www.civilgeeks. comMECANICA DE LOS SUELOS PorGonzalo Duque Escobar y Carlos Enrique Escobar PotesManizales, 2002TEXTO PARA LA ASIGNATURA MECNICA DE MECANICA DE SUELOS IINGENIERA CIVIL UNIVERSIDAD NACIONAL, SEDE MANIZALES.Programa Calendario de Mecnica de Suelos I. Modulo TericoCdigo Asignatura 4388.IH 6 horas /semana ( 4h-tericas+2h- laboratorio)Intensidad horaria del Modulo Terico 4 horas a la semana les durante 16 semanasCONTENIDOCaptulo Descripcin1 Historia.Origen,formaciny constitucindel Suelo. Fsicoqumicade Las arcillas.2 Relacionesde volumeny peso para Suelos.3 Estructuradel suelo.Granulometra.4 Plasticidady Consistenciade los Suelos.5 Clasificacine identificacinde los Suelos.6 Capilaridad. Propiedadeshidrulicasde los suelos.7 Permemetros.Redesde flujo.8 La erosin del suelo y su relacin con el agua.9 Consolidacinde suelos. Asentamientos10 Esfuerzosen el suelo. Esfuerzosgeoestticosy por sobrecargas.11 Teoradel crculode Mohr. Teora del Polo12 Esfuerzocortante en suelos. Ensayo de Corte13 Triaxial. Trayectoriade esfuerzos.14 Compactacinde suelos.15 Exploraciny muestreode suelos.Evaluacin: Primerexamendeloscaptulos1al5.Segundoexamendeloscaptulos6al9.Tercer examendel captulo10 al 15. Trabajosindividualesy de grupo.BIBLIOGRAFA:BASICA .Fundamentosde IngenieraGeotcnica.BrajaM. Das,1999. Mecnicade Suelos,JurezBadilloy Rico Rodrguez.1990Propiedadesingenierilesde los Suelos,G. Mrquez.U. N. Medelln,1987. MecnicadeSuelos,T.W.Lambe& R.V.Whitman,MIT, 1993.Mecnicade Suelos,Berry & Reid, U. Salford,1993. LABORATORIOS:Soil Testingfor Engineering, T.W.Lambe. 1986Manual de laboratoriode suelos en Ingenieracivil, JosephE. BowlesMc GrawHill,1978. OTROSTEXTOS:Mecnicade Suelos,Julio RobledoIsaza. Vol 1 y 2 U.N. Mzles, 1990.La Ingenierade Suelos,Rico y del Castillo,Limusa1983. AdvancedSoil Mechanics,Braja M. Das.1997The Mechanicof Soil,AtkinsonJ H andBransbyP L 1985.Manualde Geologapara Ingenieros,GonzaloDuqueE. U N. Mzles,1998. www.geocities.com/manualgeoMejoramientoy estabilizacinde suelos, Carlos Fernandez,Limusa1982. Boletn(es) de Vas,UniversidadNacional Manizales.ANEXO:Unidadesy FactoresEquivalenciasy factoresde conversin.1 yarda =0,914m 1millam =1609,344m1 pie =0,3048m 1 A = 10-10 m1 pulgada =25,4mm 1 nudo = 1 milla/hora1 galningls = 4,546dm31 galn americano = 3,785dm31 onza inglesa = 28,413cm31 onza americana = 29,573cm31 lb = 0,454Kg 1 tonelada = 1016,05Kg1 dina = 10-5 N 1 Kg.f = 9,81 N1 bar = 105 Pa 1 lb.f =4,448N1 atm = 101,3KPa 1 mmHg = 0,1333KPa1 poise = 0,1 Pa 1mmH2O = 9,81 Pa1lb/pulg 2= 0,7KPa 1lb/pulg 2= 0,07Kg/cm21Kg.f/cm2= 98,1 KPa 1 TT / ft 2=0,9765Kg/cm2Unidadesbsicasdel sistemainternacional1N = 1 Kgm/seg2FUERZA.1 Pa = 1 N/m2PRESIN1Hz = 1 seg-1FRECUENCIA1 J = 1 N.m ENERGA1w = 1 J/seg POTENCIAMLTIPLOS (PREFIJOS) SUBMLTIPLOS (PREFIJOS)Tera T = 1012Micro = 10-3Giga G = 109Nano = 10-9Mega M = 106Pico p= 10-12PESO UNITARIODEL AGUA= 62,5 lb/ft 3 =9,81KN/m3 =1tt/m3Resistenciadel acero dctil (T) = 20 00 lb/in 2 = 138MPa= 138MN/m2Resistenciaconcretonormal(C) = 3500lb/in 2 = 24 MPa= 24 MN/m2= 249K/cm2Peso unitariode los suelos: 1,5 a 1,9 tt/m3aproximadamentePesounitario del concreto:2,4tt/m3aproximadamenteCohesinde las Arcillas:valoresentre 5 (blanda)y 20 (dura) tt/m2Friccin de los suelosarenosos entre 15 (baja) y 38(alta).Ir a la pginaprincipal Origenformaciny constitucindel suelo,fisicoqumicade las arcillas Captulo111.MECNICADE LOS SUELOSIPor: - GonzaloDuque E. yCarlosE. Escobar1.1. IntroduccinTerzaghidice:Lamecnicadesueloseslaaplicacindelasleyesdelamecnicaylahidrulicaalos problemasdeingenieraquetratanconsedimentosyotrasacumulaciones noconsolidadasdepartculas slidas,producidasporla desintegracinmecnicao la descomposicinqumicadelasrocas, independientementede que tengan o no materia orgnica.La mecnicade suelos incluye:a.Teorassobreelcomportamientodelossuelossujetasacargas,basadasensimplificacionesnecesarias dado el estado actual de la teora.b.Investigacinde las propiedadesfsicasde los suelos.c.Aplicacindel conocimientotericoy emprico de los problemasprcticos.Los mtodosde investigacinde laboratoriofiguran en la rutina de la mecnica de suelos.En los suelosse tiene nosolo los problemasque se presentanen el aceroy concreto(mdulode elasticidad y resistenciaa la ruptura),y exageradospor la mayorcomplejidaddel material,sinootroscomosu tremenda variabilidady que los procesosnaturalesformadoresde suelos estn fuera del controldel ingeniero.Enla mecnicade suelosesimportanteel tratamientode lasmuestras(inalteradas alteradas).Lamecnica desuelosdesarrolllossistemasdeclasificacindesueloscolor,olor,texturas,distribucindetamaos, plasticidad(A. Casagrande).El muestreoy la clasificacinde los suelossondosrequisitospreviosindispensablespara la aplicacinde la mecnica de suelos a los problemasde diseo.1.2. Problemasplanteadospor el terrenoen la ingenieracivil.Ensutrabajoprcticoelingeniero civilhadeenfrentarse conmuydiversos eimportantes problemas planteados por el terreno. Prcticamente todas las estructuras de ingeniera civil, edificios, puentes, carreteras,tneles,muros,torres,canaleso presas,debencimentarsesobrelasuperficiedela tierrao dentro de ella. Para que una estructurase comportesatisfactoriamentedebe poseeruna cimentacinadecuada.Cuandoelterrenofirmeestprximoalasuperficie,unaformaviabledetransmitiralterrenolascargas concentradasdelosmurosopilaresdeunedificioesmediantezapatas.Unsistemadezapatassedenomina cimentacinsuperficial.Cuandoelterrenofirmenoestprximoalasuperficie,unsistemahabitualpara transmitirel peso de una estructuraal terrenoes medianteelementosverticalescomo piloteso caissons.El sueloes el materialde construccinms abundantedel mundoy en muchaszonas constituye,de hecho,el nicomaterialdisponiblelocalmente.Cuandoelingenieroempleaelsuelocomomaterialdeconstruccin2Origenformaciny constitucindel suelo,fisicoqumicade las arcillas Captulo1debeseleccionar eltipoadecuado desuelo,ascomoelmtododecolocacin y,luego,controlarsucolocacinenobra.Ejemplosdesuelocomomaterialdeconstruccinsonlaspresasentierra,rellenospara urbanizacioneso vas.Otroproblemacomnes cuandola superficiedelterrenonoes horizontaly existeunacomponentedelpeso quetiendeaprovocareldeslizamientodelsuelo.Sialolargodeunasuperficiepotencialdedeslizamiento, losesfuerzostangencialesdebidosalpesoocualquierotracausa(comoaguadefiltracin,pesodeuna estructuraodeunterremoto)superanlaresistenciaalcortedelsuelo,seproduceeldeslizamientodeuna parte del terreno.Lasotrasestructurasmuyligadasalamecnicadesuelossonaquellasconstruidasbajolasuperficiedel terrenocomolasalcantarillasy tneles,entreotros,y queestsometidaa lasfuerzasque ejerceelsueloen contactoconlamisma.Lasestructurasdecontencinsonotroproblemaaresolverconelapoyodela mecnicadesueloentrelasmscomunesestnlosmurosdegravedad,lostablestacados,laspantallas ancladasy los muros en tierra armada.1.3. Historiade la mecnicade suelosEnladinastaChou,1000A.C,sedanrecomendacionesparaconstruirloscaminosy puentes.ElsigloXVII trae las primeroscontribucionesliterariassobre ingenierade suelosy elsigloXVIIImarcaelcomienzode la IngenieraCivil, cuando la ciencia se toma como fundamentodel diseo estructural.Vauban, 1687,ingeniero militarfrancsdareglasyfrmulas empricas paraconstruccin demurosde contencin.Bullet,1691,(francs),presentalaprimerateorasobreempujedetierrasyaellacontribuyenlosfranceses Couplet(1726),Coulomb(1773),Rondelet(1802),Navier(1839),Poncelet(1840)yCollin(1846).Ms adelante el escocsRankine(1857) y el suizo Culman(1866).En1773,Coulomb(francs),relacionalaresistenciaalcorteconlacohesinyfriccindelsuelo.En1857, Rankine(escocs),presentasuteoradelempujede tierras.En1856,sepresentala "LeydeDarcy"(Francia) ylaLeydeStokes(Inglaterra),relacionadasconlapermeabilidaddelsueloylavelocidaddecadade partculasslidasen fluidos.Culman(1866)aplicagrficamentelateoradeCoulombamurosdecontencin.En1871,Mohr(Berln)desarrolla el clculo de esfuerzos(una representacingrfica)en un puntodel suelo dado.1873,Bauman(Chicago)afirmaqueelreadelazapatadependedelacargadelacolumnayrecomienda valores de carga en arcillas.En1885Boussinesg(Francia)presentasuteoradedistribucindeesfuerzosydeformacionesporcargas estructuralessobre el terreno.En 1890, Hazen (USA) mide propiedadesde arenasy cascajo para filtros. En 1906, Strahan(USA)estudia la granulometrapara mezclasen va.En 1906, Mler, experimentamodelosde murosde contencinen Alemania. En 1908, Warston(USA), investiga las cargasen tuberasenterradas.En 1911, Atterberg(Suecia),establecelos lmitesde Atterbergpara suelos finos.3Origenformaciny constitucindel suelo,fisicoqumicade las arcillas Captulo1En 1913,Fellenius(Suecia),desarrollamtodosde muestreoy ensayospara conocerla resistenciaal cortedelos suelosy otras propiedades. Adems,desarrollael mtodosuecodelcrculoparacalcularla falla en suelos cohesivos.En1925,Terzagui,presentaenVienaeltratadoERDBAUMECHANIKquehacedela MecnicadeSuelos unaramaautnomadelaIngeniera.ElcientficodePraga,KarlTerzagui,eselpadredelaMecnicade Suelos.En la Sede de Manizalescuando la entoncesFacultadde Ingenieracreadaen 1948, hacia 1952 se dict por primeravez el curso de M de S por el IngenieroCivil Julio RobledoIsaza1.4. Origen formaciny constitucindel sueloEl geotecnistadebe conocerel contextogeolgicodel suelo, e incluso el climatolgicoy agrolgico.Sin ese entendimiento,su trabajoestar lleno de incertidumbresque pueden tradujeseen prdidasde oportunidadesal desconocerpropiedadesinherentesy sobretodo,se podrn incorporarelementosde riesgo para el diseo,por omitir circunstanciasfundamentalesintrnsecasy ambientales.1.4.1. GeneralidadesSuelo,en IngenieraCivil, son los sedimentosno consolidadosde partculasslidas,fruto de la alteracinde lasrocas,osuelostransportadosporagentescomoelagua,hieloovientoconcontribucindelagravedad comofuerzadireccional selectiva, yquepuedentenermateriaorgnica.Elsueloesuncuerponatural heterogneo.La mecnica de suelos es laaplicacin delamecnica alosproblemas geotecnicos. Ella estudia las propiedades, comportamiento yutilizacin del suelo como material estructural, de tal modo quelas deformacionesy resistenciadel suelo ofrezcanseguridad,durabilidady estabilidadde las estructuras.Laestructuradelsuelopuedesernatural(ladelsueloinsitu),comountalud,canalentierraoartificial(suelo como materialde construccin),como un terraplno un relleno.MECNICADE SUELOSVISuelo conhumusVSuelo sin humusIVCompletamenteFbrica texturalheredada.Zona de lixiviacinsusceptiblea la erosin.MECNICADEde sc om pue s t oFbrica texturaly estructural.Zona deGRANOS GRUESOSIIIAltamentedescompuestoIIParcialmente descompuestoacumulacin.Inicia el control estructural.Fbricaestructuralheredada.MECNICADEROCASFigura 1.1 Perfil del suelo (en geotecnia).El perfil geotcnicode describecon seis horizontes,del I en labase al VI en la superficie,pudiendoen ocasionesestar el perfil incompleto,por faltar en el algn horizonte.1.4.2. DefinicionesSa prolit o : Suelo que mantienela estructurade la roca madre. Re g olit o : Materialsuelto constituidopor partculasde roca. S ue l o re s i d ua l : El que se forma sobre la roca madre (autctono).S ue l o t ra ns port a do : El que se forma lejos de la roca madre (alctono).L i x i v i ac i n : Remocinde materialsoluble del suelo por agua infiltrada.Hum us : Residuo de la descomposicinde tejidos orgnicos,que da el color