geotecnia aplicada a las vÍas terrestres

GEOTECNIA APLICADA A LAS VÍAS TERRESTRES

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN FUNDAMENTOS DE MECÁNICA DE

SUELOS BANCOS DE MATERIAL COMPACTACIÓN REVISIÓN DE ESTRUCTURAS DE

CONTENCIÓN ESTABILIDAD DE TALUDES

INTRODUCCIÓN

OBJETIVO

Adquirir, reafirmar o ampliar conocimientos geotécnicos con aplicación en algunas áreas específicas de las vías terrestres.

DEFINICIONES

GEOTECNIA Técnica aplicada al conocimiento de la

tierra. Área de la ingeniería que estudia las

características físicas y las propiedades mecánicas de las formaciones naturales (suelos-fragmentos de roca-rocas) con las cuales o sobre las cuales habrá de construirse una obra (vía terrestre), así como su comportamiento en cuanto a esfuerzo y deformación, de modo que sean resistentes, durables y armónicas con el medio ambiente.

MECÁNICA DE SUELOS

Estudia el comportamiento mecánico e hidráulico de los suelos.

GEOLOGÍA

Ciencia que estudia la tierra. Ciencia qyue estudia la constitución y

propiedades de los materiales que forman la tierra, asi como los cambios habidos en ella, es decir, los procesos que la formaron y la transforman. También estudia las formas de vida (Geología histórica)

Revela el drama de la tierra, cuyo proceso queda registrado en las rocas, como testimonio de acontecimientos que discurren gradual, lenta y tranquilamente o mediante cambios convulsos, violentos y revolucionarios.

LA GEOTECNIA Y OTRAS DISCIPLINAS

GEOTECNI A = MECÁNICA DE SUELOS + MECÁNICA DE ROCAS + GEOLOGÍA

ALGUNAS APLICACIONES DE LA GEOTECNIA

ESTRUCTURAS Cimentaciones

HIDRÁULICA Obras de conducción y retención de agua

VÍAS TERRESTRES Obras viales y afines

Algunas áreas específicas de aplicación de la geotecnia

CIMENTACIONES Distribución de esfuerzos Resistencia (capacidad de carga) Deformaciones (asentamientos) Que permiten saber: Tipo de cimentación Profundidad de desplanre Tratamiento de las cimentaciones

OBRAS SUBTERRÁNEAS: Túneles Obras de drenaje

EXCAVACIONES O RELLENOS: Estabilidad de cortes, terraplenes

y laderas naturales Muros de contención y ademes

HUNDIMIENTOS LOCALES: Flujos de agua subterránea y

tubificación Extracción de agua Afallamiento geológico Consolidación natural CARACTERIZACIÓN DE LOS

MATERIALES: Como elementos estructurales (suelo-

cemento, tabicón prensado) Como agregado pétreo (calidad de los

materiales en la construcción de terracerías y pavimento)

EXPLORACIÓN E INSTRUMENTACIÓN

Exploración directa y semidirecta (pozos del tipo PCA, Penetración Estándar)

Exploración indirecta (Geofísica de tipo sísmica, de resistividad eléctrica)

Estudios geotécnicos

Estudio geotécnico en las vías terrestres: Es el conjunto de actividades de campo y laboratorio, asi como el análisis de los resultados obtenidos que conduzcan al conocimiento de las características y propiedades de los diferentes tipos de suelos y rocas que constituyen el terreno de cimentación y los que forman la estructura vial.

Objetivo: una estructura resistente, poco deformable y durable.

FUNDAMENTOS DE MECÁNICA DE SUELOS

MECÁNICA: Parte de la física que estudia las condiciones de movimiento o reposo de los cuerpos bajo la acción de fuerzas.

SUELO: Es un arreglo complejo o sistema intrínseco de tres fases: sólida, líquida y gaseosa.

MECÁNICA DE SUELOS: Estudia las características y propiedades de los suelos, asi como su comportamiento mediante la aplicación de las leyes de la mecánica y de la hidráulica.

