geotecnia vial

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GEOTECNIA VIALESPECIALIZACION EN DISEO Y CONSTRUCCION DE VIAS Y AEROPISTASGEOTECNIA APLICADA A VIASGEOTECNIA VIALIng. JAIME FONSECA CORTESESCUELA DE INGENIEROS MILITARES2009PREPAR JAIME FONSECA C.GEOTECNIA VIALGEOTECNIAAPLICADA A VIASGEOTECNIA VIALI. OBJETIVOAportar al Ingeniero Civil y al de Vas y Transporte los conocimientos fundamentales de los suelos y las rocas, los cuales son utilizados como material de fundacin o como materialde construccin en pavimentos para carreteras y aeropistas.Se pretende motivar a los ingenieros participantes en la comprensin y aprecio de estos elementos naturales de tan diversas caractersticas y hacia su aprovechamientotcnico, econmicoyambiental, condicionesprioritariasenla situacin actual de estos recursos.Al finalizar el ejercicio, el profesional estar en capacidad de definir el parmetro geotcnico que garantice un diseo estructural acorde con las condiciones prevalecientes en un proyecto de ingeniera de pavimentos.II. CONTENIDO1. Conceptos GeneralesDefiniciones de geotecnia, suelo y roca2. Origen y formacin de suelosSuelos transportados, suelos sedimentarios y suelos de relleno3. Mineraloga de las arcillasMinerales arcillosos.Propiedades.4. Relaciones volumtricas y gravimtricas de los suelosFases del suelo. Relacin de vacos.Porosidad.Humedad.Pesos unitarios.Gravedad Especfica.5. Propiedades ndice de los suelosDensidad relativa. Forma. Tamao. Granulometra. Consistencia y Plasticidad.Liquidez.Actividad.6. Sistemas de Clasificacin de SuelosSistema Unificado.Sistema AASHTO.Mtodos de campo.7. Capilaridad en los suelosPREPAR JAIME FONSECA C.GEOTECNIA VIALTensinsuperficial. Angulodecontactodel menisco. Ascensincapilar. Esfuerzos por tensin superficial.8. Esfuerzos en una masa de sueloEsfuerzos geostticos.Distribucin de esfuerzos.9. Hidrulica de suelosGradiente Hidrulico.Flujo de agua en el suelo.Red de flujo.10. Consolidacin de suelosConcepto de la consolidacin.Asentamientos por consolidacin.11. Resistencia la esfuerzo cortante de los suelosConcepto de falla.Suelos friccionantes.Suelos cohesivos.Evaluacin de la resistencia.12. Exploracin de los suelosMtodos Exploratorios.Preliminares.Definitivos.Geofsicos.III.BIBLIOGRAFIA Geotecnia y Cimientos. Tomo I y II. J. A. Jimnez Salas. EditorialRueda Madrid. Mecnica de Suelos.Volumen I y II. Jurez Badillo y A. Rico. Editorial Limusa. Mxico. Ingeniera de Suelos en la Vas Terrestres. Volumen 1 y 2. A. Rico y H. Del Castillo.Editorial Limusa.Mxico. Mecnica de Suelos. Lambe y Whitman. Editorial Limusa.Mxico. IntroduccinalaMecnicadeSuelosyCimentaciones.SowersySowers. Editorial Limusa.Mxico. Foundation Engineering Handbook.Hans F.Winterkorn; Hsai Yang Fang. Mecnica de Suelos.Peter Berry David Reid, Editorial Mc Graw Hill. Ingeniera de Pavimento para Carreteras.Alfonso Montejo Fonseca. Pavimentos (tomo 1).Fernando Snchez Sabogal. Curso de laboratorio de Pavimentos. Fernando Snchez Sabogal. Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniera Civil.Joseph E. Bowles. Normas de Ensayo de Materiales para Carreteras. Tomo 1.INVIAS. 1998. Principios de Ingeniera de Cimentaciones.Braja M. Das.Editorial Thomson. 1999. FundamentosdeIngenieraGeotcnica. BrajaM. Das.Editorial Thomson. 1999.PREPAR JAIME FONSECA C.GEOTECNIA VIALIV.EVALUACIONParcial Escrito e Individual......................................25%Parcial Escrito e Individual......................................25%Ejercicios y Trabajos (por grupos)..........................50%NOTA DEL CURSO................................................100%PREPAR JAIME FONSECA C.GEOTECNIA VIALI. CONCEPTOS GENERALES GeotecniaEs la parte del conocimiento que tiene por objeto estudiar el comportamiento de los suelos, de las rocas y de la combinacin de ellos con el fin de disear obras de ingeniera en que ellos intervengan en forma segura y econmica. GeologaEslacienciaqueseencargadel estudiodelatierraoseaquetratael origen, historia y las estructuras de la tierra, de acuerdo con su registro en las rocas.Los conocimientos tericos de la geologa, combinados con la prctica y la experiencia, tienen una importante aplicacin para resolver problemas que se presentan en las grandes obras de ingeniera. Mecnica de suelosEs la ciencia dedicada alestudio y comportamiento delsuelo en relacin con su aplicacin en la Ingeniera Civil. Es la aplicacin de las leyes de la fsica al comportamiento mecnico de los suelos. Mecnica de rocasCiencia que se ocupa de estudiar el comportamiento de las masas de roca bajo la accin de las fuerzas producidas, ya sean por fenmenos naturales o como resultado de excavaciones o construcciones hechas por el hombre. Para lograr este fin se requiere determinar las propiedades mecnicas del macizo rocoso, mediante ensayos de campo o de laboratorio, cuyos resultados cuantitativos son utilizados en frmulas matemticas, en modelosmecnicosaescalaoencorrelacionesempricasquepermitan evaluar las condiciones pertinentes en un problema especfico.PREPAR JAIME FONSECA C. 1GEOTECNIA VIAL SueloEs el producto de la alteracin de las rocas que es influido por las obras de ingeniera y que es fcilmente desmoronable o disgregable por las manos del hombre. Roca Aquello que no es suelo. Clases de alteracin de la roca: Descomposicin Desintegracin DescomposicinAquellaalteracindelasrocasquelastransformaenproductosde caractersticas fsicas y qumicas diferentes a la roca original. Ejemplo: arcillas, limos. DesintegracinAquellaalteracindelasrocasquelasconvierteenproductosque conservanlas mismas caractersticas fsicas y qumicas delaroca original. Ejemplo: arenas, gravas.PREPAR JAIME FONSECA C. 2GEOTECNIA VIALORIGEN Y FORMACIN DE LOS SUELOSClasificacin de acuerdo a su formacin:1. Suelos Sedimentarios o transportadosLaspartculasquelocomponenhansidotransportadospor agentes fsicos y finalmente depositados en el sitio donde actualmente se encuentran.1.1 Formacin de partculas1.1.1 Agentes fsicos Temperatura Agua: fluvial, lacustre, marina, glaciar Vientos: loes, dunas1.1.2 Agentes qumicos Oxidacin Hidratacin Carbonatacin1.1.3 Agentes biolgicos Microorganismos1.2 Transporte de partculas1.2.1 Agentes Agua Aire Hielo Microorganismos Gravedad1.2.2 Afectaciones Cambiodeforma, tamaoy texturadebidoalaabrasin, impacto, molienda y solucin.1.3.Sedimentacin de PartculasLossuelossedimentariosofrecenal Ingenierofuentesdemateriales para construccin: Depsitos fluviales o aluviales: arena, grava, cantos rodados. Depsitos lacustres: arcillas, limos, arenas finas Depsitos marinos: arenas, coralinas Depsitos elicos: arenas tales como dunas y loes Depsitos glaciares: morrenas o polvo de rocaPREPAR JAIME FONSECA C. 3GEOTECNIA VIAL Depsitos de coluvin: conglomerados formados por accin de gravedad y/o alta temperatura.2. Suelos ResidualesLas partculas que lo componen se encuentran en el mismo sitio donde se originaron o han sufrido un mnimo transporte.2.1 Factores que afectan la alteracin de las rocas Clima (temperatura y rgimen de lluvias) Tiempo Tipo de roca originaria Vegetacin Drenaje Actividad bacterial2.2 Zonas u horizontes: A, B, C3. Suelos de rellenoSus partculas constituyen depsitos de suelos hechos por el hombre.PREPAR JAIME FONSECA C. 4GEOTECNIA VIALMINERALOGA DE LAS ARCILLAS Arcilla:Partculas de tamao muy pequeo, menores a 74 micras (74 ) o 0.074 mm 74x104 Angstroms ( 1A = 10-8 cms).Lasfuerzasqueactanenlapartculadearcillasonfundamentalmentede carcter elctrico. La fuerza de gravedad es casi nula en estas partculas.La forma predominante es laminar, en la mayora de las arcillas (caolinita, illita, montmorillonita), algunas presentan forma acicular (tubo) como la haloisita. Superficie Especfica (SE)Relacin entre el rea superficial y su volumen o masaVolumenicial AreaSuperfSE Valores de SE considerando partculas esfricas:Dimetro (cm) S.EGrava 1 6Arena 0.1 (10-1) 60 (6x10)Limo0.001 (10-3) 6.000 (6x103)Arcilla 0.00001 (10-5) 600.000 (6x105)Valores de SE en funcin de la masaS.ECaolinita 10 m2/grIlita 100 m2/grMontmorillonita 1.000m2/grPREPAR JAIME FONSECA C. 5carabordeGEOTECNIA VIAL Fuerzas elctricas en las arcillas Enlace de valencia primaria Enlace de valencia secundaria o de Van Der Walls Enlace fuerzas de Coulomb Unidades bsicas de las arcillas Tetraedro de slice Octaedro de aluminio Octaedro de magnesioTetraedro de Slice (Si)Debido a la deficiencia de cargas positivas , este tetraedro de slice no se encuentra solo en la naturaleza , sino que se uneconotrosvarios, formandocadenas, encontrndoseconsusoxgenos apicales hidratados.PREPAR JAIME FONSECA C. 6OO OOSiOxgeno ApicalOxgenos basalesRepresentacin esquemticaSiOOOOSi Si SiOHOH OHSHOHOEsquema de Slice hidratadaSlice hidratada: Unin de varias unidades de tetraedro de Si.Si(4+)4O(8-)4(-)GEOTECNIA VIALOctaedro de Aluminio{Al (OH)6}6}3(-)Octaedro de Magnesio

{Mg (OH)6}+2 -6} 4(-)

Minerales de dos capas (capa doble) Caolinita Haloisita Caolinita PREPAR JAIME FONSECA C. 7AlOHOHOHOH OHOHAlOHOHOHOHOHAlOHOH OHOHAlOHOHOHOH OHGOHOHGuibsita : Unin de varias unidades de octaedro de Al.Esquema de GuibsitaMgOHOHOHOH OHOHMgOHOHB OHOHBrucita : Unin de varias unidades de octaedro de Mg.Esquema de la BrucitaMg MgOH OHGK K KGSHSHCargas negativasCargas positivas1.000AoGEOTECNIA VIAL

2Ao Atomos de K(Unin Estable) 10.000 Ao SE= 10 m2/gr Area BordesArea Superficie Total Lascargasnegativaspresentescorrespondenal 84%del total (bajo potencial elctrico)Caractersticas:Su plasticidad es menor a la de otros minerales arcillosos, lo mismo que su Lmite Lquido.Son suelos poco compresibles, tienen gran resistencia al esfuerzo cortante; predominan colores claros.Se considera la arcilla ms estable. Haloisita 10Ao CaractersticasMineral muy inestable debido a la unin dbil que existe entre unidades bsicas bicapales.Tienen capacidad de absorber gran cantidad de agua.Cuandosehumedecen aumentasuvolumenengran proporciny se contraen grandemente cuando se secan , producindose fisuras y grietas en la superficie del suelo.PREPAR JAIME FONSECA C. 8GGSHSHH2OH2O= 16%GEOTECNIA VIAL Minerales de tres capas Ilita Montmorillonita Ilita

Cationes NoIntercambiablesde K

3.000 A o SE= 100 m2/gr Area BordesArea Total Las cargas negativas presentes corresponden al 94% del total.CaractersticasTiene comportamiento coloidalSon arcillas relativamente establesSon poco expansivasPREPAR JAIME FONSECA C. 9SHK K KSH G o B G o B SHSH= 6%Cargas negativas1.000AoCargas positivasGEOTECNIA VIAL Montmorillonita

Cationes fcilmenteIntercambiables

1.000 A o SE= 1.000 m2/gr Area BordesArea Total Las cargas negativas presentes corresponden al 98% del total (alto potencial elctrico)CaractersticasConstituye el suelo arcilloso ms inestable existente en la naturaleza.Presentan gran expansividad al ganar humedad y sufren grandes contracciones al secarse.Debidoasugranpotencial elctrico(98%decargaspresentesson negativas) hace que el mineral arcilloso se comporte como un coloide, es decir lo dominan caractersticas electroqumicas en su comportamiento. AdsorcinCapacidad de una partcula arcillosa de atraer cationes intercambiables y molculas deagua. Dependedelacarganetanegativay dela capacidad de intercambio inico. Sustitucin isomorfaAlgunos tomos de la estructura original pueden ser sustituidos por otros de menor valencia, dando origen a un cambio en la estructura cristalina originalPREPAR JAIME FONSECA C. 10SH+ + +SH G o B G o B SHSH= 2%Cargas negativas1.000AoGEOTECNIA VIAL Capa doble difusaLos cationes y las molculas de agua alunirse a la partcula arcillosa pasanaformar partedeella, constituyndosecomocapas, llamada capa doble difusa. Zona 1 Gran concentracin de cationes debido Potencialal gran potencial elctrico. Elctrico Zona 2 -Potencial elctrico medio.

