Pruebas de Laboratorio - Suelos y Rocas

Universidad Autónoma de Campeche Facultad de Ingeniería Ingeniería Civil y Administración

TRABAJO DE INVESTIGACIÓN – ENSAYOS ENSAY OS P A RA CL ASIF ICAR SUELOS Y ROCAS Y DETERMINAR SU CALIDAD  Alumno: •

 Alejandro Esparza Uribe

ateria: !eotecnia en Edi"icación

#ro"esor: Ing$ %oe Alberto ontalvo Chi

&emestre y !rupo: '( )A*

Ciclo Escolar: +,-. / +,-0 Fase II

&an Francisco de Campeche1 Camp$1 +. de Enero de +,-0

ÍNDICE I$ Introducción22222$$2222222222$22222222$$$$$$$$$$$$$$ 3

II$ Clasi"icación !eot4cnica de &uelos y 5ocas2222222222$222 6

III$ #ruebas de 7aboratorio en &uelos y 5ocas2222222$$$222222 8

I9$

5e"erencias ibliogr;"icas222222222222222 ibliogr;"icas2222222222222222$$$$$$$$$$$ 2$$$$$$$$$$$$$$ $$$ -<

I. INTRODUCCIÓN El siguiente trabajo de investigación tiene como objetivo describir las rinciales ruebas de laboratorio ! ensa!os "ue ermiten clasi#car a los distintos tios de suelos ! rocas de un terreno natural sobre el cual se uede construir alg$n edi#cio o cual"uier tio de obra de Ingenier%a Civil. &ara eme'ar( arece conveniente de#nir lo "ue es un estudio geotécnico. Un estudio de esta %ndole es el conjunto de actividades "ue ermiten obtener la in)ormación geológica ! geot*cnica del terreno( necesaria ara la ejecución de un ro!ecto de construcción. El estudio geot*cnico se reali'a reviamente al ro!ecto de un edi#cio ! tiene como objetivo determinar la naturale'a ! roiedades del terreno( necesarios ara de#nir el tio ! condiciones de cimentación. Todo esto( a su ve'( inclu!e los estudios ! e+erimentos "ue se tengan "ue reali'ar al suelo ! las rocas de las "ue est, comuesto donde estar, asentada dic-a edi#cación. &ara estudiar los di)erentes )actores "ue entran en juego ! ara rever ! evitar situaciones "ue se uedan dar( -a! "ue tener en cuenta una serie de actividades •

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Estudio del er#l geológico de la arcela ! ao!o toogr,#co. De#nición ! reali'ación de cama/a geot*cnica ara la evaluación de terrenos( mediante er)oración de sondeos( ensa!os de enetración din,mica( ensa!os in situ en el interior de sondeos( comlet,ndola con la toma de muestras ara su ensa!o en laboratorio( as% como la utili'ación de t*cnicas geo)%sicas. Caracteri'ación del medio geológico "ue ermita a)rontar con garant%as ! econom%a el tio ! caracter%sticas de la cimentación ! sistemas de contención. Estudio de osibles suelos contaminados( catación de aguas subterr,neas( vertederos( etc. Dise/o ! c,lculo de cimentaciones suer#ciales( ilotes( microilotes( o'os( etc.

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Dise/o de elementos de contención muros ! antallas continuas ! de ilotes Dise/o de tratamientos eseciales in!ecciones de comensación( recargas( estabili'ación de suelo con cal ! cemento( columnas de grava( etc.

0 continuación( se reali'ara una descrición ingenieril acerca de la clasi#cación geot*cnica de los suelos ! las rocas( adem,s de los distintos ensa!os ! ruebas de laboratorio "ue se -acen ara determinar la calidad de las mismas junto con los m*todos de e+loración de los suelos. 1

II.

C203I4IC0CIÓN 5EOT6CNIC0 DE 3UE2O3 7 ROC03

2as caracter%sticas geot*cnicas esenciales de los suelos ! de las rocas siguen una serie de recomendaciones basadas en los trabajos reali'ados or la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas ! la  Sociedad Geológica de Londres( a trav*s de su gruo de trabajo de ingenier%a. 2a clasifcación de los suelos toma en cuenta el criterio granulométrico( los límites de Atterberg  ! e l Sistema Unifcado de Clasifcación de Suelos (SUCS( mientras "ue la clasifcación de las rocas se divide en 1 artes descri!ción del material rocoso( del maci"o rocoso ! n#cleos de roca$ •

Clasi#cación 5eot*cnica de los 3uelos.8

El ar,metro m,s ),cil de medir o determinar las caracter%sticas de un suelo es la 3e denomina clasifcación granulometría. a la granulométrica o granulometr%a( medición ! graduación "ue se lleva a cabo de los granos de una )ormación sedimentaria( de los materiales sedimentarios( as% como de los suelos( con #nes de an,lisis( tanto de su origen como de sus roiedades mec,nicas( ! el c,lculo de la abundancia de los corresondientes a cada uno de los tama/os revistos or una escala granulométrica.

