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MECANICA DE SUELOS
PRIMERA UNIDAD: Introducción, Definición, Origen, Clases, Textura y estructura de los suelos.
1.1. INTRODUCCION
Estudia las propiedades y comportamiento del material suelo, como material
de construcción o soporte de estructuras (terreno de fundación), básicamente
de cimentaciones.
Se sirve de la recolección y análisis de muestras, para luego obtener sus
resultados y determinación de sus características físicas y mecánicas, las
cuales serán aplicadas en los diseños de las distintas obras de ingeniería.
En su trabajo práctico el ingeniero civil ha de enfrentarse con diversos e
importantes problemas planteados por el terreno. Prácticamente todas las
estructuras de ingeniería civil, edificios, puentes, carreteras, túneles, muros,
torres, canales, presas. Obras que deberán cimentarse sobre la superficie de
la tierra o dentro de ella (sub suelo). Para que una estructura se comporte
satisfactoriamente debe poseer una cimentación adecuada.
Cuando el terreno firme o resistente está próximo a la superficie, una forma
viable de transmitir al terreno las cargas concentradas de los muros o
columnas de un edificio es mediante zapatas. Un sistema de zapatas se
denomina cimentación superficial.
Cuando el terreno compacto no está próximo a la superficie, un sistema
habitual para transmitir el peso de una estructura al terreno es mediante
elementos verticales como pilotes o caissons.
El suelo es el material de construcción más abundante del mundo y en
muchas zonas constituye, de hecho, el único material disponible localmente.
Cuando el ingeniero emplea el suelo como material de construcción debe
seleccionar el tipo adecuado de suelo, así como el método de colocación y,
luego, controlar su colocación en obra. Ejemplos de suelo como material de
construcción son las presas en tierra, pavimentos, rellenos para
urbanizaciones o vías.
Otro problema común es cuando la superficie del terreno no es horizontal y
existe una componente del peso que tiende a provocar el deslizamiento del
suelo. Si a lo largo de una superficie potencial de deslizamiento, los esfuerzos
tangenciales debidos al peso o cualquier otra causa (como agua de filtración,
peso de una estructura o fuerzas horizontales producidas por un terremoto)
superan la resistencia al corte del suelo, se produce el deslizamiento de una
parte del terreno.
Las otras estructuras muy ligadas a la mecánica de suelos son aquellas
construidas bajo la superficie del terreno como las alcantarillas y túneles, entre
otros, y que está sometida a las fuerzas que ejerce el suelo en contacto con la
misma. Las estructuras de contención son otro problema a resolver con el
apoyo de la mecánica de suelo entre las más comunes están los muros de
gravedad, los tablestacados, las pantallas ancladas y los muros en tierra
armada.
1.2. SUELO
Es el estrato suelto de material sin consolidar provenientes de la
meteorización de la roca.
Es una mezcla de partículas sólidas, líquidas y gaseosas.
Suprayaciendo a la corteza terrestre propiamente dicha, existe una pequeña
capa, formada por la desintegración y descomposición de sus últimos niveles,
esta pequeña capa del planeta, es el suelo, del cual se trata en mecánica de
suelos.
1.3. ORIGEN DE LOS SUELOS
La corteza terrestre es atacada principalmente por el aire y las aguas, siendo
los medios de acción de estas sustancias sumamente variadas. Todos los
mecanismos de ataque pueden incluirse en dos grupos:
a. DESINTEGRACIÓN MECÁNICA.- Es la intemperización de las rocas por
agentes físicos, estos agentes son:
Cambios de temperatura
Congelación del agua
Organismos y plantas.
Todos estos agentes llegan a formar el suelo (arenas, limos y
solo en casos especiales arcillas).
b. DESCOMPOSICIÓN QUIMICA.- Se refiere a la acción de agentes que
atacan a las rocas modificando su constitución mineralógica o química, el
principal agente es el agua, siendo los mecanismos de ataque, la
oxidación, la hidratación y la carbonatación. Los efectos químicos de la
vegetación juegan un papel no despreciable.
Estos mecanismos generalmente producen arcilla como último producto,
todos los efectos anteriores suelen acentuarse con los cambios de
temperatura, por lo cuál es frecuente encontrar formaciones arcillosas de
importancia en zonas húmedas y cálidas, mientras que son típicas de
zonas más frías formaciones arenosas o limosas, más gruesas.
En los desiertos cálidos, la falta de agua hace que los fenómenos de
descomposición no se desarrollen, por lo cual la arena predomina en estas
zonas.
HIDRATACIÓN
CARBONATACIÓN
OXIDACIÓN
PRODUCTOROCALIMOS YARCILLAS
AGUA
ESQUEMA DE LA DESCOMPOSICION QUIMICA
1.4. CLASES DE SUELOS
a. Suelos residuales.- Son producto del ataque de los agentes del
intemperismo, pueden quedarse en el lugar directamente sobre la roca de
la cual se derivan.
b. Suelos transportados.- Los suelos pueden ser removidos del lugar de
formación, por los mismos agentes geológicos y redepositados en otra
zona. Así se generan suelos que sobreyacen sobre otros estratos sin
relación directa con ellos.
Existen en la naturaleza numerosos agentes de transporte de los cuales
podemos citar como principales los glaciares, el viento, los ríos y corrientes
de agua superficial, los mares y fuerzas de gravedad; estos factores
actúan a menudo combinadamente.
- - - - - - - - -- - - - - - - - -: : : : : : : : : : ::::::::::::::::::
GRAVAS
ARENAS
LIMOS
ARCILLAS
Limite 76 mm
Limite 4.75 mm
Suelos gruesos
Menores de 0.075 mm
ESQUEMA DE LA ESTRUCTURA Y TEXTURA DE LOS SUELOS
1.5. ESTRUCTURA Y TEXTURA DE LOS SUELOS
1.5.1. DEFINICIÓN.- Definimos como estructura a la propiedad de los suelos
que produce una respuesta a los cambios exteriores y solicitaciones
tales como el agua, cargas (edificios, pavimentos, etc.)
respectivamente. Esta propiedad involucra tanto el arreglo geométrico
de las partículas como a las fuerzas que están sobre ellas, Involucra
conceptos como “gradación”, “arreglo”, “vacíos”, fuerzas ligantes y
fuerzas eléctricas asociadas.
1.5.2. ESTRUCTURA DE LOS SUELOS GRUESOS
Predominan las fuerzas gravitacionales, depende en gran medida de la
forma de las partículas, de su tamaño y de cómo estas están
organizadas. Las fuerzas gravitacionales predominan por sobre otras.
Así su resistencia o comportamiento hidráulico se ven gradualmente
afectados por circunstancias tales como la orientación de las partículas
o la cantidad de vacíos existentes en su masa.
Suelos cohesivos
En las figuras se muestran el arreglo de sus partículas. En el gráfico (a)
se observa el arreglo denominado estado más suelto y en el (b) se
observa el arreglo denominado estado más compacto.
(a) e Máx. (b) e Mín.
Estado más suelto Estado más compacto
n = 47.6%, e = 0.91 n = 26%, e = 0.35
Notándose que la cantidad de vacíos en ambos es diferente es decir con
relación de vacíos máx. y mín. en el arreglo de este tipo de partículas,
como las partículas reales difieren de la forma esférica rara vez da un
arreglo real y en consecuencia los diferentes tamaños y formas se
combinan para formar suelos muy densos o sueltos.
Utilizando ambas estructuras se puede concluir que la segunda (densa)
exige un arreglo mejor que la primera, es decir la resistencia que pueda
tener el suelo es mayor y que las partículas menores contribuyen al
soporte de cargas y el tener menor cantidad de vacíos existe menos
posibilidad de deformación. En la naturaleza el suelo se presenta en un
estado intermedio donde la relación de vacíos podría denominarse
estado natural (en) que en cierto modo representa el grado de acomodo
entre partículas.
1.5.3. DENSIDAD RELATIVA (Dr.)
La densidad relativa es un término relacionado con el grado de acomodo
de las partículas de un suelo. Matemáticamente puede calcularse con las
ecuaciones:
La Dr%. es sinónimo de que un suelo de partículas gruesas
correspondiendo en valores menores, menor será la resistencia; si a
mayor Dr%. mayor será la resistencia.
1.5.4. ESTRUCTURA DE LOS SUELOS COHESIVOS
El conocimiento de la composición interna de las láminas de arcilla es
más importante a nivel básico que a nivel ingenieril, sin embargo es útil
comprender su composición a fin de establecer su comportamiento.
Investigaciones recientes señalan el ambiente electroquímico que existe
en el agua en el momento de la formación del suelo como el factor más
incluyente en su futuro comportamiento y la sedimentación individual de
tales produce las denominadas estructuras: Floculenta, Panaloide,
Castillo de naipes y Dispersa.
1.5.4.1. - ESTRUCTURA FLOCULENTA (arcilla)
e máx. – e nat.Dr (%) = X 100 emáx. – e mín.
Si e nat. = e máx. Dr = 0%
Si e nat. = e mín. Dr = 100%
0 % £ Dr £ 100 %
ROCA
FISICA
QUIMICA
---------------- - - - - - - - - - - - - - - - - -
GRAVA
ARCILLA
FLOCULOS FORMADOS POR PARTÍCULAS INDIVIDUALES
VACÍOS O FANGO
LIMOS
ARCILLA
1.5.4.2. - ESTRUCTURA PANALOIDE
1.5.4.3. - ESTRUCTURA EN CASTILLO DE NAIPES
AGUA COLOIDE (ARCILLA MÁS PEQUEÑA)
Diámetro menor a 0.002 mm
Los flóculos están formados por cadenas de partículas
Predominan las fuerzas de adherencia
1.5.4.4. - ESTRUCTURA DIFUSA
1.5.4.5. COMPOSICION DE LAS ARCILLAS
Están compuestas por silicatos de Aluminio, hierro y silicatos de
magnesio. Con estructura cristalina dispuestas en forma de hojas de
un libro con dos unidades elementales para armar la estructura de
estos minerales. Están formados por:
Lámina silícica.- conformada por 4 átomos de oxigeno dispuestos en
los puntos de un tetraedro, que encierran a un átomo de silicio.
Corresponde a la naturaleza biopolar de las láminas de Arcilla donde existe atracción entre los extremos y las partes centrales, tal como se muestra en la figura.
Vacíos
Se origina cuando el peso de los estratos superiores, modifica el ángulo de contacto entre partículas
OXIGENOS
OXIGENOS
SILICIO
Un átomo de oxigeno que constituye un nexo con otro tetraedro similar formándose cadenas hexagonales dando lugar a la denominada lámina silícica
Aluminio
Lámina Alumínica.- Conformada por 6 átomos de oxigeno con la configuración de un octaedro, que encierran a un átomo de aluminio.
Principales propiedades de los suelos.
ESQUEMA DE LA LÁMINA SILÍCICA
ESQUEMA DE LA LÁMINA ALUMÍNICA
1. Estabilidad volumétrica: Los cambios de humedad son la principal
fuente: Se levantan los pavimentos, inclinan los postes y se rompen tubos
y muros.
2. Resistencia mecánica: La humedad la reduce, la compactación o el
secado la eleva. La disolución de cristales (arcillas sensitivas), baja la
resistencia.
3. Permeabilidad: La presión de poros elevada provoca deslizamientos y el
flujo de agua, a través del suelo, puede originar tubificación y arrastre de
partículas sólidas.
4. Durabilidad: El intemperismo, la erosión y la abrasión amenazan la vida
útil de un suelo, como elemento estructural o funcional.
5. Compresibilidad: Afecta la permeabilidad, altera la magnitud y sentido de
las fuerzas ínter partículas, modificando la resistencia del suelo al esfuerzo
cortante y provocando desplazamientos.
Las anteriores propiedades se pueden modificar o alterar de muchas
formas: por medios mecánicos, drenaje, medios eléctrico, cambios de
temperatura o adición de estabilizantes (cal, cemento, asfalto, sales, etc.).
Definiciones Importantes
Sensibilidad: O susceptibilidad de una arcilla, es la propiedad por la cual, al
perder el suelo su estructura natural, cambia su resistencia, haciéndose
menor, y su compresibilidad, aumenta.
Tixotropía: Propiedad que tienen las arcillas, en mayor o menor grado, por la
cual, después de haber sido ablandada por manipulación o agitación, puede
recuperar su resistencia y rigidez, si se le deja en reposo y sin cambiar el
contenido de agua inicial.
