentación de 18” x 2.5”, se tendrá que: L = L1 + 5.8 Para obtener el valor de L1 no se toma en cuenta el menisco que se forma entre la superficie del agua y el hidrómetro, por lo que la lectura L1 corregida del menisco será: R. Midiendo el valor de R en la regla graduada se determina la longitud L, que es el valor de la longitud en la ecuación [1.43]. La norma ASTM D422 presenta valores tabulados para la variación de L respecto a R válidos para el equipo de laboratorio anteriormente descrito, que se muestran en la Tabla 1.10. Se toman lecturas con el hidrómetro de la densidad del fluido para diferentes intervalos de tiempo, que por lo general son: t1 =15 seg, t2 =30 seg, t3=1 min, t4 = 2 min, t5 = 4 min,... ,t14=24 horas y t15 = 48 horas. Con los valores de L y t para los diferentes intervalos de tiempo en la ecuación [1.44], se obtienen los diversos tamaños de partículas del suelo fino.

Curva de distribución del tamaño de partículas. Al igual que el análisis mecánico por tamices se puede trazar la curva de distribución del tamaño de partículas para el suelo fino. Con la ecuación [1.44] se determina el tamaño de las partículas del suelo, pero el porcentaje de estas que pasan un tamaño de aberturas de un tamiz imaginario se puede determinar con la ecuación:

P (%)i =

a⋅R Ms

·100

[1.45]

Donde el valor de a es una corrección para la gravedad específica, que será:

a=

Gs ·1.65

( Gs − 1)·2.65

[1.46]

Este valor de corrección también puede ser obtenido de la Tabla 1.11 Tabla 1.11. Valores de a (ASTM D422). Gs

a

2.50 2.55 2.60 2.65 2.70 2.75 2.80

1.04 1.02 1.01 1.00 0.99 0.98 0.97

Es muy importante que la temperatura se mantenga constante durante todo el ensayo, para lograr esto en la práctica se sumerge el cilindro de sedimentación en un baño maría que

39

Fundamentos de mecánica de suelos

mantiene el agua a temperatura constante. Sin embargo también deben aplicarse factores de corrección por temperatura y viscosidad del fluido al valor de R en la ecuación [1.45], donde la forma de aplicar todos estos se describe ampliamente en un manual especializado de laboratorio. Todos los resultados son registrados ordenadamente en una tabla al igual que en el caso del suelo de grano grueso. Con los valores del tamaño de partículas en milímetros obtenidos de la ecuación [1.44], ubicados en orden inverso en el eje de las abscisas en escala logarítmica y el porcentaje de las partículas que pasan un tamiz imaginario obtenido de la ecuación [1.45], ubicada en el eje de las ordenadas, se traza la curva de distribución del tamaño de partículas como se observa en la Figura 1.24. Esta curva es la continuación de la curva de distribución del tamaño de partículas del suelo de grano grueso. En el sector donde se conectan estas dos curvas existe una ligera discontinuidad que por lo general se debe a las diferentes texturas de las partículas, esta debe corregirse manualmente para mantener la continuidad de las dos curvas, como se muestra en las curvas de la Figura 1.22b, d y e. 100 90

Porcentaje que pasa (%)

80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.5

0.1

0.05 0.01 Tamaño de la partícula (mm)

0.005

0.001

Figura 1.24. Curva de distribución del tamaño de partículas.

8. Consistencia del suelo. La consistencia se define como la firmeza o solidez que presenta la masa de suelo, esta característica particular del suelo está estrechamente relacionada a las estructuras que las partículas del suelo forman entre si. Para el caso de suelos de grano grueso la textura y la forma de ubicación de las partículas dentro la masa de suelo determina la consistencia, mientras que en los suelos finos el contenido de humedad define la consistencia ya que el agua contribuye a la cohesión, debido a las propiedades eléctricas de los minerales de arcilla.

Densidad relativa (Dr). Debido a la variedad de formas que tienen las partículas de textura granular en suelos de grano grueso, estas pueden acomodarse de diversas maneras en la masa de suelo, donde para

40

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

cada caso variará el índice de vacíos. La Figura 1.25 muestra una porción de suelo con diferentes formas de empaquetamiento de sus partículas.

(a)

(b)

Figura 1.25. Formas de empaquetamiento de las partículas del suelo (Das, 1998). (a) Densa. (b) Suelta. En la Figura 1.25a las partículas están acomodadas de tal manera que la cantidad de vacíos es mínima, a diferencia de la forma de empaquetamiento en la Figura 1.25b que tiene una mayor cantidad de vacíos. Se llama compacidad a la forma de empaquetamiento que tienen las partículas del suelo dentro su masa lo cual determinará el índice de vacíos del suelo, este concepto de compacidad solo será aplicable a suelos con partículas de textura granular. Cada suelo tiene una compacidad de tal manera que el índice de vacíos sea el mínimo, logrando un suelo denso (Figura 1.25a) o caso contrario un suelo suelto que tendrá un índice de vacíos máximo (Figura 1.25b). La compacidad de un suelo es medida con la densidad relativa, que evalúa el grado de empaquetamiento de las partículas del suelo en situ de acuerdo al índice de vacíos máximo y mínimo que permita el suelo, está será:

Dr =

emax − e emax − emin

[1.47]

