TEMA I.- CONCEPTO DE SUELO

ENXEERA DO TERREO 1.- CONCEPTO DE SUELO

TEMA 1. CONCEPTO DE SUELO

SUELO:

Jimnez Salas: Parte de la corteza terrestre afectada por las actividades humanas. Escrio: Fase discontinua procedente de la alteracin de las rocas. Caquot: Materiales cercanos a las infraestructuras de ingeniera civil. Terzaghi: Agregado de partculas minerales separables por el agua. Road research laboratory: Conjunto de partculas con poros rellenos de aire y agua.DEFINICIONES BSICAS:

A partir de las definiciones de estos autores se puede dar una definicin correcta de suelo, incluyendo los distintos aspectos sealados por los mismos. De esta manera se podr definir:

Suelo como:

- Un conjunto formado por un esqueleto de partculas slidas y poros rellenos de agua y aire.

- Sin cementacin o poco cimentado.

- Que ocupa la parte de la corteza terrestre donde se desarrolla la mayor parte de la actividad humana y biolgica.

Roca como:

- Un agregado slido formado por uno o varios minerales que se encuentra ocupando grandes extensiones de la corteza terrestre.

Macizo rocoso:

- Forma en la que se presentan las rocas en el medio natural. Un macizo rocoso est compuesto por una o varias rocas (litotipos) que a su vez contiene diversas discontinuidades: planos de estratigraficacin, fallas, juntas, pliegues y otros caracteres estructurales. Los macizos rocosos son por tanto discontinuidades y pueden presentar propiedades heterogneas y/o anistropas.TEMA 3.- CARACTERSTICAS ELEMENTALES DE LOS SUELOS.

AIRE.-

Su porcin depende de la del agua.

Reduce la resistencia del suelo.

Favorece la actividad biolgica.

La compactacin reduce su porcin.

Si aumenta el aire se produce esponjamiento.

El contenido en aire =

Porosidad =

ndice de poros =

AGUA.-

El agua influye de manera muy importante en el comportamiento del suelo:

Cambia la resistencia al esfuerzo cortante.

Puede ser causa de desintegracin o movimiento del terreno.

Puede provocar aumento del volumen.

Lleva sales disueltas que puedan actuar sobre los slidos.

Se pueden diferenciar dos tipos de influencias bsicas del agua sobre el suelo.

1.- Por su carcter lquido:

-Cohesin .

-Succin.

-Entumecimiento.

-Retraccin.

-Plasticidad.

-Compactacin.

2.- Como disolvente de sales:

- Sales disueltas.

- Acidez de las aguas.

- Bases de cambio.

AGUA COMO LQUIDO:

1.- COHESIN:

Unin de partculas por el agua. Hay tres teoras:

Teora de cohesin por el agua:

1.- HAYNES.-

Suelo ideal, formado por esferas y con baja humedad. La fuerza de atraccin entre partculas es:

2.- NICHOLS.-

Estudia lo mismo para 2 partculas laminares de arcilla, separadas por una distancia d y con superficie r.

En este caso y en general:

FNichols >>>> Fhaynes.

3.- RUSSEL.-

Tiene en cuenta los iones disueltos en el agua, poniendo de manifiesto la influencia de los mismos en los fenmenos de cohesin de las arcillas.

2.- ENTUMECIMIENTO.-

Aumento de volumen con absorcin de agua al disminuir la carga a que est sometido.

3.- RETRACCIN.-

Cuarteamiento por desecacin. Al disminuir la humedad llega un momento en que el volumen de suelo no disminuye con la perdida de agua (lmite de retraccin).

4.- PLASTICIDAD.-

Se debe al efecto lubricante del agua sobre las partculas y depende del tamao de las mismas y de la cantidad de agua presente.

5.- COMPACTACIN.-

Aumento de la densidad como consecuencia de la reduccin de poros, va expulsin de aire y/o agua.

AGUA COMO DISOLVENTE:

Las aguas ms o menos puras disuelven sales en su camino por el subsuelo.

SALES DISUELTAS.-

Pueden atacar al suelo o a las construcciones.

Sulfatos de Na, Mg, y Ca. Cristalizacin de sales. Corrosin de metales. Ataque a cementos o hormigones ( Ca(OH)2; Aluminados)ACIDEZ DE LAS AGUAS.-

Si el agua se hidroliza (H2O( H+ + OH- ) por la presencia de otros elementos, da lugar a soluciones cidas o bsicas ms reactivas con ciertos elementos del suelo.

BASES DE CAMBIO.-

Son los iones metlicos de la disociacin de sales que pueden ser absorbidas por partculas de suelo.

MATERIA SLIDA.

Puede ser orgnica o inorgnica:

ORGNICA:

Procede de la descomposicin de seres vivos. Forma capas de poca profundidad. La capacidad de carga del suelo disminuye al aumentar su descomposicin. Tiene textura esponjosa, acidifica el suelo y el agua es muy dbil mecnicamente. Se considera un suelo afectado por su presencia para concentraciones mayores del 4%.INORGNICA:

Procede de la erosin fsica y qumica de las rocas. Est condicionada por: roca de origen, topografa, edad geolgica, vegetacin, clima,... Las partculas se clasifican por su tamao, forma y composicin mineralgica.

Para determinar el tamao de las partculas teniendo en cuenta la variedad de sus formas se define el dimetro equivalente de una partcula como el dimetro de una esfera que cae a travs de un lquido a la misma velocidad que la partcula.

La ecuacin de Stockes relaciona el radio, el peso especfico y la velocidad con que desciende una partcula a travs de un lquido de viscosidad conocida.

donde:

v = velocidad de cada.

(S = densidad de la partcula.

(L = densidad del lquido.

g = gravedad (cm/s2).

r = radio (cm).

( = viscosidad del lquido en poises.

1 poise = 1 gr/cms

TAMAO DE PARTCULAS.

En funcin del dimetro equivalente se diferencian:

Gravas Dimetro equivalente > 2mm

Arenas 2mm > deq > 0,02mm

Limos 0,02 > deq > 0,002mm

Arcillas 0,002 > deq

GRAVAS.-

Provienen de la desintegracin de las rocas. Transporte por arrastre de agua.ARENAS.-

Composicin silcea o calcrea. Inertes, ni cohesivas ni plsticas. No presenta ni succin ni entumecimiento. Son, en general, permeables. Estables por rozamiento interno. Transporte por agua o viento. La estabilidad de las arenas se debe a la interaccin mecnica entre las partculas (rozamiento interno)LIMOS.-

Son materiales inertes, poco plsticos y de baja cohesin. Pequeo entumecimiento y retraccin. Estables por rozamiento interno. Proceden de la erosin fsica (son arenas finsimas ).ARCILLAS.-

Son silicatos de alumina hidratados. Proceden de la descomposicin fsico-qumica. Presentan forma laminar con grandes relaciones

Son plsticas en presencia de agua. Absorben el agua de la superficie. Son bsicamente impermeables. Originan succin, entumecimiento y retraccin. Se consolidan muy lentamente. Poseen menos bases alcalinas y slice, que las rocas de origen. Actan como ligantes del resto de materiales.NOTA:

Los nombres grava, arena, limos y arcillas denotan tamao de partculas pero tambin tipos de suelo.

MINERALES DEL TIPO DE LAS ARCILLAS:

Debido a sus peculiaridades fsico-qumicas presentan comportamientos variables que pueden originar peligros cuando se utilizan como zona de cimentacin. Qumicamente son silicatos de alumina ( Mg, Fe ) hidratados. Los tomos se ordenan en capas de slice y alumina. Una capa de slice est constituida por tetraedros con oxgeno en los vrtices y silicio en el centro. Una capa de alumina est ordenada en octaedros con hidroxilos en los vrtices y aluminio en el centro. Segn la disposicin de las capas de slice, alumina y los enlaces se diferencian tres conjuntos bsicos de minerales de las arcillas:

CAOLINITAS:

Constituidas por una capa octadrica y una capa tetradrica. Las molculas se unen por enlace de hidrgeno y forman partculas hexagonales. Forman arcillas muy estables de estructura inexpandible y que no absorben agua apenas, son moderadamente plsticas y no presentan salvo impurezas expansin o hinchamiento al saturarse.

2,6 < densidad < 2,68

MONTMORILLONITAS:

Su molcula se compone de una lmina octadrica entre dos tetradricas. Las molculas se unen por dbiles enlaces dipolares de agua y iones metlicos. Es inestable en presencia de agua, siendo muy cida o reactiva con esta, por lo que tiene gran tendencia a la expansin, hinchamiento y entumecimiento. Posee muy elevada plasticidad originando esta fenmenos de retraccin, contraccin y agrietamiento al desecarse. Es un basamiento muy malo en obras de ingeniera por lo que se debe evitar. Los taludes de estos materiales fluyen y deslizan fcilmente. Las bentonitas (= cenizas volcnicas) se usan para tapar fugas de depsitos y canales como lodos de perforacin. Las sepiolitas se utilizan como lecho para gatos. Densidad: 2,20 < densidad < 2,70 Son las arcillas de expansin por excelencia.

ILLLITAS:

La unidad estructural es anloga a la de las montmorillonitas con algunos cambios qumicos. Forman agregados de partculas con facilidad. Tienen menos afinidad por el agua y una capacidad de hidratacin ms limitada. Las propiedades de expansin son intermedias entre las caolinitas y las montmorillonitas. Densidad entre 2,64 y 3,00 Unidas por enlaces de potasio.IDENTIFICACIN DE LOS MINERALES ARCILLOSOS.-

La forma de las partculas se determina con microscopio electrnico.La ordenacin atmica se determina con mtodos de difraccin de rayos X, que permiten medir espaciados atmicos entre planos, espesor de lminas,...La muestra se muele, se somete a un haz de rayos X y el haz difractado se registra en una pelcula sensible. Cada lnea difractada se corresponde a una reflexin de cada una de las series de planos atmicos del mineral.El anlisis termal diferencial mide el efecto de las altas temperaturas sobre las arcillas, donde cada mineral tiene una mas o menos caracterstica.CAMBIO DE BASES.-

Si un mineral contiene muchas bases (ej: Na+) y se somete a la accin de un lquido que lleve disueltas otras (ej: K+) el mineral y el lquido intercambian estos cationes en las montmorillonitas y en las caolinitas es menos claro. Por ello se pueden utilizar como depuradores de lquido o correctores de suelos cidos.TEMA 4.- GRANULOMETRA DE SUELOS

CLASIFICACIN DE LAS PARTCULAS DE LOS SUELOS POR SU TAMAO.-

En las clasificaciones basadas en las caractersticas granulomtricas de los suelos se distinguen las distintas fracciones por el nombre de algunos tipos de suelos, como arena gruesa, limo medio, etc.

Las divisiones corresponden a cambios importantes en las propiedades de los suelos y las distintas fracciones son reconocibles a simple vista o mediante ensayos de campo sencillos.

Podemos dividir los suelos en gravas, arenas, limos y arcillas.

Diferencia entre gravas y arenas:

Gravas (>2mm)

- Los granos no se apelmazan aunque estn hmedos, debido a la pequeez de las tensiones capilares.

