Defi.Tamaño yForma de ParticulasPAC-011-(01)

DEFINICION DEL TAMAÑO Y FORMA DE LASPARTICULAS • Los procesos de meteorización y los efectos de transporte y depósito producen partículas individuales de suelos ampliamente variables en forma y tamaños. • El tamaño y forma de las partículas de un depósito de suelo tienen gran influencia en las propiedades y comportamiento estructural de un depósito por tanto las partículas de un suelo se describen en función de su tamaño usando términos como: grava, arena, limo, arcilla, asi: GRAVA.-Las gravas son acumulaciones sueltas de fragmentos de rocas y que tienen mas de 2mm de diámetro. Por su origen cuando son acarreadas por el agua las gravas sufren desgaste en sus aristas y por tanto son redondeadas. Como material suelto se encuentran en los lechos, en las márgenes y en los conos de deyección de los ríos y en muchas depresiones rellenas por el acarreo, etc. Las gravas ocupan grandes extensiones, pero por lo general se presentan con mayor o menor proporción de cantos rodados, arenas, limos y arcillas. Sus partículas varían desde 7.62cm (3”) hasta 2mm. La forma de las partículas y su relativa frescura mineralogica depende de la historia de la formación por lo que encontramos variaciones con elementos rodados a los elementos poliédricos ARENAS.- Se les da el nombre de arenas a los materiales finos procedentes de la denudación de las rocas o de su trituración artificial y cuyas partículas varían entre 2.0mm y 0.05mm de diámetro.. El origen y existencia de las arenas es semejante al de las gravas y además se les encuentra juntas en el mismo deposito.Asi las arenas de rió generalmente contienen porcentajes grandes de grava y arcilla.Cuando se encuentran limpias no se contraen al secarse, no son plásticas, son mucho menos compresibles que las arcillas y si se les aplica una carga en superficie se comprimen de una manera instantánea. LIMOS Son suelos d grano fino con poca o ninguna plasticidad, pueden ser inorgánicos como el que se produce en cantera u orgánico como el que suele encontrarse en los ríos ,siendo en estos casos de características plasticas El diámetro de las partículas esta comprendido entre 0.05mm y 0.005mm;sueltos y saturados son completamente inadecuados para soportar cargas por medio de zapatas .El color varia de gris a claro a muy oscuro la permeabilidad en los orgánicos es muy baja y su compresibilidad muy alta cuando no se prsenta en estado denso, no son considerados suelos para cimentar ARCILLAS.- Se da este nombre a las partículas con diámetro menor a 0.005mm y cuya masa tiene la propiedad de volverse plástica al ser mezclada con agua. Químicamente es un silicato de alumina hidratado; su estructura generalmente es cristalina y complicada y sus átomos esta dispuestos en forma de laminas CALICHE.- El termino caliche se aplica a ciertos estratos de suelos cuyos granos se encuentran cementados por carbonatos calcareos.Para la formación de los caliches es necesario un clima semiárido, La marga es una arcilla con carbonato de calcio; mas homogénea que el caliche y generalmente muy compacta y de color verdoso ..LOES.-Los loes son sedimentos uniformes y cohesivos. La cohesión que presentan es debida a la presencia de un cementante de tipo calcáreo y color generalmente es castaño claro .los Loes están comprendidos entre 0.01mm. y 0.05mm.,se caracterizan por que presentan agujeros verticales que han sido dejados por raíces extinguidas.Los Loes modificados son aquellos que han perdido sus características,,debido a procesos geológicos secundarios, tales como inmersión temporaria, erosión y formación de nuevos depositos.Debido al contenido calcáreo los cortes hechos en ,loes se mantienen generalmente casi verticales.Los loes son colapsables,aunque disminuyen esta tendencia al aumentársele su peso volumétrico. DIATOMITA.