Donde: Dr = Densidad relativa del suelo. emax = Índice de vacíos máximo permitido por el suelo. emin = Índice de vacíos mínimo permitido por el suelo. e = Índice de vacíos actual del suelo. Este valor generalmente es expresado en porcentaje y varía de 0% para muy suelto a un máximo de 100% para muy denso, sin embargo en situ la densidad relativa comúnmente varía de 20 a 85%. La Tabla 1.12 muestra valores característicos de la densidad relativa para evaluar el grado de empaquetamiento de las partículas del suelo. Tabla 1.12. Descripción del suelo según la densidad relativa (Lambe & Whitman, 1969). Descripción D r (%) 0 - 15 Muy suelto 15 - 50 Suelto 50 - 70 Medianamente denso 70 - 85 Denso 85 - 100 Muy denso

41

Fundamentos de mecánica de suelos

En base a la ecuación [1.6], la densidad relativa es expresada en función a la porosidad, que será:

Dr =

(1 − nmin ) ⋅ ( nmax − n ) ( nmax − nmin ) ⋅ (1 − n )

[1.48]

Donde: Dr = Densidad relativa del suelo. nmax = Porosidad máxima permitida por el suelo. nmin = Porosidad mínima permitida por el suelo. n = Porosidad actual del suelo. La norma ASTM D2049 sugiere un procedimiento para determinar la densidad relativa de un suelo de grano grueso en campo utilizando un molde, mediante la ecuación [1.49] que está en función al peso unitario seco máximo, mínimo y el actual del suelo, que será:

Dr =

γ d − γ d min γ d max ⋅ γ d max − γ d min γ d

[1.49]

Para la determinación del peso unitario mínimo, el suelo suelto luego de ser secado en horno es vaciado con un embudo al molde cuidadosamente hasta el tope, teniendo el volumen que ocupa este se determina la masa del suelo. Para determinar el peso unitario máximo se aplica una carga al suelo en la parte superior del molde lleno de suelo y se somete todo el conjunto a vibración por un tiempo, con la masa del suelo y el volumen que ocupa este en el molde se determina el peso unitario máximo. Para obtener más detalles acerca de este ensayo puede consultarse a un manual de laboratorio especializado. 1.6

e max e min

1.4 1.2

Angularidad 0.2 0

1.0 0.25

0.8

0.30 0.5 0.20 0

0.6

0.25

0.4

0.50

0.30

0.2 0 1

2

3

4

6

10

Figura 1.26. Variación de emax y emin respecto a la angularidad y CU (Youd, 1973).

42

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

Youd (1973) elaboró un ábaco que se muestra en la Figura 1.26 para determinar los valores de: emax y emin del suelo, en base a la angularidad de las partículas y el coeficiente de uniformidad del suelo. La Figura 1.27 muestra una relación aproximada entre la densidad relativa, el índice de vacíos actual y el peso unitario seco del suelo. Peso unitario seco, γd (lb/ft )

1.0

90

95

100

105

110

115

120

Índice de vacíos, e

0.8

0.6

0.4

0.2

0

0

20

40

60

80

100

Densidad relativa, Dr (%)

Figura 1.27. Relación aproximada de γd, e y Dr para suelos de grano grueso (Das, 1998).

8.2. Limites de Atterberg.

Incremento del contenido de humedad (%)

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

Estado plástico: Se deforma sin romperse. Tiene una consistencia de mantequilla suave a masilla en endurecimiento. Limite plástico Estado semisólido: Al deformarse no recupera su forma inicial. Su consitencia es quebradiza similar a un quezo. Limite de contracción Estado sólido: Se rompe antes de deformarse. Su consistencia es similar a un dulce duro.

Figura 1.28. Consistencia del suelo según al contenido de humedad (Coduto, 1999).

43

Fundamentos de mecánica de suelos

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 Nro. 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. La Figura 1.28 muestra las diferentes consistencias del suelo en función al incremento del contenido de humedad. 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.

8.2.1. Liquidez. Se llama liquidez al estado líquido que presenta el suelo cuando el contenido de humedad supera al límite líquido. En este estado la fuerza de atracción que actúa entre las partículas compuestas de minerales de arcilla disminuye, debido a la gruesa capa de agua que se forma en la superficie de estas por la abundante cantidad de moléculas de agua.

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 1.29 conocido como la cuchara de Casagrande.

(a)

(b)

(c)

Figura 1.29. 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 1.30. División de la pasta de suelo. (a) Raspado del suelo (Laboratorio de geotecnia, UMSS). (b) Vista superior. (c) Vista frontal.

44

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

12.7 mm

Con la cuchara de Casagrande puede determinarse el límite líquido del suelo para un tamaño de partículas que pasan por el tamiz Nro. 40 (0.425 mm). 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 1.29c, de tal forma que esta queda dividida en dos partes como se observa en la Figura 1.30a y b. 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 1.30c. Luego se mueve la manivela que acciona un mecanismo que da golpes a la cuchara, estos ocasionan que la abertura se cierre progresivamente. Se dan golpes hasta que la abertura se cierre en ½ pulgada (12.7 mm) del largo total de ésta, como se ve en la Figura 1.31.