CARACTERÍSTICAS DE LA FASE SÓLIDA:

partículas discretas con tamaño menor a 76.2 mm (3”)

Producto de la alteración de las rocas: desintegración mecánica (misma composición mineralógica, partículas poliédricas, gruesas e inertes) o

descomposición química (Oxidación, hidratación carbonatación; diferente composición mineralógica, particulas laminares, finas y cohesivas)

CICLO GEOLÓGICO DE FORMACIÓN DE SUELOS Y ROCAS

MAGMA ROCAS IGNEAS

ALTERA

CIÓN

INTEMPERISMO

SUELOS TIPOS DE SUELOS (clasificación geotécnica de

acuerdo a su origen): Suelos residuales Suelos transportados

LAS PROPIEDADES DE LOS SUELOS

La Mecánica de Suelos estudia las características y propiedades . . .

PROPIEDADES ÍNDICE

PROPIEDADES MECÁNICAS

PROPIEDADES HIDRÁULICAS

PROPIEDADES ÍNDICE DE LOS SUELOS

Propiedades índice: características propias de los suelos que son INDICATIVAS de su comportamiento y ayudan a su identificación y clasificación:

PESOS VOLUMÉTRICOS GRANULOMETRÍA ESTRUCTURA (y composición

mineralógica) ESTADOS Y LÍMITES DE

CONSISTENCIA (contenido de humedad)

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS SUELOS

ESFUERZOS (Geoestáticos y por solicitaciones externas)

DEFORMACIONES (a los esfuerzos generados por las cargas aplicadas)

RESISTENCIA (a los esfuerzos provocados)

PROPIEDADES HIDRÁULICAS DE LOS SUELOS

CAPILARIDAD (Fuerzas de tensión superficial)

PERMEABILIDAD (Flujos de agua)

Estados o condiciones de una masa de suelo:

F.G.

F.L. F.L. F.G.

F.S. F.S. F.S.

Parcialmente Saturado Seco

Saturado

RELACIONES VOLUMÉTRICAS Y GRAVIMÉTRICAS

Pesos volumétricos en los suelos y otras relaciones importantes

Peso específico o peso volumétrico:

m = Wm/Vm

Peso volumétrico del suelo seco.

d = Ws/Vs

Peso volumétrico de los sólidos.

s = Ws/Vs

Peso específico relativo (del suelo)

Sm = m / w = Wm/Vmw

Peso específico relativo del suelo seco

Sd = m / w = Ws/ Vmw

Peso específico relativo de los sólidos

Ss = s / w = Ws/ Vsw

(2.6Ss2.9)

Relación de vacíos e = Vv/Vs Porosidad (%) = (Vv/Vm)100 Grado de saturación Gw(%) = (Vw/Vv)100 Contenido de agua o humedad w(%) = (Ww/Ws)100

Determinación de relaciones volumétricas y gravimétricas en suelos

secos. Caso 1:

e = , Ss = , d = ?; d = Sso /(1+e)

Caso 2:

= , Ss = , d = ?; d = (1- )Ss o

Correlación entre e y en suelos secos: Igualando las expresiones de d y despejando e o :

e = /(1- )

= e/(1+e)

Relaciones volumétricas y gravimétricas en suelos saturados

Caso 1:

e = , Ss = , m = ?; m = o (Ss+e)/(1+e) Caso 2:

= , Ss = , m = ?; m= o [Ss(1- )+ ]

Correlación entre e y en suelos saturados: Igualando las expresiones de m y despejando e o :

e = /(1- )

= e/(1+e)

Relaciuones volumétricas en suelos parcialmente saturados

Caso 1:

e = , Ss = , w = , m = ?

m = o Ss(1+w)/(1+e)

Caso 2:

e = , Ss = , Gw = , m = ?

m = o (Ss+eGw)(1+e)

GRANULOMETRÍA DE SUELOS

Forma y tamaño de las partículas de un suelo:

Forma:

En suelos gruesos: Equidimensional (redondeada, angulosa o subangulosa)

En suelos finos: Laminar (principalmente)

Características de los suelos, por su tamaño

Con relación a la forma, de manera general, se puede decir:

Los suelos gruesos tienen mayor resistencia al esfuerzo cortante que los suelos finos

Los suelos gruesos se compactan mejor bajo la acción de carga vibratorias, mientras que los suelos finos bajo la acción de cargas estáticas o por amasado.