Zona 3 Bajo potencial elctrico.1 2 3Distancia a la partcula 400 AoCapa doble 300 A0 Difusa 1.000 A0 10 A

400 Ao 300 A0 CaolinitaMontmorillonita Estructura del sueloEs la orientacin, organizacin, o distribucin de las partculas componentes del suelo, as como las fuerzas de interaccin, de naturaleza eminentemente elctrica entre dichas partculas. Estructura floculenta o floculadaLaspartculasestnunidascaraborde, atrayndosemutuamente. Se presenta en suelos marinos.PREPAR JAIME FONSECA C. 11GEOTECNIA VIAL Estructura dispersaLas partculas del suelo estn orientadas en forma paralela, por lo tanto existen grandes fuerzas de repulsin entre ellas. Se presenta en suelos de agua dulce.PREPAR JAIME FONSECA C. 12GEOTECNIA VIALRELACIONES VOLUMTRICAS Y GRAVIMTRICAS DE LOS SUELOS Fases del sueloEl suelo presenta tres condiciones:SUELO SECO (slidos y aire) SUELO PARCIALMENTE SATURADO(slidos, aire y agua) NFSUELO SATURADO (slidos y agua) Slidos Fase slida

AguaFase Lquida VaciosAire Fase Gaseosa Diagrama de fasesV= Volumen TotalVv = Volumen de vacosVa = Volumen de aireVw = Volumen de aguaVs = Volumen de slidosW = Peso totalWa = Peso del aire (valor despreciable)Ww = Peso del aguaWs = Peso de slidosPREPAR JAIME FONSECA C. 13SUELO VsVvVAireAguaSlidosVaVw WsWWa= 0 WwVolumenPesoGEOTECNIA VIAL Relaciones volumtricas Grado de saturacin (S o Gw)100 vVVwSSi Vw= 0 S = 0%, Suelo seco Si Vw= Vv S = 100%, Suelo saturadoSi 0 < Vw < Vv 0 < S < 100%, Suelo parcialmente saturado Porosidad (n)100 VVvnSi Vv= 0 n = 0% (terico) Si Vv= V n = 100% (terico)Caso real: 0% < n < 100% Relacin de vacos (e) VsVve Valores ms frecuentes de e, entre 0.8 y 3.0 (en Mxico e=13)A mayor e mayor compresibilidad del sueloLa e controla la permeabilidad del suelo. Relaciones gravimtricas Humedad o contenido de humedad (w)100 WsWwwSi Ww= 0 w = 0% Suelo seco Si Ww= Ws w = 100%Si Ww > Ws w > 100%La w gobierna el comportamiento de los suelos arcillososPREPAR JAIME FONSECA C. 14GEOTECNIA VIALA mayor w menor consistencia menor resistencia al corteA menor w mayor consistencia mayor resistencia al corte.Se han encontrado valores de w en suelos arcillosos , en Bogot w >100% en Mxico w 600% en Japn w 1.200% Peso unitario total ( ) o densidad hmeda = W/V Peso unitario saturado ( sat) Peso unitario seco ( d) Peso unitario del agua ( w o) Peso unitario del sumergido ( sum ) Peso unitario de los slidos o gravedad especfica de los slidos (Gs)PREPAR JAIME FONSECA C. 15Ws + WwV sat =Ws V d =Ww Vw w = 1 gr/cm3 = 1 Ton/m3 a 4 C w = sat - w sum = s . wGs =Concepto utilizado en la compactacin de los suelosPara suelos inorgnicos (slo mineral): Gs = 2.5 a 2.8 Si Gs = 2.3 minerales con algn contenido de materia orgnicaGEOTECNIA VIALEjercicios de aplicacin:1. En una muestra de arcilla saturada pesa 130 gramos en su estado natural y 100gramosluegodeser secadaenel horno. Sesabequelagravedad especfica(Gs) esde2.5. Determinar larelacindevacos(e) yel peso unitariototal ( ) de la arcillaSolucin: a) Hacer un esquema que corresponda a las fases del suelo, colocando en llos valores de pesos y volmenes conocidos. Como elsuelo es saturado tendr dos fases:

Datos conocidos: W=130 grs, Ws=100 grs,Suelo saturado: Vw VvVVvS 100b) Llenar el resto del esquema empleando las frmulas correspondientes: 3 3 3333370 30 40401 5 . 21003013030 100 130cm cm cm Vw Vs VcmcmgrgrGsWs WsVscmcmgr gr WwVwgr gr gr Ws W Www sw + + PREPAR JAIME FONSECA C. 16 VsVwVtW WsWtWwSGEOTECNIA VIALc) Clculo de incgnitasRelacin de vacos (e)75 . 0403033 cmcmVsVvePeso unitario Total ( ) = W/V = 130 gr / 70 cm3 = 1.86 gr/cm32. Una subbase compactada tiene un peso unitario total ( ) de 2.1 ton/m3y una humedad (w) del 5%, la gravedad especfica (Gs) es de 2.5. Calcular el grado de saturacin (S), la porosidad (n) y elpeso unitario seco ( d) delsuelo de subbase.Solucina. Esquemab. Cuando no se conoce ningn peso o volumen, debe asumirse alguno, procurandoquedichovalor hagapartedel denominador dealgunadelas relaciones volumtricas y gravimtricas.Como = W/V, se puede asumirV = 1.0 m3W w WsW Ws wWs Ws W wWsWsWs WWsWwwton mmtV W + + ) 1 (100 100 %1 . 2 0 . 1 1 . 233PREPAR JAIME FONSECA C. 17 VsVvVAWSVaVw WsWWa =0 WwGEOTECNIA VIAL3 3 3333320 . 0 8 . 0 0 . 18 . 01 5 . 20 . 21 . 00 . 11 . 010 . 0 0 . 2 1 . 20 . 205 . 0 11 . 21m m m Vs V VvmmtontonGsWs WsVsmmtonton WwVwton ton ton Ws W WwtontonwWWsw sw ++ c. Clculo de incgnitasGrado de Saturacin (S)% 50 10020 . 010 . 010033 mmVvVwSPorosidad (n)% 20 1000 . 120 . 010033 mmVVvnPeso Unitario Seco ( )330 . 20 . 10 . 2mtonmtonVWsd PREPAR JAIME FONSECA C. 18GEOTECNIA VIALPROPIEDADES NDICE DE LOS SUELOS DefinicinSon propiedades que poseen los suelos y que permiten ser correlacionadas con su comportamiento y/o permiten clasificar los suelos. Para su estudio los suelos se dividen en gruesos y finos. Suelos gruesosSus partculas pueden ser observadas a simple vista o con ayuda de un microscopio regular. Su tamao es mayor a 0.074 mm (74 ). Su forma es equidimensional. Sus fuerzas dominantes son las de gravedad. Suelos finosSus partculas no pueden ser observadas a simple vista, para ser detectadas se requiere el uso de un microscopio de grandes aumentos o electrnico, o por difraccin de rayos X. Su tamao es menor a 0.074 mm (74 ). Su forma es laminar o acircular (tubular). Sus fuerzas dominantes son las electroqumicas. Propiedades ndice de los suelos gruesos Forma Tamao Granulometra Densidad relativa Contenido de finos Propiedades ndice de los suelos finos Consistencia y plasticidad Contenido de humedad Actividad Sensibilidad Tixotropa FormaLaformadelaspartculasgruesasdependedel gradodealteracin fsicaquehayasufridoduranteel transporte, debidoalaabrasin, impacto, molienda y solucin.PREPAR JAIME FONSECA C. 19GEOTECNIA VIALPrincipales formas:AngularSubangularSubredondeada RedondeadaBien redondeadaLas partculas equidimensionales son utilizadas en concretos, bases, y subbases para pavimentos.Las partculas angulosas ofrecen un mejor comportamiento de resistencia que las redondeadas. TamaoEl tamao de las partculas se mide por comparacin con la abertura de una malla de alambre llamado tamiz.Los tamaos de los diferentes tamices utilizados para medir las partculasgranularespresentanunaciertanumeracin, lacual est relacionada con el tamao de la abertura de la malla.Tamices ms comunes (U.S. Standars)NmeroDimetroPulgadas Milmetros- 3 76.2- 2 - 2 50.8- 1 - 1- 19.05- 12.704 4.766 3.368 2.3810 2.0020 0.8430 0.5940 0.4260 0.25100 0.149200 0.074PREPAR JAIME FONSECA C. 20GEOTECNIA VIALEl nmero de cada tamz a partir del No.4 (T4), representa el nmero de agujeros en la malla contenidos en una pulgada de malla. Clasificacin del suelo por tamaoCantos rodados: partculas de tamao mayor a 5Guijarros: partculas de 3 a 5Gravas: partculas de 3a 4.76 mm (T4)Arenas: partculas de 4.76 mm (T4) a 0.074 mm (T200) CaractersticasA mayor tamao de las partculas el suelo ofrece el siguiente comportamiento:Mayor resistencia al esfuerzo cortanteMayor permeabilidad GranulometraEs la distribucin por tamaos de las partculas granulares. Su objetivo es conocer los diferentes porcentajes en tamaos de las partculas, en una muestra de suelo. SueloPeso Total Muestra = W3/ 4T4Peso Retenido Tamizi = Wi

T40% Wi = Wi / W * 100T200 Fondo% Pasa = 100 - % Wi El % Pasa corresponde a tamaos menores que ese tamiz. Suelo Bien Gradado Cuandocontienetodoslostamaosposibles, esdecir quelaspartculas pequeas van a ocupar los vacos que dejan las grandes. Suelo Mal GradadoCuando las partculas tienden a ser de un mismo tamao.PREPAR JAIME FONSECA C. 21GEOTECNIA VIAL Los suelos bien gradados tienen:- Mayor resistencia al esfuerzo cortante. - Menor permeabilidad.- Menor compresibilidad. Curva Granulomtrica. % Que pasa 60 ABA = Uniformidad de tamaos (mal gradada)

50 D B = Variedad de tamaos (bien gradada)40C C = Infinita variedad de tamaos (terica)30 D = Absurda2010

0 123456 Tamao ( mm )Cuantificacin de la granulometra (Hallen Hazen)Ejercicio de AplicacinRepresentar graficamentelossiguientesdos(2) suelos. Considerar las abscisas en escala aritmtica y en escala logartmica.Suelo A: 90% del suelo constituidopor partculas menores a 10 mm50% del suelo constituidopor partculas menores a 1.0 mm10% del suelo constituidopor partculas menores a 0.1 mmSuelo B: 90% del suelo constituidopor partculas menores a 1.0 mm50% del suelo constituidopor partculas menores a 0.1 mm10% del suelo constituidopor partculas menores a 0.01 mmPREPAR JAIME FONSECA C. 22GEOTECNIA VIAL % Que pasa 100 90 80 70 60

50 40 30 2010

0 1234567 8910 Tamao ( mm )Escala Aritmtica % Que pasa 100 90 80 70 60

50 40 30 2010

0.001 0.01 0.1 1.0 10 Tamao ( mm )Escala logartmicaLa granulometra de A es igual a la granulometra de B debido a su distribucin.PREPAR JAIME FONSECA C. 23Suelo BSuelo ASuelo BSuelo AGEOTECNIA VIAL % Que pasaSuelo A 60

