mecánica de suelos y cimentaciones

Mecnica de suelos y cimentaciones

MECNICA DE SUELOS Y CIMENTACIONESCrespo Villalaz

Temas relevantes: Mecnica de suelos Plasticidad de los suelos Clasificacin de los suelos El agua en el suelo Estado de esfuerzo en las masas de los suelos Esfuerzo de corte en los suelos Relacin entre esfuerzos verticales y horizontales Teora de la consolidacin Estabilidad de suelos Cimentaciones Capacidad de carga de las cimentaciones Hundimiento de las estructuras Cimentaciones en terrenos plsticos y elsticos Cimientos sin esfuerzo Zapatas armadas para cimentacin: teora elstica y teora ltima Cimentaciones por medio de trabes y losas planas Pilotes Muros de contencin Pilas y estribos puentes Cimentacin de mquinas Movimientos de un edificio Diseo y proyecto de zapatas para asentamientos igualesMECNICA DE SUELOS Y CIMENTACIONES

Thi ti Onei91PS-G4B-112J

Copyrighted materialMECANICA DE SUELOS Y CIMENTACIONESQUINTA EDICINIng. Carlos Crespo VillalazDirector de Ingeniera Civil del Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey (J 976-1980)IB LIMUSA NORIEGA EDITORES MXICO Eapefla Venezuela ColombiaCrespo Villataz. Carlos

Mecnica de suelos y cimentaciones / Carlos Crespo Villalaz. -- 5a ed.

Mxico: Umusa. 2004.

650 p.: iL; 15 cm.

ISBN: 968-18-6489 1

1. Cimientos II. Mecnica de suelos

LC: TA710Dewey: 624.l5V3dc2i

O Ing. Cabios Crespo VillauvzLa PREStNTACON Y OSTOStttN EN CONJUNTO DMECNICA DE SUELOS Y CIMENTACIONESSON PROPIEDAD 061 E0T70R. NlNGUNA PARtE DE ESTA CARA PUEDE SER REPRODUCIDA O TRANSMITIDA, MEDIANTE NINGUN SISTEMA O METODO. ElECTRWCO O MECANICO (nCLUYEM El FOTOC OPIADO. LA GRABACION O CUALQUIER SISTEMA DE RECUPERACIN Y AtMACENAMIENTO DE INFORMACION), SLN CONSENTIMIENTO POR ESCOTO 06L EDfTOR.Derechos reservados:2004, EDITORIAL LIMUSA, S.A. de C.V. GRUPO NORIEGA EDITORES Baideras 95. Mxco. D.F.C P. 06040 m (5) 8503-80-50 01(800)7-06-91-00 6) (5) 512-29-03 w [email protected] www.rwoega.com.mxCANIEM Nw. 121Quinta eiciOn Hecho en Mexco ISBN 968-18-6489-1

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ING. CARLOS CRESPO VILLALAZDirector de la Carrera de Ingeniera Civil (1976 a 1978) y Director del Departamento Acadmico de Ingeniera Civil (1976 a 1980) del Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey. N. L., Mxico. Catedrtico de Mecnica de Suelos, Cimentaciones y Vas de Comunicacin en el Departamento de Ingeniera Civil del I.T.E.S.M., as como Catedrtico de Ingeniera de las Cimentaciones en el Programa de Graduados del mismo Departamento.


Copyrighted materialCopyrighted materialEl autorEl Ing. Civil Carlos Crespo Villalaz, Catedrtico de Vas de Comunicacin y de Mecnica de Suelos y Cimentaciones en el Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey, ha dedicado muchos aos de su vida profesional a la enseanza universitaria. Despus de recibir el grado de Ingeniero Civil en la Universidad Nacional Autnoma de Mxico, trabaj durante diez aos para la entonces denominada Secretara de Comunicaciones y Obras Pblicas. Hizo estudios de posgrado en la Universidad del Estado de Oklahoma. Estados Unidos de Amrica, y desde 1950 se ha dedicado a la tarca de transmitir conocimientos. Actualmente imparte las ctedras de Mecnica de Suelos, Cimentaciones y Vas de Comunicacin para ingenieros civiles y arquitectos, as como la de Ingeniera de las Cimentaciones en el Programa de Graduados del Departamento de Ingeniera Civil del l.T.E.S.M. Asimismo, presta sus servicios tcnicos al pblico en general en el rea de suelos y cimentaciones, as como en el diseo y control de pavimentos.Copyrighted material

Copyrighted materialTodas las pruebas realizadas hasta ahora confirman la tesis de que lo memorizado racionalmente, o sea, bien comprendido, permanece retenido con mayor claridad.Ing. Carlos Crespo VillalazCopyrighted materialContenidoCaptuloAntecedentes histricos13

1Mecnica de suelos12

2Obtencin de muestras de suelos22

3Algunas caractersticas fsicas de los sucios41

4Relaciones volumtricas61

5Plasticidad de los suelos62

6Clasificacin de los sucios82

2Compactacin99

&Pruebas complementarias112

9El agua en el suelo143

lEstado de esfuerzo* en las masas de las sucios155

uEsfuerzo de corte en los suelos161

L2Relacin entre esfuerzos verticales y horizontalesl&l

UEmpuje de tierrasL&2

14Teora de la consolidacin205

L5Estabilidad de taludes212

L6Cortinas de tierra241

12Problemas249

L8Cimentaciones252

ISDistribucin de presiones223

2DCapacidad de carga de las cimentaciones289

21Hundimiento de las estructuras205

22Cimentaciones en terrenos plsticos y elsticos115

23Cimientos sin refuerzo111

24 Zapatas armadas para cimentacin. Teoraelstica y teora ltima345Zapatas de lindero402Cimentacin por medio de trabes y losas planas451Pilotes461Mmos-dc-contcncin502Ataguas y cilindros de cimentacin522Pilas y estribos para puentes549Cimentacin de mquinas563Movimiento de un edificio5&5Tablas generales591Diseo y provecto de zapatas paraasentamientos iguales601Sgggin AGrficas de anlisis609Seccin BGrficas de diseo625

12CONTENIDO

#CONTENIDOBibliografa641

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Copyrighted materialAntecedentes histricosGENERALIDADESCon una mirada retrospectiva hacia los escritos sobre construcciones erigidas por los romanos, chinos, egipcios y mayas, se tiene la clara evidencia de la atencin que ya. desde tiempos antiguos, nuestros antepasados ponan en las obras de tierra y sobre la tierra. As, se tienen noticias de cmo en la dinasta Chou de China (3 000 aos antes de Cristo) se daban instrucciones claras sobre la construccin de caminos y puentes. La Gran Muralla China, las pirmides de Egipto, las pirmides de Chichn Itz y otras notables y enormes obras, que hoy contemplamos con admiracin, son mudos testigos de los conocimientos que ya se tenan en la antigedad al respecto.Asimismo, en Egipto, aproximadamente 2 000 aos antes de Cristo, ya se usaba la piedra en la construccin de cilindros para las estructuras pesadas erigidas sobre suelos suaves. La superficie exterior de los cilindros era alisada para que presentara poca resistencia a la penetracin, lo que indica que para entonces ya se tenan nociones acerca de la friccin o rozamiento, y que tanto los romanos como los egipcios ponan mucha atencin a ciertas propiedades de los suelos en la estabilidad de las cimentaciones.Sin embargo, a la cada del Imperio Romano y debido a la desorganizacin social se descuidaron los aspectos tcnicos sobre los suelos, llegando a su punto ms bajo en el periodo medieval (400 a 1400 aos antes de Cristo), lo que provoc que caminos, puentes y diversas obras de tierra quedaran en el abandono, para posteriormente ser destruidas poco a poco por las guerras y por la implacable accin de los agentes de la intemperie.