Los suelos gruesos son más permeables que los suelos finos.

Distribución granulométrica de los suelos

Tamaño: Asociado con el concepto de

granulometría.Los métodos más usuales para

determinar los tamaños de las partículas de un suelo son:

Análisis granulométrico por tamizado (o determinación de la composición granulométrica mediante el uso de malla)

Análisis hidrométrico, por sedimentación o lavado.

Métodos de análisis

La prueba tiene dos variantes:

Análisis granulométrico estándar

Análisis granulometrico simplificado

Análisis granulométrico estándar

Análisis granulométrico estándar:

Consiste en separar por tamaños las partículas del suelo, mediante cribado, es decir, pasándolo a través de una sucesión de mallas (de la No. 75 a la No. 0.075) de aberturas cuadradas y en pesar las porciones que se retienen en cada una de ellas, expresando dichos retenidos como porcentaje en peso de la muestra total.

Curva granulométrica

Curva granulométrica

La distribución de las partículas por tamaño se expresa mediante una gráfica llamada curva granulométrica.

En la curva granulomética se puede relacionar el % en peso de las partículas de tamaño inferior (o superior) a cierto diámetro.

% Que pasa (esc. nat.)

Di

Tamaño (esc.log.) La granulometría obtenida da una idea de

la composición de los tamaños solamente en dos tamaños, por lo que las curvas son representativas de partículas supuestas equidimensionales y no de las que tengan forma laminar o acicular.

Coeficientes de uniformidad y curvatura

Para fines de clasificación de suelos, se definen los siguientes coeficientes, que juzgan sobre la granulometría del material:

Coeficiente de uniformidad: Cu = D60/D10 Coeficiente de curvatura: Cc = (D30)2/D10*D60 D10, D30, D60 representa el tamaño de

las partículas, en mm, que en la gráfica de la composición granulométrica corresponden al 10%, 30% y 60% que pasa.

Iportancia de la granulometría

Las características granulométricas de un suelo influyen en la mayor o menor facilidad de compactación y consecuentemente en su comportamiento mecánico (principalmente en los suelos gruesos).

Un suelo tiene mayor estabilidad cuando tiene menor cantidad de vacíos, condición que se logra cuando el suelo tiene una sucesión adecuada de tamaños, de manera que las partículas más pequeñas ocupan los espacios entre las mayores

ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN MINERALÓGICA

Además de la forma y el tamaño de las partículas, es importante conocer su grado de acomodo y orientación.

El acomodo, distribución o arreglo y la orientación de las partículas define la ESTRUCTURA DE LOS SUELOS y de ésta depende, en gran parte, el comportamiento mecánico.

En el acomodo y orientación de las particulas de un suelo intervienen (principalmente) fuerzas:

Gravitacionales en suelos gruesos

Electroquímicas en suelos finos

Principales estructuras de los suelos

Suelos finos: Estructura floculada: Presenta

partículas de suelo en contacto cara-borde

Estructura dispersa: Posee partículas en disposición paralela

Suelos gruesos: Estructura simple: El acomodo de

las partículas se debe principalmente a las fuerzas gravitacionales

Compacidad relativa

En los suelos gruesos, la estructura o grado de acomodo puede cuantificarse e interpretarse por la compacidad relativa (Terzghi):

Cr = (emáx. – enat.)/(emáx. – emín.)

Niveles de compacidad

Cr (%) Denominación

0 – 15 muy suelta

0 – 35 suelta

35 – 65 (compacidad) media

65 – 85 compacta

85 – 100 muy compacta

A mayor acomodo, mayor compacidad y menor deformación.

Composición mineralógica

El comportamiento de los suelos está influenciado por su estructura y por su composición mineralógica (principalmente en los finos plásticos).