-Las Distomitas o tierras diatomadas son depósitos de polvo silicio,generalmente de color blanco, compuesto total o parcialmente por residuos de diatomeas, que son algas unicelulares, microscópicas de origen marino o de agua dulce, presentando las paredaza de sus células características silícicas. Panorama with images 843 and 845. C.M. & St. P. Railway cut (north side) 1 1/2 miles west of Manning, showing: 1. Buff loess - 10-15 feet; 2. Buff calcareous till (Kansan?) - 10 feet; 3. Gray pebbly clay, may be lower part of No. 2 - 3 feet; 4. Gray pebble-less laminated clay with black carbonaceous soil band - 0-1 feet; 5. Dense gray, non- calcareous gumbo, containing small pebbles - 12-15 feet; 6. Rusty yellow till (pre-Kansan?) - 15 feet. Warren Township, NW1/4, Sec. 18. Carroll County, Iowa. June 8, 1915. - ID. Alden, W.C. 844 - awc00844 - U.S. Geological Survey - Public domain image Fullsize image of Panorama with images 843 and 845. C.M. & St. P. Railway cut ... Views 0 GUMBO.-Es un suelo arcilloso fino generalmente libre de arena y que parece cera a la vista; pegajoso muy plástico y esponjoso. Es un material difícil de trabajar .- PROCESOS DE METEORIZACION • La destrucción gradual y gradacional de las masas de roca sólida durante largos periodos es atribuible a dos procesos principales: • -Meteorización Física. • -Meteorización Química. METEORIZACION FISICA. El proceso de fragmentación física o desintegración de la roca .Esta fragmentación puede ser el resultado de esfuerzos inducidos por la retracción (enfriamiento), liberación de esfuerzos por remoción de una capa superficial, por plegamiento o fallas ,agua qué penetra por las fisuras y se congela produciendo la caída de fragmentos, movimientos de glaciares, fuertes lluvias que arrastran materiales, acción del mar etc. FACTORES DEL INTEMPERISMO FÍSICO O MECÁNICO Los factores del intemperismo mecánico son: insolación, gelivación, palpitación, exfoliación, acción de las raíces y crecimiento cristalino METEORIZACION QUIMICA. • Es el proceso de descomposición química de alguno o todos los minerales que constituyen la masa rocosa, así por ejemplo: • El dióxido de Carbono (CO2) con el agua de lluvias forma una solución diluida de acido carbónico que puede atacar a muchos minerales que componen a la roca • El oxigeno de la atmósfera mas el oxigeno del agua de las lluvias ,puede causar oxidación (generalmente en las rocas que contienen hierro,etc,.).Se conoce que ocho elementos conforman mas del 98% del peso de la tierra (O, Si, Al ,Fe. Ca, Na, K, Mg), en forma de silicatos metálicos y óxidos, componentes principales de las rocas.,así por ejemplo: • El cuarzo (dióxido de silicio) altamente resistente a la meteorización química da como suelo derivado (gravas, arenas, partículas de limo). • La ortosa (aluminio-silicato de potasio) (moderadamente susceptible) da como suelo (partículas de mineral de arcillas de los grupos de de la caolinita y la illita.) • La plagioclasa (aluminio silicato de Na y Ca) moderadamente susceptible, da como suelo partículas de mineral de arcilla de los grupos de la monmorillonita y la illita, etc (mica, hornablenda augita, olivino). FACTORES DEL INTEMPERISMO QUÍMICO Los factores del intemperismo químico son cinco, el intemperismo mecánico, la composición mineralógica original, la profundidad de los materiales y las variaciones de la temperatura y de la humedad • FORMAS DEL INTEMPERISMO QUÍMICO • Estas formas dependen del agente y se denominan: • - Disolución. Es la forma más sencilla de ataque químico y consiste en disociar moléculas de rocas por ácidos como el carbónico y el húmico. Rocas solubles son las calizas y las evaporitas. • - Hidratación. Fragmentación de la roca como consecuencia del aumento de volumen producido por el agua de cristalización. Se explica porque algunos minerales pueden incorporar agua a su estructura cristalina, en proporción definida. Ej., yeso y anhidrita. • - Hidrólisis. Consiste en la incorporación de iones de H+ y OH- a la red estructural de los minerales. Supone separar una sal en ácido y base. Cuando el agua se descompone para que el ion OH- reaccione con las rocas, en especial silicatos y sobre todo feldespatos, se • obtienen arcillas. Las rocas ígneas tienen cationes metálicos Mg, Ca, Na, K, Fe y Al, que con el hidróxido (OH-) forman bicarbonatos y carbonatos solubles. • - Oxidación. Aquí los componentes de las rocas reaccionan con el oxígeno que se halla disuelto en el agua. Ocurre frecuentemente en los compuestos de hierro donde es más visible por los colores rojizos y amarillentos del Oxido e hidróxido