1.- ESPE Mecnica de Suelos I
Ing. Hugo Bonifaz 1
Mecnica de Suelos I ESPE
2 Ing. Hugo Bonifaz
El suelo es un material que trae al Ingeniero Civil, problemas de naturaleza diversa, los
cuales podemos agrupar en las categora indicadas en el cuadro siguiente, constatndose que en
todos los sectores de la Ingeniera Civil, es importante la consideracin del comportamiento
fsico mecnico de este material. Cuadro 1.1
PROBLEMAS TRABAJOS
Movimiento de Tierras
Urbanizaciones
Caminos y Aeropuertos
Presas de Tierra
Estabilizacin de Suelos Caminos y Aeropuertos
Presas de Tierra
Fundaciones
Edificios
Puentes
Obras Portuarias
Presas
Soporte de Macizos
Obras Portuarias
Tneles
Canales Caminos
Resistencia de Taludes
Caminos
Canales
Presas de Tierra
Erosin
Aprovechamientos Hidrulicos
Caminos ( proteccin de taludes)
Drenaje
Caminos y Aeropuertos
Presas de Tierra
Edificios
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Urbanismo Geotecnia aplicada al ordenamiento urbano
Hoy en da el tratamiento de las propiedades de los suelos, aunque ocupen gran parte de
un tratado de mecnica de suelos, en lneas generales se ocupa en resolver los siguientes
problemas:
1.1 EL SUELO COMO MACIZO DE SOPORTE DE FUNDACIONES
Fundacin o cimentacin de una estructura, es la parte de la misma que se destina
a distribuir las cargas sobre el terreno y el principal criterio para su diseo, es el de
econmicamente compactabilizar las deformaciones de que son causa con su utilizacin.
Las relaciones entre las cargas y deformaciones de los suelos,
constituyen pues, las bases de la concepcin y dimensionamiento de
las fundaciones, considerndose siempre que:
Figura 1.1 Esquema de una Zapata de Fundacin
Presiones por las cuales el suelo de acuerdo a su tipo, se deforma mediante lo indicado en el siguiente Diagrama de Distribucin de Presiones en el Interior del Depsito de Suelos
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Figura 1.2 Relacin Tensin-Deformacin en los suelos
Tales diagramas presentan tres segmentos bien diferenciados:
-Concavidad hacia arriba (deformaciones por adensamientos)
-Sensiblemente lineal (deformaciones elsticas)
-Concavidad hacia abajo (Falla del suelo), rotura.
El estudio de las deformaciones de los suelos se bas primero en la teora de la
elasticidad y posteriormente se desarrollaron la teora de la consolidacin, licuefaccin y
la teora de la plasticidad.
En el estudio y diseo geotcnico de las cimentaciones, es indispensable realizar una
prospeccin del suelo hasta profundidades en las que los incrementos de los esfuerzos por cargas
externas no sean significativos, como por ejemplo inferiores a un 10% del valor de la presin de
contacto y nos permita estimar los siguientes parmetros:
- Capacidad de carga admisible - Tipo de cimentacin (superficial o profunda) - Nivel de cimentacin - Deformaciones diferenciales entre los diferentes puntos de la estructura - Procedimientos constructivos - Sistema de estabilizacin de los depsitos, etc.
1.1.1 El terreno a la luz de la teora de la elasticidad
Si el terreno fuera supuesto como un slido elstico homogneo, istropo y semi indefinido, la teora de la elasticidad permite desde Boussinesq determinar el campo de tensiones
en ella producidos por una zapata cargada.
Segmentos
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Figura 1.3 Campo de tensiones generados por una carga circular uniforme
Para conocer estas caractersticas elsticas es necesario efectuar una prospeccin del
terreno hasta profundidades que deben estar de acuerdo con el peso y extensin de la estructura a
fundar.
Prospeccin que muestra que los depsitos de suelo no son ni homogneos, ni istropos
ni elsticos, ni semi-definidos.
Figura 1.4 Esquema de tensiones en el interior del depsito de suelo
1.1.2 La consolidacin de los suelos
Segn la teora de consolidacin de Terzaghi, este problema se presenta en suelos
arcillosos y saturados, que tienen la posibilidad de drenar sus aguas por efecto de incremento de
presiones externas hacia estratos permeables, por efecto de una variacin en la distribucin de
presiones que son absorbidas por la fase liquida = presin neutra y fase slida (= presin efectiva), tal como se indica en la Figura 1.5.
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Resultado que se traduce en una disminucin en el volumen del suelo por la expulsin de
agua de los vacos y el consecuente incremento de la tensin de contacto de las partculas de
suelo entre s o sea un aumento de la tensin efectiva a medida que la consolidacin evoluciona.
Figura 1.5 Analoga Mecnica de Terzaghi
1.1.3 Comportamiento dinmico de los suelos
Las cargas cclicas aplicadas a los suelos granulares, producen inversiones completas de
los esfuerzos, los cuales disminuyen su resistencia al corte. El monto de la degradacin de su
resistencia, depende principalmente de la intensidad de esfuerzo cortante cclico y del nmero de
ciclos de carga, provocando deformaciones que estn de acuerdo a su grado de saturacin y
compacidad (movilidad cclica y licuefaccin), as mismo por efecto de una variacin en la
distribucin de presiones que son absorbidas por la fase liquida ( = presin neutra) y fase slida (= presin efectiva).
1.1.4 La rotura de los suelos
Cuando las presiones aplicadas al suelo han sobrepasando cierto lmite puede conducir a la
rotura del suelo y el consecuente colapso de las estructuras cimentadas sobre l.
Se conoce adems que el suelo se rompe, cuando la tensin de corte aplicada es mayor que la
resistencia al corte del suelo.
Es esta la razn por que es de mucha importancia prever la carga de rotura de los suelos,
para lo cual se comienza por admitir que antes de la rotura el suelo se comporta como elstico.
1.2 EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIN
El suelo es el material de construccin que con mayor volumen existe sobre la corteza terrestre, y su utilizacin depende de sus caractersticas fsico-mecnicas.
Se lo utiliza en rellenos (carreteras)
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Represas de tierra Pavimentos de carreteras Construccin de estructuras, etc.
Figura 1.6 Seccin transversal de una presa de tierra construida para crear un embalse de agua.
La figura 1.6 representa una seccin transversal de una presa de tierra construida para
crear un embalse de agua.
Las dos zonas principales son: NCLEO O CORAZN DE ARCILLA y el PIE DE
ENROCAMIENTO.
El NCLEO hace que las filtraciones sean escasas y el PIE DE ENROCAMIENTO
proporciona una estabilidad considerable a la presa. Entre ambas zonas se coloca un filtro de
grava para evitar el arrastre de las partculas del suelo del ncleo hacia los huecos del
enrocamiento.
Entre el ncleo y el embalse se
coloca un manto de bloques sobre un
lecho de grava para as evitar la erosin
del ncleo por la lluvia o agua del
embalse.
Este tipo de presa se denomina
mixta o graduada para diferenciarla de
la presa de tierra homognea en la que
se utiliza un solo tipo de material en
toda la seccin.
La figura 1.7 muestra una obra
realizada en el lago Maracaibo, para
construir una isla artificial, que puede
ser utilizada como rea para puertos,
aeropuertos o zonas industriales.
Figura 1.7 Isla artificial en el lago Maracaibo
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La isla artificial se construy hincado una pantalla de pilotes de concreto que cercaba un
recinto de 850m de longitud por 60m de ancho.
Luego se drag suelo al fondo del lago, transportndolo por bombeo al recinto protegido
por la pantalla, hasta que el nivel del relleno alcanzo la altura deseada.
Para su construccin, se combinaron tres pasos, la falta de terreno en la costa, el calado
requerido para el atraque de grandes buques y la necesidad de un canal en el lago.
Figura 1.8 Estructura de un pavimento de una carretera
El pavimento est formado por una subrasante mejorada, conseguida al compactar sus
15cm superiores de suelo, luego se coloca una capa de subase de material granular que tiene por
objeto romper la ascensin del agua capilar de la subrasante hacia la estructura del pavimento, a
seguir se coloca la capa de base que puede estar compuesta de material granular o suelo
estabilizado, es una capa resistente y finalmente se coloca la capa de rodadura que puede estar
constituida por una mezcla asfltica o por un hormign de cemento hidrulico.
