UNIVERSIDAD ESTATAL DEL SUR DE MANABÍ
FACULTAD DE CIENCIAS TÉCNICAS CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
PROYECTO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL
TEMA
“Identificación de las características físico-mecánicas del suelo, ciudadela Los Ceibos - Jipijapa para cimentación de edificaciones de categoría baja”
AUTOR
Jennifer Ivonne Marcillo Castro
TUTOR
Ing. Denny Cobos Lucio
Jipijapa – Manabí – Ecuador
II
III
DEDICATORIA
IV
AGRADECIMIENTOS
V
INDICE GENERAL
CERTIFICACIÓN DE APROBACIÓN ... ii
DEDICATORIA ... iii
AGRADECIMIENTOS ... iv
RESUMEN ... xii
SUMMARY ... xiii
I. INTRODUCCIÓN ... 1
II. OBJETIVOS ... 2
2.1 Objetivo general ... 2
2.2 Objetivos Específicos ... 2
III MARCO TEÓRICO ... 3
3.1 Origen y formación de la tierra... 3
3.2 Origen de los suelos ... 4
3.2.1 Clases de Suelos: ... 6
3.2.2 Tipos De Suelos ... 10
3.3 Métodos de clasificación e identificación de los suelos. ... 14
3.3.1 Método SUCS ... 15
3.4 Propiedades físicas de los suelos ... 19
3.4.1 Relaciones de peso y volumen en un suelo ... 19
3.4.2 Humedad natural ... 22
4.4.3 Relaciones de volumen: ... 24
3.4.4 Consistencia Y Plasticidad. ... 26
3.4.5 Clasificación y propiedades de las partículas del suelo ... 31
3.5 Características mecánicas ... 41
3.6 Tipos de edificaciones y distribución de sondeos ... 44
3.6.1 Clasificación de las unidades de construcción por categorías ... 44
3.6.2 Número mínimo de sondeos por complejidad del terreno ... 46
3.6.3 Distancias máximas (dmax) entre puntos de reconocimientos ... 47
3.6.4 Caracterización geotécnica del subsuelo ... 48
3.7 Técnicas de reconocimiento ... 54
3.7.1 Métodos directos. ... 54
3.7.2 Métodos indirectos. ... 55
3.7.3 Ensayos de campo ... 55
3.7.4 Métodos permitidos para la exploración de campo ... 55
VI
3.8 Perforaciones con ensayo de penetración estándar (SPT) ... 58
3.8.1 Orígenes del ensayo de SPT ... 58
3.8.2 Método penetración estándar norma D6066-96 ... 61
3.8.3 Aplicabilidad del método SPT ... 63
3.8.4 Procedimiento en campo ... 66
3.8.5 Correcciones que se aplican al N de campo del SPT ... 71
3.8.6 Caracterización del terreno a partir del N del SPT ... 76
3.8.7 Aplicabilidad de los resultados del SPT ... 78
3.9 Licuación del suelo ... 80
3.9.2 Método de Bray y Sancio (2006) ... 81
3.9.5 Zonas sísmicas y curvas de peligro sísmico ... 84
3.9.5.1 Zonificación sísmica y factor de zona Z ... 84
4. MATERIALES Y MÉTODOS ... 85
4.1 Tipos de investigación ... 85
4.2 Población y muestra ... 85
4.2.1 Población ... 85
4.2.2 Muestra ... 87
4.3 Métodos de investigación ... 88
4.4 Técnicas materiales e instrumentos ... 89
4.4.1 Técnica documental. ... 89
4.4.2 Técnica de campo. ... 89
4.4.3 Materiales ... 90
4.5 Trabajo de campo ... 91
5. RESULTADOS ... 94
5.1 Análisis de datos ... 94
5.2 Descripción de resultados ... 114
5.3 Discusión de resultados ... 130
6. CONCLUSIONES ... 134
7. RECOMENDACIONES ... 135
8. BIBLIOGRAFÍA ... 136
VII
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Determinación de las partículas según su tamaño (Morales Erazo 2014) ... 7
Tabla 2.- perfil de Meteorización, Almaguer Carmenates,. (2005) ... 9
Tabla 3.influencia de la forma de transporte sobre las características de los sedimentos (Morales Erazo 2014) ... 10
Tabla 4. Prefijos de clasificación para las gravas y arenas que están entre el 5 y 12% del material pasa a través del tamiz No 200. ... 17
Tabla 5. Clasificación de suelos USCS ... 18
Tabla 6. Clasificación de las partículas del suelo (USDA) ... 32
Tabla 7. Clasificación granulometría... 34
Tabla 8. Denominación de suelos granulares ... 34
Tabla 9. Denominación de suelos finos ... 34
Tabla 10. Relación aproximada entre Su y N (Terzaghi and Peck) ... 43
Tabla 11. Clasificación de las unidades de construcción por categorías (NEC 2015) ... 45
Tabla 12. Descripción por tipo de construcción recogida en el CTE (2016) ... 45
Tabla 13. Número mínimo de sondeos y profundidad por cada unidad de construcción. (NEC-, 2015) ... 46
Tabla 14. Número de sondeos por la complejidad del terreno (Ortiz, 1982) ... 46
Tabla 15. Distancias máximas entre puntos de reconocimiento y profundidades orientativas (CTE) ... 47
Tabla 16. Clasificación de los perfiles de suelo ... 49
Tabla 17. Criterios para clasificar suelos dentro de los perfiles de suelo tipo C, D o E (Nec) ... 53
Tabla 18. Aplicabilidad del SPT ... 64
Tabla 19. Factores de corrección donde se muestra que Er varía de acuerdo con los equipos y su uso en diferentes países. ... 72
Tabla 20. N1, Factor que corrige la energía entregada y la energía teórica de 475J ... 72
Tabla 21. Corrección por longitud de las barras N2 ... 73
Tabla 22. Corrección por la toma de muestra N3 ... 73
Tabla 23. Corrección por el diámetro de penetración N4... 73
Tabla 24. Valores empíricos de Dr ɸ, y peso específico para suelos granulares basados en el SPT, aproximadamente a 6 m de profundidad y normalmente consolidados(Bowles, Joseph E 1988) ... 74
Tabla 25. Estado de densificación de las arenas a partir de N del SPT (Campos Muñoz, 2012) ... 77
Tabla 26. Densidad relativa en arenas ... 79
Tabla 27. Compacidad de los suelos granulares Hunt, (2005). ... 80
Tabla 28. Consistencia de los suelos cohesivos Hunt, (2005). ... 80
Tabla 29. Descripción de los suelos en función de la compacidad relativa Hunt, (2005). ... 80
Tabla 30. Valores de factor Z en función de la zona sísmica adoptada (Nec) ... 84
VIII
Tabla 32. Muestras obtenidas en las 6 perforaciones ... 90
Tabla 33. Criterio de Sondeos (NEC 2015) ... 91
Tabla 34. Número de sondeos por la complejidad del terreno (Ortiz, 1982) ... 91
Tabla 35. Reporte de datos de campo P1... 92
Tabla 36. Reporte de datos de campo P2... 92
Tabla 37. Reporte de datos de campo P3... 93
Tabla 38. Reporte de datos de campo P4... 93
Tabla 39. Reporte de datos de campo P5... 93
Tabla 40. Reporte de datos de campo P6... 93
Tabla 41. Normas utilizadas en laboratorio ... 94
Tabla 42. Ensayos de laboratorio. ... 94
Tabla 43. Relación aproximada entre Su y N ... 96
Tabla 44. Humedad natural perforación 1 ... 98
Tabla 45. Limite líquido perforación 1 ... 98
Tabla 46. Limite plástico perforación 1 ... 101
Tabla 47. Granulometría P1-M1 ... 101
Tabla 48. Granulometría P1-M2 ... 101
Tabla 49. Granulometría P1-M3 ... 102
Tabla 50. Granulometría P1-M4 ... 102
Tabla 51. Granulometría P1-M5 ... 102
Tabla 52. Granulometría P1-M6 ... 102
Tabla 53. Clasificación de los perfiles de suelo ... 108
Tabla 54. Clasificación del tipo de suelo P1 Tabla 55. Clasificación del tipo de suelo P2 ... 110
Tabla 56. Clasificación del tipo de suelo P3 Tabla 57. Clasificación del tipo de suelo P4 ... 110
Tabla 58. Clasificación del tipo de suelo P5 Tabla 59. Clasificación del tipo de suelo P6 ... 110