Desagregación: Deleznamiento o desintegración del suelo, dañando su
estructura, anegando el material seco y sometiéndolo a calor.
Suelo grueso -granular: Son los de mayor tamaño: Guijarros, gravas y
arenas. Su comportamiento está gobernado por las fuerzas gravitacionales.
Suelos fino - granulares: Son los limos y arcillas. Su comportamiento está
regido por fuerzas eléctricas, fundamentalmente.
Suelos pulverulentos: Son los no cohesivos, o suelos gruesos, pero limpios
(sin finos); es decir, los grueso -granulares limpios.
Arcillas Vs limos: En estado seco o húmedo, tiene más cohesión la arcilla.
La arcilla seca es dura mientras el limo es friable o pulverizable. Húmedos, la
arcilla es plástica y el limo poco plástico. Al tacto, la arcilla es más suave y a la
vista el brillo más durable.
Suelos especiales.
Suelos expansivos: Se denomina así a ciertos tipos de arcillas “Grasas”
pegajosas que absorben agua y se hinchan .Cuando se secan, se contraen y
se agrietan, a esta acción se le conoce como dilatación - contracción del
Suelo.
Estos suelos existen en muchas zonas, generalmente en climas secos.
Como algunos suelos se dilatan o se contraen fundamentalmente debido a los
cambios en el contenido de agua, esto se debe a un tipo de arcilla que recibe
el nombre de “Montmorillonita” se dilatan o encogen, según se añada o se
extraiga agua, uno de los componentes que esta presente es un material
llamado “Bentonita”
Estas arcillas tienen una capacidad de expansión de 8 a 16 veces su volumen.
Identificación de suelos expansivos
Haciendo uso de la carta de plasticidad, se indican los grados de capacidad
expansiva y los intervalos correspondientes del índice de plasticidad.
El hecho de que un suelo con elevado potencial de expansión, se expanda en la
realidad depende de varios factores. El de mayor importancia es la diferencia
entre la humedad de campo en el momento de la construcción y la humedad de
equilibrio que se alcanzará finalmente con la estructura terminada
Suelos dispersivos: En estos suelos ocurre una defloculación de las arcillas.
El fenómeno químico es propio de suelos salinos, cuando, por presencia de
sodio se desplaza el agua recién venida y adsorbida, para romper los enlaces.
El chequeo del potencial dispersivo se hace contando iones disueltos de Na+,
Mg++, Ca++ y K+ y comparando, con el total de sales, en términos de
concentración, el resultado.
El efecto de la dispersión es la erosión interna (tubificación) y la pérdida de
resistencia por destrucción de la estructura del suelo.
En un ensayo de erodabilidad, todos los suelos dispersivos son erodables. Los
suelos dispersivos son sódicos - cálcicos y el remedio es echar cal viva para
sacar el Na+. Se presentan en el Huila y Guajira (ambiente árido y suelo
marino)
Suelos colapsables: Los suelos colapsables son aquellos que al ser
humedecidos o al aplicárseles una pequeña carga adicional, sufren una
radical redistribución de sus partículas, reduciendo marcadamente su
volumen, los grandes asentamientos que ocurren pueden causar diversos
problemas a las edificaciones, servicios públicos vitales y otras obras de
Ingeniería.
La mayoría de los suelos colapsables que se presentan en estado natural son
eólicos, es decir, arenas y/o limos depositados por el viento, tales como los
loes, las playas eólicas y los depósitos de polvo volcánico, los cuales tienen
altas relaciones de vacíos, pesos específicos bajos y sin cohesión o solo
ligeramente cohesivos, Los depósitos de loes tienen partículas de tamaño de
limo. La cohesión en los loes puede ser el resultado de la presencia de arcilla
alrededor de las partículas de tamaño de limo, que las mantiene en una
condición bastante estable en un estado no saturado. La cohesión también es
ocasionada por la presencia de precipitados químicos lixiviados por el agua de
lluvia. Cuando el suelo se satura, la adhesión de la arcilla pierde su resistencia
y por tanto sufre un colapso estructural.
Muchos suelos colapsables son suelos residuales producto del intemperismo
de la roca madre. El proceso de imtemperismo produce suelos con un gran
rango de tamaños de partículas. Los materiales solubles y coloidales son
lavados por el intemperismo, resultando grandes relaciones de vacíos y por
consiguiente estructuras inestables.
En los suelos potencialmente colapsables que no contienen sales solubles, la
mayor parte del asentamiento ocurre al producirse la saturación. En cambio,
en suelos con un porcentaje significativo de estas, debido a que su pérdida
ocurre en el tiempo, el asentamiento es gradual y en algunos casos el lavado
de suelos puede producir grandes agujeros.
Suelos orgánicos: El primer producto de estos materiales es la turba, materia
orgánica en descomposición. Por su porosidad, tiene alto contenido de
humedad, baja resistencia, alta compresibilidad e inestabilidad química
(oxidable). Deben evitarse como material de fundación y como piso para
rellenos. El humus es de utilidad económica y ambiental, por lo que debe
preservarse.
Suelos solubles: La disolución se presenta en suelos calcáreos (calizas –
yesos); El ácido carbónico producido, ataca de nuevo los carbonatos del
suelo, por lo que es recomendable aislar la obra del flujo de agua.
Ca CO3 + H2O + CO2---------------------- Ca (OH) 2 + H2CO3
El ácido carbónico
SEGUNDA UNIDAD: Relaciones Volumétricas y Gravimétricas
2.1. Introducción
En un suelo se distinguen tres fases constituyentes: la sólida, la líquida y la
gaseosa. La fase sólida está formada por las partículas minerales del suelo
(incluyendo la capa sólida adsorbida); la líquida por el agua (libre,
específicamente), aunque en el suelo pueden existir otros líquidos de menor
significación; la fase gaseosa comprende sobre todo el aire, pero pueden estar
presentes otros gases (vapores sulfurosos, anhídrido carbónico, etc).
Las fases líquida y gaseosa del suelo suelen comprenderse en el volumen de
vacíos (Vv), mientras que la fase sólida constituye el volumen de sólidos (Vs).
Se dice que un suelo es totalmente saturado cuando todos sus vacíos están
ocupados por agua. Un suelo en tal circunstancia consta, como caso particular
de solo dos fases, la sólida y la líquida. Es importante considerar las
características morfológicas de un conjunto de partículas sólidas, en un medio
fluido. Eso es el suelo. Las relaciones entre las diferentes fases constitutivas
del suelo (fases sólida, líquida y gaseosa), permiten avanzar sobre el análisis
de la distribución de las partículas por tamaños y sobre el grado de plasticidad
del conjunto.
En los laboratorios de mecánica de suelos puede determinarse fácilmente el
peso de las muestras húmedas, el peso de las muestras secadas al horno y la
gravedad específica de las partículas que conforman el suelo, entre otras.
Las relaciones entre las fases del suelo tienen una amplia aplicación en la
Mecánica de Suelos para el cálculo de esfuerzos. La relación entre las fases,
la granulometría y los límites de Atterberg se utilizan para clasificar el suelo y
estimar su comportamiento.
Modelar el suelo es colocar fronteras que no existen. El suelo es un modelo
discreto y eso entra en la modelación con dos parámetros, e y n (relación de
vacíos y porosidad), y con las fases. El agua adherida a la superficie de las
partículas, entra en la fase sólida. En la líquida, sólo el agua libre que
podemos sacar a 105 °C cuando, después de 24 o 18 horas, el peso del suelo
no baja más y permanece constante.
2.2. FASES DEL SUELO
En el suelo puede observarse la existencia de una fase sólida formada por las
partículas minerales, una fase líquida que seria el agua intersticial libre y una
parte gaseosa que reúne al aire o vapores producto de la descomposición
orgánica atrapados entre los sólidos.
ESQUEMA DE UN SUELO
Vs
Vw
Va
Vm
Ws
Ww Wm
Volúmenes (v) Pesos (w)
SÓLIDOS
LIQUIDO
GAS
En Mecánica de Suelos, se relaciona el peso de las distintas fases del suelo
con sus volúmenes correspondientes, por medio del concepto del peso
específico.
Peso especifico aparente (gm): Conocido como peso volumétrico, densidad
aparente, peso específico de masa
gm = Wm/ Vm = Ws + Ww…………………………………………...(1)
Vm
Peso especifico del agua (gw):
go = gw……………………………………….En condiciones prácticas
Peso especifico del agua destilada (go): a 4°C y a P.A:n.m. en sistemas
derivados del métrico decimal es igual a 1 ó a una potencia de 10.
Vm = Volumen total de la masa del
suelo
Vs = Volumen de sólidos
Vw = Volumen del líquido (agua)
Va = volumen del aire
Wm = Peso total de la masa del
suelo
Ws = Peso de los sólidos
Ww = Peso del líquido
Wa = Peso del aire = 0
Peso especifico de los sólidos (gs):
gs = Ws...................................................................................... (2)
Vs
2.4 ≤ gs ≤ gr/cm3
En los laboratorios de Mecánica de Suelos puede determinarse fácilmente el
peso de las muestras húmedas y secas en el horno o estufa y el peso
específico relativo de los suelos. Estas magnitudes no son las únicas cuyo
cálculo es necesario, es preciso obtener relaciones volumétricas y
gravimétricas para poder determinar otras magnitudes en términos de estas.
Peso Específico Relativo: Viene hacer la relación entre el peso específico de
la sustancia y el peso específico del agua destilada a 4° C y sujeta a una
atmósfera de presión.
Peso especifico relativo de la muestra (Sm):
Sm = gm/ go = Ww……………………..…………………………...
(3)
Vm go
Peso especifico relativo de los sólidos (Ss):
Ss = g s = Ws…………..…………..……………………………….
(4)
go Vsgo
2.3. RELACIONES FUNDAMENTALES PARA EL MANEJO DE LAS PROPIEDADES MECANICAS DE LOS SUELOS.
2.3.1. Relación de vacíos (e): También conocido como proporción de
vacíos
e = Vv/Vs………………………………..…………………………..(5)
0 < e < ¥ ………………………variación teórica
0.25 < e < 15……………………..variación practica
0.25, para arenas muy compactas, a 15, para arcillas altamente
compresibles.
2.3.2. Porosidad (h %):
h% = Vv/Vm ……………………………………………………….(6)
0 <h < 100 ……………variación teórica (suelos con fase sólida)
20% <h< 25%……………………..variación práctica.
2.3.3. Grado de saturación (GW %):
Gw % = (Vw/Vv)*100………………………………………………..(7)
0% < Gw < 100%
0………………….Suelos secos
100……………….suelos saturados
2.3.4. Contenido de humedad (w%):
w % =(Ww/ Ws) x 100…………………………………………… (8)
2.4. CORRELACION ENTRE LA RELACION DE VACIOS Y POROSIDAD.
Si consideramos una muestra de suelo, adoptando el valor de la unidad (1)
para el volumen de sólidos se obtiene:
Solución:
Esquema de una muestra de suelo, en tres fases.
GAS
LIQUIDO
SÓLIDOS Ss goVs = 1
1+ e
ewSs go
1. Como dato Vs = 1, incógnitas Vm, Vv, Ws, Ww.
2. Consideramos el concepto Ss……Ss = (Ws/Vs)* go. Luego: Ws = Ss go
3. De la ecuación (8)………w = Ww/Ws …………………….Ww = wSs go
4. De la ecuación(5)………. e = Vv/Vs………………………Vv = e
5. Aplicando la definición de porosidad
n = Vv /Vm = e / (1 + e)………………………… (9)
e = h/ (1 - h)………………….………….…….. (10)
2.5. FORMULAS PARA SUELOS SATURADOS Y PARCIALMENTE
SATURADOS.
2.5.1. SUELOS SATURADOS.
Se considera un suelo con dos fases: La sólida y líquida, en otras
palabras los vacíos están ocupados íntegramente por el líquido (agua).
