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CORRELACION DE LOS ENSAYOS DE CORTE DIRECTO Y CBR PARA
ARENAS MAL GRADADAS DEL RIO MAGDALENA SECTOR EL ARENAL
EN EL MUNICIPIO DE BARRANCABERJA
JORGE ELIECER CALDERÓN ACERO.
GILBERTO MIRA LOZANO
UNIVERSIDAD DE SANTANDER
SECCIONAL BUCARAMANGA
ESPECIALIZACIÓN EN GEOTECNIA AMBIENTAL
BUCARAMANGA
2015.
CORRELACION DE LOS ENSAYOS DE CORTE DIRECTO Y CBR PARA
ARENAS MAL GRADADAS DEL RIO MAGDALENA SECTOR EL ARENAL
EN EL MUNICIPIO DE BARRANCABERJA
JORGE ELIECER CALDERÓN ACERO.
GILBERTO MIRA LOZANO
Proyecto de Grado para optar al título de Especialista en Geotecnia
Ambiental
Director: Msc Edwin Valencia
UNIVERSIDAD DE SANTANDER
SECCIONAL BUCARAMANGA
ESPECIALIZACIÓN EN GEOTECNIA AMBIENTAL
BUCARAMANGA
2015.
NOTA DE ACEPTACIÓN.
_____________________________
_____________________________
_____________________________
_____________________________
_____________________________
_____________________________
_____________________________
Firma del Jurado.
_____________________________
Firma del Jurado.
BUCARAMANGA MARZO DE 2015
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN. 10
1. OBJETIVOS. 11
1.1. Objetivo General. 11
1.2. Objetivos Específicos. 11
2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. 12
3. ANTECEDENTES. 13
4. METODOLOGIA. 16
5. MARCO TEORICO. 17
5.1. Clasificación de los Suelos. 17
5.1.1 Clasificación de los suelos según su granulometría. 3 17
5.1.1.1 Suelos gruesos. 17
5.1.1.2 Gravas. 18
5.1.1.3 Arenas. 18
5.1.1.4 Suelos finos. 19
5.1.1.5 Limos. 19
5.1.1.6 Arcillas. 19
5.1.2 Sistema Unificado de Clasificación de los Suelos. 20
5.1.3 Propiedades relevantes de los suelos. 22
5.1.4 Clasificación de los suelos según su plasticidad. 23
5.1.4.1 Límites de Atterberg. 23
5.2. Compactación de Suelos.8 24
5.2.1 Ensayo Proctor Modificado.11
26
5.3. Resistencia al Esfuerzo Cortante de los Suelos. 28
5.3.1 Determinación del Esfuerzo de Corte. 29
5.3.2 Ensayo de Corte Directo. 29
5.4. Determinación de la Resistencia al Suelo Mediante Ensayo C.B.R. 33
5.4.1 Condiciones del Ensayo. 33
5.4.2 Ensayo C.B.R. sobre Muestras Compactadas en laboratorio. 34
5.4.3 Métodos de Ensayo de Laboratorio. 36
5.4.4 Método I para C.B.R.20
36
6. RESULTADOS OBTENIDOS. 38
6.1. ANALISIS GRANULOMETRICO PARA LAS MUESTRAS. 38
6.2. LIMITES DE PLASTICIDAD. 40
6.3. PROCTOR MODIFICADO (ENSAYO DE COMPACTACIÓN). 40
6.4. ENSAYO DE CORTE DIRECTO. 41
6.5. ENSAYO DE C.B.R (California Bearing Ratio). 42
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS. 44
7.1. Granulometría. 44
7.2. Proctor Modificado 46
7.3. Análisis de tendencias. 48
7.4. Ángulo de fricción interna ( y CBR (%). 48
7.5. Coeficiente (Kn) Vs Densidad Seca. 49
Tabla 11. Coeficiente (K) y Número de golpes. 50
7.6. Coeficiente (Kn) vs Número de golpes. 51
8. CONCLUSIONES. 53
9. OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES. 56
10. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS. 57
LISTA DE TABLAS.
Tabla 1. Resultados obtenidos tesis de grado corte directo y CBR, Estudiantes
Alvarado y Muñoz, 2010. 17
Tabla 2. Resultados obtenidos tesis de grado corte directo y CBR, Estudiantes
Ochoa y Bonilla, 2010. 18
Tabla 3. Sistema de Clasificación finos, USCS, Norma ASTM D 2487. 24 Tabla 4. Sistema de Clasificación gruesos, USCS, Norma ASTM D 2487. 24 Tabla 5. Propiedades típicas de los suelos, norma ASTM D 2487. 25
Tabla 6. Datos granulometría para tipo de suelo seleccionado. 42
Tabla 7. Humedad Óptima y Densidad Máxima de suelo seleccionado. 45
Tabla 8. Resultados Corte Directo con Humedad Optima de 9.5%. 46
Tabla 9. Resultados C.B.R. para Humedad Optima de 9.5%. 48
Tabla 10. Análisis Granulométrico para Material Seleccionado. 51
Tabla 11. Coeficiente (K) y Número de golpes. 55
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Límites de Atterberg. 26
Figura 2. Carta de Plasticidad para Suelos. Mecánica de suelos, Juárez Badillo. . 26 Figura 3. Curva de Compactación.
Figura 4. Curva de Compactación para proctor. 30
Figura 5. Equipo Manual de Corte 33
Figura 6. Esquema del aparato de Corte Directo, Geotecnia LNV, 1993. 34
Figura 7. Aparato Corte Directo 35
Figura 8. Equipo para Determinar C.B.R, (Pinzuar) 39
Figura 9. Curvas Granulométricas de tipo de Suelo Extraído. 43
Figura 10. Granulometría por mallas, D60, D30 y D10 para muestra 1. 49
Figura 11. Granulometría por mallas, D60, D30 y D10 para muestra 2. 50
Figura 12. Granulometría por mallas, D60, D30 y D10 para muestra 3. 50
Figura 13. Curvas Peso Específico Seco y humedad Óptima Promedio de
Ensayo de Proctor Modificado. 52
Figura 14. Coeficiente (K) vs Densidad seca. 56
Figura 15. Coeficiente (K) vs Nº de Golpes. 57
8
RESUMEN GENERAL DE TRABAJO DE GRADO.
TÍTULO: CORRELACION DE LOS ENSAYOS DE CORTE DIRECTO Y CBR PARA ARENAS MAL GRADADAS DEL RIO MAGDALENA SECTOR EL ARENAL EN EL MUNICIPIO DE BARRANCABERJA
AUTOR(ES): JORGE ELIECER CALDERÓN ACERO.
GILBERTO MIRA LOZANO.
ESPECIALIZACIÓN: GEOTECNIA AMBIENTAL
DIRECTOR: MSC EDWIN VALENCIA.
RESUMEN.
Este proyecto de grado, tuvo como propósito realizar una correlación entre los
ensayos de corte directo y CBR (California Bearing Ratio) para arenas mal
gradadas (SP) del Rio Magdalena, sector el arenal en el municipio de
Barrancabermeja.
Después de seleccionar el material, se procedió a tomar muestras para
realizar los ensayos de clasificación de suelos, comprobando que se trataba de
una arena mal gradada(SP), luego se realizaron los ensayos de compactación,
Proctor modificado para determinar la humedad optima de compactación y el
peso específico seco máximo del suelo. Una vez determinada la humedad
optima se realizaron quince (15) ensayos de corte directo y quince (15) de
C.B.R. los resultados de estos ensayos permitieron encontrar tendencias entre
las propiedades físicas de la arena mal gradada estudiada.
Finalmente se establecieron conclusiones, recomendaciones y observaciones
con los resultados de este trabajo de grado.
Palabras Claves: Corte Directo, CBR, Proctor Modificado, Humedad optima, SP.
9
GENERAL ANALYSIS OF THE WORK OF DEGREE.
TITLE: CORRELATION OF DIRECT SHEAR TEST AND CBR FOR BADLY GRADED SANDS OF MAGDALENA RIVER EL ARENAL SECTOR IN THE MUNICIPALITY BARRANCABERMEJA
AUTHOR (IS): JORGE ELIECER CALDERÓN ACERO.
GILBERTO MIRA LOZANO.
.
SPECIALIZATION: ENVIRONMENTAL GEOTECHNICAL
DIRECTOR: MSC. EDWIN VALENCIA.
ABSTRACT.
This project of degree, it had as intention compare the parameters of resistance
to the cut obtained of the tests of direct cut and CBR (California Bearing Ratio)
for sands badly graded (SP) of the Magdalena River, El Arenal Sector in the
municipality Barrancabermeja
After selecting the material, One proceeded to take samples to realize the tests
of classification of soils, Verifying that it was a question of a badly graded sand,
assays were performed after compacting, Proctor modified to determine the
optimum moisture and compaction maximum dry weight of the soil. Once the
optimum moisture were performed (15) direct cut tests and fifteen (30) CBR, the
results of these tests allowed trends found between the physical properties of
the poorly graded sand studied.
Finally settled conclusions, recommendations and observations with the results
of this paper grade.
Keywords: Direct Cut, CBR, Proctor Modified, Optimus Dampness, SP.
10
INTRODUCCIÓN.
