Modulo de Mecanica 2015-I

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(1)MECÁNICA DE SUELOS. F A CU LT A D DE I N GE NIE R Í A. ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL. MÓDULO MECÁNICA DE SUELOS Presentado por: Escuela de Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería – UCV. Decano de la Facultad de Ingeniería. Mg. Ricardo Delgado Arana. Director de la Escuela de Ingeniería Civil. Mg. Ricardo Delgado Arana. Docente del Curso. Ing. Sheyla Cornejo Rodríguez 2015-I. 1. ING SHEYLA Y. CORNEJO RODRIGUEZ.

(2) MECÁNICA DE SUELOS. DEFINICIÓN DE LOS TÉRMINOS MÁS USUALES  ABSORCION: Agua que es retenida en el suelo o roca, después de 24 h.  ADHESION: Resistencia al corte entre el suelo y otro material cuando la presión que se aplica externamente es cero.  AGREGADO: Un material granular duro de composición mineralógica, usado para ser mezclado en diferentes tamaños.  AGREGADO ANGULAR: Son aquellos que poseen bordes bien definidos formados por la intersección de caras planas rugosas.  AGREGADO BIEN GRADADO: Agregado cuya gradación va desde el tamaño máximo hasta el de un relleno mineral con el objeto de obtener una mezcla bituminosa con un contenido de vacíos controlado y alta estabilidad.  AGREGADO DE GRADACION ABIERTA: Agregado que contiene poco o ningún relleno mineral, y donde los espacios de vacíos en el agregado compactado son relativamente grandes.  AGREGADO DE GRADACION FINA: Agregado cuya gradación es continúa desde tamaños gruesos hasta tamaños finos, y donde predominan estas últimas  AGREGADO DE GRADACION GRUESA: Agregado cuya gradación es continúa desde tamaños gruesos hasta tamaños finos, y donde predominan los tamaños gruesos.  AGREGADO DENSAMENTE GRADADO: Agregado con una distribución de tamaños de partícula tal que cuando es compactado, los vacíos que resultan entre las partículas, expresados como un porcentaje del espacio total ocupado, son relativamente pequeños.  AGREGADO FINO: Agregado que pasa el tamiz (N°4).  AGREGADO GRUESO: Agregado retenido en el tamiz (N°4).  AGUA ABSORBIDA: Agua que es retenida mecánicamente en el suelo o roca.  ALMACENAMIENTO (estabilidad al): Ensayo que sirve para determinar si ha habido un asentamiento en el almacenamiento de un asfalto modificado.  ALUVIAL (aluvional): Suelo que ha sido transportado en suspensión por el agua y luego depositado sedimentándose.  ANALISIS MECANICO: Sirve para determinar la granulometria en un material o la determinación cuantitativa de la distribución de tamaños.. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 2.

(3) MECÁNICA DE SUELOS.  ANGULO DE FRICCION EXTERNA: (ángulo de la fricción con una pared o muro), entre la abscisa y la tangente de la curva que representa la relación de la resistencia al corte entre el esfuerzo normal que actúa entre el suelo y la superficie a otro material. Nota: Se recomienda consultar un texto de Mecánica de Suelos.  ANGULO DE FRICCION INTERNA ó ROZAMIENTO INTERNO (grados): (ángulo de resistencia al corte), es aquel que se produce entre la tensión normal y la tangente de la envoltura del circulo de MOHR, en el punto que representa una condición de falla en un material sólido.  ANGULO DE REPOSO, α (grados): El que se produce entre lo horizontal y el talud máximo que el suelo asume a través de un proceso natural.  ARENA MOVEDIZA (quicksana): Condición según lo cual el agua fluye hacia arriba con velocidad suficientemente como para reducir significativamente la capacidad de soporte del suelo con un decrecimiento de su presión integranular.  ASENTAMIENTO: Efecto de descenso del terreno bajo la cimentación de una edificación ocasionado por las cargas que se transmiten al mismo.  BANCO DE GRAVA: Material que se encuentra en depósitos naturales y usualmente mezclada en mayor ó menor cantidad con material fino, como la arena o la arcilla, resultando en diferentes combinaciones; por ejemplo arcilla gravosa, arena gravosa, grava arcillosa, grava arenosa, etc.  BARRENO: Instrumento en forma de espiral, con un elemento helicoidal.  CAL- Oxido de calcio CaO : Adopta la denominación de cal rápida e hidratada, según su proceso de producción.  CALICATA (Perforación): Que se realiza en un terreno, con la finalidad de permitir la observación de los estratos del suelo a diferentes profundidades y eventualmente obtener muestras generalmente disturbadas.  CANTO RODADO: Partícula de roca redondeada o semi-redondeada que pasa la zaranda de 3” y son retenidas en la malla Nº 4.  CARBURO DE CALCIO: Material utilizado en instrumentos destinados a medir el porcentaje (%) de humedad de suelos, materiales, etc., en forma rápida y muy aproximada.  CBR (California Bearing Ratio): Valor soporte de un suelo o material, que se mide por la penetración de una fuerza dentro de una masa de suelo.  CEMENTACIÓN: Proceso de endurecimiento que ocurre en ciertas arenas.  CHANCADO (Triturado): La porción total sin tamizar que resulta de un triturador de piedra. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 3.

(4) MECÁNICA DE SUELOS.  COHESION: La resistencia al corte de un suelo, a una tensión normal. Fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo  COHESION (aparente): En suelos granulares debido a fuerzas de capilaridad.  COLOIDALES (partículas): Tamaño tan pequeños que ejercen una actividad superficial apreciable sobre las propiedades del agregado.  COMPACTACION: Densificación de un suelo por medio de una manipulación mecánica.  COMPRESION: Acción de comprimir un material aplicando una carga que puede ser axial, existiendo variantes en ensayos como: no confinada, triaxial y entre estos el ensayo consolidado no drenado; el ensayo drenado, el ensayo no consolidado no drenado y que. emplean en análisis de estabilidad en estructuras (fundaciones), cortes, taludes, muros de contención, etc.  COMPRESION NO CONFINADA: Procedimiento para determinar la resistencia al corte de un suelo.  CONSISTENCIA: Relativa facilidad con que el suelo puede fluir y deformarse.  CONSOLIDACION: Reducción gradual en volumen de un suelo, como resultado de un incremento de las tensiones de compresión. Proceso de reducción de volumen de los suelos finos cohesivos (arcillas y limos plásticos), provocado por la actuación de solicitaciones (cargas) sobre su masa y que ocurre en el transcurso de un tiempo generalmente largo. Es la reducción gradual de volumen del suelo por compresión, debido a cargas estáticas. También puede darse por pérdida de aire o agua. Puede haber: Consolidación Inicial (comprensión inicial) Consolidación Primaria. Consolidación Secundaria.  CONSOLIDACION (ensayo): Es una prueba en la cual el espécimen está lateralmente confinado en una arcilla y es comprimido entre dos superficies porosas.  CONTRACCION: Esfuerzo lineal asociado con un decrecimiento en longitud.  CONTRACCION (factores): Parámetros relativos a cambios de volumen de un suelo.  CORTE (directo): Ensayo según el cual un suelo sometido a una carga normal falla al moverse una sección con respecto a otra.  CUARTEO: Procedimiento de reducción del tamaño de una muestra. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 4.

(5) MECÁNICA DE SUELOS.  CURVA DE COMPACTACION (curva de Proctor): que relacione el peso unitario seco (densidad) y el contenido de agua del suelo para un determinado esfuerzo de compactación.  DENSIDAD EN EL SITO (in situ): Procedimiento para determinar el peso unitario de los suelos en el terreno.  ELASTICIDAD: Propiedad del material que hace que retorne a su forma original después que la fuerza aplicada se mueve o cesa.  DENSIDAD RELATIVA: Propiedad índice de estado de los suelos que se emplea normalmente en gravas y arenas, es decir, en suelos que contienen reducida cantidad de partículas menores que 0.074 mm (tamiz # 200). La densidad relativa indica el grado de compactación del material y se emplea tanto en suelos naturales como en rellenos compactados.  EMPUJE ACTIVO Empuje provocado debido a la deformación lateral del suelo, disminuyendo la tensión horizontal hasta un valor mínimo donde se alcance un estado tensional de falla.  EMPUJE PASIVO Empuje provocado debido a la deformación lateral del suelo, aumentando la tensión horizontal hasta un valor máximo donde se alcance un estado tensional de falla.  EMPUJE DE REPOSO: Empuje provocado debido a un confinamiento lateral total de manera que un punto en el suelo se deforme libremente en sentido vertical mientras que lateralmente la deformación es nula.  ESFUERZO EFECTIVO: Esfuerzo transmitido a través de la estructura sólida del suelo por medio de los contactos intergranulares. Se ha definido en forma cuantitativa como la diferencia entre el esfuerzo total y la presión de poro.  ESFUERZO NORMAL Esfuerzo interno o resultante de las tensiones perpendiculares (normales) a la sección transversal de un prisma mecánico.  ESFUERZO ORTOGONAL: Esfuerzo perpendicular o en ángulo recto.  ESFUERZO CORTANTE: Esfuerzo interno o resultante de las tensiones paralelas a la sección transversal de un prisma mecánico como por ejemplo, una viga o un pilar.  EQUIVALENTE DE ARENA: Determinación del contenido de polvo fino nocivo (sucio) en un material ó medidor de la cantidad de limo y arcilla según el ensayo respectivo.. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 5.