Suelo B

30 Suelo C

10

0 D10D30D60 Tamao ( Log ) Coeficiente de Uniformidad : Cu.Cu = D60 Un suelo bien gradado exige que el Cu > 1.0 D10D10 = Tamaocorrespondiente al 10% que pasa.El D10 se le conoce con el nombre de tamao efectivoD30 = Tamao correspondiente al 30% que pasa.D60 = Tamao correspondiente al 60% que pasa.El Cu solo no dice nada porque se puede presentar el caso B y C, suelos mal gradados, por lo que se complementa con el Coeficiente de Curvatura Cc. Coeficiente de Curvatura Cc.Cc = (D30)2. D10* D60 Considerandoel suelo B D30= D10 Cc =D10.= 1. D60CuConsiderandoel suelo C D30= D60 Cc = D60=Cu D10 PREPAR JAIME FONSECA C. 24GEOTECNIA VIALPorlo tanto 1< Cc < Cu. CuAplicaciones prcticas de la granulometra. En filtros para subdrenes en carreteras. Filtracin en el tratamiento de aguas.Densidad Relativa o Compasidad Relativa ( DR o CR ).Propiedadmecnicadelos suelosgruesosqueindicanel mayoromenor grado de densidad de un suelo.Se puede valorar a partir de la relacin de vacos :

DR = emax eoemax emin emax = Relacin de vacos mximo, corresponde a un suelo suelto.emn = Relacin de vacos mnimo, corresponde a un suelo compacto.eo= Relacin de vacos natural.Relacin entre DR y las caractersticas de compacidad del suelo :SueloDR( % )muy suelto0 15suelto15 35medio35 65denso65 85muy denso85 100Contenido de Finos : El contenido de finos dentro de un suelo grueso produce un desmejoramiento en el comportamiento del suelo, puesto que los finos en presencia de agua tienen tendencia a la expansin. Este fenmeno hace queel suelodisminuyasuresistenciaal esfuerzocortanteyporlotanto desmejora su comportamiento.PREPAR JAIME FONSECA C. 25x 100GEOTECNIA VIAL Consistencia y Plasticidad. Consistencia : Es un estado de dureza del suelo fino, la cual aumenta cuando se disminuye la humedad del suelo y disminuye cuando aumenta la humedad. Plasticidad: Propiedadquetienenlossuelosarcillososdedejarse moldear cuando tienen una cierta consistencia y humedad.Caractersticas del Estado Plstico. La deformacin es independiente del tiempo. Al someterse a esfuerzos no hay cambio de volumen aparente. No debe agrietarse. No debe desmoronarse. No debe tener rebote elstico.Estados de Consistencia.Slido Plstico Lquido Humedad ( w ) Semi-slido SemilquidoW=0% LC LPLL Slido : Su comportamiento es como el de un slido. Semislido : Su comportamiento es como el de un semislido. Plstico: El sueloadquiere un comportamiento plstico Semilquido : Su comportamiento es como aceite de alta viscosidad. Lquido : Su comportamiento es como aceite de baja viscosidad.PREPAR JAIME FONSECA C. 26GEOTECNIA VIALLmites de Consistencia o Atterberg. LL : Lmite Lquido. LP : Lmite Plstico. LC : Lmite de Contraccin.Capa de agua libre Capa de agua viscosa Capa plstica

SlidoCapa de agua semisolidaCapa de agua slida( Capa doble difusa ) Cuando las partculas de arcilla estn unidas por la capa plstica, se dice que la arcilla se encuentra en el estado de consistencia plstico. A menor tamao de la partcula de arcilla, tendr un mayor potencial elctrico (mayor carga neta negativa), y por lo tanto su capa plstica ser mayor (ms ancha) y el comportamiento del suelo ser ms plstico.Indice de Plasticidad : IP IP = LL LPA mayor IP el suelo tendr un comportamiento ms plstico.Evaluacin de LL.Se hace mediante el uso de la cazuela de Casagrande, en el cual se vierte una muestra de suelo arcilloso con una esptula ( suelo pasa T40 ), luego se le haceunaranuraoacanalamientoconunranurador. Posteriormentese empieza a golpear la cazuela hasta que la ranura hecha en el suelo se cierra. En el momento en que se unan los extremos del suelo acanalado se toma una muestradel sueloyselemidelahumedad. Sehaestablecidoquela humedad del suelo correspondiente a 25 golpes para cerrar la ranura, es el Lmite Lquido.PREPAR JAIME FONSECA C. 27GEOTECNIA VIAL W (Humedad)

W1 Curva de Fluidez

W2

W=LL

W3

N1 N2 N3N (Nmero de Golpes) (Log) N=25Indice de Fluidez : FwFw : W1 W2 Log (N2/N1)Indice de Tenacidad : TwTw :IP Fw Evaluacin delLP.Se toma una porcin delsuelo arcilloso (pasa T40) y se hacen rollitos de suelo con la mano, hasta que su dimetro sea de 1/8 (3 mm). Si en ese momento empieza a presentar grietas pequeas o a resquebrajarse, se dice que su humedad en ese instante corresponde al lmite plstico. Relacin entre el LL y IP Arthur Casagrande encontr una relacin entre el IP y el LL para suelosfinos. PREPAR JAIME FONSECA C. 28GEOTECNIA VIAL IP Linea B

CH Linea A ( IP = 0.73 (LL 20 )) CL

7MH - OH CL-ML 4 ML OL

20.050.0 LL Suelos por debajo de la lnea A son limos (M) u orgnicos (O).Suelos por arriba de la lnea A son arcillas (C).Suelos a la izquierda de la lnea B son de Baja Plasticidad (L).Suelos a la derecha de la lneaB son de Alta Plasticidad (H).PREPAR JAIME FONSECA C. 29GEOTECNIA VIAL Evaluacin del Lmite de Contraccin(Lc)El lmite de contraccin es un contenido de humedad, tal que por debajo de este valor el suelo no sufre disminucin de volumen.Al desarrollarse un proceso de evaporacin de la muestra, la wdisminuye, disminuyndose tambinsu volumen (V). Sise continuasacando elagua (por secado), suvolumenseguirdisminuyendohastaunvalor lmite(Vf), el cual permanecer constante, aunque continu disminuyendo la w.Esa humedad en la cual el V comienza a ser constante (wLC), se denomina Lmite de Contraccin (LC = wLC) Contenido de humedad (w)La variacin de la humedad en los suelos finos hace que su color vare de oscuro a claro y viceversa, sirviendo esto como parmetro en la clasificacin visual de los suelos de campo.Un ndice que permite cuantificar la consistencia de los suelos finos es el ndice de Liquidez o ndice de Fluidez.PREPAR JAIME FONSECA C. 30LC = Wo (%) - (Vo Vf)* w * 100 WsMuestra de sueloVolumen inicialVoHumedad inicialwoVoVfwLCWoVolumen (V)Humedad (w)GEOTECNIA VIAL ndice de liquidez(IL)Si Wnat = LP IL = 0.0 Suelo consistente o de alta consistenciaSi Wnat = LL IL = 1.0 Suelo poco consistente o de baja consistenciaSi Wnat > LL IL > 1.0 Suelos sin consistenciaLa consistencia de los suelos depende del tamao de la partcula de arcilla.Caolinita : IL 0 Montmorillonita: IL 1.0o mayor de 1.0Skempton y Northey encontraron una relacin entre el ndice de Liquidez y la resistencia al corte del sueloSe ha encontrado experimentalmente que cuando la Wnat est comprendida entre el LL y LP, el suelo corresponde a uno normalmente consolidado.PREPAR JAIME FONSECA C. 31IL =Wnat LP IPResistencia del suelondice de LiquidezLLLPGEOTECNIA VIAL Actividad de las arcillas(Ac)Skempton (1953) encontrunarelacin entre el IPy el contenido de partculas, en porcentaje, cuyos tamaos son menores a 2 micras (2 ).% < 2 : porcentajede partculas cuyotamaoes menor a 2micras (2).Clasificacin del suelo segn la AcAc Tipo de suelo < 0.75 Suelo Inactivo0.75 a 1.25 Suelo activo> 1.25 Suelo muy activoPREPAR JAIME FONSECA C. 32Ac = IP.% < 2 ABCA:MontmorillonitaAc = 1.33B:Ilita Ac = 0.80C: Caolinita Ac = 0.4IP% < 2GEOTECNIA VIAL Sensibilidad de las arcillas(St)Tambinsedenominasensitividadosusceptibilidad, Terzaghi ladefini comolarelacinentrelaresistenciaalacompresininconfinadadeun suelo inalterado (con estructura) y la resistencia a la compresin inconfinada del mismo suelo alterado o remoldeado (sin estructura).Clasificacin de los suelos segn la St(SkemptonyNorthey1952) TixotropaDel griego tisis que significa el toque o el contacto, y trepo que significa cambiar o mudar.El concepto tixotropa se emplea para designar el fenmeno consistente en la prdida de resistencia de un suelo arcilloso alamasado, y su posterior recuperacin con el tiempo.PREPAR JAIME FONSECA C.St Clasificacin del suelo1.0 No sensibles1.0 < St < 2.0 Baja sensibilidad2.0 < St < 4.0 Sensibilidad media4.0 < St < 8.0 Sensible8.0 < St < 16.0 Muy sensible> 16.0 Extrasensibles o Rpidos(quick clays)33St = qu inalt. qu alteGEOTECNIA VIALEjercicio de AplicacinEn pruebas realizadas sobre una muestra de suelo arcilloso, se obtuvieron lassiguientespropiedades: Lmitelquido(LL) =38%, lmiteplstico(LP) =22%, lmite de contraccin (LC)=13%, humedad natural (wn)=30%.Ademsenunensayogranulomtricoseencontrlosiguiente: Tamao correspondiente al 60% que pasa (D60)=0.02 mm; tamao correspondiente al 14%quepasa(D14)=0.002mm(2 ); tamaocorrespondienteal 10% que pasa (D10)= 0.001 mm.En una prueba de resistencia a lacompresin simple, seobtuvieronlos siguientes resultados: resistencia a la compresin del suelo inalterado (qu inalterado) = 2.0 ton/m2; resistenciaa la compresin del suelo alterado (qu alterado) = 10 ton/m2.Determinar los siguiente:a. Indice de plasticidad (IP), ndice de liquidez (IL), sensibilidad (St), actividad (Ac), clasificarlo segn carta de Casagrandeb. Decir si est bien o mal gradado.c. Indicar sobre el estado de consolidacin del suelo en el sitio y sobre lo que sucede si se compacta con la humedad natural.Solucin:a. - Clculo del ndice de plasticidad (IP):IP = LL LPIP= 38% - 22% = 16% (baja plasticidad).- Clculo del ndice de liquidez (IL):) ( 5 . 022 3822 30media ia consistencLP LLLP wILn- Clculo de la sensibilidad (St):) baja a media ad sensibilid ( 2102022 mtonmtonqqStalterado uinalterado u - Clculo de la Actividad (Ac):) ( 14 . 1% 14% 162 %activo sueloIPAc >