- Cuando el gradiente hidrulico es mayor que 1, se produce en ellas flujo turbulento.

- Es difcil perforar un tnel en gravas con agua mediante aire comprimido porque la prdida de aire es muy alta.

Arenas (0.06-2mm)

- Los granos se apelmazan si estn hmedos, debido a la importancia de las tensiones capilares.

- No se suele producir en ellas flujo turbulento aunque el gradiente hidrulico sea mayor que 1.

- El aire comprimido es adecuado para perforar en ellas.

Diferencia entre arenas y limos:

Arenas (0,06-2mm)

- Partculas visibles.

- En general no plsticas.

- Los terrones secos tienen una ligera cohesin, pero se reducen a polvo fcilmente entre los dedos.

- Fcilmente erosionables por el viento.

Limos (0,02-0,06mm)

- Partculas invisibles.

- En general, algo plsticos.

- Los terrones secos tienen una cohesin apreciables, pero se pueden reducir a polvo con los dedos.

- Casi imposible de drenar mediante bombeo.

- Los asientos suelen continuar despus de acabada la construccin.

Diferencia entre limos y arcillas:

LIMOS (0.002-0,06)

- No suelen tener propiedades coloidales.

-A partir de 0,002 mm y a medida que aumenta el tamao de las partculas, se va haciendo cada vez mayor la proporcin de minerales no arcillosos.

- Tacto spero.

- Se secan con relativa rapidez y no se pegan a los dedos.

- Los terrones secos tienen una cohesin apreciable, pero se pueden reducir a polvo con los dedos.ARCILLAS ( 1

NDICE DE FLUIDEZ.-

Es la humedad que excede del lmite plstico expresada en funcin del ndice de plasticidad y en porcentaje igual a:

Vara entre 0 y 100 y cuanto mayor sea el comportamiento del suelo se acerca ms al de un lquido.

Tambin se denomina ndice de liquidez.

Obsrvese que:

Si LL = w , entonces If = 100

El suelo se comporta como un lquido.

Si LL < w < LP, entonces 0 < If < 100

Cuanto mayor sea este ndice ms fluido ser el material.

Si w < LP, entonces If < 0

Suelo slido.

LMITE DE RETRACCIN.-

Es el contenido de humedad por debajo del cual el suelo, al secarse, no disminuye apreciablemente su volumen.

Al perder agua una arcilla saturada pierde agua, el volumen disminuye en una cantidad proporcional al volumen de agua perdida.

A partir de ciento punto, durante el estado de desecacin, el aire comienza a entrar en el suelo y el volumen decrece menos del agua perdida.

Cuando el suelo est muy seco los cambios en la humedad solo ocasionan ligersimos cambios de volumen.

Aunque esta transicin es gradual se puede deducir un lmite terico por debajo del cual las disminuciones de humedad no originan disminuciones de volumen.

DIAGRAMA DE CASAGRANDE.-

Permite clasificar la parte de finos de los suelos, en funcin de sus caractersticas plsticas.

Separa a los grupos por su composicin:

C = Arcillas ( clay )

M = Limos ( mud )

O = Orgnico

y por su compresibilidad:

H = LL > 60 alta compresibilidad

I = 35 < LL < 50 intermedia

L = LL < 35 baja

MINERAL.-

1. Cientficamente: sustancia inorgnica, natural, de composicin qumica determinada y estructura espacial definida.

2. Tcnicamente: toda sustancia de origen natural cuya explotacin produce un beneficio.

ROCA.-

Agregado mono o poliminerlico, normalmente consistente y que ocupa grandes extensiones de la corteza terrestre.

Masa de material natural, de semidura a dura, compuesta de uno o varios minerales, ocupa grandes extensiones.

Mtodos de formacin:

Enfriamiento del magma. Precipitacin de materia inorgnica contenida en el agua. Deposicin de esqueletos animales. Condensacin de un gas que contenga partculas minerales. Calor y fusin aplicada a rocas preexistentes. Clasificacin:

Igneas. Sedimentarias. Metamrficas.

Se clasifican petrogrficamente.

La sola clasificacin geolgica de una roca no es suficiente para prever sus caractersticas geolgicas, ya que puede estar meteorizada. Por ejemplo: el granito puede aparecer como xabre o muy alterado o fracturado.

Para definir el comportamiento geolgico de una roca hay que explicar :

1. Estructura primaria, composicin mineral y formacin geolgica a la que pertenece.

2. Grado y naturaleza de las alteraciones.3. Caractersticas de dureza y debilidad.4. Efecto de la meteorizacin.5. Procesos persistentes que pueden causar otros cambios.6. Caractersticas de la superficie.

Parmetros importantes:

TEXTURA:

Es la ordenacin de sus granos o partculas visto en una fractura reciente. Las rocas gneas con cristales grandes tienen textura fanertica. Si tienen grano fino ( no apreciable sin lupa ) son de textura afantica. Cuando hay grandes cristales sobre un fondo afantico la roca es un porfido. En rocas sedimentarias esta composicin es un conglomerado.ESTRUCTURA:

Describe la ordenacin relativa de las caractersticas ms pronunciadas en la roca, tanto microscpicamente como macroscpicamente. Una estructura vesicular en rocas gneas se caracteriza por pequeas cavidades. Si hay grandes cavidades se puede mineralizar constituyendo geodas. Una caracterizacin estructural mineralgica es el diaclasado o fisuras abiertas y cerradas segn direcciones preferentes. las fracturas se dividen en diaclasas y fallas.

TRAMA O PETROFBRICA:

Es el esquema espacial de las partculas de la roca. Define forma y tamao, orientacin, microfracturacin, empaquetamiento, etc de los planos.ROCAS IGNEAS:

Se han formado en la superficie de la tierra o en diversas profundidades por cristalizacin del magma.

Pueden ser:

- Intrusivas o plutnicas: cristalizacin lenta, a mucha profundidad, bajo presin.

- Hipoabisales o filonianas: magmas que cristalizan a profundidad intermedia.

- Efusivas, extrusivas o volcnicas: cristalizan en superficie muy rpido, a presin atmosfrica.

ROCAS SEDIMENTARIAS:

Se caracterizan por su estratigraficacin y por contener fsiles.

Se pueden clasificar por el tamao de grano o por sus compuestos minerales.

Los granos o fragmentos aparecen ligados por una matriz arcillosa o por un cemento.

La cementacin de una roca incoherente se hace por:

1. Infiltracin de aguas portadoras de agentes qumicos.

2. Desintegracin de algunos minerales constituyendo otros que tienen efecto cementador.

TIPOS:

Detritas:

- Ruditas: ( conglomerados o pudingas, brechas ).

- Areniscas.

- Lutitas.

Bioqumicas o qumicas.

Orgnicas.

Los cementos ms comunes son:

- Silceo (SiO2): poco alterable.

- Carbonato (CaCO3): alterable por cidos.

- Arcilloso ( matriz ): alterable.

Algunas rocas en contacto con el aire y el agua sufren un desmoronamiento de partculas al ceder su matriz arcillosa.

Se denomina cementos secundarios a los que rellenan huecos despus de que la roca ya est consolidada.

ROCAS METAMRFICAS:

Se forman por recristalizacin completa o incompleta ( cambios de composicin de los cristales ) de rocas gneas o sedimentarias por efecto de la temperatura, presin y esfuerzos cortantes conjuntamente o por separado.

Sus caractersticas son estructuras laminares o foliceas reconocibles a simple vista o en microscopio.TEMA 6.- OTRAS PROPIEDADES DE LOS SUELOS

HUMEDAD NATURAL.-

Es la relacin del peso del agua al de la materia slida (relacin de masas) de un suelo expresada en porcentaje:

DETERMINACIN EN LABORATORIO.-

Se toma una fraccin de muestra inalterada y se coloca en un portamuestras previamente pesado (P1). Se pesa el conjunto (P2).

Se introduce la muestra en una estufa a 105C y se deja 24 horas, luego se vuelve a pesar (P3).

La humedad se obtiene como:

donde:

P1 = peso del recipiente.

P2 = peso del recipiente + peso suelo hmedo.

P3 = peso del suelo seco + recipiente.

DETERMINACIN IN SITU.-

Bao de arena: el suelo se seca en bao de arena calentndolo mediante llama.

Alcohol etlico: el agua se evapora por adicin de alcohol hasta que se sature la muestra.

Pinmetro: se introduce la muestra en el pinmetro, se llena de agua desalojando el aire por agitacin.

POROSIDAD.-

Es la relacin entre el volumen de vacos o poros de un suelo (Vv = Vw+Vs ) y su volumen total ( V = Vv+Vs+Vw ).

Porosidad: es la relacin del volumen de vacos frente al volumen total

Indice de poros: es la relacin del volumen de vacos respecto al volumen de slidos

Humedad: relacin de la masa de agua frente a la masa de slido

INDICE DE POROS.-

Es la relacin entre el volumen de vacos o poros de un suelo (Vv = Vw+Vs ) y su volumen de partculas slidas ( Vs):

Entre el ndice de poros ( tambin denominado relacin de vacos ) y la porosidad se pueden obtener las siguientes relaciones:

EMBED Equation.2

Por lo tanto:

y

El uso del ndice de poros se justifica porque para un suelo con cantidades de agua variables su denominador es constante por lo que resulta ms sencillo operar con el.

FACTORES DE VARIACIN DE NDICE DE POROS (e) Y DE POROSIDAD (n).

En suelos formados por sedimentacin el ndice de poros vara con la altura de cada y con la intensidad de sedimentacin. En general cuanto menor es la velocidad de cada menor es la porosidad. En suelos granulares esfricos segn Terzhagy 26 < n < 47 En arenas la porosidad depende de la forma y uniformidad de tamao de las partculas y de la sedimentacin, suele variar entre 25-50%. En suelos arenosos se utiliza la densidad relativa para estimar su nivel de compactacin. Esta densidad relativa (Dr) se define como:

donde:

Id = ndice densidad.

e0 = ndice poros en el estado mas suelto.

emin = ndice poros en el estado mas denso.

e = ndice poros en el estado natural.

As esta densidad relativa depende de la sedimentacin y la compactacin a la que estado sometido el suelo. En general al aplicar este ndice a la arcilla depende de la carga a la que est sometido, esto es, ak buvek de compactacin y su consistencia relativa ( ndice de consistencia = LLw/Ip ).Porosidad: es la relacin del volumen de vacos frente al volumen total

Indice de poros: es la relacin del volumen de vacos respecto al volumen de slidos

Humedad: relacin de la masa de agua frente a la masa de slido

HUMEDAD.GRADO DE SATURACIN.-

Se define como el porcentaje de vacos del suelo ocupados por agua, esto es la relacin entre el volumen de agua de un suelo frente al volumen de vacos ( agua + aire ).

