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UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
MECANICA DE SUELOS
INTRODUCCION
En Mecánica de Suelos (MS) se estudia las propiedades y comportamiento del suelo, se lo utiliza
como material de construcción o soporte de
estructuras (terreno de fundación), básicamente de
cimentaciones que son los elementos que transmiten
las cargas de la estructura al terreno. Se sirve de la
recolección y análisis de muestras, para luego
obtener sus resultados y determinación de sus
características físicas, mecánicas y la reacción de
masas de suelos durante la aplicación rápida de
cargas, las cuales serán aplicadas en los diseños de las distintas obras de ingeniería.
El ingeniero civil debe enfrentarse con diversos
e importantes problemas, planteados por el
terreno y sí todas las estructuras: edificios,
puentes, carreteras, túneles, muros, torres,
canales, presas, etc. deberán cimentarse sobre
la superficie de la tierra o dentro de ella (sub
suelo), y 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 denso (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 de tierra, pavimentos, rellenos, terraplenes, etc.
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MECACANICA DE SUELOS
La topografía, otro problema común, así 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.
También tenemos 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 están
sometidas a las fuerzas que ejerce el suelo en contacto con las mismas.
Las estructuras de contención, son otro problema a resolver con el apoyo de la mecánica de
suelos, entre las más comunes están los muros de gravedad, los tablestacados, las pantallas
ancladas y los muros en tierra armada.
El suelo por su complejidad requiere ser estudiado en forma minuciosa con pericia y precisión,
de lo cual depende la seguridad y vida útil de cualquier obra de construcción civil.
Antes los problemas de mecánica de suelos se resolvían en forma empírica o por tanteos,
trayendo como consecuencia riesgo de seguridad y economía.
La reparación de fallas o defectos en la cimentación por lo general son costosas. Muchas veces
se descubren después que la estructura ha estado en uso durante años. Generalmente el
problema se debe al análisis inadecuado de la ingeniería y por no tomar en cuenta ciertas
condiciones predecibles.
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MECACANICA DE SUELOS
PRIMERA UNIDAD
SUELO :
Definición, Origen y formación, Clases, Textura y estructura de los suelos.
1.1.SUELO
Es el estrato o estratos sueltos de material sin consolidar provenientes de la
meteorización y descomposición de la roca.
Es una mezcla de partículas sólidas, líquidas y gaseosas.
Es una pequeña capa formada por la desintegración y descomposición de los
últimos niveles de la corteza terrestre de nuestro planeta tierra.
1.2. ORIGEN Y FORMACIÓN 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
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MECACANICA DE SUELOS
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.
ESQUEMA DE LA DESCOMPOSICION QUIMICA
1.3. CLASES DE SUELOS:
a. Suelos residuales.- Son producto del ataque de los agentes del intemperismo,
suelen 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. En el siguiente esquema de un corte transversal podemos
apreciar las formaciones de los suelos durante vida geológica de la tierra.
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MECACANICA DE SUELOS
Esquema de la formación de los suelos
1.4. ESTRUCTURA Y TEXTURA DE LOS SUELOS
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. Textura es la apariencia superficial, depende del tamaño, forma y
graduación de las partículas.
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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 están organizadas. 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.
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.
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.
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 la
ecuación:
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La Dr%, es sinónimo de que un suelo es de partículas gruesas,
correspondiendo en valores menores, menor será la resistencia; si a mayor Dr
%, mayor será la resistencia.
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 influyente en
su futuro comportamiento y la sedimentación individual de tales estructuras,
produce las denominadas estructuras: Floculenta, Panaloide, Castillo de naipes y
Dispersa.
ESTRUCTURA FLOCULENTA (arcilla)
Cuando en el proceso de sedimentación, dos partículas de diámetros
menores de 0.002mm llegan a tocarse, se adhieren y se sedimentan juntas;
así otras partículas pueden Unirse al grupo, formando un grumo, con
estructura similar a un panal. Cuando estos grumos llegan al fondo forman
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Dr %=eMáx .−eNat .
eMáx .−eMín .
x 100
Si : eNat .=eMáx .⇒D r=0%eNat .=eMín .⇒Dr=100 %0 %≤Dr≤100 %
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a su
vez
panales, cuyas bóvedas no están ya formadas por partículas individuales;
sino por los grumos mencionados. El rnecanismo anterior produce una
estructura muy blanda y suelta, con gran volumen de vacíos, llamada
floculenta y a veces, panaloide de orden superior.
Las partículas menores de 0,0002 mm = 0.2 micra se consideran ya
coloides; estas partículas pueden permanecer en suspensión
indefinidamente, pues en ellas el peso ejerce poca influencia en
comparación con, las fuerzas eléctricas desarrolladas entre las partículas
cargadas negativamente, según ya se dijo y con las fuerzas moleculares
ejercidas por la propia agua; cuando dos de estas partículas tienden a
acercarse, sus cargas ejercen una repulsión que las aleja de nuevo; las
vibraciones moleculares del agua, impiden que las partículas se precipiten;
el resultado es un movimiento característico en rápido zigzag, conocido
como browniano ( el botánico inglés Brown lo observó por vez primera al
estudiar suspensiones de clorofila al microscopio).
Por este mecanismo, las partículas coloidales de suelo en suspensión no se
sedimentarían jamás. Las cargas eléctricas de la partículas coloidales
pueden, sin embargo, neutralizarse bajo la influencia de la adición de iones
de carga positiva opuesta; un electrolito, por ejemplo un ácido tal como el
clorhídrico, se disocia en agua en iones positivos y negativos (CI- y H+); por
el efecto de los iones H+ en solución, los coloides neutralizan sus cargas y
chocan entre sí, quedando unidos por las fuerzas de adherencia
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desarrolladas. De esta manera pueden empezar a formarse los flóculos de
mayor masa, que ya tienden a depositarse.
En las aguas de mar, sales contenidas actúan como electrolito haciendo
posible la generación del mecanismo antes descrito; en otras aguas
naturales la disociación normal de algunas moléculas (H+, OH-) que
siempre se produce, la presencia de sales, etc…, logra el mismo efecto.
Los flóculos se unen entre si para formar panales, que se depositan
conjuntamente, formando al tocar fondo nuevos panales y dando lugar a
una forma extraordinaria difusa de estructura en la que el volumen del
solidó puede no representar mas de un 5 -10%.
Conforme aumenta el peso debido a la sedimentación continua, las capas
inferiores expulsan agua y se consolidan más. Durante este proceso, las
partículas y grumos se acercan entre sí y es posible que esta
estructuración tan poco firme al principio, alcance resistencias de
importancia.
ESTRUCTURA PANALOIDE
Esta estructura considerada típica en granos de pequeño tamaño (0.002mm
de
diámetro
o algo
menores) que se depositan en un medio continuo, normalmente agua y, en
ocasiones aire. En estas partículas, la gravitación ejerce un efecto que hace
que tiendan
a
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sedimentarse, pero su pequeña masa, otras fuerzas naturales pueden
hacerse de magnitud comparable; concretamente, si la partícula antes de
llegar al fondo del deposito, toca a otra partícula ya depositada, la fuerza de
adherencia desarrollada entre ambas, puede neutralizar al peso, haciendo
que la partícula quede detenida antes de completar su carrera; otra
partícula puede ahora añadirse y el conjunto de ellas podrá llegar a formar
una celda, con cantidad importante de vacíos, a modo de panal mostrada
en la figura. Las fuerzas de adherencia, causantes de estas estructuras son
fuerzas superficiales, ya mencionadas anteriormente.
ESTRUCTURA EN CASTILLO DE NAIPES
Las investigaciones realizadas en partículas de caolinitas, ilitas y
montmorilonitas demuestran que la longitud de ellas es del mismo orden de
magnitud que su ancho y que el espesor varía de 1/100 de estas
dimensiones, en las montmorilonitas, a 1/10 en las caolinitas, ocupando las
ilitas una posición intermedia. Con estos datos es posible estimar que la
superficie especificada de estas partículas (metros cuadrados de área
superficial por gramo de peso) es el orden de 10 en las caolinitas, 80 en las
ilitas y 800 en las montmorilonitas; estas cifras cobran toda su importancia
al considerar la acción de las fuerzas superficiales como factor que
interviene en la estructuración, no siendo difícil concebir que tal factor llegue
a ser determinante.
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Corresponde a la naturaleza bipolar de las láminas de arcilla donde existe
atracción entre los extremos (-) y las partes centrales (+).
ESTRUCTURA DIFUSA
Algunas investigaciones modernas han indicado que una hipótesis
estructural del tipo de "castillo de naipes" en la cual las partículas tienen
contactos mutuos, si bien puede aceptarse como real en muchos casos,
quizá no es la más estable en la que pudiera pensarse. Cualquier
perturbación que pueda existir, como deformación por esfuerzo cortante,
tiende en general a disminuir los ángulos entre las diferentes láminas de
material. Conforme esto sucede actúan entre las partículas presiones
osmóticas inversamente proporcionales al espaciamiento entre ellas. Las
presiones osmóticas tienden a hacer que las partículas se separen y
adopten una, posición tal como la que, esquemáticamente se muestra.
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.
11Un átomo de oxigeno que constituye un nexo con otro tetraedro similar formándose cadenas hexagonaleslugar a la denominada lámina silícica
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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.
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.
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ESQUEMA DE LA LÁMINA ALUMÍNICA
Un átomo de oxigeno que constituye un nexo con otro tetraedro similar formándose cadenas hexagonaleslugar a la denominada lámina silícica
ESQUEMA DE LA LÁMINA SILÍCICA
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Las propiedades mencionadas anteriormente se pueden modificar o alterar de muchas
formas: por medios mecánicos, drenaje, medios eléctricos, cambios de temperatura o
adición de estabilizantes (cal, cemento, asfalto, sales, etc.).
DEFINICIONES IMPORTANTES
Geotecnia: Es la ciencia que se basa en el conocimiento de la geología y la mecánica de
los suelos.
Geología: Es la ciencia que estudia a la tierra y los fenómenos que ocurren durante la
vida en el planeta.
Mecánica de suelos: Es la ciencia que estudia las propiedades y comportamiento del
suelo, al cual se lo utiliza como material de construcción o soporte de estructuras (terreno de
fundación), básicamente de cimentaciones que son los elementos que transmiten las cargas
de la estructura al terreno
Sensibilidad: Conocida como 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: Cantos Rodados, gravas y arenas.
Su comportamiento está gobernado por las fuerzas de gravedad.
Suelos fino: Son los limos y arcillas. Su comportamiento está regido por fuerzas
eléctricas, fundamentalmente.
Suelos pulverulentos (desintegrados): Son los no cohesivos, o suelos gruesos, pero
limpios (sin finos); es decir, los gruesos -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:
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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++, K+ y comparando con el total de sales en términos de concentración.
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
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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. Este proceso produce suelos con un gran rango de tamaños de
partículas. Los materiales solubles y coloidales son lavados por agentes de
transporte, 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
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SEGUNDA UNIDAD:
Relaciones Volumétricas y Gravimétricas
2.1. Introducción
En un suelo se distinguen tres fases constituyentes: sólida, líquida y gaseosa. La fase
sólida está formada por las partículas minerales del suelo (incluyendo la capa sólida
adsorbida). La fase líquida formada 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, sólida y 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 (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
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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.
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
…………………………………………...(1)
Peso especifico del agua (gw ):
go = gw…………………………………………………….En condiciones
prácticas
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γm=W m
Vm
=W s+Wω
Vm
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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.
Peso especifico de los sólidos (gs):
2.4 ≤
gs ≤ 2.9 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):
…………………..……………………… (3)
Peso especifico relativo de los sólidos (Ss):
...…………..……………………….………….… (4)
2.3. RELACIONES FUNDAMENTALES PARA EL MANEJO DE LAS PROPIEDADES MECANICAS DE LOS SUELOS.
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.
Porosidad (h %):
h% = Vv/Vm ………………………………………………………………… (6)
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γ s=W s
V s
. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .(2)
Sm=γm/γ o=Wm
Vm γ o
Ss=γ sγ o=W s
V sγ o
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0 <h < 100 ……………………….variación teórica (suelos con fase sólida)
20% <h< 25%……………………..variación práctica.
Grado de saturación (GW %):
Gw % = (Vw/Vv)*100……………………………………………………… (7)
0% < Gw < 100%
0………………….Suelos secos
100……………….suelos saturados
Contenido de humedad (w%):
……………………………………………… (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:
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ω%=W ω
W s
x 100
1 . Como dato : V=1 ; Incognitas :Vm , V v , W s , Wω
2 . Consideremos el concepto de Ss : Ss=W s
V s
x γ 0→W s=Ss γ0
3 . De la ecuación (8 ) : ω=WωW s
→W ω=ωSs γ 0
4 . De la ecuación (5 ): e=V v
V s
→V v=1
5 . Aplicando la la definición de porosidad
η=V v
V m
=e1+e
⋯⋯⋯(9 ) ⇒ e=η1−η
⋯⋯⋯⋯(10 )
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2.5. FORMULAS PARA SUELOS SATURADOS Y PARCIALMENTE SATURADOS.
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
20
Esquema de suelo (a) Esquema de suelo (b)1 . De la formula ( 4 ) obtenemos : 1 . De la formula (6 ) obtenemos :
Ss=W s
V s γ 0
→W s=Ss γ 0 η=V v
Vm
→η=V v
2 . De la formula (5 ) obtenemos : 2 . De la formula (4 ) obtenemos
: e=V v
V s
→V v=e Ss=W s
V s γ 0
→W s=(1−η )Ss γ 0
3 .Del concepto de γ 0 obtenemos : 3. De la formula (3 ) obtenemos
γ 0=Wω
Vω
→Vω=V v=e γ 0=W ω
Vω→Wω=η γ0
W ω=eγ0
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De la formula (8) obtenemos:
…………………….. ………………….. (11)
De la formula (1) y (3), obtenemos:
Sm=γmγo
… (3 ) γm=W m
V m
… (1)
Sm=Ss γo+eγ o(1+e ) γ o
=Ss+e1+e
=Ss(1+ω)1+Ssω
=n+ (1−n )Ss………………… (12)
γm=Sm γo=Ss+eγ o=Ss γo (1+ω )=n+(1−n )Ss γ o ..………………(13)
SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS
21
ω=Wω
W s
=eγoSsγ o
⇒e=ω Ss
1 . De la formula (5 ) obtenemos : 1 . De la formula (6) obtenemos :
V v=e Ss=W s /V s γ0→V s=1Ss γ0
2 . De la formula ( 4 ) obtenemos : 2 . De la formula (8) obtenemos
Ss=W s /V s γ0→W s=SsV s γ0 ω=W ω
W s
→W ω=ω
3 . De la formula (8) obtenemos : 3. De la formula (2 ) obtenemos
ω=W ω
W s
→W ω=ω Ss γ 0 γ s=W s
V s
=1V s
→e=V v
V s
⇒V v=eSs γ 0
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MECACANICA DE SUELOS
De las formulas (1), (3) y (7) obtenemos:
De (1)
De (3)
………………………………………….….......... (15)
De (7)
2.6. PESO VOLUMETRICO SECO O DENSIDAD SECA ( gd )
En el esquema (a) de suelos saturados:
Peso volumétrico en función de la humedad
22
γm=1+ω1+e
γ s⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(14 )
γm=W s+W ω
Vm
=Ss γ o+WSs γ o
1+eSí :Ss=
γsγ 0
⇒ γs=Ss γ 0
γ s+ωγ s1+e
=(1+ω )γ s1+e
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(ok )
Sm=(1+ω )Ss
1+e
Gω %=ω Ss
ex100⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(16 )
Sm=γmγ0
=(1+ω) γ 0 Ss
(1+e ) γ 0
=(1+ω)Ss
(1+e )⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(ok )
Gω %=V ω
V v
x 100 ; pero γ o=W ω
V ω
⇒V ω=Wω
γ o=ωSsγ oγ o
∴Gω%=ωS s
ex100 . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .OK
γm=W s+W ω
V s+V v
=W s
V s+V v
=Ssγ o (1+ω )
1+eγ d=
W s+W ω=0
V s+V v
=W s
V s+V v
=Ss γ o1+e
. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .(17)
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2.7. SUELOS SUMERGIDOS (g’)
Esto supone considerar el suelo saturado y sumergido, según la ley de Arquímedes, el
suelo experimenta un empuje hidrostático hacia arriba, igual al peso del agua
desalojada.
23
γ d=γ h1+ω
Donde : γ h :Peso volumétrico
ω :Contenido de humedad
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W suelosumergido=V s γ sat−V aguaγ oSi :V s=V aguadesplazada
WSuelo sumergido = Vs (gsat - go) Entonces despejando:
W s
V s
=γ ´=γ sat−γ o
Peso específico de sólidos sumergido g’ = gsat - go; como go = 1 gr/cm3
g’ = gsat – 1 (en gr/cm3)............................................................... ……(18)
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 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)
Peso específico de sólidos
Suelo γd (gr/Cm3) Suelo γd (gr/Cm3)
Arena de cuarzo 2.65 Montmorillonita 2.41Grava 2.25 - 2.40 Caolinita 2.6
24
Empuje hidrostático V×γ o
γ sat=W s+W ω
V s+V v
=Ss γ o+eγo1+e
.. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . ..( 21 )
γ sat=[ (1−n )Ss+n ] γ o
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Limo 2.65 - 2.68 Cuarzo 2..66Arcilla arenosa 2.68 - 2.72 Calcita 2.72Arcilla gravosa 2.73 - 2.75 Mica 2.80 - 2.90
Peso específico seco (γd)
SueloEstado
Seco Húmedo Saturado
Arena suelta 1.50 1.70 2.00Arena med. compacta 1.80 1.90 2.00
Arcilla 2.00 1.90
FORMULAS ADICIONALES
Donde:
25
Porosidad y relación de vacíos
SueloPorosidad (η
%)
Relación de vacíos
(℮)
Grava 40 - 45 0.67 - 1.22Grava Arenosa 15 - 40 0.187-0.67
Arena 20 - 50 0.75 - 1.00Limo arenoso 20 - 30 0.25 - 0.43
Limo 40 - 65 0.67 - 1.85Arcilla compacta 20 - 40 0.25 - 0.67Arcilla gravosa 40 - 90 0.67 - 2.00Arcilla rígida 30 -50 0.43 -1.00
Arcilla plástica 40 -70 0.67 - 2.33Fango 70 - 90 2.33 - 2.90
γ d= (1−η )Ss γ o
η=γ s−γ dγ s
x100…. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . 23
e=γ s−γdγd
. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. 24C r%=D r%=( γd−γ dmim
γdmáx−γ dmím )γ dmáxγ d
x100 .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. . 25
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2.8.
PROBLEMAS RESUELTOS:
PRBLEMA Nª 1. Dado el contenido de agua de un suelo saturado y su peso específico
relativo de sólidos, encuentre el peso específico de la masa de ese suelo. Utilice un
esquema en que figuren sólo las cantidades conocidas.
Solución
Por definición:
Si:
Además:
El peso específico de la masa por definición es:
En el esquema:
PROBLEMA Nª 2 Dados n y Vm = 1, encontrar SS para un suelo saturado. Utilice un
esquema en que figuren sólo las cantidades conocidas.
Solución:
Por definición:
26
Sólido
1
Líquido
Líquido
γ d : Peso específico sec o In Situγ dmáx . : Peso específico seco en el estado más densoγ dmím : Peso específico sec o en el estado más suelto
W S=1∴w=WWω
ωγ 0
ω%=(Wω /W s)×100
SS=W S
V S γ0
∴V S=1
SS γ0
VW=WW
γ0
∴V W=wγ 0
11
SS γ 0
γm=Wm
vm
∴ γm=SS γ 01+w
1+wSSγm=
1+wwγ 0
+1
SS γ0
γm=γm−γ 0=SS γ 01+W
1+WSS
−γ0=(SS−1 )γ 0
1+SS
nγ 0nn=
V V
V m
; si : Vm=1∴n=V V
nwγ 0
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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 = 1.0 TN.
Solución:
Por lo tanto: Vω=0 .23 m3
También:
De donde:
Por lo que:
PROBLEMA Nº 4 En un suelo saturado se conoce:
SS = 2.65
Sm = 1.80
Calcule la relación de vacíos y el contenido de humedad del suelo:
Solución:
27
Sólido1−nV S=1−n
WW=VW γ 0=nγ 0
W S=W W
w= nwγ 0
SS=W S
V S
=
nwγ0
(1−n ) γ 0
=n
w (1−n )
γω=γo=Wω
V ωVω=
W ω
γ o
γm=Wm
Vm
Vm=1+0 . 23
γm=1 . 23
2 . 05=0 . 6 m3
V S=1
SS γ0
=0 .6−0 . 23=0 . 37m3
SS=1
0 . 37=2 .7
e=V V
V S
;V S=1m3
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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.
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.
28
V V=VW=e m3∴W W=e Tn.
SS=W S
V S γ0
∴W S=V S SSγ 0=2.65 Tn .
Sm=W m
Vm γ 0
= e+2. 651+e
=1 . 80∴ e=1. 06
w=WW
W S
= e2 .65
=1 .062 .65
=0 . 40 ; w=40 %
Ss=W s
V s γ o; V s=390cm3
e=V V
V S
=473390
=1 .21
n=V V
V m
=473473+390
=0 . 55
w=4731053
×100=45 %
γm=Wm
Vm
=1526863
=1 .78 g/cm3
γ d=1053863
=1 .22 g/cm3
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Solución:
Por definición:
Si se hace Vs = 1; resulta: Por lo tanto:
Vv = e
También por definición:
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:
29
e=V V
V S
W S=SS γ 0
GW=VW
V V
∴VW=eGW
WW=eGW γ0
γm=Wm
Vm
=Gω e+SS
1+eγ 0 γm
' =γm−γ 0=(SS−1 )−e (1−GW )
1+eγ 0
w=WW
W S
WW=wW S=1
W S
V S γ 0
=SS∴V S=1
SS γ0
γm=Wm
Vm
=1+wVm
∴Vm=1+ωγm
VW=WW
γ0
∴V W=wγ 0
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Una vez construido el esquema, las incógnitas pueden calcularse aplicando las
correspondientes definiciones:
PROBLEMA Nª 8 En un suelo parcialmente saturado se conocen:
Encuentre: El peso volumétrico, el contenido de humedad y densidad seca.
Solución
Por definición:
PROBLEMA Nª 9 En una muestra de suelo parcialmente saturado se conocen:
Encuentre:
Solución:
30
γ d=W S
Vm
= 11+e
Ss γ0
=Ssγ 0
1+e e=V V
V S
=Vm−V S
V S
=Vm
V S
−1=1+wγm
SS γ 0−1
GW=VW
V V
=VW
Vm−V S
=
wγ 0
eSSγ 0
=ω Ss
e
e=0 . 60 , SS=2 . 75 ,GW=70 %
GW=VW
V V
∴VW=V V GW=0 .60×0. 70=0 . 42m3
e=V V
V S
;
Haciendo : V s=1⇒ V V=e=0 .60 m3 ,
V a=V V−VW=0 .60−0 .42=0 . 18m3
w=WW
W S
=0 . 422 .75
−0 .153∴w=15. 3%
γ d=W S
Vm
=2 .751 .60
=1. 72Tnm3=1720kg /m3
γm=2 .75+0. 42
1 . 60=3 .17
1 .60=1.98Tn/m3=1980 kg /m3
Vm=50 cm3 ,Wm=95g ,W S=75 g ,SS=2 .68
(kg/m3)w ,e ,n ,GW , γm , γ d
V S=W S
SS γ0
=752 . 68
=28cm3WW=W m−W S=95−75=20 g .
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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:
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:
31
V a=V m−V S−VW=50−48=2cm3VW=WW
γ0
=20cm3 .
w=WW
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=VW
V V
=2022=0.91∴GW=91 %
γm=9550=1 . 9g /cm3=1900kg /m3 .
γ d=7550=1 .5 g /cm3=1500kg /m3
W t=Wm+Wcera=199 . 3gW m=180 .6 g
∴Wcera=199.3−180.6=18 .7 g
Vm=199 . 3−78 .3
γ o=121. 0 cm3
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El volumen de la cera es el cociente de su peso entre su peso especifico, que es un
dato del problema.
El volumen de la masa de suelo será:
Por lo que:
Dato que puede ponerse en el esquema
Pasa al esquema:
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 la relación de vacíos (e).
Solución:
Datos:
Incógnita:
32
V cera=W cera
γcera=18 .7
0 .92=20 . 3 cm3
Vm=V t−Vcera=121−18 .70.92
=121−20. 3=100. 7cm3
w=WW
W S
=0 . 136 ;
W S+WW=180 . 6 g∴w=180 .6−W S
W S
=0. 136
W S=159g
WW=W m−W S=180. 6−159=21 . 6g
V S=W S
SS γ0
=1592 . 71
=58 . 8cm3VW=WW
γ0
=21 .6 g
V a=121−(20 .3+58.8+21 .6) ]=121−100 .7=20 .3cm3
γ d=W S
Vm
=159100 .7
=1. 58 g/cm3=1 . 580kg/m3
GW=VW
V V
21.620 .3+21. 6
=21. 641 . 9
=0 . 52∴GW=52 %
SS=2. 6W m=260gr .Vm=200 cm3
e=?
