Apuntes de Mecanica de Suelos i Uaeh

MECÁNICA DE SUELOS IDR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 1 UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE HIDALGO INSTITUTO DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERÍA INGENIERÍA CIVIL MECÁNICA DE SUELOS I APUNTES MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 2 CONTENIDO DEL CURSO UNIDAD TEMAS SUBTEMAS I Introducción a la Mecánica de Suelos 1.1 Origen y formación de suelos 1.2 Factores geológicos que influyen en las propiedades de los suelos. 1.3 Características y estructuración de los suelos. 1.3.1 Tipos de estructuras de las arcillas. a) Simple b) Panaloide c) Floculenta d) Compuesta e) Castillo de naipe f) Dispersa 1.4 Clasificación de las arcillas, en base a su estabilidad. 1.4.1 Arcillas caolinitas 1.4.2 Arcillas ilitas 1..4.3 Arcillas motmorilonitas. II Exploración y muestreo 2.1 Métodos de sondeos. 2.1.1 Métodos de sondeos preliminares. 2.1.2 Métodos de sondeos definitivos. 2.1.3.Métodos geofísicos. 2.2 Sondeos preliminares. 2.2.1 Pozo a cielo abierto con muestreo alterado e inalterado. 2.2.2 perforación con posteadora y barrenos. 2.2.3 Método de lavado.. 2.2.4 Penetración estándar. 2.2.5 Penetración cónica. 2.3. Sondeos definitivos. 2.3.1 Pozo a cielo abierto con muestreo alterado. E inalterado. 2.3.2. Sondeo de tubo con pared delgada. 2.3.3 Perforación rotatoria para rocas. 2.4. Métodos geofísicos. 2.4.1 Método sísmico. 2.4.2. Método de resistividad eléctrica. III Relaciones volumétricas y gravimétricas. 3.1. Fases de un suelo. 3.1.1 Fase sólida 3.1.2 Fase líquida. 3.1.3 Fase gaseosa. 3.2 relaciones fundamentales de las propiedades mecánicas de los suelos. 3.2.1 Relación de vacíos. 3.2.2 Porosidad. 3.2.3 Grado de saturación. 3.2.4 Contenido de agua. 3.3. Formulas para determinar relaciones volumétricas y gravimétricas de suelos saturados y parcialmente saturados. 3.4 Determinación en el laboratorio del peso especifico relativo de sólidos. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 3 IV Granulometría 4.1. Análisis granulométrico mecánico. 4.2. Determinación de los coeficientes de uniformidad y de curvatura. 4.3 Análisis de sedimentación, método del hidrómetro. V Plasticidad 5.1. Estados y límites de consistencia de los suelos. 5.2. Determinación en el laboratorio de los límites de consistencia. 5.2.1. Límite líquido. 5.2.2. Límite plástico. 5.2.3. límite de contracción. 5.3 Carta de plasticidad de los suelos. VI Clasificación e identificación de suelos. 6.1. Sistemas de clasificación de suelos. 6.2 Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS). 6.3. Sistema AASHTO. VII Propiedades hidráulicas de los suelos. 7.1. Flujo laminar y turbulento. 7.2. Ley de Darcy y coeficiente de permeabilidad. 7.3. Métodos para medir el coeficiente de permeabilidad. 7.3.1. Métodos directos. a) Permeámetro de carga constante. b) Permeámetro de carga variable. 7.3.2. Métodos indirectos. a) A partir del análisis granulométrico. 7.4 Factores que influyen en la permeabilidad de los suelos. 7.4.1. Relación de vacíos. 7.4.2. Temperatura. 7.4.3. Estructura y estratificación. 7.4.4. existencia de agujeros y fisuras. VIII Consolidación. 8.1.Distribución de presiones, efectivas, neutras y totales. 8.2. Teoría de consolidación (analogía mecánica de Terzagui). 8.3. Prueba de consolidación unidimensional. 8.4. Factores que influyen en el tiempo de consolidación. 8.5. Determinación del 0%, 50% y 100% de consolidación primaria en una curva de consolidación, aplicando el método del Dr. Casagrande. 8.6. Determinación de la carga de preconsolidación en una curva de compresibilidad, aplicando el método del Dr. Casagrande. 8.7. Consolidación primaria en un estrato arcilloso y determinación de los coeficientes de compresibilidad, variación volumétrica unitaria, consolidación, permeabilidad y factor tiempo, necesarios para el análisis de asentamientos. IX Resistencia al esfuezo cortante. 9.1. Estados de esfuerzos y deformaciones planas. 9.2. Circulo de Mohr. 9.3. Relaciones de esfuerzos principales. 9.4. Pruebas de laboratorio para determinar la resistencia al esfuerzo cortante. 9.5.1. prueba de compresión simple. 9.5.2. Prueba de corte directo. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 4 9.5.3. Prueba UU (no consolidad, no drenada) 9.5.4. Prueba CU (Consolidada, no drenada) 9.5.5. Prueba CD (consolidada, drenada) 9.5. Pruebas de campo para determinar la resistencia al esfuerzo cortante. 9.6.1. Prueba de la veleta. 9.6.2. Prueba con torquímetro. 9.6.3. Prueba con penetrómetro. 9.7. Resistencia al esfuerzo cortante en suelos friccionantes 9.7.1 Relación de vacíos crítica y licuación de arenas. X Mejoramiento mecánico de los suelos. 10.1. Determinación de pozos volumétricos para de campo, para los métodos de: 10.1.1. Cono de arena. 10.1.2. Balón de densidad. 10.1.3. Empleando aceite. 10.2. Pruebas de compactación en el laboratorio. 10.2.1. Prueba AASHTO estándar. 10.2.2. Prueba AASHTO modificada. 10.2.3. Prueba Porter. 10.3. Factores que intervienen en el proceso de compactación. 10.3.1. Contenido de agua. 10.3.2. Energía de compactación. 10.3.3. La recompactación. 10.3.4. La temperatura. 10.3.5. La velocidad de recompactación. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 5 INTRODUCCIÓN. Karl Terzagui, reconocido universalmente como el Padre de la Mecánica de Suelos, nació en Praga el 2 de octubre de 1883, y murió el 25 de octubre de 1963, en Winchester Massachussets. Su carrera profesional la dedico a la búsqueda del método racional, para bordar los problemas de la ingeniería de suelos y cimentaciones . Sus esfuerzos se vieron coronados, con la publicación en 1925, de su famoso libro Erdbaumechanik, la cual se considera en la actualidad como el nacimiento de la Mecánica de Suelos. En su trabajo práctico, el Ingeniero Civil, enfrenta diferentes problemas en los terrenos, sobre los cuales tiene la necesidad de construir estructuras. Por ello, en estos apuntes, se intenta enunciar en forma clara los principios fundamentales de las propiedades mecánicas de los suelos, como una forma teórica, la cual se complementa con pruebas de laboratorio, que en su conjunto serán una herramienta en la introducción a la Mecánica de Suelos para los alumnos de la carrera de Ingeniería civil. Estos apuntes, se deben de considerar como tal, como las notas que debe escribir un alumno que cursa la materia de Mecánica de Suelos I. En cada uno de los temas se realizó un resumen, de tal manera que los apuntes tengan un alcance muy limitativo, con respecto al conocimiento de la Mecánica de Suelos como ciencia. Ya que únicamente abarca los fundamentos mas importantes de esta ciencia y con el intento de emplear un nivel descriptivo que sea de fácil comprensión para el alumno. El contenido del curso, esta basado en el programa de la materia, autorizado en la curricula de la institución, sin embargo se han realizado algunos cambios con fundamento en la aplicación práctica de la Mecánica de Suelos. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 6 UNIDAD I INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA DE SUELOS. 1.1 Origen y formación de suelos Los suelos son producidos por el intemperismo y la erosión de las rocas, los cuales pueden ser residuales o transportados, los primeros, son aquellos que se localizan junto a la roca que le dio origen y los transportados, se consideran aquellos que son localizados lejos de las rocas que le dan origen, siendo el medio de transporte: el agua, el viento, los glaciares, los animales o la gravedad. Los suelos por consecuencia son agregados pétreos que tienen una composición mineral idéntica a la roca que le dio origen, con la diferencia de que los suelos son partículas con un tamaño máximo de tres pulgadas (7.5 cm). Las partículas con tamaño mayor se consideran fragmentos de roca como se identifica en la siguiente tabla TAMAÑO DENOMINACIÓN Mayores de 2.0 mts. Macizo rocoso De 70.0 cm a 2.0 mts. Fragmentos grandes de roca. De 20.0 cm a 70.0 cm Fragmentos medianos de roca . De 3” a 20.0 cm. Fragmentos chicos de roca No. 4 a 3” Suelos gruesos (Grava). No. 200 a No.4 Suelos gruesos (Arenas) Pasa la malla No. 200 Suelos finos 1.2. Factores geológicos que influyen en las propiedades de los suelos Naturaleza de la formación del suelo. El globo terrestre, esta formado en su parte interna por una núcleo, el cual esta constituido por compuestos predominantes de hierro y níquel, un magma fluido rodea al núcleo y envolviendo al magma, se encuentra la corteza terrestre, formada sobre todo por silicatos, esta capa tiene un espesor de 30 a 40 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 7 kilómetros, en las plataformas continentales esta constituida por grandes masas heterogéneas con depresiones ocupadas por los mares y océanos. Sobre yaciendo a la corteza terrestre, existe una pequeña capa, formada por la desintegración y descomposición de los últimos niveles; esta pequeña capa del planeta es el suelo, del cual se trata a Mecánica de Suelos. El suelo es un conjunto de partículas orgánicas e inorgánicas, con una organización definida y propiedades que varían vectorialmente. En la dirección vertical, las propiedades varían mucho mas rápido que en el sentido horizontal. Existen diferentes definiciones de suelo, según sea la utilidad del mismo, por ejemplo, para los agrónomos tiene un significado, para los geólogos tiene otro significado, pero para fines de la Mecánica de Suelos, diremos que “Suelo”, es todo tipo de material terroso que tiene un tamaño menor a tres pulgadas. La corteza terrestre, es atacada principalmente por el aire y el agua, todos los mecanismos de ataque pueden incluirse en dos grupos ; desintegración física y descomposición química. La desintegración mecánica, se refiere la intemperización de las rocas por agentes físicos, tales como cambios periódicos de temperatura, acción de congelación del agua en juntas y grietas de las rocas, efectos de organismos, plantas, etc. Por estos fenómenos, las rocas llegan a formar arenas, limos y solo en casos especiales arcillas. La descomposición química, es la acción de agentes que atacan a las rocas modificando su composición mineralógica o química. El agente mas importante, es desde luego el agua y los mecanismos de ataque mas importantes son: la oxidación, la hidratación, la carbonatación y efectos químicos de la vegetación. Estos mecanismos generalmente producen arcillas como producto último de descomposición. Los suelos deben su origen a una variedad de causas que excede todo poder de descripción detallada. El resultado de estas causas, es una inmensa diversidad de suelos resultantes. De acuerdo al lugar de origen de los suelos, estos se clasifican en suelos residuales y suelos transportados. Los suelos residuales, son aquellos que se localizan en el lugar directamente sobre la roca de la cual se derivan. Los suelos transportados, son removidos del lugar de formación, por los mismos agentes geológicos y redepositarlos en otra zona, existiendo en la naturaleza numerosos agentes de transporte, como los glaciares, el viento, los ríos, corrientes de agua superficial, los mares y las fuerzas de gravedad. En general un suelo transportado, queda descrito por un perfil estratigráfico, que resalta la secuencia de su colocación y el espesor de sus estratos. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 8 Deformación del suelo. El suelo como sistema de partículas. Si examinamos un puñado de arena de playa, se advierte a simple vista que el suelo se compone de granos independientes, lo mismo sucede en todos los suelos, aunque muchas partículas son tan pequeñas que se requiere de técnicas microscópicas para distinguirlas. Un recipiente lleno de suelo seco junto con un pistón, con el cual se le aplicará una carga vertical, aumentando la escala de esta sección, hasta poder ver las partículas indivisibles, podemos imaginar la carga transmitida a través del suelo que genera fuerzas de contacto sobre las partículas del suelo, las cuales se pueden descomponer en normales N y tangenciales T a la superficie de contacto. Las partículas individuales, se deforman como resultado de estas fuerzas de contacto, pudiendo ser esta deformación del tipo elástica o plástica (dependiendo de su naturaleza mineralógica), la fractura y la deformación, en ciertos casos puede ser importante. Estas deformaciones producen un aumento en el área de contacto entre partículas, permitiendo así la aproximación de los centros de gravedad de las partículas, en el caso de partículas de forma alargada (lajeada), se produce una flexión y un desplazamiento en las partículas adyacentes, por lo tanto la deformación general de la masa del suelo es en parte el resultado de las deformaciones individuales. Transmisión de fuerzas a través del suelo MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 9 Causas del movimiento rotativo entre partículas del suelo En suelos granulares, la deformación es producida por el aplastamiento de partículas, por la deflexión de las mismas y por el movimiento relativo entre ellas (acomodo), por lo que no existe una deformación total y por lo tanto no se puede hablar de una relación de esfuerzo deformación, por eso los suelos granulares compactos, reducen sus espacios para disminuir el desplazamiento y flexión de sus partículas. Comportamiento de la fase intersticial Interacción química. Los espacios que quedan entre las partículas de un suelo, se denominan vacíos, huecos, poros, o intersticios, estos suelen estar ocupados por aire o por agua (con o sin materiales disueltos), así pues el suelo es un sistema formado por una face mineral, denominada esqueleto mineral, mas una fase fluida o fluido intersticial. Dicho fluido influye al deslizamiento entre dos partículas, según la MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 10 naturaleza química de los minerales que formen las partículas del suelo. En partículas muy pequeñas al aplicar una carga se juntan las partículas por la disminución de la face intersticial, encontrando una nueva causa que influye en la deformación total y a esta interacción entre fases, se le denomina interacción química. Partículas de líquido rodeando partículas de suelo Interacción física. Volvamos al recipiente con suelo, pero ahora sus espacios están ocupados totalmente por agua, es lo que se denomina un suelo saturado. En primer lugar, supongamos que la presión del agua es hidrostática, es decir que la presión en los poros en cualquier punto, es igual al peso específico del agua, por la profundidad del punto considerado bajo la superficie del agua, en este caso, no habrá circulación o flujo del agua. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 11 Interacción física, entre las fases mineral e intersticial, a). hidrostático, el agua no circula, b). Pequeño flujo de agua, c). sifonamiento o ebullición. Suponiendo ahora, que aumenta la presión del agua, mientras el nivel del recipiente se mantiene constante por medio de un rebosadero, en este caso existirá un flujo constante de agua y el caudal del líquido que fluya, estará en función de la sobrepresión aplicada al fondo del recipiente, generando una propiedad en el suelo denominada como permeabilidad. Si la subpresión del agua aumenta, se alcanzará una presión para la cual la arena hierve bajo el flujo ascencional del agua, se dice que ha alcanzado el estado de ebullición o sifonamiento, evidentemente a existido una interacción física entre el esqueleto mineral y el agua intersticial. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 12 El agua puede circular a través del suelo, ejerciendo un efecto sobre el esqueleto mineral que modifica la magnitud de las fuerzas en los puntos de contacto entre partículas e influye sobre la resistencia del suelo a la compresión y al esfuerzo cortante. SUELOS GRUESOS Propiedades de los suelos gruesos. Los suelos gruesos definen su resistencia al esfuerzo cortante en función de dos propiedades, las cuales se consideran las mas importantes y las cuales son la Orientación de las Partículas y la Composición Granulométrica. 1.- Composición Granulométrica. La sucesión de tamaños que presentan los suelos gruesos es de vital importancia para definir el comportamiento de los mismos, esto se refiere a la cantidad de tamaños de sus partículas que lo componen. Un material que contiene una cantidad igual en todos sus tamaños, se dice que tiene una buena composición granulométrica, y por consecuencia una mejor resistencia al cortante. Por otro lado, un suelo grueso que presenta una cantidad mucho mayor de un solo tamaño de partículas o de la carencia de otros tamaños, se dice que presenta una mala composición granulométrica, y una mala resistencia al cortante. Para que los materiales pétreos sean considerados con una buena composición granulométrica, se rrquiere que su curva granulométrica quede comprendida dentro de los límites establecidos en las zonas de especificación general, para cada uno de los materiales en particular. 2.- Orientación de las particulas. Un suelo grueso debe tener una buena orientación de sun particulas para tener una buena resistencia al esfuerzo cortante. Cuando las particulas de un suelo grueso presentan angulos en su perimetro, se dice que entre mas angúlos forme en su periferia, mejor orientación tiene la particula. Por el contrario se dice que la partícula de un suelo entre mas redondeada este presenta una peor orientación de sus particulas. Partícula de un agregado que forma varios ángulos en su periferia y con una buena orientación de sus partículas.( Esta propiedad la genera el tratamiento de trituración de los agregados) MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 13 Comparación entre partícula triturada y redondeada SUELOS FINOS 1.3 Características y estructuración de los suelos. Minerales constitutivos de los suelos gruesos. Un mineral, es una sustancia inorgánica y natural, que tiene una estructura interna característica determinada por un cierto arreglo específico de sus átomos e iones. Sus propiedades físicas para identificarlos, son el color, el lustre, la tonalidad de sus raspaduras, la forma de cristalización, la dureza, la forma de su fractura y disposición de sus planos crucero, la tenacidad, la capacidad para permitir los rallos de luz y la densidad relativa. En los suelos formados por partículas gruesas, los minerales predominantes son:  Silicatos  Feldespatos de potasio, sodio o calcio.  