En el esquema (a) consideramos Vs = 1 y en (b) consideramos Vm = 1
Esquema de suelo (a) Esquema de suelo (b)
Solución (a)1. De la formula (4) obtenemos:
Ss = Ws/Vsgo………..Ws = Ssgo2. De la formula (5) obtenemos:
e = Vv/Vs……………..Vs = e3. Del concepto del go obtenemos:
go = Ww/Vw; pero Vw =VV = ego = Ww/e…………….wW = e go
Solución (b)1. De la formula (6) obtenemos:
h= Vv/Vm…..………..h = Vv2. De la formula (4) obtenemos:
Ss = Ws/Vs go……..Ws =(1-h) Ssgo3. De la formula (3) obtenemos:
go = Ww/Vw; ……….wW = h go
Vs = 1
1
Ss go
e goe
(1-h)Ss go
(1-h)Ss go
1 - h
h
Sólidos
LíquidoLíquidos
Sólidos
De la formula (8) obtenemos:
w = Ww/Ws = e go /Ss g o ………………e =wSs……………………..(11)
De la formula (1) y (3), obtenemos:
Sm = gm / go......................gm / go………………gm = (Ss + e) /( 1 + e)
Sm = (Ss go + e go) = Ss + e) = Ss (1 + W) = h + (1 - h) Ss ………(12)
( 1 + e )go 1 + e 1 + Ss w
gm = Sm go = Ss + e go = Ss (1 + W) go = h+ (1 - h) Ss go…........
(13)
.
2.5.2. FORMULAS PARA SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS
Esquema de suelo (a) Esquema de suelo (b)
1+ e
1 / Ss go 1
ww Ss go
1
e / Ss goe
Ss go
Solución (a)
1. De la formula (5) obtenemos:Vv = e
2. De la formula (4) obtenemos:Ss = Ws/Vs go……….Ws = Ss go
3. De la formula (8) obtenemos:w = Ww/Ws……Ww = w Ss go
Solución (b)
1. De la formula (4) obtenemos:Ss = Ws/ Vs go= Vs = 1 / Ssgo
2).- de la formula (8) obtenemos:W = Ww/Ws……………Ww = W
3).- de la formula (2) obtenemos:gs = Ws/Ws= 1/Vs….…e = Vv/Vs
Vv = e / Ss go
FORMULAS PARA SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS
De la formula (1), (3) y (7) obtenemos:
De (1)
gm = 1 + w . gs..........................................................................(14)
1 + e
gm = Ws + Ww = Ss go + W Ss go
Vm 1 + e
Ss = gs/go …………………….gs = Ss go
gs + w gs = 1 + w gs…………………………………………. Ok.
1 + e 1 + e
De (3)
sm = 1 + W Ss…………………………………………….…........(15)
1+e
Sm = gm/go = (1+w) go/ (1+e)go x Ss = 1+w/(1+e) (Ss)……Ok.
De (7)
Gw% = W Ss /e x 100…………………………………..……… (16)
Gw% = Vw/Vv (100); pero go = Ww/Vw, entonces: Vw = Ww/go
Gw% = Ssgow/goVv =wSs/e(100)
2.5.3. PESO VOLUMETRICO SECO O DENSIDAD SECA ( gd )
gm = Wm = Ws + Ww ; También gm = Ss gw (1+w)
Vm Vm 1+e
Si Ww = 0
gm = gd = Ws………………………………………………………
(17)
Vm
gd = Ss gw
(1+e)
Peso volumétrico en función de la humedad
gd = gh gh: Peso volumétrico húmedo
1+w w: contenido de humedad
2.5.4. SUELOS SUMERGIDOS (g’)
Esto supone considerar el suelo saturado y sumergido. Al sumergirse,
según Arquímedes, el suelo experimenta un empuje, hacia arriba, igual
al peso del agua desalojada.
▼Nivel Freático
Límite de capilaridad
Agua adsorbida
Suelo sumergido
Suelo saturado
Suelo parcialmente saturado
W = V*g
Empuje hidrostático = V * go
PESO ESPECIFICO DE LA MASA SUMERGIDA ( g’m )
g’m = gm – 1 (en gr/cm3)………………………………………………(19)
En suelos bajo el nivel freático (suelo sumergido) el empuje hidrostático influye
en los pesos específicos tal como se anota, ya que los suelos sufren un
empuje ascensional que en magnitud es igual al volumen del líquido
desplazado. En el cálculo caso del peso específico aparente debe
contemplarse la posibilidad de que este se encuentre totalmente saturado.
S’s = Ss – 1 ………………………………………………………..(19)
S’m = Sm – 1 ………………………………………………………(20)
gm = Ss – 1 go = Ss – 1 go ……………………………………...(21)
1+e 1 + Ss wg’m = Ss – 1 gd………………..…………………………………. (22)
Ss
W sumergido = Vg - Vgo
W sumergido = V(g - go) …..Ws/Vs = g’s = gs - go
Peso específico de sólidos sumergido ( g’s)
g’s = gs - go; como go = 1 gr/cm3
PESO ESPECIFICO DE SÓLIDOS
OTRAS FORMULAS DE IMPORTANCIA
gS = Ws = Wm – Ww = g h Vm Vm 1 + w
SUELO gS (gr/cm3) SUELO gS (gr/cm3)
ARENA DE CUARZO
2.65 MONTMORILLONITA 2.41
GRAVA 2.25 A 2.40 CAOLINITA 2.60LIMO 2.65 A 2.68 CUARZO 2.66ARCILLA ARENOSA
2.68 A 2.72 CALCITA 2.72
ARCILLA GRAVOSA
2.73 A 2.75 MICA 2.80 A 2.90
POROSIDAD Y RELACION DE VACIOS
SUELO POROSIDAD h % RELACION DE VACIOS
GRAVA 40 A 95 0.67 A 1.22GRAVA ARENOSA 15 A 40 0.187 A 0.67ARENA 20 A 50 0.75 A 1.00LIMO ARENOSO 20 A 30 0.25 A 0.43LIMO 40 A 65 0.67 A 1.85ARCILLA COMPACTA 20 A 40 0.25 A 0.67ARCILLA GRAVOSA 40 A 90 0.67 A 2.00ARCILLA RIGIDA 30 A 50 0.43 A 1.00ARCILLA PLASTICA 40 A 70 0.67 A 2.33FANGO (BARRO) 70 A 90 2.33 A 2.90
PESO ESPECÍFICO SECO (gd)
SUELO ESTADO
SECO HUMEDO MOJADO ARENA MEDIA
SUELTA COMPACTA
1.50 1.80
1.70 1.90
2.00 2.10
ARCILLA - 2.00 1.90
g = Ws Vs
h = g s - g d X 100 …………………………………………..(23) gs
e = g s - g d ..…………………………………..……………….(24) gd
PROBLEMAS RESUELTOS DE REALCIONES VOLUMETRICAS Y
GRAVIMETRICAS
PRBLEMA Nª 1 Dado el contenido de agua de un suelo saturado y su peso
especifico relativo de sólidos, encuentre el peso especifico de la masa y el
peso especifico sumergido de ese suelo. Utilice un esquema en que figuren
sólo las cantidades.
Solución
Por definición: W % = (Ww/Ws)*100
Si:
Además:
El peso específico de la masa por definición es:
En el esquema:
WWγ 0W S=1∴w=WW
SS=W S
V S γ0
∴V S=1
SS γ0
11
SS γ 0V W=W W
γ0
∴V W=wγ 0
γ m=W m
vm
γm= 1+wwγ 0
+1
SS γ 0
∴ γm=SS γ 01+w
1+wSS
γ m=γm−γ 0=SS γ 01+W
1+WSS
−γ0=(SS−1 )γ 0
1+SS
PROBLEMA Nª 2 Dados n y m, encontrar SS para un suelo saturado. Utilice
un esquema en que figuren sólo las cantidades conocidas.
Solución:
Por definición:
Por lo tanto:
El peso del agua será:
Aplicando la definición para SS se tendrá:
PROBLEMA Nª 3 En un suelo saturado se conocen el peso especifico
húmedo, gm = 2050 kg/m3 y su contenido de agua, w=23%. Encontrar el SS
de dicho suelo. Aplicando la definición de Ss. Si sabemos que WW = 0.23 Tn
y Ws = 1 Tn
Solución:
Por lo tanto: VW = 0.23 m3
También:
De donde:1.0
0.230.23
0.37
nγ 0nn=
V V
V m
;siV m=1∴n=V V
1nw
γ 01−nV S=1−n
W W=V W γ 0=nγ 0
W S=W W
w= n
wγ 0
SS=W S
V S
=
nw
γ0
(1−n ) γ 0
=n
w (1−n )
W S=1Tnw=W W
W S
γ m=W m
V m
V m=1+0 . 23
γ m
=1 . 232 . 05
=0 . 6m3
Por lo que:
PROBLEMA Nª 4 En un suelo saturado:
SS = 2.65
Sm = 1.80
Calcule la e y la w del suelo:
Solución:
Por definición
También:
Aplicando la definición de Sm, se tiene:
PROBLEMA Nª 5. Una muestra de arcilla saturada pesa 1526 g. Después de
secada al horno su peso pasa a ser 1053 g. Si el SS vale 2.70, calcule e, n, w,
gm y gd.
1
e
2.65
e
V S=1
SS γ0
=0 .6−0 . 23=0 . 37 m3
SS=1
0 . 37=2 .7
V S=1m3e=
V V
V S
;
V V=V W=em3∴W W=eTn.
SS=W S
V S γ0
∴W S=V S SSγ 0=2.65 Tn .
Sm=W m
V m γ 0
= e+2. 651+e
=1 . 80∴ e=1. 06
w=W W
W S
= e2 .65
=1 .062 .65
=0 . 40 ; w=40 %
%45w
378.1863
1526cmg
VW
m
mm g
322.1863
1053cmgd g
Solución:
Puede hacerse el esquema de la fig. a partir de él, usando las definiciones, se
tiene:
PROBLEMA Nª 6. En un suelo parcialmente saturado se conoce e, SS, GW.
Suponiendo que el gas disuelto está unifórmenle distribuido en la masa del
suelo, abajo del nivel freático, encuentre gm y g´m, en función de las cantidades
conocidas y haciendo uso de un esquema apropiado.
Solución:
Por definición:
Si se hace Vs = 1; resulta: Por lo tanto:
Vv = e
También por definición:
sólido
390 1053
473 473e=V V
V S
=473390
=1 .21
n=V V
V m
=473473+390
=0 . 55
w=4731053
=0 .42 ;
e=V V
V S e
eGW
GW eγ01W S=SS γ 0
GW=V W
V V
∴V W=eGW
Y corresponde:
Luego las incógnitas valdrán:
PROBLEMA Nª 7. En una muestra de suelo parcialmente saturado se conoce
el peso especifico, el contenido de agua w, y el valor de SS. Encuentre el peso
específico seco, la relación de vacíos y el grado de saturación en función de
las cantidades conocidas, utilizando un esquema adecuado.
Solución:
Por definición:
Si hacemos:
Tendremos:
Una vez construido el esquema, las incógnitas pueden calcularse aplicando
las correspondientes definiciones:
W W=eGW γ0
γ m' =γm−γ 0=
(SS−1 )−e (1−GW )1+e
γ 0γ m=W m
V m
=GW e+SS
1+eγ 0
w=W W
W S
wγ 0
W W=wW S=1
1+wγ m
wW S
V S γ 0
=SS∴V S=1
SS γ0
γ m=W m
V m
=1+wV m
∴V m1+w
γ m
1SS γ 0
1
V W=W W
γ0
∴V Wwγ 0
e=V V
V S
=V m−V S
V S
=V m
V S
−1=1+wγm
SS γ 0−1γ d=W S
V m
= 11+wγm
=γ m
1+w
PROBLEMA Nª 8 En un suelo parcialmente saturado se conocen:
Encuentre: y
Solución
Por definición:
Haciendo , resulta:
PROBLEMA Nª 9 En una muestra de suelo parcialmente saturado se
conocen:
Encuentre:
Vs=1
1
0.42
0.18
2.75
0.42
GW=V W
V V
=V W
V m−V S
=
wγ0
1+wγm
− 1SS γ0
e=0 . 60 , SS=2 . 75 ,GW=70 %
w , γd(kg /m3)γ m
(kg /m3 )
e=V V
V S
;GW=V W
V V
∴V W=V V GW=0 .60×0. 70=0 . 42m3
V V=e=0 .60 m3 ,
V a=V V−V W=0 .60−0 .42=0 . 18 m3
w=W W
W S
=0 . 422 .75
−0 .153∴w=15. 3%
γ d=W S
V m
=2 .751 .60
=1. 72Tnm3
=1720 kg /m3
γ m=2 .75+0. 42
1 .60=3 .17
1 .60=1.98 Tn/m3=1980 kg/m3
V m=50 cm3 , Wm=95 g ,W S=75 g , SS=2 .68
(kg/m3)w , e , n ,GW , γm , γ d
V S=W S
SS γ0
=752 . 68
=28 cm3W W=W m−W S=95−75=20 g .