al suelo. Re l i c t os : Estructurasheredadaspor el suelo, de la roca madre (diaclasas,etc.). E luv i n : Depsitoin situ (autctono). Originatalus y coluviones.C oluv i n : Depsitode ladera; provienede los movimientosmasales(del talus).Aluv i n : Depsitode corriente(alctono).S ubs ide nc i a : Hundimientopor presenciade cavernaskrsticaso fallas activas. F i x i b l e : Que se exfolia,es decir, se separa en lminasdelgadas.Abra s in : Efecto de lija sobre las rocas, producidopor viento, olas, glaciares,ros.Ge li v ac i n : Agrietamientodel suelo por accin del hielo.1.4.3.Etapasy procesosen la formacindel suelo (I) y de las arcillas (II)MeteorizacinQumicaI Roca madreAguaSeresvivosDerrubiosminerales SueloMeteorizacinMecnicaAireMateriaorgnicaFigura 1.2 Etapas y procesosen la formacindel suelo1.4.4.Factoresde Formaciny Evolucindel Suelo (F.F.E.S.):Los factoresde formaciny evolucindel suelo son cinco:Ma t e ri al Pare n t a l : Permeabilidady constituyentesmineralesde la roca madre. Tie mpo : El clmax puede ser de decenasa miles de aos.Por ejemplosiglos. Topog ra f a : Pendientes,drenaje; orientacinde la ladera y barrerastopogrficas. F orma d or e s bi olg i c o s: Micro y macro fauna como fuente de humus.C l i m a : Temperatura,balance hdrico, intensidadde acciny velocidadde procesos..II : F.F.E.S.Silicatos+ =AcidosMINERALESDE ARCILLA +mCuarzo y micashm Carbonatos K,hNa CaSlice en solucinCalcita (Ca)h Carbonatos Fe, MgLimonita, hematitaClima tropicaldrenadoCAOLINITA (estable)Clima seco y froILLITA (poco estable)Clima seco o hmedoMONTMORILLONITA (inestable)mal drenado. Figura 1.3Etapasy factoresde formacinde las arcillas1.4.5.DepsitosEl nombrede los depsitosdependedel agente, el lugar y su estructura.El geotecnistadebe reconocery advertir las propiedadesingenierilesde un depsito,como su densidad, resistencia,permeabilidad,naturaleza, etc., recurriendoal anlisisde su gnesisy a los materialesy procesosque lo explican.Pore la g e n t e :Coluvial(gravedad),elico (viento),aluvial (agua), glaciar (hielo).Pore llug ar :Palustre(pantanos),marino (mar), lacustre(lagos), terrgenos(continentes). Porla e s t ruc t u r a : clstico(fragmentos),no clstico (masivo).1.4.6.Alteracinde las rocasExiste un equilibriodinmicoentre las tasas de alteraciny denudacin,TA y TD, respectivamente. TA > TD predominiode materialresidual; ejemplo,zona trrida.TD > TA predominiode la roca frescay los sedimentos; ejemplo,zona templada.Los suelos tropicales son fundamentalmente suelos residuales, mientras los de zonas templadas son fundamentalmentesuelostransportados; as, la Mecnicade Rocasseha hechoparalatitudesdiferentesa las nuestras,dondelascapasdesuelosonhorizontales, sinrelictoscaticoseimpredecilbes, comolosque afectan nuestrosmacizosy suelos.Lasalteracionestectnicaehidrotermal,nosonformasdemeteorizacin;ambasformasdemeteorizacin son tpicas de los ambientesandinos,donde el clima tambines intensoy hace su aporte.Nosonlahumedad ylatemperatura, sinolasvariaciones deambaslasquehacenintensayrpidala meteorizacino intemperismo.Alteracinfsica: Incluyela desintegracinpor meteorizacinmecnica,ejemplo: A: Tectnica. B: Climtica. C:Biolgica. D:Hidrotermal.Alteracinqumica: Incluye la descomposicinpor meteorizacinqumica,ejemplo:Por agua (hidratacin,hidrlisis,solucin). Por CO2(Carbonatacin). Por O2 (Oxidacin,reduccin).Los coluvionesson por lo generaldepsitosheterogneos,sueltosy con bloquesangulosos.Los aluvionessondepsitosconformadospormaterialesgruesosy matrizdefinosenlostramosdeambientemontaososy por materialesfinosenlosvallesamplios.Lagradacinestligadaalavelocidaddelacorriente,porlogeneral bajaenlosvallesamplios.Losdepsitoslacustresgeneralmentesondegranofino.Losdepsitosmarinos suelen ser estratificados.En los lacustresel medio es tranquiloy la potenciamenor.Losdepsitosglaciaressonheterogneos,lostillnopresentanestratificacinclara,losfluvioglaciaress. Los primerospor el efecto aplanadoradel hielo y los segundospor formarsea partir de las aguas de fusin.Losdepsitoselicossonhomogneos,losloessondelimosylasdunassondearena;losloesnoson transportadosy las dunas s (emigran).Los principalesmineralesque constituyensuelosgruesosson: Silicatoprincipalmentefeldespato(K, Na, Ca), micas(moscovitay biotita),olivinoyserpentina.Oxidos,enespecialelcuarzo(SiO2),limonita,magnetitay corindn.Carbonatos,principalmentecalcitay dolomita;y sulfatoscomo yeso y anhidrita.Enlossuelosgruesoselcomportamientomecnicoehidrulicodependedesucompacidady orientacinde partculas,y poco de la composicinmineralgica.Roca Vs Suelo: Dependede la resistenciaa la compresinRoca dura s c > 300 Kg/cm2.Roca blanda s 200 Kg/cm2< c 2cm.LasgravasFigura 1.4Distintostipos de formacionesde suelotienendimensionesde 2 cm a 2 mm. La arenagruesadesde0,2cm< < 0,2 mm; la arenafina,entre0,2mm< < 0,005 mm. Llamamoslimo a las partculascon dimetroaparenteentre 0,05 mm y 0,005 mm.Conlosanlisisgranulomtricos,arcillasonlosconstituyentesdedimetroaparenteinferiora0,002mm(o2), pero el trminoarcilla tiene otro sentido,adicionalmente,no granulomtrico.1.5. Arcilla.Son gruposmineralesdefinidos,como caolinita,illita y montmorillonita,donde participanestructuras octadricasy tetradricas.La arcilla, como el humus, posee propiedadescoloidales.Las arcillas,en el sentido mineralgico,son cristalesmicroscpicoscuyos tomosestn dispuestosen planos.Al interiorde unatramade tomosde oxgeno,cuyasesferasinicassonvoluminosas,se encuentrancationes de slice(Si)y aluminio(Al). Si el volumenlo permite,cationesde hierro(Fe),magnesio(Mg),calcio(Ca)o potasio (K) reemplazanal slice (Si) y al aluminio(Al).Lasarcillastienenunacapacidaddeintercambio inicogrande.Otrosionesdiferentesalosenunciados puedencompletarlascapasy unirlas,y tambin,lascargaselctricaslibrespuedenserequilibradasporiones intercambiables.Tetraedrode silicioOctaedrode aluminio Octaedrode magnedsioFigura 1.5 Tres unidadesestructuralesbsicasy radios inicosGibsita: (G) Lmina de almina,fruto de la combinacinde octaedrosde aluminio(Al). Brucita:(B) Lmina hidratada,fruto de combinaroctaedrosde magnesio(Mg).Lminasde slice: Tetraedros(SiO4)de slice dispuestosen lmina. Vertrapecios. Las arcillas 1:1 son arreglosde octaedroG o B(rectngulo)y Tde Silicio ( trapecio)Las arcillas 2:1 son 2 tetraedrosde silicioy en medio de ellos un octaedroG o B.1.5.1. Caolinitas:Principalgrupodearcillasquepresentabajacapacidaddeintercambio,1012me (miliequivalentes)cada 100 gr, y con dos capas de cationes,lasllamadas arcillas 1:1(capatetradrica ms capaoctadricadealminahidratada). Elarreglo,quese repiteindefinidamente daunacargaelctricaneutradel mineralcaolinita,cuyaestructuranoesexpansiva,porno admitiraguaensusretculos.EstasarcillassonSiO4OHGrupoy mineral caolinitaMineralhaloisitamoderadamenteplsticas,demayorpermeabilidadymayor friccin interna. Del grupo son: HALOISITA, CAOLINITA (pordefinicin),ENDELLITA, DICKITA,Figura1.6Estructurasbsicasy radios inicosALOFANO,NACRITAYANAUXITA.Lahaloisita,aunquetienelamismafrmuladelcaoln,contiene molculasextradentrodesuestructura.Enlafigura=Gibsita=SiO4 (EnlaCartadePlasticidadlas caolinitasestn bajo la lnea A = limos).1.5.2.Illita:Esunaarcilla2:1,cuyacapacidaddeintercambioesdeunos 40me/100gr, loquelashacealgo expansivas. Laslminas de alminaestnentredoslminasdeSiO4,yestasseliganporionesde potasio,queledanciertaestabilidadalconjunto.Laactividaddela illita es0,9,delacaolinitaesde0,38.Elcoeficientedefriccininternoyla permeabilidad sonmenoresqueenlacaolinita ymayores queenla4SiOGrupo illitaK+Gmontmorillonita.Figura1.7 Estructurade la Illita1.5.3. Montmorillonita:Arcilla2:1cuyacapacidadde intercambioes deunos 120me/100gr, loquelashace muyexpansivas. Entre las dos lminasdesliceseencuentraunabrucitaounagibsita,y estearreglose repiteindefinidamente.Launinentremineralesindividualesesdbil, porlocualelaguaseinserta,introduciendonmolculasparaproducirel hinchamiento delsuelo.Ademsde serexpansiva,lamontmorillonitaes muy plstica y se contrae al secarse, mejorando su resistencia y hacindoseimpermeable.Laactividaddelamontmorillonitaesde7,2.SiO4GGBNH2OEntrelasmontmorillonitas tenemos: LaMONTMORILLONITA (pordefinicin),HECTORITA,SAPONITA,BEIDELLITA,SAUCONITA, TALCO,PORFILITAy NONTRONITA.Figura1.8 Grupo de la montmorillonita(puedetener brucita)Bentonitas:Suelosmontmorillonticosaltamenteplsticosyaltamenteexpansivos,degranotanfinoquealtacto es jabonoso(s es hmedo).Se utilizanpara cellar fugas en depsitosy canales.Vermiculita,clorita, sericita,etc., son otros mineralesarcillososno clasificadosen los anteriorestres grupos.1.5.4.Actividad:esteparmetrolo,haexpresadoSkempton(1953)comolapendientedelalneaque relacionael Indice Plsticode un suelocon su contenidode mineralesde tamaoarcilloso,como se ver enel numeral4.1yenlafrmula4.3. Unaactividadnormalesde0,75a1,25.Msde1,25esaltaymenosde 0,75 es inactiva. Actividadsupone cohesin,expansividady plasticidad.Regresara Contenido del libro M d SRelacionesgranulomtricasy volumtricasde un suelo Captulo282. RELACIONES GRANULOMTRICAS Y DE VOLUMEN EN UN SUELO2.1. IntroduccinEn un suelose distinguentres fasesconstituyentes:la slida,la lquiday la gaseosa.La faseslidaestformadapor las partculas minerales del suelo (incluyendola capa slida adsorbida);la lquida por el agua (libre, especficamente), aunque en el suelo pueden existir otros lquidos de menor significacin; la fase gaseosa comprendesobretodoelaire,peropuedenestarpresentesotrosgases(vaporessulfurosos,anhdridocarbnico, etc).Lasfaseslquidaygaseosadelsuelosuelencomprenderseenelvolumendevacos(Vv),mientrasquelafase slida constituyeel volumen de slidos (Vs).Se dice que un suelo estotalmentesaturadocuando todossusvacosestn ocupados por agua. Un suelo en tal circunstancia consta,comocaso particulardesolodosfases, la sliday la lquida.EsimportanteconsiderarAireAguaSlidosGaseosa ALquidaWSlidaSlascaractersticas morfolgicasdeun conjuntodepartculas slidas,enunmediofluido. Eso es el suelo.Fase slida:Fragmentos de roca, minerales individuales, materiales orgnicos. Fase lquida:Agua, sales, bases y cidos disueltos, incluso hielo.Fase gaseosa:Aire, gases, vapor de agua.Figura 2.1. Esquemade una muestrade sueloy el modelode sus3 fases.Lasrelaciones entrelasdiferentesfasesconstitutivasdelsuelo(fasesslida,lquidaygaseosa),permitenavanzarsobreelanlisisdela distribucinde las partculaspor tamaosy sobre el grado de plasticidaddel conjunto.En los laboratoriosde mecnicade suelos puede determinarsefcilmenteel peso de las muestrashmedas,el peso de las muestrassecadas al horno y la gravedadespecficade las partculasque conformanel suelo, entre otras.Las relacionesentre las fases del suelo tienen una amplia aplicacinen la Mecnicade Suelos para el clculo de esfuerzos.Larelacinentrelasfases,lagranulometrayloslmitesdeAtterbergseutilizanparaclasificarelsueloyestimar su comportamiento.Modelarelsueloescolocarfronterasquenoexisten.Elsueloesunmodelodiscretoyesoentraenlamodelacin con dos parmetros,e y(relacinde vacos y porosidad),y con las fases.Elaguaadheridaalasuperficiedelaspartculas,entraenlafaseslida.Enlalquida,sloelagualibreque podemossacar a 105 C cuando, despusde 24 o 18 horas, el peso del suelo no baja msy permanececonstante.2.2. Fases, volmenesy pesosEnelmodelodefases,seseparanvolmenesVypesosWas: VolumentotalVT,volumendevacosVV (espacio no ocupadopor slidos),volumende slidosVS, volumende aire VA y volumende agua VW. LuegoVT =VV +VS (2.1)Estado ms suelto.