estudio de los suelos para obras viales - semana 1

COMPETENCIAS TÉCNICAS EN ASEGURAMIENTO Y

CONTROL DE CALIDAD EN OBRAS VIALES

El suelo es un material térmico no homogéneo y poroso

cuyas propiedades son influenciadas por los cambios de

humedad y densidad.

Las partículas individuales de los suelos pueden ser de

dos tipos:

Partículas Granulares: Son conjuntos de cristales

minerales del cuarzo y feldespatos principalmente; se

las puede observar y presentan formas redondeadas y

angulares.

Partículas Arcillosas: Son partículas laminares

minúsculas que se las puede ver a través de un

microscopio.

NATURALEZA DE LOS SUELOS



• Es el ordenamiento de los diferentes suelos en grupos

que tienen propiedades semejantes, el propósito es

facilitar las actitudes de un suelo por comparación con

otros de la misma clase cuyas propiedades se conocen.

Existen varios sistemas de clasificación de los cuales los

más utilizados en el país son:

- Sistema de clasificación de los suelos según AASHTO.

- Sistema de clasificación de los suelos según SUCS.

CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS



Ambos métodos se basan en la determinación de la

composición granulométrica del suelo y de los límites de

Atterberg de la fracción fina de los mismos.

Nota: La clasificación de suelos según la AASHTO se

utiliza en vías, y la clasificación de suelos según SUCS

se utiliza para cimentaciones.




Esta clasificación se basa en los resultados obtenidos

como el límite líquido, índice de plasticidad y material

que pasa el tamiz No. 10, 40 y 200.

De acuerdo con este sistema los suelos están

clasificados en ocho grupos designados por los

símbolos del A-1 al A-8. Los suelos inorgánicos se

clasifican en siete grupos que van del A-1 al A-7 y los

suelos con elevada proporción de materia orgánica se

clasifican como A-8.


SEGÚN AASHTO



Son aquellos que tienen el 35% o menos, del material

fino que pasa por el tamiz Nº 200, estos suelos

forman los grupos A-1, A-2, A-3.

Grupo A-1: Son mezclas de suelos bien gradados,

de fragmentos de piedra, grava, arena y material

ligante poco plástico. Se incluyen también en este

grupo mezclas bien gradadas que no tienen material

ligante.


SEGÚN AASHTO

• SUELOS GRANULARES:



Grupo A-1:


SEGÚN AASHTO


Subgrupo A-1a: Son materiales formados por

roca o grava, con o sin material ligante.

Subgrupo A-1b: Son materiales formados por

arena gruesa bien gradada, con o sin ligante.



Grupo A-2: Comprende una gran variedad de

material granular que contiene menos del 35% del

material fino, y que no pueden ser clasificados como

A-1 y A-3. El grupo A-2 se subdividen en A-2-4, A-2-5,

A-2-6 y A-2-7.

Grupo A-3: En este grupo se encuentran incluidas las

arenas finas de playa y aquellas con poca cantidad de

limo que no tengan plasticidad.


SEGÚN AASHTO




Son suelos limo-arcillosos que tienen más del 35%

que pasa el tamiz Nº 200. A este tipo de suelos les

corresponde los grupos A-4, A-5, A-6, A-7

Grupo A-4: Son suelos limosos poco o nada

plásticos, que tiene un 75% o más del material fino

que pasa el tamiz Nº 200. Además se incluyen en este

grupo las mezclas de limo con grava y arena en un

64%.

Grupo A-5: Son suelos semejantes al grupo A-4, son

elásticos y tienen un límite líquido elevado.


SEGÚN AASHTO

• SUELOS FINOS:



Grupo A-6: A este grupo pertenecen las arcillas

plásticas. Por lo menos el 75% de estos suelos deben

pasar el tamiz Nº 200, pero se incluyen también las

mezclas arcillo - arenosas, cuyo porcentaje de arena y

grava sea inferior al 64%.

Grupo A-7: Los suelos de este grupo son semejantes a

los suelos A-6, pero son elásticos. Sus límites líquidos

son elevados, y se subdividen en A-7-5 y A-7-6.