%nsa&o de 'ami"ado$

El m*todo de determinación granulom*trico m,s sencillo es -acer asar las art%culas or una serie de mallas  de distintos anc-os de entramado 9a modo de coladores: "ue act$en como #ltros  de los granos "ue se llama com$nmente columna de tamices$ &ero ara una medición m,s e+acta se utili'a un granulómetro l,ser( cu!o ra!o di)racta en las art%culas ara determinar su tama/o. &ara su reali'ación se utili'a una serie de tamices con di)erentes di,metros "ue son ensamblados en una columna. En la arte suerior( donde se encuentra el tami" de ma!or di,metro( se agrega el material original 9suelo o sedimento me'clado: ! la columna de tamices se somete a vibración ! movimientos rotatorios intensos en una m,"uina esecial. 2uego de algunos minutos( se retiran los tamices ! se desensamblan( tomando or searado los esos de material retenido en cada uno de ellos ! "ue( en su suma( deben corresonder al eso total del material "ue inicialmente se colocó en la columna de tamices.

4ig ;. Columna de tamices sobre la m,"uina de ensa!o.

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3e denomina material bien clasifcado o bien graduado a a"uel en el cual todas las dimensiones de los granos est,n igualmente reresentados( mientras "ue un material mal graduado es a"uel en el cual redominan uno o varios di,metros. E+iste una clasi#cación decimal debida al cient%#co sueco Albert Atterberg( e+resada en la siguiente tabla

Esta clasi#cación es acetable ara suelos gruesos. &ero a artir de "ue un suelo tiene una cierta roorción de material #no 9limo ! arcillas: sus roiedades deenden de la comosición "u%mica ! mineralógica de la arte #na. 2os límites de Atterberg son a"uellos de conocimiento universal relativos a roiedades %ndices de los suelos "ue corresonden a < di)erentes estados ! "ue toman en cuenta el contenido de agua ara asar de un estado a otro estado sólido sin contracción & con contracción= estado !lástico ! estado lí)uido. Estos l%mites son *$ Límite lí)uido (LI corresonde al contenido de agua "ue ermite una searación de las art%culas cuando el suelo asa de un estado l,stico a un estado l%"uido. &ara la determinación de este l%mite se utili'a la cuc+ara de Art+ur Casagrande$

>. Límite !lástico (L! corresonde al contenido de agua su#ciente "ue ermite una cierta libertad de desla'amiento de las art%culas ero demasiado d*bil ara alejarlas. 3e da cuando el suelo asa de un estado semisólido a un estado l,stico. 1. Límite de retracción o contracción (Lc,  Cuando el suelo asa de un estado semisólido a un estado sólido ! se contrae al erder -umedad. En las siguientes tablas( se resume el sistema uni#cado de clasi#cación de suelos 93UC3: ! los criterios de clasi#cación en el laboratorio.

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Clasi#cación 5eot*cnica de las Rocas.8

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2as rocas son agregados naturales 9sistemas -omog*neos: "ue se resentan en nuestro laneta en masas de grandes dimensiones. Est,n )ormadas or uno o m,s minerales o mineraloides. 2os di)erentes tios de rocas se ueden dividir( seg$n su origen( en tres grandes gruos •

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-G.%AS, )ormadas a artir del en)riamiento de rocas )undidas 9magmas:. 2os magmas ueden en)riar de manera r,ida en la suer#cie de la Tierra mediante la actividad volc,nica o cristali'ar lentamente en el interior( originando grandes masas de rocas llamadas lutónicas. Cuando cristali'an en grietas de la corte'a )orman las rocas %gneas #lonianas. M%'AM/R0ICAS, )ormadas a artir de otras rocas "ue( sin llegar a )undirse( -an estado sometidas a grandes resiones ! temeraturas ! se -an trans)ormado. S%1IM%.'ARIAS, )ormadas en 'onas suer#ciales de la corte'a terrestre a artir de materiales "ue se deositan )ormando caas o estratos. 3on detr%ticas si se originan a artir de tro'os de otras rocas. Au%micas ! org,nicas si se )orman a artir de reciitación de comuestos "u%micos o acumulación de restos de seres vivos.