PREPAR JAIME FONSECA C. 34GEOTECNIA VIAL- Clasificacin en la carta de Casagrande:IP (suelo) = 16%IP (curva A) = 0.73 (LL-20) = 13.4Como IP (suelo) > IP (curva A) Arriba curva A (arcilla)Como LL = 38% (suelo) < 50 % (curva B) Baja plasticidad (L) Por lo tanto el suelo clasifica como arcilla de baja plasticidad (CL)b. - Gradacin:20001 . 002 . 01060 mmmmDDCuComo Cu >1.0 se dice que el suelo tiene buena gradacinc. - Estado de Consolidacin:Como la humedad natural (wn=30%), est comprendida entre el lmite lquido (LL = 38%) y el lmite plstico (LP=22%), entonces se considera que el suelo es normalmente consolidado.d. - Qu pasa si el suelo se compacta con la humedad natural (wn): d dmx

wpt wnat.1. Experimentalmente se ha encontrado que la humedad ptima (wpt) est muy cercana al lmite plstico (LP=22%)2. Si se compacta el suelo con la humedad natural (wn=30%), se obtiene una compactacinmenor a la mxima.3. La compactacin mxima ( dmx) se obtiene con la humedad ptima.PREPAR JAIME FONSECA C. 35GEOTECNIA VIAL Suelos OrgnicosSon materiales de olor y apariencia caractersticos, al descomponerse producen gases de olores especficos; su color es oscuro o vara de oscuro a negro.Estossuelossonmuyblandoscuandoestnhmedosysupremamente quebradizos y desmoronables cuando estn secos.Son materiales de alta compresibilidad y de una muy baja resistencia al corte; por estas razones son inadecuados como material de construccin o como soporte o fundacin de una obra.En excavaciones profundas estos suelos son peligrosos por los gases que expelen, pues muchos deellos sontxicos, comopor ejemploel gas metano.Estos suelos orgnicos son capaces de producir cidos, los cuales llegan a formar compuestos sulfurosos que atacan gravemente los concretos.Para su reconocimiento, adems del color y del olor, al calentarse expiden gases. Tambin se pueden identificar estos suelos orgnicos por la presencia de races, madera y materia orgnica en general.Cuando se calientan a grandes temperaturas (mayor a 100 C), en el humo adems de su humedad, se consume un poco de materia.Las turbas son un ejemplo de materia orgnica.PREPAR JAIME FONSECA C. 36GEOTECNIA VIALVI. SISTEMAS DE CLASIFICACION DE LOS SUELOSLos sistemas ms utilizados en Colombia son: SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACINU.S.C. SISTEMAAASHTO(ASOCIACINAMERICANADECARRETERASY TRANSPORTE DE LOS ESTADOS UNIDOS) 1. Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos U.S.C.Divide los suelos en dos grupos: -Gruesos-Finos Suelos Gruesos: Tamao mayor a 0.074 mm, o sea los retenidos en el tamiz 200 (T200) Suelos Finos: Tamao menor a 0.074 mm, o sea los que pasan el T200Generalmente en la naturaleza existen mezclas de suelos gruesos y finos. A estas mezclas se les llamar SUELO GRUESO si ms del 50% queda retenido en el T200; y se llamar SUELO FINO si ms del 50% pasa el T200. Suelos GruesosGRAVAS (G) Comprendidas entre 3 y T4 (4.6 mm)GRAVA BIEN GRADADA (GW)Cu > 41 < Cc < 3GRAVA MAL GRADADA (GP)Cu < 43 < Cc < 1PREPAR JAIME FONSECA C. 37GEOTECNIA VIALARENAS (S) Comprendidas entre el T4 y el T200ARENA BIEN GRADADA (SW)Cu > 61 < Cc < 3ARENA MAL GRADADA (SP)Cu < 63 < Cc < 1Cuandoel contenidodefinosesmayoral 12%, entoncestenemosuna mezcla de suelos que se puede clasificar as:GRAVA ARCILLOSA GCGRAVA LIMOSA GMARENA ARCILLOSA SCARENA LIMOSA SMCuando el contenido de finos est entre 5 % y 12 %, habr doble signo:GRAVAS ARENASGW -GC SW -SCGP -GC SP -SCGW -GM SW -SMGP -GM SP -SM Suelos FinosSe utiliza la CARTA DE CASAGRANDEARCILLA (C) ARRIBA DE LA LINEAAArcilla alta plasticidad (CH) Derecha lnea BArcilla baja plasticidad (CL) Izquierda lnea BLIMOS (M) DEBAJO DE LA LINEAALimos alta plasticidad (MH) Derecha lnea BLimos baja plasticidad (ML) Izquierda lnea BORGANICOS (O) DEBAJO DE LA LINEAAOrgnicos alta plasticidad (OH) Derecha lnea BOrgnicos baja plasticidad (OL) Izquierda lnea BPREPAR JAIME FONSECA C. 38GEOTECNIA VIALEjercicio de aplicacin:Se tiene un suelo que tiene las caractersticas siguientes: lmite lquido (LL)=80%; lmite plstico (LP)=55%; pasa tamiz 200 =10%; pasa tamiz No.4= 10%; coeficiente de uniformidad (Cu)=6; coeficiente de curvatura (Cc)=2. Clasificar por el mtodo USC.Solucin:a. Fino o grueso ?Como % pasa tamiz 200=10%, por lo tanto ms del 50% queda retenido en T200 Suelo gruesob. Arena o grava ?Como % pasa tamiz No.4 es igual al % pasa T200, quiere decir esto que no hay presencia de arena, por lo tanto el materialgrueso presente es grava.c. Grava bien o mal gradada ?Como Cu = 6 y Cc=2 Bien gradada, por lo tanto tenemos una grava bien gradada (GW)d. Cuando el contenido de finos (tamao menor a T200), est entre 5% y 12% ( en este caso % pasa T200 = 10%), tendr doble signo. Habr suelo grueso y fino.e. El suelo fino ser arcilla o limo ?IP(suelo) = LL LP = 80-55=25IP(curva A)=0.73(LL-20)=40Como IPsuelo50% (Curva B), entonces el suelo est a la derecha de B o sea se clasifica como de alta plasticidad (H). Por lo tanto el suelo fino ser un MH (limo altamente plstico)f. La clasificacin final del suelo ser GW-GM (grava bien gradada con limo)PREPAR JAIME FONSECA C. 39GEOTECNIA VIAL2. Sistema AASHTODe acuerdo con este sistema y con base en su comportamiento, los suelos estn clasificados en ocho (8) grupos designados por los smbolos delA-1 alA-8.Lossuelosinorgnicosvandel A-1al A-7. (Ver tabladeclasificacin anexa).Los suelos con elevada proporcin de materia orgnica se clasifica comoA-8.Aquellos suelos que tienen un comportamiento similar se hallan dentro de un mismo grupo, y se determinan por un INDICE DE GRUPO (IG).El (IG) se basa en el LL, IP y % de finos pasa T200, y se calcula as:IG = (F-35) [0.2+0.005(LL-40)]+0.01(F-15)(IP-10)Donde:F: Porcentaje que pasa tamiz 200, expresado como nmero enteroLL: Lmite LquidoIP: Indice de plasticidad- El IG debe reportarse como nmero entero- Si resulta negativo, se reporta como cero- El valor del IGsecolocaentreparntesisluegodel smbolode clasificacin. Ej: A-7-5(17)Ejercicio de aplicacin:Clasificar por el mtodo AASHTOun suelo cuya granulometra es la siguiente:Porcentaje pasa T10 (2 mm) = 75%Porcentaje pasa T40 (0.425 mm) = 62%Porcentaje pasa T200 (0.074 mm) = 47%El lmite lquido de la fraccin fina es 32 y el ndice plstico es 14.Solucin:Conlos datos seentraalatabladeclasificacindelaAASHTO, de izquierda a derecha, y se encuentra que las caractersticas fsicas del suelo cumplen los requisitos del grupo A-6.PREPAR JAIME FONSECA C. 40GEOTECNIA VIALEl ndice de grupo (IG) se calcula as:IG = (47-35) [0.2+0.005(32-40)]+0.01(47-15)(14-10) =3Por lo tanto la clasificacin ser A-6(3) y corresponde a un tipo arcilloso.PREPAR JAIME FONSECA C. 41GEOTECNIA VIAL3. Pruebasde CampoSon pruebas que se pueden realizar en el sitio donde se encuentra el suelo.3.1 Prueba de resistencia en estado seco:Entre ms resistente sea un suelo en estado seco a dejarse romper entre las manos, tender ms a ser arcilloso, y entre ms aumente la resistencia en seco, ms tiende a ser CH.Resistencia del sueloEsfuerzo aplicado al sueloTipo de sueloMuy baja Desmoronafcil con la manoLimos orgnicos demuy baja plasticidad.Ligera Se rompe fcil con los dedosLimosorgnicos-arenalimosa de baja a alta plasticidadMedia Difcil de romper con la manoArcillas inorgnicas de baja plasticidadAlta Imposiblederomper con los dedosArcillas inorgnicas de alta plasticidad (IP>30)3.2 Prueba de dilatancia o reaccin al agitado:Consiste en colocar en la palma de la mano una muestra representativa de suelo fino que se trata de identificar. Si es necesarioselepuede aadiraguademaneradelograrun lustre, pero superficialmente seco (opaco). Despus ayudndose de la otra manoseledangolpesyseobservalarapidezconqueel lustre cambia. Si este es rpido se trata de un limo y si es lento se trata de una arcilla.3.3 Prueba de tenacidad:A mayor tenacidad delsuelo en estado seco, se dice que elsuelo tiendea ser arcilloso.Latenacidadseconsideracomolaconsistenciacercadel lmite plstico.3.4 Identificacin de los suelos orgnicos:PREPAR JAIME FONSECA C. 42GEOTECNIA VIALLas caractersticas fundamentales que identifican un suelo orgnico de un limo son el color y el olor.El principal problema que presentan los suelos orgnicos es el rebote elsticoyenel diseodeterraplenesarcillososdebetenerseen cuenta este efecto. Las vibraciones deben disminuirse poniendo un relleno de gran espesor y bien compactado para disipar los esfuerzos y disminuir las vibraciones.En las cimentaciones donde se vaya a utilizar maquinaria que produzcavibracin, sepuedepensar enlaeliminacindel suelo orgnico, o en caso contrario se debe aumentar el peso de