1.3 EL SUELO EN TALUDES Y VERTIENTES NATURALES
Cuando la superficie del terreno no es horizontal existe una componente del peso que
tiende a provocar el movimiento del suelo.
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Si a lo largo de una superficie potencial de deslizamiento, los esfuerzos tangenciales
debido al peso propio o a cualquier otra causa superan la resistencia al corte del suelo, se
produce un deslizamiento de una parte del terreno.
El incremento de esfuerzos tangenciales provocado por una estructura y la posible
disminucin de la resistencia al corte del terreno por el agua infiltrada desde aquel puede
ocasionar una falla del talud, el cual pudo ser estable muchos aos antes de la construccin.
La mitigacin de la inestabilidad se puede realizar entre otros mtodos con la
construccin de estructuras de contencin (muros de diversa ndole).
Figura 1.9 Ejemplos de Taludes
1.4 MOVIMIENTO DEL AGUA EN LOS PIES
El conocimiento de esta propiedad, tiene importancia en la resolucin de diversos
problemas tales como, erosin, deformacin de los suelos
1.5 SUELOS PROBLEMAS
La accin del agua sobre suelos arcillosos expansivos provoca aumentos de volumen de
este material que son perjudiciales para las estructuras que se asientan sobre ellos.
As mismo el agua puede disolver a los suelos finos que llenan los vacos de las
estructuras compuestas de los depsitos de suelos provocando el colapso de los mismos y la
destruccin de las construcciones ejecutadas en los sitios.
Tambin los suelos residuales por el escaso cono conocimiento de su comportamiento
ingenieril son causa de diferentes problemas en la ingeniera de construccin Civil.
La figura 1.9 grfico muestra algunos
ejemplos de taludes:
Vertiente natural de un terreno
Excavacin para un edificio
Zanja para conduccin de tuberas
Canal de agua para riego.
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2.1 DEFINICIN
Suelo: Es un material suelto no consolidado, que proviene de la desintegracin fsica y
descomposicin qumica de las rocas, el cual pueden o no contener materia orgnica.
2.2 ORIGEN DEL SUELO
Al proceso de transformacin de la materia de origen o roca madre en el suelo, se conoce
como FORMACIN DE SUELO.
La magnitud de cualquiera de las propiedades del suelo, tales como: PH, contenido en arcillas, porosidad, etc., est determinada por la combinacin de los factores formadores:
Los procesos geolgicos (tectonismo) originan que la roca sea fracturada o plegada, luego
por los procesos de alteracin se originan los suelos.
Esta mutacin no alcanza un estado de equilibrio permanente pues continuamente intervienen
agentes o factores de formacin que van modificando o cambiando las caractersticas fsicas y
qumicas del suelo.
2.3 FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA FORMACIN DE LOS SUELOS (Sntesis)
Los suelos (S) en resumen son producto de los siguientes factores:
S = f (r, a, cl, T, t, O, h, x, n)
2.3.1 Roca ( r )
La materia de origen (r), de la cual se ha originado el suelo, puede ser una roca gnea,
sedimentaria o metamrfica que conforma la corteza slida de la tierra, que se ha transformado
lentamente.
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Figura 2.1 Corteza Slida de la Tierra
2.3.1.1 Origen de las rocas
Una roca es dura o semdura, constituida por asociacin de diferentes minerales en
diferentes proporciones y que ha llegado a su estado actual a travs de un proceso de varias
etapas que constituyen el ciclo geolgico.
Si el MAGMA, lquido del interior de la tierra se enfra, produce las rocas gneas, que
sometidas a la intemperie, se meteorizan, son erosionadas, transportadas y depositadas en otro
sitio, que por fenmenos de compactacin y sedimentacin se endurecen formando rocas
sedimentarias. Esas rocas se transforman en metamrficas si se someten a un estado de alta
presin y temperatura. Cuando estas condiciones prevalecen, las rocas llegan a derretirse y
formar luego; al enfriarse, rocas gneas, reinicindose de esta forma el proceso de formacin de
las rocas.
Figura 2.2 Proceso de Alteracin de las Rocas
a. Rocas gneas
Son aquellas derivadas del enfriamiento del magma. Este enfriamiento puede efectuarse a
grandes profundidades dando lugar a los cristales de minerales bien diferenciados y de forma
cristalogrfica definida. El enfriamiento a profundidades intermedias produce rocas hipoabisales
de grado medio y los minerales no toman la forma cristalogrfica tpica.
Las rocas gneas extrusivas, producidas por enfriamiento del magma en la superficie
terrestre, son rocas de grano fino, textura amorfa, generalmente con vidrio y sin cristalizacin
definida debido a la rpida prdida de temperatura.
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Hay ocasiones en que, una vez formada la roca gnea, puede volverse metamrfica
directamente debido a cambios de estructura por variacin de las condiciones ambientales.
Roca gnea
Cuadro 2.1 Clasificacin de campo para las rocas gneas
Textura
Colores claros: livianas
(minerales esenciales: cuarzo y
feldespato)
Colores intermedios
(minerales esenciales:
feldespato, anfibola, biotta,
piroxeno)
Colores obscuros:
(minerales esenciales:
piroxeno, feldespato,
anfibola, olivino)
Grano
Grueso
Granito:
Pegmatita: Grano mas grueso.
Aplita: Grano fino
Sienita: Sin cuarzo
Diorita:
Con cuarzo: Cuarzo diorita-2
feldespatos.
Monzonita
2 feldespatos y cuarzo
Monzonita, granodiorita
Gabro:
Olivino y piroxeno:
Peridotito
Grano
Fino Felsita Felsita Basalto
Grano
Mezclado
Grano porfrico
Sienita porfrica
Felsita porfrica
Diorita porfrica
Felsita porfrica Basalto porfrico
Vtrea Obsidiana:
Si es porosa: pmez
Obsidiana:
Si es porosa: pmez
Vidrio basltico:
Si es poroso: escoria
Triturada Brecha; Aglomerada, Toba
b. Rocas sedimentarias
Se forman por depsito y compactacin del material meteorizado, erosionado y
transportado de otros tipos de rocas o de las mismas sedimentarias sometidas a la intemperie.
Una vez depositados los sedimentos, debido al peso de los mismos y por presiones de diferentes
orgenes, se produce un aumento de temperatura que altera las condiciones ambientales del
depsito dando lugar a la sedimentacin y el endurecimiento del material.
El transporte puede hacerse por medio de partculas en suspensin en forma de coloide en
solucin con agua; las primeras dan lugar a rocas sedimentarias detrticas y las segundas a rocas
sedimentarias de origen qumico. El depsito puede ser tambin de caparazones de organismos
animales y vegetales, lo que da lugar a rocas sedimentarias BIOQUMICAS.
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Roca Sedimentaria
Cuadro 2.2 Clasificacin de campo para rocas sedimentarias
CLASIFICACIN POR
COMPOSICIN ROCA
CLASIFICACIN
POR ORDEN ROCA
Partculas reconocibles
Partculas gruesas o en combinacin con
partculas redondeadas Conglomerado
Angulares Brecha Depsito Glacial Tilita
Meteorizacin de Ladera Brecha de Talus
Partculas medias a pequeas Areniscos
Con mucho feldespato Arcosa
Con conchas Caliza
Partculas Indistinguibles
Limo Limonita Depsito por viento Loes
Arcilla y lodo Pizarra
Arcillosa Depsito por fuentes termales
Cal y arcilla
Arcilla
Marga
Arcillonita
Carbonato
Slice
Travertino
Gayserita
Carbonato de calcio Caliza
Slice Tierra diatomita
Carbonato Orgnico Carbn mineral
Sal Sal gema
Sulfato de calcio Anhidrita
Sulfato de calcio hidratado Yeso
Fosfato Rocas fosfticas
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Cuadro 2.3 Trminos para describir Rocas Sedimentarias
c. Rocas Metamrficas
Son el producto del cambio en la estructura de otras rocas debido a variacin de
condiciones ambientales.
Las rocas sedimentarias a altas temperaturas y presiones se convierten en rocas
metamrficas. El origen de las presiones y temperaturas puede ser el peso de los mismos
sedimentos o la cercana de una cmara magmtica o cuerpo intrusivo. Una roca gnea puede
sufrir la misma transformacin por las mismas causas.