SS=W S
V S γ0
⇒V S=2602. 6
=100cm3
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Si:
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:
PROBLEMA Nº 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:
Luego:
33
∴ e=V V
V S
⇒ e=100100
=1V V=Vm−V S⇒V V=100cm3
ω%=40 , Sí :V s=1 SS=2. 65 e=? γm=?
⇒SS=W S
V S γ 0
⇒W S=2. 65 g
V S=1cm3 ,Vm=2 .06cm3
V V=Vm−V S=1.06cm3
w %=W W
W S
×100
0 .40 (2 .65 )=WW
∴VW=1 .06 cm3 y Wω=1 .06 gr
γm=W S+W W
Vm
=2.65+1 .062. 06
=1.80095 g/cm3=1800kg/m3
e=V V
V S
=1.061=1 . 06
e=1 .2 SS=2. 66 ω=30 % γm , γ d=?
Ss=W s
V s γ 0
γ s=Ss γ 0 gr /cm3
γm=SS (1+w ) γ 0
1+e
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PROBLEMA Nª14. Una muestra de suelo pesa 122 gr 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 104 gr. ¿Cuál será su volumen de sólidos y de aire respectivamente?
Datos:
Solución:
PROBLEMA Nº 15. 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
34
γm=(1+0 .3 ) (2 . 66 ) (1g /cm3 )
1+1 .2
γm=1 .5718 g /cm3=1571 .8 kg/m3
γ d=γm
1+w=1 . 5718
1 . 3g/cm3=1.2091 g/cm3=1209 . 1 kg/m3
W m=122gSm=1. 82W S=104 g
V S ,V a=?
Sm=W m
Vm γ 0
⇒Vm=1221. 82
⇒Vm=67 . 03cm3
SS=W S
V S γ0
⇒VS=1042. 53
⇒V S=41.10cm3
V V=Vm−V S=25 .93 cm3
V V=VW+V a⇒V a=67 . 03cm3
w ,e ,n , γm=?γ S=2. 70g /cm3
γ S=W S
V S
⇒V S=10532. 70
⇒V S=390cm3
V V=Vm−V S⇒V V=473
e=V V
V S
=473390
=1 .21 n=V V
V m
×100=0 .55=55 %
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BIBLIOGRAFÍA
35
γm=W S+W W
Vm
=1 .77 g/cm3
w %=W W
W S
×100=45 %
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ENSAYOS DE LABORATORIO.
Determinar en el laboratorio, el contenido de Humedad, el peso volumétrico (Densidad aparente) y el peso especifico de sólidos.
1. DETERMINACION DEL CONTENIDO DE HUMEDAD EN ELLABORATORIO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL REFERENCIAS: ASTM D2216 – 71 (NORMAS ASTM parte 19)
OBJETIVO:
Determinar el contenido de humedad de una muestra representativa del suelo natural.
METODO I
EQUIPO:
36
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Recipiente para humedad (aluminio o lata)
Horno eléctrico (estufa) con control de temperatura de 110 ± 5°C
Balanza de precisión.
MUESTRA:
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 (mm)
Peso mín. muestra (gr)
Nº 4 (4.75 mm) 100N º 40 (0.42 mm) 10 50
12.5 mm 30050 mm 1000
PROCEDIMIENTO:
1. Se pesa una lata con su respectiva tapa (tamaño recomendable 5 cm. De
diâmetro, por 3 cm. de altura, ó 6.4 cm. por 4.4 cm.)
2. Colocar una muestra representativa de suelo húmedo en la lata y determinar el
peso del recipiente + suelo húmedo (Wtara+sh). 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 debajo del
recipiente y coloque la muestra en el horno.
4. Después de 24 horas, se pesa la lata con el suelo seco (Wtara+ss), si 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
37
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MECACANICA DE SUELOS
Ww = (Wh – Ws)
6. Determinar el contenido de humedad mediante la siguiente expresión.
Donde:
: Contenido de humedad expresado en porcentaje
: Peso del agua existente en la masa del suelo, en estado
natural.
: Peso de las partículas sólidas.
Recomendaciones:
Se recomienda usar el horno a 60ºC, 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 MARTÍN FACULTAD DE INGENIERIÁ CIVIL
LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS
DETERMINACION DEL CONTENIDO DE HUMEDADProyecto:
38
ω%=W ω
W s
×100
ω%
W ω
W s
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MECACANICA DE SUELOS
Ubicación: Hecho por:Descripción del suelo:Condición de la muestra: Alterada - InalteradaFecha de muestreo:Fecha de ensayo:
Muestra Nº 1 2 3 4 5Peso
recipiente + suelo húmedo
(gr)Peso
recipiente + suelo seco (gr)
Peso recipiente (gr)
Peso suelo seco (gr)
Peso agua (gr)Contenido de
humedad ( % )
Humedad promedio (w
%)
Comentarios: 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 y comprender
el comportamiento de este (especialmente en aquellos de textura más fina), como por
ejemplo cambios de volumen, cohesión, estabilidad mecánica.
La humedad varía con la profundidad, dicha variación se manifiesta mediante el gráfico,
en cuyas ordenadas se indica la profundidad “Z” de la toma de muestra y en las abscisas
el contenido de humedad.
Análisis de resultados:
39
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Método II
Determinación del contenido de humedad In Situ
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 entregando
indirectamente la humedad del suelo referida al peso 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. Colocar la muestra del material a utilizar dentro de la cámara del speedy, todo
este procedimiento deberá realizarse en un tiempo máximo de 1 minuto.
5. Poner en el cabezal de la cámara interior del speedy el carburo absorbente, para
lo 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.
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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. 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. Excavado), la
densidad del suelo estará dada por la siguiente expresión:
γ h=W h
V ol . Exc .
( grcm3 )
METODO VOLUMÉTRICO
EQUIPO Y MUESTRA:
Se utiliza un cilindro de acero (molde proctor, muestreador),
41
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Se determina su volumen interior.
luego se llena con una muestra inalterada (penetrando el cilindro al suelo
inalterado).
PROCEDIMIENTO:
1. Medición del volumen del cilindro vacío (Vcil.)
2. Pesar el cilindro vacío (Wcil.)
3. Pesar el cilindro lleno de suelo (W total)
4. Cálculo de la densidad aparente
METODO DE REEMPLAZO DE ARENA:
Es uno de los métodos más utilizados. 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 de12.7 mm. de abertura,
con un extremo terminado en embudo y el otro
ajustado a la boca de un recipiente de
aproximadamente 3785cm3 (1 galón). de
capacidad. El aparato deberá llevar una placa
base, con un orificio central de igual diámetro
al del embudo.
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 (0,60mm.)
Dos balanzas, de capacidad superior a 10kg. y 1000gr, con precisión de 1gr. 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.
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γ h=W cil . lleno con suelo−W cil .vacío
V int .cil .
=W t−W cil .
Vm
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Herramientas y accesorios. Recipientes herméticos con tapa, martillo, cincel, tamices,
espátula, brocha y regla metálica.
Muestra:
Se tomara según lo recomendado por la Norma ASTM.
Tamaño máx. de las partículas (mm)
Tamaño mín. de la perforación (cm2)
Tamaño máx. de la muestra para determinar la
humedad50 2800 100025 2100 500
12.7 1400 2504.75 700 100
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 (Wa) y se determina la densidad aparente suelta de la arena.
Da=W a
V m
Donde: Da: Densidad aparente de la arena
Wa: Peso de la arena en el molde
Wm: Volumen del molde proctor
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
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cual se cierra la válvula. Finalmente se registra el peso del aparato de densidad
más la arena remanente (Wr). 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 hoyo. 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 (W t), 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 (Wr). Finalmente, se recupera la arena de
ensayo desde dentro del agujero y se coloca en un envase aparte, de modo de
reacondicionarla para poder volver a utilizarla en otra toma de densidad.
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 (W sh+r).
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 (W%).
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
del terreno.
Cálculos
Densidad de la arena:
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Da=W a
V m
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Recomendaciones:
1. 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.
2. En el momento de ensayo, en el 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.
3. En suelos en que predominan las partículas gruesas es recomendable
determinar la humedad sobre el total del material extraído.
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PRSENTACIÓN DE RESULTADOS
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DENSIDAD IN SITUProyecto:Ubicación: Hecho por:Descripción del suelo:Condición de la muestra: Alterada - InalteradaFecha de muestreo:Fecha de ensayo:
Densidad aparente de la arenaEnsayo Nª 1 2 3 Promedio
Peso del moldePeso del molde + arena
Volumen del moldeDensidad de la arena suelta
Calibración del cono y espacio de la placa base con arenaEnsayo Nª 1 2 3 Promedio
Peso del aparato de densidad lleno con arena
Peso del aparato con arena sobrante
Peso arena en el cono y espacio de la placa base
Determinación del contenido de humedad del suelo extraído en terrenoEnsayo Nª 1 2 3 Promedio
Peso recipiente + suelo húmedo
Peso recipiente + suelo seco
Peso recipiente
Peso suelo seco
Peso agua
Contenido de humedad ( % )
Determinación del volumen del suelo extraído
Peso del aparato de densidad lleno de arena
Peso de la arena necesaria para llenar el embudo mayor
Peso del aparato con arena sobrante después del ensayo
Volumen del suelo ( cm3 )
Densidad seca in situ (gr/cm3)
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Observaciones:
3. 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
1. Mediante un hilo, se cuelga una piedra a la palanca de la balanza y se pesa
la piedra ( Wpa peso de la piedra en el aire )
2. 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).
3. Se calcula el peso ó la gravedad específica según:
Ss=W pa
W pa−W ps
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 DEL MATERIAL GRUESO. 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.
Equipo:
Estanque con agua.
Una canastilla de alambre de malla Nº 6 (3mm) o más fina, con una
capacidad de 4.0 a 7.0 cm3.
Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de
mantenerse en 110º ± 5ºC.
Herramientas y accesorios Recipientes plásticos y paño.
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PROCEDIMIENTO:
1. 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 (0,075
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.
2. Retirar la muestra del horno, se pesa al aire (Ws) y luego enfriar a
temperatura ambiente durante 3 horas, inmediatamente se sumerge el
material durante 15±4 horas dentro del estanque de agua (dentro de la
canastilla).
3. Cumplido el tiempo, se retira la muestra y se seca la superficie
individualmente con un paño, evitando durante esta operación la
evaporación de agua desde los poros de las partículas.
4. Finalmente se pesa la muestra, obteniendo el peso al aire de la muestra
saturada superficialmente seca (Wss) y se determina el % de absorción
(%A), según como se define en la especificación ASTM-C-125.
Cálculos.
1. Calcular el porcentaje de absorción (% A) de la muestra:
Donde:
Ws: peso al aire de la muestra secada al horno (gr.)
Wss: peso al aire de la muestra saturada y superficialmente seca
2. Cálculo la gravedad específica saturada (Sm) de la muestra:
Donde:
Wms: Peso de la muestra saturada con sup. Seca y determine su
peso sumergido en el agua teniendo cuidado de remover todo el aire
entrampado antes de la pesada.
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%A=W ss−W s
W s
x100
Sm=W ss
W ss−Wms
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3. Cálculo del valor del Peso específico aparente (Ss) de la muestra:
Donde:
Ws = Peso, al aire, de la muestra secada al horno (gr)
Wms = Peso de la muestra saturada con superficie seca, en agua (gr)
c. DETERMINACION DEL PESO ESPECÍFICO RELATIVO DE LOS SÓLIDOS,
pasa la malla Nº 4, ASTM D 854-58.
El peso específico de un suelo (gs) se define como el cociente entre el peso al
aire de las partículas sólidas y el peso, al aire, de un volumen igual de agua
destilada, considerando igual temperatura y el mismo volumen.
La gravedad específica de un suelo (Ss) se define como el peso unitario del
material dividido por el peso unitario del agua destilada a 4ºC. La Ss se calcula
mediante la siguiente expresión:
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:
EQUIPO:
Suministro de agua desaireada con temperatura estabilizada.
Frasco volumétrico de 250 ó 500 ml
50
Ss=W s
W s−W ms
Ss=γ sγ o
Ss=W s
W s+W fω−W fωs
=W s
W ω
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Bomba de vacíos o aspirador para producir vacío.
Mortero y mango para mortear
Balanza de precisión 0.1 gr.
Termómetro.
Desecador.- con un diámetro aprx. De 200 mm.
Horno.- Capas de mantener una temperatura de 110±5º C
Opcional: Recipiente de agua helada y mezclador mecánico de refrescos.
Con anterioridad a la practica (1día antes), 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:
1. Mezclar de 100 a 120 gr. de suelo secado al aire o al horno con agua en un
recipiente evaporador hasta formar una pasta cremosa. Si no se utiliza un
mezclador eléctrico, remojar el suelo entre 20 y 30 minutos (la ASTM
recomienda 12 horas, para muestras secadas al horno).
2. Opcional: Transferir la pasta al vaso mezclador eléctrico de refrescos y
añadir agua hasta formar una mezcla de cerca de 200ml de suelo-agua.
Batir estas mezclas durante 5 a 10 minutos. Si se hace este paso, es
necesario utilizar un matraz (de 500 ml)
3. Se pesa el frasco vacío (W¦) y se registra, luego se llena con agua de
desaireada (hasta la marca de 500 ml), tener mucho cuidado en no
introducir aire nuevamente por agitación excesiva, como alternativa, es
posible aplicar vacío por unos cuantos minutos después de haber llenado el
frasco hasta los ¾ de su capacidad y luego llenar hasta la marca y registrar
(W¦W = Peso del frasco con agua), el cuello del frasco debe estar seco, se
registra la TºC de modo que la mezcla agua suelo se encuentre a la misma
temperatura aproximadamente dentro de 1º C , esta operación puede
hacerse mientras el suelo esta siendo mezclado. Este paso se puede omitir
si existe una curva de calibración del frasco.
4. Luego de 15 a 30 minutos, transferir el suelo saturado del plato evaporador
al frasco volumétrico. Tener cuidado que no queden partículas de suelo en
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el recipiente evaporador, añadir agua con temperatura estabilizada para
completar los 2/3 a ¾ de la capacidad y luego se agita el matraz con la
mano.
W total=W f vacío+W s
W ω=W total−W fωs
5. Conectar el frasco a la bomba de vacío por un tiempo de unos 10 minutos,
durante este tiempo agitar suavemente la mezcla moviendo cuidadosamente
el frasco. Observar que la reducción en la presión del aire dentro del frasco
produce “ebullición” del agua. La eficiencia del vacío es verificable de la
siguiente manera:
1. Luego de aplicar vacío al frasco por 10 minutos a la mezcla suelo-agua.
2. Llenar el frasco hasta unos 20 mm por debajo de la marca del frasco
con agua desaireada y con temperatura estabilizada.
3. Se vuelve aplicar vacío por varios minutos y marcando con un lápiz de
color adecuado el nivel del agua en el cuello del frasco.
4. Retirando cuidadosamente la tapa para romper el vacío y si el nivel de
agua sube más de 3 mm, el desairemiento será suficiente.
6. Cuando el proceso de desaireamiento se haya completado, se afora el
frasco hasta la marca de 500 ml (base del menisco se encuentre en la
marca), secar el cuello por encima de la marca con papel secante enrollado.
Luego se pesa y se obtiene el peso del frasco con agua y muestra (W¦ws)
asegúrese que la Tº C esté dentro de 1º C con respecto a la utilizada al
medir W¦w
7. Cálculo de la gravedad específica.
8. Repetir la secuencia (pasos 1 a 9) para valores adicionales de Ss, hasta
tener valores dentro de un rango del 2%:
52
Gs=W s
W s+W fω−W fωs
Mayor valor de Ss
Menor valor de Ss
≤1 .02
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Tabla de valores para el factor de corrección.
TºC αDensidad (g en
gr/cm3)16 1.0007 0.9989718 1.0004 0.9986220 1.0000 0.9982322 0.9990 0.9978024 0.9996 0.9973226 0.99681 0.99681
RECOMENDACIONES:
1. Ensayar, por lo menos dos pruebas y determinar el promedio.
2. El error entre los ensayos, así determinados debe ser < 1-2%, caso contrario
repetir el ensayo.
CALIBRACIÓN DEL FRASCO
1. El frasco deberá limpiarse, secarse y pesarse y registrar el peso
2. El frasco deberá ser llenado con agua destilada hasta la marca volumétrica
a temperatura ambiente y se determina su peso Wfw un termómetro se
introduce en el agua y se determina Ti.
3. Preparar una grafica del (Wbw), versus TºC (hacer mínimo 4 puntos en un
sistema de coordenadas, por ejemplo, con 16, 20 24 y 28ºC)
PRESENTACIÓN DE RESULTADOS
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DETERMINACION DE LA GRAVEDAD ESPECÍFICA DE LOS SÓLIDOS
Proyecto:Ubicación: Hecho por:Descripción del suelo:Condición de la muestra: Alterada - InalteradaFecha de muestreo:Fecha de ensayo:
Gravedad específica y absorción de los sólidos ret. en la malla Nº 4
Determinación de la absorciónMuestra Nº 1 2 3 4
Peso muestra seca
Peso muestra
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Saturada con Sup.Seca. (S.S.S.)
% de absorción
Determinación de la gravedad específicaMuestra Nº 1 2 3 4
Observaciones:
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DETERMINACION DE LA GRAVEDAD ESPECÍFICA DE LOS SÓLIDOS
Proyecto:Ubicación: Hecho por:Descripción del suelo:Condición de la muestra: Alterada - InalteradaFecha de muestreo:Fecha de ensayo:
Gravedad específica de los sólidos que pasa la malla Nº 4 Método con extracción de aire
Calibración del frasco
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Determinación de la Gravedad EspecíficaEnsayo Nº 1 2 3 4
Peso muestra seca: Ws
Peso frasco + muestra + agua a Tº de ensayo
Temperatura de agua de ensayo (Tºx)
Corrección (α)
4. DETERMINACION DE LAS DENSIDADES MAXIMA Y MINIMA.Su finalidad es determinar las densidades secas máxima y mínima de suelos no
cohesivos, no cementados, de tamaño máximo nominal hasta 80mm., que contengan
hasta un 12% en masa de partículas menores que 0,08mm. y un IP igual o menor
que 5.
El método se aplica ya que en esta clase de suelos, estén secos o saturados, la
compactación por impacto no produce una curva bien definida de relación humedad-
densidad.
Karl Terzaghi expresó el grado de compacidad de estos suelos en términos de la
densidad relativa también denominado índice de densidad (ID), la cual se encuentra
en función de las densidades máxima y mínima obtenidas en laboratorio.
Equipo:
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Table vibratory and accessories.
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Mesa vibradora de acero, con cubierta de aproximadamente 750 * 750mm.,
apoyada sobre amortiguadores y accionada por medio de un vibrador
electromagnético (figura)
Dos moldes cilíndricos, uno de 2832 cc. y el otro de 14160cc. De capacidad,
cada uno con un equipo anexo compuesto de una placa base de acero de
12,5mm. de espesor, una sobre carga de plomo que junto a la placa base sean
equivalentes a 14 Kpa. para el molde en uso y un collarín para recibir las sobre
cargas.
Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de
mantenerse en 110 º ± 5 º C.
Un deformímetro comparador o dial lector de deformación, con un recorrido de
50mm. y precisión de 0,01mm.
Herramientas y accesorios. Balanza de capacidad superior a 10 kg. Y precisión
de 1gr., cronómetro, regla metálica, pala, poruña, tamices y recipientes plásticos.
Procedimiento:
1. Determinación de la densidad mínima. Se selecciona el molde, aparato de
llenado y el peso de la muestra, según el tamaño máximo de partículas del
suelo, de acuerdo a la tabla de la figura 2. y se seca la muestra en horno hasta
obtener pesadas consecutivas constantes. Se pesa el molde a utilizar (Wm) y se
verifica su volumen (Vm). Se coloca este sobre una superficie firme, plana y
horizontal y se procede a depositar sin altura de caída, el suelo seco y
homogenizado según el tamaño máximo nominal de partículas, evitando golpear
o vibrar el molde.
Tamaño máximo de partículas
Ømm
Tama ño mínimo de la muestra de e
ensayo, kg.
Aparato de lle nado para determinar densidad mínima
Capacidad del molde
Lts.
80 45 Palana 14.240 10 Cuchara 2.820 10 Cuchara 2.810 10 Embudo de 25 mm 2.85 10 Embudo de12,5 mm. 2.8
Si el tamaño máximo nominal es menor ó igual a 10 mm., se coloca el material
dentro del molde tan suelto como sea posible, vaciándolo a flujo constante y
ajustando la altura de descarga de modo que la caída libre sea desde una altura
de 25mm. Simultáneamente, mover el embudo en forma de espiral, desde la
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pared del molde hacia el centro con el objetivo de ir formando una capa de
espesor uniforme.
Si el tamaño máximo nominal es mayor a 10mm., se coloca el material dentro
del molde de modo que se deslice en vez de caer sobre el fondo. Sujetar con la
mano las partículas mayores para impedir que rueden hacia afuera, llenando
hasta aproximadamente 25mm. por sobre el borde del molde. Finalmente, se
enrasa el material excedente y se pesa el molde más el suelo que contiene (W1).
2. Determinación de la densidad máxima vía seca. Utilizando el molde lleno con el
material empleado en la determinación de la densidad mínima, se apoya la placa
base sobre la cara superior de la muestra y se colocan los diales en tres
posiciones distintas, anotando los diferentes niveles de la placa, obteniendo un
promedio de lecturas iniciales (Li).
Retirados estos, se instala el collarín sobre el molde y la sobre carga sobre la
placa base, ajustando el conjunto en la mesa vibradora.
Se hará vibrar la mesa a su amplitud máxima durante 8 minutos. Luego se
retiran la sobre carga y el collarín, colocando nuevamente los diales en las
mismas posiciones iniciales y se registran los nuevos niveles de la placa,
obteniendo así un promedio de lecturas finales (Lf).
Finalmente, se retira la placa base y se pesa el molde más el suelo vibrado (W2),
el cual deberá ser semejante a W1, salvo que durante la vibración se haya
producido pérdida de finos.
3. Determinación de la densidad máxima vía húmeda. Esta puede real izarse sobre
el material de la muestra acondicionada (seca) a la cual se le agrega suficiente
cantidad de agua dejándola remojar durante 1/2 hora o bien, sobre la muestra de
suelo húmedo proveniente de terreno. Seleccionado el molde y el peso de la
muestra según la tabla arriba indicada, se llena el molde con suelo húmedo
mediante una palana o cuchara, agregando luego una cantidad suficiente de
agua para que una pequeña película se acumule sobre la superficie. Se vibra el
molde con el suelo saturado durante 6 minutos, reduciendo la amplitud de
vibración durante los minutos finales para evitar que el suelo fluya. Concluido
dicho tiempo, se elimina el agua que aparezca sobre la superficie de la muestra.
Luego se apoya la placa base sobre la cara superior de la muestra y se repiten
los pasos descritos en la determinación de la densidad máxima vía seca.
Obtenidas las lecturas del dial finales, se retira la placa base y se extrae con
58
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MECACANICA DE SUELOS
cuidado el total de la muestra húmeda, la que se seca al horno hasta conseguir
pesadas consecutivas constantes (W3).
Cálculos:
Calcular la densidad seca mínima del suelo (gd min) :
gd min = (W1 - Wm) / Vm ( gr / cm3)
Donde:
Wm = peso del molde (gr.)
W1 = peso del molde más el suelo (gr.)
Vm = volumen del molde (cm3.)
Calcular la densidad seca máxima del suelo (gd máx.) por la vía seca:
γmáx=(W 2−W m )
V m−f c x A x (Li−Lf )en
grcm3
Donde:
W2 = peso del molde más el suelo vibrado (gr.)
A = área del molde (cm2)
fc = factor de corrección de diales (valor = 1/10)
Li = promedio de lecturas de dial iniciales
Lf = promedio de lecturas de dial finales
Calcular la densidad seca máxima del suelo (gdmáx.) por la vía húmeda:
gd máx. = W3 / (Vm - f c * A * (Li - Lf)) (gr/cm3)
Donde:
W3 = peso del suelo vibrado seco (gr.)
Recomendaciones:
1. El valor de la densidad máxima de un suelo, estará dado por el mayor valor
obtenido entre los métodos seco y húmedo.
2. En la determinación de la densidad máxima de un suelo, el método seco
asegura resultados en un período de tiempo más breve, sin embargo para
gravas y arenas gruesas, se obtiene una densidad máxima mayor en estado
saturado.
59
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MECACANICA DE SUELOS
Cálculo de la densidad relativa (DR%).
Dr %=emáx−enat .
emáx−emímx 100
Donde:
emín. = relación de vacíos del suelo en su estado más compacto
emáx. = relación de vacíos del suelo en su estado más suelto
enat. = relación de vacíos del suelo en su estado natural
Sin embargo, es conveniente expresar la densidad relativa en función de los pesos
unitarios o densidades secas del suelo, pues el cálculo de la relación de vacíos,
requiere del valor de la gravedad específica del suelo, por lo que la densidad relativa
puede expresarse mediante la siguiente expresión:
Dr %=( γ d−γ dmím
γ dmáx−γdm´ m) γdmáxγd
x 100
Donde:
gd máx. = peso unitario seco del suelo en su estado más compacto
gd mím = peso unitario seco del suelo en su estado más suelto
gd nat = peso unitario seco in situ
En la Tabla observa la clasificación del estado del suelo de acuerdo a su densidad
relativa
.Estado del suelo Densidad relativa %
Muy suelto 0-15Suelto 15-35Medio 35-65Denso 65-85
Muy denso 85-100
60
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MECACANICA DE SUELOS
TERCERA UNIDAD:
3.-EXPLORACION DE SUELOS
3.1. Estudios del Suelo (tareas y fines).
El propósito de la investigación de un suelo depende de que el suelo en
estudio, represente un suelo de fundación o un material de construcción.
a. El Suelo como Terreno de fundación.