Asociadas a la construccin de puentes y caminos en los siglos pasados, se encuentran obras construidas sobre suelos compresibles que han tenido hundi*


Copyrighted materialmientes fuertes bajo las pesadas cargas de catedrales, torres y campanarios. Algunos ejemplos de ello son:El Domo de Knigsberg, en Prusia. cimentado sobre una capa de suelo orgnico en el ao 1330, capa que descansa segn Tiedemann sobre otra de 18 m de limo arcilloso, cuya consolidacin gradual y continua no ha podido terminar. teniendo ya ms de 5 m de asentamiento.La Torre de Pisa, cuya construccin fue iniciada en 1174. empez a ladearse al construirse la tercera galera de las ocho que tiene la estructura. I.os trabajos se interrumpieron para modificar planos y luego continuaron, para ser terminada la torre de 55 m de alto en el ao 1350. En 1910 ya la torre tena en su parte ms alta un desplome de 5.0 m. Una investigacin del subsuelo indic que la torre fue cimentada por medio de una corona de concreto sobre una capa de arena de 11.00 m de espesor, la cual descansa sobre una capa de arcilla de 8.00 m de grueso, que se ha ido consolidando gradualmente debido a las presiones trasmitidas por la estructura. Hoy en da es ms conocida como la "Torre Inclinada de Pisa".En Vcnccia, Italia, el Rialto, un puente de arco simple, se termin de construir en 1591 y es, junto con otras estructuras del lugar, ejemplo de dificultad en las operaciones de cimentacin debido al suelo suave y pantanoso, que es afectado grandemente por la accin de pilotaje de las estructuras vecinas.Otra obra asociada a la ingeniera de las cimentaciones del siglo XVII es el famoso mausoleo Taj-Mahal, en las afueras de la ciudad de Agr. India. Su construccin empez en el ao 1632 y fue terminada en 1650. Fue erigido por rdenes del Shah Jahan. emperador de Delhi, en honor de su esposa favorita, Mumtazi-Mahal. Este mausoleo necesit cuidados especiales en su cimentacin debido a su proximidad al ro, por lo que emplearon cilindros de manipostera hundidos en el suelo a intervalos cercanos para que el mausoleo descansara en una firme cama.Como ya se mencion, despus de la cada del Imperio Romano se present una poca de poco inters en el conocimiento de los problemas de los suelos, y no fue sino hasta los siglos XVII y XVIII cuando revivi el inters y se dio nuevo impulso a la solucin de los problemas en las cimentaciones.Una de las primeras ramas en ganar inters fue la relativa al empuje de tierras. De hecho, el pionero en formular una gua en esta rea fue el ingeniero militar francs Marquis Sebastian le Prestre de Vauban (1633-1707), y posteriormente Charles Augustin Coulomb (1736-1806), tambin notable y sobresaliente ingeniero militar francs, a quien se le acredita la primera contribucin bsica y cientfica en el clculo de la estabilidad de muros de retencin de tierras. Otra importante contribucin en el estudio de la presin de las tierras la aport William John Macguorn Rankine (1820-1872), ingeniero y fsico escocs. ms conocido por sus investigaciones en fsica molecular y uno de los fundadores de la ciencia de la termodinmica.

14ANTECEDENTES HISTRICOS

#ANTECEDENTES HISTRICOSCoulomb y Rankine son los dos ingenieros que ms contribuyeron al estudio de los empujes de tierra, destacando tambin en esta especialidad Jean Victor


Copyrighted materialPoncelei (1788-1867), ingeniero y matemtico francs y uno de los creadores de la geometra proyectiva. y quien adems contribuy con un mtodo grfico para resolver las presiones de tierra. Sobresale, asimismo. Karl Culmann (1821-1881). ingeniero alemn cuyo mtodo de esttica grfica ha sido usado extensamente en problemas de ingeniera y aplicado a la solucin de muros de retencin de tierras.Otro ingeniero que contribuy grandemente a la solucin de problemas de distribucin de presiones en los suelos fue Joseph Valentin Boussinesg (1842-1929). Otto Mohr (1835-1918) propuso en 1882 un mtodo para analizar esfuerzos en un punto. Su "crculo de Mohr. como se conoce comnmente al mtodo, es muy usado en resistencia de materiales y en suelos.Los aos comprendidos entre 1900-1925 constituyen la poca en que se engendr la Mecnica de Suelos, siendo los pioneros los ingenieros de la Comisin Sueca de Geotecnia de los ferrocarriles suecos, encabezada por el profesor Wol- mar Fcllcnius, a quien el gobierno sueco le encomend estudiar las causas de las fallas o deslizamientos de tierra ocurridos en diferentes puntos de la red ferrocarrilera de la nacin, as como buscar y presentar soluciones a los problemas detectados.lu investigacin realizada por los ingenieros dirigidos por Fcllcnius culmin en 1922 con la presentacin de un informe sobre las fallas y de un procedimiento llamado Mtodo Sueco para analizar la estabilidad o inestabilidad de taludes. La proposicin de este mtodo, llamado por algunos Mtodo de Rebanadas, fue hecha por dos de los ingenieros de la "Comisin Sueca. Los ingenieros en cuestin fueron K. Pettcrson y S. Hultin, quienes ya haban aplicado dicho mtodo en algunas fallas en el puerto sueco de Gteborg, en el ao 1916.En los Estados Unidos de Amrica, el "U.S. Bureau of Public Roads as como la American Society of Civil Engineering" llevaron a cabo, juntamente con profesores de diversas universidades de dicho pas, arduas investigaciones relacionadas con la construccin de carreteras durante los aos de 1920 a 1925.A partir de 1925 se inicia el desarrollo ms significativo en esta rama de la ingeniera con la presentacin del profesor Karl Von Terzaghi (1882-1963) de su libro Erdbaumechanik (Mecnica de suelos), en donde presenta una nueva filosofa relativa al suelo como material, y muestra cmo tratar las propiedades mecnicas de los suelos y su comportamiento bajo diversas cargas y condiciones de humedad.A partir de la publicacin del eminente profesor K.V. Terzaghi, de origen sueco y nacionalizado estadounidense, han aparecido numerosos trabajos c importantes investigaciones relacionados con los suelos. As. figuran entre los ms sobresalientes en el ramo: Arthur Casagrande con su Clasificacin de los Suelos.A.NV. Bishop con Estabilidad de Taludes y Presin Neutra. L. Bjerrum con Esfuerzos de Corte. T.W. Lambe y su Estudio del Comportamiento de los Suelos de Granos Finos. G.G. Meyerhof con Capacidad de Carga de los Suelos. R.Peck, autor de Presiones en Arcillas. E.F. Richard con su obra Comportamiento de las Cimentaciones bajo la Accin de Cargas Dinmicas. P.W. Rowe con Presiones Literales de las Tierras, H.B. Seed y su Estudio y Efecto de los Mov- miemos Telricos, A.W. Skempton con Presiones de Poro y en Esfuerzos Efectivos en Capacidad de Carga de las Cimentaciones, D.W. Taylor y sus libros Estabilidad de Taludes y Consolidacin, y A.S. Vesic con Capacidad de Carga en Cimentaciones Profundas.La aparicin de la Mecnica de Suelos como tal en 1925 y las investigaciones posteriores hasta nuestros das ayudaron fuertemente al mejoramiento de los mtodos empricos existentes en el pasado. Sin embargo, la metodologa actual. aunque abarca muchos aspectos tcnicos de ciencias como la Mecnica y la Hidrulica, an no establece una condicin nica para la solucin de problemas diversos en las cimentaciones, pero s proporciona las herramientas bsicas para que el ingeniero de buen criterio y adecuado juicio pueda realizar su trabajo de manera eficiente al valorar tcnicamente los resultados de los anlisis y pruebas de los materiales que debern emplearse. Arte, conocimiento tcnico y juicio sensato deben conjugarse para poder responder a mltiples preguntas en la aplicacin de la Mecnica de Suelos en las cimentaciones.