Roca metamrfica
NOMBRE DE LA ROCA TAMAO DE LA MAYORA FORMA DE
DE LOS GRANOS LOS GRANOS
Conglomerado grueso Mayores a 250 mm. Angulares y subangulares
(Cantos Gruesos)
Conglomerados Pudinga 30 a 250 mm. Redondeados
(Pedregal)
Conglomerado Brecha 30 a 250 mm. Angulares
(Cascajo)
Conglomerado Fino 4 a 30 mm. Angulares o
(Grava) Redondeados
Arenisca de grano 1/2 a 4 mm. Redondeados
grueso (Arena gruesa)
Arenisca de grano 1/16 a 1/8 mm. Redondeados
fino (Areana fina)
Limonita (Limo) 1/250 a 1/16 mm. Redondeados
Pizarra Arcillosa o Menores a 1/250 mm. Indistintos
Arcillonita (Arcilla)
TRMINOS PARA DESCRIIR ROCAS SEDIMENTARIAS
El nombre se refiere al material considerablemente consolidado
Entre parntesis est el nombre que recibe si est suelto
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Cuadro 2.4 Clasificacin de campo para Rocas Metamrficas
2.3.1.2 Identificacin de las rocas Para identificar una roca es necesario analizar las siguientes caractersticas:
a) Estructura
b) Textura
c) Dureza
d) Fractura
e) Color
f) Diaclasas
a) Estructura
Es el conjunto de todos los aspectos ms importantes de las rocas, por ejemplo la
estratificacin, laminacin, vascularidad, etc.
b) Textura
Es el aspecto que toma la roca debido al tamao, forma y ordenamiento de los granos y
cristales que la forman. Por ejemplo: si los granos o cristales son grandes como arvejas, se dice
que es de grano fino. Los granos pueden ser tan pequeos que sean imperceptibles a simple vista
y la roca se ve como una masa homognea, se dice que la textura es afantica. La forma y el
ordenamiento de los cristales y granos entre s producen el entrelazamiento de la roca. La roca
ser equigranular; caso contrario, ser inequigranular. Los granos pueden ser cristales,
fragmentos angulares, subangulares o redondeados.
c) Dureza
En trminos generales, es la resistencia que tienen los materiales a dejarse rayar por otro.
Para el caso de minerales la dureza est definida por la escala de MOHS y para las rocas se
establecer adelante la clasificacin.
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Cuadro 2.5 Criterios para determinar la Textura
Cuadro 2.6 Escala de Dureza
d) Fractura
La fractura define la forma o la apariencia de la superficie obtenida al romperse la roca en
cualquier direccin; la fractura puede ser coloidal, regular, irregular, fibrosa.
Textura Tamao de los granos Entrelazamiento Rocas tipos
de granos
Granular Ms de 5mm. Diverso Granito
Grantica Ms de 5mm. Tamao Diverso Diorita
uniforme
Porfdica Cristales o granos Angulares y Prfido
grandes y pequeos diverso
Vesicular Muy pequeos, con Diverso Lava
vacos intercalados
Amigdoloide Con cavidades rellenas Diverso Lava
de otro material
Afantica Muy pequeas, indistinguibles Amorfos Riolita
a simple vista
Vitrea No existen granos Obsidiana
sino una sola masa
1. TALCO Marca los tejidos
2. YESO Raya la ua
3. CALCITA Se raya con una moneda de cobre
4. APATITO Se raya con una navaja
5. ORTOCLASA Raya los vidrios
6. CUARZO No se deja rayar por la navaja
7. CORINDOM Raya todos los metales
8. DIAMANTE Raya todos los metales menos a s mismo
TABLA DE MOHS
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e) Color
Es la caracterstica ms visible, aunque a la vez es la ms difcil de definir, debido a la
gran amplitud de gamas. Cuadro 2.7 Criterios para definir color
COLORES ROCAS CAUSAS
Negro, gris o pardo oscuro
Eruptivas, pizarra, caliza y algunas areniscas
Presencia de biotita, hornblenda, augita, magnetita, materia orgnica y substancias carbonosas.
Amarillo pardo Varias rocas Oxidacin e hidratacin de la mayora de minerales
Rojo y rosado Eruptivas, conglomerados,
areniscas y arcillas Feldespato rosado o rojizo y principalmente oxidado de
hierro y manganeso.
Blanco y colores claros
Caliza, arcilla, limos, areniscas, caoln, etc.
Por meteorizacin del material los colores originales pueden cambiar a tonos claros.
Verde Esquitos, pizarras y algunas
areniscas. Presencia de clorita, epidota, glaucomita y serpentina
f) Diaclasas
Las diaclasas son estructuras de ruptura de la roca debido a tensiones o reacciones y
dilataciones por cambios de presin o temperatura. Se presentan como planos o figuras y es
posible conocer su rumbo o buzamiento; estos pueden tener diferentes valores y cada uno de
ellos constituye un sistema.
2.3.2 Agua (a)
Que al introducirse en la roca produce en su contacto con los elementos qumicos y
materia orgnica una serie de reacciones fsico-qumicas, que hacen que este se vaya
transformando lentamente.
2.3.3 El clima de la regin (cl)
Este esta en funcin de la relacin entre la evaporacin y la precipitacin y puede ser:
seco, hmedo, clido, etc. Y en cierto modo determina las caractersticas fsico-qumicas y el
color de un determinado suelo.
2.3.4 La topografa del lugar (t)
El agua tambin acta en el relieve o topografa del terreno, ya que si el terreno es llano,
habr infiltracin y si es quebrado se producir erosin.
2.3.5 Los organismos vivos (O)
Particularmente los microorganismos, plantas y animales intervienen tambin en la
formacin del suelo.
2.3.6 La temperatura(T)
Est asociada ntimamente al clima, pues a mayor temperatura existe mayor cantidad de
arcilla en un suelo. Adems, el espesor de los estratos o capas depende de la temperatura. As en
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zonas fras el espesor de las capas de un suelo es pequeo. En climas clidos, el lecho rocoso se
encuentra a mayor profundidad que en climas fros.
2.3.7 El tiempo (x)
El tiempo de accin de los llamados agentes de descomposicin de las rocas define la
calidad de los suelos
2.3.8 El ser humano (h)
Que con sus obras, como la construccin de represas, autopistas, carreteras, edificios,
estructuras, etc. alteran las condiciones naturales existentes.
2.3.9 Fenmenos Naturales (n)
Como movimientos ssmicos, ciclones y maremotos, que producen grandes
deformaciones en la corteza terrestre.
La arena procede de la meteorizacin de la roca madre.
Las arcillas proceden de silicatos descompuestos de la roca
madre
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3.1 DEFINICIN
Es la agrupacin o acumulacin de las partculas sueltas y no consolidadas, provenientes
de la alteracin de las rocas, conociendo entre otros los siguientes:
3.2 DEPSITOS SEDIMENTARIOS
Provienen de la alteracin de las rocas, transporte y sedimentacin de los subproductos
obtenidos.
AGENTES DE ALTERACIN
Acciones Qumicas Acciones Fsicas
AGENTES DE TRANSPORTE
Viento Agua Glaciales Gravedad
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De acuerdo a los agentes anteriores, los depsitos se denominan de la siguiente manera:
ALUVIALES: cuando el agente de transporte fue agua.
ELICOS: cuando el agente de transporte fue el viento.
COLUVIALES: cuando han sido transportados por la gravedad.
GLACILICOS: transportados por accin de los movimientos de glaciales.
DEPSITO DE LOS SEDIMENTOS
Las causas principales de la formacin de los depsitos sedimentarios en el agua son: la
disminucin de la velocidad, la disminucin de la solubilidad y el aumento de electrolitos.
Cuando una corriente de agua desemboca en un lago, mar u ocano, pierde parte de su
velocidad, disminuyendo la fuerza de la corriente y producindose la sedimentacin de las
partculas en sedimentacin, cualquier cambio de temperatura o naturaleza qumica del agua
puede producir una disminucin de la solubilidad de la corriente, reduciendo la precipitacin de
alguno de los elementos disueltos.
