MECANICA DE SUELOSI

Ingeniería Agrícola

Msc Ing. Norbertt Luis Quispe Auccapuclla.

PRIMERA SEMANA

UNIVERSIDAD NACIONAL SAN CRISTOBAL DE HUAMANGA

MECANICA DE SUELOS

Ciencia que se ocupa de las modificaciones que en los estados de equilibrio y de tensiones de la corteza terrestre producen las construcciones humanas.

según Jiménez Salas. La Mecánica del Suelo estudia problemas de equilibrio y deformación de masas de tierra. Masas de tierra conformadas por varias capas de suelos de naturaleza y espesores diferentes. Suelos que en sí ya no son homogéneos, sino que en cada uno de los diferentes tipos de suelo, nos encontramos con la fase sólida de las partículas de suelo propiamente dicho, y con otras fases como aire, agua o hielo, e incluso gas; es decir, el suelo puede llegar a ser tetrafásico.

MECANICA DE SUELOS

Ciencia que se ocupa de las modificaciones que en los estados de equilibrio y de tensiones de la corteza terrestre producen las construcciones humanas.

según Jiménez Salas. La Mecánica del Suelo estudia problemas de equilibrio y deformación de masas de tierra. Masas de tierra conformadas por varias capas de suelos de naturaleza y espesores diferentes. Suelos que en sí ya no son homogéneos, sino que en cada uno de los diferentes tipos de suelo, nos encontramos con la fase sólida de las partículas de suelo propiamente dicho, y con otras fases como aire, agua o hielo, e incluso gas; es decir, el suelo puede llegar a ser tetrafásico.

SUELOEs todo material no consolidado compuesto por partículas sólidas con gases y líquidos. Existen suelos compuestos por gravas, arenas, mezclas arcillosas, rocas muy meteorizadas, limos, cenizas, escorias, lavas, etc.

ROCASEs el material endurecido que para escavar se necesitan cuñas, taladros, explosivos o cualquier procedimiento de fuerza bruta. El límite de dureza de las rocas es de 14 kg/cm2.

PROPIEDADES GEOTECNICAS DEL SUELOPara el diseño de cimentaciones de estructuras se requerirá datos como:

Carga que transmite la superestructura. Normatividad local. Comportamiento esfuerzo-deformación de los suelos que

soportará el sistema. Condiciones geológicas del suelos.

Las propiedades geotécnicas del suelo, como: La distribución del tamaño del grano. La plasticidad. La compresibilidad. La resistencia por cortante,.Serán determinadas mediante pruebas de laboratorio.

DISTRIBUCION GRANULOMETRICA

ANALISIS GRANULOMETRICO POR MALLAS

Para clasificar adecuadamente un suelo se debe conocer su distribución granulométrica.

Para suelos de grano grueso …… Análisis granulométrico por mallas.

Para suelos de grano fino ….…… Análisis granulométrico con el hidrómetro.

Este análisis se efectúa tomando una cantidad medida de suelo seco y pasándolo a través de una serie de mallas cada vez más pequeñas y con una charola en el fondo. La cantidad de suelo retenido en cada malla se mide y el ciento acumulado de suelo que pasa a través de cada malla es determinado.

La prueba de tamiz va desde 4” hasta un tamiz 0.074 mm de gujeros.

Este porcentaje será denominado como “ PORCENTAJE QUE PASA” .

Lista de número de mallas usadas en US y su correspondiente tamaño de sus aberturas.

El porcentaje que pasa por cada malla, determinado por un análisis granulométrico por mallas, se grafica sobre papel

semilogarítmico,

Dos parámetros se determinan de las curvas granulométricas de suelos de grano grueso:

1) Coeficiente de uniformidad (Cu):

2) Coeficiente de graduación o curvatura (Cz):

Donde D10, D30 y D60 son los diámetros correspondientes al porcentaje que pasa 10, 30 y 60 %, respectivamente.

Los parámetros Cu y Cz se usan en el SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACION DE SUELOS.

Influye en el diámetro de los poros del suelo, y la cual influye a la permeabilidad.

ANALISIS GRANULOMETRICO CON EL HIDROMETRO

Se basa en el principio de la sedimentación de las partículas de suelo en agua. Para esta prueba se usan 50 gramos de suelo seco, pulverizado. Un agente defloculante se agrega siempre al suelo.

El defloculante más usado para el análisis granulométrico con el hidrómetro es 125 cc de solución al 4% de exametafosfato de sodio.

Se deja que el suelo se sature por lo menos 16 horas en el defloculante; luego se agrega agua destilada y se agita. La muestra se transfiere a una probeta de 1000 ml. e incrementada con agua hasta esa capacidad, luego agitada.