Por medio de los estudios al sub suelo, se quiere obtener los valores admisibles o
aplicables para la sobrecarga debido a edificaciones por construir (resistencia del
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 del sub suelo 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
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cuenta el ambiente del sitio de construcción y el efecto de la 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.
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.
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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.
Estudios Complementarios e impresindibles:
1. Efecto del agua en cualquier obra.
Normalmente habrá que determinar la profundidad de la napa 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. En
base a estos estudios se puede tomar decisiones:
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 en las edificaciones bajo el 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.).
2. Efecto de la topografía general del terreno.
Como afectará al diseño de las cimentaciones y la construcción.
Propiedades adyacentes, presencia de ríos, quebradas, cunetas, canales,
árboles, formaciones rocosas.
Accesos disponibles para vehículos y maquinaria.
3. Efecto de las redes de servicios subterráneos.
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Cableado eléctrico y teléfono.
Tuberías de agua y alcantarillado.
4. Efecto de las formaciones geológicas.
La posibilidad de hundimiento.
Presencia de fallas geológicas
5. Efecto de la presencia de sulfatos y /o sustancias químicas en el suelo.
Determinar los posibles efectos de deterioro en las estructuras de la cimentación.
6. Efecto de la ocurrencia de los fenómenos naturales.
Posibilidad de ocurrencia de terremotos.
Inundaciones, deslizamientos; por crecida de ríos, quebradas, etc.
3.2. Exploración en suelos.
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 ejecutar, 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.
Métodos de Exploración de suelos
1. Excavaciones o 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.
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2. Perforaciones: barrenadas manual o mecánicamente, por percusión con
cables ligeros.
Barrenadas manual o mecánicamente. Normalmente estos sondeos exploratorios
es un medio barato en suelos de tipo favorables, los suelos deben tener la cohesión
suficiente para que las paredes de la excavación puedan permanecer sin soporte, la
presencia de materiales granulares (gravas, piedras) o cualquier obstrucción
impedirá la rotación de la barrena, la muestra de suelo obtenida por las helicoidales
es completamente alterada, en otras palabras los cortes de suelo son llevados a la
superficie por la hélice en movimiento continuo. Se pueden usar para obras de
investigación del terreno si se las provee de un tubo central hueco en el cual se
adapta el tubo de muestreo.
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Percusión con cables ligeros. Este método se puede usar en cualquier tipo de
suelo, las perforaciones se pueden alinear donde se requieran mediante tubos de
acero, usándose una gran variedad de herramientas para diferentes tipos de suelo y
roca. Una torre con cables de percusión requiere un torno de fricción para levantar o
bajar las herramientas de perforación, estas maquinas pueden estar provistas de un
motor hidráulico, para operar un taladro rotatorio adecuado para la perforación en
roca hasta un límite de penetración.
La perforación en suelos altamente cohesivos se efectuará con barrenas cortadoras
de arcilla, un tubo de acero con el borde abierto y una cuchilla en el extremo o
conchas un tubo de acero con borde abierto y una cuchilla en el extremo. Las
arenas y las gravas se remueven de la excavación con la concha. En caso de
perforaciones en rocas o piedras grandes, se usan cinceles de varios tipos para
romper la roca y los fragmentos se sacan con la concha. En rocas duras el proceso
es lento, por lo que es preferible emplear el taladro rotatorio. El uso de agua vertida
en el agujero puede ser inevitable cuando se perfora en suelos granulares por
encima de la napa freática Sin embargo su uso debe ser limitado siempre y cuando
se agregue agua se registraran en los registros de perforación.
En la Perforación Lavada, el suelo se
desprende y se remueve de la perforación
con una corriente de agua. Estas muestras
sedimentadas en el exterior se pueden usar
para propósitos de identificación.
Si se sacan muestras secas en tubos sin
alteración se logrará una identificación fiel
como las raspaduras de barrena.
Es más adecuado para arenas uniformes o arcillas.
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3. La prueba del lavado. Es un método sencillo para determinar la profundidad de
una interfase entre suelo blando o suelto y una capa firme o compacta. Se trabaja
hacia arriba y hacia abajo con tuberías de lavado que envían agua a presión en un
pozo sin revestimiento. No hay posibilidades de identificación del suelo ya que el
agua generalmente no regresa. Es difícil en muchos casos imposible, obtener
muestras secas. Sin embargo si se dispone de agua suficiente y el suelo no
contiene grandes formaciones de grava o piedras grandes, este método constituye
una forma rápida y económica de establecer el nivel de un estrato bien definido que
puede ser reconocido al tacto por los tubos de lavado a medida que van de arriba
hacia a bajo. Las pruebas de lavado se deben correlacionar con perforaciones
realizadas mediante métodos más exactos, y cuando las perforaciones están muy
espaciadas, las pruebas de lavado deben verse como datos complementarios. Son
un método conveniente de rápida exploración subterránea en obras fluviales o
marítimas, para investigar, por ejemplo, la profundidad en que se encuentran capas
de arena o lodo sobre la roca en un proyecto de pilotaje o dragado.
4. Investigaciones geofísicas
Método sísmico.- Este método se funda en la 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 P (u ondas directas) y ondas S (u ondas
refractadas), las que llegan al geófono en tiempos diferentes. Las ondas P viajan
más rápido que las ondas S; por lo tanto, la primera llegada de ondas perturbadoras
estará relacionada con las velocidades de las ondas P en varios estratos. La
velocidad de estas ondas se obtiene mediante la ecuación:
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Por medio de gráficos y cálculos, se averigua la estratificación del terreno. Este
método permite determinar espesores de los diferentes estratos, midiendo la
velocidad de propagación de ondas sísmicas. Para su interpretación, los estratos
superiores deben presentar velocidades de propagación inferiores a las de los
estratos que lo subyacen y estos deben ser relativamente paralelos entre sí. La
técnica de refracción sísmica, consiste en crear ondas de impacto y vibración en el
interior del terreno. Esto se produce golpeando la superficie del suelo con un
martillo, cualquier peso o mediante el estallido de una pequeña carga explosiva
enterrada en el suelo.
A cierta distancia del lugar donde se producirá el impacto, se colocan unos
detectores llamados geófonos, dispuestos en línea recta y a distancias que vayan
aumentando entre ellos (ver figura). A través de un sismógrafo, se registra el tiempo
empleado por la onda elástica en llegar a cada detector y por medio de una
ecuación se determina el espesor del estrato en estudio. Cuanto más denso sea el
material, tanto más rápido se desplazarán las ondas a través de él. Siguiendo el
siguiente procedimiento:
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v=√E (1−μ )
(γg ) (1−2 μ ) (1+μ )
Donde :E :Módulo de elasticidad .γ :Peso específico del medio .g : Aceleración debido a la gravedad .μ :Módulo de Poisson .
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1. Obtenga los tiempos de primer arribo, t1, t2, t3,…, en varias distancias x1, x2, x3,
…, desde el punto de impacto.
2. Trace una gráfica del tiempo “t” versus la distancia “x”.
3. Determine las pendientes de las líneas ab, bc, cd…
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Pendiente ab=1v1
Pendiente bc=1v2
Pendiente cd=1v3
Donde : v1 , v2 , v3 ,. .. , son las velocidades de las ondas Pen los estratos I , II , III , .. .
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4. Determine el espesor del estrato superior Z1, mediante la ecuación:
5. Determine el espesor del segundo estrato Z2, mediante la ecuación:
En el análisis de resultados, se debe tener en cuenta lo siguiente:
1. Las ecuaciones para determinar el espesor de los estratos se basan en la
suposición que v1<v2<v3<…
2. Cuando el suelo esta saturado debajo del nivel freático, la velocidad de las ondas
“P” puede ser mentirosa. Las ondas P viajan a una velocidad aproximada de 1500
m/s a través del agua y para suelos secos y sueltos, la velocidad es menor a
1500 m/s. Sin embargo en una condición saturada, viajarán a través del agua que
ocupan los poros con una velocidad aproximada de 1500 m/s. Si previamente no
se ha identificado el nivel freático, la velocidad de las ondas P pueden ser
erróneamente interpretadas e indicar un material más resistente. En general debe
verificarse las exploraciones geofísicas mediante perforaciones.
En la tabla se indican algunos valores típicos de velocidades de ondas P de algunos
suelos. 1
Tipo de suelo Velocidad en m/seg.
Arena, limo seco y suelo superior de grano fino 200 1000
Arcillas compactas, grava arcillosa y arena arcillosa densa
1000 2500
1 Braja M. Das. Pr incípios de Ingenier ía de Cimentaciones Pagina Nº
70
Z1=12 √v2−v1
v2+v1
xc
xc :se obtiene del gráfico
Z2=12 [T i2−2Z1
√ v32−v1
2
v3 v1] v3 v2
√ v32−v2
2
Donde T i 2 es el cruce de tiempo de la línea cd .
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Loes 250 750Aluvial 500 2000Roca:
Pizarra y esquistos 2500 5000Arenisca 1500 5000Granito 4000 6000
Caliza sana 5000 1000
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.
La resistencia que opone al paso de la electricidad, dependerá en gran parte
de la densidad y humedad del suelo.
El procedimiento consiste en enviar mediante dos electrodos impolarizables,
una corriente eléctrica de intensidad I, de ser posible continua y medir la
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diferencia de potencial δ existente entre otros dos electrodos (Ver figura). El
conocimiento de δ e I, permite calcular una resistividad que se compara con
un ábaco o patrón de referencia. La corriente varía entre 50 y 100
miliamperios.
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La resistividad (δ) eléctrica se determina mediante la ecuación:
La resistividad depende del contenido de agua. Así las arcillas saturadas
tienen muy baja resistividad eléctrica; a la inversa los suelos y rocas secos
tienen alta resistividad.
En la tabla se indican algunos valores típicos de resistividades.
Tipo de suelo Resistividad en Ohms x cm
Arcilla o limo orgánico saturado 500-2,000
Arcilla o limo inorgánico saturado 1,000-5,000
Arcillas y Limos duros semisaturados,
arenas y gravas saturados5,000-15,000
Lutitas, arcillas y limos secos 10,000-50,000
Areniscas, arenas y gravas secas 20,000-100,000
Rocas cristalinas sanas 100,000-1´000,000
Tabla de la Resistividad eléctrica de suelos y rocas
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δ=R AL
Donde : R :Resistencia eléctrica .A :Área de la sec ción transversal del material .L:Longitud del material .δ :Re sistividad eléctrica ( ohm . m o ohm . centimetro )
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Fuente: Sowers G. B. y Sowers G. F., 1975
La caída de voltaje, ΔV, se mide entre los electrodos internos. Si el perfil
del suelo es homogéneo, la resistividad eléctrica queda determinada
mediante la ecuación:
En la naturaleza el suelo se encuentra en estratos, por lo tanto tendrán
resistividades diferentes, la resistividad determinada mediante la
ecuación anterior se lo conoce como resistividad aparente. La obtención
de la resistividad real de varias capas y sus espesores se usa el método
empírico siguiendo los pasos:
1. Obtención de la resistividad aparente.
2. Realizar las pruebas con varios espaciamientos de los electrodos. En
consecuencia la suma de las resistividades δ se grafica como
ordenadas.
3. Las distancias “D” se grafican como abscisas.
4. La figura tendrá segmentos relativamente rectos. La pendiente de
estos dará la resistividad de los estratos individuales.
5. El calculo de los espesores Z1, Z2, Z3, ... Se determina según se
observa en la fg.
3.3. Espaciamiento y profundidad de las excavaciones y perforaciones
exploratorias
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δ=2 π D ΔVI
⋯⋯⋯Conocida como resistividad aparente
Donde : D :Dis tan cia en metros.ΔV :Caida de voltaje entre los dos electrodos int eriores .I :Corriente eléctrica entre 50 y 100 miliamperios
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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.
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.
Para citar un ejemplo: Investigando al sub suelo de una presa por construir 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
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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 sacarán 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.
a. En los suelos de alta cohesión Susceptibles de alteración. Las clases 1 y 2
requieren de un buen diseño de toma de muestras como un pistón o tubo de
paredes delgadas que empuja o introduce en el suelo con ayuda de un gato
hidráulico, nunca forzado a golpes de martillo.
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b. En los suelos no Susceptibles de alteración. El muestreo de las clases 1 y 2 se
hace con tubos abiertos que son martillados en el suelo con martillo deslizador o a
partir de muestras tomadas a mano cuidadosamente de los pozos de prueba.
Comentarios:
El ingeniero debe reconocer el justo valor de la calidad del muestreo, tanto que esta
puede significar una economía de los costos de diseño, un muestreo de alta calidad
representa una mayor exactitud en la determinación de las fuerzas cortantes, con
mayores presiones de soporte, por consiguiente, una reducción en los costos de
cimentación.
El ingeniero debe estudiar el problema de la cimentación y decidir que grado de
perfección en el muestreo es económicamente justificable, mantener siempre
presente que ciertas pruebas In situ, como las de veleta o cono, pueden proporcionar
información más confiable que las pruebas de laboratorio hechas en muestras
inalteradas.
3.5. ENSAYOS DE PENETRACION.
Los ensayos de penetración in situ están muy difundidos hoy en día, principalmente por
su sencillez y por su costo relativamente accesible, pero debemos agregar que en
muchos casos su interpretación es muy difícil.
Los penetrómetros son barras metálicas que
se introducen en el terreno para medir
determinadas propiedades del mismo y
generalmente están constituidas por las
varillas, la punta que se introduce en el terreno
y el dispositivo de accionamiento.
Constituyen un método auxiliar en la
investigación de las características del terreno,
sus resultados permiten obtener ciertos datos sobre la densidad de los suelos y la
consistencia de suelos cohesivos, así como compresibilidad y resistencia al corte. Son
usados generalmente para determinar los límites de las capas, niveles rocosos o estratos
resistentes y las cavidades del terreno. También sirven para comprobar rápidamente la
uniformidad del terreno, en combinación con otro reconocimiento, como por ejemplo los
sondeos.
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MECACANICA DE SUELOS
Los ensayos de penetración pueden ser dinámicos, que
consisten en hincar mediante golpes una varilla o tubo, o
pueden ser estáticos, que consisten en medir la resistencia a
la penetración de la varilla, la que se hinca lentamente, de
modo que los efectos dinámicos resultan despreciables, es
decir, la punta es forzada hacia adelante a una velocidad
regulada.
Tipos de penetrómetros.
Penetrómetros estáticos. El más típico es el cono holandés (CPT) o cono estático,
el cual se hinca mediante una fuerza estática, dada por gatos mecánicos o
hidráulicos. Consta de un tubo, en cuyo
interior se aloja una varilla, que lleva en la
punta un cono 60º (Ver figura). Se mide el
esfuerzo necesario para la hinca del conjunto
y de vez en cuando sólo se hinca la varilla
interior móvil, lo que da la fuerza necesaria
para la hinca del cono, es decir, la resistencia
del terreno a la punta del cono. Por
diferencia, es posible obtener la resistencia
por el fuste, debida a la adherencia y el
rozamiento entre el tubo y el terreno.
Los resultados de la penetración estática
se representan gráficamente de la
siguiente manera: se grafica en ordenadas
la profundidad y en abscisas la resistencia
por la punta (kg /cm2) o su resistencia total
y el roce del tubo de revestimiento (fuste).
Los ensayos de penetración estática dan
buenas indicaciones sobre la resistencia del
terreno, pero tienen la desventaja de que en
suelos densos o muy densos, el equipo
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MECACANICA DE SUELOS
pueda quedar bloqueado al no poder imprimir una fuerza mayor de penetración, con lo
cual es imposible llegar a grandes profundidades.
Penetrómetros dinámicos. La
manera más simple de obtener
información sobre el grado de
compactación in situ (compacidad en s
uelos granulares; consistencia en suelos
finos), consiste en golpear una barra y
medir lo que penetra en el terreno en
función del número de golpes. En
comparación con el penetrómetro
estático, la interpretación es más difícil,
sin embargo la ejecución del ensayo es
más sencilla, por ello este tipo de
ensayos están ampliamente difundidos.
La mayor ventaja del penetrómetro
dinámico sobre el estático es que no
necesita el lastre o anclaje de reacción
de éste último, que muchas veces puede
ser de varias toneladas, como
consecuencia tenemos que los
penetrómetros dinámicos son mucho más manejables baratos y rápidos.
Existen varios tipos de penetrómetros dinámicos, por ejemplo el tipo DIN 4094, el
penetrómetro estándar ASTM D-1 5 8 6, penetrómetros manuales, etc.
Penetrómetros manuales. Este tipo de penetrómetros se hinca en el terreno mediante
golpes dados generalmente con un mazo de madera. Como es usual al resto de los
penetrómetros, es posible registrar el número de golpes y las profundidades de
penetración. También se pueden obtener pequeñas muestras del terreno mediante una
ranura longitudinal y los huecos superiores que comúnmente poseen.
Penetrómetro DIN - 4094. Existen dos tipos: ligero y pesado. El penetrómetro ligero
puede emplearse en suelos no muy compactos hasta profundidades de unos 8 metros.
Para profundidades mayores y suelos más rígidos se utiliza el penetrómetro pesado.
Las características de estos equipos se indican en la tabla siguiente:
Penetrómetro Peso del Mazo Altura de caída Varillas Largo de
79
Penetrómetr
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(kg) (cm) varillas (m)
Ligero 10 50 Tubo 22 x 4.5 1.0
Pesado 50 50Varilla de
sondaje1.0 - 2.0
Características de penetrómetros según DIN - 4094.
Fuente: Schulze W. y Simmer K., 1970.
Ensayo de penetración normal (SPT), según norma ASTM D-1586- 64T.
Este método es ampliamente conocido y relativamente simple. Consiste en contar el
número de golpes que se requieren para hincar 30 cm. una cuchara saca muestras en el
terreno, con un peso determinado y una altura de caída fija. El muestreador usado,
comúnmente llamado cuchara normal, es de 2” de diámetro y se hinca en el fondo del
pozo mediante la acción de golpes de un martinete que pesa 65 kg., el que cae desde
una altura de 75cm.
Para efectuar el ensayo es preciso avanzar con un sondeo normal. Al llegar al punto que
se desea ensayar se introduce la cuchara de 2” hasta el fondo. En esta perforación previa
se debe retirar todo el material perturbado o suelto (si el suelo es cohesivo generalmente
las paredes mantienen su posición, pero si se trata de suelos de paredes inestables se
suele entubar con revestimiento metálico o lodos tixotrópicos).
Una vez introducida la cuchara en el fondo de la perforación haciéndola penetrar unos 15
cm. mediante golpes a las cabezas de las varillas, se inicia entonces el ensayo de
penetración, contando el número de golpes (N) necesarios para hacer penetrar la
cuchara 30 cm. No debe contarse el número de golpes necesarios para introducirla los
primeros 15 cm. ya que se supone que el terreno se puede encontrar alterado en el fondo
del sondeo.
Se cuentan sin embargo los golpes necesarios para introducirla los 30 cm. Siguientes y
este será el número de penetración estándar(N)
Un criterio de rechazo a la penetración, es cuando el avance es menor a 1” por cada 50
golpes. Terminado el ensayo, se gira la cuchara y se extrae la muestra, se desarma el
muestreador retirando la camisa interior que posee dicha muestra.
La información que entrega este ensayo es muy valiosa pero su interpretación y análisis
requiere de extremada prudencia, fundamentalmente por las limitaciones que se
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MECACANICA DE SUELOS
presentan en la ejecución del ensayo y factores atribuibles a las características del
terreno mismo, por ejemplo, valores de N distintos para un mismo estrato debido a que
los suelos no siempre se encuentran uniformemente distribuidos, siendo la causa de esta
variación, la presencia de partículas gravosas, rellenos u otros materiales similares.
El SPT entrega una buena referencia acerca de la compacidad de los suelos arenosos,
sin embargo, en estratos de grava la cuchara no puede hincarse, pues la afilada punta de
la cuchara se dobla.
En suelos arcillosos los resultados no son muy confiables, existiendo circunstancias
conocidas que justifican la falta de garantía de los resultados obtenidos. Primero, la
arcilla exhibe cierta viscosidad o resistencia a la deformación rápida, lo cual influye en el
ensayo, sin que tenga correspondencia en la resistencia del terreno a cargas
permanentes. Segundo, se ha podido comprobar que una gran parte de la resistencia a la
penetración de la cuchara en arcillas, se debe a la adherencia a la superficie lateral, pero
ésta tratándose de un fenómeno tan rápido, queda influido por la sensibilidad de la arcilla,
su tixotropía y en general, por la capacidad de este suelo a adherirse casi
instantáneamente a una superficie metálica.
Toma de muestras. La muestra se retira de la camisa que la contiene y se coloca en
envases o recipientes especiales, sellándola con parafina sólida. Se rotula para su
identificación y se envía al laboratorio para los ensayos pertinentes. Esta muestra debe
considerarse como remoldeada, ya que el espesor de las paredes del tubo es muy
grande con relación a su diámetro interior.
En cada ensayo que se ejecute se deben anotar los datos relativos al sondaje mismo,
como por ejemplo fecha, número del sondeo, método de perforación, sistema de
recubrimiento del pozo, profundidad, nivel freático, límites o cotas de los estratos,
identificación de los suelos, registro del índice de penetración y tiempo de duración del
ensayo.
Interpretación del SPT. En las tablas se entregan diversas relaciones entre el N y la
densidad relativa para las arenas o la consistencia para las arcillas.
N (para hundir 30 cm) Densidad relativa
0-4 Muy suelta
4-10 Suelta
10-30 Medianamente densa
81
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30-50 Densa
>50 Muy densa
N (para hundir 30 cm) Consistencia
2 Muy blanda
2-4 Blanda
4-8 Media
8-15 Rigida
15-30 Muy rigida
>30 Dura
Compacidad N(SPT) Ø
Muy suelta <4 <30
Suelta 4-10 30-35
Compacta 10-30 35-40
Densa 30-50 40-45
Muy densa >50 >45
En la tabla se indican las conclusiones obtenidas por Meyerhof sobre la densidad y el
ángulo de fricción interna de las arenas.
Los valores más bajos mencionados en la tabla anterior, corresponden a arenas
uniformes, en cambio los valores altos a arenas bien graduadas. Cuando las arenas sean
algo arcillosas, el valor inferior debe reducirse en un mínimo de 5º y cuando se trate de
arenas mezcladas con gravas, el límite superior puede incrementarse en 5º.
Finalmente, Meyerhof relacionó la resistencia por punta del cono dinámico (holandés) y el
número de golpes (N) del SPT, mediante la siguiente expresión:
Rp = n x N
Donde:
Rp = resistencia por punta (Kg. / cm2)
N = índice de penetración estándar SPT
n = valor de tabla según el tipo de suelo
n Tipo de suelo
2.5 Limo arenoso
3.6 Arena y arena con gravas
82
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4.0 Arena fina y arena limosa
4.8 Arena fina a media
8-18 Arena y grava
12-16 Grava arenosa
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.
3.6 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 3 4 5
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
83
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Tuberías
Canales
Usando reglas establecidas por la American Societe of Civil Engineers (1972).
Dp: Profundidad de perforación o excavación en metros.
S: Número de Pisos.
Según el reglamento Nacional de Edificaciones
Para cimentaciones superficiales sin sótano:
Para cimentaciones con sótano
84
TUBERIAS
Dp=D1+Z Considerando que Z=1 .5B
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Donde:
Dp: Profundidad de perforación o excavación en metros
D1: Distancia Vertical de desplante de la zapata o fondo de cimentación.
B: Es el ancho de la zapata más grande.
H: Es la distancia vertical entre el nivel del piso terminado del sótano y la
superficie del terreno natural.
3.7. METODOLOGIA PARA LA EXPLORACIÓN DEL SUB SUELO
La metodología usada es de tipo exploratorio y descriptivo. Se inicia con trabajos de
exploración de campo, luego el muestreo, seguido del análisis de laboratorio, para
finalmente a la luz de los resultados ver la factibilidad del proyecto
1. RECOLECCIÓN INFORMACIÓN BIBLIOGRÁFICA.
En esta fase se recopilará y analizará toda la información existente de la zona
involucrada en el estudio, como cartografía, Topografía de la zona en estudio e
información estadística de la ocurrencia de fenómenos naturales que han generado
situaciones de desastre, a fin de disponer de un panorama total del ambiente donde
se desarrollara el proyecto.
Tener una idea general del tipo de Estructuras de uso general.
Tener una idea general de la topografía y del tipo de suelo que se encontrara
cerca y alrededor del lugar de estudio, se obtiene las siguientes fuentes:
Mapas de levantamientos geológicos – INGEMMET
Carta Nacional
Reportes de los suelos estudiados
Información Hidrometereológica
Reglamento nacional de Edificaciones
Norma E050
Manuales de Suelos, entre otros.