Tambin se puede expresar como:

donde:

ew = Vw/Vv

(s,(w, son los pesos especficos de las partculas slidas y del lquido

w = humedad natural

e = ndice de poros

PESO ESPECFICO (().-

Se define en general como la relacin entre el peso y el volumen. As dentro de un suelo se puede definir diferentes tipos de suelo, a saber: Peso especfico de las partculas slidas ((s):

Peso especfico in situ o aparente del suelo (():

Peso especfico seco:

Peso especfico saturado ((w):

Peso especfico del suelo con grado de saturacin ((sr): Sr = %, por tanto Pw=Vv(wSr

(sr = (1-n) (s+n(wSr Peso especfico sumergido (():

DETERMINACIN DEL PESO ESPECFICO EN LABORATORIO.-

VOLUMEN:

Por desplazamiento de agua al sumergirlo en una vajilla. El volumen de muestra ser el volumen de muestra ser el volumen desplazado menos el volumen de parafina que suele envolver la muestra.

Mediante el clculo del peso sumergido de la muestra.

Por el volumen desplazado de mercurio.

PESO:

Pesado en bscula de precisin. Para estimar el peso especfico seco se puede secar previamente la muestra en una estufa. el peso especfico de las partculas slidad se puede estimar mediante el picnmetro.

Operaciones:

a) Pic. Vaco w1b) Pic + suelo seco w2c) Pic + suelo seco + agua ( llena de huecos ) w3d) Pic. + agua w4 Peso del agua rellena de huecos = w3-w2 Volumen de slido = Vagua- Vagua llena de huecos = w4-w1- ( w3- w2 )/(w

DETERMINACIN PESO ESP. IN SITU.-

Se estima a travs del mtodo de la arena. Para aplicar este mtodo se utiliza en recipiente con vlvula lleno de arena. Se excava un agujero en le suelo de forma ms o menos geomtrica. Se llena el recipiente de agua y se pesa para estimar su volumen. Se llena el recipiente de arena y se pesa para estimar el peso especfico de la arena. Se llena el agujero de arena y de esta manera se estima el volumen del agujero. Se pesa la muestra de suelo obtenida en la perforacin del hueco y normalmente conservada en la parafina.MTODOS NUCLEARES (para determinar la humedad y la densidad).-

Son mtodos que adems permiten estimaciones en profundidad.DENSIDAD:

Los rayos ( son radiaciones electromagnticas de energa intermedia.

Cuando un rayo ( incide sobre un electrn orbital, se produce por un lado una liberacin de energa y una desviacin de la radiacin (. Es el efecto Comptom.

Cuanto mayor sea la densidad de los materiales mayor ser la porcin de electrones en el suelo y por tanto se producir un mayor grado de desviacin de la radiacin. Si en el suelo existe mucha agua habr que realizar una correccin por la influencia de los iones H+. Existen dos mtodos: retrodispersin y atenuacin.RETRODISPERSIN:

Se coloca una plantilla entre la fuente y el detector. La desviacin de los fotones hacia el detector aumenta con la densidad del suelo. Aumenta la desviacin de fotones fuera del detector y la cesin de energa a los fotones, por lo que requieren ser calibradas segn el suelo a que se aplique. Ms comn.

ATENUACIN:

Sin pantallas. Necesita dos sondeos. La intensidad recibida en el detector disminuye con la densidad del suelo.

HUMEDAD:

Cuando un haz de neutrones rpidos de alta energa choca con un tomo la perdida de energa es mayor cuanto menor sea dicho tomo ( mxima para el hidrgeno = masa de un neutrn).

As el nmero de neutrones lentos liberados al lanzar un haz de neutrones es proporcional a la cantidad de H que presente dicho suelo, y por tanto ( en general ) a la cantidad de agua.

Se mide la cantidad de neutrones lentos liberados mediante un dispositivo del tipo retrodispersin.

Determinadas sustancias como la materia orgnica ( con elevado nmero de tomos de H ), elementos qumicos como Cl, Br y las tierras raras pueden falsear las mediciones.

CONSISTENCIA Y SENSIBILIDAD DE LAS ARCILLAS.-

Las arcillas pueden clasificarse segn se consistencia en blandas, compactas, resistentes y duras.Se mide la consistencia a partir de la resistencia a compresin simple.

La susceptibilidad es el efecto sobre la consistencia del amasado de arcillas, como consecuencia de la rotura de su estructura. Una arcilla ser tanto ms susceptible cuanto ms disminuya su capacidad de resistir cargas al ser amasadas. Por tanto se puede definir como:

A contenido de humedad constante.

EQUIVALENTE DE ARENA.-

Se trata de un ensayo de obra que es til para sealar la existencia de un material granular peligroso por contener exceso de finos ( elementos que pasan por el tamiz 200 de la A.S.T.M.).

Se toma una muestra de suelo y se disuelve en agua con desaglomerantes. Esta disolucin se introduce en una probeta normalizada donde se deja que repose durante 20 minutos.

En la probeta se observar una zona mas alta de lquido limpio, una segunda manchada por arcilla y una inferior ocupada por los materiales granulares. Se miden las alturas indicadas en la figura.

Se define el equivalente de arena (EA) como:

TEMA 8. PROPIEDADES HIDRULICAS DE LOS SUELOS.

AGUA EN EL TERRENO:

Agua de sedimentacin. Agua de infiltracin.Nivel fretico:

Lugar geomtrico de puntos con presin de agua atmosfrica.

AGUA CAPILAR ( Presin negativa )

NIVEL FRETICO

AGUA FRETICA ( Presin positiva )

LEY DE DARCY ( Conceptos previos ).- Altura piezomtrica, potencial o carga hidrosttica

h = carga hidrosttica.

z = altura de elevacin

u = presin

(t = presin del lquido

altura de presin

Gradiente hidrulico

Velocidad de flujo

Vector cuya componente en una direccin es el caudal que atraviesa la cantidad de superficie perpendicular a la direccin.

v = magnitud del vector

q = caudal que atraviesa el tubo

s = rea de la seccin transversal de dicho tubo

Henry Darcy demostr experimentalmente, en el ao 1856, para el flujo unidireccional del agua la siguiente ley:

v = kisiendo k una constante de proporcionalidad que recibe el nombre de coeficiente de permeabilidad, y que tiene dimensiones de una velocidad.

La ecuacin anterior, extendida a tres dimensiones, toma la forma vectorial:

En general, en un lquido newtoniano la ecuacin queda:

( = coeficiente de viscosidad del fluido

(t = peso especfico

k= constante de proporcionalidad que se llama permeabilidad fsica, la unidad de carga de k en el sistema c.g.s. es el cm2.

Condiciones hidrodinmicas necesarias para que se cumpla la ecuacin:

1. Medio poroso continuo.

2. Aplicacin anlisis diferencial.

3. Las fuerzas de inercia son despreciables respecto a las fuerzas de viscosidad, como consecuencia el flujo es laminar.

4. Los poros estn saturados.

5. Existe proporcionalidad entre el esfuerzo de corte aplicado al fluido y la velocidad de deformacin al corte.

6. El slido poroso es rgido e istropo.

Suelos anistropos:

Los suelos anistropos que se representan en la naturaleza suelen tener tres planos ortogonales de simetra que se cortan segn tres ejes principales x, y, z. Las ecuaciones equivalentes a las anteriores sern:

siendo kx, ky y kz los coeficientes de permeabilidad en las direcciones x, y, z, respectivamente.

Validez de la ley de Darcy:

Nmero de Reynolds:

Diversos investigadores han encontrado que el valor del nmero de Reynolds, R , a partir del cual deja de cumplirse la ley de Darcy, oscila entre 1 y 12. En este caso, el nmero de Reynolds viene dado por la siguiente expresin:

en la cual:

v = velocidad de flujo

DS = dimetro de la partcula cuya superficie especfica es igual a la del conjunto

( = densidad del fluido

( = coeficiente de viscosidad del fluido

Para nmeros de Reynolds superiores a 12 la importancia de las fuerzas de inercia en el flujo hace que obtengamos la siguiente expresin:

i = a + bv2

Para nmeros de Reynolds comprendidos entre 60 y 12 el flujo se hace turbulento.

Suelos parcialmente saturados:

En los suelos parcialmente saturados existen dos fluidos en los poros: agua y aire. La ley de Darcy ha sido obtenida para un solo fluido, por tanto, no es aplicable, en principio, en este tipo de suelos.

Las burbujas de aire taponan parte de los poros en que se encuentran, y no permiten el paso del lquido cuando ste es el permeante. Por ello la permeabilidad al agua de un suelo parcialmente saturado suele ser menor que la del mismo suelo saturado. Por este motivo, la permeabilidad de un suelo parcialmente saturado aumenta con el paso del tiempo durante el que est expuesto al paso del agua, porque su grado de saturacin va aumentando a medida que ms y ms burbujas van siendo arrastradas por el agua, y a medida que el aire va siendo disuelto en el agua.

El coeficiente de permeabilidad de suelos parcialmente saturados aumenta al aumentar la presin del lquido, pues esto provoca un incremento en la cantidad de gas disuelta y, por tanto, una disminucin en el espacio ocupado por burbujas gaseosas.

Sustancias arcillosas saturadas:

Para la ley de Darcy en los suelos arcillosos saturados hay dos teoras:

La primera teora dice que no comienza a circular agua hasta que el gradiente hidrulico no supera un determinado umbral i0, y que a partir de ese momento la relacin entre v e y es aproximadamente lineal, de modo que la ecuacin se transformara en:

v = 0

para i< i0

v = k(i-i0)

para i >i0

La segunda teora dice que el coeficiente de permeabilidad aumenta con el gradiente hidrulico. La velocidad de flujo aumenta con el gradiente hidrulico segn una curva hasta llegar a un valor i1 en que se convierte en una recta. La ecuacin se convierte en:

v = kim

(m > 1)para i < i1

v = k(i-i0)

para i > i1

el cumplimiento de esta ecuacin depende del tipo de arcilla.

Influencia de la anisotropa en la permeabilidad:

De los resultados de diversos ensayos se deduce que la relacin entre las permeabilidades horizontal y vertical de una arcilla aumenta con:

a) la mxima tensin efectiva vertical que ha sufrido la arcilla en el pasado.

b) cada nuevo ciclo de carga.

c) el porcentaje de friccin de arcilla.

DETERMINACIN DE LA PERMEABILIDAD EN EL LABORATORIO.-

PERMEMETROS:

La medida de la permeabilidad de un suelo se lleva a cabo en el laboratorio por medio de permemetros.Entre los permemetros clsicos destacan el de carga constante y el de carga variable. Tanto uno como otro pueden ser de flujo ascendente o descendente.

Carga constante (permeable):

Segn la ley de Darcy, el coeficiente de permeabilidad viene dado por la frmula:

siendo:

V = volumen de agua que atraviesa el suelo en el tiempo t.

H = distancia entre piezmetros extremos.

S = rea de la seccin de la muestra.

t = tiempo.

(h = diferencia de nivel del agua en los piezmetros extremos.Carga variable (impermeable):

El permemetro de carga variable se emplea slo para ensayos en suelos relativamente impermeables.

Integrando entre 0 y t1 , resulta:

Influencia de la temperatura:

La temperatura tiene, a travs de la viscosidad, una influencia importante en el coeficiente de permeabilidad. Por ello, la temperatura del agua debe controlarse durante el ensayo. Si el ensayo se realiz a una temperatura t1, y a nosotros nos interesa conocer el coeficiente de permeabilidad a una temperatura t2, empleamos la relacin:

siendo (t1 y (t2 los coeficientes de viscosidad a estas dos temperaturas.