En la naturaleza se conocen cerca de 2000 minerales, de los cuales sólo 50 de ellos intervienen preponderantemente en la formación de las rocas.

Minerales constitutivos de los suelos

Los minerales constitutivos de las rocas se han integrado en grupos de acuerdo a sus elementos:

Silicatos (SiO4): Fueron los primeros compuestos que se

formaron al enfriarse la roca fundida. Las rocas magmáticas contienen más del 90% de estos minerales.

- Silicatos ferromagnesianos: Olivino, augita, hornblenda, biotita, piroxena, anfíbola. - Silicatos no ferromagnesianos: Muscovita, cuarzo y feldespato potásico (ortoclasa) o

sódico (plagioclasa)

Óxidos

Oxígeno+mineral: Cuarzo, sílice o bióxido de silicio (SiO2), magnetita, hematita y limonita.

Sulfuros

Oxígeno+mineral: pirita (FeS2), calcocita (CuS), galena (PbS), esfalerita (ZnS)

Carbonatos

Carbono+oxígeno: calcita o carbonato de calcio (CaCO3)

Sulfatos

Azufre+oxígeno: Anhidrita o sulfato de calcio (CaSO4). Yeso hidratado de calcio (CaSO.2H2O)

Minerales constitutivos de las arcillas

Las ARCILLAS están constituidas basicamente por silicatos de aluminio, magnesio, hierro y otros minerales (en menor proporción), cuya estructura cristalina (forma mineralógica) está bien definida, disponiéndose los átomos en láminas:

Lamina sílica o silícica Lámina alumínica.

Lámina sílica

Formada por un átomo de silicio rodeado de 4 de oxígeno, en forma de tetraedro; tetraedros que se unen a la vez entre sí formando unidades hexagonales . Las unidades hexagonales se repiten indefinidamente formando una reticula laminar o . . .

Lámina alumínica

Formada por un átomo de aluminio al centro, rodeado de 6 átomos de oxígeno, formando octaedros, que en sucesión continua forman una reticula laminar.

. . .

Tipos de arcillas

La combinación o empaquetamiento de las estructuras laminares o retículas anteriores, comunes en las arcillas, da lugar a los llamados minerales de arcilla o tipos de arcilla:

Montmorilonita Illita Caolinita

Arcilla montmorilonita: Está formada por el empaquetamiento

de una lámina alumínica entre dos sílicas, superponiéndose indefinidamente.

Arcilla Illita: Resulta del empaquetamiento de una

lámina alumínica entre dos sílicas, pero separadas por átomos de potasio.

Arcilla caolinita: Resulta del empaquetamiento de una

lámina sílica y otra alumínica que se superponen progresivamente

Comportamiento de las arcillas De las arcillas mencionadas, la

montmorilonita es la que presenta la unión más débil entre sus laminas, lo que permite el paso del agua entre ellas logrando separarlas hasta 400 Amstrongs

(Å=10-8 cm) o absorber agua hasta 7 veces su propio volumen, lo que se manifiesta como una expansión. Por ello se considera que las arcillas montmorilonitas son muy inestables en presencia de agua.

ESTADOS Y LÍMITES DE CONSOISTENCIA

PLASTICIDAD

Es la capacidad que tienen los suelos arcillosos que les permite, bajo ciertas condiciones de humedad, soportar deformaciones rápidas e irreversibles, bajo la aplicación de esfuerzos, sin agrietarse ni desmoronarse.

Esta propiedad es originada por fenómenos electroquímicos que se propician por la presencia de una capa de agua adsorbida y viscosa, alrededor de las partículas, comunmente coloidales y con estructura laminar.

La plasticidad se atribuye a la deformación de la capa adsorbida que, aunque ésta está fuertemente adherida a las partículas de mineral de arcilla, cuando estas se comprimen, el agua adsorbida se desplaza con relativa velocidad sobre la superficie de las partículas y éstas sufren un desplazamiento relativo unas con respecto a otras

La plasticidad de un suelo no es una propiedad permanente, sino circunstancial, dependiendo de la cantidad de agua y composición mineralógica.