(b)

(a)

Figura 1.31. 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. La Figura 1.32 muestra la ubicación de los resultados (mediante puntos) de cuatro ensayos para un mismo suelo, con los valores del contenido de humedad ubicados en el eje de las ordenadas y los valores del número de golpes en escala logarítmica en el eje de las abscisas, luego se ha ajustado una curva que relaciona estos puntos. El límite líquido del suelo será el contenido de humedad que corresponde a los 25 golpes.

Contenido de humedad (%)

60

50 Límite líquido

40

30 10

20

25

30

40

50

60

70

Número de golpes

Figura 1.32. Determinación del límite líquido del suelo.

45

Fundamentos de mecánica de suelos

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:

⎛N⎞ LL = wN ⋅ ⎜ ⎟ ⎝ 25 ⎠

tanβ

[1.50]

Donde: LL = Límite líquido. wN = Contenido de humedad natural. N = Número de golpes. tan β = Pendiente de la línea de flujo (0.121 es una buena aproximación). Con la ecuación [1.50] 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. La Tabla 1.13 muestra valores de la relación (N/25)0.121 de acuerdo al número de golpes. Tabla 1.13. Valores para la relación (N/25)0.121 (ASTM D4318). N 20 21 22 23 24 25

⎛N⎞ ⎜ ⎟ ⎝ 25 ⎠

0.121

N 26 27 28 29 30

0.973 0.979 0.985 0.990 0.995 1.000

⎛N⎞ ⎜ ⎟ ⎝ 25 ⎠

0.121

1.005 1.009 1.014 1.018 1.022

Índice de flujo (IF). Se llama índice de flujo a la pendiente que tiene la línea de flujo, que será:

IF =

w1 − w2 ⎛N ⎞ log ⎜ 2 ⎟ ⎝ N1 ⎠

[1.51]

Donde: IF = Índice de flujo. w1 = Contenido de humedad del suelo correspondiente a N1 golpes. w2 = Contenido de humedad del suelo correspondiente a N2 golpes. N1, 2 = Número de golpes correspondientes a cada ensayo. La ecuación [1.51] esta arreglada de tal forma que el índice de flujo sea un valor positivo, aunque la línea de flujo tiene un valor negativo.

Índice de liquidez (IL). Este índice evalúa el grado de consistencia líquida o liquidez que presenta el suelo en situ, que será:

IL =

w − LP LL − LP

[1.52]

46

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

Donde: IL = Índice de liquidez. w = Contenido de humedad del suelo en situ. LL = Límite líquido del suelo. LP = Límite plástico del suelo.

8.2.2. Plasticidad. 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 Nro. 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 mm de diámetro como muestra la Figura 1.33a. 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 debido al papel y la mano, entonces llegará un momento cuando al formar el rollito el suelo empiece a disgregarse en su superficie y luego a fragmentarse (Figura 1.33b). 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.

(a) (b) Figura 1.33. Determinación del límite plástico (Laboratorio de geotecnia, UMSS). (a) Realizando el rollito. (b) Rollitos de suelo empezando a fragmentarse.

Índice de plasticidad (IP). Con el índice de plasticidad puede evaluarse el grado de amasado que permite el suelo mientras se encuentre en su consistencia plática, este índice se define como: IP = LL − LP

[1.53]

47

Fundamentos de mecánica de suelos

En la Tabla 1.14 se presentan valores del índice de plasticidad para evaluar la plasticidad del suelo. Tabla 1.14. Grado de plasticidad del suelo (Sowers, 1979). Descripción IP 0-3 No plástico 3 - 15 Ligeramente plástico 15-30 Baja plasticidad > 30 Alta plasticidad

Actividad (A). Por lo general los suelos arcillosos están constituidos por un 40 a 70% de partículas que contienen minerales de arcilla que dan plasticidad al suelo. Si aumenta la cantidad de minerales de arcilla proporcionalmente también serán afectados el límite líquido y plástico del suelo. Skempton (1953) observó que el índice de plasticidad del suelo aumenta linealmente con el incremento en porcentaje de partículas de arcilla (de tamaño menor a 2 μm), esta proporción lineal variará de acuerdo al tipo de minerales de arcilla que contenga el suelo. Skempton definió una cantidad llamada actividad como la pendiente de la línea que correlaciona el índice de plasticidad y la fracción en peso de las partículas compuestas de minerales de arcilla expresada en porcentaje, que será:

A=

IP Fracción de arcilla (%)

[1.54]

Índice de plasticidad

Seed, Woodward y Lundgren (1964) realizaron diversos estudios de la influencia del porcentaje de partículas de arcilla en la plasticidad del suelo y concluyeron que la correlación entre estas está descrita por dos líneas, similares a las que se muestran en la Figura 1.34.

10

40

Porcentaje en peso de partículas compuestas de minerales de arcilla (< 2 μm) Figura 1.34. Relación entre el índice de plasticidad y el porcentaje en peso de partículas compuestas de minerales de arcilla (Seed, Woodward y Lundgren, 1964).

48

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

Estos investigadores observaron que los suelos que contienen más del 10% de su peso en partículas de arcilla presentan plasticidad. La plasticidad esta correlacionada linealmente con la cantidad de partículas de arcilla del suelo hasta un contenido del 40% en peso, donde la relación cambia a una línea que parte del origen de coordenadas. La actividad resulta ser la pendiente de la línea de correlación. En la Tabla 1.15 se muestran valores característicos de la actividad para algunas arcillas típicas. Tabla 1.15. Actividad de las arcillas (Whilow, 1994).