= 47,6%; e = 0,91Estado ms compacto.= 26%; e = 0,35Figura 2.3Compacidadde un conjuntode esferasiguales.VVVWyVV =VA+VW.(2.2)En pesos (que es diferente a masas), el del aire se V Adesprecia, por lo que WA= 0.El peso total delespcimenomu estraWT esigualalasumadelpesode V Vlos slidos WS ms el peso del agua WW;esto esV TWT = WS + W W.(2.3) V SA W AW W WW TS W S2.3. Relacionesdevolumen: h , e, DR, S, CAVol menesPesos 2.3.1.Porosidadh .Sedefinecomola probabilidadde encontrarvacosenel volumentotal.Por eso 0 65% es denso.LA CLAVE# 1 ES: eh1 eRelacionesGravimtricas. Una masa de 1 Kg pesa distintoen la luna que en la tierra. El peso es fuerza, la ma sa no.La densidadrelacionamasa y volumen,el peso unitariorelacionapeso y volumeny la presin,fuerza y rea. El valor de la gravedaden la tierra es g = 9,81 m/sg2= 32,2 ft/sg2El peso unitariodel agua es 62,5 lb/ft 3 = 9,81KN/m3= 1 gr/cm3(si g = 1) En presin 1 lb/ft 2 = 47,85N/m2= 47,85Pa.1lb/m2= 6,90 KPa y 1 ft de agua2,99 KPa0W2.3.6.Contenidodehumedad: wEslarelacin,en%,delpesodelaguadelespcimen,alpesodelos slidos.Elproblemaesculeselpesodelagua?.Paratal efecto debemossealarqueexistenvariasformasdeaguaenelsuelo,yw WW*100WS(en %) (2.11)unasrequierenmstemperaturaytiempodesecadoqueotrasparasereliminadas.Enconsecuencia,elconceptosuelosecotambinesarbitrario,comoloeselaguaquepesemosenelsuelode muestra.Suelosecoes el quese ha secadoen estufa,a temperaturade 105C 110C,hasta peso constantedurante24 18 horas (con urgencia).Elvalortericodelcontenidodehumedadvaraentre:0.Enlaprctica,lashumedadesvarande0 (cero)hasta valoresdel 100%, e inclusode 500% 600%, en el valle de Mxico.NOTA : En compactacinse habla deptima,la humedadde mayorrendimiento,con la cual la densidaddel terreno alcanzaasermxima.EnlaFigura14.1,puedeobservardos curvas de compactacin para un mismo material,dependiendoelvalordelahumedadptima delaenerga V Wde compactacinutilizadapara densificarel suelo.WWW2.3.7.Peso unitariode referenciag 0El peso PU de referenciaes 0, que es el valor del PU para el agua destiladay a 4 C.0 = 9,81 KN/m3 1,00Ton/m3= 62,4 lb/ft 3 = 1,0 gr/cc(para g =V S SW SModelode fases para suelo saturado1m/seg 2). Este es el resultadode multiplicarla densidaddel aguapor la gravedad,dado que densidades masa sobre volumeny que peso es el producto de lamasa por la gravedad.2.3.8.GravedadEspecficade los slidosGS .La gravedad especfica es la relacin del peso unitario de un cuerpo referida a la densidaddel agua, en condicionesde laboratorioyporlotantoasupesounitario?.Engeotecniaslointeresala gravedadespecficadela faseslidadelsuelo,dadapor?SGs(2.12)?0GS=g s /g Wpero referida al Peso Unitariode la fase lquidadel suelo g W , para efectos prcticos.2.3.9.Peso unitar io del suelo.Eselproductodesudensidadporlagravedad. Elvalordepende, entreotros,delcontenidodeaguadelsuelo.Estepuedevaria rdelestado seco d hasta el saturado SAT as:2.3.10.Pesounitariodel aguay de los slidos.? d ? T? sat(2.13)gWSdVTSuelo seco (2.14); gWWVWPU del agua(2.15) g TWTSuelo hmedo (2.16)VTEn el suelo, W S es prcticamenteuna constante,no asWWniWT. Ademsse asume que siendo GS un invariante,no se trabaja nunca conel PU de los slidos, numeral2.3.8.g s, sino con su equivalente, GSg W, de conformidadcon elS WEngenerallossuelospresentangravedadesespecficasGSconvalorcomprendidoentre2,5y3,1(adimensional).Comoelmsfrecuente es2,65(adimensional) seasume comomximo valordeGSterico.Veamosadems algunosvaloresdelpesounitariosecodelossuelos,losqueresultandeintersdadoquenoestnafectadospor peso del agua contenida,sino por el relativoestado de compacidad,el que se puede valorar con la porosiodad.Descripcin hg d% g/cm3Arena limpia y uniforme 29 50 1,33 1,89Arena limosa 23 47 1,39 2,03Arena miccea 29 55 1,22 1,92LimoINORGNICO 29 52 1,28 1,89Arena limosa y grava 12 46 1,42 2,34Arena fina a gruesa 17 49 1,36 2,21Tabla 2.1Valoresdey d para suelos granulares(MSLambe).Lossuelosbiencompactadospresentanpesosunitariosde2,2g/cm3a2,3g/cm3,endparagravasbiengradadasy gravaslimosas.EnlazonadelviejoCaldas,lascenizasvolcnicaspresentanpesosunitariosentre1,30a1,70 gr/cm.2.3.11.Peso unitariosumergidog .Estosuponeconsiderarelsuelosaturadoysumergido.Alsumergirse,segnArqumedes,elsueloexperimentaun empuje,hacia arriba, igual al peso del agua desalojada.g WsatWWVTWSATVT* g WVTg SATg Wentonces , el PU sumergidoes :g gSATg W(2.17)que es la situacinbajo el NAF del suelo.2.3.12.Gravedadespecficadel espcimen.Puedoconsiderarlamuestratotal(GT)peroelvalornotieneningunautilidad,lafaseslida(GS)queesdevitalimportanciapordescribirelsueloylafaselquida(GW ) queseasumees1 porserg Wcondicionesde laboratorio .En cualquiercaso, el valor de referenciaes0 y 0W.elmismodelaguaenGgsg 0gs; Gg Wg Wg 0(2.18)Una relacin bsica entre, S, e y GS es: TWggTWWVW*? WWSVS*? W* GS? Sya queGS? WWS*1VSg WWWVWWSVV* VV *1VSGScancelamos? wVVe introducim osVVw S * eGS = S eCLAVE # 2Otra relacin fundamentalsurge de considerarel PU hmedo,as:gWTVTWSWWV SVVWWWS 1SVVV S 1V SgGS1 wgT1 eWObsrveseque no se escribi g ssino GSg W .Ahora,sustituimosGS por Se, y obtenemosestas expresionespara el PU hmedo,seco y saturado:GSS * eT1 e* g WG SS * eT1 e* g WSi S = 1(PU saturado) g SAT G e* g W1 eCLAVE # 3(PU seco)gG Sd1 e* g WDos relacionesdeducibles,tiles en geotecnia,al analizar resultadosde compactacinson:gWTVTWSWWVTWS 1WWVTWSg Tg d 1 wy de la suma de volmenes:ggSSVTVTVAVSVW ;g Spero :GSWWS*1VSg Wentoces:VT 1WV AVTGS1WSWW GS* g Wg W V AVWS1GS* g WWW GsWSluegoSTWgG S1 CA * gVWT1 GWWSd1 G * w W2.4. Diagramasde fasesconbaseunitariaa) T = f(e) ConVS = 1 en el grfico,necesariamenteVVe;eV(recurdeseque wWW ,queWsWSVSGss *Vs *g W )WS GS* g W,WWw * GS* g WWW =GS WAVV = eWVW=GSgWTVTWS WWVS VWGS* g Ww * GS* g W1eGS* g W(1 w )WS = GS W S VS = 1(1e)Vb) T = f( ): ConVT = 1, en el grfico,necesariamenteVV =;hVVTCalculadoslos volmenes,se pasa a los pesos utilizandola expresindeg s (sin escribirla)y luego la de .WW =GS W (1- )WA VV=W1SVS =1-CLAVESX e YS GS TegVSWS(1 h ) * GS * g W ;WWw (1 h ) * GS * g WWTWSWW TTVT1h ) * GS * g Ww* (11h ) * GS * g WGS * g W * (1 h ) * (1w )NOTA : En diagramasunitariosexisten3 posibilidades:VS,VT, W S = 1. con la tercerase obtienenresultadosenfuncin de la relacin de vacos comolos del caso a).a) GgS* g W* (1 w )b)g TG S* g W (1 h )(1 w )CLAVES# 4 Y # 5 T(1 e)Ejercicio :Con diagramasunitariosde solo dos fases o btengauna relacinpara SAT = f(S, e,W) y otra parag dNOTA: Pararesolverunesquemadefases,esconsistenteelesquemadediagramasunitarios,haciendoVT,VS=1o en su defecto WS = 1.Adems, siempre serequieren 3parmetros adicionales,unoporcada fase. Delcuadro(*),unadelascuatrocasillases incgnitay requiereunelementodecadaunadelas otras 3 casillas. Ademslas cinco claves vistas.Ejercicio 2.1Unespcimen,enestadonatural,pesa62,1grysecoalhorno,49,8gr.Determinadoelpesounitariosecoyla gravedadespecficacorrespondientes,los valores son 86,5 lb/ft 3 y 2,68, encuentree y S.Solucin(*)62,1w49,80,247 24,7%49,8e62,4 * G S1g d62,4 * 2,68186,50.93w * G Sg d(clave 2)0, 247 * 2 ,680,930, 71 71%Ejercicio 2.2Para un suelo en estado natural,e = 0,8;= 24%; GS = 2,68. Determineel pesounitario,el peso unitarioseco y el grado de saturacin.33T3VT W1 w 1eS SG S * g w (1g Tw )(clave 4)2,68 * 9,81(1 0,24 )18,11 KNm(1e)G S * g w(12,68 * 9,810,8)g d(1 e)(clave 3)(10,8)14,61 KNmw* GS Se(clave 2)0 ,24 * 2, 680,80,804 80,4%Para el caso anterior,calcular el peso unitario saturado.Wg SATVTWSWWVTG S * g W1e * g We(utilizando diagrama seccin 2.4.a, con VS1)g SAT9 ,81 2,68 0 ,6818,97 KNm(ESTA ES LA CLAVE X, Seccin2.4)1 0,8Ejercicio 2.3Calcular el agua y elSAT en una muestrasaturadade suelo de= 38 mm y h = 78 mm, cuya masa es 142 gr.Seca, la masaes de 86 gr.(g = 9,81 m/seg)Masa de agua = 142gr 86gr = 56 grMasa del suelo = 86 gr=56/86=0,651=65,1%Peso del suelo saturado= W SAT = 142 * 9,81 * 10-6 KNVolumendel cilindro= VT= *382*78*109m3WSATg SATT15,75 KN m3Para el caso anterior, calcule e,yGS.ReemplazoGS, de la clave 2, en la clave 4S * e (1w )g g y Sw(1e)1(saturado)g Te *1w gW w1ee1 11 *1e1,7215,759,811 11 *0, 6511e1,72eh(1e) (1 1,72)63,2%(clave 1)1,72G : (clave # 2 ;saturado)Gw 0,6512,652.4 Se tiene un suelo saturado;dado WS = 1resolverel diagramaunitarioyobtener sat y (clave X)WS = GSS 1 17 WVwg gcmWS = 1Ww W W Sg SGWS1W SWWw1VwW VWgSg WW

WWV S * gWWSG S * g WVW 1S 1g WLuego :g SatW satVTg W(1 w )w1g W G S*g W1 wSATentoncesPESOSVSGSVOLUMEN* g W(saturado)adems :g SATG S* g W1 w*G Sg SATComprese conclave2(sumergido ) g ' g T g W1 wG S* g W(G S 1)WW1 w* G S(1G S )2.5 Problemasde clase(1)Unamuestrapesaenestadohmedo105gr,yenestadoseco,87gr.Sisuvolumenes72cm3ylagravedad especficadelosslidos2,65,calcule, e, GS , d, T,SAT y VOLUMENPESOA 0 grSolucin:Dados:W T = 105 grWS = 87 grVT = 72 cm 3GS = 2,65W = 1 gr/cm2Como se involucrae, el modelounitarioconvienecon VS=1WW = WT WS = 105 87 = 18 gr.72 cm3 WS105 87 = 18 gr87 grGg S SgWWSVS * g SVWSSGS * g S872,65 * 132,833VVVT VVVS7239,1632,83 39,16 cm3eVS32,83WW1051,1987(relacin de vacos)wWS870,207 20,7%(contenido de humedad)WA = 0AeWS = GSS 1 18 WWW =GSW W18GSgVgV *G g SSg Ww W W WSW S* 1VSg WWSGS * g WWWw* WSWTG S* g Wg Tw * G S* g WGS * g W (1w )2,65 * 1 * (10 ,207 )VT1e 1 e 1 1,19ggrG S * g W (1w)gT1, 46cm3(Peso unitario total)TGS* g WI(1e)IIEn Isiw0 g Tg d1e2, 65 * 1g d1,21grcm3(Pesounitarioseco)(11,19)SVWGWWWW W WVW Wg SWS1 WS SVW,VS,VV?VVg WeVV VSVSg WVVe * VSGS * g We * WSG S * g WWW* GS * g W Sg W* e * WSw * G Se0,207 * 2,651,190 ,461 46 ,1% (Saturado)CuandoS = 1=e/GS( deII )EnIG S * g W 1eSgg W ( GSe)IIISATg SAT2,65 (1(11,191,19)e)1,75(1e)grcm3grg 'g SATg W1,751 0, 75cm3192)DADOS: e = 0,8;=24%; GS= 2,68;W = 62,4 lb/ft 3 g T , g d , gSAT?G* g (1w )2,68 * 62,4(1 0,24 )DeIg TS W115,20 lb 3(1G* ge )2,68 * 62 ,4(10,8)ftDeIIgS Wd92,91 lb 3(1e ) (10,8)ftDeIII g SATgW (G Se )62 ,4(2,68 0,8)120 ,64 lb 3(1e) (10,8)ftRecurdesequedTSATy eso ocurre.3) En las siguientesfigurasse muestrauna mismamuestradel mismo sueloen tres condicionesdiferentes: hmeday en estado natural,y luegode compactada,muestras saturadayseca. Para estos casos, el PU del agua es 1gr / cc.Si la gravedadespecfica del sueloes 2,7 y el peso de los slidosvale 50 gr, obtengalos tres pesos unitariosyla porosidad del suelo en cada estado, si:a)En el primer caso, para suelo hmedoen estado natural,el volumende vacos vale 80 cc y la Saturacines del60%.b)En el segundoy tercer caso, para suelo saturadoy seco, el volumende vacos es de 48 cc.c)Obtengala densidado compacidadrelativaDR si el suelo anterior, en estado suelto, incrementasu volumen total del estado natural en el 20% .VAAWAVVVW WWWVTWTVW WWW VAAWAVSSWSVS S WS VS S WSVolmenes Pesos4) Para un suelo saturado n= 0,35yGS = 2,68. Determineel pesounitario sumergido,el peso unitario seco y elcontenidode humedad.Ir a la pginaprincipal Estructuradel sueloy granulometra Captulo319PROBLEMA CUANDO ES UNIFORMELA BIOTITA ES MS PROBLEMTICASON SOLUBLES EN CIDOSATACA AL CEMENTOCUIDADO CON LA SALINIDADCUIDADO CON LA SALINIDAD3. ESTRUCTURADEL SUELO Y GRANULOMETRA3.1 Caractersticasy estructurade las partculasminerales.3.1.2Relacionesfino agregadosAgregados sin finos, ejm. Un talus.: Contacto grano a grano. Peso volumtrico variable.Permeable. No susceptible a las heladas .Alta estabilidad enestadoconfinado. Bajaestabilidad enestadoinconfinado. No afectablepor condiciones hidrulicasadversas.Compactacindifcil.Agregadosconfinossuficientes: Paraobtenerunaaltadensidad. Contacto grano a grano con incremento en la resistencia.Resistencia a la deformacin.Mayorpesovolumtrico.Permeabilidadms baja. Susceptible a las heladas.Relativa alta estabilidad (confinado o no confinado).No muy afectable por condiciones hidrulicas adversas. Compactacinalgo difcil.Agregado con gran cantidad de finos, ejm. un coluvin:Noexiste contactogranoagrano;losgranosestndentrodeunamatrizdefinos; esteestadodisminuyeelpesovolumtrico.Baja permeabilidad. Susceptibleaheladas.Bajaestabilidad(confinadoono).Afectablepor condicioneshidrulicasadversas. No se dificulta su compactacin.Figura 3.1Depsitosde suelos transportadosComponentePropiedadARENALIMO MICACARBONATOSULFATOCAOLINITA ILLITAMONTMORILLO NITAMATERIA ORGNICAALOFANOPermeabilidadseco Permeabilidadhmedo Estabilidadvolumtrica Plasticidad cohesin Resistenciaseco Resistenciahmedo Compactacin(ptima)++ ++ ++ + -+-M++++ ++ - --++- -m m - - m m++ -++++ m m++ -+m+- - - - - - +- m- m+-m-m--- - - - ++ ++ - - --++m++ ++ + m m ++ -m- --- - ++ ++= muyalto+ = alto m = moderado- = bajo - -= muybajo.Tabla3.1 Propiedadesingenierilesde loscomponentesdel suelo20Estructuradel sueloy granulometra Captulo33.1.2Principalespropiedadesdemandadaspor el ingeniero.1.Estabilidad volumtrica:Loscambiosdehumedadsonlaprincipalfuente:Selevantanlospavimentos, inclinan los postes y se rompen tubos y muros.2.Resistencia mecnica:Lahumedadlareduce,lacompactacinoelsecadolaeleva.Ladisolucindecristales(arcillassensitivas),baja la resistencia.3.Permeabilidad:Lapresindeporoselevadaprovocadeslizamientosy el flujodeagua,a travsdelsuelo, puede originartubificaciny arrastre de partculasslidas.4.Durabilidad:Elintemperismo,laerosinylaabrasinamenazanlavidatilde un suelo,comoelemento estructuralo funcional.5.Compresibilidad:Afectalapermeabilidad, alteralamagnitudysentidodelasfuerzasinterpartcula,modificandola resistenciadel suelo al esfuerzocortante y provocandodesplazamientos.Lasanteriorespropiedadessepuedenmodificaroalterardemuchasformas:pormediosmecnicos,drenaje, medios elctrico,cambiosde temperaturao adicin de estabilizantes(cal, cemento,asfalto, sales, etc.).3.1.3Estructurade los suelos Fbricatexturaly es tructuraldel suelo.Laestructuraprimariaensuestadonatural,esladisposicinyestadodeagregacindelosgranos,loque dependedelambientedemeteorizacinenlossuelosresiduales,odelambientededeposicinenlossuelos transportados. Esta es la fbrica textural que hereda el suelo.Otras discontinuidadesen la masa, por ejemplo, plieguesyfracturas,portectonismo,vulcanismo,etc.,olasquemarcanciclosdeactividadgeolgica(planos de estratificacin,disolucin,alteracin,etc.),sonla estructurasecundariay constituyenaspectos estructuralesamayorescala;estaeslafbricaestructuralqueheredaelsuelo(relictos).Enelprocesode sedimentacin,laspartculasslidasestnsometidasafuerzasmecnicayelctricas.Lasprimerasafectan todaslaspartculas(ambientesturbulentos,gravedad,etc.)ylassegundasa laspartculasfinas(atraccin, repulsinyenlacesinicos,enmediosacuosos). Cuandodominanfuerzasdeatraccinelctrica,seproduce floculacin ycuan dodominanlasderepulsin,ylaspartculasseseparan,dispersin.Latemperaturay concentracin inicainfluyenenlaincidenciadelmedioacuosodelasedimentacin.As,laestructura primariapuede ser:Granos aisladosEstructura dispersaEstructura floculadaHeterogneo y clastro soportadoHeterogneo y matriz soportadoHomogneo y sueltoHomogneo ycompactoFigura 3.2Estructurade suelosSEDIMENTARIOMETAMORFICOIGNEOORIGENElsuelopuedefallar: Porlosgranosmi nerales,porlaligadelosgranosminerales(porlafbricatextural ) ypor la fbricaestructural.TEXTURAFBRICANOORIENTADAFABRICAORIENTADAClaseGranoEntrelazadaCementadaConsolidada FoliadaCementadaConsolidadaFino BasaltoCRISTALINAPIROCLSTICA CRISTALINAGrueso GranitoFino TobaGrueso AglomeradoFino HorfelsPizarraGrueso MrmolGneisCATACLSTICAFino MilonitaGrueso BrechaFilonitaProtomilonitaGRANOFinoLiditaCalizaCRISTALINA GruesoFinoCLSTICAGruesoOolticaLimolita calcrea Conglomerado calcreaArcillolita Conglomerad o arenosoLutita calcrea Lutita cuarzosaLutita arcillosa Lutita arenosaTabla 3 .2 Texturay fbricade materialesrocosos.3.1.4Tiposde fallapor discontinuidadesen rocaFalla circularFalla planarFalla en cuaVolteoPandeo y pateoFigura 3.3Tipos de fallas por discontinuidadesentaludesconstruidossobre macizosrocosos.Esfallacircularcuandolarocaestintensamentefracturada,lafallaesplanarsielbuzamientoesmayoraldeltalud,ladecuacuandodosfamiliasdediscontinuidadesproducencuas,conlneadecabeceobuzando mssuavequeel talud.La de volteoconbuzamientocasiverticaly contrario; el pandeopor friccinplstica; elpateoocurrecuandolaslosas ,cuasiverticalesydependienteconforme,pierdeneltaln.Enlasfallas planarydecua,lafriccinpuedesostenerlaslosasylascuascuandolasdiscontinuidades estnpoco inclinadas. Recurdeseque el suelo residual hereda las debilidadesde la roca madre y estas son los relictos.Discontin uidades en macizos rocosos que forman relictos (fbrica estructural)GenticasRocas gneasEstructurasde flujo:Contactoentre coladasde lavasEstructurasde retraccin: Grietas por su friccionamientoRocas metamrficasFoliacin: Gradientede temperatura,presin y anatexiaRocas sedimentariasEstratificacin: Contactosentre eventosdeposicionalesFsico qumicasTodas las rocasTermofracturas: Ciclosde temperaturay de secado humedecimiento. Argilifracturas:si son por arcillas Halifracturas: Expansinde sales y arcillasen fracturas. Gelifracturas: Ciclosde congelacin fusin de agua.De gravedadTodas las rocasRelajacin: Traccinde desconfinamientopor erosin.Corte:Concentracinde esfuerzosverticalesen laderas.TectnicasTodas las rocasEstructurasde placa:Bordesdestructivosy constructivos.Fallas:Rupturacon separacinde masas de roca.Diaclasas: Rupturasinseparacindemasasderoca. Fracturasde plieguesradiales: Tracciny de corte= compresin.BiolgicasTodas las rocasAccinde races:Expansiny penetracinde la raz.AntrpicasTodas las rocasTecnolgica: Esfuerzosinducidospor el hombre.3.1.5 El contextoparafacilitarel texto geotcnicoLasobservaciones decampo debenanotarseen forma apropiada, incluyendo adems de los datos de localizacin,fecha y ejecutor,datos tales como los que siguen (ms que importantes,son fundamentales):Profundidada partir de la superficie.Color.Cuandoexistenmotas,anotar sus coloraciones.Inclusiones. Indicarsi son carbonatos,hierro, races, materiaorgnica,etc. Textura y consistencia.Dispersinde agua.Tipo de perfil.Geologa.Tipo de rocas y formacionesen la regin. Aguas superficiales. Coloracin,gasto, turbidez,etc. Erosin.Tipo de erosin.Tipo de vegetacin. Presenciade deslizamientos. Uso y manejo del suelo. Micro relieve en los suelos.Mineral inferido.3.1.6 Algunasclaves para inferirAguas turbias: Montmorillonita. Salinidaden los suelos. Illita.Aguas clara s:Calcio,magnesio,suelo con hierro,suelo cido,arenas.Zanjasde erosino tubificacin: Arcillassalinas; esencialmentemontmorillonita. Desprendimientosdel suelo:Caolinitasy cloritas.Micro relieve superficial: Montmorillonita.Formacionesrocosasgranticas: Caolinitay micas.Formacionesrocosas baslticas,mal drenadas:Montmorillonita. Formacionesrocosas baslticas,bien drenadas:Caolinitas. Formacionesrocosas en areniscas: Caolinita,cuarzo.Formacionesrocosas en lutitas y pizarras: Montmorillonitae illita (si hay salinidad).Formacionesrocosas en calizas:Montmorillonitay cloritas. Cenizasvolcnicas piroclastos:Alfanos.Arcillamoteadarojo, naranjay blanco: Caolinitas.Arcillamoteadaamarillo,naranjay gris:Montmorillonita. Arcilla gris oscuro y negro:Montmorillonita.Arcillacaf o caf rojizo:Illita con algo de montmorillonita.Arcilla gris claro o blanca:Caolinitay bauxita (xido de aluminio). Ndulosduros caf rojizo: Hierro,lateritas.Suelos disgregables,de textura abierta,sin arcilla:Carbonatos,limos y arenas.3.1.7 DefinicionesSensibilidad:Osusceptibilidaddeunaarcilla,eslapropiedadporlacual,alperderelsuelosuestructura natural, cambia su resistencia,hacindosemenor, y su compresibilidad,aumenta.Tixotropa :Propiedadquetienenlasarcillas,enmayoromenorgrado,porlacual,despusdehabersido ablandadapormanipulacinoagitacin,puederecuperarsuresistenciayrigidez,siseledejaenreposoysin cambia r el contenidode agua inicial.Desagregacin:Deleznamientoodesintegracindelsuelo,daandosuestructura,anegandoelmaterialsecoy sometindoloa calor.Muestrainalterada:Calificacin devalorrelativo, paraunespcimen desuelotomado conherramientas apropiadas,retiradodelterrenoconloscuidadosdebidos,transportado,conservadoyllevadoalaparatode ensayo,demaneraquepuedaconsiderarsequelaspropiedadesdelsuelonatural,quesedeseanconocerenla muestra,no se han modificadode manerasignificativa.Muestra alterada: Espcimencon su estructuradisturbada.Suelo grueso-granular:Sonlosdemayortamao:Guijarros, gravasyarenas.Sucomportamiento est gobernadopor las fuerzas gravitacionales.Suelos fino-granulares:Sonloslimosyarcillas.Sucomportamiento estregidoporfuerzaselctricas, fundamentalmente.Suelos pulverulentos: Sonlosnocohesivos,osuelosgruesos,perolimpios(sinfinos); esdecir,losgrueso- granulareslimpios.Arcillas Vs limos:En estadosecoo hmedo,tienemscohesinla arcilla. La arcillasecaes duramientrasel limoesfriableopulverizable. Hmedos,laarcillaesplsticayellimopocoplstico. Altacto,laarcillaes ms suave y a la vista el brillo ms durable.Ver Tabla4.23.1.8Suelos especiales.Suelos expansivos: Laexpansinseexplicaporabsorcindeagua,dadaladeficienciaelctricadelsuelo,su alta superficie especfica y su capacidad catinica de cambio. Los problemas que ocasionan son altas presionesy grandesdeformaciones. Son expansivosalgunasveces los MH y CH con LL50.Solucin:Colocarunacargamayoralapresinmximadeexpansindelsuelo.Conservarlahumedad natural( )constanteaislandoelvolumenexpandible.Mantenerlahumedadfinaldelsuelopordebajodelahumedadnatural(drenando).Disminuirlapresindeexpansin,bajandolacapacidadcatinica,conCa ++ yMg++.Reemplazarelsuelo,traspasarlacapaproblemtica,opilotearatraccin.Enhaloisita,lacalnoes buena, pero cale ntndolaa 60 C pasa a ser caolinita.Suelos dispersivos:Enestossuelosocurreunadefloculacindelasarcillas.Elfenmenoqumicoespropio desuelossalinos,cuando,porpresenciadesodiosedesplazaelaguarecinvenidayadsorbida,pararomper los enlaces.ElchequeodelpotencialdispersivosehacecontandoionesdisueltosdeNa +,Mg++,Ca++yK+ y comparando, con el total de sales, en trminosde concentracin,el resultado.Elefectodeladispersineslaerosininterna(tubificacin)ylaprdidaderesistenciapordestruccindela estructuradel suelo.Enunensayodeerodabilidad,todoslossuelosdispersivossonerodables. Lossuelosdispersivossonsdico- clcicosy el remedioes echar cal viva para sacar el Na +. Se presentan en el Huilay Guajira(ambienteridoysuelo marino).Sueloscolapsables:Los limos venidos de cenizas volcnicas son colapsables, en especial cuando son remoldeados;elLLdelascenizasvolcnicasesmuyaltoylosenlacesinicossondbiles.Lossuelosde origenelico(ylascenizastienenalgodeeso)sonsusceptibles,elagua(pocasveces)yelsismo,encasosde licuacin,hacen colapsarel suelo.Unaarcillametaestableeslaquepierdecohesinpordeslavadodebases,comoocurreenarcillasma rinas deNoruega,llamadasarcillas colapsables.Suelosorgnicos:Elprimerproductodeestosmaterialeseslaturba,materiaorgnicaendescomposicin. Porsuporosidad, tienealtocontenido dehumedad, bajaresistencia, altacompresibilidad einestabilidad qumica(oxidable).Debenevitarsecomomaterialdefundacinycomopisopararellenos. Elhumusesde utilidad econmicay ambiental,por lo que debe preservarse.Suelos solubles: La disolucinse presenta en suelos calcreos(calizas yesos);CaCO3 + H2O +CO2 Ca(OH)2 +H2CO3el cido carbnicoEl cido carbnicoproducido,ataca de nuevo los carbonatosdel suelo, por lo que es recomendableaislar laobra del flujo de agua.Laboratorio1Obtencindel contenidode humedadwEquipo: Un recipientepara humedad.Un horno con control de temperaturaadecuadoObjetivo:wWW *100WS(enporcentaje);esteensayorutinariodeterminalacantidaddeaguapresenteenla muestrade suelo, en trminosde su peso en seco (que es una cantidadconstante).Procedimiento : Pesar (con tapa) la cpsulade humedad. Su tamaoes= 5cmy h = 3cm,usualmente.Colocarla muestrade suelo (suficiente)en la cpsulay pesarlaen los primerosminutosde extradala muestra(hmeda).Lleve la muestraal horno y squela hasta mostrarun peso constante. Re gistre el peso seco (con tapa). NOTA: La temperaturade secado 110C5C y el tiempode secado 12h 18h.Laboratorio2Recoleccinde muestrasen el terrenoEquipo: Barrenomanual,=5cma10cm.