(6) MECÁNICA DE SUELOS.  ESTABILIDAD: La habilidad de una mezcla asfáltica de pavimentación de resistir deformación bajo las cargas impuestas. La estabilidad es una función de la cohesión y la fricción interna del material.  EXCENTRICIDAD: Distancia medida a partir del centroide de área de la cimentación al lugar de aplicación de la carga puntual.  FINOS: Porción de suelo más fino que la malla Nº 200.  FLUENCIA PLÁSTICA: Deformación de un material plástico producida por una fatiga superior al límite elástico del material, que le produce un cambio permanente de su forma. También llamada deformación plástica.  GRAVEDAD ESPECIFICA DEL SUELO: Determina el Peso Específico de un suelo con el Picnómetro, siendo la relación entre el peso en el aire de un cierto volumen de sólidas a una temperatura dada.  HORIZONTE (suelo): Una de las capas de un perfil de suelos.  HUMEDAD: Porcentaje de agua en suelo o material  INDICE DE FORMA (agregados): Permite medir las características de forma y textura.  LIMITE LIQUIDO: Contenido de agua del suelo entre el estado plástico y el líquido de un suelo.  LÍMITE PLASTICO: Contenido de agua de un suelo entre el estado plástico y el semisólido  LIQUEFACCION: Proceso de transformación del suelo del estado sólido al estado líquido.  MALLA: La abertura cuadrada de un tamiz.  MATERIA ORGANICA (suelos): Elementos perjudiciales en un suelo o material: turba, raíces, etc.  MUESTRAS DE CAMPO: Materiales obtenido de un yacimiento, de un horizonte de suelo y que se reduce a tamaños, cantidades representativos y más pequeñas según procedimientos establecidos.  MUESTREADORES: Instrumentos que permiten obtener muestras, existiendo: los muestradores de pistón y los de tubo abierto. Los primeros son los mejores.  PENETRÓMETRO Instrumento que sirve para evaluar el estado del terreno.  PERMEABILIDAD: Capacidad de la roca de conducir un líquido o un gas.  PESO ESPECIFICO (productos asfálticos): Sólidos y semisólidos. Relación del peso de un volumen dado de material a 25ºC y el peso de un volumen aquel de agua a la temperatura indicada. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 6.

(7) MECÁNICA DE SUELOS.  PRESIÓN DE PORO Presión del agua que llena los espacios vacíos entre las partículas de suelo. El fluido en los poros es capaz de transmitir esfuerzos normales pero no cortantes por lo que es inefectivo para proporcionar resistencia al corte, por ello se le conoce a veces como presión neutra.  PRESIÓN DE CONFINAMIENTO Presión aplicada por medio del agua en la cámara para ensayo triaxial, con la finalidad de generar el efecto del suelo que rodea la muestra en estado natural.  PREFABRICADO Se dice del elemento o pieza que han sido fabricados en serie, para facilitar el montaje o construcción en el lugar de destino.  PH: Indice de acidez o alcalinidad de un suelo o concentración de ion hidrógeno.  PH (emulsiones): Proceso por medio de diferencia de potencias.  PICNOMETRO: Recipiente de vidrio, forma cilíndrica o cónica.  PIEZOMETRO: Aparato que mide la carga en un punto por debajo de la superficie.  POISE:. Una. unidad. de. centimetro-gramo-segundo. de. viscosidad. absoluta,. correspondiente a la viscosidad de un fluido en donde un esfuerzo de una dina por centímetro cuadrado es requerido para mantener una diferencia de velocidad de un centímetro por segundo entre dos planos paralelos del fluido, orientados en la dirección del flujo y separados por una distancia de un centímetro.  POROSIDAD - RELACION: Entre el volumen de vacíos del agregado dentro de los intersticios de la roca y el volumen total.  PUNZONAMIENTO Esfuerzo producido por tracciones en una pieza debidas a los esfuerzos tangenciales originados por una carga localizada en una superficie pequeña de un elemento bidireccional alrededor de su soporte.  RELACIONES HUMEDAD/DENSIDAD (Proctor): Humedad vs. P.U. de suelos compactados.  RELLENO MINERAL: Un producto mineral finamente dividido en donde más del 70 por ciento pasa el tamiz de 0.075 mm (#200). La caliza pulverizada constituye el relleno mineral fabricado más común. También se usan otros polvos de roca, cal hidratada, cemento Portland, y ciertos depósitos naturales de material fino.  SIFONAMIENTO Movimiento ascendente de las aguas subterráneas a través de drenajes o ascensión capilar. Como consecuencia produce una pérdida de la capacidad portante del suelo.  SOBRECARGA Carga extra aplicada.. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 7.

(8) MECÁNICA DE SUELOS.  SUELO COHESIVO Suelo, que no estando confinado, tiene considerable resistencia cuándo se ha secado al aire, y tiene una cohesión importante cuando está sumergido.  SUELO CONSOLIDADO: Suelo arcilloso que nunca en su historia geológica ha soportado las cargas actuales. Es una arcilla generalmente compresible.  SUELO NO COHESIVO: Suelo que, cuándo está confinado, tiene poca o ninguna resistencia cuándo está secada al aire, y que tiene poca o ninguna cohesión cuando está sumergido.  SUELO PRECONSOLIDADO: Suelo arcilloso que recibe hoy en día cargas menores de las que en su historia geológica ha recibido. Es una arcilla generalmente dura.. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 8.

(9) MECÁNICA DE SUELOS. INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA DEL TERRENO. APLICACION  En su trabajo práctico el Ingeniero Civil ha de enfrentarse con muy diversos e importantes problemas planteados por el terreno.  El suelo (Terreno) le sirve de cimentación para soportar estructuras y terraplenes – Emplea el suelo como material de construcción – Proyectar estructuras para la retención o sostenimientos del terreno en excavaciones y cavidades subterráneas.. DIVERSOS PROBLEMAS DE APLICACIÓN DE LA MECANICA DE SUELO 1.1 CIMENTACIONES: . Edificios, puentes, carreteras, túneles, muros, torres, canales, presas deben cimentarse sobre la superficie de la tierra o dentro de ella, Y ES NECESARIO UNA ADECUADA CIMENTACION.. ZAPATAS – CIMENTACIONES SUPERFICIALES. CIMENTACIONES PROFUNDAS. TERRAPLENES: Empleado en rellenos-mejoramientos. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 9.

(10) MECÁNICA DE SUELOS. 1.2 EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCION  El suelo es el material de construcción más abundante del mundo y en muchas zonas constituye el único material disponible localmente.  Empleado. en. construcción. de. monumentos,. tumbas,. viviendas,. vías. de. comunicaciones y estructuras para retención de agua.  Necesidad del Ingeniero de seleccionar el tipo adecuado de suelo, método de colocación y control en la ejecución de la obra. (Relleno). Terraplén. Pendiente. Estabilización de suelos blandos. Pilar de un puente. Pared reforzada. 1.3 TALUDES Y EXCAVACIONES. PRESA DE TIERRA. TALUD NATURAL Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 10.

(11) MECÁNICA DE SUELOS. EXCAVACIÓN DE SUELOS. CANALES DE IRRIGACION. 1.4 ESTRUCTURAS ENTERRADAS Y DE RETENCION . Tuberías enterradas. . Estructuras de retención y/o sostenimiento. . Ejecución defectuosa. . Carga de construcciones superiores a la proyectada. . Flexión de la tubería por asentamiento de la cimentación o hundimiento.. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 11.