ANTECEDENTES HISTRICOS15

16ANTECEDENTES HISTRICOS

Es necesario ponderar lo evidente para poder predecir lo probable y tomar las decisiones adecuadas.


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17Copyrighted materialCAPTULO 1Mecnica de suelosGENERALIDADESMecnica es la parte de la ciencia fsica que trata de la accin de las fuerzas sobre los cuerpos. De igual forma, la Mecnica de Suelos es la rama de la Mecnica que trata de la accin de las fuerzas sobre la masa de los suelos. El Dr. Karl Terzaghi defini a la Mecnica de Suelos como la aplicacin de las leyes de la Mecnica y la Hidrulica a los problemas de ingeniera que tratan con sedimentos y otras acumulaciones no consolidadas de partculas slidas, producto de la desintegracin qumica y mecnica de las rocas. Recientemente se han incorporado a la terminologa de los suelos las acepciones Geotecnia e Ingeniera Geotcnica, que suelen aplicarse como evidencia de que en ellos se estn tomando en cuenta los principios y la aplicacin tanto de la Mecnica de Suelos como de la Geologa y de la Mecnica de Rocas.Hoy en da es cada vez ms concluyente el hecho de que ningn ingeniero que sienta la responsabilidad tcnica y moral de su profesin deja de efectuar un estudio de las condiciones del subsuelo cuando disea estructuras de cierta importancia, ya que ello conlleva dos caractersticas que se conjugan: seguridad y economa.Como se ha podido constatar, por muchsimo tiempo y por muy diversas razones el hombre ha estudiado el suelo sobre el que vive, presentando variadas teoras y mtodos en la solucin de los problemas relativos al uso del mismo. Sin embargo, se puede asegurar que quien organiz conceptos y los hizo crecer hasta formar una nueva rama de la Ingeniera Civil fue el profesor y distinguido investigador Dr. Karl V. Terzaghi, que en cierta ocasin mencion: "Quien slo conoce la teora de la Mecnica de Suelos y carece de experiencia prctica, puede ser un peligro pblico.EL SUELO Y SU ORIGENA travs de un proceso de desintegracin mecnica y descomposicin qumica, las rocas de la corteza terrestre forman los materiales sueltos que se encuentran en ella.El trmino suelo" ha sido definido de diferentes maneras, ya sea que dicha definicin provenga del gelogo, del agrnomo o del ingeniero civil.El gelogo define al suelo como el material resultante de la descomposicin y desintegracin de la roca por el ataque de agentes atmosfricos (N. J. Chiossi).El agrnomo segn G. P. Tschebotarioff define al suelo como la delgada parte superior del manto de rocas en que penetran las races de las plantas y de donde stas toman el agua y las dems sustancias necesarias para su existencia.Algunos ingenieros civiles (A. Rico y H. del Castillo) definen al suelo como el conjunto de partculas minerales, producto de la desintegracin mecnica o de la descomposicin qumica de rocas preexistentes.Otro autor. Alfrcd R. Jumikis. doctor en Ingeniera, lo define como sedimentos no consolidados y depsitos de panculas slidas derivadas de la desintegracin de las rocas.La definicin de * suelo que el autor da y que considera bastante completa por las conclusiones que de ella pueden obtenerse es: Suelo es una delgada capa sobre la corteza terrestre de material que proviene de la desintegracin y/o alteracin fsica y/o qumica de las rocas y de los residuos de las actividades de los seres vivos que sobre ella se asientan".Se analizar, por partes, esta definicin de suelo y se ver cuntas conclusiones se pueden obtener de ella. La primera parte de la definicin dice: Suelo es lua delgada capa sobre la corteza terrestre ... Y el lector se puede preguntar: qu tan delgada es esa capa?, a cuntos milmetros, centmetros o metros corresponde?, acaso a algunos kilmetros? Y la respuesta es que la potencia de la capa mencionada no es fcil de precisar; sin embargo, se podra decir que puede ser todo aquel espesor del globo terrqueo que se encuentra afectado por las diferentes actividades de los seres humanos. Se adelantar ahora un poco ms en la definicin y se anotar: Suelo es una delgada capa sobre la corteza terrestre de material que proviene de a desintegracin y/o alteracin fsica v/o qumica de las rocas. . . En esta segunda parte de la definicin se puede observar que los suelos que provienen de la desintegracin y/o alteracin fsica y/o qumica de las rocas presentan caractersticas diferentes si la alteracin es fsica o qumica. Y as, cuando el efecto alterativo de las rocas se lleva a cabo por un medio fsico se produce un suelo con la misma composicin de ellas. Cuando es de efecto qumico el proceso por medio del cual se produce el suelo, la constitucin mineralgica de l es diferente a los que posea la roca madre.Entre los agentes fsicos que producen cambios en las rocas figuran el sol, el agua, el viento y los glaciares. Al actuar sobre las rocas, el sol calienta mas su exterior que su interior, provocando diferencias de expansin que generan esfuerzos muy fuertes, los cuales dan como resultado un rompimiento de la capa superficial y el desprendimiento de la misma. Este proceso es conocido como exfoliacin y cambia de carcter en diferentes localidades, a distintas alturas sobre el nivel del mar y en las diversas pocas de cada ao. y con cada tipo de roca. Los cambios de temperatura producen ms efecto en las rocas duras como las gneas (granito, andesita. riolita) que en las rocas blandas como las sedimentaras (caliza, travertino. dolomita), especialmente cuando aqullas son de grano grueso y se componen de diversos minerales, cuyos coeficientes de dilatacin difieren mucho unos de otros. El agua en movimiento es un importante elemento de erosin, al arrastrar los fragmentos angulosos de las rocas y provocar la friccin de unos con otros, hacindolos redondeados como los cantos rodados de los ros. El agua tambin deja sentir sus efectos cuando, en forma de lluvia, cae en las superficies ptreas, llena sus cavidades, abre grietas y tiende a llenar los espacios huecos de las rocas; si entonces se congela, ejerce fuerte poder de fracturacin en la roca que la encierra, y se produce la desintegracin en un corto periodo de tiempo. El impacto directo del agua sobre las rocas, como el que provoca el oleaje, tambin es causa de erosin de las mismas. El viento tambin contribuye a la erosin del suelo, cuando arrastra arenas, como el caso de los mdanos y los loess (suelos elicos, figura 1.1).Los taludes de suelos arenosos tambin son afectados por la accin del viento, que, al golpearlos continuamente, desprende las partculas y luego las acarrea.Los glaciares que son depsitos de hielos en las altas montaas, ejercen una gran accin abrasiva y de transporte de los materiales de la superficie de