la cimentacin.Si se va a construir sobre un suelo orgnico, lo mejor es quitarlo, o si no se puede, se debe colocar una capa de material granular de un gran espesor.PREPAR JAIME FONSECA C. 43GEOTECNIA VIALVII. FENMENO DE CAPILARIDAD EN LOS SUELOS Tensin Superficial (Ts)Es la fuerza longitudinal que se desarrolla en el agua.El trabajo necesario para aumentar el rea de una superficie liquida resulta ser experimentalmente proporcional al aumento en su superficie, definindose como coeficiente de tensin superficial, la relacin entre un trabajo desarrollado y el rea de contacto.ngulo de Contacto () PREPAR JAIME FONSECA C. 44Ts TsAlfilerTs = dw .dATs = Tensin Superficial (Ts = 0.075 gr/cm a 21o C)dw = Trabajo para desarrollardA = rea de contacto deformada 1 2= ngulo de contacto 1 90 Menisco convexoGEOTECNIA VIAL Ascensin Capilar (hc)PREPAR JAIME FONSECA C. 45hcTubo capilarZona de traccin o tensin del aguaEsfuerzo de tensin TEsfuerzo de compresinEsfuerzo de tensin mximaZona de compresin del aguaEsfuerzo de compresin C2RTsTsTubo capilarhcRTsLa columna de agua en el tubo capilar debe estar en equilibrioFy =0(1)Peso agua Ww= R2hcw=F1(2)Fuerza producida por la Tsy (componente vertical)F2 = Ts * 2 R*cos (3)Fy = 0 F1 ( ) + F2 ( )=0 F1 = F2 hc=2 Ts cos .R wTsyTsxGEOTECNIA VIALDonde:hc = Ascensin capilarTs = Tensin superficial (Ts = 0.075 gr/cm)= ngulo de contactoR = Radio del tubo capilar w = Peso unitario del aguaSi= 0o Sedicequeel meniscoestcompletamenteformado, tendr forma esfrica, y por lo tanto la fuerza producida por la Ts (componente vertical) ser mxima, lo que genera una ascensin capilar mxima (hc max). Esfuerzo producido por la tensin capilar( TS)Para= 0 se tendr unTsmaxPREPAR JAIME FONSECA C. 46hcTubo capilarPresin del agua a una profundidadZ z=wZwPresin negativa o tensin del agua por efecto caplar ( Ts) Ts = w hc ,comohc= 2Ts cos . R El esfuerzo de traccin producidopor la TsserTS =2 Ts cos .REsfuerzo de compresin en el aguaEsfuerzo de traccin en el aguahcZwGEOTECNIA VIAL Efecto capilar de los suelosSuelo en A PREPAR JAIME FONSECA C. 47hcZw Ts = whc Ts = wZwNFPresindel agua= 0C Suelo parcialmente saturadoB Suelo saturadoA Suelo saturadoPartculas SlidasAgua en compresin( =wZw)Agua a compresinEl agua a compresin tiene un efecto sobre las partculas slidas del suelo que tienden a separarlas (disminucin de la resistencia del suelo).GEOTECNIA VIALSuelo en B Suelo en C PREPAR JAIME FONSECA C. 48Partculas SlidasAgua a tensin por efecto capilarAgua a tensinEl agua a tensin tiene un efecto sobre las partculas slidas del suelo que tiende a unirlas (aumento de la resistencia del suelo).Partculas SlidasAgua a tensin por efecto capilar AguaLos efectos producidos por Tsentre partculas slidas, desarrollan un efecto de atraccin entre ellas.aire MeniscoAireSlidosGEOTECNIA VIALPREPAR JAIME FONSECA C. 49GEOTECNIA VIAL Grietas de traccinCuandounsueloarcillososestsaturadonopresentagrietas, perocuandola temperaturaaumenta, el aguaempiezaaevaporarse, pasandoel suelodeun estado saturado a uno parcialmente saturado, donde se desarrollan meniscos en los vacos, generando esfuerzos por Ts.Al mismo tiempo que lahumedad disminuye, el volumen del suelotambin,presentndose un proceso de contraccin del suelo, llegando a su mxima contraccincuandoel meniscoesttotalmentedesarrollado. Esteprocesode contraccin hace que el suelo se rompa, formando grietas de traccin. Presin capilar en el sueloEl agua situada por encima de NF tiene presin inferior a la atmosfrica. En todos aquellos puntos en que el menisco toca los granos del suelo, las fuerzas capilares actan causando una gran presin intergranular dentro del suelo, llamada presin capilar. SuccinEl trmino succin aplica para designar la diferencia entre la presin del aire ( a) y la presin del agua ( w).El ndice de succin del suelo o ndice PF de un suelo, es el logaritmo en base 10 de la succin expresada en centmetros de agua. El valor mximo medido del PF es del orden de 7, y corresponde a una arcilla desecada a 110C.PREPAR JAIME FONSECA C. 50Grietas de tensin o de traccinGEOTECNIA VIALPF = log10 hc hc :ascensin capilar en cmsPF :vara de 0 a 7 en suelos arcillososEn arenas:PFmax 1.7 Colapso de los suelosSi un suelo parcialmente saturado se somete a una carga, y se espera que cesen las deformaciones y, a continuacin se inunda (inyeccin de agua), ocurrir una deformacin adicional. Este fenmeno se conoce como colapso.Ejercicio de aplicacin:Calcular laascensincapilar mxima(hcmx) yel esfuerzomximodetraccin ( Tsmx), para un tubo que tiene un dimetro (D) de 5x10-4cm, sabiendo que la tensin superficial (Ts) vale 0.075 gr/cm en el agua a una temperatura de 20C.Solucin:a. Ascensin capilar mxima (hcmx)cmcmgrcmgrhDTsRTsh paraRCos Tshcw wcwc6000 . 1 10 5075 . 0 44 20234mxmxmx b. Esfuerzo mximo de traccin ( Tsmx)24 mxmx60010 5075 . 0 44 202cmgrcmcmgrDTsRTsparaRCos TsTsTsTs PREPAR JAIME FONSECA C. 51GEOTECNIA VIALVIII. ESFUERZOS EN UNA MASA DE SUELO Esfuerzos geostticosAquellos producidos por la misma carga del sueloLas cargas se comunican en el suelo, transmitindose a travs de las partculas slidas, de tal forma que la presin o esfuerzo se va disminuyendo a medida que las partculas se encuentran a mayor profundidad. v =Presin o esfuerzo vertical, producido por la carga del mismo suelo, que est por encima de l. El esfuerzo vertical aumenta linealmente con la profundidad (Z) y con la densidad del suelo ( ) o peso unitario del suelo ( ). v = * Z H =Presin o esfuerzo horizontal, producida por las cargas laterales desarrolladas por los suelos. H = K * VK = Coeficiente de proporcionalidad (K>0)Para suelo normalmente consolidadoK < 1.0Para suelo sobreconsolidadoK > 1.0En el aguaK = 1.0PREPAR JAIME FONSECA C. 52HVAAZVGEOTECNIA VIAL Esfuerzos Verticales( V)(Suelos homogneos) zEjercicio de aplicacin:Calcular los esfuerzos verticales cada metro hasta los 10 metros de profundidad, y dibujar el diagramaparael siguientesueloquetieneunpesounitariode1.8 ton/m2. Profundidad (z)(m)Esfuerzos ( v)( v= z) (ton/m2)18 vSuelo homogneo 0.0 0.0 0ton/m2 =1.8 ton/m21.0 1.8 22.0 3.6 43.0 5.4 64.0 7.2 85.0 9.0 10PREPAR JAIME FONSECA C. 53 v = * ZProfundidad Z H = K * v (K > 1.0)(Esfuerzos)v H = K * v (K < 1.0) VZ Vv = * Z( cte)GEOTECNIA VIALZ 10.0 18.0 Esfuerzos Verticales en suelos estratificados(Suelos no homogneos)Ejercicio de aplicacin:Calcular los esfuerzos verticales y dibujar el diagrama para el siguiente suelo:Diagrama de esfuerzos (t/m2)Cota0.0 0.0 2.556.7510.9317.681.50 1=1.7 ton/m31.54.5 2=1.4 ton/m34.56.7 3=1.9 ton/m36.711.2 4=1.5 ton/m311.2PREPAR JAIME FONSECA C. 54h1h2h3 1 2 3AEsfuerzo en el punto A VA = 1* h1 + 2 * h2 + ..........I = n VA = i * hi I = 1GEOTECNIA VIALClculos:Para z=0.00 m. 0 = 1.7 t/m3 x 0.0 m. = 0.0 t/m2z=1.50 m. 1.5 = 0 + 1.7 t/m3 x 1.50 m. = 2.55 t/m2z=4.50 m. 4.5 = 1.5 + 1.4 t/m3 x 3.0 m. = 6.75 t/m2z=6.70 m. 6.7 = 4.5 + 1.9 t/m3 x 2.20 m. = 10.93 t/m2z=11.20 m. 11.2 = 6.7 + 1.5 t/m3 x 4.50 m. = 17.68 t/m2PREPAR JAIME FONSECA C. 55GEOTECNIA VIAL Esfuerzos en suelos saturadosu + Ley propuesta por Terzaghi Esfuerzo efectivoPREPAR JAIME FONSECA C.=Esfuerzo total=Esfuerzo tomado por las partculas slidas, el cual es llamado ESFUERZO EFECTIVO=Esfuerzo tomado por el agua, el cual es llamado Presin de Poro Presin Neutra o Presin Intersticial56 V = ZALa presin o esfuerzo ( ) que le llega al elemento A es v, el cual va a ser compartido por las partculas slidas del suelo y el resto lo tomar el agua contenida en los poros o vacosASlidoLquidoGEOTECNIA VIAL Diagrama de esfuerzosLosesfuerzosEfectivosgobiernanlaresistenciaal esfuerzocortantedelos suelosEjercicio de aplicacin: Calcular el esfuerzo efectivo ( )en el puntoA para el siguiente suelo, donde d=1.6 ton/m3 y sat=1.8 ton/m3. Considerar el suelo seco por encima del nivel fretico.A en poro de presinA en total esfuerzoA en efectivo esfuerzodondeAAAA A A :2 2 22 32 3 32 . 5 5 . 3 7 . 85 . 3 5 . 3 0 . 17 . 8 5 . 3 8 . 1 5 . 1 6 . 1mtmtmtmtmmtmtmmtmmtA A AAA + PREPAR JAIME FONSECA C. 57Z= - Z Z= * Z = W*ZW Esfuerzo total Presin de poros Esfuerzo efectivo1.5 m5 mANFGEOTECNIA VIAL Distribucin de esfuerzos producidos por cargas aplicadasDentro de los mtodos propuestas para evaluar la distribucin de esfuerzos, se tienen las siguientes:-Teora de Boussinesq-Mtodo de Steinbrenner-Carta de NewmarkTeora de Bousinesq (1.885)Calcul los esfuerzos para una carga vertical concentrada actuando sobre una superficie horizontal de un medio semi-infinito (semi-espacio), continuo, homegneo, isotrpico y linealmente elstico.2522112311]1