TIPOS DE DEPSITOS TRANSPORTADOS
a) Depsitos coluviales:
Los suelos coluviales incluyen masas de rocas
sueltas, resultado de la accin transportadora de la
gravedad.
Estos materiales son puntiagudos y angulares,
debido a que ha sufrido poco o ningn transporte.
Generalmente estn sueltos, depositados en las laderas
y en el pie de las montaas.
b) Depsitos aluviales:
Los depsitos aluviales fueron formados por la accin de las corrientes de agua. Los
agentes de acarreo son los ros, las olas y las corrientes marinas. El tamao de las partculas que
pueden ser arrastradas vara aproximadamente con el cuadrado de la velocidad de la corriente
Cuando una corriente cargada con sedimentos desemboca en una masa tranquila de agua,
su velocidad se reduce y se deposita gran cantidad del material, pero el material ms fino puede
ser acarreado ms lejos de la desembocadura de la corriente antes de ser depositado. Tales
depsitos se denominan deltas y pueden, bajo condiciones favorables, cubrir vastas reas. En la
figura se muestra una seccin transversal de una serie de capas inclinadas de una delta. Los
materiales ms finos son acarreados ms lejos para constituir la parte inferior del lecho (c)
mientras que al mismo tiempo el material es depositado en la parte superior del delta como parte
del lecho (a).
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Figura 3.1 Seccin transversal de una delta
c) Depsitos Elicos
Son depsitos elicos los formados por el viento e incluyen la arena de las dunas y las
margas.
En las regiones ridas, semiridas y hmedas si la arena suelta no es protegida por la
vegetacin especialmente en las riberas del mar y de los lagos, la arena se va acumulando por el
empuje del viento formando lomas y montculos que se llaman dunas.
Figura 3.2 Ejemplos de dunas en el desierto
d) Depsitos glacilicos
Los glaciares transportan materiales sobre su
superficie en el interior de su masa y en las partes
inferiores del hielo. La carga de la superficie
consiste de fragmentos de roca y otros detritus que
han cado en el hielo de los tajos y laderas que estn
sobre l.
El fondo contiene materiales arrancados por
el peso del glaciar. Los materiales dentro del glaciar
estn constituidos por detritus que han cado de las
grietas de la parte superior del glaciar y por gran
cantidad de agua que queda atrapada entre las
partculas. Figura 3.3 Ejemplo de depsitos glaciares
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3.3 DEPSITOS RESIDUALES
GENERALIDADES:
El estudio de suelos residuales requiere una actitud un poco ms geolgica de lo que
normalmente se exige en Mecnica de Suelos, si nos atenemos a que SUELOS RESIDUALES,
son aquellos que resultan de la alteracin de la roca en su propio lugar.
La alteracin de una roca, es su desagregacin y descomposicin llevada a cabo por
agentes fsicos y qumicos naturales, que transforman esa roca en otro producto natural que est
en equilibrio fsico-qumico con el medio ambiente.
Estos procesos dependen pues de la naturaleza de la roca y tambin del clima, cuando la
alteracin se da en climas permanentemente hmedos, los suelos son casi siempre
SAPROLITOS esto es suelos que mantienen la estructura de la roca madre.
La forma tpica en profundidad del perfil de alteracin tropical se indica en las figuras
siguientes; los lmites entre las diferentes capas no estn claramente definidos y hay muchos
sistemas de clasificacin basadas en el grado de alteracin.
Figura 3.4 Relacin Esquemtico entre clima y alteracin
ETAPA 1: Roca original con muy bajo ndice de vacos y alta cohesin.
ETAPA 2: Desintegracin de la roca por causas de alteracin incrementa el ndice de
vacos y decrece la cohesin y ngulo de Friccin.
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ETAPA 3: Incremento en el contenido de arcilla, causa el incremento de la cohesin,
decrece el ndice de vacos y la permeabilidad, la gravedad especfica comienza a
incrementarse por causa del incremento en el contenido de sesquixidos.
ETAPA 4: Contina el incremento de contenido de xidos, contenido de caolinita
decrece, por conversin en gibsita, los sesquixidos aglutinan las partculas de arcilla y
hace que el suelo sea ms granular, la gravedad especfica se incrementa debido al
incremento de contenido de xido hierro, incremento del ndice de Vacos porque una
gravedad especfica alta tiende a reducir el volumen slido
Figura 3.5 Representacin esquemtica de perfiles de depsitos de suelos tropicales alterados
ETAPA 5: Nuevo incremento en sesquixidos y ms cementacin de los agregados,
grandes tamaos de grava en forma concrecional, la gravedad especfica, incrementa o
decrece dependiendo de la mayor o menor cantidad de hierro o aluminio.
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Figura 3.6 Variacin de propiedades ingenieriles del Basalto, durante la meteorizacin
ETAPA 6:
Roca Secundaria.
Los suelos residuales provenientes de cualquier roca o de la accin de cualquier tipo de
clima, disponen de una serie de estratos que tanto pueden ser secuencia vertical u
horizontal a los cuales llamaremos de zonas, un perfil completo de suelo residual sera el
indicado en la figura:
Figura 3.7 Perfil tpico de un deposito residual
PRIMERA ZONA: Suelo poroso estratos endurecidos o concrecionados.
SEGUNDA ZONA: Suelo Heterogneo (pero uniforme), mantiene la estructura de la
roca de donde proviene, cuando este suelo es cortado freso parece roca no descompuesta,
pero al manipularle vemos que est totalmente disgregado.
Mecnica de Suelos I ESPE
25 Ing. Hugo Bonifaz
TERCERA ZONA: Se trata de una roca parcialmente descompuesta formando bloques.
Finalmente las dos ultimas zonas, la zona 4 y 5 seran objeto de estudio por parte de la
mecnica de rocas.
3.4 DEPSITOS ORGNICOS
Los suelos de origen orgnico se deben directa e indirectamente al crecimiento y
subsiguiente descomposicin de plantas y animales, tal como el musgo de los pantanos, o por la
acumulacin de caparazones de animales o plantas.
Estos depsitos se encuentran en yacimientos terrestres y en los fondos de mares y lagos.
Solamente en los desiertos sin lluvias o en las heladas regiones polares en donde no existen.
Figura 3.8 Suelo orgnico
3.4 DEPSITOS ARTIFICIALES
Son depsitos realizados artificialmente por el hombre, por ejemplo rellenos, presas de
tierra, etc.
Figura 3.9 Depsito Artificial
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26 Ing. Hugo Bonifaz
INTRODUCCIN
Como sabemos los depsitos de suelo estn conformados por un conjunto de partculas
minerales con caractersticas especiales que gobiernan el comportamiento del conjunto por lo
que es importante establecer cuales son sus particularidades individuales.
Las caractersticas que se consideran influyentes en su comportamiento fsico-mecnico
son las siguientes:
4.1 COMPOSICIN QUMICA Y MINERALGICA DE LOS SUELOS
Es una de sus caractersticas esenciales, pues las propiedades de un suelo estn
ntimamente ligadas con su contenido de metales o metaloides.
Los principales elementos qumicos que se encuentran en las rocas, no en estado libre
sino combinado con el oxgeno (O2), son los siguientes:
Cuadro 4.1 Principales elementos qumicos de las rocas
De acuerdo a su composicin qumica los minerales se dividen en minerales primarios
(feldespatos, cuarzo, anfibolas, piroxenos, micas y olivinas) y secundarios que provienen de la
alteracin de los indicados anteriormente y que en forma general se los puede agrupar de la
siguiente manera:
METALES XIDOS METALOIDES ANHDRIDOS
Aluminio Al Al2O3
Hierro Fe Fe2O3
FeO Silicio Si SiO2
Magnesio Mg MgO Azufre S SO3
Calcio Ca CaO Carbn C CO2
Sodio Na Na2O
Potasio K K2O
Mecnica de Suelos I ESPE
27 Ing. Hugo Bonifaz
En las rocas gneas pueden encontrarse minerales formados del magma por su
cristalizacin y tambin minerales formados despus, como resultado de modificaciones sufridas
por los primeros. A los minerales formados directamente por la cristalizacin del magma se los
conoce como magmticos o primarios, ya los minerales formados como resultado de la
modificacin de los primeros post-magmticos o secundarios.
La formacin de los minerales secundarios puede verificarse en diferentes momentos
despus de la solidificacin del magma.