la Tierra, siendo diferentes los efectos sobre la topografa si es glaciar de montaa, que desciende lentamente por el barranco que rellena, o glaciar continental, que rebasa las montaas y colma los valles.A pesar de que los agentes fsicos son de mucha importancia en la formacin de los suelos, ellos no son capaces de reducir los fragmentos rocosos a tamaos individuales a menos de 0.01 mm. La desintegracin a tamaos menores a 0.01 mm slo puede efectuarse por procesos qumicos.Si el material arrastrado por los glaciares est cementado con suelos producto de la descomposicin qumica de las rocas, y sobre todo si han sido comprimidos por la accin del hielo en los siguientes periodos de glaciacin, el suelo glacial resultante se llama hardpan y es muy resistente.De los agentes qumicos podemos mencionar como principales la oxidacin, la carbonatacin y la hidratacin. La oxidacin es la reaccin qumica que puede ocurrir en las rocas al recibir el agua de lluvia, ya que el oxgeno del aire, en presencia de humedad, reacciona qumicamente producindose el fenmeno de oxidacin, principalmente si las rocas contienen hierro, como se puede observar por el color pardo rojizo de algunas afloraciones. La carbonatacin es el ataque que el cido carbnico [anhdrido carbnico (CO,) y agua (H,0)] efecta sobre las rocas que contienen fierro, calcio, magnesio, sodio o potasio. Asi. las rocas gneas, que en su mayora contienen dichos elementos, pueden ser descompuestas de esa manera. Como ejemplo de este ataque se puede mencionar la carbonatacin de la ortoclasa (feldespato potsico perteneciente a las rocas gneas extrusivas y generalmente de color rosado) con la produccin de la arcilla denominada caolinita. Las calizas son muy atacables por el cido carbnico, formndoles cavernas por disolucin. La hidratacin es la accin y efecto de combinar un cuerpo con agua para formar hidratos, o sea compuestos qumicos que contienen agua en combinacin. El agua se absorbe y se combina qumicamente formando nuevos minerales.La accin de los agentes de intemperismo antes mencionados se conocen ms comnmente en el medio ingenicril como meteorizacin y alteracin que dan origen a los suelos inorgnicos. La meteorizacin se refiere nicamente a los cambios superficiales que sufren las rocas debido a la accin de los agentes atmosfricos, y la alteracin designa los cambios internos de las rocas que se presentan en forma de hidratacin y motivan que se formen nuevos minerales dentro de la masa ptrea, conservando su individualidad y su identificacin geolgica.

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EL SUELO Y SU ORIGEN19Se completar ahora nuestra definicin de suelo y se analizar su ltima parte: Suelo es una delgada capa sobre la corteza terrestre de material que proviene de la desintegracin y lo alteracin, fsica y lo qumica de las rocas y de los residuos de las actividades de los seres vivos que sobre ella se asientan. Como

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Figura i.l Suelos elicos.se puede observar, la ltima parte de la definicin nos indica que los restos de la vegetacin y otros restos orgnicos, al ser descompuestos por la accin de los microorganismos para su propia nutricin, dejan como residuo partculas finas de tamao coloidal denominadas humus. El humus se mezcla en diferentes proporciones con las partculas minerales, formndose de esa manera los suelos orgnicos.PRINCIPALES TIPOS DE SUELOSDe acuerdo con el origen de sus elementos (aspecto que ya se ha desglosado en la definicin), los suelos se dividen en dos amplios grupos: suelos cuyo origen se debe a la descomposicin fsica y/o qumica de las rocas, o sea los suelos inorgnicos, y suelos cuyo origen es principalmente orgnico.Si en los suelos inorgnicos el producto del intemperismo de las rocas permanece en el sitio donde se form, da origen a un suelo residual: en caso contrario, forman un suelo transportado, cualquiera que haya sido el agente transportador (por gravedad: talus; por agua: aluviales o lacustres; por viento: clicos; por glaciares: depsitos glaciales).En cuanto a los suelos orgnicos, ellos se forman casi siempre in situ. Muchas veces la cantidad de materia orgnica, ya sea en forma de humus o de materia no descompuesta, o en su estado de descomposicin, es tan alta con relacin a la cantidad de suelo inorgnico que las propiedades que pudieran derivar de la porcin mineral quedan eliminadas. Esto es muy comn en las zonas pantanosas, en las cuales los restos de vegetacin acutica llegan a formar verdaderos depsitos de gran espesor, conocidos con el nombre genrico de turbas. Se caracterizan por su color negro o caf oscuro, por su poco peso cuando estn secos y su gran compresibilidad y porosidad. La turba es el primer paso de la conversin de la materia vegetal en carbn.A continuacin se describen los suelos ms comunes con los nombres generalmente utilizados por el ingeniero civil para su identificacin.GravasLas gravas son acumulaciones sueltas de fragmentos de rocas y que tienen ms de dos milmetros de dimetro. Dado el origen, cuando son acarreadas por las aguas las gravas sufren desgaste en sus aristas y son, por lo tanto, redondeadas. Como material suelto suele encontrrsele en los lechos, en las mrgenes y en los conos d" deyeccin de los ros, tambin en muchas depresiones de terrenos rellenadas pe r el acarreo de los ros y en muchos otros lugares a los cuales las gravas han sido retransportadas. Las gravas ocupan grandes extensiones, pero casi siempre se encuentran con mayor o menor proporcin de cantos rodados, arenas, limos y arcillas. Sus partculas varan desde 7.62 cm (3) hasta 2.0 mm.La forma de las partculas de las gravas y su relativa frescura mineralgica dependen de la historia de su formacin, encontrndose variaciones desde elementos rodados a los polidricos.ArenasLa arena es el nombre que se le da a los materiales de granos finos procedentes de la denudacin de las rocas o de su trituracin artificial, y cuyas partculas varan entre 2 mm y 0.05 min de dimetro.El origen y la existencia de las arenas es anloga a la de las gravas: las dos suelen encontrarse juntas en el mismo depsito. La arena de ro contiene muy a menudo proporciones relativamente grandes de grava y arcilla. I-as arenas estando limpias no se contraen al secarse, no son plsticas, son mucho menos compresibles que la arcilla y si se aplica una carga en su superficie, se comprimen casi de manera instantnea.LimosLos limos son suelos de granos finos con poca o ninguna plasticidad, pudiendo ser limo inorgnico como el producido en canteras, o limo orgnico como el que suele encontrarse en los ros, siendo en este ltimo caso de caractersticas plsticas. El dimetro de las partculas de los limos est comprendido entre 0.05 mm y 0.005 mm. Los limos sueltos y saturados son completamente inadecuados para soportar cargas por medio de zapatas. Su color vara desde gris claro a muy oscuro. La permeabilidad de los limos orgnicos es muy baja y su compresibilidad muy alia. Los limos, de no encontrarse en estado denso, a menudo son considerados como suelos pobres para cimentar.ArcillasSe da el nombre de arcilla a las panculas slidas con dimetro menor de 0.005 mm y cuya masa tiene la propiedad de volverse plstica al ser mezclada con agua. Qumicamente es un silicato de almina hidratado, aunque en no pocas ocasiones contiene tambin silicatos de hierro o de magnesio hidratados. La estructura de estos minerales es, generalmente, cristalina y complicada, y sus tomos estn dispuestos en forma laminar.De hecho se puede decir que hay dos tipos clsicos de tales lminas: uno de ellos del tipo silcico y el otro del tipo alumnico.Una lmina del tipo silcico se encuentra formada por un tomo de silicio rodeado de cuatro tomos de oxgeno (figura 1.2a), arreglndose el conjunto en forma de tetraedro (figura 1.2>). Estos tetraedros se agrupan entre s formando una unidad hexagonal, la cual se repite indefinidamente constituyendo una retcula laminar (figura 1.2c). La unin entre cada dos tetraedros se lleva a cabo mediante un mismo tomo de oxgeno. Algunas entidades consideran como arcillas a las panculas menores a 0.002 mm.