férrico, respectivamente. • - Carbonatación. Fijación del CO2. Esta especie y el agua forman ácido carbónico. El H2CO3 reacciona a su vez con el carbonato cálcico para formar bicarbonato en los paisajes cársticos (propios de los yacimientos de mármoles, dolomías y calizas). • - Reducción. Que es disminuir o perder oxígeno, lo contrario de oxidación. Algunos minerales al sufrir reducción provocan la alteración de la roca GRADOS DE METEORIZACION: • Inalterada o Sana: No son visibles señales de meteorización. Roca fresca. Cristales brillantes. • Algunas discontinuidades pueden mostrar leves teñidos. • Levemente Alterada: Meteorización penetrativa desarrollada en superficies de discontinuidades abiertas, pero solo meteorización leve del material rocoso. Las discontinuidades están coloreadas y la coloración puede extenderse dentro de la roca unos pocos mm desde la superficie de la discontinuidad. • Rocas Moderadamente o ligeramente meteorizadas: La superficie de la roca se encuentra decolorada y/o los minerales teñidos u oxidados. Los colores más comunes en que suele teñirse son: pardo anaranjado, pardo, pardo rojizo, marrón, ocre, pardo amarillento, etc. Eventualmente, estos u otros colores pueden manchar los dedos. En algunos casos se puede reconocer el avance de la meteorización desde la superficie de la fractura algunos milímetros o centímetros hacia el interior de la roca. Se pueden apreciar bastantes cristales descolorados o teñidos. GRADOS DE METEORIZACION • La meteorización mecánica es la disgregación física de las rocas en fragmentos, a causa de los cambios de temperatura, humedad y actividad biológica • Rocas fracturadas, cuyos fragmentos más pequeños se hacen más vulnerables a la acción de otros agentesExternos. El agua de la lluvia y de la neblina provocan una meteorización química: La simple solución del calcio Marcas de solución de una caliza, aflorando en una región árida. Fragmentación de las rocas por dilatación: Grandes cambios de la temperatura ambiental provocan cambios del volumen. Sí los cambios son muy brusco, los bloques grandes pueden romperse. La rotura de insolación es una forma especial de la meteorización física. Aparece generalmente en sectores de grandes diferencias de temperaturas entre día y noche. • A)-Roca ligeramente meteorizada; a lo largo de fracturas. En las rocas se puede observar sectores de solución química. El agua puede entrar fácilmente por la fractura y ahí comienzan los cambios químicos • B)-Descamación de las rocas clásticas como consecuencia de la meteorización química Destrucción de una diorita por la destrucción de los minerales menos resistentes. El conjunto de la roca pierde, sí un mineral común no resiste las fuerzas físicas o químicas de la meteorización Roca carbonatada (Chert) fragmentada producto de la Meteorización física Areniscas que han sufrido Meteorización Química ROCAS DESINTEGRADAS: La alteración se extiende por toda la masa y el material rocoso es parcialmente disgregable. Todo el material excepto el cuarzo está coloreado. La roca puede ser excavada con martillo de geólogo. Más de la mitad de la roca ha devenido a suelo, pero en este caso aún la textura y las estructuras son reconocibles. Las partes blandas son deformables con poca dificultad y las partes rocosas son friables (que se puede desmenuzar con cierta facilidad). Rocas desintegradas en un Macizo Rocoso de arenisca Desintegración de Areniscas, con fragmentos de roca devenidos al suelo MECANICA DE SUELOS Se debe conocer que la Mecánica de Suelos es la Ciencia que se ocupa de Estudiar los esfuerzos que se producen en el suelo y los efectos a que dan lugar estos sobre el mismo; por tanto su campo es el estudio del suelo, el cual se puede abordar desde 3 puntos de vista diferentes; pero complementarios: 1- Estructura y propiedades del suelo. 2- Resistencia al corte y deformación del suelo. 3- investigación de su estado tensional. OBJETO: Establecer las condiciones geotécnicas Tanto locales como regionales para el emplazamiento y construcción de las diferentes obras de infraestructura civil; por lo tanto abarca lo siguiente: 1- ) Fases de prospección. 2- ) Estudio de las propiedades de los suelos (inconsolidados). 3.