Tipo de arcilla Arcilla de caolín Arcillas glaciales Arcilla común Arcilla orgánica

Minerales Muscovita Caolinita Illita Montmorilonita

Actividad 0.4 - 0.5 0.5 - 0.75 0.75 - 1.25 > 1.25

Gráfico de plasticidad. Casagrande (1932) estudió la relación que existe entre el índice de plasticidad y el límite líquido para una gran variedad de suelos y construyó el gráfico de plasticidad que se ve en la Figura 1.35, en este observó que las distintas variedades de suelos se agrupan ordenadamente en diversos sectores del gráfico. Empíricamente obtuvo las ecuaciones de las líneas que dividen el gráfico en las regiones donde se agrupan los tipos de suelo. Lí ne aU

70

Índice de plasticidad

60 Arcillas inorgánicas de alta plasticidad

50 40 30

Arcillas inorgánicas de mediana plasticidad

Limos inorgánicos de alta compresibilidad y arcillas orgánicas.

Arcillas inorgánicas de baja plasticidad

Limos inorgánicos de alta compresibilidad y arcillas orgánicas.

20 10 0

A ea n Lí

Limos inorgánicos de baja compresibilidad

20

30

40

50

60

80

100

Límite líquido

Figura 1.35. Gráfico de plasticidad (Casagrande, 1932). La línea A separa las arcillas inorgánicas de los limos inorgánicos, las arcillas inorgánicas se encuentran por encima de esta línea y los limos inorgánicos por debajo de esta. Los limos orgánicos están situados por debajo de esta línea en el intervalo de 30 a 50 del límite líquido, las arcillas orgánicas se ubican por debajo de esta línea con un límite líquido mayor a 50. La ecuación de la línea A es: IP = 0.73 (LL – 20)

[1.55]

49

Fundamentos de mecánica de suelos

La línea U se ubica por encima de la línea A, esta línea es aproximadamente el límite superior de la relación del índice de plasticidad y el límite líquido para cualquier tipo de suelo conocido, aunque rara vez se ubica un suelo por encima de línea U, que tiene la ecuación: IP = 0.9 (LL – 8)

[1.56]

La información que provee el gráfico de plasticidad es de gran valor para clasificar los suelos finos y poder identificarlos con facilidad.

8.2.3. 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, la Figura 1.36 muestra la relación entre el contenido de humedad y el volumen del suelo.

Volumen del suelo

Δw

Consistencia sólida

Consistencia semisólida

LC

Consistencia plástica

LP Contenido de humedad (%)

Consistencia líquida

LL w0

Figura 1.36. Variación del volumen respecto al contenido de humedad. Los cambios de volumen con respecto al contenido de humedad obedecerán la trayectoria que se muestra en la Figura 1.36, 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: LC = w0 – Δw Donde: LC = Límite de contracción del suelo. w0 = Contenido de humedad del suelo en consistencia líquida. Δw = Cambio del contenido de humedad durante la contracción.

[1.57]

Puede determinarse el límite de contracción para suelos que tienen un tamaño de partículas que pasan el tamiz Nro. 40, para lo cual la muestra de suelo debe ser humedecida

50

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

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: w0. 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 1.37a.

Volumen del suelo = Vi Peso del suelo = Mi

Volumen del suelo = VF Peso del suelo = M F

(b)

(a)

Figura 1.37. Determinación del límite de contracción (Das, 1998). (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 completarse el secado del suelo en horno. La Figura 1.37b muestra que como resultado de la pérdida de humedad el suelo quedará reducido en volumen, 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 (VF) será:

VF = Vi −

Md

ρ Hg

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:

Δw =

(Vi − VF ) ⋅ ρ w ⋅100 MF

El límite contracción proporciona indicios de la estructura de las partículas del suelo, puesto que una estructura dispersa suele producir un límite de contracción bajo y una estructura floculante origina un límite de contracción elevado (Whitlow, 1994). Casagrande sugiere que puede hacerse una estimación del límite de contracción con el gráfico de plasticidad. En la Figura 1.38 se muestra que la línea A y U interceptan en un punto de coordenadas: LL = – 43.5 y LP = – 46.5, determinando el índice de plasticidad y el límite líquido del suelo, estos pueden ser ubicados con un punto A en el gráfico de plasticidad, si se une con una línea el punto A con el punto de intersección de las líneas A y U, el punto que intercepte en el eje del límite líquido corresponderá al límite de contracción.

51

Fundamentos de mecánica de suelos

ea U Lí n

Índice de plasticidad

70 60

ne Lí

aA

50 40 30 20

Límite de contracción

A

10 0

20

30

40

50

60

80

100

Límite líquido

LL = -43.5 IP = -46.4

Figura 1.38. Estimación del límite de contracción con el gráfico de plasticidad (Das, 1998).