Micas.  Olivino.  Serpentina.  Etc. Óxidos, cuyos exponentes son:  El cuarzo (SiO2).  La limonita.  La magnetita.  El corindon. Carbonatos, entre los que destacan:  La calcita  La dolomita. Y sulfatos, cuyos principales representantes son:  La anhidrita.  El yeso. Minerales constitutivos de las arcillas. Los silicatos, se encuentran en las rocas ígneas y metamórficas y los agentes de descomposición química dan origen a las arcillas. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 14 La constitución mineralógica de las arcillas, influye en forma directa sobre su comportamiento mecánico, estas están constituidas en su mayoría por silicatos de aluminio hidratados, presentando además, en algunas ocasiones, silicatos de magnesio, hierro u otros metales también hidratados Estos minerales tienen casi siempre una estructura cristalina definida, cuyos átomos se disponen en laminas. Existiendo dos variedades de tales láminas: la sílica y la alumínica. La sílica, esta formada por un átomo de silicio, rodeado de cuatro de oxigeno, disponiéndose en forma de tetraedro, los cuales se agrupan en unidades hexagonales, sirviendo un átomo de oxigeno entre cada dos tetraedros Esquema de una estructura de lamina sílica PROPIEDADES DE LOS MINERALES SUBDIVISIÓN QUIMICA NOMBRE COLOR DUREZA FRACTURA Y TENACIDAD BRILLO RAYA FORMA CRISTALINA PESO ESPECIFICO SILICATOS CLORITA VERDE 2 -2.5 NO ELÁSTICA, LAMINAR PERLADO VERDE PÁLIDA A BLANCA MONOCLINICA 2.7 FELDESPATO INCOLORO O BLANCO, ROJIZO, AMARILLENTO (SI ES IMPURO) 6 DESIGUAL, QUEBRADIZO VITREO CON EXFOLIACIÓN PERLADA BLANCA MONOCLINICA O TRICLINICA 2.54 A 2.76 CAOLINITA BLANCO, TONOS DE AMARILLOA PARDO 1.5 - 2 REQUIEREN MICROSCOPIO PARA SU IDENTIFICACIÓN MONOCLÑINICA MICAS BLANCO (MOSCOBITA), NEGRO (BIOLITA), COLORACIONES IMPURAS 2 – 3 FLEXIBLES , ELASTICAS VITREO O SEDOSO MONOCLINICA A MENUDO COMO TABLILLAS APLASTADAS DE 6 LADOS 2.76 – 3.2 OLIVINA 6.5 – 7 VITREO ES COMUN EN LAS ROCAS OBSCURAS PIROXENOS BLANCO, VERDE, NEGRO 5 – 7 QUEBRADIZOS VITREO APERLADO BLANCA A GRIS VERDE MONOCLINICA 3.2 – 3.6 TALCO BLANCO A BLANCO VERDOSO 1BLANDO, TACTO UNTUOSO COMO JABON PLATEADO A GRASO VITREO A APERLADO BLANCA A BLANCA DERDOSA MONOCLINICA MONOCLINICA 2.7 – 2.8 SERPENTINA VERDOSO EN VARIOS TONOS 2 – 5 A MENUDO FIBROSA A COMPACTA. LAMINAR GRASO COMPACTO MONOCLINICA 2.2 – 2.7 ZEOLITAS 2.5 – 5.5 VITREO INCOLORA A BLANCA 2.0 A 2.4 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 15 OXIDOS CORINDON TONALIDADES DE GRIS A AZUL 9 QUEBRADIZO A TENAZ DIAMANTINO, VITREO A APAGADO Y GRASO HEXAGONAL 4 HEMATITES GRIS A NEGRO 5.5 – 6.5 LAMINAR METALICO APAGADO ROJA HEXAGONAL ROMBOÉDRICA 5.2 ILMENITA ROJIZO A NEGRO PARDUSCO 5 – 6 CONCOIDEA QUEBRADIZA SUBMETALICO NEGRA A ROJA PARDOSCA HEXAGONAL 4.5 - 5 LIMONITA PARDO A PARDO AMARILLENTO 5.5 – 6 APAGADO A SUBMETÁLICO PARDO AMARILLENTA AMORFA, MASAS TERROSAS 3.6 – 4 MAGNETITA GRIS OSCURO A NEGRO 5.5 – 6.5 QUEBRADIZA EXFOLIACIÓN POBRE METÁLICO ISOMETRICA 5.2 CUARZO BLANCO, GRIS, NEGRO, ROSA 7 CONCOIDEA, DESIGUAL, ASTILLOSA, QUEBRADIZO A TENAZ ACEITOSO A VITREO BLANCA HEXAGONAL 2.65 CARBONATOS CALCITA INCOLORO O BLANCO, PERO PUEDE ESTAR MANCHADO 3 VITREO Y APAGADO SI ES COMPACTO INCOLORA O BLANCA ROMBOHEDRICA 2.71 DOLOMÍA BLANCO A MULTICOLOR 3.5 – 4 VITREO A A PERLADO APAGADO ROMBOÉDRICA (RARA EN FORMA DE CRISTAL) 2.8 – 2.9 SULFATOS ANHIDRITA BLANCO PERO AVECES MANCHADO 3 – 3.5 HOJOSO, CONCOIDEA PERLADO, VITREO APAGADO – COMPACTO MAS FRECUENTEMENTE DE GRANULAR A MASAS COMPACTAS 2.95 YESO INCOLORO A BLANCO, PUEDE TEÑIRSE DE VARIOS COLORES 1.5 – 2 VITREO, BLANCO APERLADO, FIBROSO SATINADO. APAGADO COMPACTO MONOCLINICA 2.32 Dureza. La dureza de un mineral se expresa por el número, que le corresponde por la comparación con la escala de Mohs. ESCALA MOHS DE DUREZA TALCO 1 Marca los tejidos YESO 2 Puede ser arañado por la uña. CALCITA 3 Puede ser rayado por una moneda de cobre. FLUORITA 4 APATITO 5 Puede ser rayado por una navaja. ORTOSA 6 Araña los cristales de una ventana. CUARZO 7 No se deja rayar por una lima de acero. TOPACIO 8 CORINDON 9 Raya la mayor parte de los metales, pero no al diamante. DIAMANTE 10 Raya cualquier material pero no al diamante. Crucero. Si un mineral se golpea con un objeto agudo, se rompe a lo largo de un determinado plano (plano crucero), el cual es paralelo a la cara del cristal, por lo general la cara del crucero constituye una superficie perfectamente lisa que parece estar pulida. Algunos minerales ofrecen lo que se llama crucero duro o difícil, el cual solo se puede determinar con la ayuda de un microscopio. Fractura. La fractura de un mineral, se puede lograr mediante un golpe seco, los tipos de fractura, se denominan: Concoidal:- Semejante a una superficie suave, c{oncava o convexa. Desigual.- Superficie áspera irregular, con salientes angulosas y redondeadas. Astilloza.- Forma astillas en su superficie. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 16 Mellada.- Superficie irregular, que asemeja la extremidad de una varilla de acero rota por compresión. Tenacidad. La tenacidad, es la capacidad que presenta un mineral, para resistir aplastamiento, desgarre o flexión, a este respecto, los minerales suelen clasificarse como sigue: Quebradizos.- Saltan en fragmentos y son fáciles de pulverizar. Maleables.- Pueden trabajarse con martillo, hasta reducirlos a laminas delgadas. Sectil.- Que puede cortarse en capas delgadas con una navaja. Dúctil.- Susceptible a ser estirado en forma de hilo. Flexible.- (Inelástico) Puede ser doblado pero no recupera su forma original. Elástico.- Que puede doblarse, pero vuelve a su forma original cuando cesa la acción de la fuerza. Forma cristalina. Excepto los minerales amorfos ( que no tienen forma definida), todos los demas tienen la forma de un cristal, limitado por varias o muchas caras. Peso específico o densidad. El peso especifico de un mineral, es la relación existente entre la masa de un volumen de agua a la temperatura de 4°C. Brillo. La mayor parte de los minerales ofrecen cierta apariencia característica (brillo) a la luz reflejada, el brillo puede ser metálico, submetálico o no metálico. Los brillos no metálicos, pueden dividirse como: Vítreo.- Con apariencia de vidrio. Grasos.- Con aspecto graso o aceitoso. Diamantino.- Con un brillo seco, tan característico de los diamantes. Perlado.- Con el aspecto característico(iridiscente) de las perlas. Sedoso.- Muy semejante al matiz de la seda. Resinoso.- Con aspecto de resina. Capacidad de transmisión de la luz (Diafaneidad). Los minerales de acuerdo a su capacidad de transmisión de la luz, se dividen en: Transparente.- Si a su través, se pueden ver claramente objetos. Translúcido.- Si transmite la luz, pero no permite ver los objetos a su través. Opaco.- Si la luz no se transmite a través del mineral o de sus aristas mas finas. Práctica de laboratorio, en la cual se identificarán las propiedades de los minerales componentes de una roca o suelo y la clasificación del mismo. Material: Una lima de acero. Una lupa. Una navaja de acero. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 17 Parafina. Los suelos finos, los cuales están constituidos por limos, turbas y arcillas, tienen propiedades mecanicas que definen su comportamiento, las cuales son estudiadas por la Mecánica de Suelos. 1.- Estructura. Los elementos principales de la naturaleza que forman los minerales arcillosos, son el Aluminio con una carga positiva de 3, el Silicio con una carga positiva de 4 y el Magnesio con una carga positiva de 2. Estos elementos al combinarse, forman a los minerales arcillosos como; la Motmorilonita que tiene una alta capacidad para absorber agua; la ilita que presenta una capacidad media para absorber agua y la Caolinita que tiene una capacidad baja para absorber agua. Esta capacidad de absorción, se debe al tipo de elemento que los constituye, ya que los elementos con mayor valencia positiva, tienen mas uniones con los iones negativos del agua y por ende una mayor capacidad de absorber agua. Dependiendo de la cantidad y combinación de elementos para formar un mineral de arcilla (Cristales o laminas), Estos tienen diferente capacidad de enlazarse con el hidroxido (Ionizarse), lo que produce que dichas laminas poséan cargas electricas con diferente intensidad, lo que genera diferentes estructuras en las arcillas como las siguientes:  Floculenta  Panaloide  Castillo de naipes  Dispersa  Compuestas, Etc. Por lo tanto se denomina como estructura al arreglo o desposición que adopten sus particulas minerales. 1.3.1 Tipos de estructuras de las arcillas. a) Estructura Simple Es aquella que se produce cuando las fuerzas de gravedad son predominantes en la disposición de las partículas, es por lo tanto una disposición típica de los suelos de granos gruesos como las gravas y arenas. Las partículas se disponen apoyándose directamente unas sobre otras y cada partícula posee varios puntos de apoyo. Desde el punto de vista ingeniería, su comportamiento mecánico queda definido por su compacidad y por la orientación de las partículas. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 18 Compacidad de un conjunto de esferas Para medir la compacidad de un suelo de estructura simple, Terzaghi propuso la relación empírica, determinable en el laboratorio, llamada compacidad relativa. Cr (%) = e máx. - e nat.. e máx. - e mín. e max = Relación de vacíos correspondiente al estado mas suelto del suelo. e mín. = Relación de vacíos correspondiente al estado mas compacto del suelo. e nat. = Relación de vacios del suelo en estado natural. b).Estructura Panaloide Esta estructura se considera típica en suelos de partículas pequeñas (0.02 mm de diámetro o algo menores), en estas partículas la gravedad ejerce un efecto que hace que tiendan a sedimentarse en un medio continuo acuoso. Pero dada su pequeña masa, las partículas en el proceso de sedimentación, son atraídas por otras partículas de su tamaño similar, ahora otras partículas se van añadiendo, formando celdas con una cantidad importante de vacíos formando panales al llegar a su recorrido de sedimentación. Estructura panaloide MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 19 c) Floculenta Cuando en el proceso de sedimentación, dos partículas menores de 0.02 mm llegan a tocarse, se adhieren con fuerza y se sedimentan juntas; así otras partículas pueden unirse al grupo, formando un grumo, con estructura similar a un panal. El mecanismo anterior es una estructura muy blanda y suelta, llamada floculenta. Esta estructura es similar a la panaloide, pero sus cadenas de partículas son dobles. Estructura floculenta d) Compuesta Las estructuras anteriores, rara vez se presentan puras en la naturaleza, pues la sedimentación comprende todo tipo de tamaños y tipos, formando esqueletos de granos gruesos y pequeños, que forman nexos entre ellos, que permiten la sedimentación de particulas gruesas y finas simultáneamente, esto ocurre frecuentemente en el agua de mar o lagos con contenido de sales apreciable donde el efecto floculante de las sales es generada por el viento y las corrientes de agua. Estructura compuesta MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 20 e) Castillo de naipes. Goldschmidt y Lambe, proponen una interpretación diferente para los floculos de la estructura, ya que las partículas de las arcillas, son laminas con diferente intensidad de carga y magnitud en la superficie como en las aristas, por ello las partículas tienen un acomodo parecido a un castillo de naipes o floculada. Estructura castillo de naipes f) Dispersa Algunos autores coinciden en que la estructura de los flóculos de las arcillas, pueden separarse y orientarse, debido a las presiones osmóticas que son generadas y eliminadas por el incremento o perdida de agua en el suelo, lo que concluye que el agua con la carga de sus iones, orienta a las laminas de arcilla en sus aristas. Estructura dispersa MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 21 1.4. Clasificación de las arcillas, en base a su estabilidad. 1.4.1 Arcillas caolinitas Las arcillas caolinitas (Al2O3. 2SiO2. 2H2Oo), están formadas por una lamina sílica y otra alumínica, que se superponen indefinidamente. La unión entre todas las retículas, es lo suficientemente firme, para no permitir la penetración de moléculas de agua entre ellas (adsorción). En consecuencia las arcillas caoliníticas serán relativamente estables en presencia del agua. 1.4.2 Arcillas ilitas Las ilítas [(OH)4 Ky ((Si8-y Aly) (Al4 Fe4 Mg4 Mg6)O20por lo general están estructuradas análogamente que las motmorilonitas, pero su constitución interna manifiesta tendencia a formar grumos de materia, que reducen el área expuesta al agua, por unidad de volumen; por ello, su expansividad es menor que la de las motmorilonitas, y en general, las arcillas ilítas, se comportan en forma mas favorable para el ingeniero. 1..4.3 Arcillas motmorilonitas. Las motmorilonitas [ (OH)4 Si8 Al4 O20 nH2O], están formadas por una lámina alumínica entre dos silícicas, superponiéndose, indefinidamente. En este caso la unión de las retículas del mineral es débil, por lo que las moléculas de agua, pueden introducirse en la estructura con mayor facilidad, a causa de las fuerzas eléctricas, generadas por su naturaleza bipolar. Lo anterior produce un incremento en el volumen de los cristales, lo que se traduce macrofisicamente en una expansión. Las arcillas motmorilonitas , especialmente en presencia de agua, presentarán fuerte tendencia a la estabilidad. Las bentonitas, son arcillas del grupo de las motmorilonitas, originadas por la descomposición química de las cenizas volcánicas, y presentan la expansividad típica del grupo en forma particularmente aguda, lo que las hace sumamente críticas en su comportamiento mecánico. Físico - química de las arcillas. La forma de las laminas o tambien denominados como “coloides” de una arcilla, son de forma aplastada, que en dos de sus dimenciones son incomparablemente mayores que las otras dos dimenciónes o espesor de la lamina, lo que genera una relacion entre el área de su superficie con el peso de las laminas (Superficie especifica), alcanzando valores de consideración, que generan fuerzas electromagneticas desarrolladas en la superficie de los compuestos minerales, esta propiedad se conoce como la “Físico Química de las Arcillas”. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 22 Las laminas de arcilla poseen cargas negativas en las partes planas y cargas electricas positivas en sus aristas y la intensidad de dichas cargas, depende de la estructuración y composición mineral de la arcilla. La parte las plana de la arcilla posee cargas negativas que atraen los iones positivos del agua que les rodea H+, y a cationes de diferentes elementos quimicos como Na+, K+, Ca++, Mg++, Al++ Fe+++, Etc. Esto genera que cada partícula de arcilla se ve rodeada de una estructura denominada “agua adsorbida”, esta agua solo se puede retirar de la arcilla elevando su temperatura a cuando menos 600°C. El agua adsorbida y el enlace cationico con otros elementos, genera fuerzas de atracción y de repulsión conocidas como “Fuerzas de Van Der Waals”. ESQUEMA DE LA PRUEBA DE INMERSIÓN DEL GRUMO EN AGUA (Método Australiano) UNMERSIÓN EN AGUA DESTILADA, DEL GRUMO SECADO AL AIRE EL GRUMO NO SE AFLOJA EL GRUMO SE AFLOJA Y SE DISGREGA PARCIALMENTE DISPERSIÓN TOTAL HALOS* (Motmorilonitas salinas, frecuentemente también carbonatos) DISPERCIÓN PARCIAL HALOS* (Ilitas salinas) NO SE PRESENTA ESPANSIÓN, (Suelos orgánicos) NOSE PRESENTA EXPANSIÓN, (Arcilla laterítica) SE TOMAN GRUMOS INALTERADOS HUMEDOS, SE REMOLDEAN LIGERAMENTE Y SE SUMERGEN EN AGUA. SE PRESENTA DISPERSIÓN (Ilitas) NO SE PRESENTA DISPERSIÓN PRESENCIA DE CARBONATO Y YESO** (Ilita ca/Mg, motmorilonita ca/Mg) AUSENCIA DE CARBONATOS Y YESO, SE AGITA VIGOROSAMENTE SE PRESENTA DISPERCIÓN (Ilitas) NO SE PRESENTA DISPERCIÓN (Caolinita) MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 23 * .- La dispersión se detecta mediante la formación de halos nebulosos finos alrededor de cada grumo, fácilmente visibles contra un fondo oscuro, mientras mas pronunciado sean los halos, mas más alta será la dispersión. El asentamiento del suelo en el líquido que permanece claro durante menos de 10 minutos será un signo de la ausencia de dispersión. ** .- Si no se reconoce fácilmente la presencia de carbonatos, esta se puede verificar mediante la efervescencia del suelo al colocar una gota de acido en este. ( El acido de una batería puede ser suficiente). UNIDAD II EXPLORACIÓN Y MUESTREO. Para obtener unos resultados confiables en el laboratorio de Mecánica de suelos, es importante realizar en forma adecuada la etapa anterior e imprescindible referente a la obtención de las muestras de suelo que las propiedades naturales intactas para su análisis en el laboratorio. 2.1 Métodos de sondeos. Los tipos de sondeos que se emplean con mayor frecuencia en la Mecánica de Suelos, para fines de muestreo y reconocimiento del subsuelo, en general se engloban en dos tipos: Preliminares , definitivos y geofísicos. 2.1.1 Métodos de sondeos preliminares. 1. Pozos a Cielo Abierto, con muestreo alterado o inalterado. 2. Perforaciones con posteadora, barrenos helicoidales o métodos similares. 3. Métodos de lavado. 4. Métodos de Penetración Estándar. 5. Método de Penetración Cónica. 6. Perforaciones en boleos y gravas con barretones. 2.1.2 Métodos de sondeos definitivos. 1. Pozos a Cielo Abierto, con muestreo o inalterado. 2. Métodos con tubos de pared delgada. 3. Métodos rotatorios para rocas. 2.1.3. Métodos geofísicos. 1. Sísmico. 2. De resistencia eléctrica. 3. Magnético y gravimétrico. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 24 2.1.1 Pozo a cielo abierto con muestreo alterado e inalterado. Este es el método mas adecuado para conocer las condiciones del subsuelo, el cual consiste en excavar en pozo de dimensiones suficientes para que el personal técnico pueda trabajar y examinar los diferentes estratos del suelo en su estado natural, así como darse cuenta de las condiciones precisas referentes al agua contenida en el suelo. Desafortunadamente, este tipo de sondeo no puede llevarse a grandes profundidades, por el flujo de agua bajo el nivel freático, además se encárese mucho cuando sean necesarios ademes y se requiera demasiado traspaleo a causa de la profundidad. En estos pozos, se pueden tomar muestras alteradas e inalteradas, de los diferentes estratos que se hayan encontrado. Las muestras alteradas, son porciones de suelo que se protegerán contra perdidas de humedad empaquetadas en sacos de lona. Las muestras inalteradas son extraídas mediante el labrado de la misma en la pared o en el piso de la excavación, la muestra debe protegerse contra perdidas de humedad, envolviéndola, en una o varias capas de manta debidamente impermeabilizada con brea y parafina, manteniendo siempre su posición vertical y horizontal de acuerdo a la posición original del suelo. Pozo a cielo abierto 2.2.2 perforación con posteadora y Barrenos helicoidales. En estos sondeos, la muestra es completamente alterada, pero es representativa del suelo con respecto a su humedad. La perforación se realiza, haciendo girar ya sea el barreno o la posteadora, siendo mas adecuado una herramienta mas serrada para suelos arenosos y una mas abierta para suelos arcillosos, el mas utilizado en México es la posteadora, que se hace penetrar en el suelo mediante MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 25 un giro sobre el maneral, adaptando el extremo superior de la tubería de perforación. Posteadora En el caso de arenas colocadas bajo el nivel freático, es necesario el empleo de cucharas muestreadotas para extraer el suelo. Cuchara muestreadora 2.2.3 Método de lavado. Este método es económico y rápido para conocer la estratigrafía del suelo, aun cundo se pueden tener errores hasta de 1.0 metro para definir la frontera de los estratos, también puede ser auxiliar de otros métodos par avances más rápido Las MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 26 muestras obtenidas por este método, son tan alteradas que no se deben analizar en el laboratorio. La perforación, se lleva acabo con un contrapeso de 150 kg. suspendido sobre un trípode, por una polea, cuya función es hincar el tubo que sirve de ademe para inyectar un chorro de agua, el cual desestabiliza el suelo y sale con el agua en el espacio entre el tubo y el ademe. Dispositivo para el sondeo por lavado 2.2.4 Penetración estándar. De los métodos anteriores, este es el que más información nos brinda con respecto al subsuelo, siendo el mayormente empleado en México. En suelos friccionantes, permite conocer la compacidad de los estratos, en suelos plásticos permite darse una idea de la resistencia a la compresión, además el método lleva implícito el muestreo de muestras alteradas representativas del suelo. El equipo, consta de un muestreador o penetrómetro estándar, el cual se hace penetrar con un martinete de 63.5 kg (140 lb), que cae desde 76 cm. (30 plg.), contando el número de golpes necesario para lograr una penetración de 30.0 cm.(1 pie) El martinete es hueco y guiado por la tubería, es elevado por un cable que pasa por la polea del trípode, en cada avance de 60.0 cm debe retirarse el penetrómetro, removiendo el suelo de su interior el cual constituye la muestra. El fondo del pozo debe ser limpiadote manera cuidadosa usando posteadora o cuchara muestreadota, seguidamente, a golpes se hace que el penetrómetro entre MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 27 15 cm dentro del suelo. Desde ese momento deben contarse los golpes para lograr la penetración de los siguientes 30 cm, continuando con la penetración del muestreador en toda su longitud. Penetración estándar 2.2.5 Penetración cónica. Este método consiste en hacer penetrar una punta cónica en el suelo y medir la resistencia que el suelo ofrece, existen diversos tipos de conos. Dependiendo de la forma en que se hinquen los conos, estos pueden ser dinámicos o estáticos .En el caso de los estáticos, se hace penetrar el cono con un gato, en el cual se mide la presión requerida para la penetración, relacionando así la energía requerida con la resistencia del suelo a ser penetrado. En el caso de los dinámicos, el mas empleado es el que se penetra con el equipo de penetración estándar, con el mismo martinete y a la misma altura de caida. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 28 Penetrómetos cónicos a.- Tipo Danes b.- Tipo Holandes c. Tipo para ensaye dinámico d. Tipo de inyección 2.3. Sondeos definitivos. Estos métodos tienen por objetivo el emplearlos para extraer muestras inalteradas de los estratos del subsuelo, para determinar la compresibilidad y resistencia, además de obtener muestras de roca. Los métodos anteriormente vistos, se considerarán definitivos, cuando de ellos se extraigan las muestras requeridas para obtener la información deseada, pero si aun después de las exploraciones anteriores, se requiere de mayor información, se pueden realizar los siguientes métodos de exploración. 2.3.1 Pozo a cielo abierto con muestreo inalterado. Este método ya se describió anteriormente, pero se considerará definitivo si el especialista obtiene toda la información requerida con el sondeo realizado. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 29 2.3.2. Sondeo de tubo con pared delgada. Este método, es el mas adecuado para extraer muestras inalteradas o que conserven en lo mayor posible sus propiedades, el cual consiste en hincar un tubo con una presión estática (nunca a golpes), el cual con una velocidad adecuada envuelve al material dentro del tubo, el cual es sellado y extraído para su traslado en al laboratorio, este método es costoso y funciona únicamente en suelos blandos y finos. Muestreadotes de pared delgada a. Tipo Shelby b. B. De pistón c. Dispositivo de hincado por presión de un diferencial MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 30 2.3.3 Perforación rotatoria para rocas. Cuando el sondeo alcanza una capa de roca, con las herramientas antes descritas no pueden penetrar la roca, se requiere de maquinas rotatorias de penetración con brocas de diamante o de tipo cáliz. En las primeras, en el extremo de la tubería de perforación va colocado un muestreador especial, llamado corazón, en cuyo extremo inferior se acopla una broca de acero duro con incrustaciones de diamante industrial, que facilitan la perforación. En el tipo cáliz, los muestreadotes son de acero duro y la penetración se facilita por medio de municiones de acero que se echan a través de la tubería hueca hasta la perforación y que actúan como abrasivo En rocas muy fracturadas, se corre el riesgo de que las municiones se pierdan, estas se han construido con diámetros muy grandes, hasta para hacer perforaciones de tres metros, en estos casos la máquina penetra al suelo con la misma broca. Equipo para muestreo en roca a. Máquina perforadora b. Muestreador para broca de diamante c. Muestreador tipo cáliz d. Algunos tipos de brocas MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 31 2.4. Métodos geofísicos. Los métodos geofísicos, se emplean para determinar las variaciones en las características físicas de los estratos del subsuelo o de las rocas que subyacen a estratos sedimentarios, estos métodos se emplean en forma mas usual en la geología o la minería y en mucho menor escala en la Mecánica de Suelos. Para realizar investigaciones preliminares sobre estratos, los métodos son rápidos y abarcan grandes áreas, pero nunca proporcionan información suficiente para realizar proyectos de cimentaciones. A continuación, se describen los s métodos geofísicos que han resultado los más importantes: 2.4.1 Método sísmico. Este método se basa en la diferente velocidad de propagación de las hondas vibratorias de tipo sísmico a través de diferentes tipos de materiales, La velocidad de propagación para diferentes medios, varia de 150 a 200 m/seg , en rocas sanas, la velocidad fluctúa de 2000 a 8000 m/seg y el agua tiene una propagación de 1400 m/seg. El método consiste en provocar una explosión en un punto determinado del área a explorar usando una pequeña carga de explosivo, que generalmente es nitroamonio. En la zona por explorar, se colocan geófonos o registradores de ondas, separados entre si de 15 a 30 m. La función de los geófonos es captar la vibración que se transmite en forma aumentada a un oscilógrafo central, que marca varias líneas para cada geófono. Se realiza una gráfica en la cual se indica la distancia a la cual se coloca el geófono y el tiempo que tarda en recibir la señal, en la cual se puede identificar el cambio de material es el subsuelo y la correlación de que tipo de material se trata. Exploración geofísica, por el método sísmico MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 32 2.4.2. Método de resistividad eléctrica. Este método, se basa en el principio de que los suelos presentan diferente resistividad eléctrica, cuando una corriente es inducida a través del mismo. Su principal empleo es en la minería, pero en la Mecánica de Suelos se emplea para determinar la profundidad de los estratos de roca en el subsuelo. La resistividad eléctrica en el suelo, se mide colocando cuatro electrodos igualmente espaciado sen la superficie y alineados, los dos exteriores conectados en serie a una batería, que son los electrodos de corriente la cual es medida por un amperímetro, en tanto que los interiores son de potencial y están conectados a un potenciómetro que mide la diferencia de potencial de la corriente circulante. Los electrodos de corriente son varillas afiladas, mientras que los de potencial son recipientes porosos llenos de una solución de sulfato de cobre que al filtrarse al suelo garantiza un buen contacto eléctrico. Exploración geofísica por el método de resistividad eléctrica. Métodos Magnéticos y gravimétricos. Estos métodos en forma general funcionan con el principio de los métodos eléctricos, variando únicamente en el tipo de variable que se mida. En los Magnéticos, se mide el campo magnético terrestre de la zona que se trate, por medio de un magnetómetro. En el caso de los gravimétricos, se mide el campo gravitacional en diversos puntos de la zona a explorar. Estos métodos no han sido empleados con fines ingenieriles dentro de la Mecánica de Suelos. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 33 UNIDAD III RELACIONES VOLUMÉTRICAS Y GRAVIMÉTRICAS. 3.1. Fases de un suelo. En un suelo, se distinguen tres fases constituyentes, la sólida, líquida y gaseosa. 3.1.1 Fase sólida La fase sólida, esta constituida por las partículas minerales del suelo (incluyendo la capa sólida adsorbida). 3.1.2 Fase líquida. La fase líquida está formada por el agua libre que existe dentro del suelo, aunque pueden existir dentro del suelo, otros líquidos de menor importancia. 3.1.3 Fase gaseosa. La fase gaseosa comprende sobre todo el aire, si bien pueden estar presentes otros gases como (vapores, sulfuros, anhídrido, carbónico, etc.). La capa viscosa de agua adsorbida, presenta propiedades intermedias entre la fase líquida y sólida. Las fases líquidas y gaseosas del suelo, constituyen el volumen de vacíos, mientras los sólidos, constituyen el volumen de sólidos. Se dice que un suelo es totalmente saturado cuando todos los vacíos están ocupados por el agua, en tal caso el suelo consta solo de dos fases, una sólida y una líquida. Algunos suelos contienen además materia orgánica, en diversas formas y cantidades. En las turbas, estas materias predominan y consisten en residuos vegetales parcialmente descompuestos. Fases de un suelo MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 34 3.2 relaciones fundamentales de las propiedades mecánicas de los suelos. En la Mecánica de Suelos se relaciona el peso de las distintas fases con los volúmenes correspondientes, por medio del concepto de peso especifico es decir, de la relación entre el peso de la sustancia y su volumen, se distinguen los siguientes pesos específicos: ﻻo = Peso especifico del agua destilada a 4°C. ﻻw = Peso especifico del agua en condiciones de trabajo. ﻻm = Peso especifico de la masa del suelo. ﻻs = Peso especifico de la fase sólida del suelo. El peso específico relativo, se define como la relación del peso especifico de la sustancia, entre el peso específico del agua, a 4°C, destilada y sujeta a una atmósfera de presión. Pm = Peso específico relativo de la masa del suelo. Ws ﻻs = ________ Vs Wm Ws +Ww Pm = ______ = ___________ Vm Vm ﻻm Wm ﻻm = _______ = __________ ﻻo Vm Po MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 35 Ps = Peso específico relativo de la fase sólida del suelo. Las siguientes relaciones son importantes, para comprender las propiedades de los suelos. 3.2.1 Relación de vacíos. Se denomina relación de vacíos, oquedad o índice de poros, a la relación entre el volumen de los vacíos y el de los sólidos de un suelo. 3.2.2 Porosidad. Se llama porosidad de un suelo, a la relación entre su volumen de vacíos y el volumen de su masa, y se expresa como porcentaje: Esta relación, puede variar de 0 en un suelo ideal con solo fase sólida a 100 (espacio vacío), los valores reales suelen oscilar de 20 a 95 %. 3.2.3 Grado de saturación. Se denomina grado de saturación de un suelo a la relación entre su volumen de agua y el volumen de sus vacíos. Esta relación, varía de 0 en un suelo seco a 100 en un suelo totalmente saturado. ﻻs Ws ﻻs = _______ = __________ ﻻo Vs ﻻo Vv e = __________ Vs Vv n (%) = __________ X 100 Vm Vw Gw (%) = __________ X 100 Vv MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 36 3.2.4 Contenido de agua. Se conoce como contenido de agua o humedad de un suelo, la relación entre el peso del agua contenida en el mismo y el peso de su fase sólida. Este valor varía teóricamente de cero a infinito, ya que en la naturaleza la humedad de los suelos, varía entre límites muy amplios. 3.3. Formulas para determinar relaciones volumétricas y gravimétricas de suelos saturados y parcialmente saturados. Considérese una muestra de suelo en representación esquemática, conteniendo las tres fases constitutivas de un suelo. Ww w (%) = __________ X 100 Ws Wg = 0 Ww Ws Vg Vw Vs Vv Wm Vm PESOS VOLUMENES MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 37 Considerando que el gas o aíre, no tiene masa, por lo tanto Wg = 0. El peso total de la muestra, quedará de la siguiente manera: Wm = Ww + Ws El volumen total de la muestra quedaría como: Vm = Vg + Vw + V s Pero los vacíos, están constituidos por el aire y el agua: Vv = Vw + Vg Entonces también el volumen total, se puede expresar como: Vm = Vv + V s Sabiendo que la relación de vacíos, es: Se establece, la relación que existe entre los vacíos y la porosidad: Si dividimos los términos entre Vm,, nos queda la siguiente formula: Vv e = __________ Vs Vv e = __________ Vt - Vw Vv e = ___Vm_______ Vt - Vw Vm Vm MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 38 Y como la porosidad es = al Vv / Vm, nos queda la siguiente relación: Con respecto a la porosidad: Substituyendo el volumen de la muestra: Si dividimos los términos entre Vs,, nos queda la siguiente formula Y como la relación de vacíos es = al Vv/Vs, nos queda la siguiente relación: La densidad absoluta de sólidos, esta definida por: n e = __________ 1 - n Vv n (%) = __________ Vm Vv n (%) = __________ Vs + Vv Vv n (%) = __Vs________ Vs + Vv Vs Vs e n = __________ 1 + e Ws ds = __________ Vs MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 39 Por lo tanto, peso de los sólidos es igual a Ws = ds x Vs Peso volumétrico seco. El peso volumétrico del suelo en estado seco, queda definido de la siguiente manera. Considerando que al estar seco el suelo, no existe agua en su masa . Substituyendo el peso de los sólidos, en función de su densidad, quedaría: Substituyendo el volumen de la muestra en sus componentes: Si dividimos los términos entre Vs,, nos queda la siguiente formula Wm ﻻs = __________ Vm Ws ﻻs = __________ Vm Ds . Vs ﻻs = __________ Vm Ds . Vs ﻻs = __________ Vv +Vs Ds . Vs ﻻs = ____Vs______ Vv + Vs Vs Vs MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 40 Peso volumétrico saturado. El peso volumétrico del suelo en estado saturado total, queda definido de la siguiente manera. Considerando que al estar saturado el suelo, el volumen del agua ocupa todo el volumen de los vacíos Vw = Vv . y el peso del agua es igual a su volumen, considerando que su densidad es de 1.0 ; Vw = Vv = Ww = Wv Substituyendo el peso de los sólidos, en función de su densidad, quedaría: Si dividimos los términos entre Vs,, nos queda la siguiente formula: Ds . Vs ﻻs = ____Vs______ Vv + Vs Vs Vs Ds . 1 ﻻs = __________ e + 1 Ds ﻻs = __________ 1 + e Wm ﻻsat = __________ Vm Ws + Ww ﻻsat = __________ Vm Ws + Ww ﻻsat = __________ Vs +Vv Ds . Vs + Ww ﻻsat = _____ _ ____ Vs +Vv Ds . Vs + vw ﻻsat = _Vs____ Vs _ ____ Vs + Vv Vs Vs MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 41 3.4 Determinación en el laboratorio del peso especifico relativo de sólidos. El peso específico relativo de sólidos (Densidad absoluta de sólidos) de un suelo, se determina en el laboratorio, haciendo uso de un matraz con marca de enrase. (ver pruebas de laboratorio) El matras se llena hasta su marca, primero con agua y después con agua y la muestra de suelo. El aire atrapado entre las partículas de suelo, se desaloja por ebullición, o exponiendo la suspensión al vacío. Si la temperatura del agua, es la misma que la de la suspensión, puede utilizarse una formula para determinar el ds, utilizando los siguientes esquemas: Siendo: Wfw = Peso del matraz lleno de agua. Wfsw = Peso del matraz con suelo y agua. Entonces se tiene: Wfsw - W fw = Ws - Peso del agua desplazada por los sólidos. El peso del agua desplazada por los sólidos vale: Ws Ww = Vs . Po = ________ Ds Ds . 