Los parámetros de resistencia al esfuerzo cortante de cualquier suelo se
pueden obtener mediante los ensayos de corte directo y triaxial sobre muestras
inalteradas, la toma de muestras inalteradas es muy difícil ya que no tienen
cohesión por tal motivo mediante proyecto de grado se pretende hallar una
correlación entre el ángulo de fricción interno obtenido en el ensayo de corte
directo y la capacidad de soporte adquirida por el ensayo de CBR para una
arena mal gradada (SP).ya que estos dos parámetros son una medida de la
resistencia del suelo.
El material de estudio se extrajo del Rio Magdalena, sector el Arenal del
municpio de Barrancabermeja, con el cual se procedió a realizar los ensayos
para su caracterización.
El número de especímenes a ensayar fueron de treinta (30), y estuvieron
distribuidos de la siguiente forma: quince (15) ensayos para corte directo y
quince (15) ensayos para CBR. A partir de los resultados de dichos ensayos se
establecieron relaciones entre las propiedades físicas del suelo estudiado, en
este caso los resultados obtenidos son válidos para arenas mal gradadas (SP).
11
1. OBJETIVOS.
1.1. Objetivo General.
Correlacionar los ensayos de corte directo y CBR para arenas mal gradadas
del sector el arenal en el municipio de Barrancabermeja.
1.2. Objetivos Específicos.
Definir el suelo con el cual se va a realizar los ensayos de laboratorio.
Realizar ensayos de clasificación para establecer el nombre del suelo.
Estimar la humedad optima y la densidad seca máxima del suelo
escogido mediante ensayos de compactación Proctor modificado.
Realizar ensayos de corte directo sobre muestras compactadas con la
humedad optima con el fin de obtener en ángulo de fricción interna para
el suelo escogido.
Ejecutar los ensayos de CBR para hallar la resistencia de los suelos
escogidos.
Realizar un análisis y una comparación del ángulo de fricción obtenido
en el ensayo corte directo y la capacidad de soporte en el ensayo de
CBR.
12
2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.
Una muestra de suelo sometida a un esfuerzo de corte tiende a producir un
desplazamiento de las partículas entre sí o de una parte de la masa del suelo
con respecto al resto del mismo.
Las arenas son partículas de roca sin cohesión, su estabilidad depende de la
compactación y su resistencia está dada principalmente por la fricción entre sus
partículas.
Los parámetros de resistencia al esfuerzo cortante de un suelo son: la cohesión
y el ángulo de fricción, las arenas mal gradadas no tienen cohesión lo cual
dificulta su extracción, ya que al hincar las formaletas en situ y luego retirarlas
la muestra sale por la parte inferior de dicha formaletas, incluso así esto no
sucediera, en el momento de pasar las muestras de las formaletas a la cámara
del aparato de corte directo esta se desmorona.
Este trabajo pretende establecer una correlación entre el ángulo de fricción
interna de las arenas mal gradadas compactadas con la humedad óptima y
otras propiedades físicas obtenidas en otros ensayos como el C.B.R. Con la
finalidad de que se realice únicamente el ensayo de CBR y con las
correlaciones halladas calcular el ángulo de fricción interna.
13
3. ANTECEDENTES.
Son muy pocos los estudios que se han realizado con las arenas de río en lo
referente a su capacidad de soporte, dado que este tipo de material no permite
tomar muestras inalteradas para la determinación de sus parámetros de
resistencia, por tanto es importante encontrar métodos alternos para hallar su
resistencia al corte, es por eso que con este proyecto se busca hallar una
correlación entre los parámetros obtenidos de los ensayos de corte directo y
CBR para arenas mal gradadas(SP), lo cual permitiría determinar la resistencia
del suelo por medio de pruebas en las cuales el material no se pierda al
desencofrarse, tales como el CBR.
Es necesario aprovechar las características que tienen las arenas mal
gradadas por ejemplo su alta permeabilidad, su moderada facilidad de
tratamiento en obra, su alta resistencia al corte y comprensibilidad lo cual le
permite ser utilizados en diques y terraplenes de suave talud.
Se han realizado diferentes tipos de investigaciones en el área de geotecnia
mostrando con estas el comportamiento de los diferentes parámetros que
adquieren las arenas. Aunque los estudios no son como tal con arenas mal
gradadas si se realiza la correlación entre los dos ensayos. En otros trabajos
de grado se han realizado comparaciones de la permeabilidad de la arena del
Rio Magdalena del cual pudimos comparar la densidad seca del material y el
resultado no varía mucho al encontrado en este trabajo de grado.
En el año 2010 se realizaron cuatro (4) trabajos de grado en los cuales se
correlacionó el ángulo de fricción interna con el C.B.R. tipo I y la resistencia a la
compresión inconfinada para arenas limosas y arenas arcillosas.
A continuación se presentan los resultados de dos (2) de estos trabajos de
grado, en los cuales se correlacionó el ángulo de fricción interna con el C.B.R.
tipo I para suelos arenosos.
14
La primera consistió en hallar la correlación del ángulo de fricción interna y
CBR tipo I para arenas limosas(SM), realizada por los estudiantes Muñoz y
Alvarado1. En la segunda se halló una correlación entre el ángulo de fricción
interna y el CBR para arenas arcillosas (SC), realizada por los estudiantes
Ochoa y Bonilla2.
TITULO AUTORES RESULTADOS OBTENIDOS
CORRELACION DEL ANGULO DE
FRICCION INTERNA Y CBR
TIPO 1 PARA ARENAS
LIMOSAS (SM)1
PAUL ANDRES ALVARADO SALCEDO.
IVAN DARIO MUÑOZ AYALA.
La humedad óptima fue de 12.5% y una densidad seca de máxima de 1.92 gr/cm
3.
El CBR máximo alcanzado en este proyecto fue de 97.3% al cual correspondió un ángulo de fricción de 43º.
Se encontró que la línea de tendencia que mejor relacionaba CBR vs ángulo de fricción interna es un polinomio de grado dos y dicha relación muestra que al aumentar el CBR también aumenta el ángulo de fricción interna. La línea de tendencia fue:
=-.001*C.B.R2+0.319C.B.R+27.35
Estos resultados obtenidos son válidos para únicamente para el tipo de material arena limosa y compactada con humedades de 8.5%, 12.5% y 16.5%.
Tabla 1. Resultados obtenidos tesis de grado corte directo y CBR,
Estudiantes Alvarado y Muñoz, 2010.
____________________
1ALVARADO SALCEDO, Paul Andrés y MUÑOZ AYALA, Iván Dario. Correlación del ángulo de fricción interna y CBR
tipo 1 para arenas limosas (SM): UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA 2010.
15
TITULO AUTORES RESULTADOS OBTENIDOS
CORRELACION ENTRE EL ÁNGULO
DE FRICCION INTERNA Y CBR TIPO
1 PARA ARENAS ARCILLOSAS (SC)
2
CARLOS ANDRES OCHOA OSORIO.
ELKIN YEBRAIL BONILLA GALLO
La humedad óptima fue de 12% y una densidad seca de máxima de 1.84 gr/cm
3.
Los ensayos de corte directo arrojaron un promedio del ángulo de fricción interna de 40.45º para una humedad de 8%, 43.77 para una humedad de 12%, 24.79º para una humedad de 16%.
Los ensayos realizados para CBR tipo 1 arrojaron un promedio de 61.73% para una humedad de 8%, 48.73% para una humedad de 12%, 30.57% para una humedad de 16%.
Se encontró que la línea de tendencia que mejor relacionaba CBR vs ángulo de fricción interna es un polinomio de grado dos cuya ecuación es:
=-0.041*C.B.R
2+4.354C.B.R-69.33
Estos resultados obtenidos son válidos únicamente para el tipo de material arena arcillosa y compactada con humedades de 8%, 12% y 16%.
Tabla 2. Resultados obtenidos tesis de grado corte directo y CBR,
Estudiantes Ochoa y Bonilla, 2010.
____________________
2 BONILLA GALLO, Elkin Yebrail y OCHOA OSORIO, Carlos Andrés. Correlación entre el ángulo de
fricción interna y CBR tipo 1 para arenas arcillosas (SC): UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA 2010.
16
4. METODOLOGIA. La metodología planteada para realizar el presente proyecto fue la siguiente:
Revisión bibliográfica: se realizó una búsqueda sobre las
investigaciones desarrolladas anteriormente, y se definieron cuáles
serían las normas ASTM a utilizar en este proyecto para los ensayos,
tales como granulometría, Proctor modificado, corte directo y CBR.
Extracción del material: el suelo seleccionado para este proyecto fue la
arena del Rio Magdalena, que se extrae en el municipio de
Barrancabermeja sector el Arenal.
Muestreo: el material extraído se sometió a tres (3) ensayos de
granulometría para clasificar el suelo y comprobar que se trataba de una
arena mal gradada (SP). Seguido de tres (3) ensayos de Proctor
modificado, se hizo un promedio para obtener la humedad óptima y la
densidad seca máxima del suelo.
Ensayos de laboratorio: se realizaron quince (15) ensayos de corte
directo, donde cada uno constaba de tres (3) muestras que se extrajeron
de probetas compactadas a 56 golpes, con la humedad óptima para y
densidad seca máxima obtenida.