Tabla 60. Resumen de las características del suelo perforación 1 ... 111
Tabla 61. Resumen de las características del suelo perforación 2 ... 111
Tabla 62. Resumen de las características del suelo perforación 3 ... 112
Tabla 63. Resumen de las características del suelo perforación 4 ... 112
Tabla 64. Resumen de las características del suelo perforación 5 ... 113
Tabla 65. Resumen de las características del suelo perforación 6 ... 113
Tabla 66. Tabla de datos ... 115
Tabla 67. Tabla de datos ... 116
Tabla 68. Tabla de datos ... 117
Tabla 69. Tabla de datos ... 118
Tabla 70. Tabla de datos ... 119
Tabla 71. Tabla de datos ... 120
Tabla 72. Resumen de la capacidad portante del terreno ... 121
Tabla 73. Ángulo de fricción interna de los suelos ... 122
Tabla 74. Resumen de la resistencia al corte Su (KPa) ... 122
IX
Tabla 76. Resumen de Evaluación de susceptibilidad a la licuación perforación 2 ... 129
Tabla 77. Resumen de Evaluación de susceptibilidad a la licuación perforación 3 ... 129
Tabla 78. Resumen de Evaluación de susceptibilidad a la licuación perforación 4 ... 129
Tabla 79. Resumen de Evaluación de susceptibilidad a la licuación perforación 5 ... 129
Tabla 80. Resumen de Evaluación de susceptibilidad a la licuación perforación 6 ... 130
X
ÍNDICE DE GRÁFICOS
Figura 1. Esquema del planeta tierra (Cevallos luna) ... 3
Figura 2. Esquema de una muestra de suelo y el modelo de sus 3 fases (Duque, 2002) 21 Figura 3. Esquema de una muestra de suelo, en tres fases o húmedo, con la indicación de los símbolos usados: ... 22
Figura 4. Modelo de fases para suelo saturado (Duque,2002) ... 24
Figura 5. Compacidad de un conjunto de esferas iguales (Duque,2002) ... 25
Figura 6. Relación en tamaño de partículas de arena, limo y arcilla ( (Tarbuck, 2005) . 32 Figura 7. Forma típica de las partículas (Tarbuck, 2005) ... 35
Figura 8. Triángulo textural (USDA) ... 38
Figura 9. Hoja de colores 10YR de la Tabla de Colores Munsell. Este tono (hue) es uno de los más utilizados en suelos (CIE, 1978) ... 39
Figura 10. Relaciones seleccionadas entre N y Su (Terzaghi and Peck) ... 44
Figura 11. Esquemas Orientativos para el emplazamiento de puntos de reconocimiento (Ortiz, 1982) ... 48
Figura 12. Diagrama para el ensayo de penetración estándar SPT (mexicanos, 1976) .. 65
Figura 13. Tipo de martillos para SPT (Bowles, Joseph E, 1982) ... 66
Figura 14. Muestreador o tubo partido (ASTM D1586 84) ... 67
Figura 15. N de campo cada 15 cm de profundidad (Ortiz, 1982) ... 70
Figura 16. Ángulo de fricción interna (Bowles, Joseph E) ... 74
Figura 17. Capas granulares de igual densidad relativa. ... 75
Figura 18. Criterio de susceptibilidad (Bray y Sancio 2006) ... 82
Figura 19. Ecuador, zonas sísmicas para propósito de diseño y valor del factor de zona Z (Nec) ... 84
Figura 20. Mapa de la ciudad de Jipijapa ... 86
Figura 21. Ubicación de sondeos ... 88
Figura 22. Ángulo de fricción interna ... 96
Figura 23. Criterio de susceptibilidad (Bray y Sancio 2006) ... 97
Figura 24. Curva limite líquido P1-M1 ... 99
Figura 25. Curva limite líquido P1-M2 ... 99
Figura 26. Curva limite líquido P1-M3 ... 99
Figura 27. Curva limite líquido P1-M4 ... 100
Figura 28. Curva limite líquido P1-M5 ... 100
Figura 29. Curva limite líquido P1-M6 ... 100
Figura 30. Curva granulométrica P1-M1 ... 103
Figura 31. Curva granulométrica P1-M2 ... 103
Figura 32 .Curva granulométrica P1-M3 ... 103
Figura 33. Curva granulométrica P1-M4 ... 104
Figura 34. Curva granulométrica P1-M5 ... 104
Figura 35. Curva granulométrica P1-M6 ... 104
Figura 36. Clasificación unificada de los suelos SUSC profundidad 0,50-0,95 ... 105
Figura 37. Clasificación unificada de los suelos SUSC profundidad 1,50-1,95 ... 105
XI
Figura 39. Clasificación unificada de los suelos SUSC profundidad 3,50-3,95 ... 106
Figura 40. Clasificación unificada de los suelos SUSC profundidad 4,50-4,95 ... 106
Figura 41. Clasificación unificada de los suelos SUSC profundidad 5,50-5,95 ... 107
Figura 42. Criterio de susceptibilidad P1-M1 ... 123
Figura 43. Criterio de susceptibilidad P1-M2 ... 124
Figura 44. Criterio de susceptibilidad P1-M3 ... 125
Figura 45. Criterio de susceptibilidad P1-M4 ... 126
Figura 46. Criterio de susceptibilidad ... 127
Figura 47. Criterio de susceptibilidad ... 128
XII
RESUMEN
XIII
SUMMARY
I
. INTRODUCCIÓNEl presente trabajo de investigación consiste en un estudio detallado sobre las propiedades físico-mecánicas, así como las características del suelo de la zona de estudio, ubicada en la ciudadela Los Ceibos de la ciudad de Jipijapa. Realizando pruebas de laboratorio para tener una descripción general del suelo en estudio, así como arrojar información importante para la realización de futuras obras de ingeniería civil, que podrán ser edificada sobre esta área obteniendo también así la susceptibilidad a la licuación.
II. OBJETIVOS
2.1 Objetivo general
Identificar las características físico-mecánicas del suelo de la ciudadela Los Ceibos, que garantice estabilidad en la cimentación de las edificaciones de categoría baja.
2.2 Objetivos Específicos
Estudiar los métodos para caracterizar las propiedades geotécnicas de los suelos mediante normas establecidas, usadas para cimentaciones en edificaciones de categoría baja.
Efectuar los ensayos necesarios para identificar las características geotécnicas del suelo de la ciudadela Los Ceibos.
III MARCO TEÓRICO
3.1 Origen y formación de la tierra
De acuerdo con las teorías geológicas la tierra se formó hace 4500 millones de años aproximadamente, como resultado de la condensación de una masa de gases y residuos cósmicos. El enfriamiento de esta masa dió lugar a la formación dela atmósfera, la hidrósfera y la litósfera. La atmósfera es la capa compuesta de gases que envuelve a la hidrósfera y a la litósfera, siendo los mares lagos y todo tipo de fluido líquido, en su mayoría agua, elementos que forman la hidrósfera, mientras que la litósfera está compuesta por continentes e islas.
Figura 1. Esquema del planeta tierra (Cevallos luna)
En un esquema básico, el globo terrestre está constituido por 4 elementos claramente definidos, primero se encuentra el NIFE o núcleo que está formado principalmente por níquel y hierro, el espesor aproximado de esta capa es de 3.500 km, de acuerdo a las investigaciones realizadas se cree que el nife se encuentra en estado líquido, su densidad es considerablemente superior a la de las capas, más superficiales, mayor a 10 gr/cm³.
principalmente el enfriamiento, la capa más superficial del manto terrestre se solidifica formando así la última capa solida del globo terrestre, llamada corteza terrestre. Esta capa debido a su densidad decreciente hacia la superficie, flota sobre el manto, las densidades de la corteza terrestre varían entre los 2,5 y 3 g/cm³.