1 + e ﻻsat = _ ____ _ ____ 1 + e Ds1 + e ﻻsat = _ ____ _ ____ 1 + e MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 42 Por lo tanto: De donde UNIDAD IV GRANULOMETRÍA La granulometría de un suelo, se define como la cantidad de tamaños que tienen sus partículas, en los suelos gruesos, cuando se tiene un número suficiente de todos los tamaños se dice que esta bien graduado, y presenta un mejor comportamiento con respecto a su comportamiento mecánico e hidráulico. En los suelos finos, por el contrario las propiedades mecánicas e hidráulicas, están definidas por la estructuración de sus partículas, por lo que la composición granulométrica resulta inútil. 4.1. Análisis granulométrico mecánico. El análisis granulométrico mecánico, se refiere a la separación de las partículas de un suelo por tamaños, empleando coladeras o mallas, en las cuales se deposita el material y se vibra hasta clasificar las partículas por su tamaño en las que pasan la criba y las que se retienen. Primero se usa para obtener las fracciones de los tamaños mayores del suelo, llegando generalmente hasta el tamaño de la malla No. 200. La muestra se suelo se hace pasar por a través de un juego de tamices en aberturas descendentes, hasta la malla No. 200; (0.074 mm), los retenidos en cada malla se pesan y el porcentaje que representan con respecto al peso de la muestra total, se suma a los porcentajes retenidos en todas las mallas de mayor tamaño; el complemento a 100 % de esa cantidad, da el porcentaje del suelo que es menor al tamaño representado por la malla en cuestión. Así puede tenerse un punto de la curva granulométrica correspondiente a cada abertura. El método se dificulta cuando las partículas son de un tamaño pequeño, por ejemplo, las partículas que pasan la malla No. 200, requieren deagua para ayudar al paso de la muestra(procedimiento de lavado) Ws Wfsw - Wfw = Ws . - ________ Ds Ws ds = __________________ Wfw + Ws + Wfsw MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 43 a. Arena uniforme b. Suelo bien graduado c. y d Arcillas MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 44 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 45 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 46 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 47 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 48 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 49 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 50 4.2. Determinación de los coeficientes de uniformidad y de curvatura. Hallen Hazen, propuso el Coeficiente de Uniformidad Donde: D60 : Tamaño tal, que el 60 % en peso del suelo, sea igual o menor. D10 : Llamado por Hazen diámetro efectivo; es el tamaño tal que sea igual o menor que el 10 % en peso del suelo. En realidad el Cu, es un coeficiente de no uniformidad, pues su valor numérico decrece cuando la uniformidad aumenta. Los suelos con Cu < 3, se consideran muy uniformes: aun las arenas naturales muy uniformes, raramente presentan Cu < 2. Como dato complementario, necesario para definir la graduación, se define el Coeficiente de Curvatura del suelo con la siguiente expresión. D30 ; se define como el Tamaño tal, que el 30 % en peso del suelo, sea igual o menor El Cc tiene un valor entre 1 y 3, en suelos bien graduados, con amplio margen de tamaños de partículas y cantidades apreciables de cada tamaño intermedio. La curvas granulométricas, se representan en una escala logarítmica, para su mejor y más fácil interpretación, ya que en este caso, la curva se acerca notablemente a una línea recta en muchos suelos naturales. 4.3 Análisis de sedimentación, método del hidrómetro. El Dr. r Casagrande propuso el Hidrómetro Aerodinámico, calibrado en pesos específicos relativos, mejorando así en método del Hidrómetro (densímetro), el cual es hoy el mas empleado para determinar el tamaño de las partículas de los suelos finos. El método, se basa en la velocidad de sedimentación de las partículas en un líquido, esta en función de su tamaño. La ley en la que se basa este principio, es en la de Stokes, la cual relaciona la velocidad de sedimentación de acuerdo al tamaño de las partículas. Esta relación puede establecerse empíricamente con la observación en un microscopio, o bien por procedimientos teóricos. Con la Ley de Stokes, se obtiene el diámetro equivalente de la partícula, que es el diámetro de una esfera Ss, que se sedimenta con la velocidad de una partícula de D60 Cu = _______________ D10 ( D30)² Cc = _______________ D10 X D60 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 51 suelo real, sin embargo en las partículas de arcillas que son de forma laminar, el largo de las mismas puede ser de cuatro veces el diámetro nominal, lo cual presenta problemas, ya que dos granulometrías de similares pueden corresponder a un polvo de roca y a una arcilla con estructura floculenta. UNIDAD V PLASTICIDAD 5.1. Estados y límites de consistencia de los suelos. Estado líquido.- Es el que presentan los suelos cuando manifiestan las propiedades de una suspensión. Estado Semilíquido.- Cuando los suelos tienen el comportamiento de un fluido viscoso. Estado Plástico.- Cuando los suelos mantienen una deformación producida por un esfuerzo, sis agrietarse, desmoronarse o sufrir cambios volumetricos apreciables. Estado Semisólido.- Es cuando el suelo tiene la apariencia de un sólido, sin embargo al secarse disminuyen su volumen. Estado Sólido.- Es cuando un suelo ya no varia su volumen aun cuando se someta a secado. 5.2. Determinación en el laboratorio de los límites de consistencia. Las fronteras entre los estados de consistencia, se conocen como los límites de consistencia 5.2.1. Límite líquido. Límite Líquido.- Es el contenido de agua que marca la frontera entre los estados Semilíquido y Plástico. 5.2.2. Límite plástico. Límite Plástico.- Es el contenido de agua que marca la frontera entre los estados Plástico y Semisólido MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 52 5.2.3. límite de contracción. Límite de Contracción. Es el contenido de agua que marca la frontera entre los estados semisólido y sólido. Ïndice Plástico.- Es la diferencia aritmética entre el Límite Líqudo y el Límite Plástico. Prueba de laboratorio para obtener los Límites de Consistencia. A).Limite Líquido Equipo Cápsula de porcelana. Espátula de acero flexible de 7.5 cm de largo por 2.0 cm de ancho. Gotero. Copa de Casagrande. Balanza de 200 g. Horno con termostato. Desecador de cristal. Vaso con capacidad de 500 ml. Paño absorbente-. Vidrio de reloj. Placa de vidrio. Moldes de lamina galvanizada de 2 por 2 por 10 cm. calibrador con vernier. Grasa grafitada. Procedimiento 1.-se toma una muestra de 150 g. de material que pasa la malla no 40 saturado, y se coloca en la cápsula de porcelana y se homogeniza la humedad con la espátula. 2.-se coloca en la copa de Casagrande el material suficiente y se extiende con la espátula en un espesor de 8 a 10 mm en la parte central de la muestra colocada. 3.-se efectúa una ranura en la parte central con una pasada del ranurador. 4.-se acciona la manivela del aparato para hacer caer la copa, a razón de dos golpes por segundo, durante 25 golpes, y se ajusta el contenido de dad hasta que la longitud de contacto de la muestra sea de 13 mm. 5.- se toman 10 g. de material y se colocan en un vidrio de reloj. 6. - se determina el contenido de humedad y se reporta el límite líquido MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 53 b). Limite plástico. 1.-se toma una muestra de material preparado, y se le da forma de una esfera de 12 mm de diámetro, que deberá moldearse con los dedos para que pierda la humedad y se forma un cilindro manipulándola sobre la palma de la mano. 2.-se rola el cilindro con los dedos sobre la placa de vidrio reduciendo su diámetro ligeramente mayor de 3 mm. 3.-si al alcanzar dicho diámetro el cilindro se rompe en varias secciones, precisamente a los 3mm, se dice que esta en el límite plástico. 4.-se colocan en un vidrio de reloj los fragmentos del cilindro y se determina el contenido de humedad reportando así el límite plástico. c).- Contracción lineal. 1.-Se toma material con la humedad correspondiente al límite líquido. 2.-Con el material se llena el molde de prueba, al cual se le habrá aplicado una capa delgada de grasa . el llenado se efectúa en tres capas golpeándolo entre cada capa contra una superficie dura 3.-Se enrasa el molde con la espátula y se deja orear a la sombra hasta que cambie ligeramente su color y se pone a secar al horno, 18 hrs a 105 °c 4.-Se extrae del horno el molde y se deja secar al ambiente. 5.-Finalmente se mide con el calibrador la longitud del espécimen y se calcula la contracción lineal. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 54 5.3 Carta de plasticidad de los suelos. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 55 UNIDAD VI CLASIFICACIÓN, E IDENTIFICACIÓN DE SUELOS 6.1. Sistemas de clasificación de suelos. Dada la gran variedad de suelos que se presentan en la naturaleza, por ello la Mecánica de suelos, ha desarrollado métodos para su clasificación, los cuales en general están basados en la granulometría y en su plasticidad, de los cuales se destacan:  Sistema de Clasificación de Aeropuertos.  Sistema AASHTO.  Sistema Unificado de Clasificación de Suelos 6.2 Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS). Este sistema cubre los suelos gruesos y los suelos finos, distinguiendo ambos por el cribado de la malla 200, las partículas gruesas son mayores que ella y las finas son menores, Un suelo se considera grueso sí mas del 50 % de sus partículas son gruesos, y finas si mas de la mitad de sus partículas son finas. Suelos gruesos. El símbolo de cada grupo está formado por letras mayúsculas, que son las iniciales de los nombres ingleses de los suelos mas típicos de ese grupo. a). Gravas y suelos que predominen estas. Símbolo “G” (gravel) b). Arenas y suelos arenosos. Símbolo “S” (sand). Las gravas y arenas, se subdividen en cuatro grupos: 1.- Material prácticamente limpio de finos, bien graduado. Símbolo “W” (well graded), en combinación con los signos genéricos, se obtiene GW y SW. 2.- . Material prácticamente limpio de finos, mal graduado. Símbolo “P” (poorly graded), en combinación con los signos genéricos, se obtiene GP y SP. 3.- Material con cantidad apreciable de finos no plásticos. Símbolo “M” (del sueco mo y mjala), en combinación con los signos genéricos, se obtiene GM y SM. 4.- Material con cantidad apreciable de finos plásticos. Símbolo “C” (del sueco mo y mjala), en combinación con los signos genéricos, se obtiene GC y SC. Suelos finos. a). Limos inorgánicos , de símbolo genérico “M”. b).- Arcillas inorgánicas, de símbolo “C”. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 56 c).- Limos y arcillas orgánicas , de símbolo genérico “O”. Cada de uno de estos tipos, se dividen según su límite líquido en dos grupos. Si este es menor de 50, el suelo es de compresibilidad baja o média y se le agrega el símbolo “L” (low compresibiliti), y obteniendose por esta combinación los siguientes grupos ML, CL y OL. Los suelos finos con límite mayor de 50, o sea de alta compresibilidad llevan el símbolo “H” (high compresibilite), teniéndose así los grupos MH, CH y OH. Identificación de campo de suelos finos El criterio para identificar a los suelos finos en campo, es la tenacidad, la dilatancia y la resistencia en estado seco. Dilatancia. Es la reacción al agitado, prepare una muestra de suelo de aproximadamente 10 cm3, añádale agua suficiente para dejarlo manejable pero no pegajoso. Coloque la muestra en la palma de la mano y agítese horizontalmente, golpeando vigorosamente contra la otra mano varias veces. Después del agitado, se observa la aparición brillosa del agua en la superficie y el tiempo en que se opaca la muestra por la introducción del agua libre de la superficie, en las arenas y limos, el tiempo es mas rápido que en las arcillas. Resistencia en estado seco Moldéese una porción de suelo hasta alcanzar una consistencia de masilla, déjela secar al sol y al aire y después desmorónela entre los dedos, considerando que la resistencia en estado seco aumenta con la plasticidad. Los limos y arenas presentan poca resistencia y las arcillas tienen mayor resistencia por su cohesión. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 57 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 58 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 59 UNIDAD VII PROPIEDADES HIDRÁULICAS DE LOS SUELOS Aguas subterráneas Las aguas que se hallan por debajo del terreno natural, pueden encontrarse en estado líquido, gaseoso o sólido, los suelos y las rocas, poseen la propiedad de permitir que el agua pase a su través, y cuando esto sucede, se dice que son permeables a este determinado fluido, las arenas gruesas y limpias son permeables a prácticamente todos los fluidos, no siendo así los suelos finos.. Orígenes de las aguas subterráneas Proceden principalmente de la infiltración de las aguas meteóricas tales como; lluvia, hielo o nieve, infiltrados por los cursos del agua, como lagos, ríos, canales mares, presas, etc. Las aguas profundas no son químicamente puras, ya que contienen gases y aire por medio de burbujas. Existen aguas subterráneas, de otras dos procedencias, las juveniles que proceden de los magmas y las aguas connotas, que son las que quedaron subterráneas al mismo tiempo que las rocas. A diferentes profundidades del terreno natural existen zonas de saturación en la que el agua llena todos los poros de los suelos y todas las cavidades de las rocas, esta agua se designa como agua freática y superficie superior es el nivel freático. Las aguas existentes por encima del nivel freático, son aguas retenidas por atracción (absorción) y las que están por debajo del nivel freático son aguas libres o de gravitación, es decir que se mueven obedeciendo las leyes de la gravedad. En el caso de las arcillas o los limos puede ser nula por completo las fuerzas gravitatorias, ya que se ejercen fuerzas de atracción entre las cargas eléctricas de las partículas y los iones eléctricos del agua del agua. Los suelos saturados, por encima del nivel freático poseen una capacidad de succión que produce el movimiento capilar de agua. La humedad atraída por encima del nivel freático y de la orla capilar, estas quedan cubiertas por partículas de humedad higroscópica, por ello las aguas subterráneas se clasifican en tres tipos: Aguas gravitativas. Aguas capilares. Aguas giroscópicas. Nivel freático. El nivel de aguas freáticas, no es horizontal, ni en el sentido longitudinal, su nivel sigue en el mayor de los casos el perfil del terreno natural superficial y el nivel varía con respecto a la temporada de lluvias. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 60 7.1. Flujo laminar y turbulento. Los Problemas relativos al flujo de líquidos en general, pueden dividirse en dos grupos principales: los que se refieren al flujo laminar y aquellos que tratan con un flujo turbulento. Un flujo se define como laminar cuando las líneas de flujo permanecen sin juntarse entre sí en toda su longitud. Flujos laminar y turbulento El flujo turbulento, ocurre cuando la condición anterior no se cumple. Se sabe que a velocidades bajas ocurre un flujo laminar, mientras que al aumentarlas se transforma en turbulento, si en ese punto, la velocidad se reduce, el flujo volverá a ser laminar. 7.2. Ley de Darcy y coeficiente de permeabilidad. El flujo de agua a través de medios porosos es de gran interés en la Mecánica de Suelos, está gobernada por la ley descubierta experimentalmente por Henri Darcy en 1856, el investigó las características del flujo de agua a través de filtros formados con materiales térreos, o cual es afortunado para la investigación en la Mecánica de suelos. Darcy encontró que para velocidades pequeñas el gasto queda expresado por: Donde A es el área de la sección transversal e i es el gradiente hidráulico del líquido. dV cm Q = _____ = kAi ____ Dt seg MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 61 Esquema del dispositivo experimental de Darcy Darcy construyo sus filtros con arenas finas, de lo cual se deduce que en estos suelos el flujo es laminar y en limos y arcillas de grano mas fino, el agua circula a velocidades menores, por lo que la ley de Darcy únicamente es aplicable a suelos de partículas no muy gruesas, quedando excluidas las gravas limpias , cantos rodados etc. En la ecuación anterior aparece una constante física de proporcionalidad (k), llamada el coeficiente de permeabilidad. En términos simples, el coeficiente de permeabilidad de un suelo es la velocidad del agua a través del mismo, pero esta depende de las propiedades físicas del suelo y también de algunos factores, tales como temperatura y otros. 7.3. Métodos para medir el coeficiente de permeabilidad. Hay varios métodos para determinar la permeabilidad de los suelos , unos directos llamados así por que se basan en pruebas cuyo objetivo fundamental es la medición de tal coeficiente, otros indirectos , proporcionados en forma secundaria, por técnicas que primeramente persiguen otros fines. Estos métodos son los siguientes: Directos. 1.-Permeámetro de carga constante. 2.- Permeámetro de carga variable. 3.- Prueba directa de los suelos en el lugar. Indirectos. 1.- Calculo a partir de la curva granulométrica. 2.- Calculo a partir de la prueba de consolidación. 3.- Cálculo con la prueba horizontal de capilaridad. 7.3.1. Métodos directos. a) Permeámetro de carga constante. Es el método mas simple para determinar el coeficiente de permeabilidad. Una muestra de suelo de área transversal A y longitud L, confinada en un tubo, se somete a una carga hidráulica h. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 62 Permeámetro de carga constante El agua fluye a través de la muestra, midiéndole la cantidad en cm3, que pasan en el tiempo t en seg., aplicándose la ley de Darcy. El gradiente hidráulico vale i=h/L, entonces k = VL/hAt. b) Permeámetro de carga variable. En este tipo de Permeámetro se mide la cantidad de agua que atraviesa una muestra de suelo, por diferencia de niveles en un tubo alimentador. En la figura aparecen dos dispositivos típicos , el (a) usado en suelos predominantemente finos, y el (b) apropiado para materiales mas gruesos. Permeámetro de carga variable Al ejecutar la prueba, se llena de agua el tubo vertical del Permeámetro, observándose su descenso a medida que el agua atraviesa la muestra. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 63 7.3.2. Métodos indirectos. a) A partir del análisis granulométrico. Existe una correlación entre la composición granulométrica y la permeabilidad de un suelo arenoso grueso, ya que los poros entre las partículas minerales son relativamente grandes y por ello la permeabilidad puede ser alta, ya que en los suelos finos, los poros y canalículos son mas pequeños, por lo cual estos materiales son de menor permeabilidad. Este procedimiento sin embargo, debe tomarse con reserva para conocer la permeabilidad, dado que existen otros factores que afectan la permeabilidad que no se consideran en este método. K = CD²10 (cm/seg) Donde k = constante de permeabilidad y D10 = diámetro efectivo del suelo. Allen Hazen obtuvo su formula con arenas uniformes, con diámetro efectivo entre 0.1 y 0.3 mm, en estos suelos C varia de 41 a 146, El valor de C = 116, suele considerarse como un valor aceptable. Terzaghi, propuso la formula siguiente, en la cual involucra la temperatura, ya que al aumentar la temperatura, se desminuye la viscosidad del agua. K = C D²10 (0.7 + 0.003t) (cm/seg) 7.4 Factores que influyen en la permeabilidad de los suelos. 7.4.1. Relación de vacíos. La relación entre la cantidad de vacíos de un suelo y su permeabilidad, nos indica que entre mas vacíos tenga un suelo, mayor permeabilidad se manifiesta en el mismo, por la cantidad de espacios que permiten el desplazamiento del agua a través del suelo. 7.4.2. Temperatura. La temperatura que posea el agua libre que fluye a través de un suelo, influye en su facilidad de drenar por los poros del mismo, ya que al aumentar su temperatura, disminuye su viscosidad y aumenta la facilidad de pernear el agua a través del suelo. 7.4.3. Estructura y estratificación. La estructura, sobre todo en los suelos finos, juega un papel importante en la permeabilidad de un suelo, ya que una estructura dispersa, permite con mayor facilidad el paso del agua, que una estructura flocúlenta. 7.4.4. existencia de agujeros y fisuras. Otro factor muy importante en la permeabilidad de los suelos, es la existencia de agujeros y fisuras en las partículas de los suelos arenosos, ya que por estos elementos se permite el paso del agua, que sería una permeabilidad adicional a propia del suelo. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 64 UNIDAD VIII CONSOLIDACIÓN Puesto que los suelos, no tienen resistencia a la tensión, las características de deformación bajo compresión, son las de mayor interés Al observar los suelos suaves, se nota que el suelo reduce su volumen conforme pasa el tiempo y aumenten las cargas que tiene encima por sedimentación sucesiva . Consolidómetro de anillo flotante Al proceso de disminución de volumen, que tenga lugar en un lapso, provocado por el aumento de las cargas sobre el suelo, se le llama proceso de consolidación. El asentamiento que sufrirá un edificio construido sobre un material consolidable, se puede estimar por medio de la prueba de consolidación unidimensional, sobre especimenes representativos del suelo, extraídos de una forma tan inalterada que sea posible, se puede calcular así la magnitud y la velocidad de los asentamientos probables, debido a las cargas aplicables. En el marco de consolidación, se coloca la muestra inalterada y se van aplicando cargas que var repartidas uniformemente en toda su superficie. Las cargas se van aplicando en periodos de tiempo suficiente para que la velocidad de deformación se reduzca prácticamente a cero. En cada incremento de carga, se hacen lecturas del extensómetro para conocer la deformación correspondiente a diferentes tiempo, los datos de estas lecturas, se dibujan en una grafica que tenga por abscisas los valores de los tiempos transcurridos en escala logarítmica, y como ordenadas las correspondientes lecturas del extensómetro en MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 65 escala natural, estas curvas se llaman de consolidación y se obtienen una para cada incremento de carga. Forma típica de consolidación en arcillas Una Vez que el suelo alcanza su máxima deformación, bajo un incremento de carga, su relación de vacíos llega a un valor menor, y que puede determinarse con las lecturas del extensómetro, así para cada incremento de carga se tiene una reducción en la relación de vacíos. En suma de toda la prueba, una vez aplicados todos los incrementos de carga, se tienen valores para construir una gráfica, en cuyas abscisas se ponen los valores de presión actuante, en escala natural o logarítmica y en cuyas ordenadas se anotan las relaciones de vacíos y a esta curva se le denomina de compresibilidad. Forma típica de curva de compresibilidad de suelos compresibles Generalmente en una curva de compresibilidad, se obtienen tres tramos, el A es un tramo curvo que comienza casi en forma horizontal y cuya curvatura es progresiva, alcanzando su máximo en su unión con el tramo B. El tramo B es generalmente un tramo recto y con el se llega al final de la prueba. A partir de este punto es común someter a la prueba de consolidación a una segunda etapa, ahora de descarga, en la que se somete al espécimen a pruebas MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 66 de descarga, permaneciendo en cada decremento de carga, el tiempo suficiente para que la velocidad de deformación se reduzca prácticamente a cero, si bien nunca llega el suelo a su relación de vacíos inicial; El tramo C, corresponde a esta segunda etapa, con el espécimen llevado a carga final nula, como es usual. Curvas de compresibilidad para dos procesos de carga y descarga 8.1. Distribución de presiones, efectivas, neutras y totales. Para analizar las presiones que se presentan en un suelo durante el fenómeno de consolidación, y en general en la Mecánica de Suelos. Considérense dos partículas en contacto, con una superficie plana de área A, representativa de todas las áreas de contacto en la masa del suelo Equilibrio de fuerzas actuantes en una masa de suelo MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 67 Puede definirse la relación de áreas de contacto como: Si la fuerza total normal al plano de contacto es P y la cortante total es T. Los esfuerzos totales normales y cortantes se definen como. Los esfuerzos en la superficie interfacial son diferentes a los anteriores y de acuerdo con un criterio semejante, se definen como Ps y Ts, son las fuerzas normal y tangencial actuantes entre las dos partículas sólidas. Considérese el equilibrio en la dirección normal al plano de contacto. P = Ps + (A – As) un un, en la ecuación anterior, es la presión en el agua intersticial. Un = γ w Z As A = _________ A T γ = _________ A Ps σs = _________ As Ts γs = _________ As MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 68 8.2. Teoría de consolidación (analogía mecánica de Terzagui). El modelo mecánico propuesto por Terzaghi, para explicar el fenómeno de consolidación, se basa en un cilindro, provisto de un pistón sin fricción, con una pequeña perforación en él, tal como aparece en la figura. El pisón está soportado por un resorte unido al fondo del cilindro, este esta totalmente lleno de un fluido incompresible. Si se coloca sobre el pistón una carga P, manteniendo el orificio cerrado, es evidente que el resorte no puede deformarse nada y, así, toda la carga P estará soportada por el fluido. Pero si se permite que el fluido salga por el orificio, abriendo éste también es evidente que habrá una transferencia gradual de carga del fluido al resorte. Esquema del modelo mecánico de Terzaghi, para explicar el fenómeno de consolidación 8.3. Prueba de consolidación unidimensional. Durante la prueba se aplican incrementos de carga axial y por efectos de estas, el agua tiende a salir del suelo, a través de piedras porosas colocadas en sus caras, el cambio de volumen se mide con un micrómetro colocado en el marco de carga sobre la piedra porosa superior. Para cada incremento de carga aplicada, se miden los cambios de volumen, los datos registrados conducen a la obtención de la curva de consolidación. Dibujando las lecturas del micrómetro como ordenadas ,en escala natural y los tiempos como abscisas en escala logarítmica , se logra que la curva de consolidación obtenida en laboratorio, sea fácilmente comparada con la curva teórica MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 69 8.4. Factores que influyen en el tiempo de consolidación. El tiempo es un factor importante en el tiempo de consolidación, sobre todo el tiempo en que permanezca la aplicación de la carga. El espesor del estrato, es también un factor importante en el fenómeno de consolidación por la distancia que tiene que recorrer el agua para drenarse, durante el proceso. El fenómeno de permeabilidad, también es un factor importante en el proceso de consolidación, en virtud de que un estrato con mayor constante de permeabilidad permite un menor tiempo en el drenaje del agua. La compresibilidad de un suelo consolidable, es un factor que influye en el proceso, aunque se debe hacer la aclaración que el coeficiente de compresibilidad de un suelo, depende de la estructuración y la composición mineralógica del suelo. 8.5. Determinación del 0%, 50% y 100% de consolidación primaria en una curva de consolidación, aplicando el método del Dr. Casagrande. Al iniciar la prueba de consolidación, no se sabe si las primeras deformaciones se deben a ajustes del material o representan el inicio del fenómeno de consolidación, la curva para la primera mitad del proceso, es prácticamente una parasol, en la cual puede determinarse el 0% de consolidación, con la aplicación de una propiedad de las curvas. Es mas difícil, determinar el punto teórico que corresponde al 100 % dela consolidación primaria, de los varios métodos propuestos para este fin, se describe a continuación el propuesto por el Dr. A Casagrande, que requiere la graficación de la curva en una escala semilogarítmica. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 70 En la curva de consolidación presenta generalmente un tramo recto, en el cual se hace notable la consolidación secundaria, esto permite definir por simple inspección la zona en la cual se completa la consolidación primaria, esta zona es la correspondiente a la transición entre la parte inclinada de amplia curvatura y el tramo recto final. Empíricamente, se ha observado que la intersección del tramo recto de compresión secundaria y la tangente a la parte curva en su punto de inflexión, que además representa la transición de la consolidación primaria y la secundaria, se localiza el 100 % de consolidación primaria. La línea del 0%, se obtiene escogiendo un tiempo arbitrario t1, tal que el punto correspondiente B, en la curva observada esté situado antes del 50 % de consolidación, de un modo notorio. Obténgase el punto C, correspondiente a un tiempo t/4 y determínese la diferencia de ordenadas, a de los puntos. Puesto que entre estos dos puntos hay una relación de abscisas de cuatro y que se advierte que son puntos de una parábola,se sigue que su relación de ordenadas ha de ser de raíz cuadrada de 4=2. Es decir, el origen de una parabola estará a una distancia a arriba de C. Es aconsejable repetir esta construcción simple varias veces, partiendo de puntos diferentes y situar el 0% de consolidación a una elevación promedio de las obtenidas.En la figura anteriór puede verse en la parte derecha, la escala U (%)trazada a partir de los límites encontrados, es evidente así encontrar el tiempo necesario para que la muestra de suelo alcance el50 % de consolidación (t50) MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 71 8.6 Consolidación secundaria. Es el fenómeno de fluido viscoso, el cual se atribuye al deslizamiento progresivo entre las partículas del material que se reacomodan, tendiendo a estados mas compactos, para adaptarse a su nueva condición de carga, puede contribuir también alguna clase de flujo plástico de las partículas laminares constitutivas de los suelos arcillosos, Cuando las deformaciones plásticas o los deslizamientos entre ellas, se hacen comparables a la velocidad de expulsión del aguay del volumen decreciente de vacíos entre las partículas, es cuando el efecto se hace notable y se refleja en la curva de consolidación, dando lugar al tramo final típico, sensiblemente recto en un trazado semilogarítmico. 8.7. Determinación de la carga de preconsolidación en una curva de compresibilidad, aplicando el método del Dr. Casagrande. El doctor Terzaghi durante sus investigaciones sobre el fenómeno de consolidación de suelos finos, lo condujeron al importante descubrimiento de que el tramo virgen de una curva de compresibilidad, es usualmente recto en un trazado semilogarítmico. Esto se atribuye generalmente a variaciones de carga del suelo a lo largo de su historia geológica y al inevitable remoldeo de las muestras de suelo extraídas para efectuar las pruebas. En la siguiente figura de la curva de compresibilidad, se muestra en la a), se presenta en escala aritmética, en la b), en escala semilogarítmica. En el segundo se muestra se presta para un análisis fácil de la historia de la muestra. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 72 Curvas detalladas de compresibilidad. Ejemplo de una prueba de consolidación: Un edificio con un peso total de 1000 toneladas, se pretende construir sobre un estrato de arcilla plástica, que presenta un espesor de 12.0 metros. Se obtuvo una muestra inalterada para su análisis en el laboratorio, a la cual se le realizó la prueba de consolidación unidimensional. ¿ Calcular los siguientes incisos?: 1. Las gráficas de consolidación. 2. El 0, 50 y 100 % de consolidación. 3. La carga de preconsolidación. 4. El asentamiento total sobre el estrato de arcilla. 5. El tiempo en años en el cual se manifestará dicho asentamiento. 6. El coeficiente de compresibilidad. 7. El coeficiente de consolidación. 8. La constante de permeabilidad. CARACTERÍSTICAS DE LA ARCILLA. PESO VOLUMÉTRICO NATURAL= 910 KG/M3 HUMEDAD= 29.3 % RELACIÓN DE VACIOS= 1.479 PESO DE LOS SÓLIDOS = 79.5 GRS. DENSIDAD ABSOLUTA DE SÓLIDOS: 2.21 12.0 M. 10.0 M. 15.0 M. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 73 CARACTERÍSTICAS DEL CONSOLIDÓMETRO DIAMETRO DEL ANILLO= 7.5 CM. ÁREA DEL ANILLO = 50.0 CM2. ALTURA DE LA MUESTRA= 15.0 mm. Registros de carga de la prueba de consolidación unidimensional. CARGA= 0.125 KGS/CM2 FECHA TIEMPO EN HRS : MIN. TIEMPO TRANSCURRIDO . MIN. O SEG. LECTURA DEL MICRÓMETRO EN MM. 28/04/06 09:00 0.00 SEG. 19.671 5.00 SEG. 19.631 10.00 SEG. 19.623 15.00 SEG. 19.618 30.00 SEG. 19.608 09:01 1.0 MIN. 19.594 09:02 2.0 MIN. 19.582 4.0 MIN. 19.576 8.0 MIN. 19.573 15.0 MIN. 19.570 30.0 MIN. 19.568 60.0 MIN. 19.559 120.0 MIN. 19.553 240.0 MIN. 19.551 29/04/2006 09:00 1440.0 MIN. 19.551 CARGA= 0.250 KGS/CM2 FECHA TIEMPO EN HRS : MIN. TIEMPO TRANSCURRIDO . MIN. O SEG. LECTURA DEL MICRÓMETRO EN MM. 29/04/06 09:00 0.00 SEG. 19.551 5.00 SEG. 19.530 10.00 SEG. 19.517 15.00 SEG. 19.508 30.00 SEG. 19.500 09:01 1.0 MIN. 19.483 09:02 2.0 MIN. 19.465 4.0 MIN. 19.453 8.0 MIN. 19.445 15.0 MIN. 19.435 30.0 MIN. 19.426 60.0 MIN. 19.415 120.0 MIN. 19.404 240.0 MIN. 19.389 30/04/2006 09:00 1440.0 MIN. 19.373 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 74 CARGA= 0.500 KGS/CM2 FECHA TIEMPO EN HRS : MIN. TIEMPO TRANSCURRIDO . MIN. O SEG. LECTURA DEL MICRÓMETRO EN MM. 30/04/06 09:00 0.00 SEG. 19.373 5.00 SEG. 19.325 10.00 SEG. 19.308 15.00 SEG. 19.299 30.00 SEG. 19.275 09:01 1.0 MIN. 19.241 09:02 2.0 MIN. 19.209 4.0 MIN. 19.175 8.0 MIN. 19.149 15.0 MIN. 19.126 30.0 MIN. 19.105 60.0 MIN. 19.084 120.0 MIN. 19.058 240.0 MIN. 19.001 01/05/2006 09:00 1440.0 MIN. 18.849 CARGA= 1.00 KGS/CM2 FECHA TIEMPO EN HRS : MIN. TIEMPO TRANSCURRIDO . MIN. O SEG. LECTURA DEL MICRÓMETRO EN MM. 01/05/06 09:00 0.00 SEG. 18.849 5.00 SEG. 18.8 10.00 SEG. 18.772 15.00 SEG. 18.749 30.00 SEG. 18.71 09:01 1.0 MIN. 18.642 09:02 2.0 MIN. 18.545 4.0 MIN. 18.418 8.0 MIN. 18.280 15.0 MIN. 18.158 30.0 MIN. 18.028 60.0 MIN. 17.899 120.0 MIN. 17.769 240.0 MIN. 17.669 02/05/2006 09:00 1440.0 MIN. 17.507 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 75 CARGA= 2.00 KGS/CM2 FECHA TIEMPO EN HRS : MIN. TIEMPO TRANSCURRIDO . MIN. O SEG. LECTURA DEL MICRÓMETRO EN MM. 02/05/06 09:00 0.00 SEG. 17.507 5.00 SEG. 17.42 10.00 SEG. 17.385 15.00 SEG. 17.345 30.00 SEG. 17.278 09:01 1.0 MIN. 17.182 09:02 2.0 MIN. 17.02 4.0 MIN. 16.85 8.0 MIN. 16.67 15.0 MIN. 16.505 30.0 MIN. 16.434 60.0 MIN. 16.35 120.0 MIN. 16.269 240.0 MIN. 16.189 03/05/2006 09:00 1440.0 MIN. 16.093 CARGA= 4.00 KGS/CM2 FECHA TIEMPO EN HRS : MIN. TIEMPO TRANSCURRIDO . MIN. O SEG. LECTURA DEL MICRÓMETRO EN MM. 03/05/06 09:00 0.00 SEG. 16.093 5.00 SEG. 15.992 10.00 SEG. 15.961 15.00 SEG. 15.930 30.00 SEG. 15.862 09:01 1.0 MIN. 15.761 09:02 2.0 MIN. 15.635 4.0 MIN. 15.497 8.0 MIN. 15.369 15.0 MIN. 15.270 30.0 MIN. 15.218 60.0 MIN. 15.151 120.0 MIN. 15.107 240.0 MIN. 15.047 04/05/2006 09:00 1440.0 MIN. 14.923 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 76 CARGA= 8.000 KGS/CM2 FECHA TIEMPO EN HRS : MIN. TIEMPO TRANSCURRIDO . MIN. O SEG. LECTURA DEL MICRÓMETRO EN MM. 04/05/06 09:00 0.00 SEG. 14.923 5.00 SEG. 14.810 10.00 SEG. 14.780 15.00 SEG. 14.755 30.00 SEG. 14.690 09:01 1.0 MIN. 14.600 09:02 2.0 MIN. 14.505 4.0 MIN. 14.403 8.0 MIN. 14.320 15.0 MIN. 14.261 30.0 MIN. 14.210 60.0 MIN. 14.149 120.0 MIN. 14.111 240.0 MIN. 14.060 01/05/2006 09:00 1440.0 MIN. 14.011 DESCARGA FECHA TIEMPO EN HRS : MIN. CARGA EN KG/CM2 MIN. O SEG. LECTURA DEL MICRÓMETRO EN MM. 05/05/06 09:00 8.00 14.011 09:30 4.00 14.083 10:00 2.00 14.213 10:30 1.00 14.324 11:00 0.500 14.483 11:30 0.250 14.605 12:00 0.125 14.808 12:30 0.000 15.128 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 77 Determinación de las relaciones de vacíos. CARGA PRESIÓN (KG7CM2) LECTURA MICRÓMETRO (MM) DEFORMACIÓN (MM) DEFORMACIÓN / HALTURA DE SÓLIDOS RELACIÓN DE VACIOS C A R G A 0.000 19.671 0.000 0 2.092 0.125 19.551 0.120 0.0247 2.0673 0.250 19.373 0.298 0.0614 2.0306 0.500 18.849 0.822 0.1695 1.9225 1.0 17.507 2.164 0.4462 1.6458 2.0 16.093 3.578 0.7377 1.3543 4.0 14.923 4.748 0.9790 1.1130 8.0 14.011 5.660 1.1670 0.9250 D E S C A R G A 4.0 14.083 5.588 1.1522 0.9398 2.0 14.213 5.458 1.1254 0.9666 1.0 14.324 5.347 1.1025 0.9895 0.500 14.483 5.188 1.0697 1.0223 0.250 14.605 5.066 1.0445 1.0475 0.125 14.808 4.863 1.0027 1.0893 0.000 15.128 4.543 0.9367 1.1553 Determinación de la altura de sólidos. Donde: Hs = Altura de sólidos. Ws = Peso de sólidos. A = Área del anillo. ds = Densidad absoluta de los sólidos. Hs = 10 Ws A ds MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 78 Carga de preconsolidación: Es la carga máxima que ha soportado el suelo en su historia geológica, antes de la ejecución de la prueba a la que se le sometió en la consolidación. 