-) Estudio de las propiedades d las rocas (consolidados). Mediante: - Métodos de campo. Toma de muestras. Ensayos de Laboratorio. Análisis de los procesos geológicos, que dan lugar a los fenómenos de geodinamica externa. Otro objetivo importante es la determinación de la Interacción entre Suelo y Estructura; cuando esta le trasmite una carga y poder prever y adoptar medidas que eviten asientos (asentamientos) perjudiciales ya sean estos uniformes o diferenciales .Esta interacción produce cambios en los estados tensiónales de equilibrio estático tanto en la estructura como en el suelo. Por lo tanto la consecuencia mas importante de apoyar una estructura sobre un suelo es la alteración de su estado de equilibrio inicial que se manifiesta en 2 efectos principales que pueden dejar fuera de servicio la obra y son : 1-El suelo se deforma produciendo asientos. 2-Si la tensión es muy grande y supera la capacidad portante del suelo , la cimentación se hunde. De esto se tiene que Suelo de Cimentación o Terreno de Cimentación se denomina aquel que recibe directamente la acción de la parte de la estructura que se apoya sobre de el, denominada cimentación. Por tanto por terreno de cimentación se debe entender no solo la parte en contacto con la cimentación, sino el conjunto de capas yuxtapuestas que corresponden a espesores de suelos mas o menos homogéneos, estratos rocosos,y capas freáticas en equilibrio o sometidas a un movimiento de filtración. Por esto es necesario el estudio de los suelos: ORIGEN DE LOS SUELOS Para conocer el origen de los suelos tenemos que recordar a las rocas; que pueden definirse como ciertos cuerpos de los cuales esta formada la tierra.Cuando observamos a: ROCA.-Es un agregado natural de granos minerales ,unidos por grandes y permanentes fuerzas de cohesión; cuando observamos a las rocas vemos que son masas de minerales de un cierto volumen ,pero sin forma constante para cada clase .Las partículas que las forman son algunas veces de igual constitución o idéntico mineral ,como en el caso de las calizas y otras veces minerales diferentes ,como en los granitos .LOS MINERALES son agregados inorgánicos de partículas de idéntica composición química que constituyen las rocas .Finalmente CRISTALES se llama a las forma externas que toman los minerales ,bien amorfos o bien regidos por las leyes de la cristalografía . SUELO.-Es el conjunto de agregados minerales que pueden segregarse en elementos de dimensiones mas o menos grandes ,sin que haga falta para ello aplicar un gran esfuerzo mecánico y que provienen de procesos de alteración de las rocas ,de tipo químico, físico o mecanico.Un terreno estará formado en general por diferentes tipos de suelos. Una de las tareas mas comunes que se enfrenta el ingeniero es la manipulación del terreno para adaptarlo a la construcción de obras publicas.El estudio de las características físicas y mecánicas del suelo (Mecánica de Suelos), de la roca (Mecánica de Rocas)el conjunto de técnicas disponibles para materializar la tarea anterior recibe el nombre de GEOTECNIA El color del suelo es una de las características morfológicas más importantes, es la más obvia y fácil de determinar, permite identificar distintas clases de suelos, es el atributo más relevante utilizado en la separación de horizontes y tiene una estrecha relación con los principales componentes sólidos de este recurso. Foto 4. Suelo laterítico Foto 1. Suelo residual arcilloso Foto 2. Suelo residual granítico PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS DE LOS SUELOS EMPLEADOS EN LA INGENIERIA FORMACION GEOLOGICA Y NATURALEZA DE LOS SUELOS La corteza terrestre esta compuesta principalmente por rocas cuyo origen a tomado varios millones de años ,además que durante el mismo periodo la superficie rocosa ha sufrido desintegración y descomposición continua por procesos de meteorización (condicionados por agentes atmosfericos,inundaciones,glaciares,fuertes vientos,etc),nuevamente transportados, sometidos a abrasión y mas fragmentación, se les encuentra depositados eventualmente(por ejemplo en los causes de los ríos, en los lagos, en los océanos a lo largo del curso de los glaciares). Con los cambios climáticos y las fluctuaciones de los niveles de la superficie terrestre, Este ciclo de erosión, transporte y formación de depósitos de materiales ha sido interrumpido, renovado y renovado innumerables veces durante miles de años,Como resultado final gran parte del lecho rocoso ha sido alterado y la superficie de la tierra se encuentra cubierta por una acumulación de material sin cementacion o muy poco cementado de espesor y naturaleza altamente variable; a este material los Ingenieros le llaman suelo. CARACTERÍSTICAS DE SUELOS.