(obarreno continuo motorizado).Varillas de extensin,metroa metro,hasta6 m.Dosbolsasparamuestrasy 12recipientespara contenidode humedad,previamentepesados en vaco. Llave inglesapara articularlas varillasde extensindel barreno.Cintametlica(20m)para localizarperforaciones.Barreno de cucharaBarreno helicoidalObj etivo:Conseguirmuestrasalteradasde suelo, en unapique manual.Construirunperfildesuelos,simple,consu descripcin.Figura 3.4Equipoparaexploracinmanualhumedad no sea significativaLas dos bolsas son para guardar material,10Kgdesuelofinoyseco alaire;lasbolsas rotuladas correctamente, se almacenan para posteriorprcticade suelos,excepto5Kg,porbolsa,quesesecanalaire yseutilizan enlaprctica dela semana siguiente.Elsegundo da, sedeterminan las humedadesyseelaboraelperfildel suelo y su localizacin en planta, conescalaas: Escalavertic al2cm 1m,y EscalaHorizontal 2cm15 m (en hoja tamaooficio).Procedimiento: Se va perforando, y se toman dosmuestrasparahumedad,porcadametrodeperforacin, dondecambieelestrato,olaaparienciadelsuelo. No demoreentaparlasmuestrasparaquelaprdidadeHorizontes A y B Coluvin SaprolitoRocaFigura 3.6Esquematridimensionalde una exploracinde suelosG .Antesdeltrabajodecampo,ydurantel,debetenerseunavisingeolgicadellugar. Esteeselcontextodeltrabajo,sin el cual el texto, que es el perfil, no merececonfiabilidad en su interpretacin.Laboratorio3Gravedadespecficade los slidosEquipo: Frascovolumtricode 250 ml a 500 ml (seco al horno).Bombade vaco (o aspirador),para el frasco volumtricoo matraz. Morteroy mangopara morterear.Balanzade 0,1 gr de precisin.Agua (destilada)desaireada,con temperaturaestabilizada.Objetivo :A un agregadofino o a una arena, obtenerlesu GS (valormayorqueGTyGW), dondeg SSg 0gWS0VS g 0Aplicar la correccinpor temperatura , que se tabula para agua a temperatura20C.20 = 1,0000 yW = 0,99823 ;22 = 0,9990 yW = 0,9978518 = 1,0004 yW = 0,99862 ;16 = 1,0007 yW = 0,9987724 = 0,9996 yW = 0,99732 ;26 = 0,9986 yW = 0,99681Procedimiento:Mezcle 100gr 120grde suelosecado al aire con agua en un recipienteevaporador. Si noexiste mezcladorelctrico,remojeel suelo hora (secadoal horno,12 horas).El agua son 100 ml.Pese el frasco volumtricovaco y llnelo luego, hasta la marca, con agua desaireada, sin agitar el agua o desairendolocon la bomba,cuandoest al 75%.El cuello del frasco debe estar seco.Cuandoel agua, no el menisco,est en la marca, pese el frasco y registreW FW . Registrela temperaturapara utilizar la curva de calibracindel frasco o MATRA Z.Luego de 20 minutos,transfierael suelo saturadodel plato evaporadoral frasco volumtrico,sin dejar residuos en el plato.Aada agua con temperaturaestabilizaday complete 2/3 a del frasco volumtrico, solamente.Conecteel frasco a un ducto d e vaco durante 10 minuto. Durante,agite suavementela mezclamoviendoel frasco. La reduccinen la presindel aire har bullir el agua.Destapeel frasco antes de cerrar el grifo, evitandoingresode agua por gradientede presin.Terminadoel des aireamiento,sin introduciraire al frasco, aada agua hasta que el meniscoalcancela marca del frasco.Pese el frascoy su contenidocon precisinde 0,01 gr (a la estima)y registreW FWS. Asegreseque la temperaturaestdentrode 1Ccon respectoa la utilizadaal medir WFW .Sin perder nada de suelo, vace el frasco a un plato de secado, llvelo al horno,squelo y pese el contenidoWS.Calcule G SW FWa * WSWSWFWS(a :en tablas)3.2 GRANULOMETRA3.2.1 Anlisis granulomtrico.Procesoparadeterminarlaproporcinenqueparticipanlosgranosdelsuelo,enfuncindesustamaos. Esa proporcinse llama gradacindel suelo.Lagradacinportamaosesdiferentealtrminogeolgicoenelcualsealudealosprocesosdeconstruccin (agradacin) y la destruccin (degradacin) del relieve, por fuerzas yprocesos tales como tectonismo, vulcanismo,erosin, sedimentacin,etc.3.2.2Mtodosdeanlisisgranulomtrico.Comprendedos clasesde ensayos: El de tamizadoparalas partculasgrueso granulares(gravas,arenas)y el de sedimentacinpara la fraccin fina del suelo (limos, arcillas),pues no son discriminablespor tamizado.3.2.2.1Mtododeltamizado.Unavezsepasaelsueloporlaestufaysepulverice,sehacepasarporunaserieorganizadadetamices,de agujeroscontamaosdecrecientesyconocidos,desdearribahaciaabajo.Elprimertamiz,eseldemayor tamaoyesdondeiniciaeltamizado.Setapaconelfindeevitarprdidasdefinos;elltimotamizestabajo ydescansasobreunrecipientedeformaigualaunodelostamices,yrecibeelmaterialmsfinonoretenido por ningn tamiz.Consacudidashorizontalesygolpesverticales,mecnicosomanuales,sehacepasarelsueloporlaseriede tamices, de arriba abajo, para luego pesar por separado el suelo retenido en cada malla.Mtodos de sedimentacin: Sondos,elmtododelhidrmetroyelmtododelapipeta. Ambosbasadosen lascaractersticas delasedimentacin delaspartculasdelsueloenunmedioacuoso.Seaplican,tales mtodos,alsuelofino,esdecir,alquehaquedadoenelfondodelostamicesyquesedenominapasa 200,materialconstituidoporlimosy arcillas.3.2.2.2Mtododelhidrmetro.Setomaunaprobetaconagua,semetesuelo,seagitahastaque sea uniforme lasuspensin;luegosedejaenreposoparairmidiendo,conhidrmetro (paradistintostiempostranscurridos),ladensidaddelasuspensin,laque disminuye amedida quelaspartculas seasientan. Laprofundidad del densmetro,variableconladensidaddelasuspensin(ARQUMEDES),es labaseparacalcularesadistribucindetamaosdegranosfinosquepasala mallaotamiz#200,con=0,074mm. ElsistemasecalculaconLaLey de Sotkes,donde:2r Sr Fcm/sg(3.1)vg * D18n(N 100,51D2)mmFigura 3.6 Hidrmetrov = velocidaden cm/seg = constanten = viscosidaden Poises = gr/cm sg g = gravedaden cm/seg2s, F = densidadesde los slidos y la suspensinen gr/cm3D = dimetro de una esferita (dimetroequivalente)en cm.De la expresinCon la expresin3.1 se obtiene la del dimetroequivalenteD:18n * vD18n * vH B * v B (3..2)g( r Sr Fg Sg FtPuestoque la viscosidad n y el peso unitariodel fluido ( F = F*g) cambiancon la temperaturaT, habra decalcularseB.B = f(T, S). En 3.2, la velocidad v es H sobre t (v = H/t).El nmero N de partculas con> D , usado en la curva granulomtrica,se calcula con la profundidadH del centro del hidrmetro,la que dependerde la densidadde la suspensin.La frmula3.1 es valida s 0,2D0,2mm(slo limos).Entonces: NGS (g FWS ( GSg W )1)V* 100 ( % de partculas conf D B * v )donde GS gravedadespecficade los slidos,V volumende la suspensin,W S peso de los slidos de la suspensin,F peso unitario de la suspensina la profundidadH,W peso unitariodel agua.Toda esta situacinalude a medidas hechas sucesivamente,des pus de transcurridoun tiempo t, en el que, a la profundidadH, no existenpartculascon dimetroequivalentemayor que D, dado que ellas se han sedimentado(en minutos,horas y das).3.2.2.3 Mtodode la pipeta.Adiferenciadelanterior,aqusedejaconstanteel valordeH. Tambinse parte de una suspensinaguasuelo,uniformeenelinstanteinicial,yqueconeltiemposemodifica,dadoquelas partculas de mayor dimetro se precipitan a mayor RL Cvelocidad,confundamentoenlaLeydeStokes.Adistintostiempos,desde el inicio, se toman muestrasde la suspensin,a una misma profundidadpredeterminada(H0).RDecadamuestraobtenida,se determinael pesodelos slidos, contenidoporunidaddevolumendelasuspensin,loqueconstituye la base para el clculo de la distribucin (en proporcin)de los tamaosde las partculasfinas.RL Lectura del meniscoR Lectura realFigura 3.7Correccinpor meniscoMenisco:El agua turbia no deja leer la base del meniscocon el hidrmetro.(figuras3.7)Se lee RL y la correccinser c =RL RREAL , luego RREAL= RL c (corregido).3.3 Curva granulomtrica.Los resultados de los ensayos de tamizado y sedimentacin se llevan a un grfico llamado curva granulomtrica.La fraccingruesa tendr denominaciones,segn el sistema:BRITNICO(mm)1 AASHTO 2( mm)ASTM 3(mm)SUCS 4(mm)Grava 60 2 75 2 >2 75 4,75Arena 2 0,06 2 0,05 2 0,075 4,75 0,075Limo 0,06 0,002 0,05 0,002 0,075 0,005 L)ysedeterminasupeso Wi y volumenVi,siendoVi tambinel volumende lacpsula.Se seca el suelo en la estufa y se obtienesuIRpeso Wfyvolumen Vf.Elproblema estenobtenerVf,yelcualselograconociendoelpesodelmercuriodesplazadopor el suelo seco, operacinque es delicada;as se tiene:WiW fViLRW fV f * gw* 100 4.4donde (Vi Vf) W es el peso del agua perdida y (W i Wf)- (Vi Vf) W es el peso del agua en la muestra,cuandoestenellmitederetraccin.ElLRsedenominatambinlmitedecontraccindelsuelo.Losvalorescorrientesson:paraarcillas4a14%,paralimos15a0%;enlasarenasnosedacambiodel volumen por el s ecado.4.5 Indicede consistencia,IC ( oI.de li quidez)Puede tener valores negativos y superioresa 100%ICwLwLw*100wP4.6Indice de retraccin, IR. Este, indica la amplitud del rango dehumedadesdentro del cual el suelo se encuentraen estado semislido.Ejercicio 4.1 .Clasificarpor el SistemaUnificadode Clasificacinde Suelos las siguientesmuestrasLR LPProfundidad W wp wl Ip P200 SUCSM % % % % %0,60 0,80 30 29 51 22 81.4 MH CH4,00 17,2 19 30 11 51 CL0,40 0,60 27 28 49 21 78 CL ML Ejercicio 4.2Clasificarpor el SistemaUnificadode Cla sificacinde Suelos las siguientesmuestras.Sondeo Muestra Z WL Wp Ip P200 SUCS3 1 7 62 49 13 74.2 MH4 1 10 134 76 58 51.7 MH5 2 9 72 46 26 92.9 MH6 1 6 59 40 18 74.9 MH7 1 4.00 - 4.30 118 72 46 77.9 MH8 1 9 108 60 48 31.9 SM9 1 8 63 50 13 81.8 MH10 1 3.00 - 3.30 102 64 38 79.1 MH11 1 10 84 44 40 97.6 MH12 1 10 187 101 86 62.7 MH15 1 7 132 70 62 75.5 MH4.7 Propiedades de limosy arcillasa)resistencia en estado seco deunbloqueoterrndesuelo: setomaunespcimensecodelsueloyse golpeacon un martillo.En la arcilla la resistenciaseca es alta yen el limo la resistenciaseca es baja.b)dilatancia llamadapruebadesacudimiento,porquesecolocaunaporcin muyhmedaenlapalma delamanoquealgolpearlaconlaotramanopordebajo,hacequeelaguadlesueloafloreyluego pueda desaparecer,o curriendorpido en limos o lentamenteen arcillasc)tenacidad midelaplasticidaddelsueloyseevalaformandorollitosde1/8o(3mm).Sicon suelos hmedoslos rollitos as no se agrietanni desintegran,tenemosarcillas; si lo hacen, limosd)sedim entacino dispersin sedisgregaelsuelotriturndoloparasepararlosgranos; sehaceuna suspensinenaguayenrecipientedevidriosemezclayhomogeneizalamezcla,luegosedeja