El índice de plasticidad del subgrupo A-7-5, es igual o

menor a LL-30, y el índice de plasticidad del subgrupo

A-7-6, es mayor que LL-30.


SEGÚN AASHTO

• SUELOS FINOS:



Las características de los diferentes grupos y

subgrupos, además del procedimiento de clasificación se

presentan en las tablas. 1.1 y 1.2.


SEGÚN AASHTO

Tabla 1.1 Clasificación de suelos por el método AASHTO

Clasificación general

Material granular

(35%, o menos pasa

el tamiz Nº 200)

Materiales limo- arcillosos

(Más del 35% pasa

el tamiz Nº 200)

Grupos A-1 A-3* A-2 A-4 A-5 A-6 A-7

Porcentaje que pasa el tamiz:

Nº 10 (2.00mm)

Nº 40 (0.425mm)

Nº 200 (0.075mm)

-

50 máx.

25 máx.

-

51 min.

10 min.

-

-

35 máx.

-

-

36 min.

-

-

36 min.

-

-

36 min.

-

-

36 min.

Características del material que

pasa el tamiz Nº 40 (0.425mm):

Limite líquido

Índice de plasticidad-

6 máx.

-

NP

-

-

40 máx.

10 máx.

41 min.

10 máx.

40 máx.

11 min.

41 min.

11 min.

* La colocación de A-3 antes A-2 se hace únicamente por razones de ordenamiento de cantidades.


SEGÚN AASHTO

Tabla 1.2 Clasificación de suelos por el método AASHTO

Clasificación

general

Material granular

(35%, o menos pasa

el tamiz Nº 200)

Materiales limo- arcillosos

(Más del 35% pasa

el tamiz Nº 200)

Grupos A-1

A-3

A-2

A-4 A-5 A-6

A-7

Subgrupo A-1a A-1b A-2-4 A-2-5 A-2-6 A-2-7

A-7-5

A-7-6

Porcentaje que pasa

el tamiz:

Nº 10 (2.00mm)

Nº40 (0.425mm)

Nº 200 (0.075mm)

50 máx.

30 máx.

15 máx.

-

50 máx.

25 máx.

-

51 min

10 máx.

-

-

35 máx.

-

-

35 máx.

-

-

35 máx.

-

-

35 máx.

-

-

36 min

-

-

36 min

-

-

36 min

Características del

material que pasa el

tamiz Nº 40

(0.425mm):

Limite líquido

Índice de plasticidad

-

6 máx.

-

NP

40 máx.

10 máx.

41 min

10 máx.

40 máx

11 min

41 min

11 min

40 máx.

10 máx.

41 min

10 máx.

40 máx.

11 min

41 min

11 min*

Terreno de fundación Excelente a buenoExcelente

a buenoExcelente a bueno Regular a malo

* El índice de plasticidad del subgrupo A-7-5, es igual o menor a LL-30

El índice de plasticidad del subgrupo A-7-6, es mayor que LL-30

La evaluación de los suelos dentro de cada grupo se

hace por medio del “índice de grupo”, mismo que se

calcula con la siguiente fórmula empírica.

Donde:


SEGÚN AASHTO

IG = Índice de grupo

F =Porcentaje del suelo que pasa por el tamiz Nº 200,

expresado como número entero.

LL = Límite líquido.

IP = Índice de plasticidad



• Sistema concebido para permitir la identificación de los

suelos en el terreno, los agrupa de acuerdo a su

comportamiento como material para construcción en

función de sus propiedades de granulometría y

plasticidad.

• El primer paso para clasificar el suelo consiste en

identificar si es altamente orgánico o no. De serlo, se

anota las principales características como:

textura, olor, etc., y se identifica simplemente como turba

(Pt); y, si no lo es, se continúa el proceso con ayuda de

pruebas de laboratorio, indicando si el suelo es grueso o

fino.