El espesor promedio de esta capa es de 30 a 40 km, está constituida por grandes masas heterogéneas de materia sólida, así como de grandes depresiones ocupadas por los mares o los océanos. Finalmente existe una pequeña capa formada por la disgregación y descomposición de la parte más superficial de la corteza dando lugar a lo que conocemos como suelo.
El suelo es el resultado de la acción de los agentes atmosféricos, produciendo la meteorización de la roca superficial, dando lugar a la acumulación de materiales cementados o poco cementados, cuyo espesor varía entre 0 a 1000 m. El suelo del cual trata la mecánica de suelos se encuentra en estado sólido, y tiene una gama muy amplia de densidades, esta varía entre 1 y 2,5 g/cm³. (Cevallos Luna, 2012)
3.2 Origen de los suelos
El suelo constituye la interfase entre las rocas del sustrato continental y la atmósfera, formándose como consecuencia de los fenómenos físicos, físico-químicos y biológicos de intercambio que ahí se producen. El suelo es, por tanto, un concepto evolutivo. Este se forma como consecuencia de un proceso dinámico, que implica un cambio progresivo desde que la roca se pone en contacto con la atmósfera como consecuencia de la erosión, hasta su desarrollo completo.
este motivo que siempre se debe hacer una diferenciación de común acuerdo, antes de realizar algún tipo de trabajo, o iniciar algún estudio. (Cevallos Luna, 2012)
El Suelo representa todo tipo de material terroso, desde un relleno de desperdicio, hasta areniscas parcialmente cementadas o metamórficas y los depósitos sedimentarios altamente cementados, que no se ablanden o desintegran rápidamente por acción de la intemperie. El agua contenida juega un papel tan fundamental en el comportamiento mecánico del suelo, que debe considerarse como parte integral del mismo. (Juarez Eulalio, 2005, pág. 34)
La Sociedad Americana de Ingeniería Civil (ASCE), establece que el suelo es la acumulación de sedimentos y otras acumulaciones de partículas sólidas sin consolidar, provenientes de la desintegración física y química de la roca, las cuales pueden o no contener materia orgánica. (Morales Erazo, 2014)
Las civilizaciones de la antigüedad precursoras de la humanidad tenían grandes construcciones en las que seguramente se vieron envueltos en problemas relacionados con los suelos. Un ejemplo de renombre son las pirámides de Egipto las cuales además de su gran tamaño presentan grandes cimientos, estabilidad en pendientes y recamaras subterráneas. Otro ejemplo es la construcción de puentes, templos monumentales, grandes obras hidráulicas cómo los acueductos, hasta llegar a la edad media donde se construyen un sin número de catedrales, y demás obras históricas, etc.
3.2.1 Clases de Suelos:
La gran variedad de suelos que existen en la naturaleza y las grandes diferencias que estos presentan en su comportamiento frente a las obras de ingeniería, así como la cantidad de propiedades, relevantes o irrelevantes para el ingeniero, hace casi imposible el formular un sistema de clasificación universal para los suelos. Está claro que el objetivo de la clasificación para la mecánica de suelos es el agrupar a los suelos basándose en sus propiedades mecánicas. Sin embargo, es totalmente valioso el conocer y diferenciar al suelo de acuerdo a sus propiedades más accesibles, que no dependan de un estudio profundo, costoso, y detallado, como son el tamaño de partícula, su origen, su estructuración etc.
Una diferenciación es la que se realiza según su origen. Mediante esta condición se puede separar al suelo en dos grandes grupos que son los suelos residuales y los suelos transportados.
Suelos residuales: son aquellos que se forman en un cierto sitio y permanecen en el mismo sitio en el que se encuentra la roca de la cual provienen. Este tipo de suelos son producto de la intemperización química o mecánica, generalmente se generan debido a procesos químicos.
Para lograr su identificación se debe tomar en cuenta dos factores absolutamente importantes como son el perfil de meteorización, que es el detalle de los materiales que se pudieron presentar en la zona y que generaron el suelo, y el conjunto de estructura heredada, que son los defectos heredados como grietas, exfoliaciones, de la roca madre al suelo.
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. Otro tipo de suelo se produce por la acción del hombre si bien es cierto que no es muy reciente y sus características son muy variables, pero es necesario tomarla en cuenta por la facilidad con la que se puede encontrar. Se los conoce como rellenos artificiales, estos suelos pueden tener excelentes características mecánicas si se lo realizó bajo normas.
Una forma de clasificación de los suelos se la realiza basándose en las propiedades físicas visuales como por ejemplo el tamaño del grano, la forma del grano, el color y cierto tipo de propiedades que se pueden investigar mediante ensayos simples de campo
Tabla 1. Determinación de las partículas según su tamaño (Morales Erazo 2014)
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 sí, 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.
Suelos residuales: Los suelos residuales se originan cuando los efectos de la meteorización de las rocas no son transportados como sedimentos, sino que se acumulan in situ.
Entre los factores que influyen sobre la velocidad de alteración en la naturaleza de los productos de meteorización están el intemperismo, el tiempo, la naturaleza de la roca original, la vegetación, el drenaje y la actividad bacteriana. Los suelos residuales suelen ser más abundantes en zonas húmedas, templadas, favorables al ataque químico de las rocas y con suficiente vegetación para evitar que los productos de meteorización sean fácilmente arrastrados.
Tabla 2.- perfil de Meteorización, Almaguer Carmenates, (2005)
Suelos orgánicos:
Los suelos orgánicos provienen de materia orgánica. Se forman mediante la acumulación y la descomposición graduales de materias vegetales y animales
comienzan a acumularse una tras otra sobre el suelo mineral y pueden alcanzar un espesor de varios metros.
Los suelos turbosos, formados aproximadamente por un 80% de materia orgánica parcialmente descompuesta, tienen un contenido de agua muy elevado y son muy permeables.
En lo que respecta a suelos residuales, existen dos conceptos muy importantes estos son, el 1) perfil de meteorización y 2) el conjunto de estructuras heredadas. El primero es la secuencia de materiales con diferentes propiedades que se han formado en el lugar donde se le encuentra y que sobre yace a la roca meteorizada. Las estructuras heredadas consisten en diaclasas, exfoliaciones, juntas, grietas, fallas y otros defectos estructurales que muestra el suelo como herencia de los que tenía la roca original. (Morales Erazo, 2014)
Tabla 3.influencia de la forma de transporte sobre las características de los sedimentos (Morales Erazo 2014)
3.2.2 Tipos De Suelos
La clasificación mediante el tamaño de las partículas, las cuales tienen una gran variación puede ir desde la piedra bola hasta el tamaño de una molécula grande. Los granos de mayor tamaño se los puede examinar de manera visual, por el contrario, los granos de menor tamaño se hacen indispensable el uso del microscopio.
El proceso por medio del cual se puede separar las distintas partes de un suelo se lo conoce como análisis granulométrico. La importancia en la resistencia y en las propiedades de un suelo debido al tamaño de sus granos se aplica principalmente en los suelos de agregado grueso. En el suelo fino las propiedades dependen mucho de su estructura, e historia geológica.
Las gravas son acumulaciones sueltas de fragmentos de rocas, que dado su origen presentan aristas con algún grado de desgaste. Como material suelto, se encuentran en los lechos, en los márgenes y en los deltas de los ríos, también en muchas depresiones de terrenos rellenadas por el acarreo de los ríos y en muchos otros lugares hacia los cuales las gravas han sido transportadas.
En la actualidad este tipo de material es muy importante para la construcción por este motivo existen minas para extraer gravas de todo tipo, tanto en su forma como en su composición.
Las gravas ocupan grandes extensiones, pero casi siempre se encuentran con una mayor o menor proporción de boleos, cantos rodados, arenas, limos y arcillas. (Cevallos Luna, 2012)
Arenas: Son materiales cuyo origen es similar al de las gravas, existiendo en formas como: arena de río, arena de playa, arena volcánica, vidrio volcánico, etc.
menores a los 2 mm y las gravas son mayores a los 2 mm. Este agregado al igual que las gravas tiene un uso indispensable en la construcción, por lo que se puede encontrar minas de este material en todo el mundo.