Muy a menudo ellos aparecen mediante procesos de auto metamorfismo, inmediatamente
despus de la formacin de la roca gnea; pero, estos minerales pueden aparecer tambin mucho
despus, por accin de fenmenos que no tienen ninguna relacin con el origen de la roca.
Muchas veces aparecen por procesos de meteorizacin.
Como minerales secundarios podemos enumerar los siguientes:
Talco: silicato de magnesio.
Calcita: carbonato de calcio CaCO3
Dolomita: carbonato de Calcio y Magnesio CaMg(CO3).
Yeso: sulfato hidratado de Calcio CaSO4.
Caolinita: es silicato hidratado de aluminio Al2O3.2SiO2.2H2O
4.2 PESO ESPECFICO DE LOS SUELOS
Depende de la clase de mineral o minerales que lo componen, as como de su mayor o
menor contenido de materia orgnica.
El peso especfico o gravedad especfica de un suelo es la relacin entre el peso de sus
partculas minerales y el peso de igual volumen de agua destilada a 4C, as, si el peso
especfico de un suelo es de 2.7, significa que un centmetro cbico de partcula de ese suelo,
pesa 2.7 veces ms que un centmetro cbico de agua destilada a 4C.
Tambin se puede definir al peso especfico como la relacin entre el peso de las
partculas minerales y su volumen:
Ps = peso de la sustancia slida.
Vs = volumen de la sustancia slida.
SILICATOS
cuarzo
talco
caolinita
mica
sfeldespato
CARBONATOSdolomita
calcita
XIDOS
onita
hematita
magnetita
lim
SULFATOS yeso
Vs
Psg
Mecnica de Suelos I ESPE
28 Ing. Hugo Bonifaz
El peso especfico de los slidos vara entre 2-3. La materia orgnica hace disminuir el
peso especfico del suelo y se ha adoptado como peso especfico de comparacin, el peso
especfico de la arena de cuarzo, que tiene un valor de 2.65.
Su determinacin se la realiza con la utilizacin de frascos calibrados denominados
picnmetros.
1)(
*
*221
2 PPP
PGs
a
gGs
Gs
PsPPP
s
ats
at
Gs = gravedad especfica
at = peso especfico del agua a t C.
Ps = peso del suelo seco (suelo secado al horno).
P1 = peso del frasco calibrado con agua y suelo a t C. Figura 4.1 Picnmetros
P2 = peso del frasco con agua destilada hasta la marca a t C.
EJERCICIO
1.- Determinar el peso especfico de los granos de un suelo, habiendo determinado que el
peso del picnmetro ms agua destilada es igual a 435.21 grs., y el peso del picnmetro con 30
grs. de suelo y agua es de 454.13 grs.
4.3 FORMA DE LAS PARTCULAS.
La forma que tienen las partculas de un suelo, est relacionada tambin con la
composicin mineralgica del material, e influye en la formacin de espacios vacos en la masa
de un suelo.
Se pueden distinguir las siguientes formas principales:
a) PARTCULAS REDONDEADAS: O ms exactamente de forma polidrica, son las que
predominan en los pedregullos, arenas y limos.
b) PARTCULAS LAMINARES: Semejantes a lminas o escamas; son encontrados en las
arcillas.
71.2
08.11
30
13.454)21.43530(
/1*30
1)2(
*
3
Gs
Gs
grgrgr
cmgrgrGs
PPPs
PsGs at
3/71.2 cmgrg
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29 Ing. Hugo Bonifaz
Esta forma de las partculas de las arcillas responde por algunas y cada una de sus
propiedades, como por ejemplo, la compresibilidad y la plasticidad.
c) PARTCULAS FIBRILARES: Es caracterstica de los suelos orgnicos (turbosos), que
son suelos producto de la descomposicin de plantas y animales.
Los suelos compuestos de partculas redondeadas, soportan cargas estticas pesadas con
pequea deformacin especialmente si los granos son angulosos, sin embargo, por efecto de
choques o vibraciones, estas se desplazan fcilmente y sufren grandes deformaciones, los suelos
compuestos de granos con forma laminar o escamosos se comprimen y se deforman fcilmente
bajo el efecto de cargas estticas, as como sucede con las hojas secas y papeles sueltos, sin
embargo son estables a los efectos de esfuerzos denominados choques o vibraciones.
Un pequeo porcentaje de partculas laminares es suficiente para cambiar las
caractersticas de un suelo y hacer que se comporte como material laminar.
4.4 CONTENIDO DE HUMEDAD
El agua que se presenta en los suelos puede ser:
DRENABLE: Es aquella agua que puede ser drenada fcilmente por accin de la
gravedad (agua libre), o procesos fsicos conocidos.
El contenido de humedad se define por la relacin:
NO DRENABLE: Es aquella que no es posible drenarla por medios mecnicos o fsicos
conocidos, y puede ser:
Agua Capilar: Es el agua que ha sido retenida por la accin de la tensin superficial; su
drenaje solo es posible por medios electrnicos.
Agua higroscpica: Es aquella que absorbe el suelo de la humedad del aire.
Agua Adsorbida: Es aquella que forma parte integrante de la partcula de suelo debido a
la actividad superficial.
humedo suelo del peso Ph
seco suelo del peso Ps
agua del Pa
humedad de contenido %h
100*%
100*%
peso
Ps
PsPhh
Ps
Pah
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30 Ing. Hugo Bonifaz
Las partculas finas tipo arcilla contienen alrededor una capa negativa que constituyen la
llamada actividad superficial, que es una capa que atrae y permite cambiar electrones.
En contacto con el agua cuyas molculas son polarizadas; H+ OH-, las partculas slidas
atraen los iones positivos H+ , formando as una pelcula de agua adsorbida.
Las propiedades del agua adsorbida son diferentes del agua normal, ya que en vista de las
grandes presiones a las que se encuentra sometida por las fuerzas electroestticas de adsorcin
(se estima que el valor de esta fuerza es de 20.000 Kg. / cm2.), se presenta en forma semislida y
con espesuras medias de 0.05u.
Figura 4.2 Mecanismos de Adsorcin
Segn SKEMPTON la actividad de los suelos se define por la relacin:
IP = ndice plstico.
%< 0.002 mm. = % de partculas con dimetros menores que 0.002 mm.
En funcin de este valor las arcillas se clasifican en:
-Inactivas = A < 0.75 -Normales = 0.75 < A < 1.25 -Activas = A > 1.25
Un fenmeno importante que se presenta a partir de esta propiedad denominada actividad
superficial es el llamado CAMBIO DE BASE, que se refiere a la facultad que tiene las partculas
coloidales de permutar los cationes adsorbidos en su superficie. As una arcilla hidrogenada
puede convertirse en arcilla sdica, por una constante infiltracin de agua que contenga en
disolucin sales de sodio.
.002.0% mm
IPA
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31 Ing. Hugo Bonifaz
Estos cambios son los que constituyen el principio fundamental del problema de
estabilizacin qumica de los suelos, mediante la adicin de productos qumicos o fenmenos
electroosmticos.
En un suelo, hay que considerar que no todos los cationes adsorbidos son permutables, la
capacidad de permutacin es lo que se conoce como la capacidad de cambio.
4.5 LA ESTRUCTURA DE LAS PARTCULAS
Es una propiedad importante especialmente en las arcillas, pues esta puede ser destruida
por la accin de fuerzas exteriores
La modificacin de la estructura de una masa arcillosa, altera su volumen de vacos,
observndose que algunas arcillas solo presentan una estabilidad menor cuando se altera su
estructura, de ah que una masa de arcilla inalterada sea ms estable que una remoldada, en
cambio en los limos y arenas la alteracin de la estructura de su masa tiene influencia casi nula
en su estabilidad.
Se puede decir que los suelos arcillosos estn formados por partculas cristalinas de
minerales conocidos con el nombre de minerales de arcilla; estos minerales estn formados por
silicatos hidratados de Al o Fe, Mg y K.
La estructura de los minerales de arcilla, se componen de la agrupacin de 2 unidades
cristalogrficas fundamentales.
La una, representada por un tetraedro,
formado por un tomo de Si equidistante de
cuatro O.