CLASIFICACIÓN UNIFICADA DE SUELOS

(SUCS)



Son aquellos suelos que más del 50% de las

partículas son retenidas en el tamiz Nº 200. Un suelo

grueso será grava, si la mayor parte de la fracción

gruesa queda retenida en el tamiz Nº 4 y se

considera como arena en el caso contrario.

• SUELOS GRUESOS:


(SUCS)

• SUELOS FINOS: Son aquellos suelos que más del 50% de las

partículas pasan el tamiz Nº 200. Para distinguir si la

fracción fina es de carácter limoso o arcilloso, se

emplea la figura 1.1, conocida como carta de

plasticidad de casa grande.



• Fig. 1.1. Carta de plasticidad


(SUCS)

MHuOH

MLuOL

CH

CL

LÍMITE LÍQUIDO

ÍND

ICE

PLÁ

ST

ICO

El sistema unificado utiliza símbolos para identificar los

suelos y determinar su comportamiento como material

de construcción. Las letras que se emplean para

distinguir los suelos son:


(SUCS)

• G - grava

• S - arena

• M - limo

• W - bien gradada

• P - pobremente gradada

• C - arcilla

• O - limos y arcillas orgánicas

• L - baja y media plasticidad

• H - alta plasticidad

• Pt - turbas o fangos.



• Las combinaciones de las letras antes mencionadas

son las que permiten la clasificación del suelo. Por

ejemplo SW designa una arena bien gradada. La

identificación de los suelos se facilita con el empleo

del diagrama de flujo de la tabla 1.3, que se presenta

a continuación:

CLASIFICACIÓN UNIFICADA DE

SUELOS (SUCS)



SUELOS ALTAMENTE

ORGÁNICOS

Textura fibrosa, color, olor,

m uy alto conten ido de agua,

partícu las de m ateria vegetal

(ta llos, hojas, raíces, etc).

HÁGASE UN EXAMEN VISUAL DEL SUELO PARA

DETERMINAR SI ES ALTAMENTE ORGÁNICO, DE

PARTÍCULAS GRUESAS O FINAS, EN LOS CASOS DE

FRONTERA DETERMÍNESE LA CANTIDAD DE

MATERIAL QUE PASA POR EL TAMIZ N° 200.

SUELOS DE PARTÍCULAS

GRUESAS

Más del 50% se retiene en el

tam iz N° 200.

HÁGASE

GRANULOMETRÍAS

GRAVAS (G)

Más del 50% de la fracción gruesa

se retiene en el tam iz N° 4

ARENAS (S)

Más del 50% de la fracción gruesa

pasa por el tam iz N° 4

Menos del 5%

pasa por el

tam iz N° 200.

Entre e l 5% y

12% pasa por

e l tam iz

N° 200.

Más del 12%

pasa por el

tam iz N° 200.

Menos del

5% pasa

por e l tam iz

N° 200.

Más del

12% pasa

por e l tam iz

N° 200.

Entre e l 5%

y 12% pasa

por e l tam iz

N° 200.

EXAMÍNESE LA

CURVA

GRANULO-

MÉTRICA

Casos de frontera

que deben tener

símbolo doble de

acuerdo con las

características de

p lastic idad y

granulometría.

Ejm . GW - GM

Determ ínese

e l LL y LP de

la fracción

que pasa el

tam iz N° 40.

EXAMÍNESE

LA CURVA

GRANULO-

MÉTRICA

Casos de frontera

que deben tener

símbolo doble de

acuerdo con las

características de

p lastic idad y

granulometría.

Ejm . SW - SM

Determ ínese

e l LL y LP de

la fracción

que pasa el

tam iz N° 40.

Bien

gradada

Mal

gradada

Bien

gradada

Mal

gradada

GW GP GM GM-GC GC SW CH OH MH CL ML-OL ML OL SC SM-SC SP SM

Abajo de la

"línea A" con

LP m enor a 4

en la carta de

p lastic idad

Arriba de la

"línea A" con

LP entre 4 y

7 en la carta

de p lasticidad

Arriba de la

"línea A" con

LP m ayor a 7

en la carta

de

p lastic idad

Abajo de la

"línea A" con

LP m enor a 4

en la carta

de

p lasticidad

Arriba de la

"línea A" con

LP entre 4 y

7 en la carta

de

p lastic idad

Arriba de la

"línea A" con

LP m ayor a 7

en la carta

de

p lasticidad

SUELOS DE PARTÍCULAS

FINAS

Más del 50% pasa por el tam iz

N° 200.