En consecuencia, del tipo de arcillas mencionadas, la montmorilonita es la qure tiene mayor capacidad de intercambio iónico y mayor proporción de agua adsorbida en la superficie de las partículas y por lo tanto mayor plasticidad

Estados de consistencia y límites de plasticidad

De acuerdo con su contenido de agua los suelos pueden estar en alguno de los siguientes ESTADOS DE CONSISTENCIA

ESTADO ESTADO ESTADO ESTADO ESTADO SÓLIDO SEMISÓLIDO PLÁSTICO SEMILÍQUIDO LÍQUIDO

(No varía (apariencia sólida (propiedades (comportamiento (props. de una

su vol. al pero disminuye de plasticidad) de suelo viscoso) suspensión)

secarse) vol. al secarse)

w

LC LP LL

Límites de consistencia

Los límites de consistencia son la frontera entre determinados estados de consistencia.

Límite líquido (LL): Contenido de agua que marca la frontera entre el estado plástico y semilíquido.

Límite plástico (LP): . . . frontera entre el estado plástico y semisólido.

Límite de contracción (LC): . . . Frontera entre el estado semisólido y sólido

Límites de plasticidad:

En particular al LL y al LP se les llama límites de plasticidad

Índice de plasticidad:

IP = LL – LP

Representa la magnitud del intervalo de humedad, en el cual el suelo presenta consistencia plástica.

Determinación del LL:

Método de Casagrande: En la práctica, el LL corresponde al contenido de agua mínimo, a partir del cual desaparece la resistencia al corte del suelo, por lo que se obtiene al determinar el contenido de agua de la fracción de suelo que pasa la malla No. 40 (0.425), en una cantidad de 250 gr al ser colocada en la Copa de Casagrande.

En la porción de suelo se efectua una ranura trapecial de dimensiones especificadas y cuando los bordes interiores se ponen en contacto en una longitud de 13 mm (1/2”), después de golpear la copa 25 veces, al dejarla caer desde una altura de 1.0 cm a razón de 2 golpes por segundo, se le determina su humedad.

Curva de fluidez:

Se hacen varias determinaciones, con diferentes contenidos de humedad, para los cuales se requieren diferentes números de golpes para cerrar la ranura, y con los resultados obtenidos se traza la curva de fluidez:

El LL se obtiene, en la ordenada de la gráfica dibujada, que corresponde a contenido de agua, a partir de la abscisa igual a 25 golpes:

contenido de agua (%) LL N No. De

golpes (esc.

log.)

Propuesta de Lambe:

LL= w[N/25]0.121

donde: w: porcentaje de humedad de suelo

que cierra entre 20 y 30 golpes

N: Número de golpes para el que

cerró la muestra ( entre 20 y 30)

Determinación del LP:

El LP corresponde al contenido de agua de la fracción que pasa la malla No. 40 (0.425) para que se puedan formar con ella, mediante rolado, cilindros de 3 mm de diámetro, antes de que se rompan o desmoronen.

CLASIFICACIÓN E IDENTIFICACIÓN DE SUELOS

Los límites de consistencia o de Atterberg y los índices asociados a dichos límites son útiles para la identificación y clasificación de suelos y también se usan frecuentemente para especificaciones en control de calidad.

Los límites de consistencia se obtienen de suelos que han sido amasados o remoldeados pero no reflejan características de comportamiento mecánico.

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Sistema de Clasificación de Aeropuertos

(Dr. Arturo Casagrande. 1942 Universidad de Harvard)

Sistema Unificado de Clasificación de Suelos: SUCS

(Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos)

SUCS

De acuerdo a la granulometría de las partículas, si el 50% o más de las partículas pasa la malla No. 200 se clasifica como fino o grueso si más del 50% es retenido en dicha malla.

Estos grupos se dividen a la vez en subgrupos; a cada grupo se le asigna un símbolo formado por una letra prefijo y una sufijo:

En los suelos gruesos: Letras prefijo: G (grava): si el 50% o más de

la fracción gruesa es

reteni- da en la malla No.