Y quince (15) ensayos de CBR, el cual estaba compuesto por tres (3)
Probetas, la primera de 56 golpes, la segundo 25 golpes y la tercera de
12 golpes, con la humedad óptima y densidad seca máxima obtenida.
Análisis de datos: se obtuvieron tendencias entre las diferentes
propiedades físicas de las arenas mal gradadas obtenidas en los
ensayos de corte directo y CBR.
Redacción del informe: se realizó un informe detallado de los
parámetros y comparaciones que se buscaban con los objetivos
planteados en este proyecto de grado.
17
5. MARCO TEORICO.
5.1. Clasificación de los Suelos.
La clasificación de suelos es fundamental para determinar condiciones y
cualidades intrínsecas de cada tipo de material.
La medida de las propiedades fundamentales de un suelo, tales como la
permeabilidad, compresibilidad y resistencia puede resultar difícil, caro y
requerir mucho tiempo. Es por eso que puede ser útil dividir los suelos en
grupos con comportamientos semejantes.
La clasificación de suelos consiste en incluir un suelo en un grupo que presenta
un comportamiento semejante y la mayoría de las clasificaciones utilizan
pruebas muy sencillas, de tipo indicativo, para así determinar las características
del suelo y asignarlo a un determinado grupo. Los ensayos principalmente
utilizados son la granulometría y la plasticidad.
5.1.1 Clasificación de los suelos según su granulometría. 3
Existen principalmente dos tipos de suelos, los gruesos y los finos.
Los suelos gruesos son aquellos en que más de la mitad de las partículas son
visibles, comprende los tamaños de gravas y arenas, y la fracción fina los limos
y arcillas.
5.1.1.1 Suelos gruesos.
Los suelos gruesos se encuentran divididos en gravas y arenas, se distinguen
porque en las gravas más de la mitad de la fracción gruesa es retenida por la
malla Nº 4, en cambio para el grupo de las arenas más de la mitad del material
pasa por el tamiz Nº 4. ________________________________
3JUAREZ BADILLO, Eulalio – RICO RODRIGUEZ, Alfonso. Fundamentos de la Mecánica de Suelos, Tomo I. Editorial
Limusa S.A. Grupo Noriega Editores. Tercera edición. 1992. Pag 149-152.
18
En los suelos gruesos el comportamiento mecánico e hidráulico está
principalmente condicionado por su compacidad y por la orientación de sus
partículas, y la constitución mineralógica es secundaria frente a los procesos
mecánicos que le afectan a dicho suelo.
5.1.1.2 Gravas.
Las gravas son acumulaciones sueltas de fragmentos de rocas y que tienen
más de dos milímetros de diámetro. Se encuentran redondeadas debido al
acarreo al cual se les somete y, por lo tanto, sufren desgaste en sus aristas.
Como material suelto suele encontrársele en los lechos, en los márgenes y en
los conos de deyección de los ríos. Las gravas ocupan grandes extensiones,
pero casi siempre se encuentran con mayor o menor proporción de rodados,
arenas, limos y arcillas. Sus partículas varían desde 20 mm hasta 2 mm.
5.1.1.3 Arenas.
La arena es el nombre que se le da a los materiales cuyas partículas varían
entre 2 mm y 0.05 mm de diámetro.
El origen y la existencia de las arenas es similar al de las gravas, las dos
suelen encontrarse juntas en el mismo depósito. La arena de río contiene muy
a menudo proporciones relativamente grandes de grava y arcilla. Las arenas no
se contraen al secarse, no son plásticas, son mucho menos compresibles que
la arcilla y si se aplica una carga en su superficie, se comprimen casi de
manera instantánea.4
_________________
4ING CRESPO VILLALAZ. Carlos. MECANICA DE SUELOS Y CIMENTACIONES, 5 ed. Monterrey, Mexico, Limusa,
NORIEGA Editores, (1976.- 1980). Pag 21 – 23.
19
5.1.1.4 Suelos finos.
El comportamiento mecánico de las arcillas es conforme a su estructura
general y constitución mineralógica en particular.
Por otra parte, los suelos más arcillosos son capaces de adsorber agua hasta
un límite en que se transforman en impermeables. Este hecho es debido,
mayoritariamente, a su capacidad de compactación por compresión, debida al
peso de las capas superiores y a su capacidad de drenaje, debida a la pérdida
de agua por el mismo efecto.
Cuanto menor es el tamaño de las partículas que integran ese suelo, mayor es
la superficie eficaz presentada por dicho suelo. Así mismo, todas las
propiedades físicas consideradas (plasticidad, densidad, etc.) aumentan
rápidamente su intensidad a medida que el tamaño de sus partículas se
aproxima al estado coloidal.
5.1.1.5 Limos.
Los limos son suelos de granos finos con poca o ninguna plasticidad, pudiendo
ser limo orgánico o inorgánico. El diámetro de las partículas de los limos está
comprendido entre 0.05 mm y 0.002mm.
La permeabilidad de los limos orgánicos es muy baja y su compresibilidad muy
alta.
5.1.1.6 Arcillas.
Son partículas sólidas con diámetro menor de 0.002 mm y cuya masa tiene la
propiedad de volverse plástica al ser mezclada con agua. Químicamente es un
silicato de alúmina hidratado, aunque en pocas ocasiones contiene también
silicatos de hierro o de magnesio hidratados. La estructura de estos minerales
es, generalmente, cristalina y complicada y sus átomos están dispuestos en
20
forma laminar. De hecho se puede decir que hay dos tipos clásicos de tales
láminas: uno de ellos del tipo silíceo y el otro del tipo alumínico.
5.1.2 Sistema Unificado de Clasificación de los Suelos.
El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS) deriva de un sistema
desarrollado por A. Casagrande para identificar y agrupar suelos en forma
rápida en obras militares durante la guerra.
Este sistema divide los suelos primero en dos grandes grupos, de granos
gruesos y de granos finos. Los primeros tienen más del 50por ciento en peso
de granos mayores que 0,075 mm (tamiz nº 200); se representan por el
símbolo G si más de la mitad, en peso, de las partículas gruesas son retenidas
en tamiz nº 4 (4,76 mm), y por el símbolo S sí más de la mitad pasa por tamiz
nº 4. 5
A la G o a la S se les agrega una segunda letra que describe la gradación: W,
buena gradación con poco o ningún fino; P, gradación pobre, uniforme o
discontinua con poco o ningún fino; M, que contiene limo o limo y arena; C, que
contiene arcilla o arena y arcilla.
Los suelos finos, con más del 50 por ciento bajo tamiz 200, se dividen en tres
grupos, las arcillas (C), los limos (M) y limos o arcillas orgánicas (O).
Estos símbolos están seguidos por una segunda letra que depende de la
magnitud del límite líquido e indica la compresibilidad relativa: L, si el límite
líquido es menor a 50% y H, si es mayor, todas estas especificaciones se
pueden observar en las tablas 3 y 4 que representan al Sistema de
Clasificación USCS.6
____________________
5NARSILIO, Guillermo y SANTAMARIA, Carlos. Clasificación de Suelo: Fundamento Físico: Instituto Tecnológico de
Georgia, USA. [En Línea]. Pag 2 - 3 [Consultado 23agos. 2012]. Disponible
<http://materias.fi.uba.ar/6408/santamarina.pdf>
6ING. MATUS LAZO, Iváne ING.BLANCO RODRIGUEZ, marvin. Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, 11 de
agosto de 2010. [En Línea]. [Consultado 22 agos. 2012]. Disponible <http://es.scribd.com/doc/41757133/Sistema-
Unificado-de-Clasificacion-de-Suelos>
21
SISTEMA DE CLASIFICACION USCS PARA SUELOS FINOS
Finos (≥ 50% pasa 0.075 mm)
Tipo de Suelos
Símbolo Límite
Líquido (wl) Índice de Plasticidad (IP)
Limos Inorgánicos
ML < 50 < 0.73 (wl - 20) ó < 4
MH > 50 < 0.73 (wl - 20)
Arcillas Inorgánicas
CL < 50 > 0.73 (wl - 20) ó > 7
CH > 50 > 0.73 (wl - 20)
Limos o Arcillas
Orgánicos
OL < 50 wl seco al horno ≤ 75 %
del wl seco al aire ** OH > 50
Altamente Orgánicos
P1 Materia orgánica fibrosa se carboniza,
se quema o se pone incandescente.
Si IP Ξ 0.73 (wl -20) ó si IP entre 4 y 7 E IP > 0.73 (wl -20), usar símbolo doble CL - ML, CH -OH.
** Si tiene olor orgánico debe determinarse adicionalmente wl seco al horno.
En casos dudosos favorecer clasificación más plástica Ej: CH - MH en vez de CL – ML
Si wl = 50; CL -CH ó ML - MH.
Tabla 3. Sistema de Clasificación finos, USCS, Norma ASTM D 2487.