La Información obtenida así es sumamente útil en la planeación de una
investigación. En algunos casos se logran ahorros considerables si se detectan de
antemano problemas que pueden luego encontrarse en el Programa de
Exploración.
85
Dp=H+D1+Z Considerando que Z=1 . 5B
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2. RECONOCIMIENTO DE CAMPO
El Ingeniero debe siempre hacer una inspección visual del lugar de estudio para
obtener información sobre:
La topografía general del lugar, la posible existencia de canales de drenaje,
botaderos de basura y otros materiales. Además la evidencia del flujo plástico
en taludes y grietas profundas y ampliar a intervalos regularmente espaciados
puede ser indicativo de suelos expansivos.
Estratificación del suelo en cortes profundos, como los que se realizan para la
construcción de las vías.
Tipo de vegetación en el sitio que indique la naturaleza del suelo.
Huellas de niveles altos del agua en edificios y en estribos de puentes.
Niveles de agua freática, que son determinados por observación de pozos
cercanos.
Tipos de construcciones vecinas y existencia de grietas en muros o viviendas.
Evidencia de erosión en las riberas de los ríos o torrenteras.
La evidencia de inundaciones fluviales o pluviales.
La Naturaleza de la estratificación y propiedades físicas de suelos vecinos, también
se obtienen de reportes disponibles de la exploración del sub suelo para estructuras
existentes.
3. INVESTIGACIÓN DEL SITIO
La fase de investigación del sitio del programa de exploración consiste en la
planeación, efectuar sondeos de prueba y recolectar muestras del suelo a los
intervalos deseados para sub secuentes observaciones y pruebas de laboratorio. La
Profundidad mínima aproximada requerida de los sondeos debe ser
predeterminada.
La Profundidad puede ser cambiada durante la operación de barrenado o de
excavación a suelo abierto, dependiendo del sub suelo encontrado.
Para determinar la profundidad mínima aproximada se debe tener en cuenta las
reglas establecidas
3.1. Determinar el espaciamiento de las calicatas utilizando las tablas
estadísticas, se cuadricula el área de estudio en hectáreas y de acuerdo a
86
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las necesidades de obtener la información se determina áreas para la
exploración
3.2. Determinar la profundidad de la excavación y/o perforación mediante la
distribución de tensiones en el sub suelo.
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE LABORATORIO
El proceso de Identificar las capas o estratos de depósitos que subyacen bajo una
estructura y sus características físicas que se denomina exploración del subsuelo.
Su Propósito es obtener información que ayude al ingeniero en:
1. Seleccionar el tipo y profundidad de la cimentación adecuada para una
estructura dada.
2. Evaluar la capacidad de carga de la Cimentación.
3. Estimar el asentamiento probable de una estructura.
4. Detectar problemas potenciales de la cimentación (por ejm: suelo
expansivo, suelo colapsable, relleno sanitario, antiguo cementerio, etc.)
5. Determinar la Localización del nivel freático.
6. Predecir el empuje Lateral de la tierra en estructuras como Muros de
Retensión, tabla estacados.
7. Establecer métodos de construcción para condiciones ambientales del
suelo.
TAMBIEN ES IMPORTANTE LA IDENTIFICACION VISUAL.
La identificación visual, es el reconocimiento preliminar del suelo sin necesidad de
empleo de equipos o ensayos de laboratorio, los cuales más tarde nos darán una
confirmación y permitirán ampliar la información obtenida en terreno.
Esta identificación es una etapa previa para el estudio de Mecánica de Suelos, de ahí su
gran importancia. A pesar de que los ensayos son muy simples de realizar, la
identificación visual requiere de cierta experiencia para poder diferenciar los distintos
tipos de suelos. Los términos usados para designar a los tipos de suelos son: grava,
arena, limo y arcilla; pero es sabido que los suelos naturales generalmente son una
mezcla de dos o más de éstos y muchos contienen una cantidad de materia orgánica en
un estado de descomposición parcial o total. Sin embargo, es posible discernir el
componente predominante y asimilar las muestras aun grupo y los demás constituyentes
87
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MECACANICA DE SUELOS
del suelo se indican como adjetivos. Así, una arcilla limosa tiene las propiedades de una
arcilla, pero contiene una cantidad importante de limo; un limo orgánico está compuesto
prioritariamente por limo, pero contiene una cantidad significativa de materia orgánica.
PROPIEDADES GEOTÉCTICAS DEL SUELO
Estas propiedades pueden ser determinadas mediante apropiadas pruebas de
Laboratorio. Recientemente se ha puesto énfasis en la determinación in-situ de las
propiedades de resistencia y deformación del suelo. Debido a que así se evita la
perturbación de las muestras durante la exploración de campo. Así mismo el Ingeniero
debe ser consiente de que los depósitos del suelo natural sobre los cuales las
cimentaciones se construyen, no son homogéneas en la mayoría de los casos. El
Ingeniero debe entonces tener un conocimiento pleno de la geología de la zona. Es decir,
del origen y naturaleza de la estratificación del suelo, así como las condiciones del agua
del sub suelo.
3.8. RECOLECCIÓN DE MUESTRAS DE SUELO EN EL TERRENO (Ref. AASHTO T86-70,
ASTM D420-69)
OBJETIVOS:
Enseñar a los estudiantes los métodos para la obtención de muestras
Capacitar al estudiante para obtener un indicio de la variación, según la profundidad,
del contenido de humedad natural del suelo.
Recolectar información para dibujar un perfil del terreno.
Como obtener las muestras de suelo, para los ensayos de laboratorio.
EQUIPO:
Palanas, picos
Bolsas de polietileno
Bolsas plásticas
Latas (12) o recipientes para contenido de humedad.
PROCEDIMIENTO:
1. Cada grupo debe excavar una calicata, de
por lo menos 1.5 m de profundidad.
88
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MECACANICA DE SUELOS
2. Tomar dos muestras para contenido de humedad, por cada metro de profundidad
y donde se produzcan cambios visuales en el estrato de suelo. Colocar las tapas
de los recipientes de humedad inmediatamente después de obtener la muestra.
3. Es necesario recolectar 30 kg. de suelo por grupo o suficiente material, par los
ensayos de laboratorio sub siguientes. Esta muestra deberán llevarse al
laboratorio, identificarse mediante un rótulo. Así mismo se recomienda ponerlo en
un recipiente grande y secarlo al aire.
4. Cada grupo deberá preparar el registro de excavaciones, de las calicatas o
perforaciones realizadas.
89
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MECACANICA DE SUELOS
5. Cada grupo deberá dibujar un perfil estratigráfico, utilizando una escala
apropiada. Deberá hacerse una descripción visual del suelo en cada estrato, por
ejemplo arena arcillosa gris, capa vegetal negra, arena gravosa, etc.
INFORME TECNICO
INDICE
INTRODUCCIÓN
GENERALIDADES
Objetivo del estudio
Ubicación del área en estudio
Condiciones climáticas
Características del Proyecto
METODOLOGIA
INVESTIGACIONES EFECTUADAS
Aspectos Geológicos
Trabajos de Campo
Pozos de muestreo
Muestreo Disturbado
Muestreo Inalterado
Registro de Excavaciones
Ensayos de Laboratorio
90
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Clasificación de Suelos
DESCRIPCIÓN DEL PERFIL ESTRATIGRAFICO
ANALISIS DE RESULTADOS
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIOES
CUARTA UNIDAD:
GRANULOMETRIA DE LOS SUELOS
4.1 Generalidades
El ingeniero interesado en suelos deberá estar suficientemente enterado de los
métodos y criterios basados en la distribución granulométrica.
La 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.
4.2 Definición
91
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MECACANICA DE SUELOS
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 otras investigaciones.
4.3 Clasificación de los suelos según investigaciones de las instituciones internacionales.
4.4
Análisis mecánico y gradación de suelosComprende 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. Referencia ASTM
D421-58 y D422-63. AASHTO T87-70 y AASHTO T88-70
92
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MECACANICA DE SUELOS
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 una “gráfica
granulométrica”, dibujando con porcentajes en peso como ordenadas y tamaños de
partículas 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 línea vertical, una curva muy tendida indica
gran variedad en tamaños (suelo muy heterogéneo), suelo bien graduado
Como una medida simple de la uniformidad de un suelo, se utiliza el coeficiente de
uniformidad (Cu). El mismo que indica la variación del tamaño de las partículas presentes
93
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MECACANICA DE SUELOS
en la muestra de ensayo. Así mismo se puede indicar que sí este valor es muy grande
quiere decir que entre los diámetros D60 y D10 difieren en tamaño apreciablemente. No
podemos estar seguros que no exista un vacío de gradación.
Como medida de la gradación, se utiliza el coeficiente de curvatura (Cc). El mismo que
indica la forma de la curva entre D60 y D10.
Representación gráfica de la granulométria de una muestra.
94
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MECACANICA DE SUELOS
95
1 . Coeficiente de uniformidad :
Cu=D60
D10
>3 Heterogéneo , <3 muy uniforme , >15 muy heterogéneo .
Donde :D60 : Significa tal tamaño de grano ,que el 60 % en peso pasa .D10 : Significa tal tamaño de grano ,que el 10 % en peso pasa .
2 . Coeficiente deg radación :
Cc=(D30 )
2
D60 D10
;
Sí : 1<Cc<3 →Será un suelo bien graduado compuesto por todotamaño de part ´ culas .
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MECACANICA DE SUELOS
Nota: Los coeficientes de uniformidad y curvatura serán determinados, si se cumple
que el 12 % o menos pasa por la malla Nº 200 (Joseph Bowles)
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
Se
determina el porcentaje de error (ε)
ε=W i−¿W f
W i
x 100<2 ;casocontrario se repitir áel ensayo .¿
Donde :
W i :Peso inicial ode sarandeoW f :Peso final despué sdel sarandeo
Paranuestro caso :ε=W i−¿W f
W i
x100=472.5−471.8472.5
=0.15 %<2→OK ¿
Cálculo del Cu yC c :
96
Peso muestra seca antes del lavado (Ws) en gr. 500
Nota: La muestra es lavada en la malla Nº 200 (0.075 mm), el trabajo se debe realizar con prudencia con la finalidad
de no deteriorar el tamiz.
Peso tarro en gr. 421.2Peso muestra seco
después de lavar en gr472.5
Malla Nº Diámetro (mm)
Peso Ret. (gr)
% Retenido % Acumulado
% Que pasa
4 4.750 9.80 1.96 1.96 98.0410 2.000 39.50 7.90 9.86 90.1420 0.840 72.60 14.52 24.38 75.6240 0.425 128.50 25.70 50.08 49.9260 0.250 108.50 21.70 71.78 28.22
100 0.150 103.00 20.60 92.38 7.62200 0.075 8.40 1.68 94.06 5.94
Cazoleta 1.50 5.94 100.00 0.00471.80 100.00
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Cu=(D60 )(D10 )
=3.64 > 3 ok C c=(D30 )
2
D 60D10
=0.73<1nosatisface
Problema Nº 2: Se tiene los siguientes datos del ensayo de granulometría por tamizado en
seco. Determinar el Cu y Cc, así mismo graficar la curva granulométrica
Malla Nº Abertura en (mm)
Pesos ret. (gr) % ret. % ret. Acumulado
% que pasa
11/2" 38.1 0.00 0.00 0.00 100.001" 25.4 1818.10 12.00 12.00 88.00
3/4" 19.05 1212.10 8.00 20.00 81.003/8" 9.525 3030.20 20.00 40.00 60.00Nº4 4.75 2272.70 15.00 55.00 45.00
Cazoleta 6818.10 45.00 100.00 0.00Para el análisis del material fino (arena) se tomo sólo 200 gramos.
10 2.000 31.50 7.00 62.00 38.0020 0.841 27.50 6.00 68.00 32.0040 0.420 29.10 7.00 75.00 25.0060 0.250 22.00 5.00 80.00 20.00
100 0.149 24.10 5.00 85.00 15.00200 0.075 20.80 5.00 90.00 10.00
Cazoleta 45.00 10.00 100.00 0.00
b. ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO POR SEDIMENTACIÓN (METÓDO DEL
HIDRÓMETRO); referencia ASTM D421-58 y D422-63. AASHTO T87-70 y
T-88-70.
97
Cu=D60
D10
=9 . 5250 . 075
=127>3→ok
Cc=(D30 )
2
D10 D60
=(0. 721 )2
9.525 x 0 .075=0 . 73<1
Conclusión :El suelo es mal graduado
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El análisis del Hidrómetro es un método utilizado para obtener una
aproximación de la distribución granulométrica de los suelos cuyas partículas
sean de tamaño inferior a 0.075 mm (malla Nº 200), hasta alrededor de 0.001
mm. Los resultados se presentan en un gráfico semilogarítmico, dibujando
con porcentajes en peso como ordenadas y tamaños de partículas como
abscisas, estos resultados pueden combinarse con los de la gradación mayor
a 0.075mm, con lo cual se denominará granulometría cerrada. El método del
hidrómetro permite obtener el porcentaje de arcilla (% más fino que 2 micras).
Ley de Stokes (G. G. Stokes - 1850): El análisis del Hidrómetro utiliza la
relación entre la velocidad de caída de esferas en el medio continuo (agua), el
diámetro de la esfera, el peso específico tanto de la esfera como del medio
continuo, y la viscosidad del fluido.
98
v=2 γ s−γ 0
9η (D2 )2
.. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . ..(b . 1)
Donde : v : Velocidad de caída de la esferaγ s : Peso específico de la esfera
γ0 : Peso específico del fluido (agua )η : Vis cos idad absoluta , o dinámica del fluido (agua ) , endinas x s
cm2; o
grcm
x s
D : Diámetro de la esfera
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Resolviendo la ecuación (b.1) para D utilizando el peso específico del agua,
se obtiene:
El rango de variación de los diámetros D para los cuales es valida esta
ecuación es:
Para resolver la ecuación (b.2) es necesario obtener el término velocidad v,
conocer los valores de:
Como el peso específico del agua y su viscosidad varían con la temperatura,
por lo cual esta variable debe ser considerada.
Fundamento teórico:
Para obtener la velocidad de las partículas se utiliza el hidrómetro.
Figura Nº 1
Se mezcla una cantidad de suelo con agua y un pequeño contenido de un
agente dispersante para formar una solución de 1000 cm3. Se obtiene una
solución con un peso específico ligeramente mayor que 1.000 (teniendo en
cuenta que el peso específico del agua destilada es 1.000 a 4ºC). El agente
99
D=18 η vγ s−γω
cm .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .(b .2 )
0 .0002 mm≤D≤0 .2 mm
η , γ s y γω
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MECACANICA DE SUELOS
dispersante o llamado defloculante, se añade a la solución para neutralizar las
cargas sobre las partículas más pequeñas de suelo, que por lo general tienen
carga negativa. Con orientación adecuada, estos granos cargados
eléctricamente se atraen entre si con fuerza suficiente para permanecer
unidos, creando así unidades mayores que funcionan como partículas
mayores. Estas sedimentan más rápidamente a través del fluido que las
partículas aisladas.
El agente dispersante utilizado es el metafosfato de sodio (NaPO3), y el
silicato de sodio (Na3SiO3), los cuales neutralizan la carga eléctrica de las
partículas de suelo. La cantidad utilizada es de 125 cm3 de solución al 4% de
metafosfato de sodio en 1000 cm3 de suspensión, la cual puede variar si la
solución permanece turbia después de 2 o 3 horas.
Se debe determinar el PH de la solución antes de utilizar algún agente
dispersivo. Puesto que el metafosfato de sodio produce una solución acida
(toma azul los papeles utilizados para determinar acidez) y por consiguiente
se podría esperar una mejor eficacia como agente dispersivo en suelos
alcalinos. El silicato de sodio, produce una solución alcalina (toma rosada al
papel utilizado para medir acidez) y debería ser más eficiente en suelos
ácidos o suelos cuyo PH es menor de 7.
100
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
El hidrómetro más usado es el tipo 152H (según norma ASTM) y esta
calibrado para leer la aceleración de la gravedad de un suelo de Ss = 2.65 en
1000 cm3 de suspensión siempre que no haya más de 60 g de suelo en la
solución. La lectura por consiguiente esta directamente relacionada con el
peso específico relativo de la solución.
El hidrómetro determina la gravedad específica de la suspensión agua-suelo
en el centro del bulbo (fg. Nº 1). Todas las partículas de mayor tamaño que
aquellas que se encuentren aún en suspensión en la zona mostrada como L
(la distancia entre el centro de volumen del bulbo y la superficie del agua)
habrán caído por debajo de la profundidad del centro del volumen, y esto
hace decrecer permanentemente la gravedad específica de la suspensión en
el centro del volumen del hidrómetro. Además es obvio pensar que el
hidrómetro tiene un peso constante a medida que disminuye la gravedad
específica de la suspensión, el hidrómetro se hundirá más dentro de la
suspensión (aumentando así la distancia L). Es necesario recordar que la
densidad del agua decrece a medida que la temperatura aumenta (o
diminuye) de 4ºC. Esto ocasiona adicionalmente un hundimiento mayor del
hidrómetro dentro de la suspensión.
Como la profundidad “L” representa la distancia de caída de las partículas en
un intervalo de tiempo dado t, entonces la velocidad se define como:
Par determinar L, es necesario medir la distancia L2 y varios valores de la
distancia variable L1 (representadas en la fg Nº 1) utilizando una escala.
Usando un cilindro de sedimentación graduado de sección transversal A
conocida, sumergir dentro de él el bulbo del hidrómetro y determinar el
cambio en la medición del cilindro. Esto permitirá determinar el volumen del
bulbo del hidrómetro Vb. A continuación se puede calcular la longitud L en cm
si L1 y L2 están en cm. y Vb en cm3, en la siguiente ecuación:
101
v=Lt
que se utilizará en la ecuación de Stokes
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MECACANICA DE SUELOS
El término (-Vb/A), toma en cuenta que la suspensión de suelo-agua se
eleva una cantidad (Vb/A) cuando el hidrómetro es colocado en el cilindro
de sedimentación, entonces así el centro de volumen se desplaza hacia
arriba 1/2 (Vb/A) de la ecuación (b.3). Al dibujar una curva de las lecturas
del hidrómetro (las cuales se relacionan con los valores correspondientes
de L1) contra L, se obtiene el valor de L para cualquier lectura del
hidrómetro R. Como esta curva es lineal, sólo se necesitan 3 puntos para
establecer la curva R contra L. como el hidrómetro 152H tiene
dimensiones razonablemente dentro de los patrones, los valores de L
pueden obtenerse una sola vez con proyección adecuada para la mayoría
de los trabajos posteriores de (MS), tal como se muestra en la tabla Nº 01.
La lectura del hidrómetro únicamente por el error del menisco para ser
utilizada en la ecuación (b.3) (en una suspensión turbia, es necesario leer
en la parte superior del menisco). La velocidad de caída consiste en que la
lectura real de la distancia L que las partículas han recorrido es
independiente de la T, gravedad específica de la solución o cualquier otro
tipo de variable.
Si conocemos el diámetro de la partícula y el % de suelo que aún
permanece en suspensión, el cual en este caso sería el % de material más
fino. Se tendría suficiente información para dibujar la curva granulométrica.
Corrección por temperatura para utilizar en la suspensión agua-suelo.
Como corrección de cero es (±) y corrección de temperatura es también
(±), con el signo que se indique en la tabla Nº 02, la lectura corregida del
hidrómetro para granos de suelo en suspensión se calcula como:
102
L=L1+12 (L2−
V b
A ) . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . ..(b . 3)
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103
Rc=Rral−correccióncero+CT .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .(b . 4 )Una vez corregida la lectura del hidrómetro , el % de material más finopuede calcularse (si consideramos quenovar ía el Ss=2 .65 ) como :
% material más fino=Rc
W s
x100 .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . ..(b . 5 )
Donde : Rc : granos de suelo en suspensión en un tiempo t dadoW s : peso original de suelo colocado en suspensión
Sí Ss no es igual a 2 . 65 , es posible calcular una cons tan te a para utilizaren la ecuación (b . 5)aSs
Ss−1
=12 .652 .65−1
∴a=Ss (1. 65 )
(Ss−1 )2. 65. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . ..(b . 6 )
El % más fino cuando Ss≠2. 65 se calcula :
El % más fino=Rc a
W s
x100 . .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . ..(b . 7 )
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En la taTabla Nº 03 se dan los valores de a.
La ecuación (b.2) también puede escribirse en función de L y t.
104
D=√30η980 (Ss−Sω)
Lt
D=K √Lt .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. (b .8 )
K=f (T ,Ss , u ) se muestra en la tabla Nº4
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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 Nº (ASTM)
Abertura real (mm.) Tipo de suelo
3 ” 76,12
GRAVA
2 ” 50,8011/2 ” 38,10
1” 25,40¾” 19,05
3/8” 9,524 4,75 ARENA GRUESA
10 2,00ARENA MEDIA20 0,84
40 0,4260 0,25
ARENA FINA100 0,105200 0,075
Fuente : Ing. Joseph E. Bowles. Manual de laboratorio de mecánica de suelos, pg. 42
MÉTODO: ANÁLISIS MECÁNICO POR TAMIZADO EN SECO.
1. Equipo.
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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 mortero), 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 suelo.
Tamaño máx. de partículas (mm) Cantidad mím. A ensayar (Kg.)
4.75 0.5
25 10.0
50 20.0
80 32.0
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Se seca el material dentro de un horno a una temperatura
de 110 ºC, hasta conseguir pesadas consecutivas
constantes en la muestra. Cuando esté seca, se obtiene la
cantidad mínima recomendada o peso de la muestra
(Wm.) a ensayar según la tabla anterior.
Inmediatamente obtenido el tamaño de muestra a
ensayar, 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 Nº 200 ASTM
(0,075 mm.), hasta observar que el agua utilizada
salga limpia. El material retenido en la malla se
deposita en una bandeja y se coloca al horno durante 24 horas. Cumplido el tiempo
de secado y una vez enfriada la muestra, se pesa (Wm después lavado).
A continuación, se deposita el material en un juego de
tamices, los que deberán encontrarse limpios y ordenados en
forma decreciente los mayores arriba hasta los diámetros
inferiores abajo. 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,
tiempo después del cual se retira del vibrador y se
registra el peso del material retenido en cada tamiz.
Sumar estos pesos (Wf. peso final o después del
ensayo) y comparar con el peso inicial o peso de la
muestra seca después del lavado, con el cual se inicio
el cribado. Esta operación permite detectar cualquier
pérdida de suelo durante el proceso de tamizado. Si se
tiene una pérdida de más del 2% con respecto al peso
original, se considera que el experimento no es satisfactorio y por consiguiente debe
repetirse.
107
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Calcular el porcentaje en cada tamiz. Así mismo calcular
el porcentaje que pasa, comenzando por el 100% y
sustraer el porcentaje retenido en cada malla como un
proceso acumulativo.
Cada integrante del grupo debe hacer una gráfica semilogarímica del tamaño de la
partícula vs porcentaje que pasa. Si menos del 12% del material pasa a través del
tamiz Nº 200, es necesario calcular el Cu y Cc.
PRESENTACIÓN DE RESULTADOS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN FACULTAD DE INGENIERIÁ CIVIL
LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS
DETERMINACION DE LA GRANULOMETRÍAProyecto:Ubicación: Hecho por:Descripción del suelo:Condición de la muestra: Alterada - InalteradaFecha de muestreo:Fecha de ensayo:
Wsuelo seco: Antes del lavado (gr) =Wsuelo seco: Después del lavado (gr) =
N° de malla Peso retn. (gr) % ret. % ret. Acumulado % que pasa
1´´
3/4"
1/2"
3/8"
4
8
10
16
108
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30
40
50
80
100
200
Cazoleta
QUINTA UNIDAD:
PLASTICIDAD EN SUELOS
109
GRAFCA DE LA CURVA GRANULOMÉTRICA Y CALCULOS :
1 . Con los resultados de la tabulación , graficar la curva granulométrica ,sobre un papel semi logarítmico .
2 . Deter minar el Cu y Cc respectivamente .3 . Análisis y justificación de resultados
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5.1. Generalidades
En los suelos cohesivos (arcillas, limos, margas, arcillas arenosas, limos arenosos)
debe averiguarse el comportamiento por la plasticidad.
La plasticidad en 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.
5.2. Definición
Es la propiedad de un material (suelo) por el cual es capaz de soportar deformaciones
rápidas sin rebote elástico, sin variación volumétrica apreciable, sin deformarse ni
agrietarse.
5.3. 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.
Estado Líquido.- Cuando el suelo tiene las propiedades y apariencia de una
Suspensión.
Estado Semi líquido.- Cuando el suelo tiene las propiedades y apariencia de un
líquido viscoso.
Estado Plástico.- Cuando el suelo está sujeto a deformaciones.
Estado Semi Sólido.- Cuando el suelo se encuentra en proceso de
endurecimiento difícil de trabajarse, disminuye su volumen al estar sujeto al
secado.
Estado Sólido.- Cuando el suelo no cambia su volumen al irse secando.
110
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5.4. Limites de consistencia o límites de Atterberg.