La otra, representada por un octaedro,
con un tomo de Al en el centro envuelto por 6
O por 6 grupos OH:
La asociacin de estos elementos forma
los diversos tipos de minerales arcillosos. Figura 4.2 Mecanismos de Adsorcin
Figura 4.4 Unidad cristalogrfica de aluminio
CAOLINITAS: Estn formadas por unidades de Al y Si unidas alternadamente, dando
as una estructura rgida. En consecuencia las arcillas caolnicas son relativamente estables en
presencia del agua.
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32 Ing. Hugo Bonifaz
Figura 4.5 Estructura de la Caolinita
MONTMORILLONITA: Est
estructuralmente formada por una unidad de
Al entre dos unidades de Si, pero la unin
entre esas dos unidades no es lo
suficientemente fuerte y firme para impedir
el paso del agua, lo que hace que este tipo de
arcillas sean muy expansibles y por lo tanto
inestables en presencia de agua.
Figura 4.6 Estructura de la Montmorillonita
ILLITAS: son estructuralmente anlogas
a las montmorillonitas pero son menos
expansivas ( y = 1.5).
Figura 4.5 Estructura de la Caolinita
4.5 EL TAMAO DE LAS PARTCULAS
Depende de la clase de minerales que contenga el suelo. Se clasifican en :
Piedras : Partculas > a 75 mm.
Gravas : Partculas de 5 mm.
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33 Ing. Hugo Bonifaz
Curva granulomtrica, es la representacin grfica de los resultados obtenidos en el
anlisis, los cuales son trazados en un diagrama semilogartmico.
Figura 4.8
Segn la forma de la curva obtenida podremos distinguir los diferentes tipos de
graduacin de los suelos:
Figura 4.9 Tipos de Granulometra
En la curva granulomtrica segn ALLEN- HAZEN se define en los siguientes parmetros:
a) Dimetro Efectivo (De): Es la abertura del tamiz a travs del cual pasa el 10% del
material.
b) Coeficiente de Uniformidad (Cu): Es la relacin entre el dimetro correspondiente al
60% y al dimetro efectivo tomados en la curva granulomtrica.
10
60
D
DCu
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34 Ing. Hugo Bonifaz
Este coeficiente demuestra la uniformidad del material. Su valor disminuye al ser ms
uniforme el material.
Cu < 5 Suelo uniforme
5 < Cu < 15 Uniformidad media
Cu > 15 No uniforme
c) Coeficiente de curvatura:
1060
2
30
*
)(
DD
DCc
D30= Abertura del tamiz a travs del cual pasa el 30% del material
D60= Abertura del tamiz por el cual pasa el 60% del material
El anlisis granulomtrico de los suelos cuyas partculas tienen dimensiones mayores que
0.074 mm. (tamiz N200 A.S.T.M.) se realiza por el proceso de tamizado.
Para esto se toma un peso P de muestra de suelo seco y se lo somete a tamizado, luego de
realizar este proceso se toma las porciones retenidas en los diversos tamices P1.....P2 ,Pn y se
los expresa en porcentaje del peso total.
Sumando sus porcentajes se obtiene los porcentajes retenidos; acumulando y tomando el
complemento de 100, los porcentajes acumulados que pasan.
CUADRO DE ABERTURA DE LAS MALLAS DE LOS TAMICES
La abertura de los tamices normales de A.S.T.M. que se utilizan son los siguientes:
El tipo del tamiz se refiere a la abertura de malla o a su nmero de mallas por centmetro
cuadrado.
100*1
P
P; 100*
2
P
P; etc.
100*1
100P
P
No. ABERTURA mm. No. ABERTURA mm. No. ABERTURA mm.
200 0,074 45 0,35 14 1,41
140 0,195 40 0,42 12 1,68
120 0,125 35 0,5 10 2
100 0,149 30 0,58 8 2,38
80 0,177 25 0,7 7 2,83
70 0,21 20 0,84 6 3,36
60 0,25 18 1 5 4
50 0,297 16 1,19 4 4,76
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35 Ing. Hugo Bonifaz
Anlisis Granulomtrico por Tamizado.
Figura 4.10 Abertura de los tamices
EJERCICIO DE ANLISIS GRANULOMTRICO:
1.- Un anlisis granulomtrico por tamizado de una muestra cuyo peso total es de 15151.2 gr. se
obtuvo los siguientes resultados:
Dimetro Material Retenido
1'' 0.00
1'' 1818.10
'' 1212.10
3/8'' 3030.20
4 2272.70
< 4 6818.10
15151.20
De los 6818 gr. que pasaron por el tamiz #4 se tomo una submuestra de 200gr. para
realizar la granulometra de material fino.
Dimetro Material Retenido
Mb = 200gr.
# 10 31.50
# 20 27.60
# 40 29.10
# 60 22.00
# 100 24.00
# 200 19.80
< 200 46.00
200.00
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36 Ing. Hugo Bonifaz
Calcular y graficar la curva.
Dimetro Material
Retenido % Retenido
% Ret.
Acum.
% Acumulado
P.
1'' 0.00 0.00 0 100
1'' 1818.10 11.90 11.9 88.1
'' 1212.10 8.00 19.9 80.1
3/8'' 3030.20 19.90 39.89 60.11
4 2272.70 15.00 54.9 45.1
< 4 6818.10 45.00
15151.20
Mb = 200gr.
# 10 31.50 15.75 7.08 61.98 38.02
# 20 27.60 13.80 6.21 68.19 31.80
# 40 29.10 14.55 6.54 74.73 25.30
# 60 22.00 11.00 4.95 79.68 20.32
# 100 24.00 12.00 5.40 85.08 14.92
# 200 19.80 9.90 4.45 89.53 10.47
< 200 46.00 23.00 10.35 99.88 0.12
200.00 solo para
200gr
para la m.
total
Con esta informacin la curva granulomtrica queda definida de la siguiente manera:
Por anlisis de la curva granulomtrica obtenida se puede determinar que la muestra
contiene:
62% grava
34% arena
4 % limo
En base a la informacin generada por la curva, tambin podemos definir el dimetro
efectivo, dimetro 30, y dimetro 60 para determinar as si el suelo es uniforme y su coeficiente
de curvatura.
D10 = 0.074 D30 = 0.73 D60 = 9
COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD: Cu = 9/ 0.074 Cu = 122
Como Cu > 15 es un suelo no uniforme COEFICIENTE DE CURVATURA:
Cc = (0.73)2 / (9 * 0.074)
Cc = 0.8 1060
2
30
*
)(
DD
DCc
10
60
D
DCu
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37 Ing. Hugo Bonifaz
Mecnica de Suelos I ESPE
38 Ing. Hugo Bonifaz
Para los suelos finos, es decir con dimensiones menores que 0.074 mm., ya no se puede
utilizar el mtodo del tamizado, por lo tanto se usa el mtodo de sedimentacin continua en un
medio lquido.
Casi o todos los mtodos para anlisis granulomtrico por sedimentacin estn basados
en la ley de STOKES, la cual establece una relacin entre el dimetro de las partculas y la
velocidad de sedimentacin, en un medio lquido de viscosidad y peso especfico conocido.
La ley de STOKES se puede expresar de la siguiente manera:
Donde:
v = velocidad de sedimentacin.
a = peso especfico del medio dispersor.
g = peso especfico de las partculas del suelo.
= coeficiente de viscosidad del medio disperso; vara con la temperatura.
d = Dimetro equivalente a las partculas, esto es el dimetro de una esfera del
mismo peso especfico y que se sedimenta con la misma velocidad.
La ley de Stokes nos da el dimetro equivalente de las partculas y no su verdadero valor.
Resolviendo la ecuacin planteada tendremos:
)(
*1800
*
)(
**1800
ag
ag
nk
vkd
vd
La ley de Stokes es vlida para partculas menores que 0.002 mm. de dimetro y mayor
que aquellas partculas que son afectadas por el movimiento BROWNIANO.
Las limitaciones en la determinacin del tamao de las partculas por medio de la Ley de
Stokes son las siguientes:
a) Las pruebas realizadas por SQUIRES en el ITM dan una idea del error introducido por el uso
de las frmula de Stokes que supone a las partculas esfricas, adems establece como uniforme
la velocidad de asentamiento de una partcula considerada como una esfera hipottica, pero en
realidad las partculas finas tienen forma laminar y ms frecuentemente en forma de disco, de
esta manera las partculas se sedimentan con un movimiento parecido a las hojas que caen.