- II GENERALIDADES.-Por ser el resultado de diferentes orígenes; las características serán también diferentes, tales como la textura, estructura, consistencia, color, compacidad, cimentación y composición química. .-ESTRUCTURA- TEXTURA- CONSISTENCIA 1- ) LA ESTRUCTURA.-Se refiere a la forma en que las partículas están dispuestas en el agregado. La estructura de suelo es la forma que toma basada en sus propiedades físicas y químicas. Cada unidad principal de la estructura del suelo es llamada “estructura”. Cuando se toma una muestra de suelo y se observa esta de cerca, los tipos de estructuras que se encontrarán serán Granular Se parece a migas de galleta y es por lo general menos de 0.5 cm en el diámetro. Comúnmente encontrado en horizontes superficiales donde las raíces han estado creciendo Suelos granulares Suelos en bloques Los bloques irregulares que son por lo general 1.5 - 5.0 cm en el diámetro Suelos Prismáticos Suelo Columnar Las columnas verticales de suelo que tienen una capa de sal en lo alto. Encontrado en los suelos de climas áridos. Suelo Laminar Se da en placas delgadas y finas. Son planos de suelo aquel dispuesto horizontalmente. Por lo general encontrado en suelo comprimido Suelo de Grano suelto El suelo es disgregado en partículas individuales que no se mantienen juntos. Siempre acompaña con una coherencia suelta. Comúnmente encontrado en suelos arenosos Suelos tipo grano suelto Masivo.-El suelo no tiene ninguna estructura visible, es difícil de romperse y aparece en terrones muy grandes 2-) Textura Se refiere al grado de finura y uniformidad de un suelo y las propiedades en que cada tamaño se presenta y se califica en términos como. Harinosa, lisa, arenosa, o angular. La textura se determina mediante el análisis mecánico. Al igual que en las rocas, los suelos tienen un cuadro especial para determinar el nombre del suelo, a partir de su composición 3-)LA CONSISTENCIA.-Es un índice del cambio de volumen,movimiento de agua, elasticidad y capacidad de carga de un suelo. CONSISTENCIA La denominación de “Consistencia de un Suelo”,se refiere al grado de adhesión entre las partículas del suelo y la resistencia que ofrecen a las fuerzas que tienden a deformar o separar los agregados del suelo.El termino en general es una expresión que define la relación entre el contenido de humedad y la estructura . Los suelos pueden variar desde sin cohesión (desmenuzables) a plásticos cohesivos según el grado de cohesión entre las particulas.El LP, LL, LC, son mediadas de plasticidad de un suelo Una de las características mas notorias de un suelo del tipo de las arcillas es la gran variedad de estados en que puede presentarse (Estos términos son blanda media, rígida y dura). Los suelos No cohesivos (desmenuzables) son todo lo contrario a los plásticos, cuando se mezclan con agua no forman pastas y después de la evaporación del agua son mucho mas fáciles de desmenuzar y cuando esta completamente secos se desmoronan en polvo y arena seca COHESIÓN.- En cualquier suelo de grano fino o muy fino cada grano esta formado por un mineral; este elemento puede ser, angular, escamoso o en raros casos en forma de agujas. Las partículas redondeadas no suelen ser muy frecuentes; por lo general el % de articulas escamosas aumentan con la disminución del tamaño de las partículas: L a superficie de cada partícula lleva un carga eléctrica negativa y la invencida depende del tipo de mineral que proceden la naturaleza cada partícula de suelo esta rodeada por agua y como la molécula de agua es polar , la carga negativa de la superficie de las partículas del suelo atrae el extremo positivo de la molécula de agua. Las moléculas de agua se ordenan de acuerdo a ciertos patrones dentro