Limos: Son suelos de grano fino con poca o ninguna plasticidad, pudiendo ser inorgánicos como los producidos en las canteras u orgánicos como los que suelen encontrarse en los ríos con características plásticas. Su color varíadesde gris claro a muy oscuro.
Arcillas: Son materiales químicamente muy activos y mecánicamente muy plásticos al ser mezclados con agua, suelen contraerse y endurecerse fuertemente al secarse, presentando un agrietamiento prismático. Al formar su estructura dentro de un ambiente acuático, pueden llegar a presentar muy altas humedades (hasta 5 o 6 veces más agua que sólidos, en peso), siendo entonces muy blandos y altamente compresibles, contando con muy baja resistencia al esfuerzo cortante. Su estructura posee relaciones de vacíos relativamente grandes y a pesar de ello son materiales muy poco permeables.
Una de sus características es que cuando se someten estos suelos a la acción de esfuerzos compresivos, la deformación correspondiente no se presenta de manera instantánea, como en otros materiales, sino que evolucionará con el tiempo.
Otra característica interesante es que cuando se remoldean pierden toda su cohesión, pero esta resistencia perdida la recuperarán parcialmente con el tiempo; este fenómeno se le conoce con el nombre de “tixotropía”, de naturaleza físico-química.
descomposición química en estos materiales es muy fuerte, a no ser que reciba algún tipo de tratamiento.
Si un suelo está compuesto por dos o más clases distintas de material la denominación que este tendría seria mediante el uso de los nombres de los compuestos siempre en primer lugar el material que sea predominante como sustantivo y el material de menor cuantía, calificará al sustantivo como un adjetivo en el suelo. Así por ejemplo se tiene el nombre de la arena limosa, o limo arcilloso. Las propiedades de los granos más grandes se las describen como suelta, medianamente densa, densa. Mientras que las propiedades de las arcillas la describen como dura, compacta, blanda.
La forma de las partículas es una característica útil en la práctica profesional por su importancia en el comportamiento mecánico, esta propiedad depende mucho del origen del suelo, a los suelos se los puede agrupar dentro de tres grandes grupos, debido a la complejidad de formas que presentan en la naturaleza, equidimensional, laminar y acicular.
Para los suelos gruesos el típico material a encontrar es el equidimensional, esto quiere decir que sus tres dimensiones son relativamente iguales.
Dentro de los suelos gruesos existe otra clasificación debido a su forma, una clasificación bastante subjetiva ya que depende del buen ojo del ingeniero, estos suelos pueden ser clasificados como angulosos, sub angulosos, sub redondeados y redondeados.
Está claro que las partículas cuya superficie sea bastante rugosa se la conoce como angulosas y las partículas lisas, en forma de esfera se la conocen como redondeadas.
Para determinar la forma de las partículas finas es necesario el uso de aparatos electrónicos como los rayos X para partículas muy pequeñas. Existen suelos que presentan una forma acicular como un hilo, pero son muy raros en la naturaleza. Dependiendo del tipo de suelo que se tenga sus características mecánicas varían, por ejemplo, una partícula tipo angulosa es resistente a cargas estáticas mientras que una partícula laminar tiene un mejor funcionamiento en esfuerzos vibratorios. (Cevallos Luna, 2012)
De acuerdo a las propiedades físicas y mecánicas que poseen los suelos, éstos pueden clasificarse también en: suelos cohesivos y suelos no cohesivos (friccionantes).
Suelos cohesivos:
Contienen partículas de arcilla y/o limo que transmiten cohesión y plasticidad. Generalmente las partículas de estos suelos poseen forma laminar o de placas.
Suelos no cohesivos o friccionantes:
Son suelos constituidos por partículas redondas, no laminares y sin plasticidad como gravas y arena, tomándose las partículas individualmente.
3.3 Métodos de clasificación e identificación de los suelos.
La mayoría de las clasificaciones de suelos utilizan ensayos muy sencillos, para obtener las características del suelo necesarias para poderlo asignar a un determinado grupo. Las propiedades ingenieriles básicas que suelen emplear las distintas clasificaciones son la distribución granulométrica, los Límites de Atterberg, el contenido de materia orgánica.
El método que utilizaremos en el estudio es el método SUCS (Unified Soil Classification System).
3.3.1 Método SUCS
Los elementos esenciales para realizar esta clasificación fueron propuestos por Arthur Casagrande que ideo una clasificación de los suelos para carreteras y aeropuertos; la que posteriormente la adoptaron el cuerpo de ingenieros de los estados unidos los cuales la modificaron y condujo al sistema unificado de clasificación de los suelos.
Actualmente este sistema se utiliza con modificaciones mínimas en la mayoría de países fuera de los Estados Unidos.
Según este sistema, los suelos se dividen en tres grupos principales: •Grano grueso
•Grano fino
•Altamente orgánico (suelo turbas)
Los suelos altamente orgánicos se reconocen fácilmente por las características anotadas (agregados fibrosos de fragmentos macroscópicos y microscópicos de materia orgánica descompuesta).
Para separar los suelos de granos gruesos de los de granos finos se adopta el tamiz 200 (0.0074mm).
Si se califica que más del 50% en peso del suelo consiste en granos que pueden distinguirse separadamente, aquel se considera de grano grueso y si se califica que menos del 50% en peso del suelo consiste en granos que no se pueden distinguir separadamente aquel se considera grano fino.
Sobre la curva granulométrica se han definido dos coeficientes de determinan la gradación de un suelo. Por gradación se entiende la proporción en que entran los distintos tamaños de granos presentes en el suelo dado.
Según Das para clasificar apropiadamente un suelo utilizando este sistema, deben conocerse el porcentaje de grava, el porcentaje de arena, el porcentaje de limo y arcilla, los coeficientes de uniformidad y curvatura y el límite líquido e índice de plasticidad. Los primeros cinco datos se obtienen a partir de un análisis granulométrico.
El método SUCS presenta diversa nomenclatura; para suelos granulares, las siglas son G (grava), S (arena), W (bien graduada) y P (mal graduada). Para suelos finos la
nomenclatura es M (limo), C (arcilla), H (alta compresibilidad) y L (baja compresibilidad). Y para los suelos orgánicos la sigla es Pt (turba) (Quesada)
3.3.1.1 Consideraciones
Gravas o arenas se designan así:
GW, GP, SW o SP
Si menos del 5%del material pasa a través del tamiz No 200; G= grava, S=arena W=bien gradada P= pobremente gradada.
La designación de bien o mal gradada depende de los coeficientes de uniformidad y de curvatura hallados con la curva granulométrica.
GM, GC, SM o SC
Esta designación se da si más del 12% del material pasa a través del tamiz No 200; M=limo C=arcilla.
Esta nominación limo o arcilla se determina después de obtener los valores de los límites líquido y plástico de la fracción menor al tamiz No 40, y utilizando los criterios de la carta de plasticidad.
Tabla 4. Prefijos de clasificación para las gravas y arenas que están entre el 5 y 12% del material pasa a través del tamiz No 200.
GW-GC SW-SC GP-GC SP-SC
GW-GM SW-SM GP-GM SP-SM
Los suelos de grano fino (más del 50% pasa el tamiz No 200) son:
ML, OL ó CH
Esta designación se coloca si los límites líquidos son menores que 50%; M=limo; O=suelos orgánicos; C= arcilla.
Los suelos de grano fino pueden ser de alta plasticidad(H) o de baja plasticidad(L):
La designación de alta plasticidad (H) se coloca si los límites líquidos son superiores a 50%;
Figura. Grafica de plasticidad del USCS (ASCE) 3.4 Propiedades físicas de los suelos
Uno de los principales propósitos de las investigaciones en la mecánica de suelos es el clasificar a los suelos para poder obtener mayor información de las experiencias ajenas, detallando el problema y el tipo de suelo que se encuentra en la zona del proyecto. Para una buena descripción del suelo, es necesaria una buena clasificación, por este motivo hay que considerar al suelo como un conjunto y a sus partículas como una unidad del todo. Las principales propiedades del grano en los suelos son la forma y tamaño, mientras que la principal característica de los suelos, son la densidad relativa en suelos no cohesivos y la consistencia en suelos cohesivos. (Cevallos Luna, 2012)
A continuación, se describen las propiedades físicas más importantes del suelo.