Presin efectiva:

Presin intergranular:

Presin total:

Presin efectiva:

SIFONAMIENTO.-

En la figura se representa un permemetro de carga constante y flujo ascendente. Se supone que existe una rejilla en la parte inferior de la muestra de arena, pero no en la superior, y que no hay friccin en las paredes del recipiente.

Por ser la muestra de seccin constante, la velocidad de flujo tambin lo es. Por tanto, el gradiente hidrulico tambin debe ser constante segn la ley de Darcy, y por tanto la ley de presiones neutras debe ser lineal.

El sifonamiento se produce cuando se anulan las presiones efectivas.

En cuanto a la ley de presiones totales se halla a partir de los pesos de los materiales situados encima de cada capa de arena.

La ley de presiones efectivas se halla por diferencia.

Si continuamos subiendo el nivel de agua en la rama de la izquierda, llegar un momento en que las presiones efectivas se anularn simultneamente en toda la masa de arena. En ese instante, la masa de arena perder toda consistencia y dar la impresin de entrar en ebullicin.Este fenmeno se producir cuando:

Esta es la condicin de ebullicin o sifonamiento (arenas finas).

Operando:

Se define gradiente crtico como el gradiente hidrulico para el cual se produce este fenmeno:

ENSAYO SCHERARD O DE EROSIN INTERNA:

Se prepara la muestra en un molde Harward de 38mm de longitud.

Se compacta en 5 capas ( 16 golpes de pistn de 6,8 kg ).

Contenido de humedad prximo al lmite plstico.

Se hinca el tapn cnico y se realiza un conducto de 1mm de dimetro.

Se procede a hacer pasar agua con diferente altura piezomtrica 50,180 y 380 mm. En cada escaln se deja pasar agua durante 5 10 minutos, midindose el caudal y la turbidez del agua.

1.- Si bajo la carga de 50 mm el agua sale turbia, al cabo de 10 minutos, con un caudal de 15 cm3/s, indica que el suelo es muy dispersable. Se desmonta el aparato y se observa el dimetro del tubo que ser normalmente de 2 a 2,15mm.

Si a los 5 minutos el agua sale clara y el caudal es bajo ((1cm3/s) se pasa a (h=180mm.

2.- Bajo la carga de 180 mm, como antes, continuar hasta 10 minutos si el agua sale turbia y el caudal aumente ahora hasta 2,0 cm3/s. Si es as desmontar el aparato y observar el agujero, que ser mayor, entre 4 y 7,5 mm de dimetro. El suelo es dispersable, aunque no tanto como en el caso anterior.

Si con los 180 mm de carga el agua sigue saliendo clara o casi clara, y a los 5 minutos el caudal est estabilizado, generalmente por debajo de 1,5 cm3/s, aumentar la carga a 380 mm.

Si el agua sigue saliendo clara y a los 5 minutos el caudal est estabilizado a un nivel inferior a 3,5 cm3/s, desmontar el aparato y observar el agujero, que tendr un dimetro en general inferior a 2 mm. El suelo ser clasificado como poco dispersable.

3.- Si con los 380 mm de carga el agua sale turbia y no se aclara hasta los 10 minutos, y el caudal aumenta hasta estabilizarse en 3 cm3/s, y luego el suelo tiene un dimetro bastante mayor de 2 mm, el suelo se calificar de medianamente dispersable.

TENSIN SUPERFICIAL.-

Se explicaba por la tensin aparente en una membrana elstica que se supona que exista. En realidad no existe, ya que la causa de estos fenmenos es la atraccin de las molculas, sin embargo, esta explicacin permite obtener resultados cuantitativamente exactos.

Si se tiene una membrana con una presin interior superior en (p a la exterior, tenemos:

Si el radio de curvatura es igual en toda las direcciones:

CAPILARIDAD. ASCENSIN DEL AGUA EN TUBOS CAPILARES.-

Se observa sumergiendo una parte de un tubo capilar (de dimetro muy pequeo) en agua.

Se debe a que las molculas de agua y vidrio se atraen entre s ms que las de agua entre ellas.

El agua asciende hasta una altura hc , observndose un menisco en la zona alta.

hc es la altura de ascensin capilar.

El menisco es cncavo y se une a las paredes del tubo formndose un ngulo (, que depende del tubo e impurezas de la pared.

En la figura la presin en P, Q y M es igual entre si e igual a la atmosfrica.

En N la presin ser negativa e igual a:

Expresando la igualdad de alturas piezomtricas entre Q y N se tiene:

uN = hc(w

de estas dos ecuaciones sacamos:

por otro lado:

r = Rcos(

Por tanto:

CAPILARIDAD EN SUELOS.-

Al contrario que en los tubos capilares los huecos en suelos tienen ancho variable y se comunican entre s formando un enrejado. Si este enrejado se comunica por abajo con el agua, su parte inferior se satura completamente. Ms arriba el agua solo ocupa los huecos pequeos y los mayores quedan con aire.

La ascensin del agua por los poros de una arena seca se pueden estudiar en el laboratorio.

hc = altura capilar de un suelo, se puede estimar hc en centmetros o mediante:

SUCCIN.-

Todo el agua situada sobre el nivel fretico est a presin inferior a la atmosfrica (presin negativa).

Donde los meniscos tocan los granos de suelo, las fuerzas capilares actan causando presiones granulares en los huecos del suelo que tienden a comprimirlos. Es la llamada presin capilar.

Esta presin aumenta la resitencia al corte de los suelos haciendolos muy consistentes ( ej : playas de Daytona, taludes verticales,...)

Si sumergimos el suelo en agua estas presiones desaparecen (resistencia de traccin del agua es muy alta ).

Se denomina SUCCIN a la diferencia entre la presin de aire y la de agua (uw).

Se define pF = log10 (succin) = log10 (ua-uw)

donde ua y uw se expresan en cm de agua.

El valor mximo medido del pF es del orden de 7, y corresponde a una arcilla desecada a 110C.

DISPOSITIVOS DE MEDIDA DE LA SUCCIN:

1. PLACA DE SUCCIN (0 < pF < 3).-

Se coloca la muestra de suelo semisaturado sobre una placa de vidrio saturado.

Se aplica vaco o succin mediante una bomba de vaco. El valor de la succin vendr dado por la suma de d en altura de columna de mercurio y l en altura de columna de agua.

Cuando la muestra se haya equilibrado se mide la humedad. As se obtiene una curva de succin frente a humedad. Para medir directamente la succin a una determinada humedad se adopta un dispositivo que permite variando la succin de la bomba de vaco que no haya transferencia de agua entre la muestra y la placa. Ese valor de succin ser el de muestra.

2.- MEMBRANA DE PRESIN ( 2 < pF < 6,18 ).-

Se encierra la muestra en una cmara de presin estanca al aire y se pone en contacto con una membrana de celulosa permeable al agua y saturada. El agua se mantiene a presin atmosfrica se eleva la presin de aire en la cmara y por tanto en el aire de los poros del suelo. Produciendose una transferencia de humedad de muestra a membrana hasta el equilibrio. En equilibrio Pw = atmosfrica y la presin de agua aplicada ser la succin.

VARIACIN DE LA SUCCIN CON LA HUMEDAD DEL SUELO:

La succin decrece al aumentar la humedad.

Sin embargo la succin es mayor cuando un suelo pasa de humedo a seco que cuando pasa de seco a humedo.

Si se amasa la muestra antes de cada determinacin esta variacin no se observa. Esto indica que este tipo de divergencias son causadas por la diferente forma de los meniscos para una misma humedad.

Al secarse una arcilla, sus lminas se agrupan formando libros; al humedecer de nuevo, resulta que, para una misma humedad, es como si la arcilla estuviera formada por partculas de mayor tamao, pues los libros no se abren con facilidad. Ello explica el menor valor de la succin durante la rehidratacin.

ELECTROSMOSIS.-

Si se hace pasar una corriente elctrica a travs de una arcilla saturada, el agua se mueve hacia el ctodo.

Este fenmeno conocido por electrosmosis se debe al paso de los cationes de la capa doble hacia el ctodo, donde quedan neutralizados. Debido a la smosis, el agua acompaa a los cationes en su movimiento.

La velocidad de flujo del agua producido por este fenmeno viene dada por:

EMBED Equation.2

siendo:

vs = velocidad de flujo en la direccin s.

U = potencial elctrico.

Ke ( 5105 para suelos.

Como consecuencia de un proceso de electrosmosis aumenta la resistencia al corte de una arcilla. Una parte de este aumento se debe a la disminucin de humedad y otra a los cambios qumicos producidos en la arcilla.

TEMA 9. COMPRESIBILIDAD DE LOS SUELOS

COMPRESIBILIDAD.- Al aplicar una carga a un suelo se producen deformaciones, debido a un sistema de tensiones. Cada fase del suelo se comporta de forma diferente.

Asiento: deformacin vertical producida por una carga vertical. Se producen al reducirse el volumen de vacos. Si hay agua en los poros se produce sin expulsin. Un suelo fino saturado soporta la carga por el agua intersticial, que es menos compresible que la materia slida. (V: variacin unitaria de volumen bajo la carga de un bar: agua:

arena:

arcilla:

La sobrepresin en el agua intersticial provoca un gradiente de presin y movimiento de agua. Efecto: la carga se translada al esqueleto, hay cambio de volumen y se llega a un nuevo equilibrio ( consolidacin. La consolidacin se produce en un intervalo de tiempo variable: arenas y gravas ( rpido arcillas ( lento Cargas progresivas:- En arenas y gravas los asientos son progresivos y finalizan al acabar de aplicar la carga.

- En arcillas los asientos van a continuar indefinidamente despus de aplicada la carga, aunque con velocidad decreciente.

Puede haber asientos por cargas inducidas. Los asientos diferenciables son peligrosos.

EDMETRO.-

El estudio de la compresin unidimensional de los suelos se suele hacer con el edmetro. El edmetro consiste en un anillo cortador, en el cual se encuentra comprimido el suelo entre dos placas porosas cuyo desplazamiento relativo puede medirse con gran exactitud Se mide el desplazamiento vertical ( no existe desplazamiento horizontal ).EDMETRO DE CASAGRANDE:

No permite controlar el drenaje. No mide presiones intersticiales. Existe friccin lateral. La distribucin de presin no es uniforme. La presin no se aplica de forma contnuaEDMETRO DE ROWE Y BARDEN:

Aplica presin de agua sobre gato de goma. Drena y mide presiones intersticiales.ENSAYO EDOMTRICO.-

Muestra inalterada:- Corte con instrumentos afilados.

- Recipiente hermtico.

- Preparacin de probeta en cmara hmeda.

Procedimiento de ensayo:- Se coloca la muestra.

- Se carga a 0,6 - 1 t/m2

- Se espera la consolidacin ( deformacin = 0 ).

- Se van doblando las cargas ( escalones ).

- Se espera la consolidacin ( 24 H ).

- Una vez aplicada la carga mnima se procede a la descarga en escalones.