Solución:
Entonces:
PROBLEMA Nª 10 El volumen de una muestra irregular de suelo
parcialmente saturado se ha determinado cubriendo la muestra con cera y
pesándola al aire y bajo agua. Se conocen:
Peso total de la muestra al aire 180.6g
Contenido de agua de la muestra 13.6g
Peso de la muestra envuelta en cera, en el aire 199.3g
Peso de la muestra envuelta en cera, sumergida 78.3g
Peso especifico relativo de los sólidos del suelo 2.71g
Peso especifico relativo de la cera 0.92g
Determinar la densidad seca de la muestra y el Grado de Saturación.
Solución :
V a=V m−V S−V W=50−48=2 cm3V W=W W
γ0
=20 cm3 .
w=W W
W S
=2075
=0 . 267∴w=26 . 7 %
n=V V
V m
=2250
=0 . 44∴n=44 %e=V V
V S
=2228
=0 .79 .
GW=V W
V V
=2022
=0.91∴GW=91 %
γ m=9550
=1 . 9 g /cm3=1900 kg /m3 .
γ d=7550
=1 .5 g /cm3=1500 kg /m3
En este caso convendrá hacer un esquema en que, además de las tres fases
usuales, se haga intervenir a la cera.
El volumen total del suelo y cera será:
El volumen de la masa de suelo será:
El volumen de la masa de suelo será:
Vm = 199.3-78.3 = 121.0cm3
go
Pasa al esquema:
El volumen de la cera es el cociente de su peso entre su peso especifico, que es un dato del problema.
Se tiene: w=
W W
W S
=0 . 136 ; es un dato del
problema.
W S+W W=180 . 6 g∴w=
180 .6−W S
W S
=0. 136
Por lo que: W S=159 g
Dato que puede ponerse en el esquema
Cera
Sólidos
Agua
Gas
W t=W m+Wcera=199 . 3 gW m=180 .6 g
∴Wcera=199.3−180. 6=18 .7 g
V m=V t−Vcera=121−18 .70.92
=121−20. 3=100. 7 cm3
V m=V t−Vcera=121−18 .70.92
=121−20. 3=100. 7 cm3
W W=W m−W S=180. 6−159=21 . 6 g
V S=W S
SS γ0
=1592 . 71
=58 . 8cm3V W=W W
γ0
=21 .6 g
Con lo anterior queda completo el esquema operativo de la fig.
Ahora:
PROBLEMA Nª 11 Una muestra de arena totalmente seca llena un cilindro
metálico de 200 cm3 y pesa 260g (WS), teniendo SS = 2.6. Calcule e.
Solución:
Datos:
Incógnita:
PROBLEMA Nª 12 El contenido de agua de un suelo saturado es 40%. El SS
de sus partículas es 2.65. Calcule para tal suelo e y gm
Solución:
Datos:
??, me g
Si VS = 1
V a=121−(20 .3+58. 8+21 .6) ]=121−100 .7=20 . 3 cm3
γ d=W S
V m
=159100 .7
=1. 58 g/cm3=1 . 580 kg/m3
GW=V W
V V
21.620 .3+21. 6
=21. 641 . 9
=0 . 52∴GW=52 %
V m=200 cm3 SS=2. 6W m=260gr .
e=?
∴ e=V V
V S
⇒ e=1 gr /cm3
V V=V m−V S⇒V V=100 cm3
SS=W S
V S γ0
⇒V S=2602. 6
=100 cm3
w %=40 %
SS=2. 65
PROBLEMA Nª 13 En un suelo parcialmente saturado e = 1.2; w = 30%; SS =
2.66; calcule el gm y el gd de dicho suelo.
Datos:
Solución: Ss = gs/go Luego gs= Ssgo=2.66gr/cm3
e=n/(1-n) y n=e/1+e
Fase liquida
Fase sólida
⇒SS=W S
V S γ 0
⇒W S=2. 65 g
V S=1cm3 , V m=2 .06 cm3
V V=V m−V S=1.06 cm3
w %=W W
W S
×100
0 .40 (2 .65 )=W W
W W=1 .06 g∴V W=1 .06 cm3
γ m=W S+W W
V m
=2.65+1 .062. 06
=1.80095 g/cm3=1800kg/m3
e=V V
V S
=1.061
=1 . 06
SS=2. 66
γ m , γ d=?w=30 %
e=1 .2
γ m=SS (1+w ) γ0
1+e
γ m=(1+0 .3 ) (2 . 66 ) (1 g /cm3 )
1+1 .2
γ m=1 .5718 g /cm3=1571. 8kg /m3
γ d=γ m
1+w=1 . 5718
1 . 3g/cm3=1 .2091 g /cm3=1209 .1kg /m3
PROBLEMA Nª14.Una muestra de suelo pesa 122g y tiene un peso especifico
relativo Sm = 1.82. El peso especifico relativo de los sólidos es SS = 2.53. Si
después de secada al horno la muestra pesa 104g ¿ Cuál será su volumen de
sólidos y cuál su volumen de aire ?.
Datos:
Solución:
PROBLEMA Nª15.Una muestra de arcilla saturada pesa 1526g y 1053g
después de secada al horno. Calcule su w% Considerando gs = 2.70 g/cm3,
calcule también e, n y gm
Datos:
Solución
Fase sólida
Fase gaseosa
Fase liquida
Fase sólida
Fase gaseosa
Fase liquida
41.1
122
25.93
Sólidos
Líquido
Sm=1. 82W m=122g
W S=104 gV S , V a=?
Sm=W m
V m γ 0
⇒V m=1221. 82
⇒V m=67 . 03 cm3
SS=W S
V S γ0
⇒VS=1042. 53
⇒V S=41.10 cm3
V V=V m−V S=25 .93 cm3
V V=V W+V a⇒V a=7 . 93 cm3
w , e , n , γ m=?
γ S=2. 70 g /cm3
γ S=W S
V S
⇒V S=10532. 70
⇒V S=390 cm3
V V=V m−V S⇒V V=473
n=V V
V m
×100=0 .55=55 %e=V V
V S
=473390
=1 .21
2.6. ENSAYOS DE LABORATORIO.
Determinar en el laboratorio, el contenido de Humedad, el peso
volumétrico (Densidad aparente) y el peso especifico de sólidos.
2.6.1. DETERMINACION DEL CONTENIDO DE HUMEDAD EN EL
LABORATORIO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
REFERENCIAS: ASTM D2216 – 71 (NORMAS ASTM parte 19)
Este ensayo de laboratorio tiene como finalidad, determinar el contenido de humedad de una muestra de suelo. El contenido de humedad de una masa de suelo, esta formado por la suma de sus aguas libre, capilar e higroscópica.La importancia del contenido de agua que presenta un suelo representa junto con la cantidad de aire, una de las características más importantes para explicar el comportamiento de este (especialmente en aquellos de textura más fina), como por ejemplo cambios de volumen, cohesión, estabilidad mecánica.
EQUIPO:
Recipiente para humedad (aluminio o lata)
Horno eléctrico (estufa) con control de temperatura de 110
± 5°C
Balanza.
MUESTRA:
γ m=W S+W W
V m
=1 .77 g/cm3
w %=W W
W S
×100=45 %
Se utiliza parte del suelo extraído (alterado o inalterado)
Para lograr una determinación confiable del contenido de
humedad, se recomienda utilizar cantidades mínimas de
muestra (muestra representativa).
Tamaño de partículas Peso mínimo de la muestra (gr)
Nª 4 (4.75mm)
40 (0.42mm)
12.5mm
50.0mm
100
10-50
300
1000
METODO I REFERENCIAS: ASTM D2216 – 71 (NORMAS ASTM parte 19)
PROCEDIMIENTO:
1. Se pesa una lata con su respectiva tapa (tamaño recomendable 5 cm Æ
por 3 cm de altura ó 6.4 cm Æ por 4.4 cm.)
2. Colocar una muestra representativa de suelo húmedo en la lata y
determinar el peso del recipiente + suelo húmedo. Sí para determinar
el peso se presentaría una demora de 3 a 5 minutos, es necesario
colocar la tapa para mantener la humedad.
3. Luego de pesar la muestra húmeda, se retira la tapa y colocarla de bajo
del recipiente y coloque la muestra en el horno.
4. Después de 24 horas, se pesa la lata con el suelo seco, si a la pesada
no se realiza inmediatamente se debe colocar la tapa. Asegúrese de
usar la misma balanza para todas las mediciones.
5. Determinar la cantidad de agua evaporada
Ww = (Wh – Ws)
6. Determinar el contenido de humedad mediante la siguiente expresión.
W% = (Ww/Ws)(100)
Donde:
W% : Contenido de humedad expresado en porcentaje
Ww : Peso del agua existente en la masa del suelo, en
Estado natural.
Ws : Peso de las partículas sólidas.
Recomendaciones:
Se recomienda usar el horno a 6 0 º C, para no falsear la humedad en
suelos que contienen cantidades significativas de materia orgánica,
yeso o ciertos tipos de arcillas.
En la mayoría de los casos, el tiempo de secado varía dependiendo del
tipo de suelo. Por ejemplo una muestra de arena puede secarse en
sólo algunas horas, ciertas arcillas podrán tardar más de 24 horas. En
caso de que el tiempo establecido sea insuficiente, la muestra
continuará en el horno hasta obtener pesadas consecutivas constantes
transcurridas 4 horas entre ellas.
Las muestras ensayadas para determinar la humedad, deberán ser
descartadas y no se utilizarán en ningún otro ensayo.
PRESENTACIÓN DE RESULTADOS:
El ensayo de laboratorio encargado por el docente, se presentarán según
formato adjunto.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍNFACULTAD DE INGENIERÍA CIVILLABORATORIO DE MECANICA DE SUELOSDETERMINACION DEL CONTENIDO DE HUMEDADProyecto:Ubicación:Descripción del suelo:Condición de la muestra: Alterada - Inalterada
Método secado al hornoMuestra Nº 1 2 3 4 5
Peso recipiente + suelo húmedo
Peso recipiente + suelo seco
Peso recipiente
Peso suelo seco
Peso agua
Contenido de humedad ( % )
2.62. Determinación del contenido de humedad In Situ
Método II
Método del Speedy. Consiste en mezclar una muestra de suelo previamente pesada con carburo de calcio molido en el interior de una cámara de acero hermética, la cual posee en su base un manómetro que registra la presión originada por el gas acetileno
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍNFACULTAD DE INGENIERÍA CIVILLABORATORIO DE MECANICA DE SUELOSDETERMINACION DEL CONTENIDO DE HUMEDADProyecto:Ubicación:Descripción del suelo:Condición de la muestra: Alterada - Inalterada
Humedad Promedio = %
Análisis de resultados:
entregando indirectamente la humedad del suelo referida al pe so húmedo de la muestra. La limitante es que este método entrega resultados falsos en suelos plásticos y además la muestra empleada es muy reducida.
EQUIPO:
Kit para ensayo de contenido de humedad
PROCEDIMIENTO:
1. Limpiar el speedy.- utilizando el cepillo, que contiene el Kit
se limpia la cámara interior para eliminar los residuos de la
anterior prueba, asegurando con ello mejor resultado.
2. Preparar el material para la prueba en el lugar donde se
requiera realizar el ensayo, no es necesario la preparación
con minerales concentrados, pulverizar el material si tuviese
terrones dejando el material listo según las especificaciones
de preparación, en caso de agregados no es necesario la
preparación
3. Pesar el material, poner en posición la balanza para pesar
el material correctamente, este peso, deberá balancear el
brazo de la balanza y de esta forma hacer coincidir las
marcas rojas que posee la palanca.
4. Poner el material.- Poner la muestra del material a utilizar
dentro de la cámara de el speedy todo este procedimiento
deberá realizarse en un tiempo máximo de 1 minuto.
5. Material o Carburo Absorvente.- Poner en el cabezal de la
cámara interior del speedy el carburo absorbente, para la
cual se utilizara el cucharón que se encuentra en el kit , el
mismo que se encuentra calibrado para utilizar la cantidad
de carburo necesario para el ensayo, cuidándose de que el
material se encuentre al ras.
6. Tapar y ajustar el speedy y colocar en forma horizontal tal
que la muestra que se encuentre en el interior no se realice
un mezclado rápido, con el carburo.