,_

+ zrzPz z: Esfuerzo vertical generado a una profundidad z y a una distancia rMtodo de SteinbrennerSteinbrenner integr las ecuaciones de Boussinesq sobre un rea rectangular, y determin el valor del esfuerzo vertical ( z), generado bajo unvrtice deunrearectangularcargadacon unacargauniformemente distribuida. Los resultados fueron localizados sobre un grfico con valores adimensionales: z/b; z/ p; L/b, donde:z: profundidadL: longitud del rea rectangularb: Ancho del rea rectangular cargada z: Esfuerzo vertical generado a una profundidad z, bajo un vrtice del rea rectangular cargada.PREPAR JAIME FONSECA C. 58 AZrPGEOTECNIA VIAL p: Carga uniformemente repartida z/ p: Coeficiente de influencia (Ir) o InfluenciaCarta de NewmarkNewmarkintegrlasecuacionesdeBoussinesqsobreunreacirculary encontr expresiones que permiten determinar esfuerzos verticales a una profundidad z bajo elcentro del rea circular uniformemente cargada, y a partir de tales resultados elabor una grfica, llamada Carta de Newmark, conlacual sepuedecalcular el coeficientedeinfluencia, bajounpunto cualquiera de reas cargadas uniformemente, siguiendo un sencillo procedimiento.PREPAR JAIME FONSECA C. 59Z ZCurva de influencia de esfuerzosZ = I * PZ = Esfuerzo generado a una profundidad Z, bajo un vrtice de un rea rectangular (b x L), con una carga uniforme ( P) I = Coeficiente de Influencia Simplemente InfluenciaZbL Carga uniformeGEOTECNIA VIALPREPAR JAIME FONSECA C. 60GEOTECNIA VIALPREPAR JAIME FONSECA C. 61GEOTECNIA VIALIX. HIDRULICA DE LOS SUELOSEl agua que se considera en los suelos, es la llamada agua libre a la cual se le pueden aplicar las leyes de la hidrulica. Flujo LaminarCuando las lneas de flujo permanecen sin juntarse en toda su longitud, excepcin hecha del efecto microscpico de mezcla molecular. Flujo TurbulentoCuando no se cumplen las caractersticas del flujo laminar. El flujo del agua en una masa de suelo se considera laminar. Factores de los que depende la velocidad del agua en una masa de suelo:- Diferencia de presiones- Diferencia de alturas- Relacin de vacos Ley de Darcy (1856)V = KiV = Velocidad del agua a travs de una masa de sueloK = Coeficiente de permeabilidadi =Gradiente hidrulicoPREPAR JAIME FONSECA C. 62GEOTECNIA VIAL Gradiente hidrulico ( i )- Por presin- Por presin y altura- Energa total ( h )PREPAR JAIME FONSECA C. 63A BPA = Presin en APB = Presin en BDonde PA > PBi = ( PA/w) (PB/w)=hP L LGradiente Hidrulico debido a presin a Carga de PresinPAPBLA Bi = ( PA/w) (P B/w)+(ZB ZA) LLZA = Energa de altura en AZB = Energa de altura en Bi = hP + hZLLi = Gradiente HidrulicohP = Energa de presinhZ = Energa de alturaL = Longitud horizontal entre dos puntosZAZBLGEOTECNIA VIALh = hP + hZ + hVDonde:h = Energa totalhP = Energa de presinhZ = Energa de posicin hV = Energa de velocidad.En los suelos esta energa no se toma en cuenta, debido a que la velocidad del agua a travs de una masa de suelo es muy pequea. En los suelos la energa total ser: h =hP + hZ Aplicacin: Se tiene el siguiente sistema hidrulico:Energa total ( h )h =hP + hZ( 1 )Energa de presin ( hp )hP =hA hB=0 0 = 0 ( 2 )hA =Presin en AhB =Presin en BPREPAR JAIME FONSECA C. 64A12BHZBLPara este sistema el gradiente hidrulico ser:LHLhi Plano de referenciaZAGEOTECNIA VIALEnerga de posicin ( hz )hZ=(ZA ZB) =H( 3 )Reemplazando ( 2 )y( 3 )en( 1 ) h=H PermeabilidadFacilidad que tiene el agua de circular a travs de una masa de suelo.El coeficiente de permeabilidad (K) es una medida de la permeabilidad de los suelos:K= VK tiene las mismas unidades de la velocidad i- Mtodos para medir la permeabilidadA-.DIRECTOS Permemetro carga constantePermemetro carga variablePruebas directas en sitioB-.INDIRECTOS GranulometraPrueba de consolidacinPrueba horizontal de capilaridadPREPAR JAIME FONSECA C. 65GEOTECNIA VIAL Valores de la permeabilidad en suelosGrado dePermeabilidadTipo de suelo Valor de K(cms/sg)Alto Gravas y Arenas limpias Mayor a 10-1Regular Arena limpia con mezcla de Grava 10-1a10-3Bajo Arenas muy finas 10-3a10-5Muy bajo Limos orgnicos e inorgnicos, arenas finas, limos arcillosos, depsitos estratificados de arcilla10-5a10-7PrcticamenteImpermeableArcillas Menor a10-7 Red de flujoQ =nt * k * HPREPAR JAIME FONSECA C. 66H1H2Ultimo cuadroLneas de corriente o flujoLneas EquipotencialesEstrato impermeableHGEOTECNIA VIAL neQ= Caudal de filtracinnt = Nmero de tubos de corrientene= Nmero de cadas equipotencialesk= Coeficiente de permeabilidad del sueloH= Energa total del sistema Seguridad contra socavacin o licuacinSe analiza el factor de seguridad( FS )con el ltimo cuadro de la red de flujo (ver esquema anterior).FS=icriticoimaxFS= Factor de Seguridadicritico=Gradiente hidrulico crtico.icritico = sum wimax = Gradiente hidrulico mximo.imax=h l h = Diferencia de potencial entre lneas equipotenciales consecutivasl = Longitud ltimo cuadro de Red de flujoParaFS > 1.0No hay socavacinParaFS = 1.0Condicin crticaParaFS < 1.0Si hay socavacin Aplicaciones prcticas de la Red de flujo- Calcular caudales de filtracin dentro de una masa de suelo.- Calcular presiones dentro de una masa de suelo cuando hay flujo de agua a travs de ellaPREPAR JAIME FONSECA C. 67GEOTECNIA VIALX. CONSOLIDACIN DE LOS SUELOSDespusdecargar el suelo( P) yconel transcursodel tiempo( t ), las partculas se van acercando, unas a otras, debido a que hay una salida de agua del suelo(drenaje), producindoseentodoel volumenoriginal del suelouna disminucindel volumen. Lavariacindel volumen( V) del suelo, ocurre debido a que el agua ocupa un volumen, y al drenar, el volumen queda libre y las partculas slidas van a ocupar ese lugar.Laspartculasslidasal ir acercndose, unasaotras, vanganandoesfuerzos efectivos, debido a que van tomando la carga generada ( P ) por el peso que trasmite la zapata al suelo.Este fenmeno mencionado anteriormente se denomina CONSOLIDACIN.PREPAR JAIME FONSECA C. 68AEstrato de arcilla saturada H (asentamiento) P (presin de contacto)ColumnaEl elemento A antes de colocar cargas al sueloEl elemento A un tiempo despus de colocar cargas al sueloEl suelo en sus condiciones naturales originales, tiene sus partculas slidas a una cierta distancia, unas de otras, en sus vacos est el agua (suelo saturado)GEOTECNIA VIALEl proceso de consolidacin se puede definir como la transferencia de esfuerzos del agua a los slidos, cuando se est produciendo el drenaje o salida del agua del suelo. p = Carga generada por el suelo ( elemento A ) que ser tomada inicialmente( t = 0 )porelaguayamedidaque hayadrenaje ( t= t1) se va transfiriendo a las partculas slidas.Alpasarun tiempomuylargo ( t )todala presin generada ( p), ser tomada totalmente por los slidos ( p = ), por lo tantolosesfuerzosefectivossernmsgrandes, generndoseun aumento en la resistencia del suelo. Prueba de consolidacin en el campo para control de asentamientosAntes de colocar p, el suelo se encuentra en su estado original.Si queremos medir lapresindeporoenA, colocamosunpiezmetro; si el aguaenelpiezmetro sube h1significaquela presin deporoen A, es la debida a la presin hidrosttica: = wZ=h1PREPAR JAIME FONSECA C. 69 p = Carga aplicada pSlidosAguaArcillaSaturadaALa carga que acta sobre la superficie del suelo, se transmiteal elementoA, repartindose una parte para los slidos y otra para el agua. p = Carga aplicadaArcillaSaturadaAh2Piezmetroh1 HZEstrato impermeablet=0t=t1t=t2t=t3t=tn h pGEOTECNIA VIALAl colocar la carga p, sta genera en el suelo, transmitiendo al agua un exceso de presin hidrosttica: = p. En el piezmetro subir la columna de agua una altura h2, indicando que en el punto A, la presin del agua subi ste valor: = p = h2A medida que pasa el tiempo, el agua que tiene exceso de presin hidrosttica va drenando, generando una disminucin de presin de poro ( ).Esta disminucin de la presin de poro se puede observar con el piezmetro, pues h2va disminuyendo.Cuando h2 0, se dice que el proceso de consolidacin primaria ha terminado.El proceso de consolidacin en el terreno, va acompaado con una variacin del volumen total del suelo, observndose este fenmeno en el sitio como un hundimiento o asentamiento del suelo ( H ).PREPAR JAIME FONSECA C. 70Variacin del asentamiento que sufre el suelo compresible en el transcurso del tiempoTiempo ( t )Asentamiento( H)GEOTECNIA VIAL Evaluacin del asentamiento total primario de un estrato arcilloso sujeto a consolidacinH = Volumen total del estrato de arcilla en condiciones originales H= Variacin del volumen del estrato comprensible, por consolidacineo = Relacin de vacos del suelo en condiciones originales1 + eo = Volumen de un elemento de suelo en condiciones originales e = Variacin del volumen del elemento de suelo, por consolidacinPor semejanza se tiene:H=1 + e0 H= e *H H e 1 + eoH = Espesor total del estrato de suelo compresible, independientemente de las condiciones de drenaje.PREPAR JAIME FONSECA C. 711eo pElementoH HZdZEstrato deArcillasaturadaSlidos eElemento de suelo(Fases)Estrato impermeableGEOTECNIA VIALOtras expresiones desarrolladas para calcular el asentamiento por consolidacin primaria:a. e compresibl suelo de estrato del tal Espesor to Hsuelo el en generado efectivo Esfuerzo ca volumtri lidad compresibi de Mdulo m primaria in consolidac por to Asentamien :zv H DondeH m Hz vb.final efectivo Esfuerzo 'generado efectivo esfuerzo de Incremento 'inicial efectivo Esfuerzoe compresibl estrato del tal Espesor to Hinicial vacos de Relacinelidad. compresibi decurva la de virgenzona la de pendiente la a e correspond , compresin de Indice Co consolidad e normalment suelo primaria, inconsolidac porto Asentamien:log10______0oc0___00 + 11]1

++ fcHDondeHeCHFactor Tiempo T2H t CvTDonde : Cv= Coeficiente de consolidacin (m2/seg)t = tiempo (seg, min, horas, etc.)H = Mxima distancia de drenaje ( m)T = factor tiempo (adimensional)PREPAR JAIME FONSECA C. 72GEOTECNIA VIALGrado de consolidacin: U%100 1 100%

,_

p ppU Donde : U%=Porcentaje de consolidacin= presin de poro a una profundidad zy en un tiempo t p = Carga aplicada y que se genera en el sueloRelacin entre T yU%U% T0 0.00010 0.00815 0.01820 0.03125 0.04930 0.07140 0.12650 0.19760 0.28770 0.40580 0.56590 0.848100Coeficiente de variacin volumtrico: avefectivo esfuerzo del variacin d in consolidac de proceso un en vacos de relacin la de variacin de : Donde ddeavPREPAR JAIME FONSECA C. 73GEOTECNIA VIALMdulo de compresibilidad volumtrico: mvinicial vacos de relacinca volumtri variacin de e coeficient : Donde100+eaeamvvvCoeficiente de consolidacin: Cvco volumtri lidad compresibi de mdulo m agua del unitario peso dad permeabili de e coeficient k : Dondevwv wvmkCPREPAR JAIME FONSECA C. 74GEOTECNIA VIALXI. RESISTENCIA DEL SUELO FallaEn una obra de Ingeniera es cuando no est cumpliendo las funciones para la cual fue diseada y construida.Falla es elprincipio delcomportamiento inelsticode un materialoel principio de rotura del mismo. Tipos de falla Teora Dinmica -LaFalladel Suelosefundamenta en los esfuerzos. Teora Cinemtica - La falla del suelo se fundamenta en las deformaciones. Teora de falla De Mohr- Coulomb (Dinmica) Hiptesis (1) La falla se produce debido a la magnitud del esfuerzoprincipal mximo(1)yal esfuerzoprincipal mnimo (3), no teniendo ninguna influencia el esfuerzo principal intermedio. Hiptesis (2) La falla se presenta cuando el crculo definido por (1) y (3) resulta ser tangente a una cierta lnea del plano (-) (plano de Mohr), llamada lnea de falla o envolvente de falla (lnea de resistencia o envolvente de Resistencia) Prueba de CargaPREPAR JAIME FONSECA C. 75 P3 P2 P1 v= 1 h= 3APlano de roturaGEOTECNIA VIALAl aplicar cargas sucesivas sobre el suelo P1, P1.., los v en (A) vanaumentando(suponer que Hpermanececonstante), hastaun lmite en el cual el suelo fallar a travs de planos rotura. En el momento de la falla, sobre plano de rotura estarn actuando un esfuerzo normal (n) y un esfuerzo cortante (f). Se considera que este ltimo es el responsable de la rotura del suelo y representa la resistencia al esfuerzo cortante del suelo.El crculo formado por (v0,H0) corresponde al estado de esfuerzos del suelo antes de cargarlo, es decir en condiciones originales.El crculo formado por ( 3i, 1f ) corresponde al estado de esfuerzos del suelo en el momento que est fallando por efecto de las cargas aplicadas. Este crculo es el nico que representa un estado de falla del suelo. Suelos Friccionantes (Arenas ) (Suelos Gruesos O Granulares)Aquellos cuya resistencia depende de la friccin que se desarrolla entre partculas slidas. Su envolvente de falla se representa en el plano de Mohr as:PREPAR JAIME FONSECA C. 76 1f n fElemento APlano de roturaEnvolvente de falla (Representa la resistencia del suelo)Crculo de falla (Tangente al crculo) 3i= H0 1i= v0GEOTECNIA VIALS = Resistencia al Esfuerzo Cortante= Esfuerzo Normal= Angulo de Friccin. Es una medida de la Friccin desarrollada entre Partculas. Suelos Cohesivos (Arcillas) (Suelos Finos)Aquellos cuya resistencia depende de un valor constantes llamado cohesin (C). Su envolvente de falla se representa as: Suelos Cohesivo Friccionantes (Arcilla Con Arena)Aquellos cuya resistencia dependen de la cohesin ( C) y de la Friccin ( ). Su envolvente de falla se representa as:PREPAR JAIME FONSECA C. 77S = tan S = C=0 CGEOTECNIA VIALLa Ley de Coulomb se ha venido cumpliendo para algunos casos pero paraotrosno, por locual Terzaghi en1925hizounamodificacin, considerando que las fallas se producan en aquellos suelos que tenan muchosfinosyademsagua, por lotantointrodujoel conceptode esfuerzos efectivos ( ), en lugar de los esfuerzos totales( ) propuestos por CoulombAdems considerquelacohesin(C) noes constante, sinoque depende del contenido de humedad ( )S= C( ) + Tg Ley de la Resistencia de los suelos Factores de los que depende la resistencia de los suelos friccionantes (S=Tg ) En cuanto al ngulo de friccin interna ( )- Densidad Relativa- Granulometra- Forma de las Partculas- Tamao de las Partculas- Resistencia propia de las partculas. En cuanto al esfuerzo Normal ( )- Profundidad ( Z )PREPAR JAIME FONSECA C. 78S = C +tan (Ley Coulomb 1.776) CGEOTECNIA VIAL- Densidad ( ) Factores de los que depende la resistencia de los suelos finos- Historia previa de la consolidacin del suelo- Velocidad de aplicacin de cargas.- Condiciones de drenaje- Sensibilidad de estructura del suelo. Pruebas de resistencia en suelos- En Laboratorio Corte Directo o Esfuerzo Secante Compresin inconfinada o simple Triaxial- En Terreno Penetracin Estndar o Normal Veleta Penetrmetro de Bolsillo Pruebas de resistencia para diseo de pavimentos- En Laboratorio CBR Estabilmetro de Hveem Vibratorio para determinar Mdulo de Elasticidad Dinmica o Mdulo Resiliente (MR).- En terreno Placa Directa CBRPREPAR JAIME FONSECA C. 79GEOTECNIA VIALEnsayo de placa directaObjetivoSeutilizaparadeterminar laresistenciadelossuelosconel propsitode disear pavimentos rgidos y flexibles.El valor de resistencia obtenido en el ensayo se denomina Mdulo de Reaccin (K).Procedimiento del ensayo en el terreno1. Para ensayos de condicin inconfinada, se excavar el rea a ensayar con una dimensin el doble o mayor que el dimetro de la placa, con el fin de eliminar efectos de confinamiento o sobrecarga. Si la subrasante es un terrapln, se construir un relleno de 30 de altura mnima. Paraensayosconfinados, el dimetrodel reacircular excavada debe ser lo suficiente para colocar la placa de prueba.2. Colocar el equipo de Prueba en el sitio escogido para la determinacin de la resistencia. El suelo debe estar completamente limpio, plano y nivelado para hacer el ensayo.PREPAR JAIME FONSECA C. 8030241812CargaGatoDial de DeformacinAnillo de cargaPlaca circular e 1Dial de DeformacinESQUEMA DEL EQUIPOViga de reaccinGEOTECNIA VIAL3. Aplicacin de Cargas3.1. Procedimiento 1. Aplicar una carga tal que la presin de contacto con el suelo sea de 1 lb/pg2, paraespesordepavimentomenor a 15., ode2lb/pulg2para espesor igual o superior a 15Mantener esta carga hasta obtener deformacin total.Para esta condicin,lalectura deldialse toma como cero ( 0)y la carga de asentamiento se considerar como carga cero(P0) Sin quitar la carga anterior, aplicar mnimo seis (6) cargas con incrementosuniformes( p). Anotar lecturadecarga(P1, P2, etc.) y deflexin para cada incremento ( 1, 2, etc.), continuar el procedimiento hasta alcanzar la deflexin total escogida, o hasta agotar la capacidad del dial de deformacin (1 ).CARGA lb/pg2DEFLEXION (0,001 )P0 0P1= P0 + p 1P2= P1 + p 2. .. .. .Pn = Pn-1+ p n = TMantener la carga en este punto hasta cuando no ocurra un aumento de la deflexin mayor de 0,001 por minuto, durante tres minutos consecutivos. Anotar deflexintotal ( T), despusdisminuir lacarga hasta aquella a la cuallas medidas del dial fueron colocados en cero (P0 ) y mantener la carga de asentamiento en cero, hasta cuando la rata de recuperacin no exceda 0,001 por minuto, durante tres (3) minutos consecutivos. Registrar la deflexin para la carga de asentamiento de cero ( 0).Se promediara cada serie de lecturas individuales y se registrara este valor como la lectura de deflexin promedio ( prom.).PREPAR JAIME FONSECA C. 81GEOTECNIA VIAL3.2. Procedimiento 2 Aplicar una carga (P) que produzca una deflexin () entre 0,01 y 0,02.Eliminar carga (P) y esperar que la aguja del dial se detenga.Luego cargar con la mitad de P (P/2) y esperar que el dial se estabilice. En este momento se coloca el dial en su marca cero. Sin quitar la carga anterior, aplicar dos incrementos de 5lb/pg2 cada uno, con los incrementos mantenidos hasta que la deformacin promedio sea menor de 0,001 por minuto, durante 10 minutos consecutivos. Hacer lecturadel dial al final decadaincrementode carga.Luegodeconcluir el incrementodecargade10lb/pg2, determinar deflexin promedio, considerando el movimiento total entre el cero y el incremento de 10 lb/pg2, para cada dial.4. Clculo del Mdulo de reaccin de la subrasante sin corregir (K)K=