3.4.1 Relaciones de peso y volumen en un suelo
Las fases líquida y gaseosa del suelo suelen comprenderse en el volumen de vacíos (Vv), mientras que la fase sólida constituye el volumen de sólidos (Vs).
Se dice que un suelo es totalmente saturado cuando todos sus vacíos están ocupados por agua. Un suelo en tal circunstancia consta, como caso particular de solo dos fases, la sólida y la líquida.
Es importante considerar las características morfológicas de un conjunto de partículas sólidas, en un medio fluido.
Eso es el suelo. Las relaciones entre las diferentes fases constitutivas del suelo (fases sólida, líquida y gaseosa), permiten avanzar sobre el análisis de la distribución de las partículas por tamaños y sobre el grado de plasticidad del conjunto.
En los laboratorios de mecánica de suelos puede determinarse fácilmente el peso de las muestras húmedas, el peso de las muestras secadas al horno y la gravedad específica de las partículas que conforman el suelo, entre otras.
Las relaciones entre las fases del suelo tienen una amplia aplicación en la Mecánica de Suelos para el cálculo de esfuerzos.
La relación entre las fases, la granulometría y los límites de Atterberg se utilizan para clasificar el suelo y estimar su comportamiento.
El agua adherida a la superficie de las partículas, entra en la fase sólida. En la líquida, sólo el agua libre que podemos sacar a 105 °C cuando, después de 24 o 18 horas, el peso del suelo no baja más y permanece constante. (Duque, 2002)
Figura 2. Esquema de una muestra de suelo y el modelo de sus 3 fases (Duque, 2002)
3.4.1.2 Fases, volúmenes pesos
En el modelo de fases, se separan volúmenes V y pesos W así: Volumen total VT, volumen de
vacíos VV (espacio no ocupado por sólidos), volumen de sólidos VS, volumen de aire VAy volumen
de agua VW. Luego
= +
= +
En pesos (que es diferente a masas), el del aire se desprecia, por lo que WA= 0. El peso total
del espécimen o muestra WT es igual a la suma del peso de los sólidos WS más el peso del agua
WW; esto es
Figura 3. Esquema de una muestra de suelo, en tres fases o húmedo, con la indicación de los símbolos usados: En los costados, V volumen y W peso. Las letras subíndice y del centro, son, W agua y S sólidos. (Duque, 2002)
3.4.2 Humedad natural
(Método de secado al horno): Se cumple con los procedimientos de la norma INEN 690, ASTM D 2216, este método permite determinar en laboratorio el contenido de humedad de los suelos como un porcentaje de su masa seca, mediante el secado al horno.
Este método consiste en introducir una muestra de masa normalizada en estado natural y es secada en horno hasta eliminar la humedad tanto superficial como aquella ubicada entre los poros del árido. La cantidad de agua evaporada expresada en porcentaje respecto dela masa seca es la humedad de árido.
Equipos
Balanza. Una balanza precisa, legible y con sensibilidad de 0,1% de la carga de ensayo en cualquier punto dentro del rango de uso. Dentro de un intervalo igual al 10% de la capacidad de la balanza que se utiliza para determinar la masa, la indicación de carga debe tener una precisión de 0,1% de la diferencia entre las masas.
Recipiente para la muestra. Un recipiente de material que no le afecte el calor, de volumen suficiente para contener la muestra sin peligro de derrame y con una forma tal que la profundidad de la muestra no exceda en un quinto la dimensión lateral menor.
Agitador. Una cuchara o espátula de metal de tamaño conveniente.
Es importante resaltar que cuando se somete un suelo a un horno, se supone que todo el suelo, en su parte sólida se mantendrá así, y que no se evaporará, como suele suceder con algunos asfaltos, que al calor se convierten en gas, mermando el peso de la parte sólida. También se supone que no hay materia orgánica que se afecte con el calor del horno. (García Trejo, 2006)
El contenido de humedad es la cantidad de agua que puede contener un suelo, en este caso las arcillas, todo suelo tiene una humedad que depende en gran parte del factor climático y la capacidad de absorción del suelo.
El resultado será la diferencia de los pesos tomados antes de meter las muestras al horno y de los pesos cuando se retiren las muestras. (ALCIVAR CEDEÑO, 2015)
3.4.2.1 Contenido de humedad ω
El contenido de humedad (w) de un suelo se conoce como la relación que existe entre el peso de agua contenida y el peso cuando esta está en su fase sólida.
Es la relación, en %, del peso del agua del espécimen, al peso de los sólidos.
= ∗ = ∗
Dónde:
Ws: peso de la muestra seca
Para tal efecto debemos señalar que existen varias formas de agua en el suelo, y unas requieren más temperatura y tiempo de secado que otras para ser eliminadas. En consecuencia, el concepto “suelo seco” también es arbitrario, como lo es el agua que pesemos en el suelo de muestra.
Suelo seco es el que se ha secado en estufa, a temperatura de 105°C –110°C, hasta peso constante durante 24 ó 18 horas (con urgencia). (Duque, 2002)
Figura 4. Modelo de fases para suelo saturado (Duque,2002)
Donde:
Ww es el peso de agua contenida en la muestra suelo, Ws es el peso de la fase sólida de la muestra de suelo y WT el peso total de la muestra de suelo.
El contenido de humedad es parámetro muy utilizado establecer una relación entre el comportamiento del suelo y sus propiedades, como la consistencia y su relación de vacíos. (CÓDIGO TÉCNICO)
4.4.3 Relaciones de volumen:
3.4.3.1 Porosidad η.
Se define como la probabilidad de encontrar vacíos en el volumen total. Por eso0 < η< 100% (se expresa en %).
= ∗ %
3.4.3.2 Relación de vacíos e.
Es la relación entre el volumen de vacíos y el de los sólidos. Su valor puede ser e > 1 y alcanzar valores muy altos. En teoría 0 < e ‡∞.
=
El término compacidad se refiere al grado de acomodo alcanzado por las partículas del suelo, dejando más o menos vacíos entre ellas. En suelos compactos, las partículas sólidas que lo constituyen tienen un alto grado de acomodo y la capacidad de deformación bajo cargas será pequeña. En suelos poco compactos el volumen de vacíos y la capacidad de deformación serán mayores. Una base de comparación para tener la idea de la compacidad alcanzada por una estructura simple se tiene estudiando la disposición de un conjunto de esferas iguales.
Figura 5. Compacidad de un conjunto de esferas iguales (Duque,2002)
En la figura 9 se presentan una sección de los estados más suelto y más compacto posible de tal conjunto. Pero estos arreglos son teóricos y los cálculos matemáticos
3.4.3.2 El coeficiente de uniformidad (Cu) está definido como la relación
=
D60: este es el diámetro de las partículas para el cual existe un 60% de partículas más finas que ellas.
D10=Diámetro correspondiente al 10% de partículas con diámetro menor que el D10. 3.4.3.3 El coeficiente de curvatura (CC)
= ∗
Donde D60, D10,D30 tienen el mismo significado que en el caso anterior y se determinan directamente en la curva granulométrica. Los criterios para determinar un suelo son bien o mal gradado, se obtienen una vez calculados Cuy Cc y se deben verificar simultáneamente.
3.4.4 Consistencia y plasticidad.
Etimológicamente, consistencia equivale a capacidad de mantener las partes del conjunto integradas, es decir, estabilidad y coherencia. En mecánica de suelos, sólo se utiliza para los suelos finos que, dependiendo del contenido de agua y su mineralogía, fluyen sin romperse.
La plasticidad de un suelo se atribuye a la deformación de la capa de agua adsorbida alrededor de los minerales; desplazándose como sustancia viscosa a lo largo de la superficie mineral, controlada por la atracción iónica. La plasticidad en las arcillas, por su forma aplanada (lentejas) y pequeño tamaño, es alta.
La plasticidad del suelo, depende del contenido de arcilla. Skempton (1953) expresó esta relación matemáticamente con la actividad A de la arcilla.