Clculo del ndice de poros:- Al aplicar una carga al edmetro, la compresin origina una deformacin lenta, solo cuando la aguja del comparador deje de moverse se considera que el suelo est perfectamente consolidado.

Hpt = Hpf + (LEXPLICACIN:

Ej: En una arena, como en una arcilla la disminucin del volumen, se debe en su prctica totalidad a la disminucin del volumen de poros, siendo el (V en los granos de suelo, muy pequeo.

Si los poros estn ocupados con agua, para que se produzca la variacin de volumen es necesaria la expulsin de agua a una velocidad que vendr marcada por la ley de Darcy (i y k).

Como en la arcilla k es un valor muy pequeo el tiempo que tarda en consolidarse el suelo suele ser muy grande.

CURVA EDOMTRICA.-

Diferencias entre suelo inalterado y amasado:

- menor ndice de poros a presin dada en el amasado.

- oscurece preconsolidacin.

- disminuye pendiente rama noval.

- se mantiene pendiente rama de descarga.

Caso de arcillas con diferente grado de consolidacin previa, la rama de compresin noval es comn, lo mismo que la de descarga. Suelo normalmente consolidado:

- no han sufrido presiones superiores a las normales.

Suelo sobreconsolidado:

- caso contrario.

- presin de sobreconsolidacin =

CURVA DE COMPRESIN EN EL TERRENO.-

Suelo normalmente consolidado:

- Datos iniciales e0,

.

-

( peso sumergido ( bajo nivel fretico ) + peso suelo ( sobre nivel fretico ).

- Toma de muestra:

- presin efectiva ( presin capilar

- humedad ( constante

- Edmetro:

- saturacin ( presin capilar desaparece

- humedad y e ( constante

- tramo horizontal

- Ensayo edomtrtico:

- pendiente de compresin noval < compresin del terreno

- se cortan a 0,42 eo

PRESIN DE PRECONSOLIDACIN.-

Presiones inferiores a la carga en el terreno. Asientos pequeos, luego muy grandes. Muestras inalteradas, es a veces complicado. Escaln de precisin de preconsolidacin ( desconocido. Mtodo de Casagrande ( buenos resultados ). A: mxima curvatura. AB : tangente ; AC: horizontal ; AD: bisectriz. E: corte AD: compresin noval.La abcisa en E es la presin de pre consolidacon.

Proceso de sobreconsolidacin.

- No existe si A est a la derecha de la prolongacin de la rama de compresin.

- Existe si A est a la izquierda.

Causas:

- peso de estratos (erosin).

- peso de hielo ( deshielo ).

- peso de agua ( desecacin ).

( alternancia en un mismo nivel

desecacin (contra) - saturacin.

CONDICIONES DE ENSAYO:

Cuidado en toma, transporte y tallado de muestra. Pequeos escalones en la rama de preconsolidacin. Si no se consigue detectar el punto de preconsolidacin se halla el intervalo.CURVA DE COMPRESIN EN UN SUELO SOBRECONSOLIDADO:

Condiciones iniciales: eo ,

. Paralela a la rama de descarga hasta presin de preconsolidacin. Unin con interseccin de rama noval y 0,42eo.CLCULO DEL NDICE DE COMPRESIN.-

MODELOS EMPRICOS:

Regla de Skeampton:- Al aumentar el lmite lquido (LL) de una arcilla aumenta, en general, su ndice de compresin (CL).

- Los cambios que provocan el aumento del lmite lquido aumentan tambin el valor de CC en la arcilla amasada.

- Segn Skeampton, el ndice de compresin de muestras amasadas hasta el lmite lquido est relacionado con dicho lmite segn la ecuacin:

CC = 0,007 ( LL - 10 )

- Una arcilla normalmente consolidada en condiciones geolgicas tiene, segn Skeampton, un ndice de compresin en el terreno del orden del 30% mayor y, por tanto:

CC = 0,009 ( LL - 10 )

- En ambas frmulas el lmite lquido viene expresado en tanto por ciento.

Regla de Helenelund:- Tratndose de arcillas blandas, normalmente consolidadas :

CC = 0,85 w3/2

siendo w la humedad natural en tanto por uno.

Suelos espaoles normalmente consolidados:- Para suelos espaoles normalmente consolidados y ligeramente sobreconsolidados se ha obtenido la lnea de regresin que obedece a la siguiente ecuacin.

CC = 0,99 w 1,315

CC = 0,0097 ( LL - 16,4 )

- ndice de entumecimiento:

MDULO EDOMTRICO.-

Hay casos en los que conviene manejar una magnitud de propiedades semejantes al mdulo de elasticidad. Se recurre entonces al mdulo edomtrico, Em, como:

Mdulo edomtrico instantneo:

Arcillas normalmente consolidadas:

Coeficiente de compresibilidad:

TEORA DE LA CONSOLIDACIN.-

La arcilla bajo cualquier carga no se deforma de manera instantnea, si no que la deformacin total requiere un tiempo en ocasiones grande. La teora de la consolidacin estudia este proceso.

Este fenmeno tiene dos causas:

1.- Necesidad de expulsar el agua intersticial sobrante.

2.- Reajuste de las partculas de arcilla.

La consolidacin consta de estos dos fenmenos superpuestos y mezclados. Al primero de ellos se le denomina consolidacin primaria y al segundo consolidacin secundaria.

La muestra colocada en el edmetro puede ser comparada a una serie de tabiques agujereados separados por muelles ( mitad de la muestra ).

Si se aplica un (( en el momento inicial la muestra se carga soportando toda la carga el agua con la subsiguiente elevacin de la carga hidrulica (Co).

Inmediatamente el agua empezara a escapar por los agujeros, con ello el diafragma superior ir descendiendo y parte de los muelles irn soportando la carga que ya no admite el agua. Este fenmeno es ir transmitiendo a travs de diafragmas y muelles de manera lenta.

As sucesivamente se ir llegando a la lnea C2, C3, Cn de carga hidrulica o nivel piezomtrico.

Finalmente todos los incrementos de presin de agua desaparecen y la carga queda sustituida por los muelles donde el nivel piezomtrico vendr dado por C(.

OBTENCIN DEL GRADO DE CONSOLIDACIN O LA DEFORMACIN DE UNA CAPA DE ARCILLA SOMETIDA A DETERMINADA PRESIN.

1. Se realiza el ensayo edomtrico ( Cc

2. Calculo Em para valor medio de e y ( (

3. Coeficiente de consolidacin vertical (

4. Ecuacin diferencial que modeliza el ensayo del suelo (

Grado de consolidacin medio:

Relacin entre la deformacin en un instante t y la final:

2H0 ( espesor inicial de la pastilla.

- No se impone restriccin entre ndice de poros y presin efectiva.

- h no tiene que ser constante en la consolidacin.

CURVAS DEFORMACIN-TIEMPO.

Obtencin del coeficiente de consolidacin:- distincin entre los procesos:

1. Consolidacin inicial.

2. Consolidacin primaria.3. Consolidacin secundaria.Mtodo logartmico o de Casagrande:

- ordenadas: lecturas del edmetro.

- abcisas: log. Tiempo.

- seleccin dos puntos con relacin de puntos 1/4

- por diferencia de lecturas, clculo de L0- Li-Lo = consolidacin inicial

- L100 = interseccin de tangentes tramos medios y final.

- L50 = media aritmtica entre L0 y L100

H corresponde al 50% de la consolidacin, altura inicial - (Li-L50)

Tomando el valor de H inicial obtenemos CF.

Mtodo de Taylor o

:

- ordenadas: lecturas del edmetro.

- abcisas:

- L0: prolongacin de la recta y corte con eje de coordenadas

- L90: por L0 se taza una recta cuyas abcisas sean 1,15 veces la recta de consolidacin, hasta que la corte:

TEMA 10.- RECONOCIMIENTO GENERAL DE LOS SUELOS.

IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACIN PRELIMINAR.-

Es la base de mapas temticos ( riesgos geolgicos, movimiento del suelo, deslizamiento, planificacin del suelo, ).

Establecer las zonas que se deben estudiar con detalle.

A partir de ella se hacen mapas de zonificacin en base de distintos materiales.

En cada zona se establecen los posibles problemas geotcnicos ( litologa, hidrogeologa, estructura, ).

Permiten hacer estudios probabilsticos.

Ejemplo: Estabilidad de taludes:

Se definen zonas de susceptibilidad al deslizamiento o rotura.

Si afectan a formaciones superficiales o macizos rocosos.

Signo de movimientos antiguos o modernos.

Tipo de deslizamiento.

Profundidad de los planos de rotura.

EVOLUCIN DEL PAISAJE Y FORMAS DE RELIEVE.-

La forma del terreno es consecuencia de:

1. la litologa y estructura inicial.

2. los procesos que modifican esas caractersticas.

3. el estado de evolucin.

1. LA LITOLOGA Y ESTRUCTURA INICIAL INCLUYEN:

Propiedades fsicas y compresin qumica.

El modo de sedimentacin.

Esfuerzos e historia tectnica.

Estructura y zonas de debilidad.

2. LOS PRINCIPALES PROCESOS SON:

Meteorizacin y erosin por accin del hielo, agua y viento.

Geotcnia interna ( vulcanismo, geotcnica, sismicidad ).

3. LOS FACTORES AMBIENTALES CONTROLAN LOS PROCESOS DE EROSIN Y METEORIZACIN:

Clima ( diferentes formas en el mismo material ).

Precipitaciones ( inducen deslizamientos ).

Vegetacin ( retiene agua de lluvia, favorece evaporacin, frena escorrentas, aumenta cohesin del terreno,).

ZONAS POTENCIALMENTE INESTABLES.-

Se consideran as las que presentan relieves o paisajes de esta forma:Zonas elevadas y abruptas.

Zonas de relieve escarpado.

Altorrelieves alborregados.

Relieve volcnico accidentado.

Zona de crcavas.

Pie de monte: conos de deyeccin y conchales.

Drenaje y usos de agua meandriformes encajados.

Acantilados escarpados.

Relieves escalonados y aterrazados.

Zonas submarinas inestables.

INVESTIGACIONES PREVIAS.-

La escala de trabajo depende de los objetivos perseguidos, del tamao del rea investigada y de las escalas de los mapas y fotografas disponibles.

En investigaciones regionales son comunes las escalas 1:200000 y 1:50000.

METODOLOGA.-

1. Evaluacin de datos geolgicos, topogrficos, etc.

2. Identificacin de zonas de riesgo inestables o singulares y zonificacin.3. Zonas de investigacin de detalle.TCNICAS DE INVESTIGACIN.-

Se basan en el estado de la forma del terreno.

MAPAS:

Dan informacin en dos dimensiones.

Se manejan fcilmente y mantienen la escala.

Se quedan anticuados en poco tiempo.

MAPAS TOPOGRFICOS:

Presentan la configuracin de la superficie de la tierra permitiendo medidas de distancias horizontales y elevaciones verticales ( curvas de nivel ).

La distancia entre curvas de nivel depende de la escala del plano.

LA IDENTIFICACIN DE MOVIMIENTOS SE HACE A PARTIR DE RASGOS CARACTERSTICOS:

Curvas de nivel formando lbulos ( depsitos al pie de laderas ).