Si K < 200, se considera concluido el ensayo y debe quitarse la carga.SiK 200, se deben aplicar incrementos de carga de 5 lb/pg2, hasta alcanzar 30lb/pg2, dejandocadaincrementohastaqueladeformacin promedio sea menor de 0,001 por minuto, durante 10 minutos consecutivos. Hacer lecturas de deformacin al concluir cada incremento.Preparar Curva de Esfuerzo DeformacinP1 = 5 lb/pg2 5P2 = 10 lb/pg2 10P3 = 15 lb/pg2 15P4 = 20 lb/pg2 20PREPAR JAIME FONSECA C. 82 10 lb/pul2. Deflexin promedio( prom) promGEOTECNIA VIALP5 = 25 lb/pg2 25P6 = 30 lb/pg2 305. Obtener muestra inalterada del material de fundacin para ensayarle en el laboratorio, con el fin de determinar la correccin por saturacin.6. Registrar temperatura del aire cada 30 minutos, utilizando termmetro suspendido cerca de la placa.7. Clculos y Grficos7.1CuandoKesmenor a200, noesnecesariopreparar curvas carga deformacin.7.2 Cuando K 200, se deber dibujar la curva esfuerzo deformacin. La deflexin promedio ( prom.) se calcula con las lecturas de los diales entre el cero y el final de cada incremento de carga.Si la relacin esfuerzo deformacin no da una relacin en lnea recta que pasepor el origen, debercorregirselacurva. El valorpromediodela deflexinseraquel quecorrespondaaunacargade10lb/pg2, enla curva corregida. 7.3 El Mdulo de Reaccin del Suelo sin corregir se calcula as:K=PREPAR JAIME FONSECA C. 8310 lb/pg 2.Deflexin promedio ( prom.)Curva real promDeflexin (pulg)Curva corregida5101520250.01 0.02 0.03Esfuerzo (lb/pulg2)GEOTECNIA VIAL7.4 Correccin de K por deflexin de placa (Ku)K= Valordel Mdulo de reaccin corregido por flexin de placa7.5 Correccin del Mdulo de Reaccin por Saturacin (K).1]1