SISTEMA DE CLASIFICACIÓN USCS PARA SUELOS GRUESOS
Gruesos ( < 50% pasa por 0.075 mm)
Tipo de Suelo
Símbolo % retenido 4.76 mm
% Pasa 0.075 mm
CU CC ** IP
Gravas
GW > 50 % de material
retenido en 0.075 mm
< 5
> 4 1 a 3
GP £ 6 < 1 ó >
3
GM > 12
< 0.73 (wl-20) ó < 4
GC > 0.73 (wl-20) ó > 7
Arenas
SW < 50 % de material
retenido en 0.075 mm
< 5
> 6 1 a 3
SP £ 6 < 1 ó >
3
SM > 12
< 0.73 (wl-20) ó < 4
SC > 0.73 (wl-20) ó > 7
* Entre 5 y 12 % usar símbolo doble como GW - GC, GP - GM, SW - SM, SP - SC.
** Si IP Ξ 0.73 (wl -20) ó si IP entre 4 y 7, E IP > 0.73 (wl - 20), usar símbolo doble: GM - GC, SM -SC.
En casos dudosos favorecer clasificación menos plástica Ej: GW - GM en vez de GW -GC.
Tabla4. Sistema de Clasificación gruesos, USCS. ASTM D 2487.
22
5.1.3 Propiedades relevantes de los suelos.
Denominaciones típicas de los grupos de suelos
Símbolo del grupo
PROPIEDADES MAS IMPORTANTES DEL SUELO
Permeabilidad en estado compactado
Resistencia al corte en estado compacto
Comprensibilidad en estado compacto
facilidad de tratamiento de obra
Gravas bien gradadas, mezclas de grava y arenas con pocos finos o sin ellos
GW Permeable Excelente Despreciable Excelente
Gravas mal gradadas. Mezclas de arena y grava con pocos finos o sin ellos.
GP Muy permeable Buena Despreciable Buena
Gravas limosas mal gradadas, mezclas de gravas, arenas y limo.
GM Semipermeable a
impermeable Buena Despreciable Buena
Gravas arcillosas, mezclas mal gradadas de gravas, arena y arcilla.
GS Impermeable Buena a regular Muy baja Buena
Arenas bien gradadas, arenas con grava con pocos finos y sin ellos.
SW Permeable Excelente Despreciable Excelente
Arenas mal gradadas, arenas con grava con pocos finos y sin ellos.
SP Permeable Buena Muy baja Regular
Arenas limosas, mezclas de arena y limo mal gradadas.
SM Semipermeable a
impermeable Buena Baja Regular
Arenas arcillosas, mezclas de arena y arcilla mal gradadas.
SC Impermeable Buena a regular Baja Buena
Limos inorgánicos y arenas muy finas polvo de roca, arenas finas arcillosas o limosas con ligera plasticidad.
ML Semipermeable a
impermeable Regular Media Regular
Arcillas inorgánicas de baja a media plasticidad, arcillas con grava, arcillas arenosas, arcillas limosas, arcillas magras.
CL Impermeable Regular Media Buena a regular
Limos orgánicos y arcillas limosas orgánicas de baja plasticidad.
OL Semipermeable a
impermeable Deficiente Media Regular
Limos inorgánicos, suelos finos arenosos o limosos con mica o diatomeas, limos elásticos.
MH Semipermeable a
impermeable Regular a deficiente Elevada Deficiente
Arcillas inorgánicas de elevada plasticidad, arcillas grasas.
CH Impermeable Deficiente Elevada Deficiente
Arcillas orgánicas de plasticidad media alta.
OH Impermeable Deficiente Elevada Deficiente
Turba y otros suelos inorgánicos.
Pt X X X X
Tabla 5. Propiedades típicas de los suelos, USCS, norma ASTM D 2487.
Fuente: Mecánica de Suelos. William Lambe –Robert V. Whitman, Pag 49.
23
5.1.4 Clasificación de los suelos según su plasticidad.
Propiedad intrínseca de un suelo fino, el cual es capaz de soportar
deformaciones rápidas, sin rebote elástico, sin variación volumétrica apreciable
y sin desmoronarse ni agrietarse.
La plasticidad no es una propiedad permanente de las arcillas, depende de su
contenido de agua, pasando gradualmente del estado sólido al estado plástico
y finalmente al estado líquido. El contenido de agua con que se produce al
cambio a cada estado varía de un suelo a otro.
5.1.4.1 Límites de Atterberg.
Para medir la plasticidad de las arcillas se han desarrollado varios criterios, de
los cuales los límites de humedad o límites de Atterberg son los más utilizados,
y se usan en la identificación y clasificación de un suelo tal como se muestra en
la figura 1 y 2.
Según su contenido de agua en orden decreciente un suelo puede encontrarse
en los siguientes estados de consistencia:
1.- Estado líquido, con las propiedades y apariencias de una suspensión.
2.- Estado Plástico, en que el suelo se comporta plásticamente.
3.- Estado semisólido, en el que el suelo tiene la apariencia de un sólido, pero
aún disminuye de volumen al estar sujeto a secado.
4.- Estado sólido, el volumen del suelo no varía con el secado.7
Figura 1. Límites de Atterberg. Fuente: Mecánica de suelos. Margarita
Polanco de Hurtado. Universidad del Cauca. Pag 76.
______________ 7LAMBE, T. William. MECANICA DE SUELOS: Suelos con agua-Régimen estático o flujo establecido. 2 ed.
México: Editorial Limusa S.A, 1996. 323p
24
Figura 2. Carta de Plasticidad para Suelos. Mecánica de suelos, Juárez Badillo. Tomo I. Editorial Limusa. Pag 152.
5.2. Compactación de Suelos.8
La compactación es un procedimiento importante que se realiza con el fin de
aplicar energía al suelo para eliminar espacios vacíos y disminuir la capacidad
de deformación, de esta manera, se aumentan su capacidad de soporte,
densidad, resistencia, peso específico seco y estabilidad entre otras
propiedades.
Por tanto es un proceso artificial, donde se obliga a las partículas a estar en
contacto unas sobre las otras, mediante una reducción del índice de vacíos, de
forma mecánica, para mejorar sus propiedades ingenieriles.
En la compactación el agua juega un papel importante, especialmente en
suelos finos. Existe un contenido de humedad óptima para suelos finos, en el
que el proceso de compactación dará un peso máximo de suelo por unidad de
volumen, es decir un peso específico seco máximo.
______________
8 JUAREZ BADILLO, Eulalio – RICO RODRIGUEZ, Alfonso. Fundamentos de la Mecánica de Suelos, Tomo I. Editorial
Limusa S.A. Grupo Noriega Editores. Tercera edición. 1992. Pag 575-576.
0
10
20
30
40
50
60
70
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Ind
ice
de
Pla
stic
idad
Límite Líquido
Carta de Plasticidad
ML
CL
OL
CH
OH
MH CL - ML
25
Para bajos contenidos de humedad, el agua está en forma capilar produciendo
compresiones entre las partículas constituyentes del suelo, lo cual tiende a la
formación de grumos desintegrables que dificultan la compactación.
Figura 3. Curva de Compactación. Fuente: Eulalio Juárez Badillo-Alfonso
Rico Rodríguez, Mecánica de Suelos, Tomo I, III Ed. Pag 579.
El aumento del contenido de humedad hace disminuir la tensión capilar en
agua, haciendo que la misma energía de compactación produzca mejores
resultados. Si hay presencia importante de agua en los vacíos, esto dificulta el
desplazamiento de las partículas del suelo produciendo disminución de la
eficiencia de la compactación.9
La compactación consiste en un proceso repetitivo, cuyo objetivo es conseguir
una densidad específica para una relación óptima de agua, al fin de garantizar
las características mecánicas necesarias del suelo.
_________________________
9TERZAGUI. Karl. MECANICA DE SUELOS. 2 ed. Caracas, Venezuela, Editorial El Ateneo, 1986.
Peso
Esp
ecif
ico
Alc
an
za
do
Humedad de Moldeo
Elevada Energía de Compactación.
Pequeña Energía de Compactación.
dmax
Wop
dmax
Wop
26
En primer lugar se lanza sobre el suelo natural existente, generalmente en
camadas sucesivas, un terreno con granulometría adecuada; a seguir se
modifica su humedad por medio de aeración o de adición de agua y,
finalmente, se le transmite energía de compactación por el medio de golpes o
de presión. Para esto se utilizan diversos tipos de máquinas, generalmente
rodillos lisos, neumáticos, pie de cabra, vibratorios, etc., en función del tipo de
suelo y, muchas veces, de su accesibilidad.
La eficiencia de cualquier equipo de compactación depende de varios factores
y para analizar la influencia particular de cada uno, se requiere procesos
estandarizados de laboratorio.10
Los beneficios que se obtienen con este proceso son:
Aumenta la capacidad de soporte de carga.
Impide el hundimiento del suelo.
Reduce el escurrimiento de agua.
Reduce el esponjamiento y contracción del suelo.
Impide los daños de las heladas.
5.2.1 Ensayo Proctor Modificado.11
Ralph. R. Proctor encontró que aplicando a un suelo una cierta energía para
compactarlo, el peso unitario obtenido varía con el contenido de agua según
una curva como la de la Figura.5, en la cual se puede observar que existe un
contenido de agua con el cual se obtiene el peso unitario máximo del suelo
seco a esa energía de compactación.
A la abscisa y ordenada de ese punto máximo les denominó contenido óptimo
de agua, w0 y peso unitario máximo del suelo seco γdmáx, respectivamente.