1.- Realícese la gráfica de compresibilidad. 2.- Determine el punto de máxima curvatura T. 3.- Trácese una línea horizontal al punto T. (H). 4.- Trácese una tangente a la curva en el punto T. 5.- Trácese una bisectriz al ángulo que forman T y H. (C). 6.- Prolónguese con una línea recta, el tramo virgen de la curva de consolidación hasta interceptar la bisectriz C. 7.- El punto de intersección tiene como absisa la carga de preconsolidación del suelo. Coeficiente de compresibilidad. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 79 Donde: av = Coeficiente de compresibilidad. e1 = Relación de vacíos inicial. e2 = Relación de vacíos final. P1 = Presión inicial. P2 = Presión final. Coeficiente de consolidación. Donde: cv = Coeficiente de consolidación. Hm = Altura de la muestra deformada. 0.197 = Constante adimensional. T50 = Tiempo de consolidación al 50 %. Constante de permeabilidad. Donde: k = Constante de permeabilidad. Hm = Altura de la muestra deformada. av = Área del espécimen o del anillo del consolidómetro. ﻻm = Peso volumétrico del suelo. e1 - e2 av = . . p2 - p1 0.197 Hm² cv = . . t50 av Hm² ﻻm k = . . t50 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 80 T50 = Tiempo de consolidación al 50 %. Asentamiento. Donde: Hm = Altura del espécimen (en cm). Hh = Altura del estrato (en cm.). Δm = Deformación de la muestra para la presión de diseño (en cm). Δh = Deformación o asentamiento del estrato de arcilla (en cm). Tiempo en que se presentará el asentamiento. Donde: Tm = Tiempo en que se deformó la muestra para la presión de diseño (en min). Th = Tiempo en que se asentará el estrato. Hm = Altura del espécimen (en cm). Hh = Altura del estrato (en cm.). Hm Hh Δm Δm = Tm Th Hm Hm = MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 81 UNIDAD IX RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE. 9.1. Estados de esfuerzos y deformaciones planas. La determinación de la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo, es uno de los puntos fundamentales de la Mecánica de suelos, ya que es imprescindible para la estabilidad de los suelos en las obras civiles. El francés C.A. Coulomb admitió que los suelos fallan por esfuerzo cortante a lo largo de planos de deslizamiento, luego entonces la presión ejercida y el área del plano de falla dan origen a la ley de resistencia, en la cual el suelo falla cuando el esfuerzo actuante alcanza un valor de corte tal que: S = σ tan φ Esta proporción, esta en función de un ángulo, al cual Coulomb llamo “Angulo de fricción interna” y lo definió como una constante del material. En las arenas sueltas, su resistencia es de cero, ya que se toma entre las manos y se desliza entre los dedos, (σ=0) en cambio una arcilla no se cuela entre los dedos por que si tiene una resistencia al esfuerzo cortante. Coulomb observo que en las arcillas francas, el esfuerzo cortante es igual a la cohesión, por lo que carecen de ángulo de fricción interna (φ=0). S = C Sin embargo la mayoría de los suelos presentan características mixtas, por lo que presentan ángulo de fricción interna y cohesión. Por lo tanto para este caso y en forma general la ley de Coulomb, puede escribirse de la siguiente manera: S= C + σ tan φ De lo anterior, se deducen tres tipos de suelos: Cohesivo Friccionante Cohesivo – friccionante. 9.2. Circulo de Mohr. .En el circulo de Mohr, se considera que el circulo tiene un diámetro en las abscisas igual la diferencia de el esfuerzo desviador menos el esfuerzo horizontal o de confinamiento del suelo, y la línea de falla, es una tangente a dicho circulo, que se debe de traza como tangente de cuando menos dos círculos y en las ordenadas se determina el valor de la cohesión y el esfuerzo cortante. El ángulo MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 82 de fricción interna, se define como el ángulo que forma la tangente con la horizontal. Circulo de Mohr, para un suelo friccionante. Circulo de Mohr para un suelo cohesivo δ Φ δ = π tan Φ δ Φ= 0 δ = C π C δ Φ δ = C + π tan Φ π C MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 83 Circulo de Mohr para un suelo cohesivo friccionante. 9.3. Relaciones de esfuerzos principales . Considérese en el esquema, en el que se muestra un espécimen de muestra de suelo sujeto a un esfuerzo vertical σ1, que se considera el principal mayor y a un esfuerzo lateral, σ3, considerado como el principal menor; en esta figura el ángulo de fricción interna φ es el que forma un plano cualquiera BB’, con el plano horizontal AA’, en el cual actúa el esfuerzo principal mayor, aparece un detalle del espécimen de suelo, que corresponde al elemento triangular rayado. El ángulo φ se mide en sentido contrario a las manecillas del reloj. Condiciones de un suelo expuesto a compresión triaxial. 9.5. Pruebas de laboratorio para determinar la resistencia al esfuerzo cortante. 9.5.1. prueba de compresión simple. La prueba de compresión simple, se realiza a los suelos puramente arcillosos, y consiste en labrar un espécimen de una muestra inalterada de sección circular o cuadrada, a la cual se le aplica una carga vertical hasta producir su falla, esta esfuerzo vertical, se divide entre el área del espécimen para determinar el esfuerzo desviador con el cual se dibuja el circulo de Mohr, para determinar su resistencia al esfuerzo cortante. 9.5.2. Prueba de corte directo. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 84 Durante muchos años, esta fue la única prueba para medir la resistencia al cortante de los suelos, es una prueba muy simple, la cual consiste en introducir una muestra de suelo en el aparato con las condiciones de compactación y humedad natural del suelo, haciendo deslizar la parte superior del aparato para provocar la falla del suelo, midiendo en extensometros la deformación de falla y la carga requerida para romper el material, la cual se divide entre el área de la muestra y determinar el esfuerzo desviador, el cual se grafica mediante un circulo de Mohr y se determina el esfuerzo cortante. Esquema del aparato de resistencia al esfuerzo cortante directo. 9.5.3. Prueba UU (no consolidada, no drenada) Se labra un espécimen de una muestra inalterada, en forma circular, en un torno de labrado, se introduce dentro de un látex impermeable para evitar el aumento o perdida de agua, se coloca en la cámara de compresión triaxial y se le aplica una carga de confinamiento de 0.5 kg/cm2, y se aplica la carga vertical de compresión a una velocidad uniforme, hasta la falla del espécimen, anotando en intervalos uniformes de deformación, las lecturas obtenidas en el extensómetro del anillo de carga, una ves fallado el espécimen, se calcula el esfuerzo para diferentes deformaciones dividiendo la carga entre el área del espécimen y el esfuerzo máximo obtenido mediante una grafica de esfuerzo – deformación, se utiliza para dibujar el circulo de Mohr. Se repite el mismo procedimiento pero ahora con una carga de confinamiento de 1.0 kg/cm2. Una ves dibujados los dos círculos de Mohr, se traza la tangente a los círculos y se determinan los valores de cohesión y ángulo de fricción interna. 9.5.4. Prueba CU (Consolidada, no drenada) Es el mismo procedimiento que en el punto 9.5.3, solo que el espécimen antes de someterla a la compresión triaxial, se realiza la prueba de consolidación unidimensional, para medir su resistencia al cortante una vez de haber pasado por el fenómeno de consolidación. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 85 Conjunto de dispositivos para la prueba de compresión triaxial. 9.5.5. Prueba CD (consolidada, drenada) Es el mismo procedimiento que en el punto 9.5.3, solo que el espécimen antes de someterla a la compresión triaxial, se realiza la prueba de consolidación unidimensional, para medir su resistencia al cortante una vez de haber pasado por el fenómeno de consolidación y en el látex se introducen una piedras porosas que permiten que el suelo drene el agua libre durante el proceso de compresión. 9.6. Pruebas de campo para determinar la resistencia al esfuerzo cortante. Dentro de las pruebas mas empleadas para medir la resistencia al esfuerzo cortante, se puede mencionar la de la Veleta haciendo la aclaración que sus resultados son completamente empíricos, ya que carecen de un fundamento científico y únicamente nos proporcionan un valor aproximado 9.6.1. Prueba de la veleta. La veleta, consta de un vástago, desmontable en piezas a cuyo extremo inferior esta ligada la veleta propiamente dicha, generalmente de cuatro aspas fijamente MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 86 ligadas a un eje. Para efectuar la prueba, una ves hincada la veleta a la profundidad deseada, se aplica gradualmente el vástago un movimiento circular en su extremo superior en donde existe un mecanismo que permite medir la fuerza empleada para romper el suelo. 9.7. Resistencia al esfuerzo cortante en suelos friccionantes. En el caso de los suelos puramente friccionantes como las arenas limpias, las gravas limpias, los enrocamientos (aunque estos no son suelos) y las combinaciones de tales materiales. Cuando mayores sean sus partículas, mayores serán las concentraciones de presión en ellos. Analógicamente, los puntos de contacto aumentan con la mejor distribución granulométrica. Las presiones en los puntos de contacto cobran importancia si se relacionan con la resistencia original de los granos del material, pues bajo aquellas, éstos pueden llegar a deformarse o a romperse. La resistencia al esfuerzo cortante en una masa de suelo friccionante, depende de las siguientes características del propio material.  Compacidad.  Forma de los granos.  Distribución granulométrica.  Resistencia individual de las partículas.  Tamaño de las partículas. 9.7.1. Relación de vacíos crítica y licuación de las arenas. En las arenas sueltas, cuando se someten a un esfuerzo cortante, su volumen y sus vacíos disminuyen, en cambio en las arenas compactas, cuando se someten a esfuerzo cortante, su volumen aumenta y sus vacíos también, de lo anterior, se puede intuir que existe un valor intermedio de la relación de vacíos, tal que la arena que lo tuviese, no variaría su volumen al deformarse bajo esfuerzo cortante, este valor ha sido llamado por Casagrande como Relación de vacíos crítico. Si una arena suelta al deformarse, tiende a compactarse , lo que aumenta la presión en el agua, si esta no se drena con la suficiente rapidez, este aumento de presión neutral rebaja la presión efectiva y la resistencia al esfuerzo cortante hasta llevarla acero, a este fenómeno se le conoce como licuación de las arenas. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 87 UNIDAD X MEJORAMIENTO MECÁNICO DE LOS SUELOS. Se denomina compactación de suelos, al proceso mecanico por el cual se busca mejorar las características de resistencia, compresibilidad y esfurzo-deformación de los mismos. 10.1. Determinación de pesos volumétricos de campo, por los métodos de: 10.1.1. Cono de arena (trompa de elefante). El objetivo de esta prueba, es determinar la masa volumétrica seca que presenta un material en estado natural o compactado y su contenido de humedad, para calcular el grado de acomodo que presenta con respecto a la masa volumétrica seca máxima determinada en el laboratorio. Equipo:  Bascula de 120 Kg.  Balanza de 3000 Grs.  Barreta.  Cucharón de lamina.  Regla metálica de 30.0 cm.  Charola rectangular.  Recipiente para humedad.  Trompa de elefante o cono de arena. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 88  Bolsas de polietileno. Procedimiento: 1.- Una ves seleccionado el lugar en donde se realizará la prueba, se limpia la superficie, de tal manera que se tenga una superficie plana y libre de partículas sueltas. 2.- Se efectúa una excavación en el sitio de prueba, con dimensiones de acuerdo al tamaño máximo del material del estrato. El sondeo se hace con cuidado para evitar alteración en sus paredes y fondo, con un volumen mínimo de acuerdo a la tabla siguiente. 3.- Se coloca en un recipiente el material que se valla extrayendo. 4.- Se pesa el material y se registra como (Wm) 5.- Se toma una muestra representativa de acuerdo a su tamaño máximo y se determina su contenido de humedad. 6.- se pesa una cantidad de arena de Ottawa para llenar el sondeo (Wsi) 7.- Se llena el dispositivo con arena , ya sea con el cono de arena o con la trompa de elefante. 8.- Se determina el peso que sobro.(Wsf) y se determina el peso de la arena empleada (Ws). 9.- se calcula el volumen del sondeo. 10.- Se calcula el peso volumétrico húmedo del lugar. 11.- se calcula y reporta el peso volumétrico seco del lugar. Y se determina el grado de compactación. 10.1.2. Balón de densidad. El procedimiento es el mismo que el inscrito en el punto 10.1.1, considerando el equipo de balón en lugar del cono de arena. 10.1.3. Empleando aceite. El procedimiento es el mismo que el inscrito en el punto 10.1.1, considerando el aceite, en lugar del cono de arena. 10.2. Pruebas de compactación en el laboratorio. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 89 10.2.3. Prueba Porter. EQUIPO REQUERIDO PARA LA PRUEBA PORTER Y DETERMINACIÓN DEL V.R.S. ESTÁNDAR SATURADO. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 90 DETERMINACIÓN DE LA MASA VOLUMÉTRICA SECA MÁXIMA, DETERMINADA CON LA PRUEBA DE CARGA ESTÁTICA “PORTER” MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 91 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 92 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 93 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 94 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 95 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 96 10.3. Factores que intervienen en el proceso de compactación. La naturaleza del suelo. Es claro que la clase de suelo con la que se trabaja influye de manera decisiva en el proceso de compactación; ya que la naturaleza del mismo requiere de diferentes tipos de energia para obtener su mejor acomodo. Los suelos los podemos clasificar como: Friccionantes, Cohesivos y Cohesivos-friccionantes. Los suelos cohesivos, son definidos de esta manera por que su resistencia al esfuerso cortante depende del valos de la cohesion. Los suelos Friccionantes, se denominan de esta manera por que se resistencia al esfuerzo cortante, depende de su ángulo de fricción interna. En los suelos Cohesivos-friccionantes, su resistencia al cortante, depende de los dos valores de cohesión y de su ángulo de fricción interna. .- El método de compactación. Existen diferentes tipos de energías de compactación y diferentes equipos para compactar, los cuales nos proporcionan diferentes tipos de energía, como se indica a continuación: EQUIPO ENERGIA Placa vibratoria Vibración Rodillo Pata de cabra Amasado Rodillo liso Estática Rodillo liso vibratorio Estática y vibración. Rodillo neumático Amasado Pizon manual Dinámica Bailarina Dinámica y vibración COMPACTADOR DE PLACA VIBRATORIA MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 97 Compactador liso bibratorio Compactador pata de cabra 10.3.1. Contenido de agua. El contenido de agua en el material que se compacta, es una variable importante en el proceso de algunos materiales. A partir del aumento de agua se aumentan los pesos volumétricos de los materiales compactados, llegando a un valor óptimo, después del cual el peso volumétrico empieza a disminuir con el aumento de agua. En relación a un proceso de compactación de campo, dicho contenido de agua en el óptimo para el equipo y la energía correspondientes. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 98 GRÁFICA TÍPICA DE CONTENIDO DE AGUA En el caso de la compactación de materiales puramente friccionantes, el agua funciona como un lubricante para permitir el mejor acomodo de sus partículas, pero si le adicionamos agua por encima de la humedad óptima no le en perjudicial, ya que esta será drenada por las mismas características del material, ya que no retienen agua en sus partículas. El sentido en el cual se recorra la escala de humedades al efectuar la compactación. Este proceso se resalta en las pruebas que se realizan en el laboratorio, en las que es común presentar resultados en base a gráficas, las cuales se elaboran a partir de un suelo relativamente seco, al que se va agregando agua y las curvas son muy diferentes si se realizan a partir de un suelo húmedo, al que se le va retirando el agua. Las investigaciones experimentales demuestran que en el primer caso, se obtienen pesos específicos mayores que en el segundo. Este efecto parece ser particularmente notable en los suelos finos plásticos con contenidos de agua inferiores al óptimo. El contenido de agua original del suelo. Se refiere este concepto al contenido natural de agua que el suelo poseía antes de añadirle o quitarle humedad para compactarlo, en busca del contenido óptimo o cualquier otro con el que se hubiere decidido la compactación. En el proceso de campo, el contenido de agua original, no solo ejerce gran influencia en la respuesta del suelo al equipo de compactación, sino que también gobierna en gran parte el comportamiento interior de la masa del suelo. 