Determ ínese e l LL y LP del

m ateria l que pasa e l tam iz

N° 40.

L

Lím ite líquido

m enor de 50.

H

Lím ite líquido

m enor de 50.

Abajo de la

"línea A" con

LP m enor que

4 en la carta

de plasticidad

Arriba de la

"línea A" con

LP entre 4 y 7

en la carta de

p lasticidad

Abajo de la

"línea A" con

LP m ayor que

7 en la carta

de plasticidad

Arriba de

la "línea A"

en la carta

de

p lasticidad

Abajo de la

"línea A"

en la carta

de

p lasticidad

Color, olor

posib lem ente LL y

LP sobre e l suelo

secado en e l horno.

Inorgá-

n icos

O rgáni-

cos

Inorgá-

n icos

O rgá-

n icos

Color, olor

posib lem ente LL y

LP sobre e l suelo

secado en e l horno.

Fuente: Sanchez Sabogal Fernando, Pavim entos, Tom o I, Pág 127.

Un suelo se encuentra compuesto normalmente por tres

fases:

• Sólida: constituida por partículas minerales.

• Líquida: constituida por el agua presente en la masa

del suelo.

• Gaseosa: constituida por el aire que se encuentra

dentro de los poros.

La Fig. 1.2 presenta un esquema de una muestra de suelo

con sus tres fases, en la cual se indica la nomenclatura de

los pesos y volúmenes de los diferentes elementos.

FASES DE LOS SUELOS Y

SUS RELACIONES



FASES DE LOS SUELOS Y SUS

RELACIONES

V

Vv

Va

Vw

Vs

VOLUMENES

W

O

Ws

PESOS

Ww

AIRE

AGUA

SOLIDOS

V = Volumen total de la masa de suelo

Vs = Volumen de los sólidos

Vw = Volumen del agua

Va = Volumen del aire

Vv =Volumen de vacios o volumen

de poros

W = Peso total de la masa de suelo

Ws = Peso de los sólidos

Ww = Peso del agua

Fig. 1.2 Representación esquemática de un suelo parcialmente

saturado.



• RELACIONES DE IMPORTANCIA EN LA INGENIERÍA

DE PAVIMENTOS:

1. Contenido de agua o humedad del suelo.

2. Relación de vacíos.


RELACIONES




DE PAVIMENTOS:

3. Porosidad

4. Grado de saturación


RELACIONES




DE PAVIMENTOS:

5. Contenido de Aire

6. Peso unitario total o densidad húmeda del suelo.


RELACIONES




DE PAVIMENTOS:

7. Peso unitario seco o densidad seca del suelo.

8. Peso unitario de las partículas sólidas.


RELACIONES




DE PAVIMENTOS:

9. Peso específico relativo de los sólidos o gravedad

específica

0, es el peso unitario o densidad del agua.


RELACIONES



• Las propiedades físico - mecánicas son las

características usadas para la selección de los

materiales, para las especificaciones de construcción y

para el control de calidad.

• Para conocer las propiedades físico - mecánicas de los

suelos en un proyecto, es necesario tomar muestras

para posteriormente determinar sus propiedades en el

laboratorio.

PROPIEDADES FÍSICO-MECÁNICAS DE

LOS SUELOS



Este ensayo consiste en

determinar la cantidad de

agua presente en una

cantidad dada de suelo en

términos de su peso en

seco. (ASTM D

2216, AASHTO T 265).

ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS

PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS SUELOS

a) DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD:





b) DETERMINACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO:

El límite líquido (LL) es el

contenido de humedad que

tiene un suelo al momento

de pasar de estado plástico

a un estado semilíquido.(ASTM D 4318, AASHTO T 89).





b) DETERMINACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO:

El estado líquido se define como la condición en

la que la resistencia al corte del suelo es tan baja

que un ligero esfuerzo lo hace fluir.





c) ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO:

La granulometría de

partículas se determina por

un análisis de tamices

efectuado sobre las muestras

de agregado. (ASTM D 422,

AASHTO T 88).

Consiste en hacer pasar la

muestra por una serie de

tamices de diferentes

aberturas, (MOP – 001 – F –

2002.).






La granulometría se determina al calcular el peso

retenido en cada tamiz, después de haber efectuado

el análisis de tamices. Luego se resta el peso

retenido en cada tamiz del peso total de la muestra.

Un suelo conforme su granulometría se clasifica así:

• Agregado grueso.

• Agregado fino.

• Relleno mineral.

• Polvo mineral:






• Agregado grueso: Material retenido en el tamiz de

4.75 mm (No. 4).

• Agregado fino: Material que pasa por el tamiz de 4.75

mm (No. 4).

• Relleno mineral: Fracciones de agregado fino que

pasa el tamiz de 0.60 mm ( No. 30).

• Polvo mineral: Fracciones de agregado fino que pasa

el tamiz de 0.075 mm (No. 200)





d) DETERMINACIÓN DEL LÍMITE PLÁSTICO:

El límite plástico (LP) es la

frontera entre el estado

plástico y el semisólido de

un suelo. En este estado el

suelo puede ser deformado

rápidamente o moldeado sin

recuperación

elástica, existen cambios de

volumen, agrietamiento o

desmoronamiento. (ASTM D

4318, AASHTO T 90).





d) DETERMINACIÓN DEL LÍMITE PLÁSTICO:

Con los valores de LL y

LP determinamos el índice

de plasticidad (IP) que se

define como la diferencia

entre estos dos límites.





e) ENSAYOS DE COMPACTACIÓN:

Se llama compactación al proceso de aplicación de

carga sobre una mezcla de suelo con su consecuente

reducción de volumen y aumento de densidad, es

conveniente la compactación de un suelo ya que

reduce su compresibilidad, incrementa su resistencia

al esfuerzo cortante y lo hace más impermeable.

- Para suelos gruesos ASTM D 1557, AASHTO T 180.

- Para suelos finos ASTM D 698, AASHTO T 99.






Densidad seca máxima: Es el

peso seco máximo, obtenido

cuando el material se mezcla

con diferentes porcentajes de

agua y se compacta de una

manera normal preestablecida

de acuerdo al método utilizado.






Óptimo contenido de

humedad: Es el porcentaje de

agua con el cual se obtiene la

densidad seca máxima para el

esfuerzo de compactación

especificado.



• Los ensayos de resistencia miden la capacidad actual

de los materiales para resistir deformaciones. Existen

diferentes métodos para medir la resistencia de los

suelos de la subrasante que se han sometido a cargas

dinámicas de tránsito:

- Relación de valor soporte California (CBR)

- Valor de Resistencia Hveem (Valor R)

- Ensayo de plato de Carga (Valor K)

- Penetración dinámica con cono (PR)

- Modulo resiliente (Mr)


PROPIEDADES MECÁNICAS

DE LOS SUELOS



El índice de california es una media de la resistencia

al esfuerzo cortante de un suelo, bajo condiciones de

densidad y humedad cuidadosamente controladas.

Su objeto es simular las condiciones de saturación a

las cuales van a estar sometidos los suelos como la

subrasante de una carretera, obteniendo de esta

forma las condiciones más críticas a las que va a

estar sometido el suelo por acción de cargas

vehiculares.

a) VALOR SOPORTE CALIFORNIA (CBR):



DE LOS SUELOS



El equipo y procedimiento

para la realización de este

ensayo se describen en las

siguientes normas:

- CBR de campo ASTM D

4429.