____________ 10
I.N.V. E – 142 – 07, Relaciones de Humedad – Masa Seca en los Suelos, ESPECIFICACIONES
GENERALES DE CONSTRUCCIÖN DE CARRETERAS Y NORMAS DE ENSAYO PARA MATERIALES
DE CARRETERAS, Instituto Nacional de Vías (INVIAS), [consultado 29 agos 2012].
27
Figura 4. Curva de Compactación para Proctor. Crespo Villalaz Carlos,
Mecánica de suelos y Cimentaciones, 5 Ed, Pag 100.
Este ensayo se emplea para determinar la relación entre la humedad y el peso
unitario de los suelos compactados. Para esta prueba se usa el mismo cilindro
Proctor, con la condición de que no tengan excesivo porcentaje de finos, pues
la prueba Proctor está limitada a los suelos que pasen totalmente por la malla
No 4, o que tengan un retenido máximo del 10 % en esta malla, pero que pase
(dicho retenido) totalmente por la malla 3/8”. Cuando el material tenga retenido
en la malla 3/8” deberá determinarse la humedad óptima y el peso volumétrico
seco máximo con la prueba de Proctor estándar.
El ensayo consiste en compactar una porción de suelo en un cilindro con
volumen conocido, haciéndose variar la humedad para obtener el punto de
compactación máxima en el cual se obtiene la humedad óptima de
compactación. El ensayo puede ser realizado en tres niveles de energía de
compactación, conforme las especificaciones de la obra: normal, intermedia y
modificada. El material se compacta en 5 capas con un martillo de 4.5 kg y
cayendo de una altura de 46 cm proporcionando 56 golpes por capa.
_______________
11 BOWLES, Joseph E. 1980. Manual de Laboratorio de Suelos de Ingeniería Civil. Bogotá, Colombia.
Editorial Mc GRAW-HILL LATINOAMERICA, Pag 80-86
PES
O U
NIT
AR
IO D
EL S
UEL
O S
ECO
(g
r/cm
3)
CONTENIDO DE AGUA (%)
Peso unitario máximo del
suelo seco, gdmax.
Curva de saturación
teorica para gs= 2.65 gr/cm3
Contenido óptimo de agua, Wo.
28
5.3. Resistencia al Esfuerzo Cortante de los Suelos.
Llamamos rozamiento a la fuerza que tiende a oponerse al deslizamiento de un
sólido sobre otro. Esta fuerza es máxima al momento de iniciarse el
movimiento, para disminuir una vez iniciado.
Si la presión aplicada a la superficie de contacto entre los dos cuerpos es nula,
el rozamiento es pequeño, y se llama “rozamiento bajo presión nula”. Es debido
a la adhesión entre los dos cuerpos, fenómeno distinto del que se produce
cuando existe una presión importante de las superficies entre sí.
Cuando se habla de rozamiento, se entiende que es el aumento experimentado
en la fuerza que se opone al movimiento, al producirse una presión entre las
superficies de contacto.12
Dentro de los límites, los suelos se comportan bajo la acción de las cargas
Como materiales elásticos, aunque en algunos casos se producen
deformaciones mayores que las normales, teniéndose que recurrir entonces a
los cálculos que tengan en cuenta la plasticidad del suelo.
Una muestra de suelo sometida a un esfuerzo de corte tiende a producir un
desplazamiento de las partículas entre sí o de una parte de la masa del suelo
con respecto al resto del mismo.13
El rozamiento así definido es proporcional a la presión (Ley de Coulomb). Para
presiones muy bajas, esta proporcionalidad es poco aproximada, pero se
admite.
La resistencia al corte del suelo se da por la ecuación de Coulomb:
c + Pi * (tanEcua. 1.
_______________
12JIMENEZ SALAS. José A. MECANICA DEL SUELOS Y SUS APLICACIONES A LA INGENIERIA.
Madrid, España, Editorial DOSSAT, 1954.
29
Dónde:
= Resistencia al corte del suelo, en Kg/cm2.
c = Cohesión del suelo, en kg/cm2.
Pi = presión intergranular, en Kg/cm2.
= Ángulo de fricción interna del suelo, constante.
En general, los suelos poseen al mismo tiempo cohesión y fricción interna.
5.3.1 Determinación del Esfuerzo de Corte.
La cohesión de un suelo y su ángulo de fricción interna, componentes del
esfuerzo de corte del mismo, pueden obtenerse de diferentes maneras, entre
estas se encuentra el ensayo de corte directo ideado por Arthur Casagrande.
5.3.2 Ensayo de Corte Directo.
La forma más antigua de prueba de corte sobre un suelo es la de corte directo,
utilizada primeramente por coulomb en 1776, pero el aparato empleado en esta
prueba es el ideado por Casagrande.
El ensayo de corte directo es adecuado para determinar de forma rápida las
propiedades de resistencia de los materiales drenados y consolidados. Debido
a que las trayectorias de drenaje a través de las muestras son cortas, y permite
que el exceso de presión en los poros sea disipado más rápido que en otros
ensayos drenados, el ensayo se aplica para todo tipo de suelos inalterados,
remoldeados y compactados, pero hay una limitación para el tamaño máximo
de partículas presentes en la muestra.14 En la Figura 6 máquina de corte
directo.
____________________
13ING CRESPO VILLALAZ. Carlos. MECANICA DE SUELOS Y CIMENTACIONES, 5 ed. Monterrey,
México, Limusa, NORIEGA Editores, (1976.- 1980).
30
Figura 5. Equipo Corte Directo. Fuente: propia.
Se usa el aparato de corte directo, siendo el más típico una caja de sección
cuadrada o circular dividida horizontalmente en dos mitades. Dentro de ella se
coloca la muestra de suelo con piedras porosas en ambos extremos, se aplica
una carga vertical de confinamiento (Pv) y luego una carga horizontal (PH)
creciente que origina el desplazamiento de la mitad móvil de la caja originando
el corte de la muestra. 15 en la Figura 7 se puede apreciar el aparato de corte
directo.
____________________ 14
I.N.V. E – 154 – 07, Determinación de la resistencia al corte, método de corte directo, ESPECIFICACIONES GENERALES DE CONSTRUCCIÖN DE CARRETERAS Y NORMAS DE ENSAYO PARA MATERIALES DE CARRETERAS, Instituto Nacional de Vías (INVIAS), [consultado 22 agos 2012].
31
Figura 6. Esquema del aparato de Corte Directo, Geotecnia LNV, 1993.
Entonces el aparato de corte directo consta de una semicaja inferior y otra
superior, móviles una respecto de la otra, entre las que se coloca la muestra de
suelo, la cual evita el contacto de las dos semicajas.
Las semicajas están provistas de unas chapas dentadas para asegurar una
buena adherencia con la muestra.
La semicaja superior consta de un marco y de una tapadera que actúa de
pistón para aplicar fuerzas verticales mediante pesos colocados en el aparato.
La disposición de comparadores entre el pistón y el marco permiten medir las
variaciones de altura. En la Figura 8 se puede apreciar el aparato de corte
directo.
En el ensayo se comienza por aplicar una carga vertical de compresión (P),
leyéndose las deformaciones verticales con el cuadrante correspondiente.
______________
15ING CRESPO VILLALAZ. Carlos. MECANICA DE SUELOS Y CIMENTACIONES, 5 ed. Monterrey,
México, Limusa, NORIEGA Editores, (1976.- 1980).
32
A continuación, se introducen esfuerzos horizontales (Q), según el plano de
separación de las dos armaduras, que debe coincidir sensiblemente con el
plano horizontal, y se anotan las deformaciones horizontales producidas.
Puesto que la muestra rompe por el plano horizontal, las tensiones en dicho
plano proporcionan un punto de la curva de resistencia.16
Figura 7. Aparato Corte Directo, Fuente: Propia.
Un ensayo de corte directo consta de tres (3) especímenes que contienen la
muestra densa (compactada con ensayo Proctor modificado), se aplica un
esfuerzo a cada probeta, así: primera 0.5 Kg/cm2, segunda 1.0 Kg/cm2, y
tercera 2.0 Kg/cm2, obteniendo varios puntos de rotura, sobre los que se ajusta
una recta cuya pendiente y ordenada en el origen representan el ángulo de
rozamiento.
____________________ 16
ENSAYO DE CORTE DIRECTO PARA UNA ARENA DENSA Y SUELTA. [En Línea]. [Consultado 25agos. 2012]. Disponible en <http://www.upct.es/~orientap/caminos/corte.pdf>.
33
5.4. Determinación de la Resistencia al Suelo Mediante Ensayo C.B.R.
La capacidad de soporte del suelo, comúnmente conocida como C.B.R.
(California Bearing Ratio), es una prueba que mide la resistencia al corte
(esfuerzo cortante) de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad
controladas.
Se aplica para la evaluación de la calidad relativa de suelos de sub rasante,
algunos materiales de sub bases y bases granulares, que contengan solamente
una pequeña cantidad de material que pasa por el tamiz de 50 mm, y que es
retenido en el tamiz de 20 mm. Se recomienda que la fracción no exceda del
20%, Este ensayo puede realizarse tanto en laboratorio como en terreno.