reposar:As,laarenase depositaensegundos,el limoenminutos y pocashoras,y la arcillaen varias horas e incluso das, quedandoturbia el agua.e)brill o sefrotaelsuelohmedoensusuperficieconuna navaja.Lasuperficiebrillanteindicaarcillay la superficiecolormate,limoTabla4.2 IDENTIFICACIONMANUA L DESUELOSFINOSSuelofino Resistenciaen estado secoDilatancia Tenacidad Tiempode asentamientoLimo arenoso Muy baja Rpida Debilidada fiable 30seg 60minLimo Muy baja Rpida Dbil a fiable 15min60minLimo arcilloso Baja a media Rpida alenta Media 15min - varias horasArcillaarenosa Baja a alta Lenta a nada Media 30seg- varias horasArcillalimosa Media alta Lenta a nada Media 15min -varias horasArcilla Alta a muy A Ninguna Alta Variashoras a dasLimo orgnico Baja a muy alta lenta Dbil afiable 15min -variashorasArcillaorgnica Media a muy alta Ninguna alta Variashoras a dasNota:para las pruebas,retirarfragmentoscon F >T#40= 420u= 0.42mmDefinicionesTextura: proporcinrelativaenqueseencuentranenunsuelovariosgruposdegranosdetamaos diferentes. Proporcinrelativa de fraccionesde arena, limo y arcillaen el suelo.Clasetexturalfranca: cuandoelsueloesunamezclarelativamenteigualde arena,limoyarcilla ,se denominasuelofranco.Clasefranco arenosa: cuandola arenaes dominante.Clasefrancolimosa:cuando ellimo es abundante.Clase franco arcillosa:cuandola arcilla es abundanteArcillainaltrerada:eslaquemantienesuestructuraoriginal sindisturbioscausadosporremoldeo mecnicoo manualArcilla remoldeada :eslaque ha sufrido destruccin notoria de laestructura original cuando su condic in o estado natural se ha alteradode forma severa.Arcillarpida : eslaque hasufridodebilitamientodesusenlacesqumicosporhidrlisisolixiviacin, sin quese hayamodificadosu fbricatextural.Porestarazn tale arcillaresultapropensa al colapsoy de sensitividadmuy elevada.Tixotropa:Propiedadporlacualunsuelohmedoquesetomaparaablandarlo,manipulndolo hastaalcanzarunestadofluidoviscoso,despusdeuntiempodereposopuederecuperarsus propiedadesderesistenciayrigidez,siempreycuandolahumedadnoselemodifique.Lamayoradelasarcillassontixotrpicasen mayoro menorgrado.Sensitividad:llamadatambi nsensibilidadosusceptibilidad eslamedidadelaprdidaderesistencia deunaarcillacausadaporelremoldo,esdecir,pormodificacindesuestructuranatural.Semidela SensitividadSt con el valor dela resistenciaa la compresinsimple, segnla expresin:St = ResistenciaInalterada/ResistenciaRemoldeadaLa escalade Sensitividad(St) de Skemptony Northeyes:Insensitiva:St < 2, Mediana: St2 a4, Sensitiva:St 4 a8,Muy sensitiva: St 8 a16,Rpida:St > 16Ir a la pginaprincipal Clasificacin de suelosCaptulo 5 36M LimoC ArcillaO OrgnicoL Baja plasticidad(WL< 50%) Enlacartadeplasticidadseparados porla lneaB. H Alta plasticidad(WL > 50%)5. CLASIFICACINDE SUELOS.Resolverun problemade geotecniasupone conocery determinarlas propiedadesdel suelo;por ejemplo:1)Paradeterminarlavelocidaddecirculacindeunacufero,semidelapermeabilidaddelsuelo,se utiliza la red de flujo ylaleydeDarcy.2)Paracalcularlosasentamientosdeunedificio,semidelacompresibilidaddelsuelo,valorquese utiliza en las ecuacionesbasadasen la teora de la consolidacinde Terzaghi.3)Paracalcularlaestabilidaddeuntalud,semidelaresistenciaal cortedelsueloy estevalorse llevaa expresionesde equilibrioesttico.Enotrosproblemas,comopavimentos,nosedisponedeexpresionesracionalesparallegarasoluciones cuantificadas.Porestarazn,serequiereunataxonomadelossuelos,enfuncindesucomportamiento, y eso es lo que se denominaclasificacinde suelos, desde la ptica geotcnica.Agruparsuelosporlasemejanzaenloscomportamientos,correlacionarpropiedadesconlosgruposdeun sistema de clasificacin, aunque sea un proceso emprico, permite resolver multitud de problemas sencillos.Esoofrecelacaracterizacindelsueloporlagranulometraylaplasticidad.Sinembargo,el ingeniero debeserprecavido alutilizarestavaliosaayuda,yaquesoluciones aproblemasdeflujos, asentamientoso estabilidad,soportadosslo en la clasificacin,puede llevar a resultadosdesastrosos.LasrelacionesdefasesconstituyenunabaseesencialdelaMecnicadeSuelos.Elgradodecompacidad relativadeunaarenaesseguroindicadordelcomportamientodeesesuelo.Lacurvagranulomtricaylos LmitesdeAtterberg,degranutilidad,implicanlaalteracindelsueloylosresultadosnorevelanel comportamientodel suelo in situ.5.1 SistemaUnificadode Clasificacinde Suelos SUCS.Inicialmentesetienensuelosgranularesofinos,segnsedistribuyeelmaterialquepasaeltamizde3=75 mm; el sueloes fino cuandoms del 50% pasa el T#200,si no, es granular . a. Los suelos granularesse designancon estos smbolosPrefijosG Grava El 50% o ms es retenidoen el T4S Arena S ms del 50% pasa el T4SufijosW bien gradado P malgradado Dependedel Cu y CcM Limoso C Arcilloso Dependede W L y el IPSimenosdel5%pasaelT200,los sufijossonW o P, s egnlosvaloresdeCuy Cc. Simsdel12%pasaelT#200,lossufijossonMoC,dependiendodeW L eIP. Sielporcentajedefinosestentreel5%y el12%, se utilizan sufijos dobles (clase intermedia).b. Los suelos finos se designan con estos smb olos. PrefijosSufijos37 Clasificacin de suelosCaptulo 5 EstaclasificacinestbasadasloenloslmitesdeAtterbergparalafra ccinquepasaelT40,yseobtienea partirde la llamadaCARTADE PLASTICIDADas:LneaLneaA : IPU : IP0,73(LL0,9(LL- 20)- 8)Sobre la lnea A: arcillasinorgnicas.Debajode la lnea A:limos y arcillas orgnicas.La lneaB: LL = 50 separaH de LFigura 5.1A Cartade plasticidadFigura 5.1.BDetallede clasificacin en la zona de LL 50,laplasticidadesaltaycomoIP=20,estbajolalneaA.DeacuerdoalaCARTA,dos posibilidadesMH u OH, para evaluarlos datos de campo.Y esa evaluacinMH5.2 Clasificacinde la AASHTO.EsteeselsistemadelDepartamento deCaminosdeU.S.A.,introducido en1929yadoptado porla AmericanAssociationofStateHighwayOfficialsentreotras.Esdeusoespecialparalaconstruccin de vas, en especialpara manejode subrasantesy terraplenes.Losgrupos desuelos son 7, subdivididosen otros ms (para llegar a 12)a)Gruesogranulares: 35% o menospasa el T-200 comprendeA-1, si menos del 20% pasa el T -200 y menosdel 50% pasa el T-40, pero en el P4 0 elIP 10.Adems54,3%pasa T200A -7 SueloC:Es gruesogranulary slo 38,5% pasa T40A-1 Solucin IISegnla SUCS(Figura5.1, Seccin5.1.1.1)SueloA: Menosdel50%pasaelT200ymsdel50%pasaelT4: SerSMoSC,porquemsdel5%pasaelT200.Deacuerdo alaCARTA DEPLASTICIDAD yladescripcin esCL;en consecuencia,no pudiendoser limo, esSC .SueloB: Esfinogranular,puesmsdel50%pasaelT200. ComoLL>50%esMH,OHoCH(verCARTADEPLASTICIDAD).Porladificultaddeleerexactamentesulocalizacin,f(IP,LL)el clculoesIP=0,73(53,520)=24,4>21,9,quedandoelsuelopordebajodelalneaA. Porla descripcinesMH .SueloC: Asumamos5,1%5%.Haciendolacurvagranulomtrica Cu=23,3;Cc=0,5(mal gradado). EntreT4yT200,62,4% (restar) delmaterial seretieneysudenominacinesarena; entoncesSP Ir a la pgina principal Capilaridad.Propiedades hidrulicas de los suelos Captulo 643ARCAC180-RFigura 6.2 Formacin de los meniscosCAPTULO 6PROPIEDADES HIDRULICAS DE LOS SUELOS.6.1Capilaridad y tensin superficial6.1.1 Tensin superficial.Eslapropiedad deunlquidoenlainterfase lquido gas,porlacuallasmolculas delasuperficiesoportanfuerzasdetensin.Porella,unamasadeagua,acomodndosealreamnimaformagotas esfricas. La tensin superficial explica el rebote de una piedra lanzada al agua. La tensin superficial se expresa con Ty se define como lafuerza enNewtons por milmetro de longitud de superficie, que el agua es capaz de soportar.Elvalordelatensinesde73dinas/cm 0,074gf/cmsiendogf,gramos-fuerza. Estecoeficientesemideenunidadesdetrabajo(W)oenergaentreunidadesdereaAy representalafuerzaporunidaddelongitudencualquierlneasobrelasuperficie.Tes entonces, el trabajo W necesario para aumentar el rea A de una superficie lquida.dWT (6.1)dAVidrioOro+hH2OVidrio-hH2OHg6.2 Capilaridad.Fenmeno debidoalatensin superficial,envirtuddelcualunlquidoasciendepor tubosdepequeodimetroyporentre lminasmuyprximas.Peronosiempre ocurreasdebidoaquelaatraccin entreAdh.> Coh.Adh.= Coh. Adh< Coh.molculasiguales(cohesin)ymolculasFigura 6.1 Fuerzas de adhesin y cohesin en los meniscos, segn los materiales.diferentes (adhesin) son fuerzas quedependendelassustancias(Figura6.1). As, el menisco ser cncavo, plano o convexo, dependiendo de la accin combinada delasfuerzasdeadherenciaA ydecohesin C,quedefinenelngulode contacto en la vecindad, y de lagravedad.NOTA: Eltamaodelosporosdelsuelo es /5, en suelos granulares.Sean:hc=alturacapilardeascensodelagua,enuntubo de estrechoradio R,parcialmente sumergido. =elngulodel meniscoconeltubocapilar.T=tensinsuperficialdentrodeltubocapilar.Elaguaasciendecontrala presin UW, a la que se suma la presin atmosfricasobretodalasuperficiedelfluido.Pa =presinatmosfrica (el aire pesa), que se compensa.Haciendo suma de fuerzas verticalesFV = 0; paraPa = 02R * Tcos+ UW * R2 = 0 =FV;despejando la presin de poros, que es U ,U=- +hc-ZUwhcPa=0D+ZFigura 6.3 Esfuerzos en un tubo capilar vertical2T cosUR4T cosD(6.2)pero U = -hcpor ser el peso de una columna de agua de altura h4T coshcDmComo en agua0,03 (m)hh1,hgrfcm3hc(6.3) my en aire y aguaD(mm)hhT 0,074grfcmhsila temperatura es 20hPara D = 0,1 mm, hc vale 0,3m.Si = 0, el radio del menisco es el mismo del tubo. Llamemos r al radiodel menisco.A = Tubo de referencia con rahcra rbA B C DFigura 6.4 Ascenso capilar en varios tubos capilares.B = Tubo corto.rb > ra; (UA > UB)C = El agua no puede ascender por el ensanchamiento del tubo.D = Tubo llenado por arriba.El ascenso capilar en los suelos finos es alto.En arenas finas (T40 T200), si es suelta hc = 0,3m 2,0m,Kgsi es densa hc = 0,4m 3,5m.En arcillas ( < T200), hc10m (Whc = UW1 at 1cm 2)6.1.2 Capilaridad y contraccin en suelos arcillososDosfuerzas:A ds orci nentrelaspartculas activas delsueloyelaguayfuerzas osm ti ca , propiadelafase lquida y explicada por concentracin de iones, explican la capilaridad de las arcillas. En la adsorcin influyen la a dh e r e n ciay la tens insu pe r ficial .Pote n cial de hum e dad o su cc i n pF : Es lamxima tensin (H en cm)que ejerce el esqueleto del suelo sobreelaguadelosporos. Comolaresistencia alatensinmsi HpF log H (cm) m10000 cmqdel agua es 2000 MN/m2, el valor de pFmax = 7 (equivale a H= 100 Km = 107 cm).h pF 4CuandoexistediferenciaenelpotencialdehumedadpFseproduceflujodeaguaaunquenoexistacabezahidrulica.Elaguaas,pasarderegionesconbajopF hacia las de alto pF. Cuando ambas igualen el pF, el flujo continuar hasta que se igualen las diferencias de altura.6.1.3Contraccinyexpansinenarcillas:Lossuelosarcillosospuedencambiarsucohesinas:Consideremos un tubo horizontal.L11r12R1 1L22r22L33r332R3Figura 6.5 Contraccin de suelos finosri = Radio del menisco (variable).Ri = Radio del tubo elstico (variable).Li = Longitud del tubo con agua (variable).i = ngulo del menisco con el tubo (variable).El tubo elstico pierde agua; L1>L2>L3enconsecuencia,R1 > R2 > R3; de esta manera1 > 2 > 3,lo quesignifica queelmeniscotiendeadesarrollarsemejor( 0)en virtud de la prdida de agua.Esto significa que aumentan los esfuerzos efectivos del suelo al perderse agua (evaporacin, etc.), pues tiende a 0.El suelo se contraer, agrietndose.Ejercicio 6.1:Calcular la tensin capilar mxima, en gr/cm2 en un tubo si el menisco tiene = 5.Calcular hc, ascenso capilar mximo.S olu ci n :Aplicando las expresiones 6.2 y 6.3, se tiene:ElesfuerzodetensinUW encualquierpuntodelacolumna,queeslatensinUW enellquido inmediatamente abajo del menisco, es:UW hcW4T cosDgr2T cos 2TR rr2 * 0,074Ucm592 gr2 W 0,00025cmcmRUhc592cmW5,92mr = Radio del meniscoR= Radio del tuboR= r cosFigura E 6.1 Relacin entre radios.Ejercicio 6.2.Se muestra un recipiente de vidrio con agua y dos orificios as: El superior con dimetro D1 = 0,001 mmyconmeniscobiendesarrollado,elinferior con dimetro D2.CalculeelmximovalordeD2 sielmenisco superior est bien desarrollado.Figura E 6.2 Diagrama explicativoS olu ci n :Con las expresiones del ejercicio anterior, podemos escribirUW 14T 4 * 0,074 gr cmD10,01cm4T