Los límites de consistencia fueron propuestos el científico sueco A. Atterbeg, nosotros
podemos considerar que los LL y LP han sido y son ampliamente utilizados a nivel mundial,
principalmente para la identificación y clasificación de los suelos, ambos también son útiles
para predecir la máxima densidad seca o el optimo contenido de humedad en los
problemas de compactación. El LC, es importante en las zonas donde el suelo sufre
grandes cambios de volumen. Los límites de adhesión y cohesión no tienen relevancia en el
campo de la ingeniería civil.
Límite Líquido (LL): Es el contenido de agua de un suelo arcilloso con el cual
empieza a fluir si se agita ligeramente varias veces. También podemos decir que es el
contenido de agua por debajo del cual el suelo tiene un comportamiento plástico.
Límite Plástico (LP): Es el contenido de agua con el cual el suelo puede moldearse
en cilindros o rollitos de 3 mm de diámetro sin que se rompan o desmoronen. O
también se puede expresar como el contenido de agua por debajo del cual se puede
considerar al suelo como no plástico.
Límite de adhesión: Es el contenido de agua con que la arcilla comienza a pegarse a
las superficies metálicas tales como, cuchillas del arado y espátulas de trabajo en los
laboratorios.
Límite de Cohesión: Es el contenido de agua con que los grumos de arcilla son
capaces de pegarse unas con otras.
Límite de Contracción (LC).- 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 limite líquido (LL).
Hoy en día se emplea el equipo ideado por A. Casagrande es un equipo
mundialmente usado, compuesto por una copa o cápsula de latón, articulada por
111
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un extremo, que sube y baja por la acción de hacer girar una manivela, la altura
de caída de la copa se ajusta para que sea exactamente 1 centímetro, la copa se
golpea sobre una base de caucho duro. Adicionalmente se debe contar con la
presencia de dos ranuradores, uno tipo ASTM generalmente utilizado para suelos
poco plásticos y otro tipo Casagrande, los cuales sirven para hacer ranuras en la
muestra que se colocará sobre la copa.
El material (suelo) que se utiliza para la prueba debe pasar la malla N° 40 (0.420
mm), antes de la prueba, el suelo se amasa y se deposita en la copa, se hace una
ranura en el centro de la muestra de suelo, Luego entonces se gira la manivela y
se cuenta el numero de golpes que la copa cae sobre la base de caucho, hasta
que la ranura se cierre en unos 12 mm de longitud. Se toma un poco de suelo de
alrededor de la ranura y se determina su contenido de humedad. Se repite la
operación tres a cuatro veces añadiendo agua o amasando con la finalidad que se
deshidrate la muestra, no agregar suelo seco, hasta que se hagan dos mediciones
de la humedad para consistencias correspondientes a menos de 25 golpes, y
otras dos mediciones para un numero mayor. Los resultados se grafican tomando
en abscisas el numero de golpes (NG) en escala logarítmica, y como ordenadas el
contenido de humedad correspondiente, se obtienen puntos que definen una línea
que generalmente es una recta. La intersección de esta línea con la vertical
correspondiente a 25 golpes da el contenido de humedad al que se denomina
Límite líquido (LL).
Problema N° 1: Determinar
el Límite líquido de un suelo si contamos con los siguientes resultados de laboratorio.
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Procedimiento de cálculo:
1. Del laboratorio se obtiene los pesos del suelo húmedo (Wsh), peso del suelo
seco (Wss), peso del tarro (Wtarro) y número de golpes (NG) en el ensayo del
Límite líquido.
2. En gabinete se determina los pesos: del agua (Ww) y porcentaje de humedad
(w%).
3. Se procede a graficar en un sistema de coordenadas, el contenido de
humedad en el eje de ordenadas en escala natural, el NG en el eje de
abscisas en escala logarítmica. Se obtienen puntos de coordenadas (NG, w
%) deben generar una línea recta. El Límite líquido quedará determinado por
el punto de intersección de esta línea, con la perpendicular al eje de las
abscisas en el valor correspondiente a 25 golpes.
113
Determinación del Límite liquidoÍtem N° de tarro (gr) 1 2 3
1 W tarro + Ws.h. (gr) 41 37.08 39.882 W tarro + Ws.s. (gr) 36.65 33.07 35.023 Wagua (gr) 4.35 4.01 4.864 Wtarro 15.17 15.47 15.58
5 w% 20.25 22.78 25.006 N° de golpes 36 20 17
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5.4.2 Determinación del limite Plástico (LP)
El límite plástico se determina moldeando un poco de suelo plástico (20 gr
aproximadamente), haciendo rodar con la mano sobre una placa de vidrio en
cilindros o rollitos de 3 mm (velocidad de 80 a 90 movimientos por minuto),
dichos cilindros de suelo que se forman y doblan rodando de nuevo; se pierde
con ello cierta humedad. Esta operación debe repetirse hasta que los cilindros
no puedan rodarse sin antes desmoronarse, en este momento el diámetro
debe ser aproximadamente de 3 mm. Entonces se determina el contenido de
humedad pesando los cilindros de suelo, secándolos en un horno y
volviéndolos a pesar. Se admite que este contenido de agua representa el
Límite Plástico (LP) del suelo ensayado.
Problema N° 1: Determinar el Límite plástico de un suelo si contamos con los
siguientes resultados de laboratorio.
Determinación del Límite plásticoN° de tarro 1 2 3
W tarro + Ws.h. 26.82 26.12 26.54
W 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 9.5 9.86
W % 16.13 14.63 14.81
LP % 15.19
114
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5.4.3 Determinación del Índice plástico (IP).
El índice plástico queda determinado por la diferencia entre el Límite
líquido y el Límite plástico:
IP = LL – LP………………………………………………………(5.1)
5.4.4 Ecuación de la curva de fluidez O índice de fluencia (IF)
Es la pendiente de la línea que queda definida al unir los puntos de
coordenadas w% vs NG, y queda definida mediante la siguiente ecuación:
IF= ∆ω∆ NG
=ω1−ω2
logN 1−log N2
¿=ω=IF logNG+C
Donde:
C: Constante que representa la ordenada de la abcisa de 1 golpe
W: Contenido de humedad, como porcentaje del peso seco
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.
NG: número de golpes en la copa de Casagrande
5.4.5 Índice de tenacidad (IT)
115
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La tenacidad queda definida por el valor del esfuerzo cortante capas de
resistir el suelo en el límite plástico
5.4.6 Índice de consistencia (Kw)
A partir de los valores de los límites, líquido y plástico. Así como de su
contenido de humedad natural se puede determinar el grado de consistencia,
e indica la consistencia del suelo en estado natural. Este valor es de gran
importancia para las arcillas en el mismo orden que la densidad relativa en
suelos arenosos.
Donde:
LL: Límite líquido
wn: Contenido de humedad natural
LP: Límite plástico
Sí el contenido de humedad en estado natural es igual al límite plástico,
entonces el Índice de consistencia será igual al 100%. Las arcillas pueden
presentar la siguiente variación de su consistencia:
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.
5.4.5 Índice de fluidez o índice de liquidez (IL)
IL=ω−LPIP
Cuando: w = LP. Entonces IL = 0%
Cuando: w = LL. Entonces IL = 100%
5.4.6 Relación entre el límite líquido (LL) e índice plástico (IP).
116
I T= IPIF
Kω=LL−ωnat .
LL−LPx 100
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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
5.4.7 La plasticidad:
La plasticidad de un suelo se atribuye a la deformación de la capa de agua
adsorbida alrededor de los minerales; desplazándose como sustancia viscosa
a lo largo de la superficie mineral, controlada por la atracción iónica. La
plasticidad en las arcillas, por su forma aplanada (lentejas) y pequeño
tamaño, es alta. La plasticidad del suelo, depende del contenido de arcilla.
Skempton (1953), expresó esta relación matemáticamente con la actividad
de la arcilla (A, según la ecuación:
A= IP%arcilla
Donde:
117
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IP : Índice Plástico
% de arcilla: % de arcilla % en peso WS de partículas < a 2μ
La actividad de la montmorilolnita es alta. A = 7,20
La actividad de la ilita es media. A = 0,90
La actividad de la caolinita es baja. A = 0.38
5.4.8 Resistencia al esfuerzo cortante (τ):
El límite líquido proporciona una medida de la resistencia al corte que posee
un suelo mezclado con agua. Se puede decir que mide la verdadera cohesión
potencial de un material y que además depende de la superficie total de sus
áreas de contacto, es decir de la finura y forma de sus granos, cuanto más
pequeños y más aplanados son los granos de una arcilla, mayor es el área
total de contacto entre los granos, por lo tanto mayor será la cantidad de agua
necesaria para revestirlos, como consecuencia el Límite líquido será más alto.
El límite plástico esta afectado por el contenido orgánico, que eleva su valor
sin elevar simultáneamente el LL, en consecuencia los suelos con contenido
orgánico tienen bajos índices de plasticidad y límites líquidos relativamente
altos.
Resistencia al esfuerzo cortante (τ), en el límite plástico:
τ=Anti log( IP+log 25IF ) gr /cm2
Resistencia al esfuerzo cortante (τ), para cualquier contenido de
humedad:
τ=Antilog ( ¿−ωn
IF+log 25)gr /cm2
Resistencia al esfuerzo cortante (τ), en el límite líquido:
τ=Antilog ( ¿−¿IF+ log25)=25 gr /cm2
118
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5.4.3 Determinación del límite de contracción (LC)
El 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 el volumen de la muestra deja
de disminuir, cuando el contenido de humedad decrece.
5.5. ENSAYOS DE LABORATORIO
5.5.1 DETERMINACIÓN DEL LIMITE LÍQUIDO ASTM 423-66
Equipo:
Aparato del Límite Líquido (Copa de Casagrande), el que consiste en
una taza (cuchara) de bronce con una masa de 200 ± 20 gr. montada
en un dispositivo de apoyo fijado a una base de caucho, madera o
plástico duro.
Acanalador (Casagrande o ASTM), mango de calibre de 1cm. para
verificar altura de caída de la cuchara o copa.
Plato de evaporación de porcelana de 120mm. de diámetro.
Espátula hoja flexible de 20mm. de ancho y 70mm. de largo.
Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz
de mantenerse en 110 º± 5ºC.
Balanza de precisión de 0,01gr.
Herramientas y accesorios. Placas de vidrio, agua destilada, recipientes
herméticos, malla Nº 40 ASTM y probeta de 25ml de capacidad.
Procedimiento:
1. Cada mimbro del grupo debe
pulverizar una cantidad
suficiente de suelo secado al
119
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MECACANICA DE SUELOS
aire (de una muestra de 5 Kg. Puesta a secar la semana anterior), para
obtener una muestra representativa del material que pasa la malla Nº
40, aproximadamente de 250gr. En seguida se pone a la muestra en el
plato de evaporación agregándole suficiente cantidad de agua destilada,
mezclando con la espátula hasta lograr una pasta homogénea. Esta
muestra debe curarse durante el tiempo que sea necesario para lograr
una adecuada distribución de la humedad.
2. Luego cada grupo debe verificar que la altura de la maquina que va
utilizar sea exactamente de 1cm. Para esta operación se puede utilizar
la cabeza en forma de dado de 1cm en el extremo superior del
ranurador patrón. Hacer la calibración con respecto a la marca de
desgaste. Si la altura de caída no se calibra dentro de estos límites, es
posible introducir un error de varias unidades %, en la determinación del
contenido de humedad.
3. Cada miembro del grupo colocará el aparato de límite líquido sobre una
base firme (verificando que esté limpia y seca). Preparar el material,
cuando la mezcla obtenga una apariencia cremosa, su estado es
adecuado en general. Se debe continuar añadiendo pequeñas
cantidades adicionales de agua y mezclando cada vez hasta obtener
una mezcla homogénea. Cuando el suelo se encuentre en un punto de
consistencia (pegosidad). se deposita en la copa unos 50 a 70 gr. del
material preparado, para luego
alisar la superficie con la espátula,
de modo que la altura obtenida en
120
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MECACANICA DE SUELOS
el centro sea de 10mm. y la masa ocupe un volumen de 16 cm3
aproximadamente. Una vez enrasado, se pasa el acanalador para dividir
la pasta en dos partes, a través de un canal de 63mm. de longitud. Si se
presentan desprendimientos de la pasta en el fondo de la copa, se debe
retirar todo el material y reiniciar el procedimiento.
4. Cuando se tiene la ranura, se
gira la manivela del aparato
con una frecuencia de 2
golpes por segundo,
contando el número de
golpes necesarios para que
la ranura cierre en 10mm. de
longitud en el fondo de ella
(ver secuencia en la figura).
Finalmente, se toman aproximadamente 10gr. del material que se junta
en fondo del canal para determinar la humedad.
5. El material sobrante se traslada al
plato de evaporación para mezclarlo
nuevamente con agua destilada y
repetir el procedimiento por lo menos
2 veces más, de modo de obtener
tres puntos que varíen en un rango
de 15 a 35 golpes (ideal es tomar 5
puntos). Es importante señalar que el
ensayo se debe realizar desde la condición más húmeda al a más seca.
Cálculos y gráficos.
1. Calcular la humedad de cada prueba.
2. Construir un gráfico semi- logarítmico, donde la humedad será la
ordenada (en escala natural) y el número de golpes (N), la abscisa. En
el gráfico, dibujar los puntos correspondientes a cada una de las tres o
121
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
más pruebas y construir una recta llamada curva de flujo, pasando tan
aproximadamente como sea posible por dichos puntos.
3. Expresar el límite líquido (LL) del suelo, como la humedad
correspondiente a la intersección de la curva de flujo con la abscisa en
25 golpes, aproximando al entero más próximo. Este dato también
puede interpolarse matemáticamente con N=25 golpes, obteniendo así
el límite líquido.
Recomendaciones:
1. Variables que pueden afectar el resultado de la prueba del límite líquido,
son por ejemplo: utilizar una porción mayor de suelo a ensayar en la
cuchara, no cumplir con la frecuencia de golpes especificada (2 golpes
por segundo), el tiempo en realizar la prueba, la humedad del
laboratorio y la temperatura del ensayo. También podrá afectar el tipo
de herramienta empleada para hacer la ranura. La desarrollada por
Casagrande, tiene la ventaja de permitir un mejor control de la
profundidad de la pasta de suelos en la copa, en cambio la de ASTM es
mejor para suelos con bajo límite líquido, en los cuales es generalmente
difícil hacer la ranura, como sucede con materiales arenosos y limosos.
Para estos suelos, sería incluso necesario formar parcialmente la ranura
con la ayuda de la espátula, después de lo cual la ranura puede ser
retocada con cualquiera de los ranuradores patrón.
2. La altura de caída de la copa debe ser verificada antes de comenzar un
ensayo, utilizando el mango de calibre de 10mm. adosado al ranurador.
En caso de no tener la altura especificada (1cm.), se aflojan los tornillos
de fijación y se mueve el de ajuste hasta obtener la altura requerida.
3. El tiempo de curado varía según el tipo de suelo. En suelos de alta
plasticidad se requerirá de por lo menos 24 horas, en cambio en suelos
de baja plasticidad, este plazo puede ser mucho menor e incluso en
ciertos casos puede eliminarse.
4. En suelos arcillosos el acanalador será pasado una vez, en cambio para
limos se requerirán 2 a 3 pasadas, limpiando cada vez el acanalador.
122
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MECACANICA DE SUELOS
5.5.2 Determinación del límite plástico s e g ú n D424-59
El límite plástico se ha definido arbitrariamente como el contenido de
humedad del suelo al cual un cilindro de éste, se rompe o resquebraja al
amasado presentando un diámetro de aproximadamente 3mm.
Esta prueba es bastante subjetiva, es decir, depende del operador, el cual
debe ayudarse con un alambre u otro material de 3mm. De diámetro para
hacer la comparación y establecer el momento en que el suelo se resquebraja
y presenta el diámetro especificado.
La muestra necesaria para realizar este ensayo deberá tener un peso
aproximado de 20 gr. y pasar completamente por el tamiz de 0,5 mm. (Malla
Nº 40 ASTM).
Equipo:
1. Plato de evaporación de porcelana de 120mm. de diámetro.
2. Espátula hoja flexible 20mm. de ancho y 70mm. de largo.
3. Placa de vidrio esmerilado o mármol como superficie de amasado.
4. Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable
capaz de mantenerse en 110 º ± 5 º C.
5. Patrón de comparación, puede usarse un alambre ó plástico de 3mm.
de diámetro.
6. Balanza de precisión de 0, 01gr.
7. Probeta de 25mm. de capacidad.
8. Herramientas y accesorios. Malla N º40 ASTM, agua destilada y
recipientes herméticos.
P r o c e d i m i e n t o:
1. La muestra de ensayo se prepara de manera idéntica a la descrita en
el límite líquido, o bien puede usarse la misma muestra que se usó en
ese ensayo, en la etapa en que la pasta de suelo se vuelva lo
suficientemente plástica para moldearla como una esfera.
2. Se toma una porción de suelo de aproximadamente 1cm3, se amasa
entre las manos (ver figura) y se hace rodar con la palma de la mano o
la base del pulgar considerando la acción de 80 a 90 movimientos de
la mano por minuto (un golpe = movimiento hacia delante y hacia
123
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
atrás), por sobre la superficie de amasado, formando un cilindro.
Cuando se alcance un diámetro aproximado a 3mm. se dobla y amasa
nuevamente, para volver a formar el cilindro, lo que se repite hasta
que el cilindro se disgregue al llegar al diámetro de 3mm. en trozos de
tamaño de 0,5 a 1cm. de largo y no pueda ser reamasado ni
reconstituido (Ver figura).
3. El contenido de humedad que tiene el suelo en ese momento
representa el límite plástico, el cual se determina colocando las
fracciones de suelo en un recipiente, secándolas al horno.
4. Se deben hacer tres determinaciones que no difieran entre sí en más
de 2%, en caso contrario deberá repetirse el ensayo.
C á l c u l o s:
1. Calcular el límite plástico (LP%) del suelo, como el promedio de las
tres determinaciones realizadas.
2. Calcular el índice de plasticidad (IP%), mediante la siguiente
expresión:
IP (%) = LL - LP
D o n d e:
LL = límite líquido del suelo (%)
LP = límite plástico del suelo (%)
3. Con los datos de LL, LP y la humedad natural (w) del suelo, calcular el
índice líquido (IL) y el índice de consistencia o grado de
consistencia(IC o Kw) del suelo, mediante las siguientes expresiones:
IL = (w - LP) / IP
IC = (L L - w) / IP
Recomendaciones:
Esta determinación es subjetiva por la cual el operador debiera ser el
mismo para todas las determinaciones y de este modo evitar
dispersión en los resultados obtenidos.
La falla o resquebrajamiento del cilindro se puede definir de las
siguiente manera:
124
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
Simplemente por separación en pequeños pedazos
Por desprendimiento de escamas en forma tubular desde dentro hacia
afuera del cilindro de suelo.
Por pedacitos en forma de barril de 6 a 8mm. de largo.
Para producir la falla no es necesario reducir la velocidad de amasado
y / o la presión de la mano cuando se llega a 3mm. de diámetro. Los
suelos de muy baja plasticidad son una excepción en este sentido, en
estos casos, la bolita inicial debe ser del orden de 3mm. antes de
empezar a enrollar con la mano.
Es recomendable realizar el ensayo en cámara húmeda para evitar la
evaporación en la muestra de suelo.
Si no es posible determinar uno de los límites (LL o LP), o si la
diferencia es negativa (IP), el suelo se calificará como no plástico (N
P).
5.5.3 Determinación del límite de contracción según ASTM D 427-61
Nota importante: Evitar el contacto directo del Hg con la piel debido a que es
una sustancia altamente dañina.
Como se vio en los ensayos anteriores (LL, LP), con ellos se puede predecir
la presencia potencial de cambios de volumen en el suelo que podrían
provocar problemas posteriores. Sin embargo, para obtener una indicación
cuantitativa de cuanto cambio de humedad puede presentarse (antes de tener
un cambio de volumen significativo y para obtener una indicación de la
cantidad de éste), es necesario hacer el ensayo del límite de contracción.
El ensayo comienza con un volumen de suelo que presente un estado de
humedad entre la condición de saturación completa (pero no absolutamente
necesario) y la humedad cercano al límite líquido o superior. El suelo se deja
secar, en cuyo proceso se supone que cualquier pérdida de humedad está
acompañada por una disminución en el volumen global de la muestra (o
relación de vacíos).
125
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
A partir de ese valor límite en el contenido de humedad, es posible producir
cambios adicionales en el volumen del suelo debido a la pérdida adicional de
agua de poros.
El tamaño de la muestra de ensayo será de aproximadamente 30 gr. Y
deberá pasar completamente por el tamiz de 0, 5mm.
Equipo:
Plato de evaporación de porcelana de 140mm. de diámetro.
Regla de enrase de acero de 150mm. de largo.
Espátula o cuchillo con hoja flexible de 75mm. de largo y 20mm. de
ancho.
Molde cilíndrico metálico o de porcelana, con fondo plano de unos
45mm. de diámetro y 13mm. de altura.
Taza de vidrio de 60mm. de diámetro y 30mm. de altura, con borde
superior pulido y esencialmente paralelo a la base.
Placa de vidrio con 3 puntas para sumergir la muestra en un recipiente
con mercurio (Ver figura).
Probeta con una capacidad de 25 ml. y graduada cada 0,1ml.
Balanza de 0,01 gr. de precisión.
Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz
de mantenerse en 110 º ± 5 ºC.
Mercurio suficiente para llenar la taza de vidrio y agua destilada.
Equipo para determinar el límite de contracción.
Fuente: Valle Rodas R., 1982.
126
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MECACANICA DE SUELOS
P r o c e d i m i e n t o:
1. El molde se calibra pesándolo (Wt) y obtenemos su capacidad
volumétrica. Para esto último, se llena con mercurio, se enrasa, se
pesa (Wt+Hg) y se determina el volumen de mercurio mediante el dato de
su densidad (HG = 13,53gr/cm3). Se registra dicha capacidad como
volumen de la pastilla de suelo húmedo a ensayar (Vm), aproximando a
0,01cm3.
2. Se toma la muestra de ensayo de 40gr de suelo, llamado material
representativo, del utilizado para las prácticas del Ll Y Lp y se coloca en
el plato de evaporación, mezclándola con una suficiente cantidad de
agua destilada, llenando completamente los huecos y dejando el suelo
lo suficientemente consistente para colocarlo en el molde sin inclusión
de burbujas de aire. La humedad necesaria para alcanzar la
consistencia requerida es ligeramente superior al límite líquido y en
suelos plásticos puede exceder hasta en un 10% dicho valor.
3. A continuación es necesario curar la muestra al menos 24 horas para
que se mezclen homogéneamente las partes líquida y sólida. Este plazo
es variable de acuerdo al tipo de suelo.
4. Se recubre el interior del molde con una capa delgada de vaselina, con
el objeto de evitar la adherencia del suelo al molde. Se coloca una
porción de suelo húmedo de aproximadamente 1/3 de la capacidad del
molde en el centro de éste y se extiende hacia los bordes, golpeando el
molde contra una superficie firme recubierta con papel secante.
5. Se agrega una cantidad de suelo similar a la de la primera capa y se
compacta haciendo que el aire atrapado suba a la superficie, se agrega
más material hasta llenar el molde con un exceso, para luego enrasarlo
con la regla y limpiarlos restos adheridos al exterior del molde.
6. Luego se pesa el molde con el suelo húmedo compactado (W t+sh ) y se
deja secar al aire hasta que la pastilla de suelo moldeado se despegue
del molde o cambie de color oscuro a claro, la que se seca dentro del
horno hasta masa constante y se determina el peso del molde con el
127
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MECACANICA DE SUELOS
suelo seco (Wt+ss). El secado primario (al aire), se realiza con el fin de
reducir la posibilidad de que el suelo se fracture formándose grietas en
él, debido al violento cambio de temperatura en el horno.
7. Finalmente, se debe obtener el volumen de la pastilla de suelo seco,
para ello debe llenarse la taza con mercurio hasta que rebalse, se
enrasa con la placa de vidrio y se limpian los restos adheridos al exterior
de la taza.
8. Luego se coloca la taza llena sobre el plato de evaporación (de peso
W1) y se deposita la pastilla de suelo en el mercurio sumergiendola con
las puntas de la placa de vidrio, hasta que esta tope firmemente contra
el borde de la taza, tratando de no dejar aire atrapado bajo el trozo de
suelo ni bajo la placa de vidrio.
9. Al sumergir la pastilla de suelo, se desplaza un volumen de mercurio
que queda en el plato de evaporación, el que debe pesarse (W2) ya que
con la densidad del mercurio se conocerá el volumen desplazado, que
es igual al volumen de la pastilla de suelo seco (Vs), aproximando a
0,01cm3
C á l c u l o s:
1. Calcular la humedad del suelo (w%) al momento de moldear, mediante
la siguiente expresión:
Donde:
Wt+sh = Peso del molde más suelo húmedo (gr.)
Wt+ss = Peso del molde más suelo seco (gr.)
Wt = Peso del molde (gr.)