El C.B.R. se obtiene como un porcentaje del esfuerzo requerido para hacer
penetrar un pistón a una profundidad de 0.1 pulgadas en una muestra de suelo
y el esfuerzo requerido para hacer penetrar el mismo pistón, la misma
profundidad de 0.1 pulgadas, en una muestra patrón de muestra triturada.17
5.4.1 Condiciones del Ensayo.
La relación de soporte del suelo se puede ver afectada por causas naturales o
mecánicas, en el momento de manipulación de las especímenes, es importante
conocer que sus propiedades físicas pueden variar según el control que se
brinde en el ensayo.
____________________ 17
TUPIA, Carlos y ALVA, Jorge, EVALUACION DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE DEL TERRENO POR MEDIO DE UN EQUIPO DE PENETRACIÓN DINAMICA. XI Congreso Ibero-Latinoamericano del Asfalto, Nov. 2001.
34
El criterio para la preparación de especímenes de prueba de materiales auto
cementantes (y otros), los cuales ganan resistencia con el tiempo, se debe
basar en una evaluación de ingeniería geotécnica.
El material Debe curarse apropiadamente hasta que se pueda medir relaciones
de soporte representativas de las condiciones de servicio a largo plazo, de
acuerdo con el criterio del Ingeniero.18
La relación C.B.R. generalmente se determina para 0.1” y 0.2” de penetración,
o sea para un esfuerzo de 1000 y 1500 libras de pulgada cuadrada. Con el fin
de duplicar en el laboratorio la condición más critica que se presenta en el
terreno, las muestras para el ensayo C.B.R. se sumergen en agua hasta
obtener su saturación.
Estos ensayos se pueden efectuar también sobre muestras inalteradas
obtenidas en el terreno y sobre suelos in situ.
5.4.2 Ensayo C.B.R. sobre Muestras Compactadas en laboratorio.
El equipo a utilizar para realizar el ensayo es el siguiente:
Prensa - Debe tener una capacidad suficiente para penetrar el pistón en
el espécimen a una velocidad de 1.27 mm/min (0.05”/min) y hasta una
profundidad de 12.7 mm (0.5”). Figura 9.
Moldes – De metal, cilíndricos, provisto con su collarín y placa base.
____________________ 18
I.N.V. E – 148 – 07, Relación de Soporte del Suelo en el Laboratorio, ESPECIFICACIONES GENERALES DE CONSTRUCCIÖN DE CARRETERAS Y NORMAS DE ENSAYO PARA MATERIALES DE CARRETERAS, Instituto Nacional de Vías (INVIAS), [consultado 23 agos 2012].
35
Disco Espaciador o Falso Fondo – De forma circular, metálica, se inserta
como fondo falso en el molde metálico para compactar.
Martillo de Compactación (pisón) – 10 libras de peso y 18” de caída.
Aparato Medidor de Expansión – Un trípode cuyas patas puedan
apoyarse en el borde del molde, que lleve sujeto en el centro un dial
(Defomímetros), cuyo vástago coincida con el de la placa.
Sobrecargas metálicas – Se utilizan Dos (2) de cinco (5) libras de peso
cada una.
Defomímetros– Dos (2) diales, se acoplan en la prensa para medir la
penetración del pistón en la muestra.
Papel Filtro– se coloca antes de compactar, uno en el falso fondo y otro
en la parte superior de la muestra ya compactada.
Balanza– Una de veinte (20) Kg de capacidad y otra de 1000 gr para
llevar al horno.
Horno– Termostáticamente controlado.
Tanque – Con capacidad suficiente para la inmersión de los moldes en
agua.
36
Figura 8. Equipo para Determinar C.B.R,. Fuente: Pinzuar.
5.4.3 Métodos de Ensayo de Laboratorio.
Existen tres métodos para las muestras de laboratorio, según el tipo de suelo:
Método I – Para suelos con gravas, arenas o suelos con cohesión baja o
nula.
Método II – Para suelos con plasticidad baja o media, que no posean
expansivos.
Método III: Para suelos expansivos.19
5.4.4 Método I para C.B.R.20 Debe haberse determinado la densidad máxima y la humedad óptima de suelo
mediante el ensayo de Proctor Modificado. La muestra mínima para llevar a
cabo un ensayo de Proctor Modificado es de 35 kg de material. Si la muestra
está excesivamente húmeda, se dejará secar al aire, o en estufa, a temperatura
inferior a 60ºC.
___________________
19 BONILLA GALLO, Elkin Yebrail y OCHOA OSORIO, Carlos Andrés. Correlación entre el ángulo de fricción interna y
CBR tipo 1 para arenas arcillosas (SC): UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA 2010.
37
Se pasa la muestra por el tamiz ¾” (20 mm) y se determina el porcentaje de
masa retenida. Si éste es superior al 10%, se sustituye la parte retenida por
material de tamaño de entre 20 y 5 mm (tamiz Nº 4, preferiblemente). En el
caso de que la fracción de material retenida por el tamiz de ¾” (20 mm) supere
el 30% de la muestra o existan partículas de tamaño superior a 50 mm (tamiz
de 2”), el ensayo no es adecuado para este tipo de suelo.
Una vez preparada la muestra y determinada su humedad, se aplica la
cantidad de agua necesaria hasta llegar a la óptima. En un molde de
dimensiones normalizadas, se introduce la muestra de suelo en cinco capas del
mismo espesor, compactándose cada una de ellas con 56 golpes con el
martillo de compactación de 10 libras (4,535 kg) de peso, que cae libremente a
una altura de 18” (457.2 mm).Se repite el proceso con otros dos moldes
compactándolos con 25 y 12 golpes respectivamente para cada una de las
cinco capas.
Enrasados los moldes, una vez ya girados y extraída la base, se coloca,
encima de la probeta, una sobrecarga anular de 2,25 kg y se lleva el conjunto a
la prensa.
La prensa se compone de un pistón metálico de 49,6 mm de diámetro y un
sistema de medida de deformación. Se aplica la carga sobre el pistón a una
velocidad de penetración uniforme de 1,2 mm/min. Se anotan las lecturas de
carga correspondientes a los valores de penetración en pulgadas: 0.005,0.025,
0.050, 0,075, 0,100, 0,150, 0.200, 0.250, 0.300, 0.400, 0.500.
Una vez acabada la operación, se retira el molde de la prensa, se desmonta y
se extrae, de la zona próxima a la penetración, se toma una muestra pequeña
para determinar la humedad final del suelo fallado.
Finalmente se procesan los datos y se representan las densidades secas en el
eje de las ordenadas y sus respectivos índices C.B.R, en el de las abscisas.
____________________ 20
I.N.V. E – 148 – 07, Relación de Soporte del Suelo en el Laboratorio, ESPECIFICACIONES GENERALES DE CONSTRUCCIÖN DE CARRETERAS Y NORMAS DE ENSAYO PARA MATERIALES DE CARRETERAS, Instituto Nacional de Vías (INVIAS), [consultado 23 agos 2012].
38
6. RESULTADOS OBTENIDOS.
En este capítulo se incluyen los resultados promedio obtenidos a partir de los
ensayos realizados, para lo cual se muestran ciertas gráficas que indican el
comportamiento de los diferentes especímenes de las pruebas.
De igual forma, se presenta para cada caso la descripción de cómo se llevó a
cabo el ensayo, y si es necesario los requisitos que deben satisfacer cada uno
de los materiales involucrados, de manera que se puedan fundamentar las
conclusiones finales de esta investigación.
6.1. ANALISIS GRANULOMETRICO PARA LAS MUESTRAS.
Las muestras de suelo se tomaron del Rio Magdalena sector el arenal del
Municipio de Barrancabermeja. El material seleccionado se llevó al laboratorio
y se dividió en cuatro partes de las cuales se tomaron tres y con cada una de
ellas se realizó una prueba.
Inicialmente se dejaron secar las muestras 24 horas, para al día siguiente
realizar el lavado del suelo por el tamiz No 200 y posteriormente estando seco,
realizar el cribado y finalmente clasificarlo según El Sistema Unificado de
Clasificación de Suelos (USCS).
De acuerdo, con los ensayos de granulometría por tamizado con lavado por el
tamiz Nº 200, realizados en el laboratorio, se obtuvo la siguiente información:
Muestra 1. Muestra 2. Muestra 3. PROMEDIO
% Gravas. 6,46 1,07 1,13 2,89
% Arenas. 89,48 95,59 96,36 93,81
% Finos 4,06 3,34 2,51 3,30
Tabla 6. Datos granulometría para tipo de suelo seleccionado.
39
Figura 9. Curvas Granulométricas de tipo de Suelo Estudiado.
En la tabla 6, se presentan los resultados obtenidos para la prueba de
granulometría, o sea, los porcentajes de gravas, arenas y finos de las tres
muestras con las que se determinó el tipo de suelo, dando como resultado, que
el mayor porcentaje retenido se encuentra en las arenas. La figura 10 muestra
las curvas granulométricas obtenidas de los tres ensayos, lo cual permite dar
una visión objetiva de la distribución de tamaños de la granulometría de la
arena utilizada para realizar los ensayos de Corte directo y C.B.R.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,010,1110
% P
asa
Diametro particula (mm)
Granulometría por Mallas
Muestra 1
Muestra 2
Muestra 3
40
6.2. LIMITES DE PLASTICIDAD.
Los límites de Atterberg para el material estudiado (Arena mal gradada), no se
requieren por el tipo de suelo, y porque el porcentaje de finos es inferior al 5%,
por tanto no hay plasticidad, ni cohesión.