de ciertas distancias dentro de las partículas del suelo; esta distancia se llama zona de influencia y el agua contenida dentro de esta zona se llama capa adsorbida. El agua en las proximidades de las partículas del suelo presenta propiedades de un sólido, en el centro de la capa es un liquido viscoso y en la parte exterior de la zona de influencia sus propiedades son las normales. En mecánica de suelos el termino Cohesión se utiliza para designar la capacidad (resistencia) de un suelo para resistir el esfuerzo cortante cimentaciones, muros de contención, terraplenes o estabilizaciones de taludes es necesario conocer la resistencia de los suelos. La determinación de la Resistencia (Autentica) en suelos cohesivos para problemas de estabilidad es uno de los puntos más difíciles en ingeniería de suelos; según este comportamiento un suelo puede ser: a-) Cohesivos b-) No cohesivos. a-) Suelos Cohesivos.-como lo indica su nombre son aquellos cuyas partículas presenta fuerza cohesiva. b-) Suelos no cohesivos.- Son los que no tiene cohesión y obtienen resistencia de la Fuerza entrelazante de las partículas de suelo por la fricción de los granos y por la humedad de contacto; la fricción puede ser de deslizamiento (como la de un bloque sobre otro) o fricción de rodamiento (como una bola sobre otra). COHESIÓN.-Es la atracción de moléculas semejantes entre si . ADHESIÓN.-Es la atracción de moléculas diferentes, y sus fuerzas pueden ser tan grandes como la Cohesión (caso de las arenisca cuarzosas). COMPACIDAD.- La compacidad relativamente puede tomarse como semejante a la consistencia ya que es un termino relativo que indica la condición (No tiene valor en suelos superficiales que cambian de compacidad con los cambios de humedad con las estaciones del año .Por lo tanto los suelos profundos pueden ser : a-) Sueltos, o, b-) Compactos. La compacidad refleja la estabilidad y la impermeabilidad por lo tanto es un factor importante en construcción. COMPRESIBILIDAD.-Es la propiedad que tienen los suelos de reducir su volumen cuando las partículas son forzadas a unirse íntimamente por la presión reduciendo espacios porosos al expulsar el agua y el aire y esta deformación puede tener lugar bajo la acción de esfuerzos por debajo de la ultima resistencia del suelo. ELASTICIDAD.-Es la propiedad de deformarse de un suelo provocando un abultamiento lateral con poco cambio de porosidad y el material se recupera al retirarse la carga. CONSOLIDACIÓN.-Es la compresión del suelo bajo una continua presión (de un peso), de una estructura, de un muro-relleno, se conoce como consolidación y es debido a la expulsión del agua de los poros. PRESIÓN HIDROSTÁTICA.-Es la fuerza (presión) que adquiere el agua con motivo de la carga (durante la consolidación).la cuantía que tiene lugar en la consolidación de un suelo esta directamente relacionada con la permeabilidad del suelo (ya que la permeabilidad controla la velocidad con que puede salir el agua de los poros). En las arenas el tiempo necesario para la consolidación después de aplicada la carga puede considerarse despreciable; acepto cuando se trate de una gran masa de arena que esta sometida a un rápido esfuerzo al cortante o impacto. En el caso de arcillas la permeabilidad hace que el % de cambio de volumen a la aplicación de una carga será un factor importante de considerar, ya que su desarrollo en el presente es poco intenso ; pero puede alcanzar considerable magnitud con el tiempo. PERMEABILIDAD.-Un material es permeable cuando tiene vacíos continuos.Como quiera que los vacíos existen en todos los suelos, así como en rocas granulares y sanas incluso en el concreto todos estos materiales son permeables, por lo tanto el flujo de agua a través de una arena limpia o concreto es cuestión de grado de permeabilidad. COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD.-Es la magnitud del flujo por unidad de área bajo una pendiente y se mide en pies por día p/d o cm. /m. La experiencia y los ensayos han demostrado que la Permeabilidad (capacidad de transmisión de agua a presión) y la Capilaridad (atracción retención de agua sobre el nivel freático) de un suelo varia con factores tales como la relación de vacíos, tamaño y distribución de las partículas, estructura y grado de saturación.Queda entendido que la compactación variara el grado de permeabilidad de un suelo; dado que esta influye en el tamaño de los poros. RELACIÓN DE VACÍOS.