7. Mover.- Una vez tapado y ajustado el speedy se
autochequeará el dial de speedy para mantener o visualizar
que marque cero una vez verificado el mismo, mover
vigorosamente durante 15 segundos y se verá si el dial
marca una nueva lectura, si así fuese, se procederá a
mover por un espacio de un minuto, repitiendo el mismo a
cada minuto con breve intervalo siendo conveniente llegar
hasta los tres minutos como máximo.
8. Lectura del dial.- Una vez que se haya realizado el paso
anterior se deberá leer inmediatamente el dial del speedy
poniendo en forma horizontal determinándose de esta
forma la humedad de la muestra, siendo la misma con una
lectura directa en porcentaje.
9. Se retira el seguro de la tapa extrayendo el material
cuidando de que no haga contacto con ningún material
corrosivo, ya que esta muestra tiene un alto potencial de
ignición, limpiar y guardar para un próximo ensayo.
2.6.2. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD IN SITU (PESO
VOLUMÉTRICO DE UN SUELO)
El ensayo permite obtener la densidad del terreno y así verificar
los resultados obtenidos en faenas de compactación de suelos,
en las que existen especificaciones en cuanto a la humedad y la
densidad.
Entre los métodos utilizados, se encuentran el método del cono
de arena, el del balón de caucho e instrumentos nucleares entre
otros.
Tanto el método del cono de arena como el del balón de caucho,
son aplicables en suelos cuyos tamaños de partículas sean
menores a 50mm, utilizan los mismos principios, o sea, obtener
el peso del suelo húmedo (Whum) de una pequeña perforación
hecha sobre la superficie del terreno y generalmente del espesor
de la capa compactada. Obtenido el volumen de dicho agujero
(Vol.Exc), la densidad del suelo estará dada por la siguiente
expresión:
γ hum = W hum / Vol. Exc (gr)
METODO VOLUMÉTRICO
EQUIPO Y MUESTRA:
Se utiliza un cilindro de acero (molde proctor,
muestreador),
Se determina su volumen interior.
luego se llena con una muestra inalterada (penetrando el
cilindro al suelo inalterado).
PROCEDIMIENTO:
Medición del volumen del cilindro vacío ( V )
Pesar el cilindro vacío (Wcil.)
Pesar el cilindro lleno de suelo (W total)
Cálculo de la densidad aparente
D = W. cil. Lleno – W cil. Vació = (Wt – W. ciI. Vació)/vm
Volumen interior Del cilindro
METODO DE REEMPLAZO DE ARENA:
Es el método lejos más utilizado. Representa una forma indirecta
de obtener el volumen del agujero utilizando para ello, una arena
estandarizada compuesta por partículas cuarzosas, sanas, no
cementadas, de granulometría redondeada y comprendida entre
las mallas Nº10 ASTM (2,0 mm.) y Nº35 ASTM (0,5 mm.)
Equipo
Aparato cono de arena, compuesto por una válvula cilíndrica
de12,5 mm. de abertura, con un extremo terminado en
embudo y el otro ajustado a la boca de un recipiente de
aproximadamente 4 lts. de capacidad. El aparato deberá
llevar una placa base, con un orificio central de igual diámetro
al del embudo (f i g u r a )
Arena estandarizada, la cual deberá ser lavada y secada en
horno hasta masa constante. Generalmente se utiliza arena
de Ottawa, que corresponde a un material que pasa por la
malla Nº 20 ASTM (0,8 5 mm.) y queda retenida en la malla
Nº 30 A STM (0,6 0 mm.)
Dos balanzas, de capacidad superior a 10 k gr. y 1000 gr,
con precisión de 1g r. y de 0,01gr. Respectivamente.
Equipo de secado, podrá ser un hornillo o estufa de terreno.
Molde patrón de compactación de 6” de diámetro. y 944cc.
De capacidad.
Herramientas y accesorios. Recipientes herméticos con tapa,
martillo, cincel, tamices, espátula, brocha y regla metálica.
PROCEDIMIENTO:
1. Determinación de la densidad (aparente) de la arena de
reemplazo. Se pesa el molde de compactación (W ) con su
base ajustada y se verifica su volumen (V)
2. Se coloca el molde sobre una superficie plana, firme y
horizontal, montando en el la placa base y el aparato de
densidad, procurando que la operación sea similar a la que
se desarrollará en el terreno. Luego se abre la válvula y se
deja escurrir la arena hasta llenar el molde, se cierra la
válvula, se retiran el aparato de densidad y la placa base y se
procede a enrasar cuidadosamente el molde, sin producir
vibración, registrando el peso del molde más la arena que
contiene. Esta operación se repetirá hasta obtener, a lo
menos, tres pesadas que no difieran entre sí más de un
1%.Promediando los valores, se obtiene el peso del molde
con arena (Wt) y se determina la densidad aparente suelta de
la arena.
Fuente: Valle Rodas R.1982.
3. Determinación del peso de arena necesario para llenar el
cono mayor y el espacio de la placa base. Se llena el aparato
de densidad con arena registrando el peso del conjunto ( Wt)
Luego se coloca la placa base sobre una superficie plana,
firme y horizontal, montando en ella el aparato de densidad.
Se abre la válvula y se espera hasta notar que la arena ha
parado de fluir, momento en el cual se cierra la válvula.
Finalmente se registra el peso del aparato de densidad más
la arena remanente (We). Esta operación se repetirá para
obtener un segundo valor que se promediará con el anterior y
por diferencia de pesos se obtendrá la masa de arena que
llena el cono mayor y el espacio de la placa base (We).
4. Determinación del volumen del agujero. Nivelada la superficie
a ensayar, se coloca la placa base y se procede a excavar un
agujero dentro de la abertura de ésta. El volumen de suelo
más o menos a remover, será el indicado en la tabla
siguiente, la cual esta en función del tamaño máximo de las
partículas del suelo. Este material extraído será depositado
dentro de un recipiente hermético.
Luego se pesa el aparato de densidad con el total de arena
(Wt), el que es puesto en seguida sobre la abertura de la
placa base y se abre la válvula dejando escurrir la arena
hasta que se detenga, momento en el cual se cierra la válvula
y se determina el peso del aparato de densidad más la arena
remanente (Wf).
Finalmente, se recupera la arena de ensaye desde dentro del
agujero y se deja en un envase aparte, de modo de
reacondicionarla para poder volver a utilizarla en otra toma de
densidad.
Tamaño máximo de laspartículas del suelo
(mm . )
Tamaño mínimo dela perforación
(cm3)
Tamaño mínimo de lamuestra para determinar la
humedad (gr.)
50 2800 1000
25 2100 500
12.5 1400 250
5 700 100
5. Determinación de la masa seca de material extraído. El
material removido se deposita en un recipiente hermético al
que previamente se le determinó su peso (Wr). El conjunto se
pesa para obtener el peso del material más el recipiente
(Wsh+Wr).
Luego, dentro del recipiente se mezcla el material y se
obtiene una muestra representativa (Wh) según la tabla
anterior, para determinar mediante secado a estufa en
terreno, el peso de la muestra seca (Ws) y por ende su
humedad (Ww).
Finalmente, se extrae otra muestra representativa la que se
deposita dentro de un envase sellado para obtener la
humedad en laboratorio, la que se compara con la de terreno
Cálculos
Densidad de la arena
Peso de la arena necesaria para llenar el cono mayor y el
espacio de la placa
Determinar el Peso de la arena más el frasco antes del
ensayo.
Determinar el w% del material extraído del agujero
Calculo del peso seco del material extraído
Determinar el peso de la arena sobrante después del
ensayo.
Calcular el volumen del material extraído
Vm = Wa/Da
Donde:
Vm : Volumen: de la arena, de la muestra
Wa : Peso de la arena que entro en el
agujero
Da : Densidad de la arena
Calculo de la densidad del suelo
gm = Wh/Vm
Donde:
gm : Densidad del suelo
Wh : Peso del suelo hímedo
Recomendaciones:
Generalmente es deseable contar con una arena uniforme
o de un solo tamaño para evitar problemas de
segregación, de modo que con las condiciones de vaciado
pueda lograrse la misma densidad, del suelo que se
ensaya.
En el momento de ensayo en terreno, se debe evitar
cualquier tipo de vibración en el área circundante, ya que
esto puede provocar introducir un exceso de arena en el
agujero.
En suelos en que predominan las partículas gruesas es
recomendable determinar la humedad sobre el total del
material extraído.
PRSENTACIÓN DE RESULTADOS
Ensayo Nª 1 2 3 Promedio
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍNFACULTAD DE INGENIERÍA CIVILLABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
DENSIDAD IN SITUProyecto:Ubicación:Descripción del suelo:Fecha de muestreo:Fecha de ensayo:
Densidad aparente de la arena
Peso del molde
Peso del molde + arena
Volumen del molde
Densidad aparente suelta (Da)
Ensayo Nª 1 2 3 Promedio
Peso del aparato de densidad lleno con arena
Peso del aparato con arena remanente
Peso arena en el cono y espacio de la placa base
Peso recipiente + suelo húmedo
Peso recipiente + suelo seco
Peso recipiente
Peso suelo seco
Peso agua
Contenido de humedad ( % )
Peso del aparato de densidad lleno de arena
Peso del aparato con arena remanente
Volumen del suelo ( cm3 )
2.63. DETERMINACION DEL PESO ESPECÍFICO Y GRAVEDAD
ESPECÍFICA DE UN SUELO.
a. DETERMINACION DE LA GRAVEDAD ESPECÍFICA DE LA
GRAVA GRUESA O PIEDRA
PROCEDIMIENTO: Se utiliza una balanza especial
Calibración del cono y espacio de la placa base con arena
Determinación del contenido de humedad del suelo extraído en terreno
Peso del suelo seco removido ( Wh) =
Determinación del volumen del suelo extraído
Observaciones:
Densidad seca in situ =
Mediante un hilo, se cuelga una piedra a la palanca de la
balanza y se pesa la piedra ( peso de la piedra en el aire )
Se coloca un vaso con agua sobre el soporte respectivo se
sumerge la piedra colgante al agua y se pesa de nuevo (peso
de la piedra en el agua).
Se calcula el peso ó la gravedad específica según:
Gs = Wp/(Wpa-Wps)
Donde:
Wp: Peso de la piedra
Wpa: Peso de la piedra en el aire
Wps: Peso de la piedra sumergida en el agua
b. DETERMINACION DEL PESO ESPECÍFICO DE ARENA
GRUESA Y GRAVA. Para partículas mayores a la malla N º4
ASTM según método C-127
La finalidad de este ensayo, es determinar la absorción de los
agregados gruesos expresada como porcentaje y su gravedad
específica.
El peso seco de la muestra se determina por secado al horno y
su volumen utilizando un recipiente de volumen conocido
aplicando el principio de Arquímedes (según el cual un cuerpo
dentro de una masa de agua desplaza un volumen de agua
igual al del cuerpo sumergido)
Equipo:
Sifón
Probeta graduada y tarada de 1000 cm3 de capacidad y
0,1cm3 de precisión.
Estanque con agua.
Horno de secado con circulación de aire y temperatura
regulable capaz de mantenerse en 110º ± 5ºC.
Herramientas y accesorios Recipientes plásticos y paño.
PROCEDIMIENTO:
Para determinar la absorción del material, se toman 1000gr.
de suelo retenido en la malla Nº 4 ASTM y se lava en la malla
Nº 200 ASTM (0,75 mm), de este modo se elimina el material
fino presente, hasta que el agua salga totalmente limpia. Esta
muestra lavada, se seca en el horno hasta masa constante
durante 24 horas.
Retirar la muestra del horno, se pesa ( Ws) y se sumerge
inmediatamente durante 48 horas dentro del estanque de
agua
Cumplido el tiempo, se retira la muestra y se seca superficial
e individualmente con un paño, evitando durante esta
operación la evaporación de agua desde los poros de las
partículas.
Finalmente se pesa la muestra, obteniendo el peso saturado
superficialmente seco (Wss) y se determina el % de
absorción (%A).
Para determinar el volumen de la muestra, se debe llenar el
sifón con agua hasta que ésta se estabilice (esto ocurre
cuando desde el sifón deja de escurrir agua).
Inmediatamente, bajo la descarga de agua del sifón se coloca
la probeta seca, graduada y tarada y se vacía la muestra al
interior del sifón. Se espera que el agua deje de caer por la
descarga y se determina el volumen desplazado (Vd)
La determinación del volumen se determina de dos maneras:
Leyendo directamente el volumen en la probeta graduada
(V1)
Pesando la probeta con el agua desplazada (W1 ) y
descontando el peso de la probeta (W2 ). Para efectos de
corrección se debe medir la temperatura del agua (T ºx), por
lo que el volumen de agua (V2) corresponderá al cociente del
peso del agua y su densidad a T ºx.