(12) MECÁNICA DE SUELOS. 1.5 PROBLEMAS ESPECIALES DE INGENIERIA DE SUELOS . Vibraciones. . Explosiones/Terremotos. . Almacenamiento de fluido industriales (En depósito de tierra). . Helada (Expansión). . Hundimientos Regionales. . Tipos de problemas geotécnicos: o Asentamientos del terreno o Expansión del terreno o Agrietamientos del terreno y las estructuras o Deslizamientos o Erosión del terreno. 1.6 LOS PROBLEMAS GEOTÉCNICOS PUEDEN INDUCIR:  Pérdida de vidas  Damnificados  Cierre y daños a vías de comunicación  Daños a edificaciones y vehículos  Daños graves a servicios públicos En la mayoría de los casos estos problemas son previsibles y evitables  Si se siguen instrucciones simples  Se recurre a expertos en la materia. 1.7 INDICIOS DE PROBLEMAS GEOTÉCNICOS  Puertas y ventanas que se traban o están descuadradas, o con dificultades para abrir o cerrar.  Grietas nuevas o grietas visiblemente reparadas en la estructura y en obras exteriores.  Desniveles entre pisos y terreno. El terreno ha bajado dejando el piso al aire en algunos sectores.  Depresiones en el terreno. Un jardín en áreas planas o en pendiente, normalmente no debe tener formas onduladas.  Levantamientos del terreno y de aceras. A veces estos levantamientos son debidos a raíces de árboles. Si esto no es evidente, pueden ser por expansión del suelo.  Grietas en el suelo en forma de media luna. Las grietas en el terreno siempre son indicio de algún problema geotécnico. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 12.

(13) MECÁNICA DE SUELOS.  Terreno con topografía original escalonada. Indicio de movimientos antiguos que pueden reactivarse, o de un movimiento actual lento pero continuo.  Escarpas que muestran suelo “fresco” o escarpas viejos cubiertos por vegetación Estas son evidencias claras de deslizamientos.  Muros, cercas, postes, o cualquier otra cosa que no esté aplomada o alineada en su forma natural Estos son indicios de que el terreno se está moviendo, arrastrando o empujando obras enterradas.  Árboles inclinados: son indicadores menos confiables de movimientos, pues tienden a doblarse en búsqueda de la luz solar. Cuando se presentan muy inclinados o inclinados en diferentes direcciones, pueden ser indicio de deslizamientos o reptación superficial.  Taludes verticales o con pendientes abruptas. Los taludes pueden lucir estables, pero la descomposición con el tiempo de los materiales que los constituyen, puede originar su deslizamiento.. 1.8 INTRODUCCION A LA GEOLOGIA El término suelo tiene un significado muy específico para los ingenieros de diversas especialidades: . Para el ingeniero agronomo-agricola el suelo es denominado como capa vegetal, caracterizado por un estrato superficial de suelo altamente meteorizado, rico en humus y capaz de soportar el crecimiento de la vegetación, de espesor frecuente inferior a los 0.50-1.00 mts.. . Desde el punto de vista del Ingeniero Civil representa la roca fragmentada, de todo tipo y representa la corteza terrestre visible, que no supera los 80 mts de profundidad, hasta donde a la fecha han llegado sus cimentaciones.. . Para el geólogo, el suelo lo denomina roca, es todo lo que constituye la corteza terrestre.. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 13.

(14) MECÁNICA DE SUELOS. 1.9 CONSTITUCION DE LA TIERRA:. El análisis de las observaciones sismológicas ha permitido estimase la composición interna de la tierra, sintetizada en: Es importante reconocer que el conocimiento directo de la tierra es mínimo. Se calcula que sólo 8 elementos químicos contribuyen con más del 98% del peso de la corteza terrestre, representando una simplicidad asombrosa: Oxigeno. 46.6%. Silicio. 27.7%. Aluminio. 8.1%. Hierro. 5.0%. Calcio. 3.6%. Sodio. 2.8%. Potasio. 2.6%. Magnesio. 2.1%. Resto pequeños porcentajes de elementos raros: Titanio. Hidrogeno, fósforo y otros La combinación de los elementos químicos forman una inmensidad de minerales, que en el campo de la ingeniería civil son limitados, sintetizados como: *Los cuarzos *Los feldespatos *Las micas *Los carbonatos.. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 14.

(15) MECÁNICA DE SUELOS. Estos a su vez forman nuestros suelos: SÍMBOLO DESCRIPCIÓN. G. Grava. S. Arena. M. Limo. C. Arcilla. LEYENDA. Suelos Gruesos. Suelos Finos. Suelos con % de materiales. O. Limos orgánicos y arcilla. contaminados. Pt. Turba y suelos altamente orgánicos. Colores asociados con los componentes minerales y orgánicos del suelo Color negro: Se asocia a la incorporación de materia orgánica que se descompone en humus que da la coloración negra al suelo, este color por lo general está asociado a la presencia de . Carbonatos de Ca2+ o Mg2+ más materia orgánica altamente descompuesta.. . Otros cationes (Na+, K+) más materia orgánica altamente descompuesta.. Color rojo: Se asocia a procesos de alteración de los materiales parentales bajo condiciones de alta temperatura, baja actividad del agua, rápida incorporación de materia orgánica, alta liberación de Fe de las rocas; En términos generales se asocia con la presencia de Óxidos de Fe3+.. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 15.

(16) MECÁNICA DE SUELOS. Color amarillo a marrón amarillento claro: Por lo general es indicativo. de. meteorización bajo. ambientes. aeróbicos. (oxidación),se asocia con la presencia de . Óxidos hidratados de Fe3+. Color marrón: Este color está muy asociado a estados iniciales a intermedios de alteración del suelo;se asocia con la ocurrencia de . Materia orgánica ácida parcialmente descompuesta.. . Combinaciones de óxidos de Fe más materiales orgánicos.. Color. blanco. o. ausencia. de. color: se. debe. fundamentalmente a la acumulación de ciertos minerales o elementos que tienen coloración blanca, como es el caso de calcita, dolomita y yeso, así como algunos silicatos y sales, se asocia con la presencia de . Óxidos de Al y silicatos (caolinita, gibsita, bauxita).. . Sílice (SiO2).. . Tierras alcalinas (CaCO3, MgCO3). . Yeso (CaSO4. 2H2O).. . Sales altamente solubles (cloruros, nitratos de Na + y K+. Color gris: puede ser indicativo del ambiente anaeróbico. Este ambiente ocurre cuando el suelo se satura con agua, siendo desplazado o agotado el oxígeno del espacio poroso del suelo. Bajo estas condiciones las bacterias anaeróbicas utilizan el Fe férrico (Fe3+). Color verde: en algunos suelos bajo condiciones de mal drenaje se genera este color, estos suelos están constituidos por materiales altamente calcáreos, se asocia con la ocurrencia de . Óxidos Fe2+ (incompletamente oxidados).. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 16.

(17) MECÁNICA DE SUELOS. Color azulado: en zonas costeras, deltaicas o pantanosas donde hay presencia del anión sulfato, y existen condiciones de reducción (saturación con agua y agotamiento del oxígeno), se asocia con la presencia de . Óxidos hidratados de Al (Aloisita).. . Fosfatos ferrosos hidratados (Vivianita).. 1.10 CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS En base al tamaño de los granos que componen una masa de suelo y también sus características físicas, tales como el límite líquido, índice de plasticidad, límite de contracción, etc., se han ideado diferentes sistemas que permiten clasificar los suelos. En los comienzos de la investigación de las propiedades de los suelos se creyó que las propiedades mecánicas dependían directamente de la distribución de las partículas constituyentes según sus tamaños. Solamente en suelos GRUESOS, cuya granulometría puede determinarse por mallas, la distribución por tamaños puede revelar algo de la referente a las propiedades físicas del material. Los sistemas de clasificación de suelos nos permiten clasificar los suelos en grupos determinados con cierta precisión, lo cual puede servir al Ingeniero de dos maneras. a). Dado un suelo, clasificarlo en su grupo correspondiente de acuerdo con el Análisis Mecánico y las constantes físicas que se obtenga en el laboratorio.. b). Conocido el grupo el que pertenece el suelo, predecir su posible comportamiento en el terreno, lo cual permite seleccionar los materiales convenientes para la construcción de caminos, represas de tierra, rellenos, etc.. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS BASADOS EN CRITERIO GRANULOMÉTRICO (Tamaño de los granos) - Básicamente los límites de tamaño de las partículas que constituye un suelo, ofrece un criterio obvio para una clasificación descriptiva del mismo. - En la actualidad con la técnica del cribado (Tamices), es factible contar con una mayor división, lo que permite efectuar el trazo de CURVAS GRANULOMÉTICAS, contando con agrupaciones de las partículas en mayor número diferente. - Las partículas en general, que conforman un suelo, varían en un amplio rango y no hay un criterio uniforme para clasificar las partículas por su tamaño así: Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 17.