Squires, estudiando la cada de una partcula de forma diferente al de una esfera,
consider una relacin de correccin:
D= dimetro de la esfera.
2
2
)(
9
2 dV
ag
'752.0 DD
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39 Ing. Hugo Bonifaz
D = dimetro del disco.
= D/H.
H = altura del disco
b) Considera adems, que la velocidad de asentamiento de las partculas es uniforme,
variando nicamente el dimetro.
Pero en realidad esta velocidad no puede ser uniforme porque no todos los granos de
suelo tienen el mismo peso especfico.
Como la variacin del peso especfico de los materiales que componen el suelo, no es
muy grande y oscila de 2-3 gr./cc. Puede utilizarse en la frmula un trmino medio aproximado
de 2.65.
c) La viscosidad de la dispersin cambia con la temperatura, al disminuir la viscosidad se
produce un aumento en la velocidad de sedimentacin.
Limo v p = 1 cm./min.
Arcilla v p = 0.02 cm./min.
d) Se refiere al movimiento de una sola esfera y no tiene en cuenta la influencia recproca
de partculas de tamaos diferentes sedimentndose una tras otra a diferentes velocidades en una
suspensin.
En la realidad las partculas finas del suelo al encontrarse en suspensin en el agua debido
a las cargas elctricas negativas empiezan a repelerse unas tras otras, originando un movimiento
denominado BROWNIANO, por lo que se encuentra en continuo movimiento con la siguiente
alteracin del proceso de sedimentacin.
El clculo de los porcentajes de partculas de suelo con dimetros menores que d. (lo que
correspondera al porcentaje de partculas que pasaran a travs de un tamiz cuyas aberturas sean
iguales a d.) ser:
Ps = Peso del suelo seco utilizado en el ensayo.
g = Peso especfico de los granos.
Lc = lectura corregida del hidrmetro.
La frmula indica anteriormente puede escribirse tambin :
1*1
*100000
% LcPs
dg
g
P d % = k (Lc 1)
k = 1
*000.100
g
g
Ps
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40 Ing. Hugo Bonifaz
HIDRMETROS
Figura 4.11 Instrumentos empleados en el mtodo de
sedimentacin.
EJERCICIO DE ANLISIS GRANULOMTRICO
POR SEDIMENTACIN:
2.-Una vez realizado el ensayo de sedimentacin obtenemos los datos, que indicamos a
continuacin, los cuales nos servirn para realizar los clculos respectivos para hallar el %
acumulado y D:
CA = Correccin por antifloculante = 3
CM= Correccin por menisco = 1
Tiempo
(min)
Temp
C CT
Lectura
Ls
Lc % Acum
Zs
(cm)
D
(mm) gr/L gr/cm3
1 20 50
2 20 44
5 20 33
15 20 32
30 20 27
Donde:
CT= Correccin por temperatura Ls = Lectura del hidrmetro
D = Dimetro de las partculas Zs = Altura de cada de la partculas en cm.
% Acum = porcentaje de partculas que pasara a travs del tamiz cuya abertura sea igual a D
Lc = Lectura corregida del hidrmetro
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41 Ing. Hugo Bonifaz
Para saber la correccin por temperatura nos basamos en la siguiente tabla:
Como en todas nuestras lecturas la temperatura fue de 20C nuestra correccin por
temperatura es de 0.0000
Con el valor de la correccin por temperatura procedemos a determinar la lectura
corregida (Lc) para cada uno de nuestros datos mediante el siguiente procedimiento :
Lc = Ls - CA + CT + CM
Lc = Ls - 3 + 0 + 1
Lc = Ls - 2
Entonces nuestra tabla nos quedara:
Tiempo
(min)
Temp
C CT
Lectura
Ls Lc
% Acum Zs
(cm)
D
(mm) gr/L gr/cm
3
1 20 0.0000 50 48
2 20 0.0000 44 42
5 20 0.0000 38 36
15 20 0.0000 32 30
30 20 0.0000 27 25
Nuestros valores de Lc estn en gr/L por lo cual tenemos que trasformar a gr/cm3
Para realizar la trasformacin de Lc nos basamos en el siguiente grafico:
Temperatura
C
Correccin
CT
Temperatura
C
Correccin
CT
7 -0.0013 20 0.0000
8 -0.0013 21 0.0002
9 -0.0013 22 0.0004
10 -0.0012 23 0.0006
11 -0.0012 24 0.0008
12 -0.0011 25 0.0010
13 -0.0010 26 0.0013
14 -0.0009 27 0.0015
15 -0.0008 28 0.0018
16 -0.0006 29 0.0020
17 -0.0005 30 0.0023
18 -0.0003 31 0.0026
19 -0.0002 32 0.0030
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42 Ing. Hugo Bonifaz
A seguir calculamos el % acum mediante la siguiente formula:
Ps = peso de suelo pretratado = 120 g
g = peso especfico de los granos = 2.506 g/cm3
Lc = densidad corregida
Donde reemplazamos los valores de Lc y obtenemos el % acum para cada lectura
Nuestra tabla nos quedara de la siguiente forma:
Lc
gr/L gr/cm3
48 1.0296
42 1.026
36 1.0223
30 1.0185
25 1.0154
1)(Lc1
g
g
*Ps
100.000d%
1)(Lc12,506
2,506*
120
000 100d%
1)(Lc)664,1(*)333,833(d%
1)(Lc*)676,1386(d%
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43 Ing. Hugo Bonifaz
Tiempo
(min)
Temp
C CT
Lectura
Ls
Lc %
Acum Zs
(cm)
D
(mm) gr/L gr/cm3
1 20 0.0000 50 48 1.0296 41.05
2 20 0.0000 44 42 1.026 36.05
5 20 0.0000 38 36 1.0223 30.92
15 20 0.0000 32 30 1.0185 25.65
30 20 0.0000 27 25 1.0154 21.35
Para establecer Zs nos valemos de las curvas de calibracin de los hidrmetros:
Completamos los valores de Zs en la tabla:
Tambin existe otra forma de hallar los valores de Zs, basndose en la siguiente tabla:
Para los valores de Lc dados a continuacin encontramos Zs
Tiempo
(min)
Temp.
C CT
Lectura
Ls
Lc %
Acum
Zs
(cm)
D
(mm) gr/L gr/cm3
1 20 0.0000 50 48 1.0296 41.05 8.4
2 20 0.0000 44 42 1.026 36.05 9.4
5 20 0.0000 38 36 1.0223 30.92 10.4
15 20 0.0000 32 30 1.0185 25.65 11.4
30 20 0.0000 27 25 1.0154 21.35 12.2
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44 Ing. Hugo Bonifaz
Segn la tabla nuestros valores de Zs quedaran de la siguiente manera:
Lc Zs
48 8.4
42 9.4
36 10.4
30 11.4
25 12.2
Para hallar el valor de k nos apoyamos en la siguiente tabla, mediante los valores de la
temperatura y del peso especfico.
Nuestro valor de k es 0.01431
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45 Ing. Hugo Bonifaz
Para hallar el dimetro de la partculas aplicamos la frmula:
t = tiempo en segundos
Reemplazando los valores de Zs y t obtenemos los valores del dimetro para cada dato.
Tiempo
(min)
Temp
C CT
Lectura
Ls
Lc %
Acum
Zs
(cm)
D
(mm) gr/L gr/cm3
1 20 0.0000 50 48 1.0296 41.05 8.4 0.006
2 20 0.0000 44 42 1.026 36.05 9.4 0.004
5 20 0.0000 33 36 1.0223 30.92 10.4 0.003
15 20 0.0000 32 30 1.0185 25.65 11.4 0.002
30 20 0.0000 27 25 1.0154 21.35 12.2 0.001
Con el material lavado, retenido en el tamiz N 200 lo secamos al horno por 24 horas y
procedemos a realizar la tamizacin del mismo para completar la curva granulomtrica.