2. Cálculo el límite de contracción (LC) :
128
ω%=W t+sh−W t +ss
W t+ ss−W t
x100=Wω
W ss
x100
LC%=ω%−(V m−V s
W t+ss−W t) xγω x100
LC%=ω%−ΔVW ss
xγω x100
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
Donde:
Vm = volumen de la pastilla de suelo húmedo (cm3)
Vs = volumen de la pastilla de suelo seco (cm3)
gw = densidad del agua (gr / cm3)
∆V = Cambio de volumen del suelo
3. Calcular el volumen del suelo húmedo (Vm) :
Donde:
Wt +Hg =Peso del molde lleno de mercurio (gr.)
gHg = Densidad del mercurio (13,57gr /cm3)
4. Calcular el volumen del suelo seco (Vs):
Donde:
W1 =Peso del plato de porcelana más mercurio desplazado (gr.)
W2 = Peso del plato de porcelana (gr.)
5. Calcular la relación de contracción (RC), como la relación entre un
cambio de volumen dado y su correspondiente cambio en la humedad
sobre el límite de contracción y el cambio volumétrico del suelo (Vc),
definido como la disminución de volumen que presenta la masa de
suelo cuando su humedad (w) disminuye a una semejante al límite de
contracción (LC), mediante las siguientes expresiones:
129
V h=Vm(cm3 )=
W t+Hg−W t
γHg=W Hg
γHg
V s(cm3 )=
W 1−W 2
γHg
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MECACANICA DE SUELOS
6. Calcular la relación de contracción lineal del suelo (LS), definida como la
disminución en una dimensión que presenta una masa de suelo cuando
su humedad (w) disminuye a un porcentaje igual al límite de contracción
(LC), mediante la siguiente expresión:
SEXTA UNIDAD:
CLASIFICACIÓN DE SUELOS
6.1.- GENERALIDADES
Resolver un problema de geotecnia supone conocer y determinar las propiedades del
suelo; por ejemplo:
Para determinar la velocidad de circulación de un acuífero, se mide la
permeabilidad del suelo, se utiliza la red de flujo y la ley de Darcy.
Para calcular los asentamientos de un edificio, se mide la compresibilidad del
suelo, valor que se utiliza en las ecuaciones basadas en la teoría de la
consolidación de Terzaghi.
Para calcular la estabilidad de un talud, se mide la resistencia al corte del suelo y
este valor se lleva a expresiones de equilibrio estático.
130
RC=
ΔVV ss
ΔωW ss
=W t+ ss−W t
V ss γω
ΔV=Δωγω
Δω=ωi−(ω=LC )∴El cambio volumétrico=Contracción volumétrica=V c
V C=(ωi−LC ) xRC (% )Donde :V ss=Volumen del suelo sec o
LS=[1−3√ 1V c+1 ] x100 %
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MECACANICA DE SUELOS
En otros problemas, como pavimentos, no se dispone de expresiones racionales para
llegar a soluciones cuantificadas. Por esta razón, se requiere una taxonomía de los
suelos, en función de su comportamiento, y eso es lo que se denomina clasificación de
suelos, desde la óptica geotécnica.
Agrupar suelos por la semejanza en los comportamientos, correlacionar propiedades
con los grupos de un sistema de clasificación, aunque sea un proceso empírico,
permite resolver multitud de problemas sencillos. Eso ofrece la caracterización del
suelo por la granulometría y la plasticidad. Sin embargo, el ingeniero debe ser
precavido al utilizar esta valiosa ayuda, ya que soluciones a problemas de flujos,
asentamientos o estabilidad, soportado sólo en la clasificación, puede llevar a
resultados desastrosos.
Las relaciones de fases constituyen una base esencial de la Mecánica de Suelos. El
grado de compacidad relativa de una arena es seguro indicador del comportamiento de
ese suelo. La curva granulométrica y los Límites de Atterberg, de gran utilidad, implican
la alteración del suelo y los resultados no revelan el comportamiento del suelo in situ.
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.
6.2.- 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
131
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MECACANICA DE SUELOS
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
SUELOS DE GRANO GRUESO (más del 50% será retenido por la malla N° 200)
1. Distinción entre grava y arena (G, S)
132
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MECACANICA DE SUELOS
> 50% retenido por la malla N° 4 (4.75 mm), el suelo será G
< 50% retenido por la malla N° 4 (4.75 mm), el suelo será 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% simbología doble.
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.
b.- Coeficiente de gradación
133
Cu=D60
D10
>3 el suelo será : GW , SW
Donde :Cu :Coeficiente de uniformidadD60:Porcentaje que pasa la malla correspondienteD10:Porcentaje que pasa lamalla correspondiente
Cc=(D30 )2
D10 D60
: Sí 1<Cc<3 el suelo será : GW , SW
Donde :Cc :Coeficiente de graduación
D60 :Porcentaje que pasa la malla correspondienteD10 :Porcentaje que pasa la malla correspondienteD30 :Porcentaje que pasa la malla correspondiente
Se tiene que cumplir las dos afirmaciones :Entonces el suelo será : GW , SWCu>3
1<Cc<3Caso contrario o de no cumplirse los dos int ervalosel suelo será :GP, SP
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MECACANICA DE SUELOS
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
SUELOS DE GRANO FINO:
Esta clasificación está basada sólo en los límites de Atterberg para la fracción que pasa
la malla Nº40, y se obtiene a partir de la llamada Carta de Plasticidad.
CARTA DE PLASTICIDAD:
134
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MECACANICA DE SUELOS
Detalle de clasificación en la zona de LL <30 y el IP <10
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
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).
135
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
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”.
6.2 SISTEMA DE CLASIFICACION AASHTO (American association of state
highway officiale), (Asociación Americana de Agencias Oficiales de Carreteras
Y Transportes).
Se distingue entre 7 grupos básicos: El mejor suelo para sub rasante de carreteras
viene clasificado como A - 1, le sigue en calidad el A – 2, siendo el A – 7 de peor
calidad. Los siete grupos básicos se han dividido en sub grupos con un Índice de
Grupo (IG), con el fin de aproximar dentro de las valorizaciones del grupo, los
índices de grupo van de cero (0) para la mejor subrasante a 20 para pésimas. Los
incrementos de valor de los índices de grupo reflejan una reducción en la capacidad
para soportar cargas, por el efecto combinado del LL e IP y disminución en el % de
material grueso.
El IG se lo obtiene mediante el uso de una formula para índice de grupo basado en
la granulometría y los límites (LL e IP) del suelo.
136
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
Donde:
a = Porción de porcentaje que pasa el tamiz N° 200 mayor del 35%
expresada como número entero positivo (1 – 40).
b = Porción de porcentaje que pasa el tamiz N° 200 mayor del 15%
expresada como número entero positivo (1 – 40).
c = Porción numérica del límite líquido mayor de 40 y que no exceda de 30
número entero ( I a 20 )
d = Porción numérica del IP mayor de 10 y que no exceda de 30 número
entero (I a 20)
El índice de grupo se expresa en un paréntesis después del número del grupo por
ejemplo. A – 6 (7). La clasificación de las subrasantes en términos del IG es la
siguiente:
137
IG=(F200−35 )[0 .2+0 .005(LL−40 )]+0 .01(F200−15)( IP−10 )F200:Porcentaje que pasa la malla Nº200 exp resado en entero positivo .
o también :IG=0 .2 a+0. 005 a c+0 .01 b da=F200−35b=F200−15c=LL−40d=IP−10
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
Excelente................A – I (0) Buena.................IG de 0 a 1
Regular.................IG de 2 a 4 Mala....................IG de 5 a 9
Muy mala............ IG de 10 a 20
Suelos A – 1.- Son mezcla bien graduadas de gruesos a finos con aglutinantes no
plásticos o de plasticidad débil. Estos suelos tienen una gran estabilidad a la carga,
sin afectar las condiciones de humedad, se comportan satisfactoriamente como
bases de superficie bituminosas de desgaste delgadas. Los suelos clasificados en
este grupo son materiales adecuados o que pueden hacerse adecuados para capas
granulares de base
Suelos A – 2.- Están constituidos de material fino y grueso mezclados con
aglutinantes, pero son inferiores a los suelos A – 1 debido a su mala graduación, a
su aglutinante inferior o ambas cosas. En la superficie de la carretera pueden
presentar una gran estabilidad cuando estén secos, según la cantidad y
características del aglutinante, pueden reblandecerse, cuando se humedecen o
volverse sueltos y polvorientos durante los periodos de sequía. Si se usan como
capas de base, los tipos plásticos pueden perder estabilidad, debido a la saturación
por capilaridad o deficiencia de drenaje.
Los suelos A-2-4 y A-2-5, incluyen aquellos materiales granulares que tienen un
suelo aglutinante con características de los suelos A-2-6 y A-2-7 incluyen materiales
granulares que tienen un suelo aglutinante con características de los suelos de los
grupos A – 6 y A – 7.
Suelos A – 3.- Están compuestos por arenas deficientes en aglutinante. Son típicos
en este grupo la arena fina de desierto y la arena transportada por el viento (costa
peruana) así como las mezclas de depósitos aluviales de arena fina de mala
graduación con pequeñas cantidades de arena gruesa, tienen una estabilidad
deficiente a la carga de los suelos, excepto cuando están húmedas, las condiciones
de humedad las afecta ligeramente; no tienen cambios de volumen y constituyen
una sub rasante adecuada para pavimentos de todo tipo, cuando están confinados.
Pueden ser compactados por vibración, con rodillo de acero, con rodillos de llantas
o cubiertas neumáticas.
138
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
Suelos A–4.-Están compuestas predominantemente por limos con solo moderados
cantidades de arcilla pegajosa coloidal. Se encuentran frecuentemente y
proporcionan una superficie firme para la circulación cuando están secos, teniendo
un escaso abultamiento después de ser cargados. Cuando absorben agua se
abultan, perjudicialmente pierden estabilidad. Varían ampliamente en composición
textural desde limosos arenosos, barros limosos y arcillosos, son difíciles de
compactar ya que el intervalo de humedad para una compactación satisfactoria, es
muy pequeña. Los tipos más prácticos se dilatan con los aumentos del contenido de
humedad, especialmente cuando se han compactado a un contenido de humedad
inferior al óptimo. Las superficies bituminosas requieren bases sustanciales cuando
se colocan sobre sub rasantes de los de este grupo.
Suelos A –5.- Son similares a los A – 4, con excepción de que incluyen suelos de
graduación muy mala. Estos suelos se presentan raramente, son suceptibles al
abultamiento cuando se retira la carga aunque estén secos. Las propiedades
plásticas dificultan la conveniente compactación, las bases de tipo flexible
colocadas durante la construcción y no son aceptables como sub rasantes para
capas delgadas de capa flexible estabilizada, ni para superficies bituminosas. Están
sujetas a la acción de la congelación, se ha observado que los pavimentos
colocados sobre sub rasantes de este tipo de suelo se agrietan excesivamente.
Suelos A –6.- Se componen predominantemente de arcilla con contenidos
moderados de materiales gruesos. En los estados de plasticidad blanda o rígida
solo absorben agua adicional cuando se les manipula, tienen una buena aptitud
portante cuando está compactado a la densidad máxima, pero bajan su capacidad
portante cuando absorben humedad, presentan índices de plasticidad altos, por
encima de 18 de esos suelos indican una naturaleza cohesiva del material
aglutinante (arcilla) y solamente serán adecuados para rellenos y sub rasantes
cuando se colocan y mantienen bajo contenido de humedad. Mientras, que el flujo
de agua por gravitación es muy pequeño, la acción capilar que ocasiona que el
agua se mueva de las porciones húmedas a las más secas es muy grande y se
pueden desarrollar por este motivo grandes fuerzas expansivas. Serán inadecuadas
para sub-base bajo capas delgadas flexibles o capas superficiales bituminosas a
causa de los grandes cambios de volumen que motivan las variaciones de humedad
y la pérdida de poder portante después de la aducción de agua.
139
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
Suelos A –7.- Están compuestos predominantemente de arcilla como los suelos A
– 6, pero debido a las partículas de limo de tamaño uniforme, a la materia orgánica,
escamas de única, o carbonato de cal, son elásticos. Un determinado contenido de
humedad se deforma y abultan apreciablemente cuando se retira la carga. También
presentan las características dadas para los suelos A-6 en el párrafo anterior. Son
difíciles de compactar convenientemente lo que hace que sean especialmente
inadecuados para pavimentos flexibles.
Los suelos A-7-5.- Comprenden los suelos A -7 con índice de plasticidad
moderado, en relación al LL y pueden ser altamente elásticos, así como estar
sujetos a considerables cambios de volumen.
Los suelos A-7-6.- Comprenden suelos con índice de plasticidad muy alto con
relación al LL y estar sujetos a cambios de volumen extremadamente altos.
Turba y Escombros.- Son aquellos compuestos de turba y escombros muy
blandos, contienen grandes cantidades de material orgánico y no deben ser usados
en ningún tipo de construcción.
Ejemplo:
Un suelo A-7-6 con un 73% de material fino que pasa el tamiz N° 200 un LL de 65%
y un IP de 28% tendrá. Determinar el IG.
140
IG=(73−35 ) [0 . 2+0 .005 (65−40 ) ]+0. 01 (73−15 ) (28−10 )=22 . 79≃20oIG=0 .2a+0. 005ac+0 . 01bd=22.35≃20
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
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y a
rena
lim
osa
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cillo
sa
Sue
los
limos
os
Sue
los
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Cla
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30.
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quie
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a de
rech
a. N
o in
dica
sup
erio
ridad
de
A-3
sob
re A
-2.
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
Problema: El ensayo de granulometría efectuada a una muestra de suelo obtenida por
cuarteo es la siguiente:
Así mismo se cuenta con los resultados de los ensayos para determinar el
LL=51.80% y LP = 27.3%. Determinar la clasificación de la muestra de
suelo mediante el método AASHTO.
Clasificación general
Materiales fino - arcillosos (más del 35% del total pasa la malla Nº 200)
% de material que pasa Nº 200
A-4 A-5 A-6 A-7
A-7-5 IP < LL-30A-7-6 IP > LL-30
% de material que pasa Nº 200
36 mín. 36 mín. 36 mín. 36mín
LL 40 máx. 41 mín. 40 máx. 41 mín.IP 10 máx. 10 máx. 11mín. 11 mín.IG 6 máx. 12 máx. 15 máx. 20 máx.
Conclusión el suelo es: A-7-6 (9)
142
Malla Nº % que pasa20 95.3340 89.6560 75.45
140 64.26200 47.23
Solución:IP=LL−LP=51 . 80−27 . 30=24 .5Aplicando el método AASHTO1 .Cálculo del IG :IG= (47 . 23−35 ) [0 . 2+0 .005 (51 .8−40 ) ]+. 01 (47 .23−15 ) (27 .3−10 )=8.68IG≃9
2 .Porcentaje que pasa la malla Nº 200=47 . 23>35 % (ver tabla)Entonces el suelo puede ser : A−4 , A−5 , A−6 , A−7Aplicando las condiciones según la tabla :
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MECACANICA DE SUELOS
Problema: El análisis de un suelo ha arrojado los siguientes resultados, de
granulometría y límites de consistencia, LL = 54% y LP = 29%. Se solicita clasificar la
muestra de suelo mediante los métodos AASTO y SUCS, a partir de los resultados
indicados.
Solución:
143
Análisis granulométrico
Malla NAbertura en
mm Pesos ret. (gr)
2" 0.001" 0.00
1/2" 157.50Nº4 4.75 162.00
Cazoleta 1180.50Para el análisis del material fino (arena) se tomo sólo 200 gramos.
10 2.000 29.5020 0.841 24.6030 0.595 19.1040 0.42 21.5060 0.25 22.00
100 0.149 24.00200 0.075 19.70
Cazoleta 39.60
Tabulación de resultados
Malla N Abertura en mm
Pesos ret. (gr)
% ret. % ret. Acumulado
% que pasa
2" 0.00 0.00 0.00 100.001" 0.00 0.00 0.00 100.00
1/2" 157.50 10.50 10.50 89.50Nº4 4.75 162.00 10.80 21.30 78.70
Cazoleta 1180.50 78.70 100.00 0.00Para el análisis del material fino (arena) se tomo sólo 200 gramos.
10 2.000 29.50 11.61 32.91 67.0920 0.841 24.60 9.68 42.59 57.4130 0.595 19.10 7.52 50.11 49.8940 0.42 21.50 8.46 58.57 41.4360 0.25 22.00 8.66 67.23 32.77
100 0.149 24.00 9.44 76.67 23.33200 0.075 19.70 7.75 84.42 15.58
Cazoleta 39.60 15.58 100.00 0.00
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MECACANICA DE SUELOS
Método SUCS:
144
1 .1 Suelos de grano grueso más del 50 % Ret . en la malla Nº 200Grava (G) o Arena (S )
1 .2 Distinción entre G y SPara que sea G :Más del 50 % ret . malla Nº 4 → OK
1 .3 Material que pasa la malla Nº 200Pasa la malla Nº 200=15 . 58 > 12 %⇒ Podrá ser GM o GC
1 .4 Determin ación del Cu y Cc
Pasa la malla Nº 200=15 . 58 > 12 % no se det ermin a .1 .5 Suelos de grano grueso con finos : GM o GCEn la carta de Plasticidad :Los valores se encuentran sobre la línea ( A ) , el IP=25>7→OK∴El suelo es GC .Suelo gravoso , con arcilla de alta plasticidad .
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Método AASHTO
145
2 .1 Cálculo del IG :IG=0 .01 (F200−15 ) (IP−10 )=0 .01 (15 .58−15 ) (25−10 )IG=0 .0087≃0
2 .2 En la tablaMaterial que pasa la malla Nº 200=15 .58<35%⇒El suelo puede ser : A−1 , A−3 , A−2Anlizando en la tabla.
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MECACANICA DE SUELOS
PROBLEMA: El análisis de un suelo da los siguientes resultados LL= 18, LP = 14% y
la granulometría respectivamente. Clasificar el suelo mediante los métodos SUCS y
AASHTO e indicar sus principales características.
Tabulación de la granulometría:
146
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MECACANICA DE SUELOS
Solución:
Metodo SUCS:
Método AASHTO
147
N° de mallaPeso retn.
(gr) % ret.% ret.
Acumulado% que pasa
1´´ 0 0 0 100
3/4" 15 5 5 95
1/2" 8 3 8 92
3/8" 9 3 11 89
4 12 4 15 85
8 10 3 18 82
10 2 1 19 81
16 8 3 22 78
30 23 8 30 70
40 21 7 37 63
50 28 9 46 54
80 39 13 59 41
100 21 7 66 34
200 37 12 78 22
Cazoleta 67 22 100 0
1 .1 Suelos de grano grueso más del 50 % Ret . en la malla Nº 200Grava (G) o Arena (S )
1 .2 Distinción entre G y SPara que sea S :Más del 50 % pasa malla Nº 4 → OK
1 .3 Material que pasa la malla Nº 200Pasa la malla Nº 200=22% > 12 % ⇒ Podrá ser GM o GC
1 .4 Determin ación del Cu y Cc
Pasa la malla Nº 200=22 > 12% no se det ermina .1 .5 Suelos de grano grueso con finos : GM o GCEn la carta de Plasticidad :Los valores se encuentran sobre la línea ( A ) , el IP=4Por lo tan to el suelo será :SM−SCSuelo Arenoso Limoso y Arcilloso de baja plasticidad .
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148
Clasificación general Materiales gruesos (menos del 35% del total pasa la malla Nº 200)
Clasificación del grupoA-1 A-3 A-2
A-1-a A-1-b A-6 A-2-4 A-2-5 A-2.6 A-2-7% de material que pasa
Nº 200
Nº 10 50 máx.
Nº 4030 máx.
50 máx. 51 mín.
Nº 200 15máx.25 máx.
10 máx.
35 máx.
35 máx.
35 máx.
35máx.
Caract. del materialLL
IP6 máx. NP 40
máx.41 mín. 40
máx.41 mín.
IG0 0 0 10
máx.10
máx.11 mín. 11 mín.
Materiales constituyentes
Fragmentos de piedra, grava y
arena
Arena fina Grava o Arena limosa o Arcillosa
Clasificación como subrasante Excelente a buena
Conclusión: El suelo es A-2-4 (0)
2 .1 Cálculo del IG :IG=0 .01 (F200−15 ) (IP−10 )=0 . 01 (22−15 ) (4−10 )=− 0 . 42≃0
2 .2 En la tablaMaterial que pasa la malla Nº 200=15 .58<35%⇒El suelo puede ser : A−1 , A−3 , A−2Anlizando en la tabla.
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MECACANICA DE SUELOS
PROBLEMA: El análisis de un suelo da los siguientes resultados, Clasificar el suelo mediante los métodos SUCS y AASHTO; si los resultados de consistencia y granulometría son respectivamente: LL = 32.10%; LP = 13.56%
149
N° de mallaPeso retn.
(gr)% ret,
% ret. Acumulado
% que pasa
1/2" 0 0 0 100
4 0 0 0 100
8 0 0 0 100
10 0 0 0 100
16 4 2 2 98
20 6 3 5 95
30 2 1 6 94
40 10 5 11 89
50 12 6 17 83
80 24 12 29 71
100 15 8 37 64
200 27 13 50 50
Cazoleta 100 50 100 0
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MECACANICA DE SUELOS
Solución:
Método SUCS:
150
1 .1 Suelos de grano :Grueso más del 50 % Re t . en la malla Nº 200Fino más del 50 % pasa en la malla Nº 200
1 .2 Distinciónentre G y SG > 50 % ret . Malla Nº 4S>50 % pasa Malla Nº 4→OK
1 .3 En nuestro caso se retiene el 50 % y pasa el 50 % Nº 200Por lo tan to el suelo puede ser S−C o S−M
1 .4 Determin ación del Cu y Cc
Pasa la malla Nº 200=50 > 12 % no se det ermina .1 .5 Suelos de grano grueso con finos : S−M o S−CEn la carta de Plasticidad :Los valores se encuentran sobre la línea ( A ) , el IP=18 .60 %Por lo tan to el suelo será :S−CSuelo Arenoso y Arcilloso de baja plasticidad .
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Método AASHTO
151
Clasificación general Materiales fino - arcillosos (más del 35% del total pasa la malla Nº 200)
Clasificación de grupo A-4 A-5 A-6 A-7% que pasa Nº 200 A-7-5 IP < LL-30
A-7-6 IP > LL-30% de material que pasa
Nº 20036 mín. 36 mín. 36 mín. 36mín
LL 40 máx. 41 mín. 40 máx. 41 mín.IP 10 máx. 10 máx. 11mín. 11 mín.IG 6 máx. 12 máx. 15 máx. 20 máx.
Materiales constituyentes Suelos Limosos Suelos Arcillosos
Clasificación como subrasante
Regular a mala
Conclusión: El suelo es A-6 (6)
2 .1 Cálculo del IG :IG=0 .2a+0. 005ac+0 . 01bda=50−35 c=32 .16−40b=50−15 d=18 .60−10IG=5. 97≃6
2 .2 En la tablaMaterial que pasa la malla Nº 200=50 %>35%⇒El suelo puede ser : A−4 , A−5 , A−6 , A−7Anlizando en la tabla.
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MECACANICA DE SUELOS
PROBLEMA: El análisis de un suelo da los siguientes resultados, Clasificar el suelo mediante los métodos SUCS y AASHTO; si los resultados de consistencia son: Ll =16.20%; LP = 8.00%
Solución:
Método SUCS:
152
1 .1 Suelos de grano :Grueso más del 50 % Re t . en la malla Nº 200 →OK⇒G o S
1 .2 Distinciónentre G y SG > 50 % ret . Malla Nº 4→OkS>50 % pasa Malla Nº 4→No cumple .
1 .3 Material que pasa la malla Nº200< 5 % →Gw>12 %→GPPor lo tan to el suelo tendrá simbo log ía doble
1 .4 Determin ación del Cu y Cc
Cu=D60
D10
=306 .76>3 Cumple Cc=(D30 )2
D60 D10
=0 .36 No cumple
El suelo será :GP−GM o GP−GC1 .5 Suelos de grano grueso con finos : GP−GM o GP−GCEn la carta de Plasticidad :Los valores se encuentran sobre la línea ( A ) , el IP=8 .2%Por lo tan to el suelo será :GP−GCSuelo Gravoso mal graduado con arcilla de baja plasticidad , conpresencia de arena, por pasar>15% malla Nº 4 .
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MECACANICA DE SUELOS
Método AASHTO
En mecánica de suelos
se requiere de bastante
seriedad, en el análisis de los resultados, e interpretación de las normas
correspondientes, es así que la ASTM D-2487, con fines de clasificación mediante el
método SUCS, considera grupos de suelos gruesos (G, S), finos inorgánicos y
orgánicos, según se indican en las tablas siguientes:
153
2 .1 Cálculo del IG :IG=0 .2a+0. 005ac+0 . 01bda=11−35 c=16 . 2−40b=11−15 d=8. 0−10IG=negativo≃0
2 .2 En la tablaMaterial que pasa la malla Nº 200=11%<35 %⇒El suelo puede ser : A−1 , A−3 , A−4Anlizando en la tabla.
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MECACANICA DE SUELOS
SEPTIMA UNIDAD:
RELACIÓN DE SOPORTE CALIFORNIA (CBR)
7.1 COMPACTACIÓN DE LOS SUELOS
7.1.1 GENERALIDADES.-
Si se excavan masas de suelos y se redepositan sin tomar un cuidado
especial, la porosidad, permeabilidad y compresibilidad de estas masas
de suelos aumenta, mientras que su capacidad para resistir la erosión
interna disminuye grandemente.