B

III.

&RUE03 DE 20OR0TORIO EN 3UE2O3 7 ROC03 •

&ruebas de 2aboratorio en los 3uelos.8

2as caracter%sticas )%sicas de los suelos ueden medirse or medio de ruebas de laboratorio con muestras e+tra%das de los sondeos o o'os de ensa!o. 2os resultados de los ensa!os de resistencia a ci'alladura ueden usarse ara calcular la m,+ima caacidad de carga de los suelos o la estabilidad de laderas en e+cavaciones de cimentación ! en malecones o terralenes. 0dem,s( los ensa!os del laboratorio roorcionan datos ara calcular la cantidad de agua "ue -abr, de bombearse en las e+cavaciones( ! ermiten clasi#car los suelos ara redecir su comortamiento bajo di)erentes cargas de cimentación. 0dem,s de las ruebas antes descritas como la de los l%mites de 0tterberg ! el ensa!o de tami'ado( los ensa!os de mec,nica de los suelos "ue conciernen al t*cnico en cimentaciones son 2ruebas 3isuales$

2as ruebas visuales llevadas a cabo en el laboratorio son ara areciar color( te+tura ! consistencia de las muestras alteradas o sin alterar( recibidas del lugar investigado. Contenido natural de +umedad$

Comarando los resultados ! relacion,ndoles con los l%mites l%"uido ! l,stico de los corresondientes tios de suelo( es osible organi'ar el rograma de ensa!os de resistencia a ci'alladura ! asegurarse de "ue los ensa!os en los suelos m,s blandos 9determinados or el contenido de -umedad m,s elevado: no sean omitidos. 3i se deciden -acer los ensa!os de resistencia a ci'alladura con todas las muestras inalteradas recibidas( entonces no -a! necesidad de e)ectuar reviamente las determinaciones del contenido de -umedad. 5eneralmente( no tiene objeto -acer ensa!os del contenido de -umedad con muestras alteradas( debido a "ue los resultados ueden no ser reresentativos del estado de los suelos in situ( a causa del rocedimiento de sondeo. %nsa&o de com!resión no confnada$ Es la e+resión m,s sencilla del ensa!o a ci'alladura ! en 5ran reta/a se e)ect$a directamente con muestras de 1.@? cm e+tra%das de muestras del mismo di,metro( o con robetas de 1.@? cm de di,metro e+tra%das de muestras de ma!or di,metro. En suelos "ue contengan tro'os de grava( el ensa!o de comresión no con#nada uede e)ectuarse directamente con robetas de ; cm de di,metro obtenidas de muestras de igual di,metro.

Este tio de ensa!o no uede e)ectuarse en suelos sin co-esión o en arcillas ! limos demasiado blandos ara ermanecer en la ma"uina sin alastarse antes de "ue la carga sea alicada. En caso de suelos )r,giles o agrietados( los resultados son menores "ue la verdadera resistencia in situ  de estos suelos. 

%nsa&o de ci"alladura !or medio de as!a$ Esta rueba es m,s )actible en el terreno "ue en el laboratorio( aun"ue en el laboratorio tiene una alicación $til cuando se -an obtenido muestras inalteradas satis)actorias de limos ! de arcillas mu! blandas. %nsa&o de consolidación$ Este ensa!o roorciona datos "ue se utili'an ara calcular la magnitud ! velocidad de consolidación del suelo bajo los cimientos ! consiste en encerrar la muestra en un anillo met,lico alic,ndole una carga en una sola dirección. El aarato utili'ado se conoce como edómetro. De los resultados se obtiene

el coefciente de consolidación ( C  ¿ "ue ermite calcular la velocidad de asentamiento de toda la estructura. 2os datos de carga8asentamiento obtenidos se usan ara dibujar curvas de la roorción resión8vac%o( a artir de los cuales se establece el coefciente de com!resibilidad de 3olumen v

( m ¿ $ Dic-os resultados se emlean ara calcular la magnitud del asentamiento bajo una carga dada. v

2os ensa!os de

consolidación est,n restringidos a los limos ! arcillas( debido a "ue las teor%as en "ue se basan los c,lculos de asentamiento est,n limitadas a suelos de granos #nos de estos tios. %nsa&o de !ermeabilidad$