6.3. PROCTOR MODIFICADO (ENSAYO DE COMPACTACIÓN).
Una vez realizada la clasificación granulométrica de la cual se obtuvo una
arena mal gradada (SP), se tamizaron aproximadamente 15 kilos del material
seleccionado, pasándolo por el tamiz Nº 4, descartando el material grueso
retenido sobre dicho tamiz, luego se realizaron tres (3) ensayos de Proctor
modificado, variando el contenido de humedad del suelo, obteniendo un primer
punto de humedad baja, un segundo punto de humedad alta y un tercer punto
con una humedad cercana a la óptima. Finalmente se determinó la humedad
óptima y densidad seca máxima de compactación del suelo.
Los resultados obtenidos en estas las pruebas son los siguientes:
Muestra Nº Humedad óptima (%) Densidad Máxima (gr/cm3)
1 9,00 2,00
2 9,10 1,99
3 9,00 2,091
Promedio 9,00 2,00
Tabla 7. Humedad Óptima y Densidad Máxima de suelo seleccionado
En la tabla 7 se puede observar que la Wopt promedio es de 9.5% y el gd max
es de 2.02 gr/cm3
41
6.4. ENSAYO DE CORTE DIRECTO.
Una vez determinada la humedad óptima con el ensayo de compactación
proctor modificado, se realizaron 15 ensayos de corte directo con dicha
humedad, la cual fue de 9,0%, en total estos ensayos suman 45 especímenes
de acuerdo a la carga aplicada que iba desde 0.5, 1.0 y 2.0 Kg/cm2. Los
resultados se muestran a continuación:
Ensayo Nº. Humedad (%) Densidad Húmeda
(gr /cm3) (°)
Densidad Seca (gr/cm
3)
1 36,93 1,9 41,7 1,39
2 9,32 1,844 38,5 1,69
3 8,83 1,84 40,5 1,69
4 8,96 1,86 37,3 1,71
5 9,38 1,78 38,2 1,63
6 8,93 1,93 37,3 1,77
7 9,19 1,83 39,0 1,68
8 9,12 1,95 38,0 1,79
9 9,06 1,98 37,4 1,82
10 9,06 1,97 38,1 1,81
11 8,93 1,93 37,9 1,77
12 8,98 1,84 38,3 1,69
13 8,92 1,86 38,5 1,71
14 9,09 1,86 38,1 1,71
15 9,04 1,86 38,5 1,71
Promedio. 9,07 1,88 38,49 1,70
Desv. Estándar. 7,20 0,06 1,18 0,10
Coef.Variación. 1,70 3,08 3,08 6,01
42
Tabla 8. Resultados Corte Directo con Humedad Optima de 9.0%*
En la tabla 8 se observan los coeficientes de variación hallados para cada
variable determinada en los ensayos, el rango generado por los datos se
encuentra entre 1.70% a 6,01%, lo cual es conveniente, porque muestra que
los datos obtenidos son confiables para esta investigación. Basándonos según
la ciencia estadística, los datos son muy homogéneos y prácticamente
perfectos, porque el coeficiente de variación se encuentra entre 0% a 11%.
Es importante resaltar que si el coeficiente de variación se excede del 16%, los
datos ya no son confiables, pues presentan mucha dispersión, en tal caso es
recomendable volver a repetir la muestra y si el coeficiente de variación no
supera el 16% no es necesario realizar más ensayos porque la distribución del
muestreo o frecuencia relativa tienden a estabilizarse, lo cual indica que la
distribución es normal. El Angulo de fricción promedio obtenido es de 38.49°,
este valor se comparara con el que se determine en el ensayo de C.B.R.
6.5. ENSAYO DE C.B.R (California Bearing Ratio).
Determinada la humedad óptima como un 9.0% y la densidad seca máxima de
2,0 gr/cm3 del ensayo de Proctor modificado, se procedió a realizar 15 ensayos
de C.B.R, que en total suman 45 especímenes los cuales están distribuidos
entre 56, 25,12 golpes por capa. Se aclara que el CBR en cada ensayo se
escogió con el 100% de la densidad seca máxima obtenida en el ensayo
Proctor modificado. A continuación los resultados:
En la tabla 9, se observa que el C.B.R. promedio es de 33.47%, para el caso
de este ensayo el rango de los coeficientes de variación se encuentra entre
1.48% a 6,75%, lo cual indica que los datos son confiables porque el
coeficiente de variación no es superior a 16%. Para el C.B.R. se determinó la
densidad seca de 12, 25, y 56 golpes para hacer una comparación entre estos
*Los cálculos y Gráficos detallados de cada ensayo se encuentran en el anexo E
43
con un Kn. el cuál es la relación entre el ángulo de fricción y el promedio de la
densidad seca.
Muestra Nº Humedad
(%) C.B.R.
(%)
gd 56 Golpes (gr/cm3)
gd 25 Golpes
(gr/cm3)
gd 12 Golpes
(gr/cm3)
1 9,33 35,20 1,98 1,93 1,86
2 8,91 31,00 2,01 1,95 1,9
3 9,02 31,00 2,07 1,91 1,8
4 8,95 31,30 2,16 1,99 1,82
5 8,93 32,10 2,24 1,93 1,73
6 9 32,10 2,14 1,82 1,62
7 9,36 30,40 2,32 1,92 1,71
8 9,13 36,30 2,05 1,76 1,61
9 8,99 34,80 2,11 1,76 1,62
10 8,94 38,10 2,25 1,74 1,69
11 9 30,40 2,16 1,76 1,58
12 8,99 30,80 2,06 1,76 1,58
13 9,01 32,10 2,11 1,82 1,58
14 9,03 38,10 2,18 1,7 1,64
15 9,02 38,40 2,09 1,76 1,54
Promedio 9,04 33,47 2,13 1,83 1,69
Des. Estándar. 0,13 3,03 0,09 0,09 0,11
Coef. Variación. 1,48 9,05 4,37 5,13 6,75
Tabla 9. Resultados C.B.R. para Humedad Optima de 9.0%.†
†Los cálculos y Gráficos detallados de cada ensayo se encuentran en el anexo D.
44
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS.
A continuación se presenta el análisis de los resultados obtenidos en este
trabajo de grado.
7.1. Granulometría.
Primero se determinó el porcentaje de gravas, arenas y finos, luego se hallaron
los coeficientes de uniformidad y coeficiente de curvatura con el D60, D30 y
D10, obtenidos de la curva granulométrica. A continuación se muestran cada
una de las curvas granulométricas para las tres muestras que se tomaron para
la clasificación del suelo:
Figura 12. Granulometría por mallas, D60, D30 y D10 para muestra 1.
45
Figura 13. Granulometría por mallas, D60, D30 y D10 para muestra 2.
Figura 14. Granulometría por mallas, D60, D30 y D10 para muestra 3.
La figuras 12, 13 y 14, muestran las curvas granulométricas y la forma como
se obtuvieron los D60 D30 D10 para así hallar los coeficientes de curvatura y
coeficiente de uniformidad. La tabla 10 muestra los parámetros de gradación
obtenidos para las 3 muestras y su respectivo promedio para cada una de
estas.
46
%
Gravas. %
Arenas. %
Finos. D60 D30 D10 Cu Cc
Muestra 1. 8,38 88,63 2,99 0,22 0,55 0,8 3,54 1,72
Muestra 2. 9,2 87,46 3,34 0,22 0,47 1,1 5 0,91
Muestra 3. 9,68 87,02 3,3 0,2 0,48 1,24 6,2 0,93
PROMEDIO 9,09 87,70 3,21 0,21 0,50 1,05 4,91 1,19
TABLA 10. Análisis Granulométrico para Material Seleccionado.
Según el USCS, en el análisis granulométrico para determinar el tipo de suelo
se selecciona el que presente la mayor distribución de tamaño de partículas de
suelo.
Analizando los tres tipos de suelos, donde se halla el mayor porcentaje
promedio, es en las arenas, con un 87,70%.Por lo cual se establece que este
es el tipo de suelo para esta investigación.
Posteriormente se determina la gradación para arenas, en la cual el coeficiente
de uniformidad, debe ser mayor a 6 y el coeficiente de curvatura debe estar en
el rango de 1 a 3.Sino se encuentra en estos rangos se dice que presenta una
mala gradación.
Para las muestras de este estudio, se hallaron los coeficientes anteriormente
mencionados, el promedio calculado fue de 4.91 y 1.19, respectivamente. Se
comprueba de este modo que finalmente el tipo de suelo es una arena mal
gradada (SP).
7.2. Proctor Modificado
47
Una vez terminados los ensayos de proctor modificado, se hallaron el peso
específico seco y la humedad para cada uno de los especímenes, estos datos
se graficaron para obtener la densidad seca máxima y la humedad optima del
suelo. A continuación se muestran las tres curvas de compactación.
FIGURA 15. Curvas Peso Específico Seco y humedad Óptima Promedio de
Ensayo de Proctor Modificado.