(18) MECÁNICA DE SUELOS. Tamaño del Grano. Nombre de la Organización Instituto tecnológico de Massachusetts (MIT). Grava. Arena. > 2mm. 2 a 0.06mm. 76.2 a 2 mm. 2 a 0.075 mm. Limo. Arcilla. 0.06 a 0.002 mm < 0.002 mm. Asociación Americana de Funcionarios del Transporte. 0.075 a 0.002. < 0.002 mm. y Carreteras Estatales (AASHTO) Sistema Unificado de Clasificación de. Suelos. (U.S. Army. Corps. of. Engineers; U.S Bureau of Reclamation; American Society for. Finos 76.2 a 4.75 mm. 4.75 a 0.075 mm. Testing and. (Es decir limos y arcillas < 0.075 mm). Materials. FORMA DE LOS AGREGADOS Según la forma de los agregados:  Prismática. Los agregados tienen forma de prisma, de mayor altura que anchura. Es típico de suelos con mucha arcilla.  Columnar. Semejante a la estructura prismática, pero con la base redondeada. Ésta estructura es típica de suelos envejecidos.  En bloques. Angulares o subangulares. Los agregados tienen forma de bloque, sin predominio de ninguna dimensión.  Laminar. Los agregados tienen forma aplanada, con predominio de la dimensión horizontal. Las raíces y el aire penetran con dificultad.  Granular. Los agregados son esferas imperfectas, con tamaño de 1 a 10 mm de grosor. Es la estructura más ventajosa, al permitir la circulación de agua y aire.. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 18.

(19) MECÁNICA DE SUELOS. TIPOS DE SUELOS A) SUELOS EXPANSIVOS: Son suelos que tienen la propiedad de contraerse o expandirse debido a cambios en su contenido de humedad. Este proceso involucra grandes cambios volumétricos generando esfuerzos considerables. Características de estos suelos: Son arcillas altamente plásticas y con alto contenido de montmorillonita en su composición. ¿Qué factores intervienen en el fenómeno de la expansión? El potencial expansivo de un suelo (presión de hinchamiento y elevación) dependen, como mínimo, de las siguientes variables: a) Naturaleza y tipo de arcilla. La composición mineralógica de la arcilla (porcentajes de illita, caolinita y montmorillonita) que está compuesto la arcilla resulta fundamentales en cuanto al potencial expansivo del suelo. Los suelos expansivos por excelencia son aquellos que tienen altos porcentajes de montmorillonita. b) Humedad inicial Arcilla “secas”, con contenido de humedad por debajo del 15 % indican un riesgo de expansión alto, pues fácilmente puede llegar absorber contenidos de humedad de 35% con los consecuentes daños estructurales. Por el contrario, arcillas cuyo contenido de humedad está por encima del 30 % indica que la mayoría de la expansión ya ha tenido lugar y sólo es esperable algún leve hinchamiento remanente. c) Peso específico seco del suelo La densidad seca de una arcilla se ve reflejada en valores altos en los resultados en el ensayo de penetración estándar. Valores de "N" inferiores a 15 indican densidades secas bajas y riesgo expansivo bajo, aumentando significativamente estos a medida que aumenta el valor de “N”. d) Características plásticas del suelo Las propiedades plásticas del suelo juegan un importante papel en el fenómeno expansivo. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 19.

(20) MECÁNICA DE SUELOS. ¿Cómo actuar frente a un suelo expansivo? Actuar en el sentido de reducir o eliminar la expansión del suelo. Las diferentes formas de acción sobre el suelo se pueden agrupar en: - Inundar el suelo en el sitio de manera que se produzca una expansión antes de la construcción. - Reducir la densidad del suelo mediante un adecuado control de la compactación. - Remplazar el suelo expansivo por uno que no lo sea. - Modificar. las. propiedades. expansivas. del. suelo. mediante. diversos. procedimientos: estabilización mediante cal, cemento, inyecciones, etc. - Aislar el suelo de manera que no sufra modificaciones en su contenido de humedad.. Actuar sobre la estructura y a través de la selección de un diseño de cimentación apropiado. En líneas generales se actúa en el sentido de rigidizar o flexibilizar de tal forma la estructura que sea capaz de absorber o adaptarse a las deformaciones resultantes. En el diseño del cimiento se tiende a una concentración de cargas de manera que la presión trasmitida al suelo sea capaz de controlar la deformación. Alternativa de solución: Pre-humectación del suelo La teoría de pre-humectar el suelo antes de la construcción está basada en el hecho de que si al suelo se le permite que se expanda antes de la construcción y si luego la humedad del suelo es mantenida, no es de esperar cambios volumétricos y por lo tanto no es esperable daños sobre la estructura. Este método de inundación previa puede resultar útil para la cimentación mediante losas, construcción de pavimentos, canales, etc., pero no es adecuado para cimentaciones aisladas (tipo patín). La razón es que el pre-humectar el suelo conlleva a reducir en una forma muy significativa los parámetros resistentes del suelo, lo que lo hace inadecuado para el apoyo de cimientos aislados.. Reducción de la densidad del suelo: Es naturalmente válido cuando la cimentación se debe hacer sobre un material a terraplenar, o en aquellos casos en que se procede a la sustitución del suelo. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 20.

(21) MECÁNICA DE SUELOS. La magnitud del asentamiento en un relleno depende de la densidad alcanzada en la compactación, el contenido de humedad de la compactación, el método de compactación y la carga que se aplique sobre el relleno.. Sustitución del Suelo Expansivo: Una alternativa simple de cimentar una losa o un patín en un material expansivo es remplazar el material expansivo por otro que no lo sea. La experiencia indica que si el suelo natural sobre el que estamos apoyando nuestro cimiento consiste en más de 5 pies (aprox. 1.50 mts) de suelo granular del tipo (SC SP), que a su vez se apoya en un suelo altamente expansivo no existe riesgo de movimiento en la fundación cuando apoyamos la misma sobre este material granular.. B) SUELOS COLAPSABLES: Generalmente son suelos de origen eólico, cuya estructura está ligeramente cementada por sales acarreadas por la brisa marina, con lo cual adquieren una resistencia aparente. Son suelos en estado meta estable, que generalmente se presentan en áreas desérticas. Características de estos suelos: al contacto con el agua sufren cambios bruscos en su volumen por efecto del lavado de sus cementantes (sales), debido al reacomodo de sus partículas. Alternativa de solución: • Generación del Colapso por Saturación • Impermeabilización de suelos. • Evitar la construcción de jardines, diseñando jardineras. • Estabilización del terreno mediante procesos físicos o químicos.. C) SUELOS ORGANICOS Y TURBAS Son suelos que debido a su gran compresibidad y bajo esfuerzo cortarte conduce a serios problemas de inestabilidad y asentamientos. Características de estos suelos: Altos contenidos de humedad. Alta relación de vacíos.. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 21.

(22) MECÁNICA DE SUELOS. Contenido de materia orgánica.. .. D) SUELOS DISPERSIVOS Son aquellos suelos que por la naturaleza de su mineralogía y la química del agua en ellos, son susceptibles a la separación de las partículas individuales y a la posterior erosión a través de grietas en el suelo bajo la infiltración de agua. Son aquellos altamente erosivos a bajos gradientes hidráulicos de flujo. Incluso en algunos casos con el agua en reposo. Estas arcillas erosionan rápidamente en presencia del agua cuando las fuerzas repulsivas que actúan entre las partículas de arcilla exceden a las fuerzas de atracción (Van der Waals) de tal forma que las partículas son progresivamente separadas desde la superficie entrando a una suspensión coloidal. Por esta razón estas arcillas son llamadas arcillas “defloculadas”, “dispersivas” o “erodibles”. Identificación de los suelos dispersivos - La presencia de quebradas profundas y fallas por tubificación en pequeñas presas. - La erosión en grietas de los caminos. - La erosión tipo túnel a lo largo de las quebradas o las arcillas unidas en roca. - La presencia de agua nublada en presas pequeñas y charcos de agua de la lluvia.. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 22.

(23) MECÁNICA DE SUELOS. PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS SUELOS. a) ESTRUCTURA DEL SUELO (FASES/PARTES) ESTRUCTURA DEL SUELO. PARTICULAS FORMADO POR:. AGUA VACIOS AIRE. MODELO DE CASAGRANDE Va= Volumen de la fase gaseosa de la muestra (Volumen de aire). Vw= Volumen de la fase liquida contenida en la muestra (Volumen de agua). Vs= Volumen de la fase sólida de la muestra (Volumen de sólidos). Vm= Volumen total de la muestra del suelo (Volumen de masa). Vv= Volumen de vacíos Wa= Peso total de la fase gaseosa de la muestra Ws = Peso total de la fase sólida de la muestra de suelo (Peso de sólidos). Ww = Peso total de la fase líquida de la muestra (Peso de agua) Wm = Peso total de la muestra de suelo. Vm= Va + Vw + Vs. Wm= Wa + Ww + Ws. Vm= Vv + Vs. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 23.