Figura 1.2a Figura .2h Tetraedro. # SilicioOOxgeno

Figura 1.2c Lmina silcica.Una lmina del tipo alumnico est formada por un tomo de aluminio rodeado de seis tomos de oxgeno y de oxgeno e hidrgeno (figura 1.2d) arreglndose el conjunto en forma de octaedro (figura 1.2*), los cuales se agrupan entre s mediante un tomo comn de oxgeno, repitindose la formacin indefinidamente y dando como resultado una retcula laminar alumnica (figura 1.2/).De acuerdo con su arreglo reticular los minerales de arcilla se pueden clasificar en tres grupos bsicos, que son:a) El caolintico (del nombre chino Kau-ling), que procede de la carbonatacin de la ortoclasa (feldespato potsico). Las arcillas caolinticas (figura 1.3) estn formadas por una lmina silcica y una lmina alumnica superpuestas de manera indefinida y con una unin tal entre sus retculas que no permiten la penetracin de molculas de agua entre ellas, pues producen una capa electrnicamente neutral, lo que induce, desde luego, a que estas arcillas sean bastante estables en presencia del agua.b) El montmorilontico (que debe su nombre a Montmorrilln, Francia), al cual pcrtencccn las bentonitas, se forman por la superposicin indefinida de

(* Aluminio; O Oxgeno; (6) Hidrxilo; (j-) tomo comn de oxgeno

PRINCIPALES TIPOS DE SUELOS21

22MECNICA DE SUELOS



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una lmina alumnica entre dos lminas silcicas, pero con una unin dbil entre sus retculas, lo que hace que el agua pueda penetrar en su estructura con facilidad. Estas arcillas sufren fuerte expansin (figura 1.4) en contacto con agua, lo que provoca inestabilidad en ellas. c) El iltico (que debe su nombre a Illinois, E.U.A.), producto de la hidratacin de las micas y que presentan un arreglo reticular similar ai de las montmorilonticas, pero con la tendencia a formar grumos por la presencia de iones de potasio, lo que reduce el rea expuesta al agua, razn por la cual no son tan expansivas como las arcillas montmorilonticas.

En general, las arcillas, ya sean caolinticas, montmorilonticas o ilticas (figura 1.5), son plsticas, se contraen al secarse, presentan marcada cohesin segn su humedad, son compresibles y al aplicrseles una carga en su superficie se comprimen lentamente. Otra caracterstica interesante, desde el punto de vista de la construccin, es que la resistencia perdida por el remoldeo se recupera parcialmente con el tiempo. Este fenmeno se conoce con el nombre de tixotropa yLmina silcica Lmina alumnicaLmina silcica

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Figura 1.4. Arcilla montmorilontica.Copyrighted material

Figura 1.4. Arcilla montmorilontica.Copyrighted material

es de naturaleza fsico-qumica. Se puede decir que un contenido mnimo del 15% de arcilla en un suelo le dar a ste las propiedades de la arcilla.Adems de los clsicos suelos indicados con anterioridad, se encuentran en la naturaleza ciertos suelos especiales que a continuacin se indican.CalicheEl trmino caliche se aplica a ciertos estratos de suelo cuyos granos se encuentran cementados por carbonatos calcreos. Parece ser que para la formacin de los caliches es necesario un clima semirido. La marga es una arcilla con carbonato de calcio, ms homognea que el caliche y generalmente muy compacta y de color verdoso.LoessLos loess son sedimentos clicos uniformes y cohesivos. Esa cohesin que poseen es debida a un cementante del tipo calcreo y cuyo color es generalmente castao claro. El dimetro de las partculas de los loess est comprendido entre 0.01 mm y 0.05 mm. Los loess se distinguen porque presentan agujeros verticales que han sido dejados por races extinguidas. Los loess modificados son aquellos loess que han perdido sus caractersticas debido a procesos geolgicos secundarios, tales como inmersin temporaria, erosin y formacin de nuevo depsito. Debido ai contenido calcreo los cortes hechos en loess se mantienen generalmente casi verticales. Los loess son colapsables, aunque disminuye dicha tendencia al incrementrsele su peso volumtrico.DiatomitaLas diatomitas o tierras diatomceas son depsitos de polvo silcico, generalmente de color blanco, compuesto total o parcialmente por residuos de diatomeas.Las diatomeas son algas unicelulares microscpicas de origen marino o de agua dulce, presentando las paredes de sus clulas caractersticas silcicas.CumboEs un suelo arcilloso fino, generalmente libre de arena y que parece cera a la vista; es pegajoso, muy plstico y esponjoso. Es un material difcil de trabajar.TepetateEs un material pulverulento, de color caf claro o caf oscuro, compuesto de arcilla, limo y arena en proporciones variables, con un cementante que puede ser la misma arcilla o el carbonato de calcio. Segn sea el componente predominante el tepetate se suele llamar arcilloso, limoso, arenoso, arcillo-limoso si es que predomina la arcilla, areno-limoso si predomina la arena, limo-arenoso si predomina el limo, y as sucesivamente.La mayora de las veces el tepetate debe su origen a la descomposicin y alteracin, por intemperismo, de cenizas volcnicas baslticas. Pueden encontrarse dentro del tepetate capas o lentes de arena y cenizas baslticas que no alcanzaron a intemperizarse cuando fueron cubiertas por una capa que s se alter. Tambin suelen encontrarse lentes de piedra pmez dentro del tepetate.SUELOS COHESIVOS Y SUELOS NO COHESIVOSUna caracterstica que hace muy distintivos a diferentes tipos de suelos es la cohesin. Debido a ella los suelos se clasifican en cohesivos" y no cohesivos". Los suelos cohesivos son los que poseen cohesin, es decir, la propiedad de atraccin intermolecular, como las arcillas. Los suelos no cohesivos son los formados por panculas de roca sin ninguna cementacin, como la arena y la grava.