Los datos obtenidos de nuestra muestra son:
Por tamizacin
Malla
N
Peso del suelo
retenido
Porcentaje
retenido
Retenido
acumulado
Porcentaje que
pasa
gr % % %
10 0 0 0 100
40 23.7 19.75 19.75 80.25
100 7.7 6.42 26.17 73.83
200 36.9 30.75 56.92 43.08
Por sedimentacin
Ap
%
D
(mm)
41.05 0.006
36.05 0.004
30.92 0.003
25.65 0.002
21.35 0.001
Valores con los cuales procedemos a trazar la curva granulomtrica.
t
ZskD
t
ZsD 01431.0
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46 Ing. Hugo Bonifaz
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Las partculas minerales, el agua y el aire se agrupan de maneras muy diferentes para
formar los depsitos de suelos o rocas.
En mecnica de suelos el trmino estructura (ms propiamente micro estructuras) se usa
para describir la geometra de la agrupacin Partcula Poro.
A esta confusa terminologa se suma el problema de la descripcin de la interminable
variedad de texturas o micro estructuras posibles, las mismas que dependen de las formas de los
granos, las llamadas fuerzas entre partculas y la manera como el suelo o la roca se formaron.
Para fines de estudio hemos clasificado las micro estructuras en cuatro grupos:
No cohesivas Cohesivas Suelos sedimentarios Compuestas Residuales
Existen, sin embargo, muchos materiales que no caen dentro de este simple modelo
bsico, razn por la cual cada suelo debe ser evaluado individualmente y no debe basarse en la
descripcin de la micro estructura.
5.1 MICRO ESTRUCTURAS DE SUELOS NO COHESIVOS
a) ESTRUCTURAS DE CONTACTO
Los suelos no coherentes, se componen en general de granos redondeados que se pueden
representar por esferas o poliedros regulares, la ms simple disposicin de estas partculas es
similar a las de la naranjas colocadas en un estante del mercado en la cual cada una est en
contacto con las dems que rodean esta estructura que se llama de CONTACTO O
MONOGRANULAR y es tpica de las arenas o gravas.
La relacin de vacos puede variar grandemente segn sea la posicin relativa de los
granos, si se colocan en una caja grande granos distribuidos uniformemente de manera que
queden unos encima de otros, la estructura que se forma tendr una relacin de vacos de
alrededor de 0.90 (a).
Si se colocan de manera que las esferas de una capa ocupen los espacios entre las esferas
de la otra, la relacin de vacos de esta estructura ser de alrededor de 0.35 (b). La disposicin
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toshibaTexto escrito a mquina....l
toshibaTexto escrito a mquina
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que corresponde a la mayor relacin de vacos se describe como suelta y la correspondiente a la
menor como compacta; se puede disponer los granos para producir cualquier relacin de vacos
entre estos dos lmites.
Figura 5.1 Estructuras de suelos no cohesivos
Es posible tener variaciones similares en la relacin de vacos en suelos no cohesivos con
granos de forma irregular y de distintos tamaos; la relacin de vacos ms alta posible para un
suelo determinado (y en el que todava estn en contacto las partculas) se denomina mxima e mx., la relacin de vacos ms baja se denomina mnima e mn..
La relacin que existe entre la relacin de vacos que realmente tiene un suelo e nat y sus valores lmites e mx y e mn, se denomina COMPACIDAD RELATIVA; GRADO DE
COMPACIDAD, DENSIDAD RELATIVA, NDICE DE DENSIDAD.
Dicindose que el suelo natural es suelto si su compacidad relativa es menor que 50% y
compacto si es mayor.
Las propiedades de los suelos que tienen estructura de contacto suelta se diferencian
grandemente de los que la tienen compacta, los suelos sueltos en los que los granos estn
colocados unos arriba de otros son inestables a los choques y vibraciones en razn de que se
mueven las partculas y al agruparse forman suelos ms compactos y estables. Las partculas
redondas son las ms inestables del suelo suelto y an las angulosas si la relacin de vacos es lo
bastante alta.
Las estructuras de contacto compactas son de por s estables y se afectan ligeramente por
los choques y vibraciones, ambas estructuras son capaces de soportar cargas estticas sin grandes
deformaciones.
De acuerdo al grado de compacidad, las arenas se clasifican en:
Arena suelta 0 < Cr < 0.33
Arena Medianamente Compacta 0.33 < Cr < 0.66
Arena Compacta 0.66 < Cr < 1
100*emnemx
enatemxGc
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49 Ing. Hugo Bonifaz
EJERCICIO
1.-Determinar el grado de compacidad relativa de una muestra de suelo, cuyo peso
especfico real de los granos es igual a 2.65 gr/cm3. El peso del suelo seco suelto es 4289 gr y el
peso del suelo seco compactado es 5050 gr. Las dimensiones del molde utilizado son 17.78 cm
de altura y 15.115 cm de dimetro interior. El ndice de vacos en estado natural del suelo es
0.70.
Datos:
Clculo del volumen:
Clculo del ndice de vacos mximo
Clculo del ndice de vacos mnimo
Clculo del grado de compacidad relativa
70.0
115.15
78.17
5050''
4289'
/65.2 3
nat
g
e
cmD
cmH
grsP
grsP
cmgr
3
2
2
35.3190
780.17*)115.15(4
4
cmVT
cmcmVT
HDVT
97.0
)/65.2/(4289
)/65.2/(4289347.3190
/'
/'
max
3
33
max
max
e
cmgrgr
cmgrgrcme
sP
sPVTe
g
g
67.0
)/65.2/(5050
)/65.2/(5050347.3190
/''
/''
min
3
33
min
min
e
cmgrgr
cmgrgrcme
sP
sPVTe
g
g
%29.91
100*9129.0
100*67414.097119.0
70.097119.0
100*minmax
max
Cr
Cr
Cr
ee
eeCr nat
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50 Ing. Hugo Bonifaz
Por ser su compacidad relativa mayor al 50% y estar entre 0.66 y 1, la arena est
compacta.
b) ESTRUCTURAS DE PANAL
Es posible en determinadas condiciones que los granos redondos no coherentes formen
arcos imperfectos, lo que trae que la relacin de vacos exceda al mximo correspondiente a la
estructura de contacto; esta estructura tiene una compacidad relativa negativa y se llama de panal
(c).
La estructura de panal se produce cuando arenas extremadamente finas o partculas de
LIMO no coherentes se sedimentan en aguas tranquilas, debido a su pequeo tamao se asientan
lentamente y se acuan unas a otras sin rodar para alcanzar una posicin ms estable como lo
hacen las partculas mayores. Esta estructura tambin se produce cuando se descarga arena fina
hmeda en un relleno y no se compacta, este estado se llama algunas veces abultado.
La estructura en panal es capaz a veces de soportar cargas estticas con pequeas
deformaciones, en forma similar a como lo hacen los arcos de piedra que soportan su carga sin
deformacin, sin embargo, el choque y las vibraciones pueden producir su falla, en algunos casos
esto produce solamente un rpido asentamiento, pero en otros produce una reaccin en cadena
que convierte a toda la masa de suelo en un lquido pesado capaz de llenar una excavacin o
tragarse un buldzer; estas estructuras son afortunadamente poco comunes y generalmente
ocurren en lentes o bolsones de poca extensin debido a los riesgos que esto envuelve, el
ingeniero, debe mirar con desconfianza todas las arenas muy finas y los limos depositados en
agua hasta poder comprobar por la determinacin de la relacin de vacos que son estables.
5.2 MICROESTRUCTURA DE SUELOS COHESIVOS
En los suelos cohesivos la estructura la determinan principalmente los minerales
arcillosos y las fuerzas que actan entre ellos. En las partculas de arcilla que se depositan en
agua actan una serie de fuerzas complejas, algunas de las cuales, incluyendo las fuerzas de
atraccin universal, la atraccin mutua de los cationes individuales de las cargas elctricas de
cada grano y las cargas elctricas de los cationes adsorbidos, hacen que las partculas se atraigan
o se repelen unas a otras.
Ambas fuerzas, las de atraccin y repulsin, aumentan aunque en diferente proporcin a
medida en que la distancia entre partculas decrece en una suspensin diluida en que las
partculas estn ampliamente separadas y se quedan en suspensin y se asientan muy lentamente
mientras son rebotadas por la agitacin de las molculas de agua, esta agitacin se denomina
MOVIMIENTO BROWNIANO, y el sistema se llama disperso.
La dispersin se puede aumentar aadiendo soluciones o materiales que aumenten la