Curvas de nivel agrupadas ( escarpe ).

Curvas que rompen la tnica general.

LA IDENTIFICACIN DE ZONAS SUSCEPTIBLES DE TENER MOVIMIENTOS SE HACE:

Curvas de nivel apretadas ( escarpes ).

Curvas de nivel formando lbulos ( relieve alomado ).

Curvas de nivel muy irregulares en laderas ( crcavas y barrancos ).

Curvas de nivel dibujando acumulaciones de material.

MAPAS GEOLGICOS.-

Descripcin de suelos y rocas.

Depositos superficiales.

Alteracin y meteorizacin.

Contactos y lmites geolgicos.

Zonas de fractura y cizalla.

Juntas y discontinuidades estructurales.

Historia geolgica de la zoona.

Existe cartografa a 1:200000 y 1:50000

Existen mapas geomorfollicos, litolgicos, hidrolgicos, de cultivos,

Los datos mas importantes a obtener de estos mapas son:

- tipo de formacin geolgica y disposicin estructural.

- formas del terreno y drenaje.

Ejemplos: zona problemtica: litologas permeables e impermeables superppuestas con relieve accidentado.

Los mapas hidrogeolgicos aportan datos sobre:

Acuiferos. Pozos artesanos. Movimiento subterraneo del agua. Caudales. Anlisis qumicos del agua. Permeabilidades. Lmites de aguas potables y salinas. Existencia de manantiales y filtraciones. Propiedades hidrogeolgicas de los materiales.Los mapas geomorfolgicos son los mas utiles para estimar riesgos de deslizamiento:

Pendientes y modelos caractersticos. Litologa. Gnesis de los materiales.MAPAS GEOTCNICOS.-

Parmetros geomecnicos.

Propiedades resistentes de los materiales.

Datos geolgicos para caracterizar las diferentes unidades.

Cartografa geotcnica ( 1:200000 - 1:25000 ). Riesgos geotcnicos posibles.MAPAS ESPECFICOS.-

Mapas de deslizamientos.

Mapas de movimiento del terreno. mapas de planificacin y uso del suelo.RECONOCIMIENTOS PREVIOS DE CAMPO.-

Se realizan tras la investigacin general.

EVIDENCIAS DE MOVIMIENTOS:

Rupturas de pendiente.

Planos inclinados en roca frescos.

Bloques al pie de acantilados.

Grietas de traccin.

Cicatrices de ruptura.

Hundimientos o subsidencias.

Lbulos en cuchara en laderas.

Reptaciones de material blando.

Avalanchas o flujos.

rboles o fsiles inclinados segn pendiente.

Races o arboles arrancados.

Grietas en construcciones o carreteras.

IDENTIFICACIN DE MOVIMIENTOS.-

Condiciones geomtricas y geomorfolgicas:

- ngulos, pendientes, alturas, longitud y volumen.

- Rasgos de pie y cabecera.

- Grietas.

- Profundidad y forma de la ruptura.

Caractersticas geolgicas y geotcnicas:

- Material homogneo.

- Zona blanda.

- Discontinuidades.

- Matriz rocosa.

Caractersticas hidrogeolgicas:

- Nivel fretico.

- Surgencias.

- Filtraciones.

Causas externas:

- Excavaciones.

- Obras civiles.

- Movimiento de tierras.

- Erosin.

- Inundaciones.

El deslizamiento debe clasificarse.

INVESTIGACIN DE DETALLE.-

Complemento indispensable de la investigacin a gran escala. Menor amplitud pero mayor profundidad. A travs de tcnicas de investigacin y ensayo, intenta estimar los parmetros que rigen el comportamiento de macizos rocosos y suelos. Se incluyen en ella la toma de datos y el tratamiento de la informacin. Por lo que exige una planificacin adecuada El adecuado tratamiento de datos, sobre todo cuando estos son numerosos, suele requerir sistematizacin (sistemas informticos ).FINALIDAD DE LA INVESTIGACIN.-

Todas sus fases tienen como objetivo el mejor conocimiento posible ( ms eficiente ) de las caractersticas del terreno que permita producir con suficiente aproximacin el comportamiento del mismo. Subdivisin en rocas homogneas y obtencin de los parmetros de cada una de ellas.MTODOS DE INVESTIGACIN.-

Objetivo: proporcionar informacin adecuada sobre los materiales del terreno.

Se presentan a continuacin los mtodos de investigacin ms usuales en estudios de detalle.

Calicatas:

- Se realizan en zonas fciles de excavar.

- Suelen tener poca profundidad.

- Permiten la observacin in situ de los materiales del terreno.

- Toma de muestras por ensayos y medidas.

- Impresos de registro de datos que incluye:

Profundidad. Litologa y descripcin. Presencia de agua. Toma de muestras. Otros datos, segn casos (w, consistencia,).Sondeos mecnicos:

- Sondeos autnomos o sobre vehculos.

- Percusin o rotacin; segn tipo de perforacin.

- Recuperacin ripios o testigo continuo.

- Tomar muestras o hacer ensayos profundos.

- El trpano depende del terreno.

- El dimetro de perforacin de la profundidad.

- Testificacin del sondeo y fotos.

- Los tiles del tipo del terreno.

- Colocacin de testigos en cajas.- Muestras de roca parafinadas.

- Muestras inalteradas de suelos: tomamuestras.

- Muestras alteradas: macizo helicoidal hueco.

Penetrmetros:

- Introducen una puntaza en el terreno por golpeo o empuje.

- Miden resistencia a la penetracin.

- Pueden seer dinmicos ( golpeo ) o estticos ( presin de un motor ).

Ensayo de penetracin estndar ( SPT ):

- Penetrmetro dinmico abierto.

- La reistencia del suelo a la penetracin se mide por el nmero de golpes ( N ) para hincar 30 mm.

- Maza 63,6 kg. Altura: 76,2 cm.

- Si se necesita dar ms de 100 golpes se considera rechazo.

- Por debajo del nivel fretico hay que corregir la lectura.

Penetrmetro dinmico Borros:

- Consiste en hacer penetrar una puntaza, de 1,5 kg de peso, de forma cuadrada y 16 cm2 de superficie con una punta cnica que forma un ngulo de 60.

- Se golpea por medio de una maza de 65 kg de peso que caer desde una altura de 50 cm.

- Sus resultados se indican en impresos que contemplan la profundidad y el nmero de golpes.

Penetrmetro esttico:

- El cono se introduce en el terreno por empuje, no por golpeo, a una velocidad constante.

- Las resistencias de avance se miden en el manmetro.

- Existen dos tipos de cono en estos penetrmetros:

- Cono mvil: el cono se desplaza independientemente con respecto al tren de varillas que lo soporta.

- Cono fijo: mide las dos resistencias a la vez.

- Mide parmetros a corto plazo en arcillas y limos plsticos blandos.

MTODOS GEOFSICOS.-

- Distribucin en profundidad de propiedades fsico-qumicas de las capas del terreno

- Informa sobre estructuras geolgicas y caractersticas mecnicas.

- Indican contactos recubrimiento-sustrato, relleno artificial-terreno natural, freticos.

- Testificacin geofsica.

- Mtodos gravimtricos, magnticos, ssmicos elctricos y radiactivos.

GEOFSICA SSMICA:

Propagacin de ondas elsticas en el terreno. Ondas elsticas internas.

- longitudinales ( P ).

- transversales ( S ).

Ondas elsticas superficiales:

- Rayleigh ( R ).

- Ondas Love.

- Hidrodinmicas ( H ).

- Acopladas ( C ).

- Se miden tiempos ( distancias conocidas ) de llegada de ondas P ( ms rpidas ).

- La velocidad depende de las constantes elsticas y de la densidad del medio.

- Las ondas P son las que se utilizan en la ssmica de refraccin y reflexin.

- La generacin de las obras puede realizarse con explosivos o por golpe de un martillo sobre una placa metlica situada sobre el terreno.

- La recepcin de ondas producidas se realiza con sensores o gefonos, que traducen la vibracin mecnica debida al paso de las ondas por el terreno. La frecuencia de la onda se amplifica y sus indicadores se registran en un sismograma.

30- 4-97GEOFSICA ELCTRICA:

- Estudio de campos de potencial elctrico.

- Se utiliza tanto corriente continua como alterna, de frecuencias muy bajas.

- Mtodo barato.

- El mtodo se basa en las diferentes propiedades elctricas de las rocas: resistividad, conductividad,

- Campo elctrico artificial.

- Los mtodos ms usuales basados en la resistividad son los sondeos elctricos (SEV) y las calicatas elctricas.

ENSAYOS IN SITU.-

- Caractersticas mecnicas e hidrogeolgicas.

- Carcter puntual ( difcil extrapolacin ).

- Elevado costo.

- Son los nicos que ofrecen garantas respecto al carcter inalterado del terreno ensayado.

MEDIOS ROCOSOS:

- Se pueden dividir los ensayos in situ de los medios rocosos en dos grupos, segn la propiedad que pretendan definir:

Resistencia y deformabilidad. Permeabilidad.RESISTENCIA Y DEFORMABILIDAD:

- Los ensayos que se describen a continuacin son los de uso ms extendido:

Martillo Schmidt (Esclermetro):- Estima la resistencia a compresin simple de una roca.

- Puede aplicarse sobre roca matriz y discontinuidades.

- Consiste en medir la resistencia al rebote de la roca.

- Mtodo de ensayo:

Se elimina la ptina de roca meteorizada. Se hacen 10 ensayos ( se eliminan los 5 mas bajos ). Se calcula el promedio. Se va al grfico de correlacin.- Es necesaria la toma de alguna muestra bloque y su ensayo en laboratorio para calibrar las medidas.Ensayo de carga puntual:- Estima la resistencia a compresin simple de una roca.

- Difcil aplicacin a rocas blandas o anistropas.

- Medidas paralelas o perpendiculares a estratificacin.

- Correlacin:

BIENIAWSKI:

BROCH & FRANKLIN:

Donde:

P = es la carga aplicada.

A = es la seccin de la muestra.

K = constante que depende de la resistencia de la roca.

Para facilitar que las rocas ms fracturadas se puedan ensayar, se ha propuesto un dimetro de 25 mm en probetas cilndricas, donde A = 500 mm2. Se puede obtener un ndice de resistencia , T500 dividiendo por este rea.

Para fragmentos de roca obtenemos un ndice de resistencia corregido, T*500, con la siguiente expresin:

De forma aproximada se puede decir que la resistencia a compresin simple de la roca viene dada por:

(c=12,5T500

Ensayo brasileo (traccin directa):- Se realiza con el aparato anterior sustituyendo puntazas por placas rectangulares de acero.

- Es de uso ms frecuente en laboratorio.

- La realizacin de este ensayo en campo est condicionada por el dimetro de las muestras y las limitaciones de carga del aparato, para rocas muy resistentes.

5- 4-97

Ensayo de corte directo:- Aparato de Hoek.

- Determina la cohesin y ngulo de rozamiento interno a lo largo de una superficie de testigo de roca o de una discontinuidad.