26MECNICA DE SUELOS

SUELOS COHESIVOS Y SUELOS NO COHESIVOS27En la siguiente figura se presentan algunos smbolos empleados para representar a los suelos.

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ARENOSOLIMOSLIMOSO

ARENAGRAVASGRWOSO

LIMOSGRAVASARENAS

ROCAARCILLASUELOORGANICOROCACON LOS SNBOLOS ANTERIORES SE PUEDEN HACER COMBINACIONES COMO-,

LIMOARCILLOSO

LI M O GRAVOSO

GRAVALIMOSA

ARCILLALIMOSA

ARCILLAORGANICA

Figura 1.6.

ESTRATIGRAFA DE UN SONDEO


Figura 2.1Copyrighted mate

Figura 2.1Copyrighted mateCAPITULO 2Obtencin de muestras de suelosPara determinar las propiedades de un suelo en laboratorio es preciso contar con muestras representativas de dicho suelo. Un muestreo adecuado y representativo es de primordial importancia, pues tiene el mismo valor que el de los ensayes en s. A menos que la muestra obtenida sea verdaderamente representativa de los materiales que se pretende usar, cualquier anlisis de la muestra slo ser aplicable a la propia muestra y no al material del cual procede, de ah la imperiosa necesidad de que el muestreo sea efectuado por personal conocedor de su trabajo. Las muestras pueden ser de dos tipos: alteradas o inalteradas. Se dice que una muestra es alterada cuando no guarda las mismas condiciones que cuando se encontraba en el terreno de donde procede, e inalterada en caso contrario.Para obtener muestras alteradas el muestreo debe efectuarse segn el fin que se persiga. Para tomar muestras individuales de un sondeo a ciclo abierto (pozo de 1.50 m x 1.50 m de seccin y de la profundidad requerida, figura 2.1) se efecta el procedimiento siguiente:

a) Se rebaja la parte seca y suelta de suelo con el propsito de obtener una superficie fresca.b) Se toma una muestra de cada capa en un recipiente y se coloca una tarjeta de identificacin.c) Las muestras se envan en bolsas a laboratorio.Para tomar muestras individuales mediante perforaciones con barrena (figura 2.2) se hace lo siguiente:a) Se coloca el suelo excavado en hilera con el debido orden.b) Se toma una porcin representativa de cada clase de suelo encontrado y se colocan en bolsas separadas con su identificacin correspondiente.c) Las bolsas con material se envan a laboratorio.Para tomar muestras integrales, ya sea de zanjas abiertas o de cortes (figura 2.3), se sigue el procedimiento descrito a continuacin:

30OBTENCIN DE MUESTRAS DE SUELOS

#OBTENCIN DE MUESTRAS DE SUELOS

Figura 2.3Copyrighted material


Figura 2.4

Figura 2.4>a) Se retira la capa de despalme superficial.b) Se quita el material seco y suelto para obtener una superficie fresca de donde obtener la muestra.c) Se extiende una lona impermeable al pie del talud para recoger la muestra.d) Se excava un canal vertical de seccin uniforme desde la parte superior hasta el fondo, depositando el material en la lona impermeable.e*) Se recoge todo el material excavado, se coloca en una bolsa con su etiqueta de identificacin y se enva a laboratorio.Cuando se deseen muestras integrales procedentes de perforaciones con barrenas, se quita primero el despalme y luego todo el material excavado del sondeo perforado (figura 2.4o), se recoge en una sola bolsa (figura 2Ab) y se enva a laboratorio.Si las muestras que se van a obtener proceden de un material acordonado, se corta y envasa el material de toda una seccin como se muestra en la figura 2.5.

Figura 2.6

Para obtener muestras inalteradas, el caso ms simple corresponde al de cortar un determinado trozo de suelo del tamao deseado (normalmente de 0.30 m x 0.30 m x 0.30 m), cubrindolo con parafina para evitar prdidas de humedad y empacndolo debidamente para su envo a laboratorio. A continuacin se indican diferentes formas de obtener dichas muestras inalteradas. Si se desea una muestra inalterada de una superficie ms o menos plana el procedimiento a seguir es el siguiente:a) Se limpia y alisa la superficie del terreno y se marca el contorno del trozo (figura 2.6).b) Se excava una zanja alrededor de esto.c) Se ahonda la excavacin y se cortan los lados del trozo (figura 2.7) empleando un cuchillo de hoja delgada.d) Se corta el trozo con el cuchillo y se retira del hoyo.e) La cara del trozo extrado que corresponda al nivel del terreno se marca con una seal cualquiera para conocer la posicin que ocupaba en el lugar de origen. Se achaflanan inmediatamente las aristas de la muestra y se le aplican tres capas de parafina caliente con una brocha (figura 2.8)./) Si la muestra no va a ser usada pronto, necesita una proteccin adicional a las tres capas de parafina ya indicadas. Esta proteccin consiste en envolver la muestra con una tela blanda, amarrndola con un cordel (figura 2.8b). Hecho esto se sumerge la muestra entera en parafina fundida.

OBTENCIN DE MUESTRAS DE SUELOS31




Figura 2.7Copyrighted mater


Figura 2.8bFigura2.8c

Sumergiendo la muestra repetidas veces en la parafina fundida (figura 2.8c), puede alcanzar un espesor de unos 3 mm (1/8), suficiente para garantizar su impermeabilidad.Si las muestras inalteradas necesitan ser enviadas a un laboratorio muy lejano del lugar de extraccin de las mismas, entonces necesitan an mayor proteccin.La proteccin mencionada consiste en recubrir la mezcla con 1.27 cm (1/2), como mnimo, de parafina y empacarla con aserrn, paja o papel en una pequea caja (figura 2.9).Para obtener una muestra inalterada de la pared de un sondeo a cielo abierto o de la pared de un corte, el procedimiento que debe seguirse es el siguiente:

Figura 2.10

a) Se limpia y alisa cuidadosamente la cara de la superficie y se marca el contorno.b) Se excava alrededor y por atrs dndole forma al trozo (figura 2.10). Para ello se usa un cuchillo de hoja delgada.c) Se corta el trozo con el cuchillo y se retira del hoyo cuidadosamente. Se marca la cara superior.(I) Se emparafina. como ya se sabe, para su traslado a laboratorio.La excavacin de pozos a cielo abierto rinde siempre una informacin correcta hasta donde l llega, pues permite la inspeccin visual de los estratos del suelo. Sin embargo, la mayora de las investigaciones del suelo requieren estudios del terreno a profundidades mayores que las que pueden ser alcanzadas satisfactoriamente con excavaciones a cielo abierto. El procedimiento usual de detener la excavacin a la profundidad donde se construirn los cimientos no da ninguna informacin respecto a la naturaleza del terreno que quedar debajo de los cimientos y hasta cierta profundidad de los mismos, y ste es. precisamente. el que tiene que sostener la estructura, de aqu que para poder obtener la informacin requerida para hacer un buen anlisis de los cimientos es necesario realizar perforaciones de profundidad. Estas perforaciones pueden hacerse mediante el uso de barrenas hasta llegar al estrato requerido, y ah sacar con un muestreador especial como el tubo Shelby la muestra inalterada. Las barrenas pueden ser de diferentes tipos. La mayora de ellas son relativamente cortas, variando su tamao desde unos cuantos centmetros hasta casi medio metro.Estas barrenas se hincan en el suelo por rotacin haciendo uso de uno o varios tubos de un maneral. El suelo que la barrena va cortando es retenido en la misma, la cual se saca del agujero cada vez que se llena.Otro equipo empleado para hacer el agujero es la llamada posteadora (figura 2.11). Los bordes cortantes deben mantenerse afilados y limpios. El dimetro de las posteadoras es comnmente de 10.16 cm (4). pero las hay de dimetros mayores.Cuando por medio de barrenas o posteadoras se haya llegado a la profundidad requerida, posiblemente el equipo ms sencillo y uno de los ms eficientes

Figura 2.11

para extraer una muestra inalterada sea el tubo Shelby (figura 2.12), que consiste en un tubo metlico de paredes delgadas con extremo afilado. Este tubo se fuerza dentro del terreno aplicndole una presin continuada, no con golpes.El borde cortante de este sacamuestras tiene un dimetro ligeramente menor que el interior del tubo, garantizando que la muestra pueda deslizarse libremente dentro de el sin friccin, mientras que la parte superior del tubo est dotada de una vlvula de bola que evita que la muestra se salga del sacamuestras mientras se extrae ste del terreno.

PROFUNDIDAD DE LAS PERFORACIONESEs imposible establecer un grupo de reglas definitivas para determinar la profundidad a que deben llegar las perforaciones. La profundidad hasta la cual debe investigarse un suelo puede estar basada en el tipo de suelo encontrado y en el tamao y peso de la estructura que se va a construir, considerando que los esfuerzos desarrollados en el suelo dependen de la carga distribuida en toda el rea cargada. adems de las cargas debajo de las zapatas individuales. Salvo en casos muy especiales, no es necesario investigar el suelo a profundidades mayores de I a 1.5 veces la menor dimensin del rea cargada. Llegar a profundidades de 1.5 veces la menor dimensin del rea cargada es muy recomendable en el caso de estructuras muy pesadas como silos y edificios de muchos pisos. En obras comunes de un nivel, llegar a 3.5 m; para dos niveles, llegar a 6.0 m; para tres niveles, llegar a 10.0 m; para cuatro niveles, llegar a 15 m. y para cinco niveles o ms. llegar a 25 m.PERFIL DE SUELOSCualquiera que sea el tipo de perforacin que se ejecute, a medida que se va profundizando en ella se deben anotar los espesores de los distintos estratos atravesados. indicando cules son gravas, arenas, limos, arcillas, o mezcla de los mismos: cmo son los granos de los materiales: dnde son de tamao uniforme o graduado de gruesos a finos; color, olor y aspereza de los granos. Con estos datos y los de las pruebas que a los materiales se les ejecute se hace un perfil de suelos como el que se ilustra en la figura 2.13.Las muestras inalteradas al llegar a laboratorio se desempacan cuidadosamente. se labran los especmenes que se necesitan y se les practican los ensayes necesarios en las condiciones en que se encuentran. Sin embargo, las muestras alteradas necesitan procesos diferentes para su ensaye.PERFIL DE SUELOS


36OBTENCIN DE MUES I RAS DL SUELOS


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Figura 2.12Copyrighted materialSECADO DE MUESTRAS ALTERADASCuando una muestra alterada llega a laboratorio con humedad que permita su fcil disgregacin, no es necesario someterla a un proceso de secado; en caso contrario, la muestra debe ser secada ya sea extendindola al sol sobre una superficie limpia (figura 2.14), o bien colocndola en una charola o bandeja dentro de un homo a baja temperatura (50C), o secndola lenta y cuidadosamente en una estufa a bajo calor (figura 2.14b).DISGREGACIN DE MUESTRAS ALTERADASEl objeto de la disgregacin de las muestras alteradas es llevarlas a un estado semejante al que van a presentar en la obra durante el proceso de construccin, debiendo entrar en juego el criterio del ingeniero para decidir hasta dnde debe

Figura 2.14a

llevarse a cabo dicho proceso de disgregacin del material segn su destino, equipo y procedimiento de construccin.Para efectuar la disgregacin de una muestra se emplea un mazo de madera de 9.5 cm por lado y de 15 cm de altura con un mango saliendo de la cara posterior de la base, y cuyo peso es aproximadamente de I kg. El mazo generalmente est forrado en su base con una cubierta de cuero.El proceso de disgregacin es el siguiente: se tamiza el material por una malla No. 4 (4.76 mm) y el retenido se coloca en una charola y se macea, dejando caer el mazo de madera sobre el material en forma vertical y desde una altura aproximada de 20 cm, como puede apreciarse en la figura 2.15. Disgregada la muestra retenida en la malla No. 4 (4.76 mm) se mezcla con la que pas dicha malla y se somete al proceso de cuarteo.PROCESO DE CUARTEO DE MUESTRAS ALTERADASCon la muestra disgregada como se ha indicado y mezclada convenientemente (figura 2.16tf), se forma un cono colocando con una pala el material en el vrtice de ste y permitiendo que se acomode (figura 2.16b). Con la misma pala, que debe ser rectangular, se forma un cono truncado de unos 15 cm de altura y se divide en cuadrantes por medio de una regla (figura 2.16c y 2.16/). Se mezcla el material de dos cuadrantes opuestos y se repite la operacin hasta obtener la cantidad deseada de muestra para las pruebas que se realizarn.

DISGREGACIN DE MUESTRAS ALTERADAS38

40OBTENCIN DE MUESTRAS DE SUF.I.OS

PROCESO DE CUARTEO DE MUESTRAS ALTERADAS39

Figura 2.146Copyrighted mate


Figura 2.16dCopyrighted material

Figura 2.16

Figura 2.16c

MUSTIA 01 20 hg MKCLAOA y CXJAMlfADA ,rfTTk'STENSAYES GNtKAlfSCOMPACT ACK>N Vcontenido OptimoO HUMEDAD fNSAYfS 0 CONTWXENSAYES 01 Bf-rSTfkOA

^ r'-SCV-P3-2* CVP2-2 BOLSABOISA1 O 22 04 2Figura 2.17Es de capital importancia que tanto la muestra llevada a laboratorio como la del ltimo cuarteo sean verdaderamente representativas del material que va a emplearse en la obra.La figura 2.17 muestra las cantidades de materiales que usualmente se emplean tanto en ciertos ensayes generales como en algunos de control y de resistencia de suelos.