El hidrómetro se coloca dentro de la probeta para medir generalmente durante un período de 24 horas,.

Los hidrómetros están calibrados para mostrar la cantidad de suelo que está aún en suspensión en cualquier tiempo dado t.

El diámetro máximo de las partículas de suelo aún en el tiempo t se determina mediante la ley de Stoke:

Las partículas de suelo con diámetros mayores que los calculados, se habrán asentado más allá de la zona de medición.

LIMITES DEL TAMAÑO PARA SUELOS

Se presentan los límites de tamaño recomendados en el sistema de la American Association of State Highway and Transportatión Officials (AASHTO) y en el Sistema Unified Soil Classification.

Se muestra partículas de suelos más pequeñas que 0.002 mm son clasificadas como arcilla. Sin embargo por naturaleza son cohesivas y pueden convertirse en un filamento cuando están húmedas., de ahí se denominan partículas de tamaño arcilla y no partículas arcillosas.

No es sólo el tamaño de los granos la propiedad que influye en el comportamiento de los suelos. La compacidad, forma de los granos y distribución granulométrica, por citar algunos. Y en espacial en las arcillas, su composición mineralógica es esencial.

RELACION PESO VOLUMENLos suelos son sistemas de tres fases que consisten en partículas de suelo sólidas, agua y aire (o gas). Las tres fases pueden presentarse como sigue:

Vv = Va + Vw

Volumen de vacío

Relación de vacíos e índice de Poros: ( e )

Porosidad: ( n )X 100

- Si el suelo es seco Vw = 0.- Suelo saturado Vv = Vw

Grado de Saturación: ( S )

Contenido de agua o humedad : ( w% )

Peso específico húmedo: ( )

Peso específico seco: ( d )

- Si el suelo está saturado; el peso específico húmedo de un suelo resulta igual al peso específico saturado (sat), entonces: = sat si Vv = Vw

Vw < Vv

Peso de los sólidos del suelo : ( Ww )

Peso del agua: ( Ww )

Peso unitario húmedo: ( )

Más relaciones útiles pueden desarrollarse, considerando una muestra representativa del suelo en el que el volumen de los sólidos es igual a la unidad. Vs = 1; Vv = e.

Gs = peso específico de los sólidos del suelo.w= peso específico del agua (9.81 KN/m3, 62.4 lb/pies3, 1gr/cm3)

Peso específico seco: ( d )

Note:

Si una muestra está saturada, Vv = eAsí también:

Entonces:

Relaciones similares en términos de porosidad, también se obtienen considerando una muestra de suelo representativa con volumen unitario, y son:

Peso específico saturado del suelo: ( sat )

Excepto para la turba y en suelos altamente orgánicos, el rango general de los valores del peso específico de los sólidos de los suelos (Gs) son bastantes pequeños.

A continuación se presentará valores para la relación de vacíos, del peso específico seco y del contenido de agua de algunos suelos en estado natural. La mayoría de suelos no cohesivos, la relación de vacíos varía entre 0.4 y 0.8. Los pesos específicos secos de esos suelos se encuentran dentro de 14 y 19 KN/m3.

Tipos de suelos

E n (%) w (%) d (T/m3) sat (T/m3)

1.- Arenas.

2.- Arcilla recién sedimentada.

3.- Arcillas muy blandas.

4.- Arcillas esquistosas.

5.- Esquistos arcillosas

0.25 – 0.85

0.3 – 1.63

2.33 – 0.18

0.18 – 0.05

0.053 – 0.005

20 – 46

62 – 96.8

15 -51

5 – 15

0.5-5

9 – 32

60 – 1120

37 – 86

1.9 – 37

0.19 – 1.9

1.43 – 2.25

0.086 – 1-03

0.81 – 1.35

2.29 – 2.56

2.56 – 2.68

1.89 – 2.4

1.05 – 1.65

1.17 – 1.51

2.44 – 2.61

2.61 – 2.69

DENSIDAD O COMPACIDAD RELATIVA

Una magnitud muy empleada para caracterizar la compacidad de un suelo granular es de acuerdo con la compacidad relativa, Cr, que se define como:

Los valores de emax se determinan en laboratorios de acuerdo a las normas ASTM (American Society for Testing and Materials) D-4254.La densidad relativa también puede expresarse en términos del peso específico seco:

Lo denso de un suelo granular está a veces relacionado con su compacidad.Para arenas naturales el emax. y emin. Puede variar ampliamente, esto debido al coeficiente de uniformidad Cu y la redondez de las partículas.