- CBR de laboratorio ASTM D

1883, AASHTO T 193.

a) VALOR SOPORTE CALIFORNIA (CBR):



DE LOS SUELOS



Esta prueba es generalmente

aplicada para el diseño de

pavimentos rígidos, pero en la

actualidad también se lo usa

para pavimentos flexibles,

(AASHTO T 222).

Se lo utiliza para evaluar la

capacidad portante de las

subrasante, las bases y en

ocasiones los pavimentos

completos.

b) ENSAYO DE PLATO DE CARGA, VALOR K



DE LOS SUELOS



Donde:

K = Módulo de reacción del suelo

p = Presión aplicada al suelo.

∆ = Deformación producida en el suelo.

b) ENSAYO DE PLATO DE CARGA, VALOR K



DE LOS SUELOS



c) MÓDULO DE RESILIENCIA:

El objetivo de este ensayo es analizar las propiedades

que tienen los materiales de comportarse bajo cargas

dinámicas como las ruedas de tránsito, (AASHTO T 294).

Este ensayo no es destructivo de

la muestra ya que estos no fallan

durante el análisis. Dichas

muestras son de forma cilíndrica

y se colocan en una cámara

triaxial (figura 1.5), la cual

permite ejercer presiones de

confinamiento a la muestra.



DE LOS SUELOS


El módulo de resiliencia se define como el cociente

entre el esfuerzo desviador aplicado y la deformación

unitaria elástica en cada ciclo de carga.

Donde:

v = Esfuerzo vertical

3 = Presión de confinamiento

d = Esfuerzo desviador

axial = Deformación recuperable



DE LOS SUELOS




El comportamiento esfuerzo - deformación de un

suelo puede ser de dos tipos: resiliente y plástico.

Las deformaciones resilientes o elásticas son de

recuperación instantánea, y

Las deformaciones plásticas son aquellas que

permanecen en el pavimento después de cesar la

causa deformadora.



DE LOS SUELOS






DE LOS SUELOS




Durante pruebas de carga repetida se observa que

después de un cierto número de ciclos de carga, el

módulo llega a ser aproximadamente constante y la

respuesta del suelo puede asumirse como elástica.



DE LOS SUELOS




Al módulo que permanece

constante se le llama

módulo de resiliencia

(Fig.1.6). Así entonces, el

concepto de módulo de

resiliencia está ligado

invariablemente a un

proceso de carga repetida.



DE LOS SUELOS




Cuando no sea posible efectuar los ensayos por no tener los

equipos de laboratorio, se acude a los ensayos tradicionales

de resistencia (CBR y plato de carga), utilizando las

siguientes correlaciones:

Euheukelon y Klomp, han encontrado una relación entre

el Mr medido en el campo y el CBR de laboratorio para

la misma densidad.

CBR ≤ 10



DE LOS SUELOS



RELACIONES ENTRE LAS DIVERSAS

MEDIDAS DE RESISTENCIA DE LOS

SUELOS DE SUBRASANTE

• Para facilitar el trabajo de los diseñadores y en vista de

que la mayoría de los laboratorios no poseen los

elementos necesarios para efectuar cualquier prueba

de resistencia, se han establecido relaciones empíricas

entre las diversas medidas de resistencia, las cuales se

muestran en la tabla 1.4

• Mediante estas relaciones es posible determinar el

valor aproximado de resistencia de un suelo,

expresado en términos de algún ensayo, en función de

otro calculado por medio de una prueba diferente.



Clasificación Unificada

CH

OH

OL

MH

ML

CL

SM

SP

SC

GC

SW

GM

GP GW

Clasificación AASHTO

A-5

A-4

A-6

A-7-5, A-7-6

A-2-6, A-2-7

A-3

A-1-b

A-2-4, A-2-5

A-1-a

Módulo de reacción de la subrasante k (Kg/cm 3)

Valor Soporte (psi)

CBR (% )

Módulo de reacción de la subrasante k (Mpa/m 3)

Tabla 1.4: Correlación aproximada entre la clasificación de los

suelos y CBR:

estudio de los suelos para obras viales - semana 1

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