0,3 gr

0,3 gr0,01cm 230 grcm 2m 10 (*)mhR1r1UW 2cmD2D2Pero el punto 2 est 20 cm abajo :Si planteamos el equilibrio del sistema. Como las tensiones son negativas, tensin 1 < tensin 2:-UW1 + UW2 = h W30 grcm2 0,30 grcmD220cm *Wgr yW1cm3D20,03cm6.2 El agua en el suelo.6.2.1 Ciclo hidrolgicoLa ecuacin del ciclo hidrolgico es:PRE = INF + ESC + EVP + TRAElsolproveela energaal sistema,yconlagravedad, determina su funcionamiento dinmico.Cuandoelaguaseprecipita(PRE),sereparteen tres grandes fracciones: Escorrenta (ESC), infiltracin (INF) y evapotranspiracin (evaporacin (EVP) + transpiracin (TRA)).Es difcil evaluar la evapotranspiracin y la infiltracin, perolaescorrenta, queeslafraccin arroyada o de desage, puede aforarse observando caudales por largos perodos, en una cuenca vertiente.lluviaescorrentaevapotranspiracinevaporacin infiltracinFigura 6.6 Ciclo hidrolgico.Lamasa deaguaevacuada porescorrenta y laprecipitacin, permiten establecer dos parmetros Cap.y[ESC PRE], dados por:ESCPRECoeficiente de circulacin aparente ;[ESC PRE] = INF + EVAPOTRANInteresaengeotecnia, particularmente, lainfiltracin, quedepende delascondiciones deprecipitacin:Las lluvias finas y prolongadas se infiltran ms que las torrenciales. De la naturaleza del terreno tambin: En una red krstica, la infiltracin ser total y la circulacin interna muy localizada. La cobertura vegetal queprotege elsuelo, favorece laevapotranspiracin ycontribuye alainfiltracin. Lapermeabilidad alta del suelo y pendientes bajas, la incrementan.Agua higroscpicaAgua pelicularAgua capilarAguagravtica subterrneaAISLADA CONTINUAZONA DE RETENCINZona deevapotranspiracinZona de retencino goteoFranja capilarZONA DE SATURACININVIERNOVERANONAFFigura 6.7Tipos de aguas en el subsuelo (Castany).IAGUAS ESTABLECIDASAguas ocluidas en los minerales y enmAgua de porosidad,ch las rocasAguas de constitucin y de cristalizacinminfiltracin,hhpercolacinq FUENTES YqCAPASqAguas de hidratacinmAguas de cavernasc EXURGENICAS YIIAGUAS LIBRESmhy fisurasmAgua de fallascq RESURGENCIASCAPASAguas de penetracn debido qhmqhy fracturasmAgua fsiloca escorrentas a la presin dehmconnataq CAPASlagos, mares, etc.h Aguas de condensacin qhprocedentes de capashmAgua vadosa ocm qhgeotermalqmAguas termales qsuperficiales o profundashmh juvenilesqCAPASqOo del aire mismoAgua magmticaqqmAgua de reaccinqFUENTESAguas de profundidadmh2H 2O2mqqc VAPORES OTabla 6.1 Origen de las aguas subterrneas.mAguas volcnicash qFUENTES6.2.2 Macizos trreos con agua subterrneaAcuicierres,acufugos,hidrfugos:Sonsinnimosydefinendepsitosconcasinulapermeabilidad(arcillas).No almacenan agua.Acuicludos:Macizos muy poco permeables que pueden almacenar agua.Acuitardos:Macizos poco permeables, que almacenan poco agua y la transmiten en forma lenta. Acuferos:Macizos con permeabilidad media a alta, que almacenan y trasmiten agua.Acuferosconfinados,cuandoelaguadelNiveldeAguaFretica(NAF)estapresinmayorquela atmosfrica (nivel piezomtrico), por estar el sistema confinado entre capas impermeables.Acuferos inconfinados, cuando el NAF est a presin atmosfrica.Acuferossemiconfinados,si la superficiedelagua,enla zonadesaturacin,noestapresin atmosfrica, por estar limitada por un acuitardo (estrato de baja permeabilidad).6.2.3 Clases de flujoFlujo permanente:Flujo perenne o continuo, ocurre cuando las condiciones de borde se mantienen en eltiempo.La direccin y velocidad son constantes.Flujotransiente:Cuandolascondiciones debordecambian eneltiempoyporlotanto,lavelocidady direccin tambin, aunque no siempre el caudal lo haga.6.2.4 Agua subterrneaA ms de 16 Km de profundidad no existe agua subterrnea, ya que las rocas fluyen plsticamente y losporos estn cerrados, como tambin las fracturas o fallas geolgicas. A slo 6 Km el agua es poca, aunque lasrocasyasonrgidas,porquelosespaciosestncerradoseimpidenlainteraccinparaestablecerel flujo.Slo a unos 600 m el agua puede ser susceptible de recuperarse con pozos.manantialNAF inviernoNAF veranoflujoflujoElN A F =Lugargeomtrico delosniveles quealcanzalazonasaturadadelsuelo,yqueno siempre coincide con el nivel piezomtrico NAP (el que alcanza el agua en un pozo de observacin). SlocoincidencuandoelNAF est a presin atmosfrica.El NAF y los manantialescambian de invierno a veranoFigura 6.8 aABC = Zona de aireacin (INFILTRACIN).EVAP .DI FUS I NN. A. F .F l u j oma n a n t i a lr oD = Zona de saturacin (PERCOLACIN). A = Faja de EVAPOTRANSPIRACIN.B =Faja de agua colgada o de goteo. C =Zona capilar (sobre el NAF)E lNA F s e p a r a d o s z o n a s :a i r e a c i n y s a t u r a c i nFigura 6.8 bAre n iscaa re nisca se caUnacuferopuedeestarcolgadoono;enestesa tu rad am a na ntia lN .A .Fc ol ga doAre n isca satura d primer caso, se tendra un par de NAF: El colgado y el NAF general. Los acuferos puedenlu titam a na ntia lser libres o confinados.A cu fe rocolga d oy a cu fe roge n e ral lib re sFigura 6.8 cInfiltracin divergenteInfiltracin convergenteLacuencahidrolgicaylacuencahidrogeolgicapueden ser diferentes.Dos tipos de cuencas; dos balances hdricosFigura 6.8 dFigura 6.8 Presencia de agua subterrnea6.2.5 Estado del agua subterrnea.Son cinco los estados del agua subterrnea:Agua de constitucin (qumicamente y fsicamente enlazada) Agua slida.Agua capilar (angular, suspendida y elevada). Agua gravitacionalVapor de agua.1. A gu adec ons ti t u ci n :Puede ser qumicamente enlazada y se subdivide en:A gu a de c ons ti t u ci n m ole cu lar que se puederemovera altastemperaturaspor estarligada inicamente a la estructura molecular.A gu ac r is tal i n asi hace parte de la red mineralgica.A gu aze oltica , que es una variedad menos ligada a los minerales.Laotraforma,fsicamenteenlazadacomprendedosclases:aguaa ds orbida ,ohigroscpica,yagu apelic u la r , ambas en equilibrio electroinico, pero la primera adherida a la superficie de los minerales y la segunda en capas ms externas, que ordenadamente se establecen o se desprenden.2. A gu a ene s ta do s li do:Hielosproductodel congelamientoperenne(comoenla Antrtida)o semiperenne (caso de Siberia).3.A gu a ca pila r :(figuras6.7y6.8b)Puedeserangular,sisecuelgaenlosvacosynosemuevepor gravedad,envirtudalatensinsuperficial.Tambinlacapilarsuspendida,quenosecomunicaconel NAFyquesemueveovaraporinfluencia delaevaporacinylalluvia.Finalmente,elaguacapilar elevada, o de la zona capilar, de gran importanciaen Mecnica de Suelos, y que est sobre el NAF.504. A gu ag r av itaci on al: Es el agua subterrnea propiamente dicha, que ocupa la zona de saturacin yalimenta pozos y manantiales.5.Va porde a gu a : Existe enelaireysumovimiento responde agradientes trmicos. Interesa ensuelos parcialmente saturados cuandosonhinchables. Tambin seconsidera vapordeaguaencavernas yenla zona de disecacin, y donde acta la evaporacin o la difusin. (Ver pg. 53 y 55).6.2.6 Propiedades del aguaDe ns idad() se define como la masa sobre el volumen y depende de la temperatura.Peso unitario ( W) es elproductodeladensidadporlagravedad(*g).Viscosidaddinmica(n):n= xy=Kg/msegyes funcin de la temperatura.Temperatura C 0 10 20n 1.79 * 10-31.31 * 10-31.01 * 10-3Viscosidad cinemtica (u):u = n/ 10-6 m2/seg y es funcin de la temperatura.Compresibilidad del fluido ():Es la variacin de la densidad con la presin.dVd0,5 * 10dP9 m 2NSi es con relacin al volumen V :VdP6.2.7 Propiedades del sueloPoros idad( ). Eslarelacin entreelvolumen devacosyelvolumen delasmuestra (VV/VT), queen suelos arenosos es 0,35 < < 0,45 y en turbas o arcillas 0,40 < < 0,85Poros idade fecti v a(e).Se define por los poros efectivos para permitir el flujo, pues descuenta los poros no interconectados o muy cerrados.En arcillas e 1, estaremoscon cargas superioresa la presinde preconsolidacinP0 y el suelo se comportacomoblando (situacin2).Obsrveseque para un incrementode esfuerzoP =P1 =P2, la deformacindel sueloe1 es menorque la deformacine2.9.15Teorade la consolidacin. (Terzaghi1925)til para conoceraproximadamentela rata de asentamientode un suelo por cargas,con base en el resultado del ensayo de consolidacin(laboratorio).HiptesisEstrato de suelo homogneo,istropoy de espesor constante. Estratosaturado100%entre 1 2 superficiesms permeab les. Compresibilidaddel agua y los granos, despreciable.Accionessimilaresde masas infinitesimaleso masas grandes. Compresinunidimensional,en direccinnormal a la capa de suelo. Validezde la ley de Darcy.Valoresconstantesde las profundidadesdel suelo (algunas cambian). Relacinlineal (idealizada)entre relacinde vacos y presin. Deformacioneslentas que permitandespreciarlas fuerzas de inercia.NOTA:Asumamosque se consolidaen medio de dos capas de arena.La capa superiores un estra to de arena horizontalcon carga uniforme. (ver figuras 9.16 a y b;esta situacines la del experimentode la figura 9.6).Fig.9.16a:Iscronas mostrando cmo se disipa la presindeporosUeneltiempoti. Como= cte.,aumentar a medida que el agua sale del estratocompresibledearcillahacialascapasdearena, superiore inferior.Fig.9.16 b: HiptesisderelacinlinealentrePye. (ABC=recta)Fig. 9.17a:Estratificacinhorizontalconflujovertical y carga q uniforme.Un estrato de arcilla que se consolidaentre dos suelos ms permeables.Fig.9.17 b : Enunelementodealturadz,comprimido, fluyeaguaverticalmente. Eneltiempodt,entraun volumende agua dvZ y sale un volumendv1.Figura 9.16 a Iscronas b Relacin lineal entre P y e92931i2Consolidacin Captulo9El movimientode agua es producidopor la diferenciade presionesde poros U1 y U2 entre los puntos 1 y 2.Figura 9.17a. Estratificacinhorizontalflujo vertical b Flujo vertical de agua.La ordenadadel elementoinfinitesimales Z (fig. 9.17a).El elementoinfinitesimalperder volumena causa de lasalidade agua.La prdidade agua se estimade dos modos:a)Diferenciaentre dv1 y dv2b)Cambiode volumenen funcinde mVParaelelementodesueloescogido,fig.9.17ay9.17b,elaguasube,yelflujosedebealadiferenciade presin entre 1 y 2 que es U1 U2:U1 = Usubpresinhidrostticaen 1(9.14)U 2UU dzZsubpresinhidrostticaen 2 (9.15)Los gradienteshidrulicosi1 e i2 en 1 y 2 son:i1*Ug WZ(9.16)Las prdidas de volumen del suelo (por consolidacin),evaluadaporelaguaquepierdeo expulsayquedependede la permeabilidad(1forma),se valoraexpresandosuvolumenen funcinde mV (2 forma).El valor de dV ser:1* Ug WZU dzZ(9.17)1forma(DARCY)94Consolidacin Captulo9El volumendV1 de agua que sale durante el tiempodt, es:2WdV1K1*g WU dtZ(asumimosArea= 1)El volumen dV2de agua que entra durante el tiempo dt, es: dV2K* Ug WZU dzdtZRestando,dV2 d V1,obtenemosdV, el volumen perdido:dVK*U dzdt2(9.18)g WZ2forma Coeficientede compresibilidadvolumtricomV; (Seccin9.7).Recordando, Seh o sea : dVde dz ; (rea = 1)1 e01 e0Peroe = aV P, o sea, de = a V d (Figura9.6)Siendo d la diferenciaen el esfuerzoefectivo(o