Se promedian los dos valores de volúmenes (V 1 y V2) y se
determina la gravedad específica (Gs) de la muestra.
Cálculos.
Calcular el porcentaje de absorción (% A) de la muestra:
% A = (W ss - Ws) / Ws * 100 (%)
Donde:
Ws = peso de la muestra seca (gr)
Wss = peso de la muestra saturada y
superficialmente seca (gr )
Calcular el volumen desplazado (Vd) por la muestra:
Vd = ( V 1 + ( W 1 - W 2 ) / D ) / 2 ( c m 3 )
Donde:
V1 = volumen desplazado leído directamente en la
probeta (cm3)
W1 = peso de la probeta más el agua (gr)
W2 = peso de la probeta (gr)
D = peso unitario del agua a T ºx (gr / cm3)
Cálculo la gravedad específica saturada (Gh ) de la muestra:
Gh = (Wss / Vd) * (1 /gw) (gr /cm3)
Donde:
gw = peso específico del agua a 4 º C (gr / cm3)
Cálculo del valor de la gravedad específica (Gs) de la muestra:
G s = Gh / (100+%A) * 100
c. DETERMINACION DEL PESO ESPECÍFICO RELATIVO DE
LOS SÓLIDOS, pasa la malla N º 4 ASTM.
El peso específico de un suelo (gs) se define como el cociente
entre el peso al aire de las partículas sólidas y el peso del
agua, considerando igual temperatura y el mismo volumen.
La gravedad específica de un suelo (Gs) se define como el
peso unitario del material dividido por el peso unitario del agua
destilada a 4ºC. La Gs se calcula mediante la siguiente
expresión:
G s = gs/ go
D o n d e:
gs: Peso específico de los sólidos (gr/cm3)
go : Peso específico del agua a 4ºC (gr/cm3)
De esta forma, la gravedad específica puede ser calculada
utilizando cualquier relación de peso de suelo (Ws) al peso del
agua (Ww), siempre y cuando se consideren los mismos
volúmenes, como se observa en la siguiente expresión:
G s = (Ws/ Vs)/ [(Ww/Vw) * gw] = W s / (Ww * gw)
Gs = Ws .
Ws + W¦w - W¦w s
EQUIPO:
Suministro de agua desaireada con temperatura
estabilizada.
Frasco volumétrico de 250 ó 500 ml
Bomba de vacíos o aspirador para producir vacío.
Mortero y mango para mortear
Balanza de precisión 0.1 gr.
Opcional: Recipiente de agua helada y mezclador mecánico
de refrescos.
Con anterioridad a la clase, se debe recolectar y desairear una
cantidad suficiente de agua común o destilada, cerca de 1000
ml cada grupo, utilizar agua común, agua caliente, y/o agua
helada para efectuar una estabilización en la temperatura del
agua.
PROCEDIMIENTO:
Se utiliza un matraz (de 500 ml) se la pesa vacío (W¦), se
llena con agua de caño (hasta la marca de 500 ml) y luego se
pesa (W¦W = Peso del frasco con agua) cuello del frasco
debe estar seco, se registra la TªC, para utilizar la curva de
calibración del frasco
Se emplea el matraz vacío, se pone una muestra de suelo
seco dentro del matraz:
Wtotal = W¦vacío + Ws
Ws = Wtotal - W¦vacío »100 gramos.
Se vierte agua al matraz hasta cubrir la muestra y luego se
agita el matraz con la mano.
Se lleva el matraz a la bomba de vacío por unos 15 minutos
hasta que no salgan más burbujas del matraz
Después se afora el matraz hasta la marca de 500 ml y se
pesa y se obtiene el peso del frasco con agua y muestra
(P¦W s) asegurese que la TªC esté dentro de 1ªC con
respecto a la utilizada al medir W¦w
Cálculo de la gravedad específica.
Gs = Ws .
Ws + W¦w - W¦w s
PRESENTACIÓN DE RESULTADOS
Aplicar la corrección por temperatura a, que se tabula para agua
a temperatura ¹ 20°C.
α 20 = 1,0000 y gw = 0,99823 ; α 22 = 0,9990 y gw = 0,99785
α 18 = 1,0004 y gw = 0,99862 ; α 16 = 1,0007 y gw = 0,99877
α 24 = 0,9996 y gw = 0,99732 ; α26 = 0,9986 y gw = 0,99681
*
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
DETERMINACION DE LA GRAVEDAD ESPECÍFICA DE LOS SÓLIDOS
Proyecto:
Ubicación:
Descripción del suelo:
Fecha de muestreo:
Fecha de ensayo:
Muestra Nº 1 2 3 4
Peso muestra seca
Peso muestra S.S.S.
% de absorción
Muestra Nº 1 2 3 4
Peso muestra
Peso muestra + agua
Volumen desplazado
Volumen desplazado leído
Volumen promedio
Temperatura agua ensayo
Densidad agua a Tºx
Gs saturado
Gravedad específica
Gravedad específica y absorción de los sólidos retenidos en la malla Nº 4
Determinación de la absorción
Determinación de la gravedad específica
Observaciones:
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS
DETERMINACION DE LA GRAVEDAD ESPECÍFICA DE LOS SÓLIDOS
Proyecto:
Ubicación:
Descripción del suelo:
Fecha de muestreo:
Gravedad específica de los sólidos bajo malla Nº 4 Método con extracción de aire
Calibración del picnómetro
Determinación Nº 1 2 3 4 5
Peso picnómetro
Peso picnómetro + agua
Tº calibración
Determinación de la Gravedad Específica
Ensayo Nº 1 2 3 4 5
Peso muestra seca
Peso picnómetro + agua a Tº calibración
Peso picnómetro + muestra + agua a Tº de ensayoTemperatura de agua de ensayo (Tºx)
Densidad de los sólidos
K
Gravedad específica de sólidos a 20º C
Gravedad específica agua a Tºx
Gravedad específica de sólidos a 4º C
Curva de calibración
Temperatura º C
Pes
o pi
cnom
ómet
ro.+
agu
a
TERCERA UNIDAD: EXPLORACION DE SUELOS
3.1. El objetivo de los estudios del Suelo ó tareas y fines.
El propósito de la investigación a un suelo depende de que el suelo en
estudio represente un suelo de fundación o un material de construcción.
a. El Suelo como suelo de fundación.
Por medio de los estudios al sub suelo, se quiere obtenerlos valores
admisibles o aplicables para la sobrecarga debido a edificaciones por
construir (resistencia al suelo, presión admisible de contacto). Así mismo,
se desea averiguar algo, en cuanto al comportamiento del suelo por efecto
del asentamiento o sea el efecto que produce la carga de la edificación, las
vibraciones y otros factores de las cuales se deben conocer no solamente
la magnitud si no también el desarrollo de los asentamientos pueden variar
en gran escala.
En suelos no cohesivos de unos centímetros y en suelos cohesivos de
decímetros la medida del asentamiento admisible depende del tipo de
edificación y de su uso .
Los resultados de los estudios de los sub suelos representan la base para
El trazado de carreteras, ferrocarriles, canales, donde se debe tomar en
cuenta asentamientos no uniformes, deslizamientos, nivel freático.
La selección de la fundación más adecuada y económica de
edificaciones, en cuanto a la profundidad y tipo de cimentación.
Además se tiene que tomar en cuenta el ambiente del sitio de construcción
y el efecto de edificación a las escenas de los alrededores.
La investigación del sub suelo, también influye en la elaboración de planos
del muestreo del terreno donde se dan todos los perfiles de perforaciones y
excavaciones ya hechos y otros datos conocidos.
b. El suelo como material de construcción.
El Suelo como subsuelo de fundación El Suelo afectando la construcción
En la construcción de terraplenes para carreteras, ferrocarriles,
canales, etc.
En la construcción de diques (presas) de lagos de embalses o diques
protectores en los ríos.
En el relleno de muros de contención, muelles.
En la elevación de terrenos.
Como capas de sub base, base y capas de desgaste de carreteras,
aeropuertos, campos deportivos etc.
Como material filtrante para sistemas de drenaje de pozos etc.
Como material impermeabilizante en la construcción de presas, canales
etc.
En el relleno de socavones abandonados en minas.
En general como material de construcción, arena, grava, piedra picada,
agregados, etc.
TERRAPLENES
c. Efecto del agua en cualquier obra.
Normalmente habrá que determinar la capa freática y sus variaciones. En
los suelos cohesivos además se tiene que averiguar los cambios de
comportamiento físico del suelo, según alteraciones en el contenido de
humedad.
DIQUES
CANAL
Base de estos estudios se puede apreciar lo siguiente:
La decisión en cuanto a la reducción del nivel freático.
Las cotas adecuadas de las cimentaciones y la protección contra el
agua subterránea.
Las fuerzas del agua subterránea actuantes a las edificaciones bajo
nivel freático.
Tipo de drenaje y protección de taludes en desmontes y terraplenes
(filtros de drenaje, filtro de taludes.)
Seguridad al deslizamiento por debajo de presas, vertederos.
Peligro de congelaciones (carreteras y edificaciones en zona frías.)
Contracción e hinchamiento del suelo, según cambios en el contenido
de humedad, lo que produce deformaciones en la obra.
La compactación de terraplenes (carreteras) según el contenido de
humedad.
Propiedades químicas del agua (PH, bacterias, etc.).
3.2. Métodos de la exploración del suelo
Generalidades.
Los mapas geológicos, cuando existen, dan una primera información respecto
a la condición del terreno, con aproximación se puede pronosticar las
propiedades del suelo.
Los mapas geológicos son apropiados para la investigación previa de zonas
amplias en estudio (urbanizaciones, etc.) muchas veces ya son conocidas las
condiciones del suelo en las inmediaciones de una obra por elaborar, o sea ya
han sido obtenidos datos del suelo en investigaciones previas para otras
edificaciones.
Estos datos pueden representar la base de los estudios nuevos por llevar a
cabo.
a. Excavaciones, pozos a cielo abierto.
El método más simple para reconocer al terreno consiste en excavar un
pozo donde se ve las capas de suelo en plena estratificación. La
profundidad de estas excavaciones es muy limitada, se llega solamente a
unos 2 á 4 metros de profundidad. En tales excavaciones se obtiene
tanto muestras alteradas como inalteradas. Una vez encontrada el nivel
freático ya no se penetra más y la excavación se da por terminada.
b. Perforaciones.
Normalmente en estos sondeos exploratorios, la muestra de suelo
obtenida es completamente alterada (excepto cuando se emplee equipo
muy especial) las perforaciones pueden ser llevadas a cabo en estado
seco, así como mediante el método lavado. Las herramientas para
sondeo exploratorios por rotación son barrenos helicoidales (mayormente
en perforaciones secas) o barrenos de perforación (herramienta de
ataque
En ciertos casos, hay que emplear un sondeo entubado (en suelo muy
suelto) para el muestreo se utiliza herramientas especiales, como las
cucharas muestreadoras.
Barreno decuchara
Barrenohelicoidal
Equipo para exploración manual
Cuando un sondeo alcanza una capa de roca más ó menos firme, no es
posible lograr penetración mediante herramientas arriba mencionadas, si
no se ha de recurrir a herramientas diferentes (brocas de cincel, brocas
de diamante, etc.)
d. Investigaciones geofísicas
Método sísmico.- Este método se funda en la diferente velocidad
de propagación de las ondas vibratorias de tipo sísmico a través
de diferentes medios materiales. En los suelos, la velocidad de
propagación varía entre 150 y 2500 m/seg., correspondiendo los
valores mayores a mantos de grava muy compactos y los menores
a arenas sueltas; los suelos arcillosos tienen valores medios,
mayores para las arcillas duras y menores para las blandas. En
roca sana la velocidad de propagación fluctúa entre 2000 y 8000
m/seg. El método consiste en provocar explosiones en la zona a
explorar, colocando registradores de ondas (geófonos) que captan
las vibraciones, transmitiéndolas a un oscilógrafo central las ondas
directas y refractadas (por fronteras entre estratos) llegan al
geófono en tiempos diferentes. Por medio de gráficos y cálculos,
se averigua la estratificación del terreno.