Ensayo de contracción unitaria. En el caso de suelos que tengan muy poco contenido de partículas compuestas de minerales de arcilla, los ensayos de límite plástico y líquido pueden producir resultados no confiables. En tales casos mediante el ensayo de la contracción lineal es posible obtener una aproximación importante del índice de plasticidad, con la ecuación: IP = 2.13 CL

[1.58]

Donde: CL es la contracción lineal del suelo. El suelo estando en consistencia líquida es vaciado al molde pequeño que se muestra en la Figura 1.39 hasta llenarlo completamente, entonces se deja secar al aire el molde hasta que el suelo se despegue del molde y luego para completar el secado el suelo es secado en horno, de forma similar al ensayo para determinar el límite de contracción

Figura 1.39. Molde para el ensayo de contracción lineal.

52

CAPITULO 1 Propiedades índice del suelo

Se mide la longitud de la muestra seca y se determina la contracción lineal que será:

⎛ L CL = ⎜1 − S ⎝ LI

⎞ ⎟ ⋅100 ⎠

[1.59]

Donde: CL = Contracción lineal del suelo. LS = Longitud después del secado. LI = Longitud inicial.

Índice de contracción (IC). 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:

IC =

Ms VF

[1.60]

Donde: IC = Índice de contracción del suelo. Ms = Peso del suelo seco. VF = Volumen final del suelo luego de ser secado.

8.2.4. 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:

CI =

LL − w LL − I P

[1.61]

Donde: CI = Índice de consistencia del suelo. w = Contenido de humedad actual del suelo. LL = Límite líquido. IP = Índice de plasticidad. En la Tabla 1.16 se muestran valores característicos de los límites de Atterberg para algunos minerales de arcilla comúnmente encontrados en los suelos finos. Tabla 1.16. Valores de los límites de Atterberg para los minerales de arcilla (Mitchell, 1976). 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

53

Fundamentos de mecánica de Suelos

CAPÍTULO DOS

Clasificación de suelos. Debido a la gran variedad de suelos que pueden encontrarse en la corteza terrestre es que se han desarrollado varios sistemas de clasificación para poder identificarlos, elaborados de acuerdo a la aplicación que se les da a los mismos. El clasificar un suelo consiste en agrupar al mismo en grupos y/o subgrupos de suelos que presentan un comportamiento semejante con propiedades ingenieríles similares. En este capítulo se analizaran el sistema de clasificación Unificado USCS y el sistema de clasificación AASHTO, que son los sistemas de clasificación más utilizados por la mayor parte de los ingenieros de todo el mundo. El sistema de clasificación AASHTO está especialmente hecho para la construcción de carreteras, en cambio el sistema de clasificación Unificado USCS, no esta limitado a ninguna clase de proyectos en particular y es usado para toda la gama de obras civiles. Tanto el sistema de clasificación Unificado como el AASHTO consideran como suelo (conjunto de partículas sólidas, con líquido y agua en sus poros) a la parte que pasa por el tamiz de 3” (75 mm.), ya que las partículas más grandes a este diámetro son consideradas como partículas aisladas que ya no forman parte del suelo.

1. Sistema de clasificación unificado (USCS). 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:

1.1. Características del sistema de clasificación unificado (ASTM D-2487) 1.1.1 Clasifica a los suelos en cuatro principales categorías, cada una de estas categorías usa un símbolo que define la naturaleza del suelo: •

•

•

Suelos de grano grueso. 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 de grano fino. 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”.

54

CAPÍTULO 2 Clasificación de suelos •

Turbas. El símbolo Pt se usa para turbas del inglés “peat”, lodos y otros suelos altamente orgánicos.

1.1.2. Presenta las siguientes definiciones, según el tamaño y naturaleza de las partículas del suelo: • • •

Cantos rodados. Partículas de roca que no pasan una malla con abertura cuadrada de 12” (300 mm). Guijarros. Partículas de roca que pasan una malla con abertura cuadrada de 12” (300 mm) y quedan retenidas en un tamiz de 3” (75 mm). Grava. Partículas de roca que pasan el tamiz de 3" (75 mm) y quedan retenidas en el tamiz Nº 4 (4.75 mm), con las siguientes subdivisiones: - Gruesa. Partículas que pasan el tamiz de 3” (75 mm) y quedan retenidas en el tamiz de ¾” (19 mm.). - Fina. Partículas que pasan el tamiz de ¾” (19 mm) y quedan retenidas en el tamiz Nº 4 (4.75 mm).

•

Arena. Partículas de roca que pasan el tamiz Nº 4 (4.75 mm) y son retenidas en el tamiz Nº 200 (0.075mm), con las siguientes subdivisiones: - Gruesa. Partículas que pasan el tamiz Nº 4 (4.75 mm) y son retenidas en el tamiz Nº 10 (2 mm). - Media. Partículas que pasan al tamiz Nº 10 (2 mm.) y son retenidas en el tamiz Nº 40 (0.425 mm). - Fina. Partículas que pasan el tamiz Nº 40 (0.425 mm) y son retenidas en el tamiz Nº 200 (0.075 mm).