(24) MECÁNICA DE SUELOS. b) CARACTERISTICAS DE LAS FASES/PARTES DEL SUELO b-1) PARTE SOLIDA: La fase solida puede ser mineral u orgánica; la mineral está compuesta por partículas de distintos tamaños, formas y composición química; la orgánica está compuesta por residuos vegetales en diferentes etapas de descomposición y organismos en estado de vida activa.. b-2) PARTE LIQUIDA Factor importante en el comportamiento de un suelo, es la cantidad de agua o humedad que contiene (varias según el clima de tiempo en tiempo). Se clasifican en: (Base de su comportamiento) ESTADO. HUMEDAD TOTAL. . Secado al horno. Ninguna. Secado al aire. En su interior contiene humedad.. Saturado con superficie seca. Contiene humedad en todo su interior. Con humedad superficial. Contiene también humedad superficial. EL AGUA DE GRAVEDAD: Es el agua que está en masas suficientemente grandes, como para obedecer la acción de la gravedad. . AGUA CAPILAR: Existente en los pequeños vacíos de manera que la tensión superficial del agua se convierte en un factor importante, considerando que predomina sobre la acción de la gravedad. Se mueve a través del suelo, en especial en aquellos de granos finos denominado. “MOVIMIENTO CAPILAR” El agua capilar es la fracción del agua que ocupa los microporos, se mantiene en el suelo gracias a las fuerzas derivadas de la tensión superficial del agua. Esta fracción del agua es utilizable por las plantas, es la reserva hídrica del suelo. La capacidad de algunas sustancias de absorber o ceder humedad al medio ambiente también es sinónimo de higrometría.. . AGUA HIGROSCÓPICA O MOLÉCULA: Es el agua que envuelve y está íntimamente asociada con los granos individuales del suelo (No puede ser evaporado simplemente secándola al aire). Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 24.

(25) MECÁNICA DE SUELOS. La cantidad de agua Higroscópica se supone que es igual a la diferencia de pesos entre el de una muestra secada al aire y el de la muestra secada dentro de un horno a la temperatura de 110°C durante 24 horas. El agua higroscópica o molecular es la fracción del agua absorbida directamente de la humedad del aire. Esta se dispone sobre las partículas del terreno en una capa de 15 a 20 moléculas de espesor y se adhiere a la partícula por adhesión superficial. El poder de succión de las raíces no tiene la fuerza suficiente para extraer esta película de agua del terreno. En otras palabras esta porción del agua en el suelo no es utilizable por las plantas.. b-3) PARTE GASEOSA Constituido por el aire encerrado en los vacíos que no son ocupados por el agua (se supone que este aire está sa-turado con vapor de agua y que su composición es algo diferente del aire exterior) VACIOS  En el suelo cualquiera se llama vació a los espacio libres que existen entre las partículas que están completamente llenos de agua, llenos completamente de aire o ambos a la vez. Esto determina que: . Suelo saturado: Cuando los vacíos están llenos de agua. . Suelo seco. Cuando los vació están completamente lleno de aire. . Suelo con contenido de humedad: Cuando están llenos de aire y agua. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 25.

(26) MECÁNICA DE SUELOS. PROPIEDADES:  El peso específico representa la fuerza con que la Tierra atrae a un volumen unidad de la misma sustancia considerada. El peso específico de una sustancia es el peso de la unidad de volumen. Se obtiene dividiendo un peso conocido de la sustancia entre el volumen que ocupa. Llamando W al peso y V al volumen, el peso específico 𝜸 , vale: 𝜸=. 𝑾 𝑽.  Densidad Se obtiene dividiendo una masa conocida de la sustancia entre el volumen que ocupa. Llamando m a la masa, y v al volumen, la densidad, D, vale: 𝒎 𝑫= 𝑽  Relación entre el peso específico y la densidad. El peso específico y la densidad son evidentemente magnitudes distintas como se ha podido comparar a través de las definiciones que se dieron en la parte de arriba, pero entre ellas hay una íntima relación, que se va a describir a continuación. Se recordará que el peso de un cuerpo es igual a su masa por la aceleración de la gravedad: W= m. g Pues bien, sustituyendo esta expresión en la definición del peso específico y recordando que la densidad es la razón m/V, queda: 𝜸=. W m .g m = = . g = D. g V V V. El peso específico de una sustancia es igual a su densidad por la aceleración de la gravedad.. A) Peso específico de la masa del Suelo ( 𝜸𝒎 ). 𝜸𝒎 =. 𝑾𝒎 𝑽𝒎. (g/cm3, tn/m3, kg/m3). B) Peso específico de la parte solida ( 𝜸𝒔 ) llamado peso volumétrico de los sólidos 𝑾 𝜸𝒔 = 𝑽 𝒔 (g/cm3, tn/m3, kg/m3) 𝒔 C) Peso específico de la parte liquida ( 𝜸𝒘 ) Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 26.

(27) MECÁNICA DE SUELOS. 𝜸𝒘 =. 𝑾𝒘 𝑽𝒘. (g/cm3, tn/m3, kg/m3). 𝜸𝒘 = Peso específico del agua en condiciones reales de trabajo, su valor difiere un poco del ɣo , en la práctica se toma igual que γo. D) Peso específico del agua destilada (𝜸𝟎 ). 𝜸𝒐 = Peso específico del agua destilada, a 4º C. y a la presión atmosférica correspondiente al nivel del mar. γo = 1 g/ cm³ E) Peso Específico Relativo de la Masa del suelo (𝑺𝒎 ). γm 𝑊𝑚 𝑊𝑚 + 𝑊𝑠 𝑺𝒎 = = = γo 𝑉𝑚 γo 𝑉𝑚 γo F) Peso específico relativo de los sólidos (𝑺𝒔 ). 𝑺𝒔 =. γs γo. G) Densidad absoluta: (Da) Es la masa de dicho cuerpo contenido en la unidad de volumen, sin incluir sus vacíos. 𝑫𝒂 =. 𝑾𝑺 𝑽𝑺. H) Densidad aparente: (D´a) Es la masa de dicho cuerpo contenido en la unidad de volumen, incluyendo sus vacíos. 𝑫´𝒂 =. 𝑾𝑺 𝑽𝒎. 𝑫𝒓 =. 𝑫𝒂 𝜸𝒐. I) Densidad relativa: (Dr). J) Contenido de Humedad (ω) El contenido de humedad de un suelo, es el peso del agua que contiene expresado como porcentaje del peso seco de la muestra, puede definirse como la relación del peso de agua presente al total del peso de la muestra secada al horno. En mecánica de Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 27.

(28) MECÁNICA DE SUELOS. suelos el contenido de humedad ω está referido al peso del material seco y se expresa en porcentaje. 𝝎(%) =. 𝜔(%) =. 𝑾𝑾 ∗ 𝟏𝟎𝟎 𝑾𝑺. 𝑃𝐸𝑆𝑂 𝐷𝐸 𝐴𝐺𝑈𝐴 ∗ 100 𝑃𝐸𝑆𝑂 𝐷𝐸 𝑆𝑈𝐸𝐿𝑂 𝑆𝐸𝐶𝐴𝐷𝑂 𝐴𝐿 𝐻𝑂𝑅𝑁𝑂. K) Humedad Relativa: (Grado De Saturación) Proporción de los vacíos llenos de agua al total de vacíos que tiene la masa del suelo 𝑽𝑾 ∗ 𝟏𝟎𝟎 𝑽𝑽 Los suelos se clasifican según su humedad relativa (H.R.): 𝑯. 𝑹(%) =. TIPO. H.R.. SITUACION. SUELO SECO. 0. SECO. LIGERAMENTE HUMEDOS. 0-0.25. HUMEDO. 0.25-0.50. MUY HUMEDO. 0.50-0.75. MOJADO. 0.75-1.00. SATURADO. 1.00. PARCIALMENTE SATURADO. SATURADO. L) Porosidad:  Es la relación que muestra entre los espacios vacíos y el volumen total de la masa del suelo.  Los huecos que dejan entre sí las partículas sólidas del suelo pueden ser: Poros. Huecos que dejan las partículas y los agregados. Tienen contornos irregulares y están conectados entre ellos, lo que favorece la circulación de agua y aire. En el suelo hay varios tamaños de poros y cada uno ejerce una función diferente:. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 28.