presin efectiva)dV dV1dV2aV* ds 'dz mV ds ' dz(Seccin9.7)1 e0Pero,lacargadelterrenoesconstante; entonces,aunquevaranUy, no variary siempre= U+.Esto sugiere,adems,que o = dU + d , que es lo mismoque dU =-d .ULuego:tds 'dtds 'U dttEntonces,reemplazandod en la anteriorexpresindedV:dV mVU dtdz t(9.19)Igualando(9.18) y (9.19),en valor absoluto,obtenemos:mU dtdzKVt g2UdzdtZ22U K*Ut mV g WZFigura 9.18Grado de Consolidacin95V2VU2U CtVZ 2(9.20) ECUACINDIFERENCIALDECONSOLIDACINK H 2En (9.20),CVcoeficiente de consolidacin (Figura9.7)(Ecuacin9.10)mV g WtNota: Lasolucindeunaecuacindiferencialesunaintegral.Laintegralseresuelveconbaseensumatorias(por intermediode series).Estos resultadosse llaman bacos.9.16Solucina la ecuacinde comportamiento(Ecuacindiferencialde consolidacin)Si la extensin de la carga sobre el terreno es ilimitada y la presin aplicada q es constante con la profundidad,inicialmentelosesfuerzoslosasumeelaguaintersticialenlaformadeunexcesodepresinde poros, U0e. Enconsecuencia,lallamadaCONDICINDEFRONTERAINICIALes: Paratie mpot=0, Ue=U0e =q, para 0ZH Contrariamente,disipacindelap.p.,laCONDICINFINALDEFRONTERAes: Paratiempot=, Ue = 0, para 0ZH La CONDICINDE FRONTERApara cualquiertiempo t ser:U CPara0 < t 4:Elanchodelterrapln,comparadoconla potencia delconglomerado, garantizadrenajevertical.Lacondicindelconglomerado,no2-42con CV =1,5m/ aoy mV= 1,2 * 10FiguraE9.6m/ KNclastosoportadoyelvalordeCV queesbajo(paralamatriz), garantizaladeformacindel conglomerado,por la va de su matrizarcillosa.Lacapadearenadrenante,base del terrapln,garantizadrenajedoble: H = H0 / 2Clculode la sobrecargaq (terrapln)y los asentamientosS y Sq gZ rgZ 2 * 9,81*598,1KN m2d t (min) 118 2,0 177 32 205 400102 0,25 126 4,0 192 64 206 800yG5010012Z N* N*N Como el conglomeradoarcillosoes un suelo PRECONSOLIDADO,mV permanecesensiblementeconstanteen toda la profundidadde la capa, y el valor dado es vlido (como promedio)para el rango de esfuerzos aplicado.SmV* P * h 1, 2 *104 * 9,81 * 40,047m S47 mmComo el terraplnse construyegradualmente,en vez de 8 meses,tomo 4 meses:TCV* tVH 21,5 * 4220,125 U V0,40 (baco TV UV) (Figura 9.22)Respuesta:Asentamientoal final de la consolidacin= S = 47 mmAsentamientoa los 8 meses:S = U V * S = 0,4 * 47 = 19 mmAsentamientodespusde la construccin S = S S = 28 mmEjercicio9.7 Una capa de 12 ft (H) de espesorse sometea una sobrecargaP de 2000lb / ft 2. La capadrena haciadosestratos permeables eincompresibles. LacargainicialdeMMes2016lb/ft 2.Delensayode consolidacin,e0= 0,78,CC = 0,23; P0 = 2016 lb ;C V = 0,02ft/da.Calculelamagnituddelaconsolidacinquepuededarseyel tiempo requerido para el 90% de la consolidacindel terreno.H 0C C HP0Plog12 * 0,23log2016 20000,47 ft(TOTAL)1 e P0(1 0,78) 20162TV HtH02TV 220,8861584 das(parael 90%)FiguraE9.7CVCV0 ,02 Donde TV = 0,88, para el 90% de consolidacinUV(Figura 9.22)Ejercicio 9.8 En el ejercicio9.3: HagaZ ' 1 10y tambine'e N 50G N .Sedan los siguientesdatos del ensayo de consolidacin,sobre un espcimeninalteradoy dobleme nte drenadode= 2,5 in (63,5mm),cuyaalturaes25,4N mm y la masa seca 98,72N100gr.Obtengalosasentamientospara cada 10% de U V y los tiempos,t, requeridospara alcanzarlos,previoclculode los diagramasde esfuerzosdel ejercicio9.12 para este caso.1101100 - KPa = 12 24 48 96 192 384 768 1536H mm = 25,34 25,32 25,30 25,27 25,08 24,50 23,32 22,11* 10-2= 0,25 0,30 0,40 0,50 1,25 3,55 8,20 12,95*N 1100d - t106 0,50 139 8,0 199 100 208 1600d i dial*1t i tiempo*1N 100 N1011 1,00 158 16,0 202 200 D t (min)todo en KPa;g 9,81 * NNOTA:Todos los esfuerzosen KPa, d eformacionesen mm y tiempo en das.Ejercicio 9.8 Diagramaidealizadodelensayo de conso lidacin para la muestra obtenidaen D=BC/ 2. El sueloplsticoBC de espesor 5m con el NAF en A, est bajo una capa arenosa AB de 4m de espesor, la que recibir un terrapln extendidoq,de5tt/m2.Los pesos unitariosson: arcilla saturada1.6 tt/m3, y arena hmeday saturada1,8 y2.0 tt/m3.Los valoresde e para la grfica edomtrica,son: e1=1.50 e2=1.45 e3=0. 96 e4=1.00.La arcilla tiene una permeabilidad k de0,1 m/mesy su estrato rocosode apoyoes impermeable.a.Evaleel esfuerzo efectivo ' = - Uen D, puntomediode CB, bajoestas trescircunstancia s , que correspondenal nivel de esfuerzosefectivos, antes y despus de construirel terrapln,dado que el NA F vara entre A y B,segn los puntos 1, 2 ,3del diagrama , si: '1 es elmnimonivel de esfuerzosefectivossin sobrecargaq.'2es el mximo nivel de esfuerzosefectivossin sobrecarga qy'3 es elmximonivel de esfuerzosefectivoscon sobrecargaq:b.Evalu el asentamientomximo S123quese produce entre1 2 y 3 , Evalu el asentamientomnimoS123que se produce entre1 2 y 3 . Estos dependende las variacionesdel NAF.c. Cuantos meses tarda el 30 % del asentamientoentre 1y2,cuantos me ses tarda un asentamientode 0.50 m causadopor el terrapln, entre2y 3 , ycuanto se asienta el suelo por la sobrecargaa los dos mesesde concluidoel terrapln,entre2 y 3.EXPANSIVIDADDE SUELOS:Existen suelos que se hinchancuando aumentasu cantidadde agua y se retraen cuandola disminuye. Debe distinguirseel trminoPOTENCIALde EXPANSIN,de la EXPANSINproviene dicha prdida d e agua.Las arcillasexpansivasproducenempujesverticalesy horizontalesafectandolas cimentaciones,empujando muros y destruyendopisos y tuberasenterradas,con esfuerzosque superanlos 20 Kg/cm2,ocasionalmente. En las vas se presentanascensos y descensosque afectan su funcionamiento. Tambin,estos suelos expansivosse retraen y los taludes fallan.MECANISMODELHINCHAMIENTO (arcillas2:1)O ENTUMECIMIENTO(sinnimo)a)Absorcinde agua por una arcilla activa (montmorillonita,por ejemplo)b)Rebote elsticode las partculasdel suelo.c)Repulsinelctricade los granos de arcilla y de sus cationesadsorbidos. d)Expansindel aire atrapadoen los poros.En las arcillas preconsolidadas, por cargas o por desecacin, estos fenmenos son factores altamente contribuyentes. En arcillas normalmenteconsolidadas(o cargadas),los factores dominantesson dos:a)Adsorcinde agua yb)Repulsinelctricaentre las partculasrodeadasde agua.Los factores significativosen el estudio de la expansinson los de: IP = ndicede plasticidad(IP = LL LP)LR = Lmitede retraccin(S para el cual el volumenno vara).% de partculascon< 0,001mm(porcentajeenpeso).GE = Grado de expansinen el consolidmetrocon carga de 1 lb/in 2, para una muestrade suelosecada al airey anegada en la prueba.V fV0ELVi*100 :Expansinen volumende una muestrade 10 cm3 (pasa T# 40) que se seca al aire yse vierte en una probeta, con agua, de 100 cm3. Cuandotoca fondo se mide el nuevovolumen.P EX =Potencial deexpansin(definidoporSeedcomoelporcentajedeexpansinverticaleneledmetrode unamuestracompactada,con ptimoydensidadsecamxima. Secolocaeneledmetroyseanegaconunacarga de 1 lb / in 2 = 0,07 Kg / cm2)El PE es bajo: 0 1,5%; medio1,5 5%;alto 5 25%; muy alto > 25% (esta es la escalade Seed)CLASIFICACINDESUELOSEXPANSIVOS(SegnHolta Gibs)Potencialde expansinG.E. consoidadoLRIP% < 0,001ELMuy alto. > 30% < 10% > 32% > 37% > 100%Alto. 20% - 30% 6%- 12% 23% 45% 18% - 37% > 100%Medio. 10%20% 8%- 18% 12% 34% 12% - 27% 50% - 100%Bajo. < 10% > 13% < 20% < 17% < 20%EXPANSIBILIDADYCOMPRESIBILIDAD(SUCS)GW ---SW ---ML - MH ++ GP ---SP ---CL m CH +++ GM - -SM - -OL+ OH +GC - -SC - Pt +++ Escala: +++ = muyalta;m = moderada; --- = prcticamentenulaCOMPRESIBILIDADLigera a baja. CC=0,00 0,19 LL =L = 0% - 30%Moderadaa media. CC=0,20 0,39 LL =L = 31% - 50%Alta. CC 40 LL =L =51%VALORESCORRIENTESDELMD U LOEDOMTRICOmV=1 0-3c m2/Kg Turba = 100 200 Arcilla semi plstica =12,5 - 6,7Arcilla plstica. = 200 25 Arcilla suelta. =10 5Arcilla consistente. =25 12,5 Arcilla densa = 2 1,3Ir a la pgina principal Esfuerzosen el suelo Captulo10108CAPTULO1010.1 IntroduccinESFUERZOSEN UNA MASA DE SUELOSe han visto aspectosrelacionadoscon las deformacionesde un suelo sometidoa la accinde fuerzasexternas (casodeledmetro),y hemosintegradoelefectodelaguaasucomportamiento;igualmentesehandefinido los lmitesyestudiadolasrelacionesdefasedelsuelo,vistocomounaestructuratrifsica,compuestaporslidos,agua y aire.LF : Lmite de fluidez.LL y LP Lmiteslquidoy plstico.IP = LL LP Rangode estado plsticoLR : Lmite de retraccinFigura 10.1 fases del sueloEn el estudiode capilaridad(Seccin6.1.3),se vio el efectode contraccinde un suelo arcilloso,por prdidadeagua.Tambinen laseccin4.1se discutilaactividaddelasarcillas,ligadaalestadoplsticodelsuelo, por dependerde la cantidadde agua adsorvidasobre las partculasdel suelo.Lautilidaddeloslmitesesimportante paraclasificarsuelos,perotambincuandotenemosproblemas geotcnicosrelacionadoscon los cambiosde volumenpor variacindeA =%enIPpeso < 2(10.1)humedaden el suelo.En un taludarcillosoquese seca,se contraey alagrietarse sedegrada. Un suelo activo, expuesto a variaciones de humedad,puededesencadenarproblemasdeingenieraporsu inestabilidadvolumtrica.Pero el comportamientode un suelo sometidoa esfuerzos,no es el mismo cuando la velocidade intensidaddelosesfuerzosvara.Laconsolidacinenseaque,unsueloquerespondergidamenteaunacargasbitae instantnea,responderplsticamente,anteunacargadelargoplazo,envirtuddeunprocesodedrenaje controladopor la permeabilidaddel suelo.Esfuerzosen el suelo Captulo10109Figura 10.2 Curvasesfuerzo deformacin10.2Estructuradel suelo y esfuerzosFlocualda DispersaFigura 10.3. Fbrica texturaldel sueloLafbricatexturaldelsuelo,tienedosposibilidades extremas: es floculada como los suelos marinosque presentan contacto borde cara, gracias a fuerzas de atraccin elctrica, o dispersa cuando las partculas se disponen paralelas, porque se repelen elctricamente. Al cargar unsuelo, losdesplazamientos por deformacin de carga tienden a desplazar las partculas y los enlaces electroqmicospuedendeshacerse,para que la fbrica estructuralquede dispuestaen forma paralela.Elcomportamientomecnicodependerdelaestructuradelsuelo.Elsuelofloculadoofrecemayorpermeabilidad,alta resistencia y baja compresibilidad, gracias a las fuerzas electroqumicasentre las partculas.Agua salada Agua dulceSuelos inalteradosSuelo remoldeadoFigura 10.4 Estructuradel sueloTabla 10.1 Factoresde comportamientodel suelo.SueloFactoresde formacindel sueloFactoresde comportamientoNaturalezade los sedimentos EsfuerzosConsolidadoCompactoMtodode transportey sedimentacin Tiempo Naturalezadel medio de sedimentacinAgua Naturalezadel suelo Entornofsico Energay tipo de compactacin Perturbacin.Humedadde la muestraen obra Medio y factores intrnsecos.a.Presin: Con el aumento de presin, aumenta la resistencia al esfuerzo cortante, disminuye lacompresibilidady se reducela permeabilidad.Lo contrariocuandodisminuyela presinde confinamientode un suelo,despusde retirarcargas(de suelou otras).Si el sueloest en equilibrio,bajo lamisma presin quehaexperimentado ensuhistoria geolgica, sedenomina suelo normalmente consolidado (NC). Enel canal dePanam, laslutitas de lostaludes fallaron porque, despus del movimientode tierras, perdieronresistenciaal cortante.b.Tiempo:Estavariabletambininfluyeenelcomportamiento, comolaspresiones,lahumedadylas condicionesdelmedio.Elaguapuedesalirporefectodecargas,ylosesfuerzossonasumidosporel suelo.Lasreaccionesqumicasy otrosprocesosde degradacin,requierentiempo,y tambinla velocidad de aplicacinde las cargas,que condicionanel tipo de respuestadel suelo.c.Agua:Losdosefectosprinci