10.3.2. Energía de compactación. La energía especifica. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 99 Se entiende por energía específica de compactación la que se entrega al suelo por unidad de volumen, durante el proceso mecánico de que se trate. E =Nn Wh V Donde: E = Energía especifica N = Número de golpes del pisón compactador por cada una de las capas en que se acomoda el material en el molde de compactación. n = Número de capas que se disponen hasta llegar al molde. W = Peso del pisón compactador. V = Volumen total del molde de compactación, igual al volumen total del suelo compactado. H = Altura de caída del pisón al aplicar los impactos al suelo. 10.3.3 La recompactación. El material que ha sido compactado varias veces, al compactarlo nuevamente, no presenta problema alguna, sino por el contrario, en la practica se ha observado que el material recompactado presenta mayores pesos volumétricos, lo que se refiere a un mejor acomodo. 10.3.4 La temperatura. La temperatura ejerce un importante efecto en los procesos de compactación de campo, en primer lugar por efectos de evaporación del agua incorporada al suelo o de condensación de la humedad ambiente en el mismo. Además, puede llegar a ejercer algún efecto en la consistencia y manejabilidad de los suelos con que se trabaja. 10.3.5 La velocidad de compactación. La velocidad a la cual se desplaza el equipo de compactación, es de suma importancia, ya que depende de ello la concentración de la energía de compactación, por lo tal a mayor velocidad del compactador, será menor transmisión de la energía que se refleja en el peso volumétrico. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 100 BIBLIOGRAFÍA 1 JUÁREZ BADILLO Y RICO RODRÍGUEZ MECÁNICA DE SUELOS (TOMO I),- EDITORIAL LIMUSA. 2 CRESPO VILLALAZ C. MECÁNICA DE SUELOS Y CIMENTACIONES EDITORIAL LIMUSA. 3 LAMBE T.W. Y R. WITMAN. MECÁNICA DE SUELOS EDITORIAL LIMUSA. 4 TERZAGHI K. Y R.B. PECK. MECÁNICA DE SUELOS EN LA INGENIERÍA PRÁCTICA EDITORIAL ATENEO. 5 MANUAL DE LA COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD. 6 RICO RODRÍGUEZ Y HERMILO DEL CASTILLO INGENIERÍA DE SUELOS APLICADA A LAS VIAS TERRESTRES EDITORIAL LIMUSA. 7 NORMATIVA PARA LA INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE SECRETARIA DE COMUNICACIONES Y TRANSPORTES INSTITUTO MEXICANO DEL TRANSPORTE EDICIÓN 2004 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 101 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 102 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 103 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 104 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 105 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 106 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 107 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 108 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 109 MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 110 a).- Nombre de la práctica. Identificación preliminar de una arcilla. b).- Objetivo. Determinar en forma previa a que tipo de arcilla pertenece un grumo de suelo plástico, mediante el procedimiento de la prueba de Inmersión del Grumo en Agua..(Método Australiano) c).- Material y equipo.  Matraz de precipitado.  Un grumo de arcilla.  Una lupa.  Agua destilada o de lluvia.  Papel y bolígrafo d).- Introducción. Para el Ingeniero Civil, es importante conocer que tipo de arcilla que constituye el terreno natural, para estimar cuales son sus propiedades de plasticidad, que problemas provocará en una estructura una arcilla motmorilonita con respecto a los cambios volumétricos por la perdida o ganancia de humedad, además de predecir el nivel de asentamiento que provocará la estructura dependiendo del tipo de arcilla que constituye a dicho terreno. Y sobre todo, decidir el método de estabilización o mejoramiento de la arcilla para desplantar una estructura disminuyendo el riesgo de una falla e).- Actividades a realizar. 1. Realizar las actividades de acuerdo a lo indicado en el siguiente diagrama de flujo. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 111 2.- 3.- Realizar un reporte acerca de las observaciones realizadas y conclusiones acerca del tipo de arcilla identificada. a).- Nombre de la práctica. Obtención de una muestra inalterada. b).- Objetivo. Extraer una muestra inalterada del material que constituye un estrato del terreno natural, conservando sus propiedades de humedad, masa volumétrica y posición. c).- Material y equipo.  Barreta  Pala redonda  Pala cuadrada  Zalpapico  Flexómetro.  Espátula.  Plástico transparente autoadherible.  .Trozo de madera de 30.0 por 30.0 cm.  Papel y bolígrafo d).- Introducción. Para el Ingeniero Civil, es de fundamental importancia, el conocer el procedimiento mediante el cual se extrae una muestra de un estrato del terreno natural, INMERSIÓN EN AGUA DESTILADA, DEL GRUMO SECADO AL AIRE EL GRUMO NO SE AFLOJA EL GRUMO SE AFLOJA Y SE DISGREGA PARCIALMENTE DISPERSIÓN TOTAL HALOS* (Motmorilonitas salinas, frecuentemente también carbonatos) DISPERCIÓN PARCIAL HALOS* (Ilitas salinas) NO SE PRESENTA ESPANSIÓN, (Suelos orgánicos) NOSE PRESENTA EXPANSIÓN, (Arcilla laterítica) SE TOMAN GRUMOS INALTERADOS HUMEDOS, SE REMOLDEAN LIGERAMENTE Y SE SUMERGEN EN AGUA. SE PRESENTA DISPERSIÓN (Ilitas) NO SE PRESENTA DISPERSIÓN PRESENCIA DE CARBONATO Y YESO** (Ilita ca/Mg, motmorilonita ca/Mg) AUSENCIA DE CARBONATOS Y YESO, SE AGITA VIGOROSAMENTE SE PRESENTA DISPERCIÓN (Ilitas) NO SE PRESENTA DISPERCIÓN (Caolinita) MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 112 conservando sus propiedades inalteradas, para que su análisis en el laboratorio nos arroje valores confiables en cuanto a sus propiedades mecánicas. e).- Actividades a realizar. 2. Definir el lugar en el terreno natural, sobre el cual se realizará la extracción de la muestra inalterada. 3. Realizar una excavación en un área suficiente en la cual se pueda maniobrar para extraer el material producto de la excavación. Llevando dicha excavación hasta la profundidad a la cual se localiza el estrato sobre el cual se pretende extraer la muestra inalterada. 4. Labrar con una espátula una muestra ya sea sobre el piso o sobre la pared de la excavación, la cual tendrá forma de un cubo regular de 25.0 centímetros por lado, manteniéndola unida en la parte inferior al terreno natural 5. Colocar una etiqueta de papel en la parte posterior de la muestra, en la cual se indique la ubicación del lugar de extracción, la profundidad y los datos necesarios para identificar la muestra. 6. Envolver la muestra con plástico transparente autoadherible, con la cantidad necesaria para que la muestra no pierda humedad. 7. Cortar la parte inferior de la muestra y terminar de envolverla. 8. Colocar la muestra sobre la base de madera y transportarla al laboratorio. a).- Nombre de la práctica. Exploración del terreno natural con posteadora. b).- Objetivo. Determinar los estratos que componen el terreno natural en una forma superficial, definiendo: sus espesores; su descripción geológica; y sus características más importantes como (humedad, alteración, oxidación, Etc.). Empleando diferentes tipos de porteadoras. c).- Material y equipo.  Barreta  Pala redonda  Posteadoras de diferentes tipos.  Flexómetro.  Zalpapico. d).- Introducción. Para el Ingeniero Civil, es de fundamental importancia, el conocer la constitución estratigráfica del terreno natural, sobre el cual pretenda desplantar la cimentación de una estructura, en muchas situaciones en las cuales se enfrenta el Ingeniero, no se cuenta con Estudio de Mecánica de Suelos, por lo que se debe conocer los tipos de materiales que constituyen el terreno natural y distinguir sus propiedades cualitativas, para tomar una desicion adecuada con respecto al tipo de MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 113 cimentación a emplear y el mejoramiento al terreno que se requiere, para mejorar las propiedades de resistencia o drenaje. e).- Actividades a realizar. 9. Definir el lugar en el cual se realizará la exploración al terreno natural. 10. Retirar el estrato formado por la capa vegetal, empleando un zalpapico y la pala cuadrada en un área aproximada de 40.0 por 40.0 centímetros. 11. Continuar la exploración con el equipo de porteadora, hasta una profundidad aproximada de 1.50 metros, separando los materiales extraídos de cada estrato, definiendo algunas propiedades de forma visual, como espesor, color, textura, nivel de saturación, tipo, etc. 12. Realizar un esquema en el cual se dibuje un perfil estratigráfico, describiendo en forma breve la propiedades de los materiales y una conclusión en la cual a criterio de los alumnos, se defina cual sería el estrato mas adecuado para desplantar la cimentación de una estructura. a).- Nombre de la práctica. Determinación del peso volumétrico de una muestra inalterada. b).- Objetivo. Determinar el peso volumétrico de una muestra inalterada de suelo. c).- Material y equipo.  Balanza de precisión.  1 kg. de Parafina.  Recipiente metálico de 4.0 lts..  1 mt. De hilo.  Espátula.  Cubeta.  Bolígrafo y papel. d).- Introducción. Para calcular la resistencia de un suelo, por medio de su capacidad de carga sin importar la teoría que se empleé en los cálculos, para definir su coeficiente de variación volumétrica de un suelo para cuantificar los acarreos o determinar la cantidad de estabilizador que se requiere en un suelo, son algunos de los casos en los cuales se requiere de la aplicación del peso volumétrico de un suelo en su estado natural. Para conocer esta propiedad del suelo, se emplea el principio de Arquimedes, por medio del cual conocemos el volumen de un cuerpo con geometría irregular, al sumergirlo en un líquido, por medio del volumen desalojado. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 114 e).- Actividades a realizar. 13. De una muestra inalterada, se labra un fragmento de forma aproximadamente cúbica, de dimensiones de 10.0 centímetros por lado.. 14. En un recipiente metálico, se funde la parafina, hasta que en estado líquido, presente una temperatura aproximada de 60.0°C. 15. El Fragmento de la muestra de suelo, se pesa al aire en la balanza de precisión, anotando su peso en gramos ( Pm). 16. El Fragmento de la muestra de suelo, se introduce en la parafina por partes, hasta conseguir su impermeabilidad total. 17. Se deja enfriar la muestra hasta que la parafina pierda se adhesividad y se pesa recubierta de parafina, anotando su peso en gramos (Pmp). 18. Se amarra con un hilo la muestra recubierta y se pesa sumergida en la cubeta llena con agua, anotando su peso sumergido en gramos (Ps) 19. Se calcula el peso volumétrico con la siguiente formula: Pv = Pm/ (Ps -((Pmp-Pm)/Dp)) .Donde: Pv = Peso volumétrico del suelo Pm = Peso de la muestra al aire en gramos. Ps = Peso sumergído de la muestr, en grs. Pmp = Peso de la muestra recubierta de parafina. Dp = Densidad de la parafina, (de 0.93) a).- Nombre de la práctica. Determinación del contenido de humedad en un suelo. b).- Objetivo. Determinar la cantidad de fase líquida que se encuentra dentro de la masa de un suelo. c).- Material y equipo.  Balanza de precisión.  Horno de temperatura controlada.  Charola circular o capsula para humedad de aluminio.  Fuente de calor.  Espátula.  Bolígrafo y papel. d).- Introducción. En gran parte de las actividades de la Ingeniería Civil es de suma importancia el determinar el contenido de humedad que tienen los suelos, ya que en su mayoría de ellos, su comportamiento mecánico y de resistencia, está en función directa de la cantidad de agua que contiene, Los mayores catástrofes naturales en los cuales se colapsan las obras civiles se deben al aumento de la humedad en los materiales, que provocan su inestabilidad por la perdida de resistencia, por ello es MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 115 de vital importancia el conocer los rangos de humedad en los cuales se debe mantener un suelo para aprovechar sus mejores propiedades mecánicas. e).- Actividades a realizar. 20. De una muestra de suelo, se pesa una porción representativa y se registra su peso en gramos (Pm) 21. Se coloca la muestra pesada en una charola redonda o en una capsula para humedades y se introduce al horno a una temperatura de 110°C, durante un lapso de 16 horas, o se puede secar en una fuente de calor moviéndola constantemente para evitar el quemado de la materia orgánica, se coloca constantemente un vidrio en la parte posterior para determinar cuando el suelo está completamente seco (cuando el vidrio se empaña, significa que el suelo sigue evaporando humedad). . 22. Se saca la muestra del horno o cuando ya no se empaña el vidrio, se deja enfriar en un desecador para que no absorba humedad del ambiente y se pesa en la balanza, registrando su peso seco en gramos (Ps). 23. Se calcula el contenido de la humedad en por ciento con la siguiente formula: W = ((Pm-Ps)/Ps)*100 .Donde: W = Contenido de humedad en por ciento. Pm = Peso de la muestra en gramos. Ps = Peso seco de la muestra, en gramos. a).- Nombre de la práctica. Determinación de la composición granulométrica. b).- Objetivo. Determinar el porcentaje de partículas de cada tamaño en porcentaje, del cual está compuesta una muestra de suelo. c).- Material y equipo.  Bascula de 120 Kg.  Balanza de 3000 Grs.  Mallas de 3”, 21/2”, 2”, 11/2”, 1”, ¾”,1/2”, ¼”, Nos. 4,10,20,40,60,100 y 200  Cucharón de lamina.  Charola rectangular.  Recipiente metálico de 1.0 lts..  Fuente de calor.  Molde metálico de 10.0 lts.  Bolígrafo y papel. d).- Introducción. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 116 Las propiedades mecánicas de un suelo grueso, y su resistencia al esfuerzo cortante, están directamente en función de su composición granulométrica y la orientación de sus partículas, por ello, es de suma importancia conocer la cantidad de tamaños que forman sus partículas para predecir su comportamiento. A su vez para realizar la clasificación de un suelo, por el Sistema Internacional “SUCS”, se requiere de calcular los coeficientes de curvatura que están en función de su curva granulométrica. e).- Actividades a realizar. 1.- Obtenida una muestra alterada de suelo, de 40.0 kg. aproximados, se prepara la muestra por medio del secado, disgregado y cuarteo, llenando el molde metálico de 10.0 lts.,de los cuarteos opuestos de la muestra con el cucharón de lamina, a una altura de caída de 15.0 cm. Aproximados. 2.- Se enraza el molde, y se pesa el material empleado, para dividirlo entre el volumen del molde y determinar su peso volumétrico seco suelto, en kg/m3.. 3.- Se coloca el material introducido en el molde, en un charola rectangular y se hace pasar mediante cribado por cada una de las mallas incluidas dentro de los tamaños de 3” a la No. 4. 4.- Del material que pasa la malla No. 4, se obtienen 200 grs. Y se dejan saturando en un recipiente metálico de 1.0 lts., durante 16 horas, o se hierven a fuego lento durante 15 minutos para que todas sus partículas se disuelvan. 5.- El material saturado o hervido, se escurre y se seca dentro del mismo recipiente en la fuente de calor, posteriormente, se hace pasar mediante cribado, por las mallas incluidas dentro de los tamaños de la No. 4 a la No. 200. 6.- Durante el cribado de la muestra, se anota el peso en gramos retenido en cada una de las mallas. 7.- Se calcula el por ciento retenido en cada malla, dividiendo el peso retenido entre el peso total de la muestra por cien. 8.- Se van sumando los por cientos parciales de cada malla, para definir los porcentajes acumulados, y graficar así la curva granulométrica. a).- Nombre de la práctica. Determinación del límite líquido de un suelo. b).- Objetivo. Determinar el contenido de humedad en el cual un suelo pasa de un estado plástico, a un estado semilíquido. c).- Material y equipo.  Cápsula de porcelana.  Espátula de acero flexible de 7.5 cm de largo por 2.0 cm de ancho.  Gotero.  Copa de Casagrande.  Balanza de 200 g.  Horno con termostato.  Desecador de cristal. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 117  Vaso con capacidad de 500 ml.  Paño absorbente-.  Vidrio de reloj.  Placa de vidrio.  Bolígrafo y papel. d).- Introducción. Para el Ingeniero Civil, es de vital importancia conocer los estados de consistencia que presenta un suelo con el aumento o disminución de la humedad, ya que en cada uno de esos estados, presentan diferente comportamiento mecánico. El saber que una estructura cívil, se puede asentar, e inclusive colapsar si el suelo sobre el cual esta desplantado aumenta su humedad y pasa de un estado plástico a un estado semilíquido o líquido. Y por el contrario, el Ingeniero Civil, debe saber que la mayor resistencia de un suelo, se presenta dentro del rango de humedad del estado plástico, por ello toma importancia el conocer los límites en los cuales el suelo pasa de un estado a otro. . e).- Actividades a realizar. 1.-se toma una muestra de 150 g. de material que pasa la malla no 40 saturado, y se coloca en la cápsula de porcelana y se homogeniza la humedad con la espátula. 2.-se coloca en la copa de Casagrande el material suficiente y se extiende con la espátula en un espesor de 8 a 10 mm en la parte central de la muestra colocada. 3.-se efectúa una ranura en la parte central con una pasada del ranurador. 4.-se acciona la manivela del aparato para hacer caer la copa, a razón de dos golpes por segundo, durante 25 golpes, y se ajusta el contenido de dad hasta que la longitud de contacto de la muestra sea de 13 mm. 5.- se toman 10 g. de material y se colocan en un vidrio de reloj. 6. - se determina el contenido de humedad y se reporta el límite líquido, en por ciento. a).