Método dinámico.- (métodos gravimétricos). En los métodos
gravimétricos se mide la aceleración del campo gravitacional en
diversos puntos de la zona a explorar. Los valores de dicha
aceleración ligeramente más altas que el normal de la zona
indicaran la presencia de masas duras o rocas; lo contrario será
un índice de la presencia de masas ligeras o cavernas. La
interpretación de los resultados de estos métodos es errática y
muy difícil.
Método de resistividad eléctrica.- La principal aplicación de este
método está en el campo de la minería, pero en mecánica de
Suelos también se ha aplicado, para determinar la presencia de
estratos de roca en el sub suelo la base de este método, consiste
en mediciones de la resistividad eléctrica de los suelos, la cual
varía con la naturaleza del mismo.
3.3. Espaciamiento y profundidad de las excavaciones y perforaciones
exploratorias
El número, tipo y profundidad de los sondeos que deben ejecutarse, depende
fundamentalmente del tipo del sub suelo y de la importancia de la obra.
Por ejemplo en lugares de perfil errático, tales como cauces fluviales o
glaciares, en general se presentan los problemas más delicados, pues es muy
probable cometer errores que hace que resulte muy difícil una determinación
precisa de las propiedades básicas, resistencia y compresibilidad: En cambio
en lugares con perfiles de estratificación más uniforme, los sondeos
exploratorios, se llevan a cabo de una forma más precisa y más segura.
Un punto que requiere especial cuidado es la determinación de la profundidad
a que debe llevarse la exploración del suelo. Para fines de cimentación, en
donde asentamientos y resistencia son los factores determinantes, el área de
apoyo de las estructuras, concretamente el ancho, es de importancia vital,
pues el efecto de las presiones superficiales aplicadas al suelo es netamente
dependiente de este concepto.
El sondeo debe llevarse a una profundidad tal que los esfuerzos transmitidos
desde la superficie ya no produzcan efectos de importancia, o sea cuando las
presiones transmitidas llegan a ser del orden de 5 a 10% de las aplicadas
En otras ocasiones, la profundidad de los sondeos se fijará con criterios muy
diferentes, un caso típico se tiene cuando los sondeos revelan la presencia de
suelos muy blandos, que obliguen a pensar en la conveniencia de
cimentaciones piloteadas, apoyadas en estratos firmes tales estratos
resistentes, si existen a profundidades económicas.
En otros casos, se hará necesario precisar las características del suelo blando
para poder estimar los asentamientos y capacidad de carga con que se
diseñan esos pilotes.
Investigando al sub suelo de una presa por construir de tales maneras es
necesario encontrar los estratos impermeables y firmes respectivamente, para
reconocer el espesor de las capas superficiales por impermeabilizar y
estabilizar.
3.4. Toma de muestras (alteradas e inalteradas) para ensayos de laboratorio.
Muestras alteradas.- Estas muestras se obtienen tanto en pozos a cielo
abierto como en perforaciones. La textura original del suelo ya esta
destruida con estas muestras. No es posible determinar la compacidad ni
el peso volumétrico (densidad aparente) del suelo, no obstante sirven para
precisar otras propiedades físicas, tales como la granulometría, limites de
plasticidad, peso específico de sólidos.
Las muestras alteradas se sacará en todo cambio en los estratos, o por lo
menos de cada metro de profundidad. Para poder determinar el contenido
de humedad es necesario poner las muestras inmediatamente dentro de
un recipiente hermético cerrado a menos que exista un equipo para
averiguar el contenido de humedad In Situ.
Muestras inalteradas.- Estas muestras que conservan su estado original
(la compacidad natural, peso volumétrico original, etc.) serán obtenidas
cuando sea necesario determinar ciertas propiedades del suelo
(compacidad, resistencia, asentamiento, permeabilidad etc.).
En perforaciones es muy difícil obtener muestras inalteradas, para tales
fines, se requiere de equipo muy especial, y además se obtiene las
muestras solamente de suelos cohesivos o de rocas.
Sin embargo, en pozos a cielo abierto no es problemático sacar las
muestras inalteradas, para este propósito se puede utilizar un cilindro de
acero de la forma siguiente:
Las muestras inalteradas se obtendrá también cortando cubos mediante un
cuchillo longitudinal de arista del cubo ±15 cm. Dado el caso, que no se
investigue a las muestras inmediatamente después del muestreo, entonces
las muestras deberán cubrirse herméticamente con parafina o en caso de
que se haya extraído con cilindro muestreador este debe taparse a ambos
extremos.
Nota: Todas las muestras extraídas de pozos de sondeo deben
marcarse con:
Nombre de la obra, lugar, fecha del muestreo, número del pozo, número de
la muestra, profundidad de la muestra extraída, tipo de muestra (alterada ó
inalterada), marcar lado superior e inferior de la muestra, las muestras
deben protegerse contra los rayos del sol y el calor.
3.5 Recomendaciones para exploración de suelos.
ESTRUCTURA (PROYECTO) ESPACIAMIENTO (m)
Urbanizaciones con casas hasta 2 pisos 40 – 70
Fabricas de un piso (luces hasta 6 metros) 30 – 60
Edificios para varios pisos 20 – 50
Carreteras y aeropistas 250 – 500
Presas 20 – 60
Puentes 20 – 25
Canteras 50 – 100
Canales 500 – 1000
Vías urbanas 50 - 100
Edificios
ESTRUCTURA (PROYECTO) NUMERO DE PISOS
1 2 4 8 16
30 METROS 3.5 m. 6.0 m 10.0 m 16..0 m 24.0 m.
60 METROS 4.0 m. 3.5 m 12.5 m. 21.0 m. 33.0 m.
120 METROS 4.0 m. 3.5 m 13.5 m. 25.0 m. 41.0 m.
MUROS DE CONTENCION
TUBERIAS CANALES
Usando reglas establecidas.
Dp = 3 S0.7 (Para edificios ligeros de acero o edificios estrechos de
concreto)
Dp = 6 S0.7 (Para edificios pesados de acero o edificios anchos de
concreto)
Donde:
Dp: Profundidad de perforación o excavación en metros.
S: Número de Pisos.
Utilizando el reglamento Nacional de Edificaciones
Para cimentaciones superficiales sin sótano:
Dp = D1 + Z
Profundidad de Investigación de zapatas aisladas o losas de fundación.
Z:= 1.5 B.
Donde:
Dp: Profundidad de perforación o excavación en metros
D1: Distancia Vertical de desplante de la zapata.
B es el ancho de la zapata más grande.
CUARTA UNIDAD: GRANULOMETRIA DE LOS SUELOS
Generalidades
El ingeniero interesado en suelos deberá estar suficientemente enterado de
los métodos y criterios basados en la distribución granulométrica.
Su finalidad es obtener la distribución por tamaño de las partículas presentes
en una muestra de suelo. Así es posible también su clasificación mediante
sistemas como AASHTO o SUCS. El ensayo es importante, ya que gran parte
de los criterios de aceptación de suelos para ser utilizados en bases o sub -
bases de carreteras, presas de tierra o diques, drenajes, etc., depende de este
análisis.
Para obtener la distribución de tamaños, se emplean tamices normalizados y
numerados, dispuestos en orden decreciente.
Definición
Es el estudio y determinación de los diferentes tamaños de las partículas de
los suelos, la granulometría ofrece criterios que permiten encasillar a un suelo
en sistemas de clasificación ampliamente difundidos con la posibilidad de
poder utilizar experiencias de otros investigadores
Análisis mecánico y gradación de suelos
Comprende todos los métodos para la separación de un suelo seco en
diferentes tamaños o fracciones. El de tamizado para las partículas grueso –
granulares (gravas, arenas) y el de sedimentación para la fracción fina del
suelo (limos, arcillas, granos < a 0.075 mm), pues no son discriminables por
tamizado.
a. Análisis granulométrico por tamizado en seco
Viene hacer la actividad de hacer pasar la muestra de suelo seco mediante
un juego de tamices que se disponen en forma descendente de acuerdo a
la abertura de su diámetro en mm. Hasta el tamiz # 200 (0.075 mm.)
La distribución granulométrica de los suelos, suele ser representada en la
“gráfica granulométrica”, dibujando con porcentajes en peso como
ordenadas y tamaños de particulas como abscisas. La representación en
escala semilogaritmica (eje de las abscisas en escala logarítmica y a
escala natural las ordenadas), un suelo constituido por partículas de un
solo tamaño estará representado por una linea vertical, una curva muy
tendida indica gran variedad en tamaños (suelo muy hetergéneo, suelo
bien graduado
Como una medida simple de la uniformidad de un suelo, se utiliza el
coeficiente de uniformidad.
Problema Nº 1: se tiene los siguientes datos del ensayo de granulometría por tamizado en seco. Determinar el Cu y Cc, así mismo graficar la curva granulométrica
Fuente : Ing. Joseph E. Bowles. Manual de laboratorio de mecánica de suelos, pg. 45
ENSAYOS DE LABORATORIO
Para suelos con tamaño de partículas mayor a 0,075 mm. (75 micrones) se utiliza el
método de análisis mecánico mediante tamices de abertura y numeración indicado
en la tabla. Para suelos de tamaño inferior, se utiliza el método del hidrómetro,
basado en la ley de Stokes.
Tamiz (ASTM) Tamiz (Nch) (mm.) Abertura real (mm.) Tipo de suelo3 ” 80 76,12
GRAVA
2 ” 50 50,8011/2 ” 40 38,10
1” 25 25,40¾” 20 19,053/8” 10 9,52Nº 4 5 4,75 ARENA
GRUESAN º10 2 2,00 ARENA MEDIAN º20 0,90 0,84N º40 0,50 0,42N º60 0,30 0,25 ARENA FINA
N º140 0,100 0,105N º200 0,08 0,075
Nota: Los coeficientes de uniformidad y curvatura serán determinados, si se cumple que el 12 % o menos pasa por la malla Nº 200 1
Fuente : 1 Ing. Joseph E. Bowles. Manual de laboratorio de mecánica de suelos, pg. 45
Método: análisis mecánico por tamizado en seco.
1. Equipo.
Un juego de tamices normalizados según la tabla anterior.
Dos balanzas: con capacidades superiores a 20 kg. y 2000 gr. Y precisiones
de 1gr. y 0,1gr. Respectivamente.
Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de
mantenerse en 110 º ± 5 º C.
Un vibrador mecánico.
Herramientas y accesorios. Bandeja metálica, recipientes plásticos y escobilla.
2. Procedimiento
Se homogeniza cuidadosamente el total de la muestra en estado natural
(desmenuzándola con un mazo), tratando de evitar romper sus partículas
individuales, especialmente si se trata de un material blando, piedra arenosa u
otro similar.
Se reduce por cuarteo una cantidad de muestra levemente superior a la
mínima recomendada según el tamaño máximo de partículas del árido. Indicar
Se seca el material ya sea al aire a temperatura ambiente, o bien dentro de un
horno a una temperatura inferior a 60 ºC, hasta conseguir pesadas
consecutivas constantes en la muestra cada 30 minutos. Cuando esté seca,
se obtiene la cantidad mínima recomendada (Mt ) a ensayar según la tabla
anterior.
Inmediatamente obtenido el tamaño de muestra a ensayar, se separa através
del tamiz 3/8” ASTM (10 mm.). La fracción retenida en este tamiz, se pesa y
se lava con el fin de eliminar todo el material fino menor a 0,075 mm. Para
esto, se remoja el suelo en un recipiente con agua hasta que las partículas
más finas se suelten, en seguida se lava el suelo colocando como filtro la
malla N º200 ASTM (0,08 mm.), hasta observar que el agua utilizada salga
limpia. El material retenido en la malla se deposita en una bandeja y recoloca
al horno durante 24 horas. Cumplido el tiempo de secado y una vez enfriada la
muestra, se pesa (Mf ) y por diferencia con respecto a Mt se obtiene el
material fino por lavado.
A continuación, se deposita el material en la criba superior del juego de
tamices, los que deberán encontrarse limpios y ordenados en forma
decreciente hasta la criba 3/8”. El juego deberá contar de una tapa en la parte
superior y una bandeja de residuos en la inferior.
Se hace vibrar el conjunto durante 5 a 10 minutos (figura1.7.), tiempo después
del cual se retira del vibrador y se registra el peso del material retenido en
cada tamiz.
Para la fracción de muestra que pasó el tamiz 3/8”, el procedimiento es
similar, salvo que una vez lavada y seca, se ensaya una muestra
representativa de 500 gr. Utilizando los tamices comprendidos entre la malla
Nº4 y la Nº200 ASTM.