4

S (arena): Si más del 50% de

fracción gruesa pasa

pasa la malla No. 4

Letras sufijo: W (bien graduado) = f(Cu,Cc)

P (mal graduado)

M (limo) = f (LL, IP)

C (arcilla)

Suelos finos: Letra prefijo: M (limo) C (arcilla) O (suelo orgánico) Letra sufijo: L (baja compresibilidad LL < 50%) H (alta compresibilidad LL > 50%)

La fracción fina se subdivide en grupos tomando en cuenta las características de plasticidad y como la plasticidad ( consecuencia de la presencia y deformación del agua adsorbida y viscosa) está relacionada con la compresibilidad, a través del LL: [IP = 0.073(LL – 20)], entonces la compresibilidad es otra propiedad que influye en la formación de grupos para la clasificación de suelos finos.

Bien graduadas (GW)

Gravas (G) sin finos

Mal graduadas(GP)

Gravas (G) CASOS DE FRONTERA

NO plásticos (GM)

Gravas (G) con finos

Plásticos (GC)

Gruesos

Bien graduadas (SW)

Arenas (S) sin finos

Mal graduadas (SP)

Arenas (S) CASOS DE FRONTERA

NO plásticos (SM )

Arenas (S) con finos

Plásticos (SC)

Baja compresibilidad (ML), (LL<50%)

Limos (M) inorgánicos Compresibles (MH1), (50%<LL<100%)

Muy compresibles (MH2), (LL>50%)

Baja compresibilidad (CL), (LL<50%)

Finos Arcillas (C) inorgánicas Compresibles (CH1), (50%<LL<100%)

Muy compresibles (CH2), (LL>50%)

Baja compresibilidad (OL), (LL<50%)

Limos o arcillas orgánicas (O) Compresibles (OH1), (50%<LL<100%)

Muy compresibles (OH2), (LL>50%)

Bien graduadas (GW)

Gravas sin finos Cu>4, 1Cc 3

(menos 5% pasa # 200) Mal graduadas (GP)

(no cumplen con Cc y Cu)

Gravas CASOS DE FRONTERA

(más del 50% Con finos NO plásticos (GM)

se retiene #4) Gravas con finos (fracc.<#40 abajo linea A, o

(más del 12% pasa IP<4)

#200)

Con finos plásticos (GC)

(fracc. <#40 arriba linea A, o

IP>7)

Bien graduadas (SW)

Arenas sin finos Cu>6, 1Cc 3

(menos 5% pasa #200)

Mal graduadas (SP)

(no cumple con Cc y Cu)

Arenas CASOS DE FRONTERA

(más del 50%

pasa #4) Arenas (S) con finos Finos NO plásticos (SM )

(más del 12% pasa (abajo linea A o IP<4)

la #200)

Finos plásticos (SC)

(arriba linea A o IP>7)

Baja compresibilidad (ML), (LL<50%)

Limos (M) inorgánicos Compresibles (MH1), (50%<LL<100%)

Muy compresibles (MH2), (LL>50%)

Baja compresibilidad (CL), (LL<50%)

Finos Arcillas (C) inorgánicas Compresibles (CH1), (50%<LL<100%)

Muy compresibles (CH2), (LL>50%)

Baja compresibilidad (OL), (LL<50%)

Limos o arcillas orgánicas (O) Compresibles (OH1), (50%<LL<100%)

Muy compresibles (OH2), (LL>50%)

Carta de plasticidad

A. Casagrande encontró que en una relación LL – IP encontró que los suelos se agrupan de un modo específico, en zonas con características de plasticidad y propiedades mecánicas e hidráulicas bien definidas.

Esto dio lugar a la elaboración de una gráfica en un sistema cartesiano rectangular, llamada carta de plasticidad

IP Linea B Linea A arcillas inorgánicas

con características de suelos inorgánicos

plasticidad poco o nada plásticos

22 suelos de suelos de alta

de mediana a baja suelos finos compresibilidad

compresibilidad con apreciable contenido

de materia orgánica LL

20 50