- Nombre de la práctica. Determinación del límite plástico de un suelo. b).- Objetivo. Determinar el contenido de humedad en el cual un suelo pasa de un estado semisólido, a un estado plástico. c).- Material y equipo.  Cápsula de porcelana.  Espátula de acero flexible de 7.5 cm de largo por 2.0 cm de ancho.  Gotero.  Balanza de 200 g. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 118  Horno con termostato.  Desecador de cristal.  Vaso con capacidad de 500 ml.  Paño absorbente-.  Vidrio de reloj.  Placa de vidrio.  Bolígrafo y papel. d).- Introducción. Para el Ingeniero Civil, es de vital importancia conocer los estados de consistencia que presenta un suelo con el aumento o disminución de la humedad, ya que en cada uno de esos estados, presentan diferente comportamiento mecánico. El saber que una estructura cívil, se puede asentar, e inclusive colapsar si el suelo sobre el cual esta desplantado aumenta su humedad y pasa de un estado plástico a un estado semilíquido o líquido. Y por el contrario, el Ingeniero Civil, debe saber que la mayor resistencia de un suelo, se presenta dentro del rango de humedad del estado plástico, por ello toma importancia el conocer los límites en los cuales el suelo pasa de un estado a otro. . e).- Actividades a realizar. 1.-se toma una muestra de material preparado, y se le da forma de una esfera de 12 mm de diámetro, que deberá moldearse con los dedos para que pierda la humedad y se forma un cilindro manipulándola sobre la palma de la mano. 2.-se rola el cilindro con los dedos sobre la placa de vidrio reduciendo su diámetro ligeramente mayor de 3 mm. 3.-si al alcanzar dicho diámetro el cilindro se rompe en varias secciones, precisamente a los 3mm, se dice que esta en el límite plástico. 4.-se colocan en un vidrio de reloj los fragmentos del cilindro y se determina el contenido de humedad reportando así el límite plástico. a).- Nombre de la práctica. Prueba Porter. b).- Objetivo. Determinar del peso volumétrico seca máximo de un suelo, por medio de carga estática, empleando el procedimiento de la prueba Porter . c).- Material y equipo.  Prensa de carga estática con una capacidad de 100 toneladas.  Molde metálico de 15.0 cm. De diámetro, y 12.0 cm. De altura, compuesto de base, molde y collarín. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 119  Varilla punta de bala.  Bascula de 120 Kg.  Balanza de 3000 Grs.  Malla de 1”.  Cucharón de lámina.  Charola rectangular.  Recipiente metálico de 1.0 lts..  Fuente de calor.  Molde metálico de 10.0 lts.  Bolígrafo y papel. d).- Introducción. Para calcular el grado de compactación de una capa de suelo o terreno natural, cuando el proyecto indique como prueba de comparación una de carga estática, se deberá de calcular dicho porcentaje, como una comparación del peso volumétrico seco máximo obtenido con la prueba Porter, la cual nos representa en el laboratorio el procedimiento de compactación de suelos cohesivos-friccionantes mediante el compactador de rodillo liza vibratorio. e).- Actividades a realizar. 1.- De una muestra alterada de suelo, se seca, disgrega y cuartea y de un cuarteo, se criba por la malla de 1”. 2.- Del material que pasa la malla de 1”, se pesan 5.0 kgs, y se colocan en una charola cuadrada. Se le incorpora agua al suelo en un volumen pequeño y se homogeniza manipulándola con las manos. 4.- Se repite el incremento de agua hasta obtener la humedad óptima, la cual se comprueba que al comprimir una porción de material con la palma de la mano y formando un grumo, este se fragmente en dos porciones al comprimirlo con los dedos pulgar y medio. . 5.- Del material húmedo, se pesan 4.0 kg. Y se colocan dentro del molde metálico, en tres porciones, acomodando el material con 30 golpes por cada capa con la varilla punta de bala. 6.- Se coloca el molde en la prensa y se le aplica carga estática en una forma lenta, tal que en cinco minutos debe llegar hasta una presión 160 kg/cm2. 7.- La carga se mantiene por un lapso de un minuto debiendo de expulsar una gota de agua en la base del molde, para indicar que el suelo contiene la humedad óptima, y a descarga se hace en un lapso de otro minuto. Si no expulsa la gota de agua, significa que al suelo le falta humedad, y si por el contrario expulsa agua en demasía, indica que el suelo tiene humedad superior a la óptima, debiéndose repetir el proceso hasta conseguir la humedad óptima. 8.- Cuando se obtiene la certeza de que la muestra se compactó con la humedad óptima, se retira el molde de la prensa, se le quita el collarín y se determina la altura faltante del material dentro del molde. 9.- Del material sobrante en la charola, se pesan 500 gramos, para determinar su contenido de humedad. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 120 10.- Se calcula el volumen ocupado por el material dentro del molde, el cual al ser dividido por el peso empleado de 4.0 kg. Se obtiene el peso volumétrico húmedo máximo. 11.- Se corrige el peso volumétrico anterior por la humedad que contiene y se determina el peso volumétrico seco máximo, reportándose junto con su humedad óptima. a).- Nombre de la práctica. AASHTO estándar. b).- Objetivo. Determinar el peso volumétrico seco máximo y la humedad óptima, en suelos que se emplean en la construcción de terracerías, compactando la muestra en un molde en tres capas, con un pizón de 2.5 kg., de peso y una caída libre de 30.5 cm. c).- Material y equipo.  Prensa de carga estática con una capacidad de 100 toneladas.  Molde metálico, compuesto de base, molde y collarín.  Pizón metálico.  Bascula de 120 Kg.  Balanza de 3000 Grs.  Malla de 3/4”.  Malla No. 4.  Regla metálica.  Base cúbica de madera.  Probeta graduada de 500 cm3.  Cucharón de lámina.  Charola rectangular.  Recipiente metálico de 1.0 lts..  Fuente de calor.  Bolígrafo y papel. d).- Introducción. Para calcular el grado de compactación de una capa de terracerías o terreno natural, se deberá de calcular dicho porcentaje, como una comparación del peso volumétrico seco máximo obtenido con la prueba AASHTO estándar, la cual nos representa en el laboratorio el procedimiento de compactación de suelos cohesivos ó friccionantes. La prueba tiene cuatro variantes: A. Se aplica a materiales que pasan la malla No. 4 y se emplea el molde de 4” de diámetro. B. Se aplica a materiales que pasan la malla No. 4 y se emplea el molde de 6” de diámetro. C. Se aplica a materiales que tienen retenido en la malla No. 4 y se efectúa en la fracción que pasa la malla de ¾”, se emplea el molde de 4” de diámetro. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 121 D. Se aplica a materiales que tienen retenido en la malla No. 4 y se efectúa en la fracción que pasa la malla de ¾”, se emplea el molde de 6” de diámetro. Para elegir la variante adecuada, se debe considerar preferentemente, el molde de 4”, pero si presenta problemas para efectuar la prueba, se empleará el molde de 6”. e).- Actividades a realizar. 1.- De una muestra secada, disgregada y cuarteada, se toman 4 kg. aproximadamente de material para las variantes A y C, que pase la malla No. 4. Y 7.5 kg. aproximadamente de material para las variantes B y D, que pasen la malla de ¾ de pulgada. 2.- Se agrega humedad repartida uniformemente del 4 al 6 % inferior a la óptima estimada, tal que al comprimir una porción en la palma de la mano, no deje partículas adheridas a esta, ni la humedezca, y que a la vez el material pueda tomarse con dos dedos sin desmoronarse. 3.- Para las variantes A y C , se criba el material por la malla No. 4 y para las variantes B y D, no es necesario. 4.- Se divide el material en tres porciones y se coloca una de ellas en el molde, y apoyándose sobre el bloque resistente, se compacta con el pizón, repartiendo uniformemente los golpes en el material, siendo 25 golpes para las variantes A y C y 56 golpes para las variantes B y D. 5.- Se escarifica la superficie de la capa compactada y se repite el proceso de compactación dentro del molde para las otras dos porciones de material.. 6.- Se retira el collarín del molde y se enrasa el espécimen con la regla metálica, depositando el excedente en la charola.. 7.- Se pesa el cilindro de molde con el material y se anota su peso. 8.- Se saca el espécimen del cilindro, se corta y se toma una porción representativa de la parte central, para determinar su contenido de humedad. 9.- Se incorpora el material sobrante y se disgregan los grumos. Se agrega el 2 % de agua aproximadamente con respecto al peso inicial de la muestra y se repiten las acciones indicadas en los puntos 4 a 8. 10.- Se realizan cuatro o cinco determinaciones hasta que se igualen los pesos volumétricos o el último sea menor que el penúltimo. A. Se determina el contenido de humedad de cada uno de los especimenes. B. Recalcula el peso volumétrico húmedo del material con la siguiente formula: Peso Vol. = (Peso del material mas el molde / Vol. Del cilindro) X 100 C. Se calcula el peso volumétrico seco mediante la siguiente formula: Peso Vol. Seco = Peso Vol. Húmedo / (100 + el contenido de humedad) D. Se grafica el peso volumétrico seco contra el contenido de humedad de cada uno de los especimenes elaborados. E. Se reporta el peso volumétrico seco máximo que corresponde a la cresta de la curva graficada y la humedad óptima equivalente al contenido de agua del mismo punto. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 122 a).- Nombre de la práctica. AASHTO modificada 3 capas. b).- Objetivo. Determinar el peso volumétrico seco máximo y la humedad óptima, en suelos que se emplean en la construcción de capas de un pavimento, compactando la muestra en un molde en tres capas, con un pizón de 4.54 kg., de peso y una caída libre de 47.5 cm. c).- Material y equipo.  Prensa de carga estática con una capacidad de 100 toneladas.  Molde metálico, compuesto de base, molde y collarín.  Pizón metálico.  Bascula de 120 Kg.  Balanza de 3000 Grs.  Malla de 3/4”.  Malla No. 4.  Regla metálica.  Base cúbica de madera.  Probeta graduada de 500 cm3.  Cucharón de lámina.  Charola rectangular.  Recipiente metálico de 1.0 lts..  Fuente de calor.  Bolígrafo y papel. d).- Introducción. Para calcular el grado de compactación de una capa de terracerías o terreno natural, se deberá de calcular dicho porcentaje, como una comparación del peso volumétrico seco máximo obtenido con la prueba AASHTO modificada tres capas, la cual nos representa en el laboratorio el procedimiento de compactación de suelos cohesivos ó friccionantes. La prueba tiene cuatro variantes: E. Se aplica a materiales que pasan la malla No. 4 y se emplea el molde de 4” de diámetro. F. Se aplica a materiales que pasan la malla No. 4 y se emplea el molde de 6” de diámetro. G. Se aplica a materiales que tienen retenido en la malla No. 4 y se efectúa en la fracción que pasa la malla de ¾”, se emplea el molde de 4” de diámetro. H. Se aplica a materiales que tienen retenido en la malla No. 4 y se efectúa en la fracción que pasa la malla de ¾”, se emplea el molde de 6” de diámetro. Para elegir la variante adecuada, se debe considerar preferentemente, el molde de 4”, pero si presenta problemas para efectuar la prueba, se empleará el molde de 6”. e).- Actividades a realizar. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 123 1.- De una muestra secada, disgregada y cuarteada, se toman 4 kg. aproximadamente de material para las variantes A y C, que pase la malla No. 4. Y 7.5 kg. aproximadamente de material para las variantes B y D, que pasen la malla de ¾ de pulgada. 2.- Se agrega humedad repartida uniformemente del 4 al 6 % inferior a la óptima estimada, tal que al comprimir una porción en la palma de la mano, no deje partículas adheridas a esta, ni la humedezca, y que a la vez el material pueda tomarse con dos dedos sin desmoronarse. 3.- Para las variantes A y C , se criba el material por la malla No. 4 y para las variantes B y D, no es necesario. 4.- Se divide el material en tres porciones y se coloca una de ellas en el molde, y apoyándose sobre el bloque resistente, se compacta con el pizón, repartiendo uniformemente los golpes en el material, siendo 25 golpes para las variantes A y C y 56 golpes para las variantes B y D. 5.- Se escarifica la superficie de la capa compactada y se repite el proceso de compactación dentro del molde para las otras dos porciones de material.. 6.- Se retira el collarín del molde y se enrasa el espécimen con la regla metálica, depositando el excedente en la charola.. 7.- Se pesa el cilindro de molde con el material y se anota su peso. 8.- Se saca el espécimen del cilindro, se corta y se toma una porción representativa de la parte central, para determinar su contenido de humedad. 9.- Se incorpora el material sobrante y se disgregan los grumos. Se agrega el 2 % de agua aproximadamente con respecto al peso inicial de la muestra y se repiten las acciones indicadas en los puntos 4 a 8. 10.- Se realizan cuatro o cinco determinaciones hasta que se igualen los pesos volumétricos o el último sea menor que el penúltimo. F. Se determina el contenido de humedad de cada uno de los especimenes. G. Recalcula el peso volumétrico húmedo del material con la siguiente formula: Peso Vol. = (Peso del material mas el molde / Vol. Del cilindro) X 100 H. Se calcula el peso volumétrico seco mediante la siguiente formula: Peso Vol. Seco = Peso Vol. Húmedo / (100 + el contenido de humedad) I. Se grafica el peso volumétrico seco contra el contenido de humedad de cada uno de los especimenes elaborados. J. Se reporta el peso volumétrico seco máximo que corresponde a la cresta de la curva graficada y la humedad óptima equivalente al contenido de agua del mismo punto. a).- Nombre de la práctica. AASHTO modificada 5 capas. b).- Objetivo. Determinar el peso volumétrico seco máximo y la humedad óptima, en suelos que se emplean en la construcción de capas de un pavimento, compactando la muestra en un molde en cinco capas, con un pizón de 4.54 kg., de peso y una caída libre de 47.5 cm. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 124 c).- Material y equipo.  Prensa de carga estática con una capacidad de 100 toneladas.  Molde metálico, compuesto de base, molde y collarín.  Pizón metálico.  Bascula de 120 Kg.  Balanza de 3000 Grs.  Malla de 3/4”.  Malla No. 4.  Regla metálica.  Base cúbica de madera.  Probeta graduada de 500 cm3.  Cucharón de lámina.  Charola rectangular.  Recipiente metálico de 1.0 lts..  Fuente de calor.  Bolígrafo y papel. d).- Introducción. Para calcular el grado de compactación de una capa de terracerías o terreno natural, se deberá de calcular dicho porcentaje, como una comparación del peso volumétrico seco máximo obtenido con la prueba AASHTO modificada cinco capas, la cual nos representa en el laboratorio el procedimiento de compactación de suelos cohesivos ó friccionantes. La prueba tiene cuatro variantes: I. Se aplica a materiales que pasan la malla No. 4 y se emplea el molde de 4” de diámetro. J. Se aplica a materiales que pasan la malla No. 4 y se emplea el molde de 6” de diámetro. K. Se aplica a materiales que tienen retenido en la malla No. 4 y se efectúa en la fracción que pasa la malla de ¾”, se emplea el molde de 4” de diámetro. L. Se aplica a materiales que tienen retenido en la malla No. 4 y se efectúa en la fracción que pasa la malla de ¾”, se emplea el molde de 6” de diámetro. Para elegir la variante adecuada, se debe considerar preferentemente, el molde de 4”, pero si presenta problemas para efectuar la prueba, se empleará el molde de 6”. e).- Actividades a realizar. 1.- De una muestra secada, disgregada y cuarteada, se toman 4 kg. aproximadamente de material para las variantes A y C, que pase la malla No. 4. Y 7.5 kg. aproximadamente de material para las variantes B y D, que pasen la malla de ¾ de pulgada. 2.- Se agrega humedad repartida uniformemente del 4 al 6 % inferior a la óptima estimada, tal que al comprimir una porción en la palma de la mano, no deje partículas adheridas a esta, ni la humedezca, y que a la vez el material pueda tomarse con dos dedos sin desmoronarse. MECÁNICA DE SUELOS I DR. FRANCISCO JAVIER OLGIUN COCA 125 3.- Para las variantes A y C , se criba el material por la malla No. 4 y para las variantes B y D, no es necesario. 4.- Se divide el material en cinco porciones y se coloca una de ellas en el molde, y apoyándose sobre el bloque resistente, se compacta con el pizón, repartiendo uniformemente los golpes en el material, siendo 25 golpes para las variantes A y C y 56 golpes para las variantes B y D. 5.- Se escarifica la superficie de la capa compactada y se repite el proceso de compactación dentro del molde para las otras cuatro porciones de material.. 6.- Se retira el collarín del molde y se enrasa el espécimen con la regla metálica, depositando el excedente en la charola.. 7.- Se pesa el cilindro de molde con el material y se anota su peso. 8.- Se saca el espécimen del cilindro, se corta y se toma una porción representativa de la parte central, para determinar su contenido de humedad. 9.- Se incorpora el material sobrante y se disgregan los grumos. Se agrega el 2 % de agua aproximadamente con respecto al peso inicial de la muestra y se repiten las acciones indicadas en los puntos 4 a 8. 10.- Se realizan cuatro o cinco determinaciones hasta que se igualen los pesos volumétricos o el último sea menor que el penúltimo. K. Se determina el contenido de humedad de cada uno de los especimenes. L. Recalcula el peso volumétrico húmedo del material con la siguiente formula: Peso Vol. = (Peso del material mas el molde / Vol. Del cilindro) X 100 M. Se calcula el peso volumétrico seco mediante la siguiente formula: Peso Vol. Seco = Peso Vol. Húmedo / (100 + el contenido de humedad) N. Se grafica el peso volumétrico seco contra el contenido de humedad de cada uno de los especimenes elaborados. O. Se reporta el peso volumétrico seco máximo que corresponde a la cresta de la curva graficada y la humedad óptima equivalente al contenido de agua del mismo punto. 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