La figura 15, muestra las humedades y pesos específicos secos de los tres
ensayos que se realizaron, para cada curva se halló una línea de tendencia
polinómica en la cual se puede apreciar que el ajuste de los datos a la
tendencia es bueno, con un R2 de 1.
Se observa que la humedad optima de cada uno de los ensayos varía entre
8,9% y 9.1%, y la densidad seca máxima entre 1,99/cm3 y 2.01gr/cm3. En
promedio se halló que la densidad máxima seca es de 2.0 gr/cm3 y la humedad
óptima es de 9.0 %.
1,81
1,83
1,85
1,87
1,89
1,91
1,93
1,95
1,97
1,99
2,01
2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00
De
nsi
dad
Se
ca (
gr/c
m3)
Humedad (%)
48
Los datos anteriormente obtenidos fueron los parámetros utilizados para
realizar los ensayos de comparación de la resistencia la corte en este proyecto
de grado, los cuales fueron Corte directo y C.B.R tipo I.
7.3. Análisis de tendencias.
Una vez obtenidos los resultados de los ensayos de corte directo y CBR tipo 1,
estos se analizaron con el fin de encontrar tendencias existentes entre las
diferentes propiedades físicas de los ensayos.
Las tendencias analizadas fueron los siguientes:
Ángulo de fricción interna ( y CBR (%).
Coeficiente (Kn) vs Densidad seca (gr/cm3).
Coeficiente (Kn) vs N° de golpes.
7.4. Ángulo de fricción interna ( y CBR (%).
Se determinó la relación entre el ángulo de fricción interna y el C.B.R, con el fin
de hallar un coeficiente (KCBR) que servirá para conocer el valor del ángulo de
fricción interna, solo con realizar el ensayo de C.B.R.
La ecuación planteada es =KCBR*CBR, en donde es el promedio del ángulo de
fricción interna obtenido de los ensayos de corte directo. El CBR tomado es el
49
promedio de los ensayos obtenidos de este; KCBR será la relación entre el
ángulo de fricción (y CBR.
El coeficiente (KCBR) calculado es de 1.15 el cual se halló con los datos de los
ensayos realizados que fueron: ángulo de fricción interna = 38.49°; CBR =
33,47%.
El objetivo de hallar el coeficiente es que en el momento de realizar un ensayo
de CBR solo basta multiplicarlo por el coeficiente (KCBR) y así obtener el ángulo
de fricción interna () por lo cual no sería necesario de realizar el ensayo de
corte directo*, pues debido a que el material tratado es una arena mal gradada
la cual no tiene cohesión, la realización de este ensayo puede ser dispendiosa
a la hora de desencofrar las muestras sobre la caja del aparato de corte
directo.
7.5. Coeficiente (Kn) Vs Densidad Seca.
El objetivo de hallar el valor de Kn, es hallar el ángulo de fricción interna de la
arena (SP) en función de la densidad de la misma.
Para el análisis de esta tendencia tomamos como un referente la fórmula:
*La ecuación solo es válida para arenas mal gradadas (SP) con una humedad óptima entre el 8,5% y 9,5% y un peso específico seco máximo cercano a 2,0 gr/cm
3.
50
Siendo es el promedio del ángulo de fricción obtenido de los ensayos de
corte directo, n el número de golpes por capa de los CBR (12. 25, 56 golpes),
gd como el promedio de la densidad seca para cada número de golpes y Kn es
la relación entre el ángulo de fricción y el promedio de la densidad seca.
= K12*gd12
= 38,49
Donde gd12(gr/cm3)= 1,69
K12 =( / gd12)
K12 (cm3/gr)= 22,84
= K25*gd25
= 38,49
Donde gd25(gr/cm3)= 1,83
K25 =(/gd25)
K25 (cm3/gr)= 20,99
= K56*gd56
= 38,49
Donde gd56(gr/cm3)= 2,13
K56 =(/gd56)
K56 (cm3/gr)= 18,08
Tabla 11. Coeficiente (K) y Número de golpes.
La tabla 11 muestra cada uno de los valores que se calcularon de los
coeficientes (Kn) respecto a las densidades secas de los datos de CBR para
cada uno de sus golpes por capa (12. 25. 56).
51
Figura 16. Coeficiente (Kn) vs Densidad seca.
La figura 16 muestra la variación del coeficiente Kn vs la densidad seca para los
Números de golpes por capa de los ensayos CBR, el cual genera una ecuación
de tendencia lineal y = -287,41x2+1129,9x-1084,5 la cual se adapta a las
variables estudiadas.
7.6. Coeficiente (Kn) vs Número de golpes.
La figura 17 muestra la variación del coeficiente Kn, tomado de la tabla No 11
con el número de golpes por capas de la prueba C.B.R.
y = -287,41x2 + 1129,9x - 1084,5 R² = 1
0
5
10
15
20
25
30
1,75 1,8 1,85 1,9 1,95 2 2,05 2,1
Kn
Densida Seca (gr/cm3)
Kn vs Densidad Seca
52
Figura 17. Coeficiente (Kn) vs Nº de Golpes.
La importancia de la figura 17 radica en que se puede obtener el coeficiente Kn
con un número de golpes por capa bajo (por ejemplo 12). Una vez obtenido el
valor de Kn, este se multiplica por la densidad de la arena compactada por el
número de golpes por capa escogido y de esta forma se obtiene un valor
aproximado del ángulo de fricción interna de la arena mal gradada (SP).
y = -3,096ln(x) + 30,677 R² = 0,99
18
18,5
19
19,5
20
20,5
21
21,5
22
22,5
23
0 10 20 30 40 50 60
K
Nº Golpes
K vs Nº Golpes
53
8. CONCLUSIONES.
Al material escogido se le realizaron tres (3) pruebas de granulometría
por tamizado, con lavado por la malla # 200 y se encontró que según el
Sistema Unificado de Clasificación del suelo (USCS), el nombre del suelo
corresponde a una arena mal gradada (SP).
Una vez clasificado el suelo, se realizaron tres (3) pruebas de
compactación tipo Proctor modificado para determinar la densidad máxima
seca y la humedad óptima. corte, las Según estos ensayos, los valores de la
densidad seca máxima y la humedad óptima fueron de 2.0 gr/cm3 y 9.0%,
respectivamente.
Conocidos el peso específico seco máximo y la humedad óptima de la
arena mal gradada estudiada se realizaron quince (15) ensayos de corte
directo sobre probetas compactadas con la humedad óptima, obteniendo un
ángulo de fricción interna promedio de 38,49º, la humedad optima promedio de
9.0%, densidad húmeda promedio de 1.88 gr/cm3 y densidad seca promedio
1.73 gr/cm3 y una cohesión nula. La cohesión se despreció, porque las arenas
mal gradadas no poseen cohesión, aunque arrojaba valores muy pequeños,
dando en promedio 0.035 kg/cm2.
Además de los ensayos de corte directo, se realizaron quince (15)
pruebas de C.B.R. tipo I, para obtener la relación de soporte de california, la
cual fue de 33,47 %, la humedad optima promedio fue de 9.04% y la densidad
seca promedio para 56, 25 y 12 golpes fue de 2.13 gr/cm3, 1.83 gr/cm3 y 1.69
gr/cm3 respectivamente.
54
Para las arenas mal gradadas estudiadas se obtuvo una relación entre el
ángulo de fricción interna () y el CBR (%) por medio de un coeficiente KCBR
con la ecuación No 4.
El valor obtenido en este trabajo de dicho coeficiente KCBR fue de 1.15 el cual
servirá para la obtener del ángulo de fricción interna con solo multiplicarlo por el
valor del CBR.
También se obtuvo un coeficiente Kn, que relaciona el ángulo de fricción
interna del material con el peso específico seco obtenido para el número de
golpes por capa determinado. La relación obtenida es la siguiente:
Cada una de las ecuaciones obtenidas son válidas únicamente para las
arenas mal gradadas (SP) estudiadas con una humedad óptima entre el 8,5% y
9,5% y un peso específico seco máximo cercano a 2 gr/cm3.
A parte de obtener una relación directa entre el ángulo de fricción interna
y el valor de C.B.R, también se obtuvo una forma de calcular el valor de dicho
ángulo en función del número de golpes por capa y la densidad
correspondiente a dicho número de golpes. la secuencia es la siguiente:
primero se estima el valor del peso específico seco correspondiente al número
de golpes por capa usado y luego se calcula el valor de Kn para dicho número
de golpes, finalmente se multiplican estos dos valores para obtener el ángulo
de fricción interna.
55
El objetivo principal de obtener las relaciones presentadas en este
trabajo de investigación es la de estimar el valor del ángulo de fricción interna
de las arenas estudiadas a partir de variables halladas en el ensayo de C.B.R.
tipo I, sin necesidad de hacer el ensayo de corte directo, ya que para este tipo
de materiales granulares sin cohesión es muy difícil desencofrar las muestras
de las formaletas sin que estas se desmoronen.
56
9. OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES.
Se recomiendan realizar más ensayos para bajar el coeficiente de variación, aunque en el presente estudio los valores estuvieron tolerables, con más datos el error disminuye.
Al realizar los ensayos los especímenes se deben ensayar lo más rápido posible, esto con el fin de que la humedad no varíe entre estas y pueda alterar los resultados.
57
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