(29) MECÁNICA DE SUELOS. Los. poros. grandes. y. medianos.. permiten que el suelo se ventile y que se filtre el agua. Microporos. Son los poros de menor tamaño, capaces de retener agua. Macroporos. Son los poros de mayor tamaño, por los que el agua circula pero no es retenida, conducen el agua a niveles. más. profundos. del. suelo.. Normalmente los macroporos están ocupados por aire, excepto cuando el agua está circulando por ellos. Canales. Huecos comunicantes que se forman por la actividad de la fauna del suelo. Fisuras o grietas. Huecos intercomunicados que se forman como consecuencia de la retracción del suelo.  Denominado como a la relación que hay entre el volumen de vacíos que tiene una masa de suelo y el volumen total que tiene una masa de suelos.  Se expresa en tanto por ciento (%), y está condicionada por la textura y la estructura del suelo.  Los suelos de textura fina tienen mayor porosidad que los de textura gruesa.  Los suelos arcillosos tienen gran número de poros pequeños (microporos), mientras que los arenosos tienen un número escaso de poros grandes (macroporos) comunicados entre sí.. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 29.

(30) MECÁNICA DE SUELOS. La porosidad (n) lo hace con un valor que varía en el tiempo (por cargas, desecamiento, o humectación) 𝒏(%) =. 𝑽𝑽 ∗ 𝟏𝟎𝟎 𝑽𝒎. Vv= Volumen total de vacíos de masa de suelo Vm = Volumen total de la masa de suelo M) Proporción de Vacíos: o relación de vacíos (e) Es la relación que hay entre el volumen total de vacíos y el volumen de la parte solida de una masa de suelo. Proporción de vacíos (e) vincula el volumen de vacíos con una magnitud constante, para un determinado tipo de suelo, en el tiempo. 𝒆=. 𝑽𝑽 𝑽𝑺. 𝒆=. 𝑽𝒂 +𝑽𝒘 𝑽𝑺. Vv= Volumen total de vacíos de masa de suelo Vs = Volumen de solidos En la práctica, 0.25 ≤ e ≤ 15 N) Relaciones de vacíos (e) y porosidad (n) (Considerando Vs=1) 𝑾𝑺 = SS . γO 𝑾𝒘 = 𝜔 . SS . γO 𝑽𝒎 = e + 1 𝒆=. n 1−n. 𝒏=. e 1+e. O) Expresiones referentes a suelos saturados. (Considerando Vs=1). 𝒆=. Vv = Vv Vs. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 30.

(31) MECÁNICA DE SUELOS. 𝑾𝒘 = γo . e 𝒆 = ω. 𝑆𝑠. 𝑺𝒎 =. e + SS e+1. Expresión del peso específico relativo de masa en función del contenido de humedad 𝑆𝑠 (ω + 1) 𝑺𝒎 = 𝑆𝑠 ω + 1 Expresión del peso específico relativo de masa en función de la porosidad 𝜸𝒎 = [SS (1 − n) + n]γo P) Expresiones referentes a suelos parcialmente saturados. (Considerando Vs=1) 𝑾𝒎 = γo. SS [𝜔 + 1]. 𝜸𝒎 = {. [SS (1 + ω)] } γo 𝑒+1. 𝑽𝒘 = 𝜔 . S S. 𝑯𝑹 =. 𝜔(%) . SS 𝑒. Q) Expresiones referentes a suelos totalmente secos. (Considerando Vs=1). Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 31.

(32) MECÁNICA DE SUELOS. Sabemos que el peso específico de la masa es igual al peso específico seco. 𝜸𝒅 =. Ws 𝑉𝑚. Ws + Ww 𝑉𝑚 𝛾𝑠 = 𝑒+1. 𝜸𝒔𝒂𝒕 = 𝜸𝒅. R) densidad relativa de suelos o compacidad relativa El estado de densidad de los suelos arenosos, puede ser expresado numéricamente por la fórmula empírica de TERZAGHI, determinable en laboratorio.. Donde: emax. = Relación de vacíos del suelo en su estado más suelto. emin. = Relación de vacíos del suelo en el estado más compacto. e = Relación de vacíos del suelo en el estado natural. Por otra parte, tenemos según el “Bureau of Reclamation” la fórmula empírica siguiente:. Donde: γd máx. = Peso Específico seco, en su estado más compacto. γd min. = Peso Específico seco del suelo en su estado más suelto. γ d = Peso Específico seco “in situ”.. S) Otras expresiones 𝒆=. Da −1 𝛾𝑠. 𝜸𝒔 = 𝜸𝒔 = 𝑯𝑹 =. 𝑾𝑺 =. Da 1+e γh w. 1 + 100 w. Dr e Wm 1+ω. Donde ω está dado en forma decimal.. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 32.

(33) MECÁNICA DE SUELOS. Ejercicios 1. Se tiene una muestra que pesa 3345g, se coloca al horno y su peso es de 2887g. Si el peso específico de la parte solida es de 1.98g/cm 3, así como el volumen de la muestra es de 1838cm3. Determinar el peso específico de la masa del suelo, humedad, proporción de vacíos y porosidad. 2. Un recipiente tiene 2.4m3 de capacidad y contiene una muestra de suelo seco que pesa 3400 kg, que cantidad de agua en litros debe añadirse para que el suelo este saturado. Considerar el peso específico de los sólidos igual a 2.7Tn/m 3. 3. Una muestra inalterada de arcilla tiene una humedad del 8%, una densidad absoluta de 2.66g/cm3, un peso de solidos igual a100g y un peso específico de 1.9g/cm3 Determinar relación de vacíos y porosidad. 4. Se determina de un suelo los siguientes valores; peso específico húmedo de 1.9g/cm3, un contenido de humedad del 13%, una densidad relativa de 2.7. Se desea calcular, peso volumétrico seco, porosidad, relación de vacíos, y grado de saturación. 5. Una muestra de arcilla saturada pesa 1526g, un volumen de 863cm 3. Después de colocada y secada en el horno su peso pasa a ser de 1053g. Si el peso específico de los sólidos es de 2.7g/cm3.Calcule la proporción de vacíos, porosidad, contenido de humedad, peso específico de la masa, y la densidad aparente. 6. Se desea compactar un suelo que tiene un porcentaje de humedad del 9%, un volumen de 310m3, en estado suelto. Que cantidad de agua se debe agregar para llevarlo a su optimo contenido de humedad del 20%, si el peso específico del material es de 1.35kg/m3. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 33.

(34) MECÁNICA DE SUELOS. LÍMITES DE CONSISTENCIA LÍMITES DE CONSISTENCIA - Debemos definir la consistencia de un suelo a su grado de humedad. Entre ciertos límites de consistencia, un suelo se puede comportar más o menos como un sólido, otro límite puede representar un comportamiento plástico y en caso extremo como un líquido viscoso. - En 1911 estableció los LÍMITES DE ATTERBERG, Albert Mauritz Atterberg observó que la plasticidad no era una propiedad permanente en las arcillas, sino circunstancial y dependiente de su contenido de agua. Cuando mezclamos polvo de arcilla con mucho agua, obtenemos una pasta arcillosa fluida. Con menos agua la pasta fluye pero es más densa. Evaporando el agua, la arcilla pasa gradualmente a una masa pegajosa (se pega a los dedos, madera o metales). Luego desaparece la pegajosidad y la arcilla puede ser fácilmente moldeada sin pegarse a los dedos, este es el denominado estado plástico. Con un desecamiento aún mayor, la masa de suelo puede desmenuzarse, y los pedazos pueden ser unidos nuevamente bajo presión considerable (friable). Finalmente se pierde incluso ésta condición (masa dura y rígida). Ejemplo: ARCILLA 1.. Supongamos primero que el suelo está mezcla con un gran exceso de agua, de modo que esta mezcla se comporte como un líquido viscoso. 2.. Si quitamos gradualmente el agua a esta mezcla, se realiza la contracción del suelo.. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 34.

(35) MECÁNICA DE SUELOS. FORMA DE DETERMINAR LÍMITES DE CONSISTENCIA PLASTICIDAD: Se define a la plasticidad, como la propiedad de un material por la cual es capaz de soportar deformaciones rápidas sin rebote elástico, sin variación volumétrica apreciable y sin demorarse ni agrietarse.. Básicamente a través de diversas pruebas arbitrarias, que la podemos resumir en: 1.. LÍMITE LÍQUIDO: Es el contenido de humedad en el cual el suelo fluirá suficientemente como para cerrar una ranura de ancho determinado hecha en la muestra del suelo cuando un recipiente especificado es golpeado en número fijado de veces. 𝐿𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝐿í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 =. 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 100 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 ℎ𝑜𝑟𝑛𝑜. El resultado del porcentaje de humedad, se dará con aproximación a un número entero. Siguiente rango: 25 a 35 golpes; 20-30 golpes; 15-25 golpes. Para entender el significado del ensayo mediante el dispositivo desarrollado por Casagrande, se puede decir que para golpes secos, la resistencia al corte dinámica de los taludes de la ranura se agota, generándose una estructura de flujo que produce el deslizamiento (ver Fig.). La fuerza resistente a la deformación puede considerarse como la resistencia al corte de un suelo. La resistencia al corte de todos los suelos en el límite líquido es constante y tiene un valor aproximado de 2,2 kPa.. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 35.