•

•

•

•

•

Arcilla. Suelo que pasa por el tamiz Nº 200 (0.075 mm), el cual exhibe plasticidad dentro de un cierto intervalo de humedad, pero que muestra considerable resistencia cuando se seca al aíre. Para su clasificación, una arcilla es un suelo de grano fino, o la porción fina de un determinado suelo, con propiedades plásticas. Limo. Suelo que pasa el tamiz Nº 200 (0.075 mm), de naturaleza no-plástica o ligeramente plástica y que exhibe poca o ninguna resistencia cuando se seca al aíre. Para su clasificación, un limo es un suelo de grano fino o la porción fina de un determinado suelo, con ninguna o muy poca plasticidad. Arcilla Orgánica. Es una arcilla con suficiente contenido de matera orgánica como para influir en las propiedades del suelo. Para su clasificación, una arcilla orgánica es un suelo que es clasificado como arcilla, excepto que el valor de su límite líquido después de secado en el horno es menor que el 75% de este valor antes de ser secado. Limo Orgánico. Es un limo con suficiente contenido de materia orgánica como para influir en las propiedades del suelo. Para su clasificación, un limo orgánico es un suelo que es clasificado como limo, excepto que el valor de su límite líquido después de secado en el horno es menor que el 75% de este valor antes de ser secado. Turba. Es un suelo compuesto principalmente de materia vegetal en diferentes estados de descomposición, usualmente con olor orgánico, color entre marrón oscuro a negro, consistencia esponjosa, y contextura que varía de fibrosa hasta amorfa.

55

Fundamentos de mecánica de Suelos 1.1.3. Para este sistema de clasificación son también usados sufijos que identifican algunas características particulares del suelo: • • • •

W. Bien gradado del inglés “Well graded”. P. Mal gradado del inglés “Poorly graded”. L. Baja plasticidad, límite líquido menor a 50%, del inglés “Low plasticity”. H. Alta plasticidad, límite líquido mayor a 50%, del inglés “High plasticity”.

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. 1.1.4. Un símbolo doble. Corresponde a dos símbolos separados por un guión, e.g. GP-GM, SW-SC, CL-ML, los cuales se usan para indicar que el suelo tiene propiedades de dos grupos. Estos se obtienen cuando el suelo tiene finos entre 5 y 12% o cuando las coordenadas del límite líquido y el índice de plasticidad caen en el área sombreada CL-ML de la carta de plasticidad. La primera parte del doble símbolo indica si la fracción gruesa es pobremente o bien gradada. La segunda parte describe la naturaleza de los finos. Por ejemplo un suelo clasificado como un SP-SM significa que se trata de una arena pobremente gradada con finos limosos entre 5 y 12%. Similarmente un GW-GC es una grava bien gradada con algo de finos arcillosos que caen encima la línea A. 1.1.5. Un símbolo de frontera. Corresponde a dos símbolos separados por el símbolo divisorio (/) y deberá usarse para indicar que el suelo cae muy cerca de la línea de división entre dos símbolos de grupo. En estos casos es aceptable el uso de ambos símbolos en la clasificación, con el símbolo de grupo “correcto” por delante seguido del símbolo de grupo “casi correcto”. Por ejemplo, una combinación de arena – arcilla con ligeramente un poco menos del 50% de arcilla podría ser identificada como SC/CL, de la misma manera pasa con otros tipos de suelos como por ejemplo CL/CH, GM/SM. 1.1.6. La línea “U”. Mostrada en la Figura 2.1 ha sido determinada empíricamente en base a análisis de suelos extremos, para ser el “límite superior” de suelos naturales, por lo que no deberían obtenerse resultados por encima de esta línea. Esta línea es una buena manera de comprobar que los datos no sean erróneos y algunos resultados de ensayos que caigan arriba o a la izquierda deben ser verificados. La ecuación de la línea U es: IP = 0.9·(LL - 8)

[2.1]

1.1.7. En casos donde el límite líquido excede de 110% o el índice de plasticidad excede de 60%, la gráfica de plasticidad puede ser expandida pero manteniendo igual escala en ambos ejes y extendiendo la línea “A” con la misma pendiente, ver Figura 2.1. La ecuación de la línea A es: IP = 0.73·(LL -20)

[2.2]

1.1.8. Este sistema de clasificación solo considera la porción que pasa a través del tamiz de 3” (75 mm) para la realización de los ensayos de clasificación en laboratorio. Las

56

CAPÍTULO 2 Clasificación de suelos partículas mayores a este diámetro deberán ser retiradas de la muestra a ensayar en laboratorio, pero el porcentaje de estas partículas debe ser anotado y colocado en los resultados finales de la clasificación. 1.1.9. El índice de plasticidad y el límite líquido son determinados con material que pasa el tamiz de Nº 40 (0.425 mm). 1.1.10. La línea de división entre el bajo y alto límite líquido es tomada arbitrariamente como 50%, ver Figura 2.1. 1.1.11. Puede ser necesario una extrapolación lineal en la curva de distribución de tamaño de partículas para obtener el diámetro efectivo, D10.

1.2. Procedimiento para la clasificación de suelos. Para clasificar un suelo por el sistema unificado se tiene que proceder de la siguiente manera: 1.2.1. Determinar si el suelo es altamente orgánico (turba), en tal caso es clasificado por inspección visual como Pt (Tabla 2.1). Este tipo de suelo trae muchos problemas a los ingenieros, por su alta compresibilidad y muy baja resistencia al corte, pero es muy fácil de identificar según a sus siguientes características notorias: • • • •

Compuesto principalmente de material orgánico (material fibroso). Color café oscuro, gris oscuro, o color negro. Olor orgánico, especialmente cuando esta húmedo. Consistencia suave.