En la siguiente tabla se indican las denominaciones de la compacidad de los suelos granulares a partir de su densidad relativa:

La redondez R es muy difícil, pero puede estimarse. Como se muestra el rango general de la magnitud de R con la redondez de la partícula

A continuación se muestra la variación de emax y e min con el coeficiente de uniformidad para varios valores de la redondez de la partícula . Este rango se aplica a la arena limpia con granulometría moderadamente sesgada.

LIMITES DE ATTERBERG

Cuando un suelo arcilloso se mezcla con una cantidad excesiva de agua,Éste puede fluir como un semilíquido. Si el suelo es secado gradualmente, se comportará como un material plástico, semisólido o sólido, dependiendo de su contenido de agua. Este, en por ciento, con el que el suelo cambia de un estado líquido a un estado plástico se define como LIMITE LIQUIDO (LL). Igualmente, los contenidos de agua, en por ciento, con el que el suelo cambia de un estado plástico a un semisólido y de un semisólido a un sólido se define como LIMITE PLASTICO (PL) y el LIMITE DE CONTRACCION (SL), Respectivamente. Estos se denominan límites de Atterberg.

EL LIMITES LIQUIDO

Es determinado por medio de la copa de Casagrande (Designación de Prueba D-4318 de la ASTM) y se define como el contenido de agua con el cual se cierra una ranura de ½ in (12.7 mm) mediante 25 golpes.EL LIMITES PLASTICO

Es el contenido de agua con el cual el suelo se agrieta al formarse un rollito de 1/8 pulg. (3.18 mm) de diámetro (Designación de Prueba D-4318 de la ASTM)

EL LIMITES DE CONTRACCION

Es el contenido de agua con el cual el suelo no sufre ningún cambio adicional de volumen con la pérdida de agua (Designación de Prueba D-4318 de la ASTM).

La diferencia entre el límite líquido y el plástico de un suelo se define como índice de plasticidad (PI):

A continuación se muestra algunos valores representativos de los límites líquido y plástico para varios minerales y suelos arcillosos. Sin embargo el límite de Atterberg para varios suelos variarán considerablemente, dependiendo del origen del suelo y de la naturaleza y cantidad de minerales arcillosos.

SISTEMA DE CLASIFICACION DE SUELOS

Se clasifica en función a la distribución granulométrica, el líquido límite líquido y límite plástico.

Los dos sistemas principales de clasificación actualmente en uso son:

1) Sistema AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials).

2) Unified Soil Classification System (también ASTM) SUCS.

* El sistema de clasificación AASHTO se usa principalmente para clasificación de las capas de carreteras.

SISTEMA AASHTO

De acuerdo con la actual forma de este sistema los suelos pueden clasificarse según ocho grupos principales, del A-1 al A-8; los suelos entre A-1 y A-3 son materiales de grano grueso y aquellos en los grupos A-4 al A-7 son de grano fino. La turba, el lodo y otros suelos altamente orgánicos quedan clasificados en el grupo A-8.

Los suelos del A-1 al A-7 se presentan en la siguiente tabla:

El grupo A-7 incluye dos tipos de suelos; el tipo A-7-5, el índice de plasticidad es menor o igual que el límite líquido menos 30 y para A-7-6 el índice de plasticidad es mayor que el límite líquido menos 30.

Para la evaluación cualitativa de la conveniencia de un suelo como material para subrasante de un camino, se desarrollo también un número denominado INDICE DE GRUPO. Entre mayor es el valor de índice de grupo para un suelo, será menor el uso del suelo como subrasante. Un índice de grupo de 20 o más indica un material muy pobre para ser usado al respecto. La fórmula del índice de grupo GI es:

Al calcular el índice de grupo para un suelo de los grupos A-2-6 o A-2-7, use solo la ecuación de índice de grupo parcial relativa al índice de plasicidad:

El indice de grupo es redondeado al número entero más cercano.

SISTEMA UNIFICADO

Este sistema se usa en prácticamente todo trabajo geotecnico.En el Sistema Unificado, los siguiente símbolos se usan como identificacion.

La carta de plasticidad y la tabla 1.9 muestran el procedimiento para determinar los símbolos de grupo para varios tipos de suelos. Al clasificar un suelo se debe proporcionar el nombre del grupo que describe generalmente al suelo con el símbolo respectivo. Las tablas 1.10, 1.11 y 1.12, respectivamente, dan los criterios para obtener los nombres de grupos para suelos de grano grueso, para suelos inorgánicos de grano fino y para suelos orgánicos de grano fino.

Estas tablas se basan en la designación D-2487 de la ASTM.