QUINTA UNIDAD: PLASTICIDAD EN SUELOS
Generalidades
En los suelos cohesivos (arcillas, limos, margas, arcillas arenosas, limos
arenosos) debe averiguarse el comportamiento por la plasticidad.
La plasticidad de los suelos cohesivos no es una propiedad permanente, sino
circunstancial y dependiente de su contenido de humedad (agua). Por ejemplo
una arcilla bastante seca, puede tener la consistencia de un ladrillo, con
plasticidad nula, y esa misma, con gran contenido de agua puede presentar
las propiedades de un lodo semilíquido. Entre ambos extremos, existe un
intervalo del contenido de agua en que la arcilla se comporta plásticamente.
Definición
Es la propiedad de un material por el cual es capaz de soportar deformaciones
rápidas sin rebote elástico, sin variación volumétrica apreciable y sin
deformarse y agrietarse.
Estados de consistencia
Según su contenido de agua en orden decreciente, un suelo es susceptible de
ser plástico y puede estar en cualquiera de los siguientes estados de
consistencia, definidos por atterberg.
5.3.1.- Estado Líquido.- Cuando el suelo tiene las propiedades y apariencia de
una suspensión.
5.3.1.- Estado Líquido.- Cuando el suelo tiene las propiedades y apariencia de
una suspensión.
5.3.3.- Estado Plástico.- Cuando el suelo está sujeto a deformaciones.
5.3.4.- Estado semi Sólido.- Cuando el suelo se encuentra en proceso de
endurecimiento difícil de trabajarse, disminuye su V al esta sujeto al secado.
Limites de consistencia.
La frontera entre el estado semi líquido y plástico es el L.l.
La frontera convencional entre los estados plásticos y semi sólido es el L.P.
La diferencia entre los valores de los límites de plasticidad se denomina IP.
IP = L.l. – L.p. … …………………………………………… 5.3.1
ESTADOS DE CONSISTENCIA
SÓLIDO SEMI SÓLIDO PLÁSTICO SEMI LÍQUIDO LÍQUIDO
Además de estos límites, Atterberg definió otros límites de consistencia.
Volumen de la mezcla suelo - agua Contenido de agua creciente
LC LL LC
a).- Límite de adhesión: Es el contenido de agua con que la arcilla pierde sus
propiedades de adherencia.
b).- Límite de Cohesión: Es el contenido de agua con que los grumos de
arcilla ya no se adhieren entre sí.
c).- Límite de Contracción.- Frontera entre los estados de consistencia semí
sólido y sólido definido con el contenido de humedad (agua) con el que el
suelo ya no disminuye su volumen al seguirse secando.
5.4.1 Determinación del (Ll) limite líquido
Se emplea la copa de Casagrande en el cuál se coloca el material
(suelo) que pasa la malla N° 40 se presenta en el dibujo el aparato.
Problema N° 1: Determinar el Ll.y LP, con los sgts. Resultados de laboratorio
Determinación del Límite líquidoN° de tarro (gr) 05 06 07
Tarro + Ws.h. (gr) 41.00 37.08 40.45
Tarro + Ws.s. (gr) 36.65 33.07 35.59
Wagua (gr) 4.35 4.01 4.86
Wtarro 15.17 15.47 15.58
Ws.s. 21.48 17.60 20.01
W % 20.25 22.78 24.29
N° de golpes 36 20 15
Determinación del Límite plásticoN° de tarro 09 10 11
Tarro + Ws.h. 26.82 26.12 26.54
Tarro + Ws.s. 25.21 24.73 25.08
Wagua 1.61 1.39 1.46
Wtarro 15.23 15.23 15.22
Ws.s. 9.98 9.50 9.86
W % 16.13 14.63 14.81
Problema N° 2 Determinar el L.L. De un suelo mediante los siguientes datos
5.4. 2 DETERMINACION DEL LIMITE PLASTICO
Dividir en varios pedazos o porciones pequeñas de muestra de 20
gramos de suelo que se habría separado.
Arrollar la muestra con la mano sobre una placa de vidrio hasta
alcanzar un cilindro de 3 Mm. (velocidad de 80 a 90 movimientos
por minuto )
Repetir este proceso tantas veces con variación en la consistencia
hasta presentar el rollito señales de agrietamiento.
Determinar el contenido de humedad en ese estado (LP).
Procedimiento Opcional:
Se prepara rollitos, sobre una hoja de papel totalmente seca, para
acelerar la perdida de agua (humedad) del material, también es
frecuente efectuar el rolado sobre una placa de vidrio. Cuando los
rollitos llegan a los 3 mm, se doblan y presionan, formando una
pastilla que vuelva a rolarse, hasta que en los 3 mm justos ocurra el
desmoronamiento y agrietamiento en tal momento se determinará
rápidamente su contenido de agua (humedad), que es el límite
plástico
5.4.3 DETERMINACION DEL LÍMITE DE CONTRACCION
Límite de Contracción es medido siguiendo la variación del volumen de
una muestra de suelo en función de su humedad, cuando la humedad
disminuye el volumen de la muestra permanece constante, luego el
límite de contracción, es la humedad a partir de la cual V de la muestra
deja de disminuir, cuando el contenido de humedad decrece.
(Vm - Ws )/ Ws LC %= Ss go go x 100
ECUACION DE LA CURVA DE FLUIDEZ
LL = w = If lg N + C
Donde:
C: Constante que representa la ordenada de la abcisa de 1 golpe
W: Contenido de humedad, como porcentaje del peso seco
27.0
28.0
29.0
30.0
31.0
32.0
NUMERO DE GOLPES
CONTENIDO DE HUMEDAD
10 15 20 2530 35 40
If: índice de fluidez pendiente de la curva de fluidez, igual a la variación del contenido
de agua correspondiente a un ciclo de la escala logarítmica.
N: número de golpes en la copa de casagrande
INDICE DE TENACIDAD
La tenacidad queda definida por el valor del esfuerzo cortante capas de resistir
el suelo en el límite plástico
I.T. = IP/ If : IP = LL - LP
If = Índice de influencia
GRADO DE CONSISTENCIA.- (Kw)
A partir de los valores del límite líquido y plástico se puede determinar el grado
de consistencia.
Kw = (LL - w %n)/( LL - LP)
Donde:
LL : Límite líquido
w %n: Contenido de humedad natural
LP : Límite plástico
Kw < 0 Consistencia líquida
0 < Kw<0.50 Consistencia viscosa
0.5<Kw<0.75 Consistencia suave
0.75<Kw< 1 Consistencia plástica (semirígida)
Kw > 1 Consistencia media dura, dura sólida.
RELACION ENTRE EL LIMITE LIQUIDO (LL) Y EL INDICE DE PLASTICIDAD
(IP)
Como base para la clasificación de suelos cohesivos se utiliza un diagrama
que muestra la relación en el LL de un suelo en la abscisa y su IP en la
ordenada
Donde:
CH: Arcilla inorgánica de alta plasticidad
CL: Arcilla inorgánica de baja plasticidad
OH: Arcilla orgánica de alta plasticidad
OL: Arcilla orgánica de baja plasticidad
MH: Limo inorgánico de alta plasticidad
ML: Limo inorgánico de baja plasticidad
OL: Limo inorgánico de baja plasticidad
OH: Limo inorgánico de alta plasticidad
Carta de Plasticidad
SEXTA UNIDAD: CLASIFICACIÓN DE SUELOS
De hecho una de las más importantes funciones de un sistema sería proporcionar la
máxima información normativa, a partir de la cual el técnico sepa en que dirección
profundizar su investigación.
6.1 SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACION DE SUELOS (SUCS)
Está basado en la identificación de los suelos según sus calidades
estructurales, la plasticidad y la agrupación con relación a su comportamiento
como materiales de construcción.
Para la clasificación se toma en cuenta lo siguiente:
Porcentaje de la fracción que pasa el tamiz N° 200
Forma de la curva de distribución granulométrica
Características de plasticidad y compresibilidad.
Los suelos se separan en tres grupos.
Suelos de grano grueso
Suelos de grano fino
Suelos altamente orgánicos
LOS SUELOS DE GRANO GRUESO:
Se dividen en gravas (G) y arenas (S), las gravas contienen un 50% > de la
fracción gruesa retenida en el tamiz N° 4 (4.75 mm). Y las arenas son aquellos
suelos cuya porción 50% > pasa el tamiz N° 4. Tanto las gravas (G) como las
arenas (S) se dividen en cuatro grupos secundarios:
GW, SW : Limpio de finos bien graduado
GP, SP : Limpio de finos mal graduado
GM, SM : Con cantidad apreciable de finos no plásticos
GC, SC : Con cantidad apreciable de finos plásticos.
LOS SUELOS DE GRANO FINO:
Los limos (M) y las arcillas (C), se dividen a su vez en dos grupos secundarios
basados en el hecho de que el suelo tiene un LL relativamente bajo (L = low),o
alto (H = high)
En la Carta de Plasticidad, estos suelos tienen un límite líquido y un índice
plástico que resultan puntos por debajo de la línea “A”.
LOS SUELOS ALTAMENTE ORGÁNICOS:
Son usualmente muy comprensibles y tienen características inadecuadas para
la construcción.
Se clasifican dentro del grupo designado por el símbolo Pt: turba, el humus y
los suelos de pantanos son ejemplos típicos de este grupo de suelos
CRITERIOS PARA LA CLASIFICACION “SUCS” SEGÚN RESULTADOS
OBTENIDOS POR MEDIO DE ENSAYOS DE LABORATORIO
I.- SUELOS DE GRANO GRUESO (más del 50% será retenido por la malla
N° 200)
1.- Distinción entre grava y arena ( G,S )
> 50% retenido por la malla N° 4 (4.75 mm) G
< 50% retenido por la malla N° 4 (4.75 mm) S.
2.- Material que pasa por la malla N° 200 (0.075 mm)
< 5% gravas o arenas limpios bien ó mal graduados: GW ,GP o SW , SP.
> 12% gravas ó arenas con finos GM, GC, ó SM , SC.
Entre 5 y 12% símbolos mixtos: por ejemplo GW + GP
3.- Determinación de la graduación para suelos de grano grueso con
pocos finos (menor del 12% que pase la malla N° 200).
a.- Coeficiente de uniformidad.
Cu = D 60
D 10
Debe ser > que 3 para GW, SW.
b.- Coeficiente de graduación
C c = (D 30) 2
D60 x D 10
Debe estar entre 1 y 3, entonces será GW y SW;
Será GP y SP, si no cumplen con este requisito
4.- Suelos de grano grueso con finos (GM, GC, ó SM, SC)
Se toma en cuenta los límites:
a.- Para GM Y SM (Suelos limosos)
Los límites deben encontrarse bajo la línea “A” o el IP debe ser menor de 4
b.- Para GC y SC (mezclas bien graduadas con arcilla):
Los límites deben encontrarse sobre la línea “A” o el IP debe ser mayor
de 7
II. SUELOS DE GRANO FINO: Carta de Plasticidad
Dónde: CH: Arcilla inorgánica de alta plasticidad
CL: Arcilla inorgánica de baja plasticidad
OH: Arcilla orgánica de alta plasticidad
OL: Arcilla orgánica de baja plasticidad
MH: Limo inorgánico de alta plasticidad
ML: Limo inorgánico de baja plasticidad
OL: Limo inorgánico de baja plasticidad
OH: Limo inorgánico de alta plasticidad
1.- Grupo CL y CH (constituido por arcilla inorgánica).
a) El grupo CL comprende a la zona sobre la línea “A”
LL < 50 % y IP > 7 %
b) El grupo CH comprende a la zona arriba de “A”
LL < 50 %
2.- Grupo ML y MH (limos inorgánicos).
a) El grupo ML comprende a la zona bajo la línea “A” con
IP < 4 %
b) El grupo MH, corresponde a la zona debajo de la línea “A”
LL > 50 %
Los suelos finos que caen sobre la línea “A” con 4% < I y < 7%, se consideran
como casos de frontera asignándoles el símbolo CL – ML.
3.- Grupo OL y OH (Suelos orgánicos):
Las zonas correspondientes son las mismas que los de los grupos ML y MH.
Una pequeña adición de materia orgánica coloidal hace que el LL. De una arcilla
crezca sin apreciable cambio de su IP.
4.- Grupos Pt:
El límite líquido de estos grupos suele estar entre el 300 y 500 %, quedando su
posición en la carta de plasticidad netamente debajo de la línea “A”.