3.4.4.1 Límites de Atterberg
Estados de consistencia (Límites de Atterberg).
Los estados de consistencia de un suelo son: líquido, plástico, semisólido y sólido. Las humedades correspondientes a los puntos de transición entre cada uno de estos estados definen los límites líquidos (LL), plástico (LP) y de retracción o contracción (LC).
De estos interesan el límite líquido y plástico. (Guzhñay Zurita, 2011)
Los límites, son utilizados para caracterizar el comportamiento de los suelos finos.
Estos valores indican los puntos de transición en los cambios que sufre un suelo cuando esta está en estado sólido y progresivamente cambia a semisólido, plástico y líquido, por efectos del agua añadida poco a poco.
Cuando se mezcla una arcilla con suficiente cantidad de agua se llega a formar un fluido viscoso, decimos entonces que se encuentra en “estado líquido”. Si vamos reduciendo el contenido en agua, la arcilla empieza a tomar cuerpo hasta ofrecer cierta resistencia a la deformación, decimos entonces que se encuentra en “estado plástico.” Los valores de los límites de Atterberg definen la frontera entre los estados semisólido-plástico (límite plástico) y plástico-semilíquido (límite líquido) de un suelo arcilloso. Estos valores se expresan como cantidad de humedad necesaria para que se verifiquen determinadas condiciones normalizadas en los ensayos correspondientes. (Patiño Peralta, 2013)
3.4.4.2 El Límite Líquido
El ensayo se basa en la determinación de la cantidad de agua mínima que puede contener una pasta de suelo seco que haya pasado por la malla 40 ASTM. Se realiza con la cuchara de Casagrande según la norma ASTM D4318 (AASHTO T-89, INEN 691)
Equipo
Plato. - Un plato de porcelana, preferentemente sin esmaltar o similar para el mezclado, de aproximadamente 115 mm de diámetro.
Espátula. Espátula - Una espátula o cuchillo que tenga una hoja aproximadamente de 75 mm a 100 mm de longitud y 20 mm de ancho con punta redonda.
Copa de Casagrande. - Operada manual o mecánicamente, es un dispositivo que consiste en un plato de latón y carruaje calibrada para una altura de caída de 10 mm.
Ranurador- Puede ser plano o encorvado (según normativa) normativa).
Recipientes. - Hechos de material resistente a la corrosión y no sujetos al cambio de masa. Calibrador. - Un calibrador unido al ranurador o separado, conforme a las dimensiones de (10 0.2) mm de espesor.
Balanza. - La balanza tendrá la capacidad suficiente y de acuerdo a la norma AASHTO M 231, dispositivos para pesar usados en los ensayos de materiales
Horno. -Termostáticamente controlado, capaz de mantener constantemente una temperatura de (110±5)°C (110±5) C ó (230±9)°F, para el secado de las muestras húmedas.
Muestra de ensayo
Tomar una muestra con una masa de 100 g de la porción d material pasante el tamiz mm (No. 40).
Ajuste del aparato
Procedimiento
• El material pasante el tamiz Nº 40 (0.425) mm colocarlo en el plato.
• Agregar de 15 a 20 ml de agua destilada, revolviendo alternadamente y repetidamente, amasando y cortando con la espátula a fin de homogenizar la muestra. Se efectuará ml. incrementos de agua de 1 a 3 ml .
• Colocar una cantidad de la muestra en la copa de Casagrande, comprimirla hacia abajo. • Extenderla con una espátula del centro hacia los extremos hasta que la altura de los extremos. muestra en el punto más bajo sea de 10 mm
• Con una firme pasada del ranurador hacer una abertura en la parte central de la muestra contenida en la copa, para lo cual, se mantendrá el ranurador normal a la superficie interior de la copa.
• Accionar el equipo para alzar y dejar caer la copa dos golpes por segundo hasta lograr que las dos mitades se unan aproximadamente 13 mm. Se registra en número de golpes en el que se cerró las dos mitades.
• Se toma una rodaja de la muestra cuyo ancho es igual al de la espátula extendiéndose de borde a borde. Colocar esta rodaja en un recipiente (previamente pesado y numerado) y registre su peso.
• Retirar la muestra de la copa y colocarla en el plato de mezclado, limpiar la copa y secarla.
• Repetir los pasos anteriores para por lo menos dos porciones más de suelo.
• El objetivo de este procedimiento es determinar la consistencia para cerrar la ranura del suelo en cada uno de los siguientes rangos: – 25 a 35 – 20 a 30 – 15 a 25
• Graficar los puntos en un gráfico semilogarítmico colocando en abscisas el número de golpes y en ordenadas el contenido de humedad.
3.4.4.3 El límite plástico
Es el menor contenido de agua con el cual el suelo permanece plástico. Este ensayo se lo realiza según la norma ASTM D4318 (AASHTO T-90, INEN 692).
Este método de ensayo consiste en determinar el contenido de agua de un suelo en el límite entre su comportamiento plástico y sólido.
Se toma 100 g. de muestra de material que pase por el tamiz 4.25 mm. (Nº40). Con esta muestra, se forma una pasta moldeable con los dedos; si es necesario se añade agua o se deja secar para lograr la mencionada pasta.
Con la mezcla preparada se forma rollos de 3 mm de diámetro en 5 a 15 movimientos completos, en una superficie lisa.
Si el rollo se desmenuza, se debe añadir agua paulatinamente y se mezcla la pasta, hasta que esta quede homogénea
Si se hace más de los movimientos indicados, se debe dejar secar la muestra y se repite el proceso, hasta que en el rollo se pueda apreciar pequeñas fisuras o quiebres.
Una vez obtenido el rollo como ya se ha indicado, se pesa, el envase con y sin la muestra obtenida.
Se coloca en el horno hasta que tenga peso constante, y finalmente se pesa el material con el envase después del secado.
3.4.4.4 El índice de plasticidad
Corresponde al intervalo de humedades comprendido entre el límite líquido y el límite plástico.
Las características plásticas de esta fracción condicionan especialmente las propiedades del conjunto del suelo. (Patiño Peralta, 2013)
En suelos limosos o arenosos, esta fracción de suelo amasada con agua no adquiere características plásticas (suelos no plásticos).
La clasificación de Casagrande, o Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS), permite clasificar el suelo a partir de los resultados obtenidos en el análisis granulométrico y límites de Atterberg.
3.4.5 Clasificación y propiedades de las partículas del suelo
3.4.5.1 Tamaño
La composición por tamaño de las partículas (granulométrica) de un suelo, es el porcentaje de materia mineral en peso de cada fracción, obtenida por separación de las partículas minerales en dos más clases por tamaño mutuamente excluyentes.
Las propiedades de las partículas gruesas y finas del suelo difieren considerablemente, pero no hay una división natural marcada de ninguna clase de tamaño de partícula. Sin embargo, para propósitos prácticos se han establecido algunos límites. Comúnmente en los suelos se separan por lo menos tres clases por tamaño usualmente denominados arena, limo y arcilla.
Tabla 6. Clasificación de las partículas del suelo (USDA)
Todas las clasificaciones por tamaño, tienen en común el límite de dos micras (0.002 mm)
para la fracción arcilla y difieren fundamentalmente en la subdivisión de la fracción arena.
En la siguiente figura se presenta la relación en tamaño de las partículas de arena, limo y
arcilla.
Figura 6. Relación en tamaño de partículas de arena, limo y arcilla ( (Tarbuck, 2005)
No. 200 (0.075 mm) son los finos, los que se subdividen en limos que son partículas mayores que 0.002 mm, de baja plasticidad y arcillas que son menores que 0.002 mm, aunque es muy difícil de clasificarlos, ya que existen suelos más finos que 0.002 mm que no necesariamente son arcillas, este sistema es usado usualmente por los ingenieros geotécnicos.