(36) MECÁNICA DE SUELOS. 10 mm. 2 mm. LA CURVA DE FLUJO Casagrande observó que el número de golpes necesarios para cerrar la ranura dependía del contenido de agua del suelo y que cuando una serie de resultados de un suelo se representaba en un gráfico donde el eje de la humedad era aritmético y el eje del número de golpes era logarítmico, esos resultados formaban una línea recta. Esa curva fue llamada curva de flujo y permite la obtención del Límite Líquido según el Método A, es decir la humedad para 25 golpes a partir de tres ensayos con sus respectivos pares humedad-golpes, que permitan ajustar una línea recta en el gráfico semilogarítmico.. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 36.

(37) MECÁNICA DE SUELOS. ¿Por qué 25 golpes para el Límite Líquido? Como es sabido, la resistencia a esfuerzo cortante, o cohesión, no es un valor intrínseco del suelo, depende de las tensiones soportadas en el pasado y de la humedad. Al aumentar la humedad disminuye la cohesión, es intuitivo, si se sigue añadiendo agua al final el conjunto deja de ser plástico y pasa a ser líquido. Pues bien, justo en ese punto, cuando la humedad coincide con el Límite Líquido, "casi todos" los suelos presentan la misma cohesión o resistencia a corte: 2,50 KN/m². Por esa razón da 25 golpes en la Copa de Casagrande, porque está diseñada para crear un esfuerzo de 0,1 KN/m² en cada golpe, es decir, que si el suelo rompe a 25 golpes es que está en su Límite Líquido.. LO MALO DEL MÉTODO: No todos los suelos son iguales ni la resistencia a corte es exactamente de 2,50 KN/m², digamos que oscila entre 1,10 y 3,20 KN/m². Se puede decir que “casi todos” los suelos presentan la misma cohesión o resistencia a corte: 2,50 kN/m². Por esa razón da 25 golpes la cuchara (también llamada cazo o copa) de Casagrande, porque está diseñada para crear un esfuerzo de 0,1 kN/m² en cada golpe, es decir, que si el suelo rompe a 25 golpes es que está en su Límite Arthur Casagrande, el mismo que propuso el "invento" en 1932, planteó en 1958, tras 25 años de pruebas, cambiarlo por algún otro ensayo que presentara menos errores, desafortunadamente, por ahora no existe ningún ensayo que remplace al actual". LO BUENO DEL MÉTODO: que confirma algo muy interesante; Si la cohesión de un suelo natural depende de su humedad y del historial de tensiones, como al molerlo y amasarlo para hacer el ensayo se rompe toda su estructura anterior, la cohesión ya sólo tendría que depender de la humedad. Y eso es justamente lo que ocurre, si representamos la cohesión remoldeada frente al índice de fluidez (ese que nos indica en qué posición real nos encontramos respecto de los límites), se observa esa dependencia (que todavía se ajusta mucho mejor si se usa el método del cono, con menor dispersión). La resistencia al corte de una arcilla amasada depende sólo de. su índice de fluidez. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 37.

(38) MECÁNICA DE SUELOS. CARACTERÍSTICAS DEL LÍMITE LÍQUIDO . Elevado LL – Alto contenido de arcilla; Bajo LL – Alto contenido de arena.. . Elevado LL – Baja capacidad portante; Bajo LL – Elevada capacidad portante.. . Suelo típico rico en arcilla --> LL = 40-60%; no obstante puede ser > 100% (más de la mitad de la masa es agua).. . LL y ϕ (tan ϕ) están inversamente relacionadas.. . ϕ= 30° →> LL = 40%.. . ϕ = 6° →> LL = 80%.. . Arcillas duras son aquellas con bajo LL (y elevado IP).. . Arcillas blandas son aquellas con elevado LL (y bajo IP). La relación entre el Límite Líquido y el Índice de Plasticidad ofrece importante información sobre la composición granulométrica, comportamiento, naturaleza y calidad de la arcilla.. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 38.

(39) MECÁNICA DE SUELOS. ECUACIÓN DE LA CURVA DE FLUIDEZ. 𝝎 = −𝑰𝑳 . 𝐥𝐨𝐠 𝑵 + 𝑪 w = Contenido de agua, porcentaje del peso seco. IL = Índice de Fluidez, pendiente de la curva de fluidez, igual a la variación del contenido de agua, correspondiente a un ciclo de la escala logarítmica. N = Número de golpes.. − LP de 1 golpe; se calcula prolongando el C = Constante que representa la ordenada en ω la abscisa I𝐿 =. trazado de la curva de fluidez.. IP. INDICE DE FLUIDEZ El índice de fluidez también conocido como índice líquido, define la consistencia de un suelo.. I𝐿 =. ω(%) − LP IP. CONSISTENCIA DEL SUELO COHESIVO DURA MUY FIRME FIRME MEDIANA BLANDA MUY BLANDA FLUIDA. IL. COMPORTAMIENTO DEL SUELO. Se puede penetrar solo con instrumentos < 0.2 filosos; el suelo forma terrones que ω − LP ofrecen gran dificultad a ser pulverizados. I𝐿 0.2 = a 0.35 Se penetra con gran esfuerzo IP 0.35 a 0.50 Se penetra a manos con dificultad 0.50 a 0.65 Difícilmente moldeable 0.65 a 0.80 Se moldea fácilmente a mano Se escurre entre los dedos cuando se la 0.8 a 1 presiona Suelo saturado. Se comporta como >1 liquido viscoso.. ÍNDICE DE TENACIDAD. T𝑊 =. 𝐼𝑃 𝑆2 = log 𝐼𝐿 𝑆1. S1 = 25 gr./cm3; resistencia al esfuerzo cortante de los suelos plásticos, en el Límite Líquido.. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. I𝐿 =. ω − LP IP. 39.

(40) MECÁNICA DE SUELOS. S2 = Resistencia al esfuerzo cortante correspondiente al límite plástico, cuyo valor puede usarse para medir la tenacidad de una arcilla. El índice de tenacidad varía entre el rango siguiente: 1 < TW < 3 Es rara la vez que alcanza valores de 5 ó menores que 1.. 2.. LÍMITE PLÁSTICO: Es el más bajo contenido de humedad en el cual el suelo puede desarrollar con la mano en hilos de 1/8” de diámetro o 3mm sin que estos hilos se desmorone o se partan. El resultado del porcentaje de humedad, se dará con aproximación a un número entero. 𝐿í𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑃𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜 =. 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 100 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑎𝑑𝑜 𝑎𝑙 ℎ𝑜𝑟𝑛𝑜. Nota Entonces podemos decir: Si se fisura antes de llegar de llegar a los 3mm el suelo está seco. Si al llegar a los 3mm y no se fisura el suelo está muy húmedo.. 3.. LÍMITES DE CONTRACCIÓN: : Es la temperatura a partir de la cual el volumen de la muestra cesa de disminuir cuando su contenido de humedad decrece; es decir al llegar a un cierto contenido, el fenómeno de reatracción cesa y aunque el suelo siga perdiendo agua, su volumen permanece constante; al contenido de humedad en este momento, expresado en porcentaje de suelo seco se llama Límite de Contracción.. METODO DE PUBLIC ROADS ADMINISTRATION V1 = Volumen de la muestra húmeda. V2 = Volumen de la muestra seca. W1 = Peso de la muestra húmeda. WS = Peso de la muestra seca.. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 40.

(41) MECÁNICA DE SUELOS. Ensayo del laboratorio Muestra De Ensayo Tome una muestra aproximada de 30 gr, pasante del tamiz Nº 40, mezcle completamente de acuerdo al procedimiento para el ensayo de límite líquido AASHTO T 89, es decir el suelo debe tener una consistencia que se aproxime a dicho límite. Procedimiento •. Recubra el interior del recipiente de contracción con vaselina o cualquier otra grasa pesada que evite la adherencia del suelo y la cápsula.. •. Registre la masa del recipiente de contracción vacío (Mt).. •. Coloque en el centro del recipiente de contracción una cantidad de suelo húmedo aproximadamente igual al tercio del volumen de éste, golpee el recipiente sobre una superficie firme, recubierta con varias capas de papel secante o material similar, el suelo fluirá hacia los bordes.. •. Agregue una cantidad de suelo aproximadamente igual a la primera porción y golpee el plato hasta que el suelo este compactado y todo el aire atrapado suba a la superficie.. •. Registre la masa del recipiente de contracción más la muestra húmeda (Mw).. •. Deje secar la pastilla de suelo al aire hasta que su color pase de oscuro a claro (aproximadamente de 6 a 8 horas).. •. Seque la muestra al horno hasta alcanzar una masa constante.. •. Si al sacar la muestra del horno, ésta no se encuentra fisurado o quebrada, entonces se deberá registrar la masa del recipiente de contracción más la muestra seca (MD) g.. Realización Del Ensayo •. Determinar el volumen del plato de contracción.. •. Coloque el recipiente de contracción en el. plato de. evaporación, y llene el recipiente de contracción con mercurio. •. Luego cubra el recipiente con la placa de vidrio plana para remover el exceso de mercurio. Para registrar el volumen del recipiente (V), se debe asegurar que al momento de remover el exceso de mercurio, no existan burbujas de aire dentro del. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 41.