Para todos los demás suelos se procede de la siguiente manera: 1.2.2. Determinar los ensayos en laboratorio de tamizado, límite líquido e índice de plasticidad. 1.2.3. Del análisis granulométrico se debe determinar el porcentaje que pasa por los tamices de 3” (75 mm), Nº 4 (4.75 mm) y Nº 200 (0.075 mm). 1.2.4. A partir de los porcentajes que pasan por los tamices, se puede hallar el porcentaje retenido en cada tamiz de la siguiente manera: R200 = 100 - F200 R4 = 100 - F4 R3” = 100 - F3” 1.2.5. Si el 100% del total de la muestra pasa por el tamiz de 3” (75 mm), ir al paso 1.2.6 caso contrario calcular el porcentaje de material retenido o con diámetro mayor a este tamiz y al final del ensayo de clasificación anotar junto al resultado el porcentaje de este material retenido (cantos rodados y/o guijarros) incluyendo el tamaño máximo de partícula. 1.2.6. Determinar si el peso retenido en el tamiz Nº 200 (R200) es mayor, menor o igual al 50% del peso total de la muestra seca:

57

Fundamentos de mecánica de Suelos Si: R200 > 50 R200 ≤ 50

Entonces se tiene un suelo de grano grueso, ir al paso 1.2.7. Entonces se tiene un suelo de grano fino, ir al paso 1.2.9.

1.2.7. Si el suelo es de grano grueso, se debe determinar si la relación entre el porcentaje de suelo retenido en el tamiz Nº4 y el tamiz Nº 200 es mayor, menor o igual a 0.5: Si:

R4 > 0.5 R200 R4 ≤ 0.5 R200

El suelo es gravoso. El suelo es arenoso.

1.2.8. A partir de los resultados de laboratorio se determinan todos los valores de los parámetros requeridos en la Tabla 2.1 para poder clasificar el suelo, como por ejemplo el coeficiente de gradación, coeficiente de uniformidad, límite líquido e índice de plasticidad y en el suelo que se ajuste a todos los criterios es el símbolo de grupo correcto. 1.2.9. Si el suelo es de grano fino a partir de los resultados en laboratorio del límite liquido e índice de plasticidad se procede a clasificar el suelo según la Tabla 2.1 y en el suelo que se ajuste a todos los criterios es el símbolo de grupo correcto. La designación ASTM D-2487 además creó un sistema para asignar nombres de grupo a los suelos, esto con el fin de dar una identificación más precisa a los suelos clasificados. Estos nombres de grupo están reunidos en las Tablas 2.3, 2.4, 2.5 y 2.6 y son explicadas a continuación: •

Para suelos gravosos, ir a la Tabla 2.2 para encontrar el nombre de grupo. Donde: SF = fracción de arena = R200 - GF GF = fracción de grava = R4

• • •

Para suelos arenosos, ir a la Tabla 2.3 para encontrar el nombre de grupo. Para suelos finos inorgánicos, ir a la Tabla 2.4 para encontrar el nombre de grupo. Para suelos finos orgánicos, ir a la Tabla 2.5 para encontrar el nombre de grupo.

Una vez ya clasificado el suelo, es decir ya hallado el símbolo y nombre de grupo adecuados, el reporte debe incluir el nombre de grupo, símbolo de grupo y los resultados de los ensayos de laboratorio. En la distribución del tamaño de partículas deben estar los porcentajes de grava, arena y finos. El informe se coloca de la siguiente manera, primero se pone el símbolo de grupo correspondiente al suelo entre de la paréntesis, seguido del nombre de grupo y demás resultados, como por ejemplo para un suelo clasificado con un símbolo de grupo GC, y un nombre de grupo, grava arcillosa con arena, pero con una considerable cantidad de guijarros en la muestra de suelo inicial, se escribirá de la siguiente manera: Suelo (GW) Grava arcillosa con arena y guijarros.

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CAPÍTULO 2 Clasificación de suelos Tabla 2.1. Símbolos de grupo para la clasificación de suelos según el sistema Unificado. División Principal Suelo gravoso R4 > 0.5 R200

Símbolo de Grupo

Criterios Suelo de grano grueso, R200 > 50 F200 < 5, CU ≥ 4 , 1 ≤ CZ ≤ 3 F200 < 5, CU < 4 y/o CZ no entre 1 y 3. F200 > 12, IP < 4 , o Limites de Atterberg debajo de la línea A (Figura 2.1) F200 > 12, IP > 7 , y Limites de Atterberg en o arriba de la línea A (Figura 2.1) F200 > 12, LL < 50 , 4 ≤ IP ≤ 7 y Limites de Atterberg en o arriba de la línea A (Figura 2.1) 5 ≤ F200 ≤ 12 ; cumple los criterios de gradación de criterios de plasticidad de GM. 5 ≤ F200 ≤ 12 ; cumple los criterios de gradación de criterios de plasticidad de GC. 5 ≤ F200 ≤ 12 ; cumple los criterios de gradación de criterios de plasticidad de GM. 5 ≤ F200 ≤ 12 ; cumple los criterios de gradación de criterios de plasticidad de GC.