Otro sistema de clasificación es el sistema AASHTO que es usado principalmente por los departamentos de caminos estatales y clasifica los suelos en siete grupos mayores: del A-1 al A-7. Los suelos clasificados en los grupos A-1, A-2 y A-3 son materiales granulares donde 35% o menos de las partículas pasan por la malla No. 200. Los suelos de los que más del 35% pasan por la malla No. 200 son clasificados en los grupos A-4, A-5, A-6 y A7. La mayoría están formados por materiales tipo limo y arcilla. Además, clasifica los suelos altamente orgánicos (turba) dentro del grupo A-8, estos materiales se clasifican en base a una inspección visual y no depende del porcentaje que pasa la malla No. 200, límite líquido o índice de plasticidad.
3.4.5.2 Método de análisis granulométrico.
Tienen por finalidad determinar la distribución en tamaños de los granos o partículas que constituyen un suelo.
Proceso para determinar la proporción en que participan los granos del suelo, en función de sus tamaños. Esa proporción se llama gradación del suelo.
Granulometría: De acuerdo a la norma INEN 696, INEN 872, (ASTM D-4222), este método cubre la determinación cuantitativa de la distribución de tamaños de partículas en el suelo.
Los suelos ensayados se denominarán, en función del tamaño de sus partículas, conforme a la siguiente división granulométrica se establezcan sus intervalos más probables de confiabilidad. (Duque, 2002)
Tabla 7. Clasificación granulometría
Suelos granulares (aquellos con menos de un 35% de finos) y suelos finos (aquellos con más de un 35 % de finos):
Tabla 8. Denominación de suelos granulares
Tabla 9. Denominación de suelos finos
Nota: el término arcilla o arcillosa de la tabla se deben emplear cuando se trata de finos plásticos y los términos limo o limosa, cuando los finos son no plásticos según el criterio de casa
3.4.5.3 Forma de la partícula
En ocasiones no es muy considerada debido a la dificultad de medirla y describirla. La forma de los granos puede ser de cuatro tipos: partículas redondeadas cuando el largo, ancho y espesor de la partícula son de la misma magnitud; angulares cuando tienen bordes afilados y sus lados relativamente planos, con superficies ásperas; sub redondeadas cuando poseen lados casi planos, pero tienen ángulos y bordes redondos y subangulares que son similares a las partículas angulares, pero con bordes redondeados. (Tarbuck, 2005)
Figura 7. Forma típica de las partículas (Tarbuck, 2005)
3.4.5.4 Estructura
La estructura es la forma en que las partículas del suelo se reúnen para formar agregados. De acuerdo a esta característica se distinguen suelos de estructura esferoidal (agregados redondeados), laminar (agregados en láminas), prismática (en forma de prisma), blocosa (en bloques), y granular (en granos). La estructura del suelo se define por la forma en que se agrupan las partículas individuales de arena, limo y arcilla. Cuando las partículas individuales se agrupan, toman el aspecto de partículas mayores y se denominan agregados.
Para haber formación de agregados del suelo son necesarias dos condiciones: que una fuerza mecánica cualquiera provoque una aproximación de las partículas del suelo (movimiento de raíces, animales, expansión y contracción del suelo, prácticas agrícolas), o por el contrario entre las partículas, deba existir un agente cementante que mantenga la unión, generando de esta manera el agregado. La materia orgánica junto con los minerales de arcilla son los dos agentes cementantes que más contribuyen para la agregación del suelo.
Los suelos que tienen un alto contenido de materia orgánica, tienen una mayor estabilidad de sus agregados. Esto incluye aumentos en la porosidad y reducción de la densidad aparente. También aumenta la permeabilidad y puede aumentar el agua disponible para las plantas. La adición de estiércol, compost, u otros materiales orgánicos como los lodos municipales pueden mejorar y mantener la estructura del suelo, ayudando a resistir a la degradación.
La estructura del suelo es una de las propiedades más importantes, ya que el arreglo que presente la fase sólida está determinando el espacio que queda disponible para las otras dos fases de éste: la líquida y la gaseosa; puede decirse que esta propiedad es la que controla las interrelaciones entre las diferentes fases físicas del suelo y la dinámica de líquidos y gases en él, ya que tiene una influencia directa en propiedades como porosidad, densidad aparente, régimen hídrico, régimen térmico, permeabilidad, aireación, distribución de la materia orgánica, entre otras; por lo anterior, no es casual que se estime la degradación de un suelo de acuerdo con el grado de deterioro de su estructura.
3.4.5.4 Textura
refiere a la proporción relativa de los tamaños de varios grupos de partículas de un suelo. Esta propiedad ayuda a determinar la facilidad de abastecimiento de los nutrientes, agua y aire que son fundamentales para la vida de las plantas.
Para el estudio de la textura del suelo, éste se considera formado por tres fases: sólida, líquida y gaseosa. La fase sólida constituye cerca del 50 % del volumen de la mayor parte de los suelos superficiales y consta de una mezcla de partículas inorgánicas y orgánicas cuyo tamaño y forma varían considerablemente.
La distribución proporcional de los diferentes tamaños de partículas minerales determina la textura de un determinado suelo.
La textura del suelo se considera una propiedad básica porque los tamaños de las partículas minerales y la proporción relativa de los grupos por tamaños varían considerablemente entre los suelos, pero no se alteran fácilmente en un determinado suelo.
El procedimiento analítico mediante el que se separan las partículas de una muestra de suelo se le llama análisis mecánico o granulométrico y consiste en determinar la distribución de los tamaños de las partículas. Este análisis proporciona datos de la clasificación, morfología y génesis del suelo, así como, de las propiedades físicas del suelo como la permeabilidad, retención del agua, plasticidad, aireación, capacidad de cambio de bases, etc.
Así mismo, la textura puede determinar el contenido de materia orgánica de un suelo, siendo este mayor en los suelos de grano fino que en los suelos de textura gruesa. (SIMBASICA, 2014)
Figura 8. Triángulo textural (USDA)
3.4.5.6 Densidad
En el suelo, como en cualquier otro cuerpo físico, la densidad se define como la masa por unidad de volumen.
El poder conocer la densidad que posee un suelo en terreno o en su estado natural, ha sido un gran reto para los investigadores de mecánica de suelos y científicos del área en general.
Ahora bien, dado su carácter poroso, conviene distinguir entre la densidad de sus componentes sólidos y la del conjunto del suelo, incluyendo los huecos, por ello nos referiremos a tipos de densidad. (Campos Muñoz, 2012)
3.4.5.7 Color
“Tabla de Colores Munsell”. En esta tabla se miden los tres componentes del color: • Tono (hue) (En suelos es generalmente rojizo o amarillento)
• Intensidad o brillantez (chroma)
Figura 9. Hoja de colores 10YR de la Tabla de Colores Munsell. Este tono (hue) es uno de los más utilizados en suelos (CIE, 1978)
El color del suelo depende de sus componentes y puede usarse como una medida indirecta de ciertas propiedades. El color varía con el contenido de humedad.
El color rojo indica contenido de óxidos de hierro y manganeso; el amarillo indica óxidos de hierro hidratado; el blanco y el gris indican presencia de cuarzo, yeso y caolín; y el negro y marrón indican materia orgánica.
3.4.5.8 Permeabilidad
Permeabilidad es la propiedad que tiene el suelo de transmitir el agua y el aire y es una de las cualidades más importantes que han de considerarse para la piscicultura. Un estanque construido en suelo impermeable perderá poca agua por filtración.
Mientras más permeable sea el suelo, mayor será la filtración. Algunos suelos son tan permeables y la filtración tan intensa que para construir en ellos cualquier tipo de estanque es preciso aplicar técnicas de construcción especiales.
En un volumen de esta colección que aparecerá próximamente se ofrecerá información sobre dichas técnicas. Muchos factores afectan a la permeabilidad del suelo.
En ocasiones, se trata de factores en extremo localizados, como fisuras y cárcavas, y es difícil hallar valores representativos de la permeabilidad a partir de mediciones reales. Un estudio serio de los perfiles de suelo proporciona una indispensable comprobación de dichas mediciones.
Las observaciones sobre la textura del suelo, su estructura, consistencia, color y manchas de color, la disposición por capas, los poros visibles y la profundidad de las capas impermeables como la roca madre y la capa de arcilla, constituyen la base para decidir si es probable que las mediciones de la permeabilidad sean representativas.