,_

+ s s dd bddKu K 175K= Mdulo de Reaccin del suelo corregido (lb/pg3)K=Mdulo de Reaccin del suelo sin corregir por saturacin (lb/pg3)d=Deformacin en pulgadas de una muestra consolidada con humedad del sitio bajo una carga de 10 lb/pg2.ds= Deformacin de una muestra saturada consolidada, bajo una carga de 10 lb/pg2 .b= Espesor de la capa de material de base, en pulgadas.Nota: La Correccin por saturacin no se requiere cuando se evalan pavimentos de ms de tres aos. En suelos no cohesivos, no se requiere correccin por saturacin.PREPAR JAIME FONSECA C. 84Curva calculadaKuLb/pul3Ku Lb/pul3Ku Ku En unidades inglesas lb/pul3GEOTECNIA VIAL El procesocompletodelapruebaestenlanorma INV.E-168XII.EXPLORACION DE LOS SUELOS Necesidad de la ExploracinDebido a la heterogeneidad de los depsitos de suelos y rocas que se presentan en la naturaleza, el ingeniero deber preparar un programa de la investigacin del terreno, elcualdar a conocer las condiciones ms importantes delsubsuelo y definir la variabilidad tanto como sea posible.Siempre habr un riesgo debido a condiciones desconocidas; ste podr reducirse al mnimo haciendo una investigacin ms completa, pero nunca se podr eliminar. Etapas de Investigacin Geotcnica12.2.1. Reconocimiento, para determinar la naturaleza delterreno y estimar las condiciones del suelo.12.2.2. Investigacin de exploracin, para determinar la profundidad, espesor y composicin de los suelos, la profundidad del agua y de la roca y, para estimar la propiedades ingenieriles del suelo.12.2.3.Investigacin completa y detallada, para obtener la informacin precisa de los estratos crticos, con la cual pueden hacerse los clculos del proyecto.12.3.Reconocimiento del terrenoConsiderael anlisis deaspectos tales como: estudios geolgicos, actividad ssmica potencial, fuentes de informacin geotcnica, inspeccin de la zona del proyecto, fotointerpretacin.12.3.1.Estudios GeolgicosSu propsito principal es determinar la naturaleza de los depsitos subyacentes en la zona del proyecto. Se podrn determinar tipos de suelo y roca que probablemente se encontraran y seleccionar los mejores mtodos para la PREPAR JAIME FONSECA C. 85GEOTECNIA VIALexploracin del subsuelo, antes de iniciar las perforaciones, la toma de muestras o los ensayos en obra.12.3.2. Actividad Ssmica PotencialLa sismicidad potencial debe ser considerada en los proyectos viales, estructuras depuentesyestructurasdepresascuyodeterioroofallapuedecausardaos materiales o perdidas de vidas.12.3.3.Fuentes de Informacin GeotcnicaComprende la informacin geolgica y de suelos analizada en estudios realizados para proyectos semejantes, tales como carreteras, oleoductos, pozos petroleros. Adems los documentos existentes en entidades estatales como IGAC, Ingeominas, Ecopetrol, dondesepuedenencontrar, planos, mapaseinformes tcnicos con informacin importante para el proyecto.12.3.4.Inspeccin de la zona del proyectoLa visita allugar delproyecto y sus reas adyacentes ofrecern informacin de mucho valor.La topografa, la forma del drenaje y de la erosin, la vegetacin y eluso de la tierra, revelan las condiciones subterrneas, especialmente la estructura y textura del suelo y de la roca.Debe recordarse que si se encuentra un buen suelo en un lugar, esto no significa que necesariamente se encontrar tambin buen suelo en lugares colindantes.12.3.5.FotointerpretacinPermite apreciar las condiciones del subsuelo a travs de la interpretacin de la fotografas areas, tales como rasgos distintivos geolgicos y de obras hechas por el hombre.Dentrodelosrasgosanalizadosatravsdelafotointerpretacinsetienenlos siguientes:TopografaDistribucin de corrientesDetalles de la erosin y de los barrancosVegetacinCultivos y obras artificialesPREPAR JAIME FONSECA C. 86GEOTECNIA VIALLimites naturales y artificiales12.4.Investigaciones Exploratorias12.4.1.Planeamiento del trabajo de ExploracinSu propsito es obtener una informacin lo ms exacta posible de las condiciones del sueloydelarocaenlazonadel proyecto. Dentrodelosobjetivosdela exploracin est la de conocer la profundidad, espesor, extensin y composicin de cada uno de los estratos; adems la profundidad de la roca y la profundidad del nivel fretico.12.4.2.Nmero de SondeosNoesfcil determinar el espaciamientodelossondeosantesdecomenzar la investigacin, pues ello depende no solamente del tipo de estructura sino tambin de la uniformidad y regularidad del depsito de suelo.Corrientemente se hace un estimativo preliminar del espaciamiento entre sondeos; este espaciamiento se reduce si se necesitan datos adicionales o se aumentan si el espesor y la profundidad de los estratos son aproximadamente los mismos en todos los sondeos.En todos aquellos puntos o zonas donde se genera concentracin de cargas se deber efectuar por la menos un sondeo.- Espaciamiento recomendado de los sondeos:Carreteras (Estudio de subrasante) 250 a 500 mPresa de tierra, diques 30 a 60 mExcavacin para prstamo 30 a 120 mAeropistas 50 a 80 m12.4.3. Profundidad de los sondeosCon el fin de tener la informacin necesaria para poder predecir el asentamiento deunaestructura, lossondeosdebenpenetrar todoslosestratosquepuedan consolidarse notablemente por efecto de las cargas generadas por las obras de ingeniera.PREPAR JAIME FONSECA C. 87GEOTECNIA VIALEl InstitutoGeotcnicodeBlgicaconsideraquelossondeosdebenpenetrar hasta una profundidad tal, en que los esfuerzos generados en el suelo por el peso de una estructura, sean aproximadamente del 10%.Parapresasyterraplenes laprofundidad varaentrelamitad yel doblede la altura, dependiendo de las caractersticas de resistencia y compresibilidad de los suelos de fundacin.Paraexcavacionesprofundaslossondeosdebenpenetrar de1.5a5.0mpor debajo del fondo de la excavacin.En excavaciones para prstamos, los sondeos deben llegar hasta la profundidad prevista.Para estudios de carreteras, la profundidad de los sondeos ser entre 1.0 a 1.5 m, por debajo del nivel de la subrasante.Paraestudiosdeaeropistasel sondeodeberpenetrarentre2.50a3.0mpor debajo del nivel de la subrasante.12.4.4.Muestreo de SuelosMuestraAlteradaoRemoldeada, esaquellaquehaperdidoparcialmentesus caractersticas de resistencia y compresibilidad en relacin a las que tiene en el sitio.Las muestras alteradas se utilizan para hacer ensayos de clasificacin, tales como lmites de consistencia y granulometra.MuestraInalteradaesaquellaqueconservalascaractersticasderesistenciay compresibilidad del suelo en sitio.Se utilizan para hacer pruebas de resistencia y decompresibilidadtalescomocompresininconfinada, cortedirecto, triaxial y consolidacin.Este tipo de muestras inalteradas debern tomarse con precaucin y protegerse contra perdidas de humedad colocndolas en recipientes apropiados y cubrindolas con parafina.12.5.Mtodos Exploratorios12.5.1 Mtodos de exploracin de carcter preliminar (con muestreo alterado)Pozos a cielo abierto apiques trincherasPerforaciones con barrenos helicoidalesLavadoPREPAR JAIME FONSECA C. 88GEOTECNIA VIALPenetracin EstndarPenetracin cnica12.5.2. Mtodos de sondeo definitivo (con muestreo inalterado)Pozos a cielo abierto con muestreo inalteradoTubo de pared delgadaRotatorios para roca12.5.3 Mtodos Geofsicos Ssmico Elctrico12.6. Pozos a cielo abiertoTambin llamado apiques o trincheras, son perforaciones hechas a mano utilizando barras, picos y palas. Se consideran estos sondeos como muy satisfactorios por cuanto el geotecnista puede observar directamente los estratos de suelo en su estado natural.Sin embargo es necesario distinguir la naturaleza del sueloinsitu, quepuedesermodificadaporlaexcavacinrealizada. Por ejemplo una arcilla dura puede, con el tiempo, aparecer como blanda a causa del flujo de agua hacia la trinchera; anlogamente, una arena compacta puede presentarse como semifluida y suelta por el mismo motivo.Cuando se efecte el apique se debe llevar un registro completo de las condiciones del subsuelo durante la excavacin, hecha por un tcnico en suelos.De estos pozos se puedenobtener muestras alteradas oinalteradas delos diferentes estratos encontrados. Por este motivo los pozos a cielo abierto estn clasificados dentro de los mtodos preliminares y mtodos definitivos.12.7.Perforaciones con barrenos helicoidales y similaresEl barrenohelicoidal esunaherramientadeataquequetienelaformadeun tornillo y penetra al suelo por rotacin.La muestra de suelo obtenida es alterada, pero suele ser representativa del suelo en lo referente al contenido de humedad, por lo menos en suelos plsticos.PREPAR JAIME FONSECA C. 89GEOTECNIA VIALEl barreno se conecta en el extremo de una tubera de perforacin, formada por secciones de igual longitud, que se van aadiendo segn aumente la profundidad del sondeo.Estosbarrenossepuedenpenetrar al sueloenformamanual, paralocual se utilizan dimetros pequeos (2 a 3 pulgadas) y a limitada profundidad (10 a 15 metros en suelos blandos).Tambin pueden penetrar mecnicamente, utilizando dimetros mayores y avanzando a mayores profundidades.Enarena localizadabajoel nivel fretico estos barrenos nopuedenextraer muestras, por lo tanto es necesario utilizar otras herramientas llamadas cucharas toma muestras para obtener muestras de suelo.Frecuentementeesnecesarioentibar laperforacin, utilizandounatuberade acero (camisa), hincada a golpes, de un dimetro suficiente para permitir el paso delas herramientas muestreadoras. Aveces, latuberatienesecciones de dimetros decrecientes, de manera que las secciones de menor dimetro vayan entrando en las de mayor.Los diferentes segmentos se retiran al final del trabajo usando gatos apropiados.12.8.Mtodo de LavadoEl equipopararealizar laperforacinincluyeuntrpodeconpoleaymartinete suspendido, de 50 a 80 kg. de peso, cuya funcin en hincar en el suelo a golpes la tubera que servir de entibado (camisa). Su dimetro ser suficiente para que permita el paso de la tubera de inyeccin de agua, en cuyo extremo inferior ir un trpano de acero, o herramienta de ataque, perforado, para permitir el paso del agua a presin.El agua se impulsa dentro de la tubera de inyeccin por medio de una motobomba.Laoperacinconsisteeninyectar aguaenlaperforacin, unavezhincadala camisa (entibado), la cual forma una suspensin con el suelo en el fondo del pozo y sale al exterior a travs del espacio comprendido entre el ademe y la tubera de inyeccin. Unavezafueraesrecogidaenunrecipienteenel cual sepodr analizar el sedimento. Cuando se presenta un cambio de coloracin en el agua con sedimento, es porque el estrato de suelo perforado ha variado.El procedimiento debe ir complementado por un muestreo utilizando una cuchara tomamuestra, colocadaenel extremodelatuberadeinyeccinenlugar del trpano. Se tomarn muestras cada 1.50 metros aproximadamente y adicionalmente siempre que haya cambio en la coloracin del agua eyectada.12.9.Mtodo de Penetracin Estndar o NormalPREPAR JAIME FONSECA C. 90GEOTECNIA VIALEl equiponecesarioparaaplicar el procedimientoconstadeunmuestreador especial llamadoPenetrmetroEstndar dedimensiones establecidas y peso conocido.Elpenetrmetro normalmente es un muestreador de media caa o tubo partido, llamado as porque se puede dividir longitudinalmente para facilitar la extraccin de la muestra que haya penetrado en su interior.Elpenetrmetro se enrosca alextremo de la tubera de perforacin y la prueba consiste en hacerla penetrar a golpes dados por un martinete de 63.5 kg. (140 lbs.) yquecaedesde76cm(30pulgadas), contandoel nmerodegolpes necesarios para lograr una penetracin de 30 cm (1 pie).El procedimiento de la prueba es como sigue, una vez limpio el pozo (perforacin), el penetrmetro se hace descender hasta tocar el fondo y, seguidamente a golpes, sehacedescender 15cmdentrodel suelo. Apartir deestemomentodeben contarse el nmero de golpes necesarios para la penetracin de los siguientes 30 cm. A continuacin se prosigue con la penetracin hasta llenar el muestreador, cuya capacidad total es de 60 cm.Alretirar elpenetrmetro, elsuelo que haya entrado en su interior constituye la muestra, la cual es alterada.La importancia de la prueba radica en las correlaciones realizadas en el campo y enel laboratorioendiversossuelos. Enlasarenassepermiterelacionar la densidad relativa y el ngulo de friccin interna con el nmero de golpes necesarios en ese suelo para que el penetrmetro estndar logre entrar los 30 cm especificados. Enlasarcillashayrelacionesestablecidasentreel nmerode golpes y la resistencia a la compresin simple.Para pruebas en arcilla, Terzaghi y Peck dan la siguiente correlacin:ConsistenciaNmero de golpesPara penetrar30 cm (N)Resistencia a laCompresin simplequ (kg/cm2)Muy blanda < 2 < 0.25Blanda 2 4 0.25 0.50Media 4 8 0.50 1.0Firme 8 15 1.0 2.0Muy firme 15 30 2.0 4.0Dura > 30 > 4.0PREPAR JAIME FONSECA C. 91GEOTECNIA VIAL12.10.Mtodo de Penetracin CnicaConsiste en hacer penetrar una punta cnica en el suelo y medir la resistencia que el suelo ofrece.Dependiendo del procedimiento para hincar el cono en el terreno, estos mtodos se dividen en estticos y dinmicos.En los estticos el cono se penetra a presin, medida en la superficie con un gato apropiado.En los dinmicos el hincado del cono se logra a golpes dados con un martinete de peso conocido y altura de cada definida.12.11.Muestreo con tubo de pared delgadaSe considera que con un tubo de pared delgada se puede obtener una muestra inalterada de suelo arcilloso (plstico).Desde luego de ningn modo y bajo ninguna circunstancia puede obtenerse una muestradesueloquepuedaser rigurosamenteconsideradacomoinalterada, pues siempre ser necesario extraer el suelo de un lugar con alguna herramienta que inevitablemente alterar las condiciones de esfuerzo en su vecindad.Cuando se habla de muestras inalteradas, se debe entender en realidad un tipo demuestraobtenidapor ciertoprocedimientoquetratadehacer mnimoslos cambios en las condiciones de la muestra in situ.M. J. Hvorslev estudi procedimientos de muestreo con tubos de pared delgada, en suelos cohesivos y actualmente se usan en forma prcticamente nica. Muestreadores de este tipo existen muchos modelos y con frecuencia cada institucin especializada desarrolla su propio modelo. En Colombia se utiliza el modelo desarrollado por SHELBY en los Estados Unidos.El grado de perturbacin al suelo que produce el muestreador, depende principalmentedelprocedimiento usadopara su hincado;experimentalmentese ha comprobado que la alteracin del suelo ser mnima cuando el tubo de pared delgada se hinque a presin continua y a velocidad constante.El grado de alteracin parece depender de la llamada relacin de reas (Ar)Ar = De 2 -Di2x 100 De2PREPAR JAIME FONSECA C. 92GEOTECNIA VIALDonde: Ar = grado de alteracinDe= dimetro externoDi = dimetro internoEl Ar nodebesuperar el 10%paratubosde5cm(2pulgadas) dedimetro interior.12.12.Mtodos Rotatorios para RocaCuando en una perforacin aparece un gran bloque de roca o un estrato rocoso es indispensable recurrir al empleo de mquinas perforadoras a rotacin, con broca de diamantes o del tipo cliz.En las perforaciones con broca de diamante, se coloca en el extremo de la tubera de perforacin un muestreador llamado de corazn, en cuyo extremo inferior se acopla una broca de acero duro con incrustaciones de diamante industrial, para facilitar la perforacin.En lasperforadorascon broca tipocliz,el muestreadoresdeaceroduroyla penetracinsefacilitapor mediodemunicionesdeaceroqueseintroducena travs de la tubera hueca hasta la perforacin, actuando como abrasivo.Labrocaconinsercionesdediamanteenlacoronaserecomiendautilizar en perforaciones de roca dura.Labrocaconinsercionesdetungstenoenlacoronaserecomiendautilizar en rocas medianamente duras.La broca de acero duro en diente de sierra, se utiliza en rocas suaves como lutitas y pizarras.El xitodeunaperforacinrotatoriaenrocadependefundamentalmentedel balance de tres factores: velocidad de rotacin, presin de agua y presin sobre la broca.Las velocidades de rotacin son variables de acuerdo con el tipo de roca a atacar. Acausa del calor desarrollado por las grandes fricciones producidas por la operacin de muestreo, es necesario inyectar agua fra de modo continuo. Tambin se hace necesario ejercer presin vertical sobre la broca, a fin de facilitar su penetracin.Losequiposdeperforacinrotatoriotrabajanusualmenteencuatrodimetros, siendo los mas usados las tuberas tipo Ax y Bx.PREPAR JAIME FONSECA C. 93GEOTECNIA VIALTipo de broca Dimetroexterno (mm)Dimetrointerno (mm)Ex 37.5 20.5Ax 47.5 20.5Bx 51.5 42.0Nx 75.5 55.012.13.Mtodo SsmicoSe fundamenta en la diferente velocidad de propagacin de las ondas vibratorias de tipo ssmico a travs de diversos medios materiales.Las mediciones realizadas sobre diversos medios permiten establecer los siguientes valores:Arenas sueltas 150 m/sgMantos de grava compactos 2500 m/sgRoca sana 2000 a 8000 m/sgAgua 1400 m/sgEl mtodo consiste en provocar una explosin en un punto determinado del rea a explorarusando una pequea cargade explosivo (nitroamonio).En lrease sitan registradores de ondas (gefonos), separados entre s de 15 a 30 m. La funcin de los gefonos es captar la vibracin que se transmite amplificada a un oscilgrafo central que marca varias lneas, una para cada gefono.Suponiendounamasadesuelohomogneaquedescansasobreunestrato rocoso, unasondaslleganalosgefonosviajandoatravsdel sueloauna velocidad v1; las otras ondas llegan despus de cruzar oblicuamente dicho suelo. Hay unas ondas que viajan por la frontera suelo -roca, a travs de la roca, con una velocidad v2, hasta ser recogidas por los gefonos (ondas refractadas).Sepuedeconstruir unagrficaquerelacioneladistanciadel gefonoal punto donde se origin la perturbacin con el tiempo que tard en registrarse la onda en ese gefono, obteniendo unas lneas rectas. La pendiente de estas rectas representa la velocidad de la onda.PREPAR JAIME FONSECA C. 94GEOTECNIA VIAL12.14.Mtodo de Resistividad ElctricaSe basa en el hecho de que los suelos, dependiendo de su naturaleza, presentan una mayor o menor resistividad elctrica cuando una corriente es inducida a travs de ellos.Las mayores resistividades corresponden a rocas duras, siguiendo rocas suaves, gravascompactas; losmenoresvaloreslostienenlossuelossuaves saturados.PREPAR JAIME FONSECA C. 95