CAPTULO 3Algunas caractersticas fsicas de los suelosIMPORTANCIA DEL CONOCIMIENTO DEL SUELOEl conocimiento de las principales caractersticas fsicas de los suelos es de fundamental importancia en el estudio de la Mecnica de Suelos, pues mediante su atinada interpretacin se puede predecir el futuro comportamiento de un terreno bajo cargas cuando dicho terreno presente diferentes contenidos de humedad. Estas caractersticas se explican a continuacin.PESO VOLUMTRICOSe denomina peso volumtrico de un suelo (7) al peso de dicho suelo contenido en la unidad de volumen, y generalmente se expresa en kg/m3.Se denomina peso volumtrico seco y suelto (*y#.4.) de un suelo al peso volumtrico aparente de l. tomando el peso del mismo previamente cuarteado y secado en un homo a peso constante. El peso volumtrico aparente se refiere al considerar el volumen de los vacos formando parte del suelo. Para determinar el peso volumtrico seco y suelto de un suelo se coloca el material que ha sido cuarteado y secado dentro de un recipiente de volumen conocido, llenndolo y enrasndolo, sin apretarlo, con una regla. Inmediatamente se pesa, y restando el peso del recipiente se obtiene el peso del material, que dividido entre el volumen del recipiente proporcionar el dato de peso volumtrico seco y suelto (y% i ) del suelo. La principal aplicacin de este dato est en la conversin de pesos de material a volmenes y viceversa.

DENSIDADLa densidad absoluta de un cuerpo es la masa de dicho cuerpo contenida en la unidad de volumen, sin incluir sus vacos. La densidai! aparente es la masa de un cuerpo contenida en la unidad de volumen, incluyendo sus vacos.La densidad relativa de un slido es la relacin de su densidad a la densidad absoluta del agua destilada a una temperatura de 4C. As pues, en un suelo. la densidad relativa del mismo se define como la relacin de la densidad absoluta o aparente promedio de las partculas que constituyen el suelo, a la densidad absoluta del agua destilada, a 4C, que tiene un valor de 1 g/cm\P,Se acostumbra expresar la densidad absoluta en gramos masa por centmetro cbico, y la densidad relativa queda expresada por un nmero abstracto. Expresadas en forma de ecuacin se tiene:AKDensidad absoluta = Da =Densidad aparente = D' =Densidad relativa = Dr =obienDx^DwDwen las cuales:Ps=Peso de la partculaslida en gramosVs=Volumende slidosen cm3.Vy=Volumende slidosms volumen dehuecos,en cm3.Dw=Densidadabsoluta del agua destilada atemperatura de 4C; tiene valorde 1 g/cm3.Generalmente a los materiales que contienen panculas gruesas en su mayor parte se les determina la densidad relativa aparente, y a los materiales que estn formados por gran cantidad de partculas finas se les determina la densidad relativa absoluta.Densidad aparente relativa de un material grueso


42ALGUNAS CARACTERSTICAS FSICAS DE LOS SUELOS

La determinacin de la densidad aparente relativa del material ptreo retenido en la malla de 3/8 est relacionada con la prueba de absorcin y da una idea general de la calidad del material ptreo. Se puede decir, en trminos generales, que a densidades altas y absorciones bajas corresponden materiales compactos y resistentes. Esto no es concluyente, ya que existen materiales con baja densidad

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43Copyrighted materialDENSIDAD

43y alla absorcin que tambin son bastante resistentes y los cuales se identifican fcilmente por la presencia de cavernas visibles a simple vista.La determinacin de la densidad relativa aparente se lleva a cabo de la siguiente manera: la muestra de material ptreo, previamente cribada en la malla de 3/8 para eliminar el material que pasa por dicha malla, se saturar durante 24 horas en agua y se secar superficialmente. El material as saturado y superficialmente seco se sumerge con todo cuidado en un picnmetro lleno de agua (figura 3.1) que ha sido llevado al nivel de derrame.Al vaciarse las piedras dentro del picnmetro, stas desalojan cierto volumen de agua que se recoge en una probeta graduada, midindose as el volumen de agua desalojada. Se extraen las piedras del picnmetro y se procede a secarlas en un horno a temperatura constante de 100-110 C durante 24 horas aproximadamente. Despus de secadas las piedras, se dejan enfriar hasta que alcancen la temperatura ambiente y se pesan, anotndose dicho peso seco Ps.La densidad aparente relativa se calcula por la frmula:en la cual:Dr= Densidad relativa aparente.Ps= Peso de la muestra seca en gramos.V = Volumen de agua desalojada en centmetros cbicos.

Conociendo este dato de la densidad relativa aparente, se compara con el que marque la especificacin correspondiente.

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Copyrighted materDensidad absoluta relativa de material finoLa determinacin de la densidad absoluta relativa del material que pasa la malla No. 40. cuya principal aplicacin es la determinacin de la curva de saturacin terica en la prueba de compactacin Proctor misma que se trata ms adelante y en la determinacin de los porcentajes de arena, limo y arcilla, se lleva a cabo usando el equipo siguiente:Un matraz Pyrex aforado a 500 cm3.Una balanza de 1 kg de capacidad y 0.1 g de aproximacin.Un termmetro.Una parrilla elctrica o cualquier otra fuente de calor adecuada.Una malla No. 40.Un horno que mantenga una temperatura constante entre 100 y 110C.Para llevar a cabo la prueba llnese el matraz con agua destilada hasta el aforo, comprobando que la parte del menisco del agua coincida con la marca de calibracin; psese el matraz con el agua y antese dicho peso como Pma. Vacese el matraz hasta la mitad aproximadamente e introdzcase en l una muestra perfectamente seca de 100 g del material que haya pasado la malla No. 40. Teniendo ya el material dentro del matraz (figura 3.2) squesele el aire que haya quedado atrapado mediante una hora aproximadamente de ebullicin.Pngase luego el matraz en un tanque de enfriamiento y compltese con agua destilada el volumen faltantc, manteniendo el matraz en el tanque hasta que se obtenga en el agua una temperatura adecuada (20C si es posible).Retrese el matraz del tanque de enfriamiento, squese superficialmente y regstrese su peso Pmas. Calclese la densidad absoluta y la relativa de la siguiente manera:

44ALGUNASCARACTERSTICASFSICASDELOSSUELOS

#ALGUNASCARACTERSTICASFSICASDELOSSUELOS



GRANULOMETRA45

46ALGUNAS CARACTERSTICAS FSICAS DE LOS SUELOS

GRANULOMETRA47Por definicin:

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pyi = , y reemplazando:

P>. Z>wPmas =Pma + />

O sea que:

Ps_Dw = />// + /\ Pwwa

Por lo tanto:

A. =/>s. Dw/W + /*, Pmas=P//, del material, la densidad absoluta del agua Z)w y el peso seco del material ensayado Ps, se calcula la relacin de vacos mxima por la frmula ya conocida.

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Dmy%.%.La manera de determinar la relacin de vacos en estado natural (

mecánica de suelos y cimentaciones

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