3.5 Características mecánicas
3.5.1 Capacidad de carga
Se denomina como capacidad de carga admisible de una cimentación aquella carga que al ser aplicada no provoque falla o daños en la estructura soportada, con la aplicación de un factor de seguridad. La capacidad de carga no solo está en función de las características del suelo, sino que depende del tipo de cimentación y del factor de seguridad adoptado.
3.5.2 Capacidad de cargar admisible por asentamiento
Existen diversos métodos para determinar la capacidad de carga admisible de los suelos.
El método más utilizado en el medio ingenieril y las más sencillas es el método “determinación de la carga admisible del suelo en función del N del S.P.T.” Donde el N no es más que la suma del número de golpes que resultan al hincar la cuchareta S.P.T. en sus últimos 30 centímetros.
El dueño de esta teoría es el Ing. Geotécnico. George Geoffrey Meyerhorf que, en 1956 a base de varias experimentaciones, propuso la correlación entre la presión neta admisible de un determinado suelo, en función de la resistencia del ensayo S.P.T. con una corrección antes de su aplicación. Meyerhorf se plantea un valor determinado para el asentamiento diferencial permitido para determinadas estructuras y este valor es de 2.5 centímetros y propuso la ecuación de capacidad de carga para este asentamiento en particular.
Como acotación e importante reseña se aclara que este método es aplicable solamente para arenas además que este método es un estudio empírico como se dijo en un principio hecho a base de experimentaciones y que el 2.5 cm. que utiliza como asentamiento en una estructura es netamente para este método.
Según la teoría de Meyerhorf se permite un asentamiento de la cimentación máximo estimado de 2,5 cm. y la capacidad neta de carga admisible está dado por la expresión. (Romero Herrera, 2015).
Con la expresión MEYERHOF (1965), modificada por BOWLES (1977) determinaremos la capacidad portante.
MEYERHOF (1965)
= . . .
BOWLES (1977
= . . +. . > .
Donde:
= Capacidad portante admisible del suelo = Número de golpes corregido
= 1 + 0.33 (Df B) ≤ 1.33 B = Ancho de zapata en metros Se = Asentamiento tolerable en mm
= + , ≤ ,
En los suelos arenosos al asentamiento de una zapata depende de la Densidad Relativa de la arena, el B de la zapata, Df de la cimentación, espesor del estrato y la ubicación del N.F
Meyerhorf (1956) expuso una correlación para la presión de carga neta admisible en cimentaciones con la resistencia de penetración estándar corregida. La presión neta se define como:
3.5.3 Resistencia al corte
El esfuerzo cortante es una fuerza interna que desarrolla el suelo, en respuesta a una fuerza cortante, y que es tangencial a la superficie sobre la que actúa. En cambio, la resistencia al esfuerzo cortante es la tensión que se desarrolla en el plano de corte y en el momento de la falla.
Para los Ing. Civiles es muy importante comprender la naturaleza de la resistencia al corte para analizar problemas que se nos puedan presentar.
La resistencia de un suelo es el mayor esfuerzo al que puede ser sometido.
La geometría de la mayoría de los problemas geotécnicos es de tal manera que prácticamente todo el suelo se encuentra en compresión.
Aun cuando el suelo pueda fallar debido a la aplicación de grandes esfuerzos de compresión, el suelo falla realmente al corte.
3.5.3.1 Correlaciones de SPT con valor N
Se han intentado correlaciones para estimar los valores de Su con N SPT, aunque se sabe que estas correlaciones son débiles. El más común de estos se muestra en la siguiente tabla.
Tabla 10.Relación aproximada entre Su y N (Terzaghi and Peck)
Relación aproximada Su versus N Valor N (golpes /
pie o 305 mm) Consistencia Aproximadamente Su / Pa
0 a 2 Muy suave 0,125
2 a 4 Suave 0,125 a 0,25
4 a 8 Medio 0,25 a 0,5
8 a 15 Rígido 0,5 a 1
15 a 30 Muy duro 1 a 2
Lo que se determinó principalmente realizando pruebas de compresión sin confinar. A partir de los resultados de esta tabla, Su se puede obtener mediante la ecuación que vincula con Ncorregido, propuesta por Terzaghi y Peck (1948)
= , ∗
También se han propuesto muchas otras relaciones, y varias de ellas se muestran en la figura 7.
Figura 10. Relaciones seleccionadas entre N y Su (Terzaghi and Peck)
Estas relaciones representan una amplia variedad de interpretaciones de los tipos de suelo y condiciones de prueba y que es poco probable que exista una relación universal entre Su y N. Varios otros problemas graves existen con la figura 10. (Kulhawy, 1990)
3.6Tipos de edificaciones y distribución de sondeos
3.6.1 Clasificación de las unidades de construcción por categorías
Él (NEC-, 2015) define como unidad de construcción:
•Una edificación o fracción de un proyecto con alturas, cargas o niveles de excavación diferentes.
Para los casos donde el proyecto exceda las longitudes anotadas, se deberá fragmentar en varias unidades de construcción, por longitudes o fracción de las longitudes.
Las unidades de construcción se clasifican en Baja, Media, Alta y Especial, según el número total de niveles y las cargas máximas de servicio, con las siguientes consideraciones:
•Para las cargas máximas se aplicará la combinación de carga muerta más carga viva debida al uso y ocupación de la edificación.
•Para la definición del número de niveles se incluirán todos los pisos del proyecto (subsuelos, terrazas).
•Para la clasificación de edificaciones se asignará la categoría más desfavorable que resulte de la tabla 11.
Tabla 11. Clasificación de las unidades de construcción por categorías (NEC 2015)
Clasificación Según los niveles de
Construcción de servicio en columnas (kN) Según las cargas máximas
BAJA Hasta 3 niveles Menores de 800
MEDIA Entre 4 y 10 niveles Entre 801 y 4000
ALTA Entre 11 y 20 niveles Entre 4001 y 8000
ESPECIAL Mayor de 20 niveles Mayores de 8000
Tabla 12. Descripción por tipo de construcción recogida en el CTE (2016)
TIPO DE EDIFICIO DESCRIPCIÓN
C-0 Construcciones de menos de 4 plantas y superficie construida
inferior a 300 m2
C-1 Otras construcciones de menos de 4 plantas
C-2 Construcciones entre 4 y 10 plantas
C-3 Construcciones entre 11 y 20 plantas
3.6.1.2 El número mínimo de sondeos
El número mínimo de sondeos de exploración que deberán efectuarse en el terreno donde se desarrollará el proyecto se definen en la Tabla 16, y la profundidad en la misma sección. (NEC-, 2015)
Tabla 13. Número mínimo de sondeos y profundidad por cada unidad de construcción. (NEC-, 2015) CATEGORÍA DE LA UNIDAD DE CONSTRUCCIÓN
Baja Media Alta Especial
Profundidad mínima
de sondeos: 6 m Profundidad mínima de sondeos: 15 m Profundidad mínima de sondeos:25 m Profundidad mínima de sondeos: 30 m Número mínimo de
sondeos: 3 Número mínimo de sondeos:4 Número mínimo de sondeos: 3 Número mínimo de sondeos: 3
La norma (NEC-, 2015) estipula lo siguiente respecto a los estudios geotécnicos: “profesionales que realicen estos estudios geotécnicos deben poseer una experiencia mayor de tres (3) años en diseño geotécnico de cimentaciones, bajo la dirección de un profesional facultado para tal fin, o acreditar estudios de postgrado en geotecnia”.
Este deberá estar encargado de elegir las posiciones de los sondeos para el análisis geotécnico.
3.6.2 Número mínimo de sondeos por complejidad del terreno
Tabla 14. Número de sondeos por la complejidad del terreno (Ortiz, 1982)
COMPLEJIDAD SUPERFICIE (Ha)
1 10 50 100 200 500 1000
BAJA 3 6 8 9 10 11 12
MEDIA 5 10 14 15 16 18 20
ALTA 6 14 20 22 24 27 30
Complejidad baja (CB)
Terrenos con topografía suave, muy homogénea en planta dentro del área estudiada y de buena calidad