- El testigo se sujeta a ambas cajas con mortero de cemento o resina, dejando en la parte central de la caja la discontinuidad.

- Sobre esta se aplica la fuerza horizontal para que se produzca la rotura.

- Estos ensayos determinan tanto resistencia al corte de pico como residual.

- Caracteriza discontinuidades con o si relleno.

Tilt test:- Ensayo de corte con cargas puntuales muy bajas.

- Consiste en superponer dos bloques con una discontinuidad comn a ambos e ir inclinndolos sobre un apoyo hasta que comiencen a deslizar, momento en el que se mide el ngulo (.

- Este ngulo es funcin de la relacin entre el esfuerzo de corte y el esfuerzo normal.

- Se correlaciona con el ngulo de rozamiento interno.

PERMEABILIDAD:

- La permeabilidad de los medios rocosos est condicionada fundamentalmente por el espaciamiento, apertura y relleno de las familias de discontinuidades.

- Los ensayos se realizan en sondeos o pozos.

- Se realiza con agua a presin, esta se aumenta en escalones sucesivos y luego se disminuye, estudiando la respuesta de las discontinuidades frente a las presiones aplicadas.

- El ms usado es el ensayo Lugeon.

- A partir de estos ensayos se pueden confeccionar unos diagramas presin-caudal, de cyo anlisis se deduce le comportamiento del macizo rocoso frente a las filtraciones.

CLASIFICACIONES GEOMECNICAS.-

Mtodo barato. Estima caractersticas mecnicas en base a ndices de calidad.TIPOS DE CLASIFICACIONES:

BIENIAWSKI

Obtiene un ndice de calidad llamado Rock Mass Rating ( RMR ), que depende de:- La resistencia de la roca matriz.

- Las condiciones del diaclasado.

- El efecto del agua.

- La posicin relativa del diaclasado respecto a la excavacin.

Se definen una serie de parmetros con determinados valores, cuya suma proporciona el ndice de calidad RMR, que vara entre 15 y 100. Estudia 10 parmetros:- Orientacin: definida por la direccin de buzamiento y el buzamiento de la lnea de mxima pendiente en el plano de la discontinuidad.

- Espaciamiento: distancia perpendicular entre dos discontinuidades adyacentes.

- Continuidad: Extensin superficial de una determinada discontinuidad en un plano imaginario que la contenga.

- Rugosidad: conjunto de irregularidades de diferentes rdenes de magnitud (asperezas, ondulaciones), que componen la superficie de las paredes de una discontinuidad.

- Resistencia de la discontinuidad: resistencia a la compresin de la superficie de discontinuidad. Puede ser ms baja que la resistencia de la roca matriz.

- Apertura: distancia perpendicular entre las paredes de una discontinuidad.

- Relleno: material que separa las paredes de una discontinuidad.

- Filtrcin: flujo de agua y humedad libre visible en discontinuidades o en la totalidad de la roca.

- Nmero de familias que comprede el sistema de discontinuidades del medio rocoso.

- Tamao de bloque: dimensiones del bloque de roca resultante de la orientacin y espaciado de las familias de discontinuidades.

DESCRIPCIN GEOTCNICA BSICA.-

Toma de datos por observacin directa. Los aspectos que se tienen en cuanta en la clasificacin geomecnica de los suelos son los siguientes:- Nombre de la roca o suelo, con una descripcin geolgiaca.

- Caractersticas estructurales y mecnicas del medio rocoso, como son espesor de los estratos y caractersticas de las discontinuidades.

- Estado del macizo estudiado: en este sentido se estudia el grado de meteorizacin, presencia de agua, descripcin del entorno,

BARTON

- Esta clasificacin se basa en un ndice de calidad Q obtenido a partir de 6 parmetros que tienen en cuenta una serie de caractersticas del macizo rocoso.- El ndice Q se define como:

donde:

RQD = Rock Quality Designation.

Jn = ndice de diaclasado.

Jr = ndice de rugosidad, que tiene en cuenta la presencia de relleno.

Ja = ndice de alteracin de las juntas.

Jw = coeficiente reductor.

SRF = Stress Reduction Factor, tiene en cuenta el estado tensional del macizo rocoso.

( tamao del bloque.

( resistencia al corte entre bloques.

( estado tensional (presin activa).

Considerando los intervalos de variacin de los parmetros que definen el ndice de calidad, Q, este toma unos valores comprendidos entre 0,001 y 1000. Segn estos valores los macizos rocosos se clasifican en 9 categoras:

VALORES DE Q

TIPO DE ROCA

0,001 - 0,01

Excepcionalmente mala

0,01 - 0,1 Extremadamente mala

0,1 - 1

Muy mala

1 - 4

Mala

4 - 10

Media

10 - 40

Buena

40 - 100

Muy buena

100 - 400

Extremadamente buena

400 - 1000

Excepcionalmente buena

PROPIEDADES MECNICAS DE LOS MACIZOS ROCOSOS.-

Mtodo analtico. Mtodo geolgico u observacional. Mtodo empricoAPLICACIONES.-

Sostenimiento de galeras y tneles. Sistemas de excavacin. Fragmentacin de macizos rocosos por voladura. Ripabilidad. Arranque con mquinas de ataque puntual. Estabilidad de taludes.OBJETIVOS.-

Definir en el macizo distintos dominios estructurales. Establecer criterios para comprender el comportamiento de los macizos. Facilitar la planificacin y diseo de las obras.EXIGENCIAS.-

Ser exhaustivas Ser mutuamente excluyentes. Ser claras y consistnetes. UTILIDADES.-

Primera prediccin del comportamiento de un macizo ante una obra. Fases de viabilidad y anteproyecto. Mejora metodolgica de los estudios. Divisin de los macizos en grupos de comportamiento similar. Informacin cuantitativa.LIMITACIONES.-

Uso en ltima estancia. Extrapolacin de datos no representativos. Aplicacin a obras poco contrastadas. Alternancia de rocas dbiles y consistentes. Materiales expansivos, solubles o muy colapsables. Campos tensionales, internos o inducidos, importantes Zonas singulares. Obras subterrneas con grandes luces. Aplicacin subjetiva.ENSAYOS DE LABORATORIO EN ROCA.-

Tratan de determinar las propiedades geotcnicas de la roca matriz o de discontinuidades determinadas mediante el ensayo de muestras ( testigos u otras ). Uno de los aspectos que ms interesan es el conocimiento de las caractersticas resistentes de las rocas, que nos permitirn definir un criterio de rotura. El criterio de rotura nos permitir predecir si una roca o un macizo rocoso ser estable o inestables ( se producir rotura ) al someterle a un determinado estado tensional. Uno de los criterios de rotura ms utilizados es el de Mhr-Coulomb, basado en la representacin de Mhr del estado tensional en el plano. La deformabilidad, comportamiento de una roca antes de sufrir la rotura, ser otro aspecto importante a tener en cuenta.IDENTIFICACIN Y ESTADO:

Naturaleza y estado aparente. Lupas binoculares. Microscopio petrogrfico y scanning. Anlisis qumicos. Anlisis mineralgicos.

Naturaleza mineralgica y cristalogrfica, textura, microfracturacin, orientacin y distribucin de componentes, meteorizacin. Estado: porosidad, peso especfico, humedad.ALTERABILIDAD:

Reproduce procesos de meteorizacin. Seleccin de planos.RESISTENCIA Y DEFORMACIN:

Las caractersticas resistentes de las rocas se determinas mediante una serie de ensayos que permiten determinar el lmite mximo de esfuerzos que puede soportar una roca bajo determinadas condiciones. Los ensayos ms utilizados son:ENSAYO DE RESISTENCIA A COMPRESIN SIMPLE:

Se comprime una probeta cilndrica segn su eje vertical. Puede realizarse con o sin medida de la deformabilidad. Influye la relacin longitud/dimetro (L/D = 2 2,5 ), la velocidad de carga y las condiciones de borde de la muestra. Con bandas extensomtricas se obtienen diagrmas tensin/deformacin, que permiten una estimacin del tipo de comportamiento del material. Para calcular el mdulo de deformacin lineal y el coeficiente de Poisson la deformabilidad de la roca se debe medir preferentemente con bandas extensomtricas.ENSAYO BRASILEO (TRACCIN):

Se ensaya una probeta cilndrica, en la que su altura H puede ser pequea respecto al dimetro, D, de 0,5 a 1. Se carga comprimindola a lo largo de dos generatrices opuestas. La resistencia a traccin se expresa como:

Donde:

P = carga total de rotura.

D = dimetro de la prueba.

H = altura de la probeta.

ENSAYO DE COMPRESIN TRIAXIAL.-

La rotura de las probetas se realiza aplicando una presin de confinamiento (3 y una presin vertical (1, creciente y midiendo las deformaciones para obtener la relacin tensin/deformacin correspondiente, y determinar la (1 de rotura y la evolucin de la presin intersticial u. No es un ensayo de mucha aplicacin.ENSAYO DE CORTE DIRECTO.-

Se realiza normalmente sobre supeoficies de discontinuidad para determinar la cohesin y el ngulo de rozamiento interno. Se obtiene una grfica que recoge el esfuerzo cortante y el deslizamiento de un bloque sobre otro. Se determina la resistencia al corte de pico y la residual. La resistencia al corte es la nica fuerza que se opone al deslizamiento.LEY DE COULOMB.-

- Deslizamiento: T > (N

( = coeficiente rozamiento del material.

- ( = tg(

no hay deslizamiento si T< Ntg(.

CRITERIO DE ROTURA DE MOHR-COULOMB:

- Determina la resistencia al sefuerzo cortante ( ( ) en un elemento plano a travs de un suelo:

Donde:

c = cohesin del suelo.

( = tensin normal al plano.

( = ngulo de rozamiento interno del suelo.

- La relacin entre las tensiones tangenciales y normales que produce la rotura de un suelo no es lineal sino que sigue una curva llamada envonvente de Mohr.

- La rotura de un cuerpo continuo pasa por un punto de l, si en algn plano que pase por dicho punto existe la combinacin de tensiones definida por la envolvente de Mohr.

EL CIRCULO DE MOHR.-

El lugar geomtrico del vector que representa la tensin ejercida sobre los elementos planos que pasan por un mismo punto de un cuerpo en equilibrio de tensiones, es un elipsoide centrado en ese punto y que tiene por ejes las tres tensiones normales principales relativas a dicho punto. Consideramos los planos que pasan a travs de la tensin principal intermedia. Compresin: + Traccin: - Esfuerzo cortante: + si gira en sentido antihorario.ENSAYO DE LABORATORIO EN SUELOS.-

IDENTIFICACIN:- Sirven para clasificar los suelos en grupos con un comportamiento semejante.

- Tienen relacin con el resto de las propidades.

COMPOSICIN QUMICA Y MINERALGICA:- Permiten conocer el tipo de minerales arcillosos, capacidad de cambio de cationes, y estructura de las partculas, dando una estimacin del estado del suelo.

- Proporcionan una informacin sobre: plasticidad, expansividad, dispersabilidad, deformabilidad, etc.

- Estos ensayos se realizan con poca frecuencia.

ESTADO NATURAL:- El estado natural de un suelo se refiere a la densidad y humedad que presenta in situ.