2os ensa!os de ermeabilidad ueden reali'arse en el laboratorio con muestras inalteradas de limos ! arcillas( o arenas ! gravas "ue son comactadas en moldes cil%ndricos -asta alcan'ar una densidad igual a la "ue oseen en su estado natural. 2os > tios de ensa!o de ermeabilidad de

uso

m,s

corriente

son

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*$ Carga constante,  el erme,metro de carga constante es utili'ado cada ve' "ue tenemos "ue medir ermeabilidad de los suelos granulares 9suelos con ra'onable cantidad de arena ! grava:( los cuales resentan valores de ermeabilidad elevados. 4$ Carga 3ariable, usado

ara suelos de mediana a baja ermeabilidad( como limos ! arcillas. En el ensa!o de

ermeabilidad de carga variable( se miden los valores de “h”   obtenidos ara diversos valores de tiemo transcurrido desde el inicio del ensa!o. 2os valores de la temeratura son anotados cuando se e)ectivi'a cada medida.

&erme,metro de carga constante

&erme,metro de carga variable

Análisis )uímicos$

2os an,lisis "u%micos del suelo ! del agua )re,tica se utili'an ara #jar la osibilidad de deterioro de estructuras de cimentaciones de +ormigón & acero. En el caso de estructuras de acero( tales como los ilotajes de acero laminado( es su#ciente determinar el  pH 9medida de la acide' o alcalinidad de una disolución: ! el contenido de cloruro de cal del suelo ! del agua del terreno. &ara estructuras de +ormigón( lo $nico "ue se suele calcular es el contenido de sul)atos= aun"ue si se sosec-a de un elevado contenido de materias org,nicas( es aconsejable determinar tambi*n el orcentaje de materia org,nica ! el )actor F.

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&ruebas de 2aboratorio en las Rocas.8

2as roiedades mec,nicas m,s imortantes de las rocas "ue son directamente alicables dentro del dise/o ingenieril son *$ 1e5ormabilidad, cuando sometemos una muestra de roca a una carga( esta tiende a cambiar de )orma( de volumen o las dos cosas simult,neamente. Dic-a de)ormación se roduce cuando un material est, sujeto a un es)uer'o rovocado or )uer'as de suer#cie e+ternas( or )uer'as gravitatorias o or otras causas. 4$ Resistencia, un material rocoso uede ser sometido a 1 clases de es5uer"o de com!resión  9"ue tiende a disminuir el volumen del material:= de tensión 9tiene a crear )racturas en el material: ! cortantes 9"ue tienden a desla'ar unas artes de la roca:. 2a roca uede resentar resistencia a la comresión ! resistencia al es)uer'o cortante= la resistencia a la tensión uede desreciarse. 6$ 2ermeabilidad, roiedad de algunos materiales de ermitir el aso de Guidos a trav*s de ellos sin modi#car su estructura interna.

En la siguiente tabla se -an agruado los rocedimientos ara obtener las roiedades mec,nicas de las rocas tanto en el laboratorio como en el camo.

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Resistencia$ *$ Com!resión sim!le, consiste en alicar a los esec%menes de roca( cargas a+iales sin con#namiento. 2os esec%menes son generalmente cilindros de >.? a @.? cm de di,metro ! una altura igual a dos veces el di,metro.

4$ Com!resión tria7ial, simulan el estado de es)uer'os en "ue se encontraba la roca en el camo. El estado de es)uer'os es )actible de reresentar con los es)uer'os normales rinciales( los cuales son ortogonales entre s%. En los ensa!es tria+iales( los es)uer'os rinciales laterales ermanecen constantes durante la rueba. 6$ 'ensión directa o a7ial, los ensa!es de tensión en esec%menes de roca se derivan de las ruebas desarrolladas ara robar cilindros de concreto. 2a resistencia a la tensión es la roiedad mec,nica de la roca m,s sensible a la dimensión del es*cimen. 8$ 'ensión indirecta o !rueba brasile9a, esta rueba es m,s com$n "ue la de tensión a+ial. Consiste en someter a comresión diametral a un es*cimen cil%ndrico( roduci*ndose as% es)uer'os de tensión ! de comresión. :$ 2rueba !untual, genera es)uer'os a la tensión ero no da valores de resistencia a la tensión. 2a ventaja de esta rueba es "ue no -a! "ue ulir las caras del es*cimen. ;$ 0le7ión, consiste en someter a un es*cimen de roca ao!ado simlemente en sus dos e+tremos( a una cara en el unto medio del claro. Cuando los es)uer'os son m,s altos "ue la resistencia a la tensión de la roca( el es*cimen )alla. 2os valores de la resistencia a la

tensión obtenida de ruebas de Ge+ión son siemre ma!ores "ue los alcan'ados en ruebas de tensión directa. ;<