Por ello se acostumbra compactar a todo tipo de terraplenes , así por
ejemplo, como presas, diques, bordes de defensa, muelles, pavimentos
etc., incluso algunas veces se hace necesario compactar el terreno
natural, como en el caso de cimentaciones sobre arenas con una
densidad relativa o compacidad relativa suelta .
El grado de compactación que alcanza un suelo dado sometidos a un
procedimiento de compactación también dado, depende en gran parte del
contenido de humedad del suelo. Una compactación máxima se obtiene
para un cierto contenido de humedad conocido como “contenido óptimo
de humedad” mientras que el procedimiento utilizado para mantener
154
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
durante la compactación la humedad del terraplén cerca de la óptima, se
conoce como control de humedad.
7.1.2 DEFINICIÓN.
Es la densificación o estabilización del suelo por medios mecánicos,
mejora la resistencia y estabilidad volumétrica, afectando la
permeabilidad, como consecuencia del proceso de densificación de la
masa.
7.1.3 METODOS DE LA COMPACTACION DE SUELOS.
Los métodos convenientes de compactación de terraplenes artificiales se
dividen en tres grupos.
Los adecuados para suelos no cohesivos
Los materiales puramente friccionantes se compactan eficientemente por
métodos vibratorios, tales como el uso de plataformas vibratorias y
rodillos lisos vibratorios.
Los adecuados para suelos arenosos o limosos con cohesión
moderada
Los suelos de cohesión moderada se compactan mediante rodillos
neumáticos.
Los adecuados para arcillas
Los suelos altamente plásticos, como la arcilla se compactan con rodillos
“pata de cabra”.
Además de los métodos de compactación de terraplenes artificiales se
conocen ciertos procedimientos de la compactación de masas naturales
de suelo, tales como la aplicación de una pre carga encima del terreno, el
estallido de pequeñas cargas de dinamita en el interior de la masa, la
hinca de pilotes, la instalación de drenes de arena (para la consolidación
acelerada de la arcilla), etc.
7.1.4 LA MAXIMA DENSIDAD SECA Y EL CONTENIDO ÓPTIMO DE
HUMEDAD.
155
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
Cualquier sea el tipo de equipo de compactación disponible y el grado de
cohesión del suelo. La eficacia del procedimiento de compactación
depende en gran medida del contenido de humedad del suelo. La
efectividad de la compactación se mide por el peso de los sólidos por
unidad de volumen, es decir, por lo que se conoce con la “densidad
seca”. Existe una relación entre la densidad seca de un suelo
compactado y su contenido de humedad.
Para ciertas condiciones de ensayo, la densidad seca que corresponde a
la cima de la curva se conoce como “Máx. Densidad Seca” ó densidad
seca para el 100 % de compactación, y el correspondiente contenido de
humedad optimo (OCH). Sí por ejemplo, todas las condiciones se
mantienen inalteradas menos el peso del rodillo, o sea la energía
específica de compactación y se utiliza un rodillo más liviano, el valor de
la máxima densidad seca, como lo indica la curva “PE” es menor, y el
contenido optimo de humedad mayor, que pasa un rodillo más pesado
curva “PM”
7.1.5 PRUEBA DE COMPACTACIÓN “PROCTOR” NORMALIZADO.
PRUEBA PROCTOR ESTANDAR (ASTM D-698)
Con el objetivo de reproducir al menos teóricamente, en el laboratorio
ciertas condiciones de compactación de campo es necesario efectuar un
156
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
determinado procedimiento de compactación. Que consiste en compactar
dentro de un molde, con cierta energía de compactación.
ASTM D - 968 PROCTOR ESTANDARDescripción Método A Método B Método C
Diámetro del molde 4” (101.6mm) 4” (101.6mm) 6” (152.4mm)Volumen del molde 0.0333 p3 (944cm3) 0.0333 p3 (944cm3) 0.0333 p3 (944cm3)
Peso del Pizón 5.5 lb(2.5kg) 5.5 lb(2.5kg) 5.5 lb(2.5kg)Altura de caída del
pizón12plg (304.8mm) 12plg (304.8mm) 12plg (304.8mm)
Número de golpes/capa
25 25 25
Número de capas 3 3 3Energía de
compactación12,400 pie lb/p3 12,400 pie lb/p3 12,400 pie lb/p3
Compactación 600KN-m/m3 600KN-m/m3 600KN-m/m3
Suelo por usarse
Porción que pasa la malla N° 4 se usa sí 20% o menos por peso de material es retenido en la malla N° 4
Porción que pasa la malla 3/8”, se usa si el suelo retenido en la malla N° 4 es más del 20% y 20% o menos por peso es retenido en la malla de 3/8”.
Porción que pasa la malla ¾” se usa, si más de 20%, por peso de material es retenido en la malla de 3/8” y menos de 30%, por peso es retenido en la malla de ¾”.
7.1.6 PRUEBA DE COMPACTACIÓN “PROCTOR” MODIFICADO.
Debido al rápido desenvolvimiento del equipo de compactación de campo
comercialmente disponible, la energía de compactación ha aumentado y
por eso, con el propósito de reproducir en el laboratorio las condiciones
de compactación de campo, ha sido necesario modificar la prueba de
Proctor, de modo que conservando el número de golpes por capa se
eleva el número de esta de 3 a 5, aumentando al mismo tiempo el peso
del pistón (4.5 Kg.) y la altura de caída de (18” = 45.7 cm.),
respectivamente la máxima densidad seca obtenida con esta mayor
energía de compactación resultará mayor que la densidad seca (Ds)
obtenida en la prueba Proctor Estándar, y consecuentemente la humedad
optima será menor que aquel caso.
ASTM D – 1557 PROCTOR MODIFICADO
Descripción Método A Método B Método CDiámetro del molde 4” (101.6mm) 4” (101.6mm) 6” (152.4mm)Volumen del molde 0.0333 p3 (944cm3) 0.0333 p3 (944cm3) (2124 cm3)
Peso del Pizón 10 lb(4.54 kg) 10 lb(4.54 kg) 10 lb(4.54kg)
157
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
Altura de caída del pizón
12plg (304.8mm) 12plg (304.8mm) 12plg (304.8mm)
Número de golpes/capa
25 25 56
Número de capas 5 5 5Energía de
compactación56,000 pie lb/p3 56,000 pie lb/p3 56,000 pie lb/p3
Compactación 2700KN-m/m3 2700KN-m/m3 2700KN-m/m3
Suelo por usarse
Porción que pasa la malla N°4 se usa sí 20% o menos por peso de material es retenido en la malla N° 4
Porción que pasa la malla 3/8”, se usa si el suelo retenido en la malla N° 4 es más del 20% y 20% o menos por peso es retenido en la malla de 3/8”.
Porción que pasa la malla ¾” se usa, si más de 20%, por peso de material es retenido en la malla de 3/8” y menos de 30%, por peso es retenido en la malla de ¾”
Esfuerzo de compactación:
La energía aplicada durante la compactación con un martillo que se deja
caer de una altura es la siguiente:
Donde:
W : Peso del martillo en kg.
H : Altura de caída del martillo
N : Número de golpes por capa
n : Número de capas
V : Volumen del molde en cm3
ENSAYO DE COMPACTACION Y EL EQUIPO
DesignaciónASTM
DesignaciónAASHTO
EnergíaFt – lb / ft3
Diámetro – Volumen del Molde
Peso- altura de caída del martillo
N° de capas - Golpes/capa
Diámetro máx. de partículas
PS. D 698 (A)
(B)
(C )
T- 99 (A) 12375 4 in - 0.033 5.5 lb. – 12 in 3 - 25 N° 4
(B) 12375 4 in – 0.033 5.5 lb. – 12in 3 - 25 N° 4
(C) 12375 6in – 0.075 5.5 lb. – 12 in 3 - 56 3/4
158
Ec=(W x H x N x n )
Ven cm−kg /cm3 , o , lb−pie / p lg3
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
PM. D – 1557(A)
(B)
(C )
T – 180 (A) 56250 4 in – 0.033 10 lb. -18 in 5 - 25 N° 4
(B) 56250 4in – 0.033 10 lb. – 18 in 5 - 25 N° 4
(C) 56250 6 in – 0.075 10 lb. – 18 in 5 - 56 3/4
7.1.7 CORRELACIÓN ENTRE LA PRUEBA PROCTOR ESTÁNDAR Y
PROCTOR MODIFICADA EN COMPARACIÓN CON LA
COMPACTACIÓN EN OBRA MEDIANTE RODILLOS
De acuerdo con los diferentes equipos mecánicos pesados para la
compactación de suelos se obtienen ciertas correlaciones en cuanto a la
máxima densidad y el contenido optimo de humedad.
7.1.8 COMPACTACIÓN DE LOS SUELOS NO COHESIVOS
Por medio de rodillos de 5 a 15 TN. Equipados con vibradores que
operan a frecuencias comprendidas entre 1100 y 1500 pulsos/minuto, se
ha obtenido la compactación efectiva de arena gruesa grava y enrocado
de piedra, aplicando capas de 30 a 40 cm. de espesor, y entre 2 a 4
pasadas de tales rodillos tirados a una velocidad que no exceda de
alrededor de 3 Km. /hora suele resultar adecuada para alcanzar un alto
grado de compactación. También pueden utilizarse en estos suelos los
159
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
rodillos neumáticos, pero se necesita en este caso un número mayor de
pasadas entre 6 y 8, debido a la mayor velocidad del rodillo.
El suelo debe ser depositado en capas de un espesor no mayor de 30
cm, compactando áreas limitadas pueden usarse compactadores
manuales de pistón, accionados por motor de explosión (espesor de
capas de 10 a 20 cm).
Corte Perfilado de Subrasante
Riego y compactado
7.1.9 COMPACTACIÓN DE SUELOS ARENOSOS O LIMOSOS CON
COHESIÓN MODERADA
A medida que aumenta la cohesión, disminuye rápidamente la eficacia de
las vibraciones como medio de compactación. También la baja
160
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
permeabilidad de estos suelos hace difícil la penetración con agua, no
obstante la compactación por capas utilizando distintos rodillos,
neumáticos y patas de cabra.
Los rodillos neumáticos son más convenientes en la compactación de
suelos arenosos ligeramente cohesivos, los rodillos patas de cabra tienen
su máxima eficacia en suelos plásticos para presas de embalse y otros
terraplenes, se utiliza rodillos neumáticos de 50 Tn. Con presiones de
inflado de las llantas muy altas (>9 Kg/cm2) y capas de espesor
compactando que varia entre 15 y 30cm (utilizando rodillos de 100 TN. El
espesor puede variar entre 30 y 45 cm.), se requiere usualmente 4 a 6
pasadas para alcanzar la compactación deseada
A veces en obras grandes es necesario determinar el número de pasadas
por medio de ensayos de compactación en el terreno mismo antes de
inicio de los trabajos . Los rodillos patas de cabra usados en la
construcción de presas de tierra pesan alrededor de 15 TN. Según el
tamaño del pie, la presión de contacto varia entre 20 y 40 Kg./cm2.En
terraplenes de caminos se utilizan rodillos algo menores. El espesor de
las capas por compactar no debe exceder de unos 15 cm. El número
requerido de pasadas debe determinarse en el terreno por medio de
ensayos previos. La forma de la pata mas adecuada depende del tipo del
suelo. Hay una tendencia hacia el uso de patas tronco piramidales que
evitan el arado del suelo a su paso. La superficie de apoyo más efectiva
es función de la plasticidad y granulometría del suelo. En suelos menos
plásticos la superficie de la pata a usar es mayor que en suelos muy
cohesivos.
Se usan también rodillos patas de cabra vibrantes, en estos casos la
acción principal de la vibraciones es la de aumentar el efecto
gravitacional del paso del rodillo debe tenerse presente, que en suelos de
plasticidad moderada, la aspersión de agua durante el proceso de
compactación es poca eficacia. Si el contenido de humedad del suelo a
usar es mayor que el optimo, el agua debe agregarse en el propio
préstamo o por aspersión antes de iniciar las compactaciones para
161
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obtener un mejor efecto de uniformización de la humedad si el contenido
de humedad , del suelo en el terreno es mayor que el óptimo, debe
permitirse que se seque en el lugar de su almacenamiento, la densidad
seca y el contenido de humedad del suelo se controlan en el terraplén
continuamente (método del reemplazo de arena).
7.1.9 COMPACTACIÓN DE ARCILLAS.
Si el contenido natural de humedad de una arcilla en el préstamo no está
próximo al óptimo puede resultar muy difícil llevarlo a dicho valor óptimo,
sobre todo, si el contenido natural de humedad es demasiado alto. Por
eso a veces es inevitable utilizar la arcilla con un contenido de humedad
diferente del óptimo.
Extrayendo la arcilla de los préstamos se obtiene pedazos o terrones.
Ahora bien solo los rodillos patas de cabra están en capacidad de reducir
el tamaño de espacios abiertos existentes entre los terrones.
En la compactación de estos suelos se obtienen mejores resultados
cuando el contenido de humedad es ligeramente superior al límite
plástico. Si es mucho mayor la arcilla tiende a pegarse al rodillo, o bien
este a hundirse en el terreno. Si es mucho menor, los terrones no se
deforman y los espacios quedan abiertos. El espesor de las capas por
compactar y el número de las pasadas requerido debe averiguarse
previamente por medio de ensayos.
RODILLO PATA DE CABRA Y DE NEUMÁTICOS
162
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7.1.10 COMPACTACIÓN DE MASAS NATURALES DE SUELOS Y DE
TERRAPLENES EXISTENTES – MÉTODO DE COMPACTACIÓN
ESPECIALES.
Los estratos naturales y los terraplenes existentes no pueden
compactarse en capas y por eso un agente compactador debe actuar en
el interior de la masa de suelo.
Una forma efectiva para compactar arena no cohesiva es por vibraciones
a mucha profundidad. El método consiste en hincar pilotes, cuando se
hincan pilotes en arena suelta, la superficie del terreno situado entre
pilotes se asienta, a pesar de la disminución de volúmenes producido por
el desplazamiento de arena por los pilotes.
Otro método de compactación satisfactoria de gruesos estratos de arena
consiste en hacer estallar pequeñas cargas de dinamita en muchos
puntos del interior de su masa
Los suelos arenosos con alguna cohesión y los terraplenes existentes
cohesivos, también pueden compactarse hincando pilotes. La
compactación de estos suelos sin embargo, es causada por la presión
estática, la que reduce el tamaño de los espacios vacíos.
Los suelos altamente plásticos (compresibles) pueden compactarse por
precarga. La zona a ser tratada se cubre con un terraplén que transmite
un peso unitario suficientemente alto como para consolidar el suelo en
una magnitud que aumenta la resistencia y reduzca su compresibilidad a
los límites requeridos dentro del tiempo disponible para la operación
precarga.
También es posible acelerar el proceso de consolidación (disminución de
la compresibilidad) por medio de la instalación de drenes de arena,
cuando existan capas naturales de drenaje, sí se facilita la expulsión del
agua de las capas plásticas. El método consiste en la hinca de caños de
acero (30 cm) llenándolos con una mezcla de grava y arena luego
163
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retirando el tubo de acero, la consolidación del suelo circundante se
acelera extrayendo por bombeo agua de los drenes.
7.1.11 GRADO DE COMPACTACIÓN
En una obra nunca se logra precisamente la máxima densidad seca
indicada por las pruebas de compactación del laboratorio (pruebas
PROCTOR) por eso se define como grado de compactación de un suelo
compactado la relación , en porcentaje, entre la densidad seca obtenida
en obra y máxima densidad seca averiguada en el laboratorio por tal obra
El control de la obra se lleva generalmente investigando el grado de
compactación de los materiales ya compactados y estableciendo un
mínimo aceptable, que varía según la importancia y función de la obra.
En obras importantes se recomienda siempre recurrir a secciones
experimentales (por ejemplo terraplenes de prueba ) que permitan
determinar el espesor de las capas y el número de pasadas de un cierto
equipo para obtener el grado de compactación deseado.
El grado de compactación de suelos se expresa:
La máxima densidad seca (máx. Ds) puede representar el valor obtenido
por la prueba proctor estándar ó proctor modificado. La aplicación del
valor para máx. Ds depende de las distintas condiciones de la obra.
Según normas elementales, hay ciertas demandas en cuanto a la
compactación de terraplenes en caminos
Hasta una profundidad de 2 m. Por debajo de la capa de desgaste.
Gc ³ 100% proctor estándar para suelos friccionantes
Gc ³ 97% proctor estándar para suelos cohesivos
En profundidades mayores que 2 m. Por debajo de la capa de desgaste
164
Gc%=γsec a
( log rada en elcampo )
γ secamáx . (log rada en el laboratorio )x 100
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Gc ³ 100% proctor estándar, suelos friccionantes terraplenes hasta 2
metros de altura.
Gc ³ 97% proctor estándar; suelos cohesivos terraplenes hasta 2m de
altura
Gc ³ 92% proctor estándar suelos cohesivos, terraplenes más altos
que
2 metros de altura.
El grado de compactación, presas de tierra, campos de aterrizaje etc.
Debe corresponder a las demandas específicas de la obra.
7.1.12 Determinación de la densidad in situ; Método del Reemplazo de
arena:
1. Se determina el peso de la arena por unidad de volumen (Da).
2. Se pesa el frasco con la arena y se determina además el peso que
se necesita para llenar el embudo mayor (peso antes del ensayo
“P”, peso necesario para llenar el embudo mayor “p”)
3. Se limpia el sitio escogido y luego se excava un hoyo de unos 10
cm de diámetro.
4. Cuidadosamente se extrae el material colocándolo en un frasco y
se pesa (Wf).
5. Se cierra la válvula y se enrosca el embudo menor al cuello del
frasco.
6. El aparato se coloca encima del hoyo.
7. Una vez que la arena deja de caer, lo que puede verse.
8. Se determina el
peso del suelo seco.
165
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9. Se desenrosca el cono y se pesa nuevamente el frasco con la
arena que haya sobrado (peso de la arena después del ensayo “p
´”).
10. Determinación de la densidad seca de campo:
7.1.13 PENETRÓMETRO PROCTOR.
Herramienta que se hinca a mano. Se trata de una aguja o varilla con un
dispositivo para medir la fuerza requerida (en libras), para que la penetre
(variable en tamaño y forma) profundice en el suelo 3’’por lo general. La
operación se hace en el laboratorio y en campo, simultáneamente, para
comparación de الd, o de la humedad si se quiere. (No debe existir grava
en el suelo)
ENSAYOS DE LABORATORIO
b. Prueba Proctor Modificado:
Equipo:
166
γ s=γd=W s
Vm
; W s=W h x100
1+ω; V=P−p−p´
Da
Donde :γ s : densidad sec aW s : peso del suelo secoVm :volumen muestra, volumen arena en el hoyo , volumen del hoyoW h : peso del suelo húmedoDa : densidad de la arena
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1. Molde de compactación de 2124 cm3, 15.24cm de diámetro
interior, 11.64 cm de altura, con base y collar.
2. Pisón o Martillo, con altura libre de caída de 18”, 4.54 kg
3. Extractor de muestras
4. Latas para determinar el
contenido de humedad
5. Horno de secado.
6. Tamices de ¾”, 3/8”, la Nº 4
(4.75mm)
7. Bandeja, espátula, Balanza,
cucharas, mezclador, horno eléctrico, etc.
Procedimiento:
1. Cada grupo debe tomar aproximadamente 30 kg, para los
métodos “A” y “B”, 35 kg para el método “C”, de suelo y
secado al aire.
2. Luego del secado al aire pulverizarlo suficientemente para
determinar el porcentaje de material retenido en la malla Nº
4 (4.75mm), 3/8”, ¾”, para escoger el método A, B o C, a ser
utilizado.
3. Prepare cuatro especímenes con contenidos de agua,
cercanos al óptimo, seleccionar los contenidos de agua de
tal forma que dos puntos queden en el lado seco y dos en el
lado húmedo, los cuales deben variar alrededor del 2%.
4. Medir el molde de compactación para determinar el volumen
5. Pesar el molde de compactación sin incluir el collar
6. Ensamble y asegure el molde y el collar.
167
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7. Compactar el espécimen en cinco capas, después de la
compactación cada capa deberá tener aproximadamente el
mismo espesor, antes de la compactación, colocar el suelo
suelto dentro del molde y extenderlo en una capa de
espesor uniforme, compactar cada capa con 56 golpes por
capa.
8. Al operar el pisón, se debe tener cuidado de evitar la
elevación de la guía mientras el pisón sube. Mantener la
guía firmemente y dentro de los 5º de la vertical. Aplicar los
golpes en una relación uniforme de aproximadamente 25
golpes/minuto, de tal manera que proporcione una cobertura
completa y uniforme de la superficie del espécimen.
9. Después de compactar la última capa remover el collar. El
cuchillo debe usarse para ajustar o arreglar el suelo
adyacente al collar, soltando el suelo del collar y removiendo
sin permitir el desgarro del suelo bajo la parte superior del
molde.
10. Cuidadosamente enrasar el espécimen compactado, por
medio de una regla recta la parte superior, formando una
superficie plana.
11. Determine y registre el peso del molde mas el suelo
compactado
12. Remueva el material del molde y determine el contenido de
humedad del suelo compactado.
Cálculos:
168
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7.2 RELACION DE SOPORTE CALIFORNIA (CBR)
GENERALIDADES:
El método CBR fue propuesto en 1929 por los Ingenieros T. E. Stanton y O. J.
Porter, del departamento de carreteras del Estado de California. Desde esta
fecha, tanto en Europa como en América, el método CBR se ha generalizado y es,
hoy en día, uno de los más empleados en el cálculo de pavimentos flexibles.
Este método ha sido adoptado por el cuerpo de ingenieros del ejército
estadounidense, así como por otros organismos técnicos y viales, ha
experimentado varias modificaciones, pero en la actualidad se sigue, en líneas
generales. El procedimiento sugerido por el U. S. Waterways Experiment Station,
Vicksburg, Misisipi.
169
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En general las fallas en los pavimentos flexibles, se debe principalmente a las
fallas por corte del suelo o de los materiales que conforman las diferentes capas.
Su diseño se basa en los resultados del corte directo, prueba triaxial o
simplemente midiendo la resistencia a la penetración del material.
El índice C.B.R. Es un valor empírico que sirve para determinar la resistencia de
terrenos de fundación y/o cimentación de carreteras, aeropuertos, etc. Será
determinado por la penetración de un pistón (con cierta velocidad) a una muestra
compactada al contenido óptimo de humedad modificado.
El índice C.B.R. Se obtiene como un porcentaje del esfuerzo requerido para hacer
penetrar un pistón en el suelo que se ensaya, dividido entre el esfuerzo requerido
para hacer penetrar el mismo pistón hasta la misma profundidad en una muestra
patrón compuesto de piedra triturada y compactada.
Valores correspondientes a la muestra patrón (MACADAM)EN UNIDADES METRICAS EN UNIDADES INGLESASmm Kg/cm2 Plg. Libras/plg2
PENETRACIONCARGA UNITARIA
PENETRACIONCARGA UNITARIA
2.54 70.31 0.1 10005.08 105.46 0.2 15007.62 133.58 0.3 190010.16 161.71 0.4 230012.7 182.80 0.5 2600
En el diseño de pavimentos flexibles el C.B.R. Que se utiliza es el valor que se
obtiene para una penetración de 0.1” (2.54 mm).Sin embargo, si el valor CBR a
una penetración de 0.2” (5.08 mm) es mayor, el ensayo deberá repetirse. Si un
170
CBR (% )= Esfuerzo del suelo ensayadoEsfuerzo del sueloPatron
x100
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segundo ensayo produce nuevamente un valor de CBR mayor de 5.08mm de
penetración, se debe considerar el valor mayor obtenido.
En general se establece en este método una relación entre la resistencia a la
penetración de un suelo, y su valor relativo como base de sustentación de
pavimentos flexibles. Este método, si bien es empírico, se basa en un sinnúmero
de trabajos de investigación llevados a cabo tanto en los laboratorios de ensayo
de materiales, así como en escala natural o directamente en el terreno, lo que
permite considerarlo como uno de los mejores métodos prácticos.
CONDICIONES DEL ENSAYO (RELACIÓN ENTRE LA DENSIDAD Y EL INDICE C.B.R.):
La densidad deberá ser la que se espere obtener con el medio de construcción
empleado (método de compactación), es decir cuando se trata de un terraplén en
el cual vamos a exigir el 95% de máx. densidad proctor, la muestra habrá de
compactarse con la humedad optima correspondiente.
Para pistas de aeropuertos y a veces para carreteras se exige la máx. densidad
proctor modificada que es más elevada. Sí por circunstancias especiales, no sea
posible lograr las densidades máximas estándar, el ensayo habrá de realizarse
con otras densidades (en función de la humedad) análogas a tales densidades,
que en realidad se alcanza.
La densidad del suelo se alterará si cambia la proporción de humedad y se habrá
de prever las peores condiciones de resistencia en el suelo que podrá encontrarse
en el transcurso del tiempo.
TIPOS DE ENSAYOS
El ensayo puede realizarse sobre muestras remoldeadas que representan
aproximadamente iguales condiciones de humedad y densidad como el material
en la obra, sobre muestras inalteradas ó “IN SITU”.