Suelo arenoso, R4 ≤ 0.5 R200

GW GP GM GC GC-GMa GW y los

GW-GMa

GW y los

GW-GCa

GP y los

GP-GMa

GP y los

GP-GCa

F200 < 5, CU ≥ 6 , 1 ≤ CZ ≤ 3 F200 < 5, CU ≥ 4 y/o CZ no entre 1 y 3. F200 > 12, IP < 4 , o Limites de Atterberg debajo de la línea A (Figura 2.1) F200 > 12, IP > 7 , y Limites de Atterberg en o arriba de la línea A (Figura 2.1) F200 > 12, LL < 50 , 4 ≤ IP ≤ 7 y Limites de Atterberg en o arriba de la línea A. 5 ≤ F200 ≤ 12 ; cumple los criterios de gradación de SW y los criterios de plasticidad de SM. 5 ≤ F200 ≤ 12 ; cumple los criterios de gradación de SW y los criterios de plasticidad de SC. 5 ≤ F200 ≤ 12 ; cumple los criterios de gradación de SP y los criterios de plasticidad de SM. 5 ≤ F200 ≤ 12 ; cumple los criterios de gradación de SP y los criterios de plasticidad de SC. Suelo de grano fino (inorgánico), R200 ≤ 50 IP < 4 , o Limites de Atterberg debajo de la línea A (Figura 2.1) Suelo limoso y IP > 7 , y Limites de Atterberg en o arriba de la línea A (Figura 2.1) arcilloso, LL < 50 4 ≤ IP ≤ 7 y Limites de Atterberg arriba de la línea A (Figura 2.1) Suelo limoso y Limites de Atterberg debajo de la línea A (Figura 2.1) arcilloso, LL ≥ 50 Limites de Atterberg en o arriba de la línea A (Figura 2.1) Suelo de grano fino (orgánico) Limo orgánico y arcilla, LL < 50 Limo orgánico y arcilla, LL ≥ 50 _______________

LL no secado en horno LL secado en horno LL no secado en horno LL secado en horno

SW SP SM SC SC-SMa SW-SMa SW-SCa SP-SMa SP-SCa ML CL CL-MLa MH CH

< 0.75

OL

< 0.75

OH

Turba, loos y otros suelos altamente orgánicos.

Pt

Nota: F200 = Por ciento que pasa por el tamiz Nº 200; R200 = Por ciento retenido en el tamiz Nº 200 (R200 = 100 - F200); R4 = Por ciento retenido en el tamiz Nº 4 (R4 = 100 - F4); CU = Coeficiente de uniformidad (D60 / D10); CZ = Coeficiente de gradación (D302 / D60·D10); LL = Límite líquido; IP = Índice de plasticidad (IP = LL - LP), LP = Límite plástico. a Casos de frontera y de clasificación doble.

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Fundamentos de mecánica de Suelos Tabla 2.2 Nombres de grupo para suelos gravosos. Criterio Símbolo Nombre de grupo de grupo SF (%) GW < 15 Grava bien gradada ≥ 15 Grava bien gradada con arena GP < 15 Grava pobremente gradada ≥ 15 Grava pobremente gradada con arena GM < 15 Grava limosa ≥ 15 Grava limosa con arena GC < 15 Grava arcillosa ≥ 15 Grava arcillosa con arena GC-GM < 15 Grava limo arcillosa ≥ 15 Grava limo arcillosa con arena GW-GM < 15 Grava bien gradada con limo ≥ 15 Grava bien gradada con limo y arena GW-GC < 15 Grava bien gradada con arcilla ≥ 15 Grava bien gradada con arcilla y arena GP-GM < 15 Grava pobremente gradada con limo ≥ 15 Grava pobremente gradada con limo y arena GP-GC < 15 Grava pobremente gradada con arcilla ≥ 15 Grava pobremente gradada con arcilla y arena Nota: Fracción de arena = porcentaje del suelo que pasa el tamiz No. 4 pero es retenido por el tamiz Nº 200 = R200 – R4; fracción de grava = porcentaje de suelo que pasa el tamiz de 3 [in]. Pero es retenido por el tamiz No. 4 = R4.

Tabla 2.3 Nombres de grupo para suelos arenosos. Símbolo Criterio Nombre de grupo de grupo GF (%) SW < 15 Arena bien gradada ≥ 15 Arena bien gradada con grava SP < 15 Arena pobremente gradada ≥ 15 Arena pobremente gradada con grava SM < 15 Arena limosa ≥ 15 Arena limosa con grava SC < 15 Arena arcillosa ≥ 15 Arena arcillosa con grava SM-SC < 15 Arena limosa arcillosa ≥ 15 Arena limosa arcillosa con grava SW-SM < 15 Arena bien gradada con limo ≥ 15 Arena bien gradada con limo y grava SW-SC < 15 Arena bien gradada con arcilla ≥ 15 Arena bien gradada con arcilla y grava SP-SM < 15 Arena pobremente gradada con limo ≥ 15 Arena pobremente gradada con limo y grava SP-SC < 15 Arena pobremente gradada con arcilla ≥ 15 Arena pobremente gradada con arcilla y grava

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CAPÍTULO 2 Clasificación de suelos Tabla 2.4 Nombres de grupo para suelos finos inorgánicos. Símbolo de R200 SF/GF GF SF Nombre de Grupo Grupo CL Arcilla magra 15 a 29 ≥1 Arcilla magra con arena