DISPERSABILIDAD:- Trata de evaluar el comportamiento de los suelos frente a la erosin por filtracin de agua.

- Tienen doble carcter, fsico y qumico, relacionado con la granulometra y contenido de in Na+ en las capas dobles de las partculas.

- Estos ensayos son de valoracin cuantitativa.

EXPANSIVIDAD:- Los ensayos de expansividad ms utilizados son el ensayo Lambe, la presin de hinchamiento crtica, hinchamiento libre.

- Ensayo Lambe: determina un ndice de expandin que permite estimar de forma cualitativa el combio potencial de volumen. Se efecta con muestras remoldeadas.

SUSCEPTIVILIDAD:- Cociente entre la resistencia de un suelo natural y amasado.

- Aumenta con la materia orgnica.- Es pequea en arcillas consolidadas a travs del tiempo.

- La resistencia de una muestra inalterada de arcilla depende de la plasticidad y la presin efectiva a la que ha estado sometido.

- La resistencia al corte sin dernaje de la muestra amasada depende de la fluidez.

- La susceptibilidad no depende de la mineraloga.

- Es tpico de arcillas marinas muy floculadas que luego son lixiviadas.

DEFORMABILIDAD O COMPRESIBILIDAD:- El ensayo de mayor difusin se realiza en el edmetro, aplicando una presin vertical a una muestra e impidiendo la deformacion en sentido horizontal

- Se realiza en ciclos de carga y descarga, proporcionando clculo de asientos y su evolucin en el tiempo, mediante en coeficiente de consolidacin:

- Los resultados de este ensayo se representan en una grfica.

RESISTENCIA:- Los ensayos de uso ms frecuente son:

Ensayo de compresin simple:

- Consiste es someter a una probeta de suelo a una compresin uniaxial no confinada.

- Ensayo de rotura sin drenaje, debido a su gran rapidez.

- En suelos saturados la cohesin se puede estimar como la mitad de la resistencia a compresin simple.

Ensayo triaxial:

- Se puede aplicar una presin sobre el contorno lateral de la probeta y otra distinta segn su eje.

- Se determina la cohesin y el ngulo de rozamiento interno del material.

- Tambin puede determinarse el mdulo de deformacin en condiciones de no confinamiento lateral.

- Los resultados se representan en diagramas en los que se pone en abscisas la deformacin vertical y en ordenadas el desviador tpico ( incremento de presin vertical).

- Este tipo de ensayos se realiza sobre tres probetas de suelo a las que se aplican diferntes presiones laterales. Permite modificar las condiciones de drenaje y consolidacin dando lugar a tres clases de ensayos:

Ensayo triaxial con drenaje:

- Se realiza en suelos granulares con alta permeabilidad, dejando que la muestra drene.

- La distribucin de tensiones es uniforme.

- Tres probetas consolidadas con tres presiones exteriores distintas.

- La envolvente de los circulos de Mhr define el ngulo de rozamineto interno y cohesin efectivos del suelo (( y c)

Ensayo con consolidacin previa y rotura sin drenaje en suelo saturado:

- Presin externa con vlvula de drenaje abierta.

- Una vez consolidado se calcula la tensin desviadora con la vlvula de drenaje cerrada.

- Obtenidos los circulos de Mhr correspondientes a las tres probetas ensayadas, su envolvente permite definir el ngulo de rozamiento interno y cohesin del suelo ( y c en presiones totales.

Ensayo sin drenaje y en suelos saturados:

- Es el ensayo ms usado ya que permite obtener los parmetros resistentes del suelo bajo condiciones de presiones totales (( y c) y de presiones efectivas (( y c)

- Presin externa (()con vlvula cerrada.

- Tres probetas( crculos de Mhr ( tensiones totales.

- Envolvente horizontal ( (1-(3 = constante.

- Cu = resistencia sin drenaje mxima.

- Las presiones efectivas no varan, pues se transmiten ntegramente al agua.

- Excepciones: arcillas forzadas y suelos de grano grueso con gran dilatacin.

Ensayo de corte directo:

- Los elementos esenciales de un aparato de corte directo estn constituidos por una caja que permite la rotura de la muestra a travs de su plano medio.

- Se aplica una fuerza vertical y a continuacin una fuerza tangencial que origina un desplazamiento relativo entre las dos partes de las cajas.

- Se determina la cohesin y el ngulo de rozamiento interno en el plano de rotura con o sin drenaje.

- En ensayos con drenaje y consolidado sin drenaje la presin vertical es igual a la presin de consolidacin.

- La razn de sobreconsolidacin es igual al cociente estre la mxima presin de consolidacin histrica y presin antes del ensayo.

Ensayo de molinete ( VANE TEST ):

- Sirve para determinar la resistencia al corte ( sin drenaje ) en arcillas y limos blandos. Se aplica in situ y sobre testigos.

- La resistencia al corte se calcula a partir del momento de torsin en las aristas de la veleta.

ELECCIN DEL TIPO DE ENSAYO.-

- Se busca la metodologa ms adecuada para analizar un determinado problema, que conduzca a una solucin de forma tcnica y econmicamente viable

- Influyen aspectos como:

- El tipo de obra ( talud, tnel, carretera,)

- El tipo de terreno ( roca, suelo, relleno )

VALORACIN COMPARATIVA DE COSTES.-

Al planificar una campaa de investigacin se ha de considerar el nivel de informacin que se tiene y aquel que es preciso obtener.

El coste bsico de una investigacin depende de las distinta opciones existentes y del nmero de unidades a emplear.

TEMA 11.- COMPACTACIN DE SUELOS.

Todo terraplen debe compactarse para que forme una masa resistente y poco compresible. El agua que contiene el suelo controla la calidad de la compactacin.

Utilizndose la densidad como medida de la calidad de compactacin; se define la humedad ptima como aquella que conviene que tenga el suelo para obtener el mejor grado de compactacin mediante un mtodo de compactacin ( o para una energa de compactacin ) determinado.

Al hablar de compactados se cita la diferencia de compactacin, entre la que tenga en realidad y la ptima ( para la energa de compactacin dada). As se habla de +2% -3% de humedad de compactacin.

Empleando mtodos de compactacin cada vez mas energticos se obtienen familias de curvas, obtenindose lgicamente mayores grados de compactacin ( y de densidad ) cuanto mayores sean las energas empleadas.

El incremento de densidad obtenido al obtener la energa de compactacin es mayor para humedades bajas que para altas.

Para un determinado grado de humedad, la densidad (despus de la compactacin ) nunca puede ser mayor que la correspondiente a la muestra totalmente saturada (w% se mide siempre tras la compactacin ).

Las lneas de compactacin nunca superan la lnea correspondiente al Sr = 100%

ENSAYO PROCTOR.- ( + extendido )

Se va depositando la muestra en un molde de 1l de capacidad ((=5,1 cm y h = 12,24 cm ).

Se apisona el suelo en tres capas, mediante golpeo. 25 golpes de un pistn de 2,5 kp de peso y 5 cm de dimetro con una altura de cada de 30,5 cm. El material conviene que no presente granos.

Energa de compactacin entre unidad de volumen = 1,7 kpcm/cm3.

En general si no se vara la energa de compactacin, los resultados de compactacin no varan.

ENSAYO PROCTOR MODIFICADO.-

Se realiza cuando se requiere mayor energa.

Para materiales

. 2,318 l de capacidad.

El esfuerzo de compactacin medio ejercido por las apisonadoras de rodillos es algo mayor que la energa del ensayo proctor y bastante menor que la del proctor modificado. Por lo que a veces se utiliza una energa de 0,5 kpcm/cm3.

EL COMPRESOR HARWARD.-

En obra la compactacin suele realizarse mediante apisonado ( NO IMPACTO ). La presin aumenta con el tiempo hasta alcanzar un mximo y la rotacin del tambor produce una accin de amasado. Para simular esto naci el compactador manual Harward que acta mediante amasado.

Consta de un molde de 62,4 cm3 , con 15/16 de dimetro por 2,816 de altura y un compactador metlico cuyo extremo tiene de dimetro, con un mango ranurado que encierra un muelle precomprimido. Se aplica el compactador con una fuerza necesaria para que venza la fuerza del muelle, se saca y se cambia a un nuevo punto.

ESTRUCTURA DE LOS SUELOS COMPACTADOS.-

La orientacin de las partculas de arcilla en zonas pequeas en las muestras compactadas del lado seco del ptimo, es menor a la de muestras compactadas del lado hmedo ( estructura ms floculada. Del lado hmedo es mayor ( estructura ms dispersa.

La orientacin de las partculas aumenta con la deformacin al corte.

Del lado seco, el suelo es ms resistente, y por ello el esfuerzo de compactacin se gasta principalmente en reducir su volumen, pero no produce deformaciones de corte importantes.

Por el contrario, en un suelo compacto del lado hmedo la resistencia es menor, y el esfuerzo de compactacin produce deslizamiento de unas partculas sobre otras.

El mtodo de compactacin influir de modo notable en la estructura del suelo, y la estructura ser tanto ms dispersa cuanto mayores sean los esfuerzos de corte producidos por el mtodo. Si colocamos la compactacin en el orden esttica, vibratoria, de impacto y de amasado, obtenemos estructuras cada vez ms dispersas.

COLAPSO DE SUELOS.-

Si un suelo parcialmente saturado se somete a una carga, se espera a que cesen los asientos y, a continuacin, se inunda, ocurre en ocasiones que sufre un asiento adicional. Este fenmeno se conoce con el nombre de colapso.

En general se produce un asiento cuando el grado de saturacin es inferior al grado de saturacin crtico. En suelos granulares este valor est comprendido entre el 40 y el 60%, en escollera 20%, en limos 40-50% y en arcillas 85%.

Fenmeno peligroso en limos saturados a presin.

Se debe a la accin lubricante del agua que provoca nuevos deslizamientos en el interior de la masa del suelo en busca de posiciones ms estables.

COMPRESIBILIDAD DE SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS.-

La deformacin de un suelo saturado depende de las presiones efectivas. Frmula equivalente, en suelos parcialmente saturados, a la ley de Terzaghi:

( : parmetro dependiente de Sr, tipo de suelo e historia geolgica.

En suelos semisaturados es difcil calcular la tensin efectiva.

Presin efectiva:

- tensiones endgenas: en los meniscos.

- tensiones exgenas: el resto.

Las edgenas aumentan la resistencia del suelo.

Las exgenas tienden a la reorganizacin y deslizamiento de partculas.

Al disminuir las endgenas aumentan las exgenas para compensar, reordenando partculas y produciendo colapso.

Al secarse el suelo, actan los meniscos de los poros, esponjando y aumentando el volumen.

La compresibilidad se controla por 3 variables: e, ua - uw, ( - ua.

PERMEABILIDAD DE SUELOS SEMISATURADOS.-

No se cumple la ley de Darcy pero se adapta a esta situacin. Se mantienen las hiptesis de partida.

El coeficiente de permeabilidad del agua de un suelo parcialmente saturado, kw, es menor que el del mismo suelo saturado, k, siendo funcin de Sr o de otra magnitud anloga que designamos