Para el pavimentado encima de terraplenes se opera sobre muestras
remoldeadas y para proyectar pavimentos encima del suelo natural o sobre una
carretera antigua se determinará el C.B.R. “in situ” o con muestras sin perturbar
171
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Ensayando a capas de base o sub base de carreteras y aeropuertos debe todavía
tomarse en cuenta la sobrecarga debido a las capas superiores yacentes encima
de la capa ensayada. Eso significa que se habrá de determinar la presión de
contacto producida por estas capas superiores y aplicar la misma presión de
contacto sobre las muestras por ensayar, en todo caso, lo que se pretende es que
la muestra ensayada sea la más representativa de las peores condiciones en que
el terreno se ha de encontrar en el transcurso de su vida, en especial lo que se
refiere a su estado de humedad.
TIPOS DE SUELOS
Aplicando el método de diseño C.B.R. Todas las capas como, sub rasantes, sub
bases y bases se las agrupa en tres clases
Suelos sin cohesión (de ninguna plasticidad). Suelo cohesivo (suelo expansivo de alta plasticidad) Suelo altamente plástico.
SUELOS NO COHESIVOS (ARENAS Y GRAVAS)
A estos suelos se les compacta fácilmente mediante rodillos lisos vibratorios (o
por medio del tránsito) y por eso, sus pesos volumétricos máximos alcanzados
(gsmáx.) en la obra corresponden a los de ensayo Proctor – Modificada.
Muestras sin cohesión alguna, una vez compactadas al contenido optimo de
humedad modificado, serán ensayadas al índice C.B.R. (prueba de penetración)
sin otro tratamiento.
SUELOS CON COHESION
Tales como las arenas limosas, limos orgánicos y limos arcillosos serán tratadas
de manera diferente que se obtengan datos que mostrarán el comportamiento
sobre un rango completo de contenido de humedad anticipados para muestras
representativas.
Se compactarán tres muestras a diferentes densidades al contenido óptimo de
humedad (proctor modificada) ósea debe averiguarse primero este mismo
contenido de humedad óptimo y luego se compactará una muestra con 12 golpes,
la segunda con 25 golpes y la tercera con 56 golpes por capa respectivamente,
172
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después las muestras serán sumergidas al agua y se las deja hincharse durante
un plazo de cuatro días y luego se realiza la penetración con el fin de obtener una
serie de curvas que muestran la relación entre el peso volumétrico, contenido de
agua y el índice C.B.R. determinado por el 95% de la máxima densidad seca.
SUELOS ALTAMENTE PLASTICOS
Los que comprenden las arcillas grasosas y limos inorgánicos , los procedimientos
de prueba son los mismos que para suelos cohesivos. No obstante, las pruebas
que se realizan con estos suelos tienen una finalidad que es la determinación de
humedades y densidades apropiadas y estas no son necesariamente los valores
óptimos obtenidos a través de la prueba “proctor modificada”. Por lo general, la
expansión mínima y el máximo C.B.R. Ocurren para un contenido de humedad
ligeramente mayor que el óptimo.
DETERMINACIÓN DEL C.B.R. DE SUELOS PERTURBADOS Y REMOLDEADOS (Referencias, Norma ASTM D1883-73; AASHTO T193-63)
Equipo:PARA LA COMPACTACIÓN DE MUESTRAS
Molde de compactación de Ø i = 15.2 x 17.5 a 20 cm. De altura (o
equivalente con collar) se acopla un collarín de 5 cm. Y una base
perforada. El ensamble de estas piezas se aprecia en la figura I.
Disco espaciador de 15.1 cm. de Ø por 6.14 cm. de altura ( ó 5.1 cm.)
Martillo ó pisón.- Generalmente se emplea el martillo de 10 libras con una
altura de caída de 18” – según método AASHTO T-180.
PARA MEDIR EL HINCHAMIENTO DEL MATERIAL AL ABSORVER AGUA
Plato y vástago.- El vástago cuya altura puede graduarse se halla fijado en
el disco metálico, como se indica en la figura I.
Trípode y extensómetro, para medir la expansión del material se emplea
un extensómetro, con aproximación a 0.001”, montado sobre un trípode en
la forma indicada en la figura I y fotografías.
173
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Pesas.- Como sobre carga se emplea una pesa anular y varias pesas
cortadas en la forma indicada en la figura I las cuales son de plomo y cada
una pesa 5 libras.
PARA LA PRUEBA D
EQUIPO DE PENETRACION
Pistón.- Un pistón cilíndrico, de acero de 3 pulgadas cuadrados de sección
circular y de longitud suficiente para poder pasar a través de las pesas y
penetrar el suelo hasta ½”.
Aparato para aplicar la carga.- Puede emplearse una prensa hidráulica o
cualquier aparato especialmente diseñado, que permita aplicar la carga
una velocidad de 0.05 pulgadas por minuto (1.27 mm/Min).
Generalmente, los aparatos que se fabrican para este tipo de ensayos
llevan anillos calibrados
Equipo mixto.- Además del indicado anteriormente, deberá disponerse de
un equipo misceláneo necesario, tal como balanzas, hornos, tamices
graduados, papel filtro, tanques para inmersión de muestras cronómetros,
extensómetros, etc.
PREPARACION DEL MATERIAL
1. Si se halla húmedo tendrá que ser secado previamente ya sea al aire o
calentándolo a una temperatura no mayor de 60°C
2. Una vez secado el material, será menester desmenuzar los terrones
existentes, teniendo cuidado de no romper las partículas individuales de la
muestra.
174
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MECACANICA DE SUELOS
3. Las muestras que se vayan a compactar, habrán de tamizarse en las mallas
de ¾” y la N° 4. La fracción retenida en el tamiz de ¾”, se descartará y
reemplazará, en igual proporción por el material comprendido entre los
tamices ¾” y la N° 4 luego se mezclarán bien las dos fracciones del
material tamizado.
4. Se determina el contenido de humedad de las muestras así preparadas
5. Cantidad de material.- para cada determinación de densidad, o sea, para
determinar un punto de la curva de compactación se necesitan unos 5 Kg.
De material. De modo que para cada curva de compactación, deberá
disponerse de unos 30 Kg. De material, suponiendo que se determinen 5 ó
6 puntos. Así mismo, ha de tenerse presente que cada muestra se debe
utilizar una sola vez, es decir, que no podrá usarse material que haya sido
previamente compactada.
DETERMINACION DE LA DENSIDAD Y HUMEDAD
El problema principal consiste en preparar en el laboratorio una muestra que
tenga, prácticamente la misma densidad y humedad que se proyecta alcanzar en
el sitio donde se construirá el pavimento.
En el método C.B.R., el procedimiento comúnmente empleado para compactar las
muestras es, en líneas generales, el que indicamos a continuación.
1. Se ensambla el molde cilíndrico, se introduce el disco espaciador y se
coloca encima de este disco un papel filtro grueso de 6” de Ø para que el
suelo no se pegue durante la compactación.
2. La muestra que ha sido debidamente preparada, como indicamos
anteriormente, se humedece añadiendo cantidad de agua que ha sido
previamente determinada, se mezcla bien el material, a fin de obtener una
muestra uniformemente húmeda y se determina su contenido de humedad,
para poder determinar con mayor exactitud la humedad óptima.
175
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MECACANICA DE SUELOS
Una vez preparada la muestra, con su correspondiente contenido de
humedad, se la coloca dentro del molde y se compacta en 5 capas que
tenga un espesor aproximadamente igual, haciendo caer el pisón 56 veces
sobre cada capa. Esta compactación se hace siguiendo un método
análogo al indicado en AASHTO ST-180 D la briqueta compactada deberá
tener un espesor aproximado de 5 pulgadas.
3. Una vez compactada la muestra, se quitará el collarín metálico, se enrasará
la parte superior de aquella, suavemente hasta nivelarla en el molde.
Llenar con suelos finos los pequeños huecos que se hayan podido formar
en la operación. Se volteará el molde, y se quitará la base metálica
perforada y el disco espaciador.
4. Se pesará el molde con la muestra y se determinará la densidad y la
humedad de aquella.
DETERMINACION DE LA EXPANSION DEL MATERIAL
1. Una vez determinada la densidad y humedad de la muestra, indicada o
descrita anteriormente, se colocará un papel filtro grueso de 6” de diámetro
sobre la superficie enrasada; se montará encima de está superficie el plato
metálico perforado y se volteará el molde (de forma que el espacio dejado
por el disco espaciador quede en la parte superior) y asegurar el molde a
la base de forma que el suelo quede en contacto con el papel filtro.
2. Sobre la superficie libre de la muestra se colocará un papel filtro grueso de
6” de diámetro y se montará el plato con él vástago graduable, en la forma
indicada en la figura II.a, luego sobre el plato se colocarán varias pesas de
plomo. La sobrecarga que se aplique mediante pesas de plomo, debe ser
prácticamente igual a la correspondiente al pavimento ( Sub -Base, Base y
capa de rodamiento) a construirse. La sobrecarga mínima a emplearse
será de 10 libras (4.54 Kg.) equivalente a la de un pavimento de concreto
de espesor equivalente a 5” (12.5 cm)
3. Una vez colocado el vástago y las pesas en la forma indicada líneas arriba
se colocará cuidadosamente el molde dentro de un tanque o depósito lleno
de agua. Para permitir el libre acceso de agua por debajo de la muestra se
176
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
recomienda colocar el molde sobre bloques metálicos y no directamente
sobre la superficie del tanque o depósito. Así mismo, para que la muestra
se sature fácilmente por la parte superior de las pesas véase la figura II–a.
Los niveles de agua dentro y fuera del molde deben ser iguales.
4. Colocado dentro del tanque con agua se monta el trípode con un
extensómetro, en la forma representada en la figura II-a y se toma y
registra la “lectura inicial” 0,1,2,4,8,12,24,36,48,72 y 96 horas. O también.
5. Cada 24 horas y por un periodo de 96 horas (4 días), se toman y registran
las “lecturas” del extensómetros.
6. Al cabo de 96 horas, o antes si el material es arenoso, se toma y anota la
“lectura final” para calcular el hinchamiento o expansión del material: La
expansión progresiva diaria, así como la expansión total registrada al cabo
de los cuatro días, es referida, en porciento, a la lectura inicial que tenía la
muestra antes de ser sumergida en agua. Los adobes, suelos orgánicos a
algunos suelos cohesivos tienen expansiones muy grandes, generalmente
mayores de 10%. Las especificaciones establecen, generalmente, que los
materiales de préstamo para sub base deben tener expansiones menores
del 2% al cabo de 4 días. Así mismo se recomienda que los materiales
para bases tengan expansiones menores del 1%.
Nota:
1. Los suelos que tienen hinchamientos de 3% o más, generalmente tienen
C.B.R. Menores del 9%
177
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
2. Los suelos que tienen hinchamientos de 2% como máximo, tienen
aproximadamente C.B.R. Iguales o mayores al 15%.
3. Los suelos que tienen hinchamientos menores de 1%, tienen
generalmente, C.B.R. Del 30%
DRENAJE:
Después de saturada la muestra durante 4 días, se saca el cilindro y
cuidadosamente se drena, durante 15 minutos, el agua libre que queda. Como
para drenar bien el agua hay que voltear el cilindro, sujétese bien el disco y las
pesas metálicas al hacer la operación. Luego, remuévase el disco, las pesas y el
papel filtro y pésese la muestra.
DETERMINACION DE LA RESISTENCIA A LA PENETRACION
1. Si no es necesario sumergir la muestra en agua, se colocará sobre ella la
pesa anular y se montarán las pesas de plomo, de tal modo que se
obtenga una sobrecarga semejante a la del pavimento a construirse. Una
vez preparada así la muestra, se procederá como se indica en los párrafos
siguientes.
2. Si la muestra ha sido sumergida en agua para medir la expansión, como
indicamos anteriormente, y después que haya sido drenada, se colocará la
pesa anular y encima las pesas de plomo que tenía la muestra cuando
estaba sumergida en agua, o sea que la sobrecarga para la prueba de
penetración deberá ser prácticamente igual a la sobre carga colocada
durante el ensayo de
hinchamiento.
3. El molde con la muestra y la sobre
carga, se colocan debajo de la
178
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MECACANICA DE SUELOS
prensa y se asienta el pistón sobre la primera, aplicando una carga de 10
libras (4.5 Kg.).
4. Una vez “asentado” el pistón, se coloca en (0) cero el extensómetro que
mide la deformación. Sí para la aplicación de la carga se emplea un
aparato con anillo calibrado, el extensómetro del anillo deberá también
colocarse en cero.
5. Se hinca el pistón manteniendo una velocidad de 0.05 pulgadas por minuto
(1.27mm/min.), y se leen las cargas totales necesarias para hincar el pistón
en incrementos de 0.025, hasta alcanzar ½”.
6. Hincando el pistón hasta 0.5 pulgadas (1.27 cm.), se suelta la carga
lentamente se retira el molde de la prensa, y se quitan las pesas y la base
metálica perforada.
7. Finalmente, se determina el contenido de humedad de la muestra, para el
control de campo, bastará determinar el contenido de humedad de la parte
superior de la muestra, pero en las pruebas de laboratorio se recomienda
tomar el valor promedio de los diferentes contenidos de humedad
obtenidos en los extremos y parte media de la muestra.
CALCULOS Y PRESENTACION DE RESULTADOS.
1.Dibujar una curva de resistencia a la penetración (la ordenada) en lbs/plg 2
contra la penetración en mm ó pulg., tanto para la muestra recién
compactada como para la muestra saturada. Sí la curva no es
esencialmente lineal a través del origen extender una línea desde la
porción recta de la curva para tratar de interceptar el eje de las abcisas. La
179
UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
MECACANICA DE SUELOS
diferencia entre este valor y la penetración correspondiente a cero es una
corrección que debe utilizarse para calcular el C.B.R. Las curvas para
ambas muestras (la saturada y la recién compactada) deben dibujarse en
la misma gráfica con su identificación adecuada junto con los valores de
corrección de las curvas de forma que se pueda apreciar fácilmente el
efecto de saturación en la muestra.
2.Obtener la resistencia a la penetración para 2.5 y 5 mm y calcular el C.B.R. ( El
C.B.R. De un suelo es la carga unitaria correspondiente a 0.1” ó 0.2” de
penetración expresada en por ciento de su respectivo “ valor estándar”, si
los C.B.R. Para 0.1” y 0.2” son semejantes, se recomienda usar los
calculos al C.B.R correspondiente a 0.2”, si el C.B.R correspondiente a
0.2”, es muy superior al C.B.R correspondiente a 0.1”, deberá repetirse el
ensayo.
En el CÁLCULO DEL INDICE C.B.R.: En caso de que sea necesario se determinará los valores de esfuerzo corregidos de modo siguiente:
Los índices C.B.R. Se obtendrá dividiendo el esfuerzo en el suelo ensayado entre
el esfuerzo en el suelo patrón multiplicado por cién, según una penetración de 0.1”
ó 0.2”, considerando como índice C.B.R. El valor mayor averiguado para 0.1” de
penetración. Sí varias pruebas de comprobación resultan con un mayor índice de
C.B.R. Para 0.2” de penetración, se considerará este valor como representativo.
180
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
25 GOLPES
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Libras/Pulgadas2
Pe
ne
tra
cio
n e
n P
ulg
ad
as
C.B.R.
1.841.851.861.871.881.891.901.911.921.931.941.951.961.971.981.992.002.012.022.032.042.052.062.072.082.092.102.112.122.132.14
0 10 20 30 40 50
De
ns
ida
d
C.B.R.
Lib
ras/p
ulg
ad
as
2
Penetración en pulgadas
POR CORREGIR
CURVA CORREGIDA
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MECACANICA DE SUELOS
PROCEDIMIENTO DE LOS ENSAYOS DE LABORATORIO
Suelos gravosos y arenosos con poco o nada de material fino.-
Estos suelos sin cohesión generalmente tienen índices plásticos inferiores al 2%,
y pueden ser compactados rápidamente en el campo.
En general, su capacidad de soporte no se altera apreciablemente con los
cambios de humedad, de ahí que su C.B.R. Que se adopte para los cálculos de
diseño de pavimentos flexibles, puede ser el correspondiente a su densidad
máxima, ó si se sigue un criterio más conservador, el menor de los C.B.R.
Obtenidos. El C.B.R. De estos suelos granulares es generalmente mayor de 20 %
Suelos no cohesivos, poco plasticos y poco o nada expansivos: son en
general, GM, GC, SM, SC, CL, ML, OL. Para determinar el C.B.R. De estos
suelos se recomienda seguir:
PRIMERO: Se aplica condiciones climáticas normales y aquellos suelos cuya
capacidad de soporte no varía apreciablemente cuando se altera ligeramente su
contenido de humedad, ósea que no requieren un control muy estricto cuando son
compactados en el campo.
SEGUNDO: Es un procedimiento más elaborado y se aplica a condiciones
climáticas desfavorables y aquellos suelos que son muy “sensibles” a pequeños
cambios de humedad, lo que hace que se requiera un mayor control de ella en el
campo.
Los ensayos del C.B.R. se realizan sobre muestras compactadas al C.O.H. Para
el suelos específicos, determinado previamente utilizando el ensayo de
compactación modificado (densidad Vs Humedad), Utilizando los métodos 2 ó 4
de la norma ASTM D698-70 ó D 1557-70 (para el molde de 15.20 cm. de
diámetro) se debe compactar las muestras utilizando las siguientes energías de
compactación.
Falta cuadro
ENSAYOS DE LABORATORIO: C.B.R. CON MUESTRAS REMOLDEADAS,
COMPACTADAS Y SATURADAS.
OBJETIVO
181
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MECACANICA DE SUELOS
Dar información sobre la expansión esperada en el suelo bajo la estructura del
pavimento cuando el suelo se satura.
Dar indicación de la pérdida de resistencia debida a la saturación en el campo.
El valor del CBR se utiliza para establecer una relación entre el comportamiento de
los suelos principalmente con fines de utilización como base y sub rasante bajo
pavimentos de carreteras y aeropistas.
PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO DE LABORATORIO
1. Preparar aproximadamente 4.5 Kg. De suelo de grano fino menor que el tamiz Nº 4. ó
55 Kg. De material con partículas de 19 mm de diámetro máximo, al contenido de
humedad óptimo del suelo determinado con el esfuerzo de compactación adecuado
(ensayo de compactación). Si se desea curar el suelo para obtener una distribución
más uniforme de la humedad. Se debe mezclar con el porcentaje necesario de
humedad y almacenar en un recipiente sellado por espacio de 12 a 24 horas antes
del ensayo.
La muestra se pasa por el tamiz de (3/4”ASTM) descartando el material retenido. Si
es necesario mantener el porcentaje de material grueso del material original se
deberá efectuar un reemplazo. Para esto se determina por tamizado el porcentaje del
material que pasa por el tamiz de 50 mm. (2”ASTM) y queda retenido en el tamiz de
¾”.
Se reemplaza dicho material por una masa igual de material que pasa por el tamiz d e
¾”. Y queda retenido en el tamiz de 4.75 mm. tomada de la porción no utilizada de
suelo original.
2. Antes de compactar el suelo en un molde, se debe tomar una muestra representativa
para determinar su contenido de humedad (por lo menos 100 gr, si el suelo es de
grano fino).
3. Pesar el molde sin su base ni el collar y regístrese los datos.
4. Ajustar el molde a la base, insertar el disco espaciador (el disco redondo sólido de
15.1 x 5.1. cm) en el molde y cubrirlo con un disco de papel de filtro.
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MECACANICA DE SUELOS
5. Compactar el suelo de acuerdo con la norma ASTM ó D1557 Métodos B o D para el
suelo utilizado de acuerdo con lo especificado por el instructor. Tomar una muestra
representativa para determinar el contenido de humedad final del suelo remanente.
Para el caso de la práctica se utilizará: (Tres ensayos)
Los métodos se indican en la tabla.
METODOS GOLPES CAPASPESO DEL MARTILLO
Suelos de grano fino
56,25,10 5 4.5 kg
Suelos de grano grueso
56 5 4.5 kg
6. Quitar el collar y enrasar la muestra suavemente hasta nivelar en el molde. Llenar
con suelos finos los pequeños huecos que se hayan podido formar en la operación
anterior de nivelación de la muestra. Para suelos de grano grueso se pueden utilizar
partículas de suelo ligeramente menores que el agujero para completar el volumen en
el sitio requerido
7. Retirar la base y el disco espaciador, pesar el molde con el suelo compactado y
determinar el peso unitario total del suelo.
8. Colocar un disco de papel de filtro sobre la base, invertir la muestra (de forma que el
espacio de 5.1. cm dejado por el disco espaciador quede en la parte superior) y
asegurar el molde a la base de forma que el suelo quede en contacto con el papel de
filtro. Para muestras no saturadas, llevar a cabo los pasos 9 a 11 que se presentan a
continuación.
9. Colocar la muestra en la máquina de compresión y sentar el pistón sobre la superficie
de suelo utilizando una carga inicial no mayor de 4.5 Kg. Fijar el cero en los
deformímetros de medida de carga y de penetración (o deformación).
10. Hacer lecturas de deformación o penetración como se indica en la “Exposición
General” y tomar las respectivas lecturas de deformímetro de carga. Extraer la
muestra del molde y tomar dos muestras representativas adicionales para contenido
de humedad.
183
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MECACANICA DE SUELOS
Para muestras saturadas:
11. Colocar la placa perforada con el vástago ajustable sobre el suelo compactado y
aplicar suficientes pesas ranuradas adicionales para obtener la sobrecarga deseada
dentro de una aproximación de 2.2 Kg. Cuidando de que la sobrecarga total no sea
inferior a 4.5 Kg. Registrar la sobrecarga total (asegurarse de incluir la placa
perforada como parte del peso de sobrecarga). También asegurarse de usar un disco
de papel de filtro entre la base perforada del vástago y el suelo para evitar que el
suelo se pegue a la base del vástago.
12. Sumergir el molde y las pesas en un recipiente de agua de forma que el agua tenga
acceso tanto a la parte superior como a la parte inferior de la muestra y ajustar el
deformímetro de carátula (con lecturas al 0.01 mm) en su respectivo soporte (Fgs.
indicadas en la teoría). Marcar sobre el molde los puntos donde se apoya el soporte
de forma que pueda removerse y volverse a localizar sobre el molde en el mismo sitio
cuando se desee hacer una lectura.
13. Colocar suficientes pesas ranuradas (no menos de 4.5 Kg.) sobre la muestra de suelo
par simular la presión de sobrecarga requerida.
14. Ajustar en cero el deformímetro de expansión y registrar el tiempo que comienza del
ensayo, tomar las lecturas a:
0, 1, 2, 4, 8, 12, 24, 36, 48,72 y 96 horas. De tiempo transcurrido.
El ensayo de expansión puede terminarse después de 48 horas si las lecturas en el deformímetro de expansión se mantienen constantes por lo menos durante 24 horas
15. Al final de las 96 horas de inmersión, sacar la muestra y dejarla drenar por espacio de
15 min. Secar completamente la superficie superior de la muestra con toallas de
papel.
16. Pesar la muestra sumergida incluyendo el molde y regístrese los datos.
17. Hacer los pasos 9 a 11 (es decir, tomar lecturas de penetración y cargas).
18. Tomar muestras para contenido de humedad del espécimen saturado de la
siguiente forma:
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Dos dentro de los 3 cm superiores del suelo
Dos dentro de los 3 cm inferiores del suelo
Dos en el centro de la muestra de suelo
CALCULOS Y PRESENTACIÓN DE RESULTADOS
19. Dibujar una curva de resistencia a la penetración (la ordenada) en Lbs/plg2 contra la
penetración de plg. tanto para la muestra recién compactada como para la muestra
saturada. Si la curva no es esencialmente lineal a través del origen, extender una
línea desde la porción recta de la curva para tratar de interceptar el eje de las
abscisas. La diferencia entre este valor y la penetración correspondiente a cero es
una corrección que debe utilizarse para calcular el valor de CBR. Las curvas para
ambas muestras (la saturada y la recién compactada) deben dibujarse en la misma
gráfica con su identificación adecuada, junto con los valores de corrección de las
curvas, de forma que se pueda apreciar fácilmente el efecto de saturación en la
muestra.
20. Obtener la resistencia a la penetración para 2.5 y 5.0 mm de la curva (utilizando las
correcciones del paso 1 anterior si se necesitan) y calcular el valor de CBR
21. Calcular los contenidos de humedad y las densidades secas de las muestras antes de
saturar y en la condición final luego de saturadas. Para la muestra saturada, utilizar
los datos del paso 18 del procedimiento A
22. Calcular el porcentaje de expansión sobre la base de la altura nominal inicial de la
muestra. Dibujar una curva de porcentaje de expansión (ordenada) contra el tiempo
transcurrido en una gráfica separada
23. El informe debe comparar los valores de CBR, presentar un resumen de los
contenidos de humedad adecuadamente identificados, e incluir las curvas requeridas.
Discutir el significado de un valor grande o pequeño obtenido en el CBR, cualquier
cambio sufrido en el valor de CBR con la saturación, y cualquier expansión que
hubiera podido tener lugar. ¿Cómo podría reducirse la expansión (si existe una
cantidad significativa) o eliminarse para este suelo? Asegurarse de registrar en el
informe los datos de Clasificación Unificada del Suelo y su respectiva clasificación
AASHTO.
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