(42) MECÁNICA DE SUELOS. recipiente. •. Registre el recipiente de contracción más el mercurio (M) g.. •. Existe dos maneras de determinar el volumen del recipiente contracción, la primera es midiendo el volumen de mercurio que contiene ésta en el recipiente, graduado, y la segunda, pesando el mercurio y utilizando la densidad de éste último.. •. Colocar el recipiente de vidrio en el plato de evaporación y llenarlo con mercurio.. •. Remover el exceso de mercurio del recipiente de vidrio presionando en la parte superior la placa de vidrio de tres puntas. Verifique que no exista aire atrapado en el mercurio.. •. Registrar la masa del mercurio más el recipiente de vidrio (Lleno) g.. •. Coloque la muestra de suelo seco sobre el mercurio.. •. Cuidadosamente sumerja la pastilla de suelo dentro del mercurio con la ayuda de la placa de vidrio de tres puntas presionando firmemente sobre el borde de la copa y cuidando que no se forme burbujas de aire entre la placa y el mercurio.. •. Registre la masa del mercurio sobrante más el recipiente de vidrio (W sobrante) g.. Cálculos Los datos obtenidos después de realizado el ensayo son los siguientes: •. Masa del recipiente contracción vacío, Wt.. •. Masa del recipiente de contracción más el suelo húmedo, Ww.. •. Masa del recipiente con la muestra de suelo seco, WD.. •. Volumen de mercurio que llena el recipiente de contracción, V.. •. Masa del mercurio más recipiente de vidrio, (W) lleno.. •. Masa del mercurio más recipiente de vidrio, (W) sobrante.. Los cálculos son los siguientes: •. Calcule la masa inicial de suelo húmedo.. W  Ww  Wt •. Calcule la masa de suelo seco.. Wo  WD  Wt •. Calcule el contenido de humedad inicial, W, como porcentaje de masa seca..  W  Wo    *100 w    Wo . Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 42.

(43) MECÁNICA DE SUELOS. •. Calcule la masa de mercurio desplazada por la muestra de suelo. Wdesplazado  Wlleno  Wsobrante •. Calcule el volumen desplazado por la muestra de suelo. Vo . Wdesplazado.  Hg. Donde ρHg es la densidad del mercurio, con valor de 13.55 g/cm3 •. Calcule el límite de contracción como contenido de humedad de suelo expresado en porcentaje de masa seca..  V  Vo         *100  S  w   Wo          •. Adicionalmente puede calcularse el índice de contracción.. R. Wo Vo. Este índice da una idea del contenido de volumen respecto al cambio de contenido de humedad.. 4.. ÍNDICE DE PLASTICIDAD Según Atterberg, el Índice de Plasticidad, corresponde a un rango de contenido de humedad en el cual el suelo es plástico y fue el primero en sugerir que éste podía ser útil en la clasificación de suelos. El índice de plasticidad de un suelo es la diferencia numérica entre los valores del límite líquido y el límite plástico de un mismo suelo. Es decir:. IP = LL − LP IP: Índice plástico del material (%), con aproximación a la unidad Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 43.

(44) MECÁNICA DE SUELOS. LL: Límite liquido del material obtenido (%) LP: Límite plástico del material obtenido (%). Nota Cuando el material sea muy arenoso y no pueda determinarse el límite plástico, se reportan el límite plástico y el índice plástico como NP (no plástico). Acorde al valor del índice de plasticidad, distinguió los siguientes materiales:  Suelos friables o desmenuzables. (IP<1).  Suelos débilmente plásticos. (1<IP<7).  Suelos medianamente plásticos. (7<IP<15).  Suelos altamente plásticos. (IP>15). Un índice de plasticidad bajo, ejemplo el 5%, significa que un incremento pequeño en el contenido de humedad del suelo, lo transforma de semisólido a la condición de líquido, es decir resulta muy sensible a los cambios de humedad. Por lo contrario un IP=20%, indica que para que un suelo pase del estado semisólido a líquido, se le debe agregar gran cantidad de agua, en suelos no plásticos no es posible determinar el IP.. Ejercicios PROBLEMA Nº 1.- Una muestra de suelo tiene las siguientes características: LIMITE LIQUIDO: NTP 339.129 ASTM D-4318 Muestra Número de golpes Peso de Cápsula (g) Peso de Cápsula + suelo húmedo (g) Peso de Cápsula + suelo seco (g). 1. 2. 3. 35. 23. 15. 11. 18.05. 11. 38.2. 45. 28.3. 35. 40. 24. Peso de Suelo seco (g) Peso del Agua (g) Humedad (%) Límite Líquido (%) LIMITE PLÁSTICO : NTP 339.129 ASTM D - 4318 Muestra 1 2 Peso de Cápsula (g) Peso de Cápsula + suelo húmedo (g) Peso de Cápsula + suelo seco (g) Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 3. 18.50. 18.00. 18.50. 21.70. 21.90. 21.70. 21.50. 21.60. 21.50 44.

(45) MECÁNICA DE SUELOS. Peso de Suelo seco (g) Peso del Agua (g) Humedad (%) Límite plástico (%). Calcule: LL LP., IP., Il y Tw PROBLEMA Nº 2.- En una prueba de L. L. se obtuvieron los siguientes resultados Nº de golpes W (%). 28. 22. 15. 17. 51.6. 52.2. 53.8. 51.2. Se encontró, L. P. = 25% Calcule: L. L., IP., Il y TW. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. 45.

(46) MECÁNICA DE SUELOS. CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN DE SUELO (SUCS) Suelos divididos en: 1. Suelos de grano grueso 2. Suelos de grano fino 3. Suelos altamente orgánicos. Delimitados por: . Ensayo del análisis granulometría. . Límites de Atterberg. Recomendación: Debe ejecutarse en muestra representativas. Clasificación simbología SÍMBOLO. DESCRIPCIÓN. G. Grava. S. Arena. M. Limo. C. Arcilla. LEYENDA. Suelos Gruesos. Suelos Finos. Suelos con %. O. Limos orgánicos y arcilla. de materiales contaminados. Turba y suelos altamente Pt. H. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. orgánicos Alta plasticidad (Limite liquido. 46.

(47) MECÁNICA DE SUELOS. mayor que 50) Baja plasticidad (Limite liquido L W. Bien graduados. P. Mal graduados. DIVISIONES MAYORES. menor que 50). SÍMBOLO SUCS. DESCRIPCIÓN. GRAFICO. GW. GP. Gravas bien mezclas arena, con poco o nada de material fino, variación en tamaños granulares. Grava mal graduadas, mezcla de arena –grava con poco o nada de material fino.. Suelos granulares. Grava arcillosas, mezclas de grava-arena arcilla GC. gravas con material fino cantidad apreciable de material fino.. Arena bien graduados, arenas con grava, poco o nada SW. de material fino. Arenas limpios poco o nada, amplia variación en tamaño granulares de partículas en tamaño intermedios.. Arena y suelos. Arena mal graduados con grava poco o nada de SP. arenosos. material fino, un tamaño predominante o una serie de tamaños con ausencia de partículas internas.. SM. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. Materiales finos sin plasticidad o con plasticidad muy baja.. 47.

(48) MECÁNICA DE SUELOS. SC. Arenas arcillosas, mezclas de arena-arcillosa.. Limos orgánicos y arenas muy finos, polvo de roca, ML. arenas finos limosos o arcillosas o limos arcillosos con ligera plasticidad.. Limos y arcillas. CL. (LL<50). Suelos finos. OL. MH. Limos y arcillas. CH. Arcillas inorgánicas de plasticidad baja o mediana, arcillas, gravas, arcilla limosa, arcilla magro.. Limo orgánico y arcillas limosas, arcillas magros.. Limos orgánicos y arcillas limosas orgánicas, baja plasticidad.. Arcillas inorgánicas de elevada plasticidad, arcillas grasosas.. (LL>50). OH. Suelos altamente orgánicos. Pt. Ing. SHEYLA CORNEJO RODRIGUEZ. Arcillas orgánicas de mediana o elevada plasticidad, limos orgánicos.. Turba, suelos considerablemente orgánicos.. 48.