-Se define como la relación que existe entre el volumen de vacíos y el volumen de las partículas del suelo y varia con el contenido de humedad y el grado de compactación o consolidación, por lo tanto en un suelo dado las diferentes condiciones, de la relación de vacíos puede ser usada como un indicador de la estabilidad de relativa o capacidad de soportar cargas; estos factores aumentan cuando la Relación de Vacíos disminuye. CEMENTACIÓN.-El material suelto constituido por roca meteorizada puede ser cementado a una roca sólida por la deposición de material mineral por agua de filtración (las sustancias mas comunes de cimentación depositadas son la sílice, carbonatos de calcio y óxidos de hierro pero también cierto tipo de sustancias del tipo de las arcillas finas; mecánicamente pueden actuar como agentes cementantes con materiales mas gruesos. COMPOSICIÓN QUÍMICA.-La composición química es una propiedad fundamental de las rocas y la mayor parte de los suelos se derivan de rocas por meteorización y reacciones químicas.-Los cambios químicos pueden ocasionar la destrucción de la unión entre los granos o la descomposición química de los elementos mas perecederos. El caolín es el producto mas común de la descomposición de los minerales como el feldespato y la mica. Se ha establecido por las investigaciones químicas y mineralogiítas que las partículas que constituyen las arcillas muy finas son comúnmente son cristalinas y generalmente contienen sílice, aluminio, oxigeno y agua principalmente.La mayor parte de los minerales arcillosos contenidos en las fracciones del suelos pueden dividirse en tres grupos principales: monmorillonitas, ilitas y caolinitas; siendo su actividad superficial mayor respectivamente en el orden de su denominación..Por este motivo las propiedades físicas de una arcilla pueden variar dentro de amplios limites. COLOR.-Es una propiedad importante en la identificación de un suelo; dado que este varia con el contenido de humedad es necesario determinar el color en ese estado húmedo. El estado de humedad debe ser consignado cuando se anota el color.El color puede indicar el contenido orgánico, la composición química y acompañado de otras características nos puede indicar la naturaleza erosiva del suelo.Asi el color gris claro indica un barro limoso de los ríos, en los loes(margas) y en suelos con mucho Co3 Ca ;el color negro indica contenido orgánico y además elasticidad; el color rojo presencia de óxidos de hierro, los jaspeados indican carencia de drenaje o plasticidad.. OLOR.-Los suelos orgánicos están formados por el desarrollo y subsiguiente muerte de los seres orgánicos (plantas etc.); por lo tanto una de sus características especificas es el olor. NATURALEZA DE LOS DEPOSITOS DE SUELOSLos depósitos de suelos se describen (denominan) con los mismo0s términos que se emplean para el tamaño y forma de las partículas; solo con una interpretación ligeramente diferente. El comportamiento (estructural), en Ingeniería de un Deposito, depende generalmente de las fuerzas que actúan en las áreas de contacto entre las partículas individuales, o sea las fuerzas gravitacionales relacionadas con la masa y en consecuencia aproximadamente con el volumen de las partículas y en segunda posición con las fuerzas superficiales derivadas de la actividad electroquímica en la superficie de las partículas Las partículas de las arcillas además de ser muy pequeñas debido a su forma de (placas planas) tienen una alta relación entre el área de la superficie y el volumen; y en consecuencia experimentan fuerzas superficiales que predominan sobre las fuerzas gravitacionales derivadas de la masa, este resultado es la cohesión (para este caso STICTION); propiedad que le permite pegarse entre ellas, y que le proporciona las características de plasticidad. PLASTICIDAD.-Es la capacidad de experimentar deformaciones irreversibles sin romperse y se presentan en la mayor parte de suelos arcillosos con humedad Intermedia. Si se seca un bloque de arcilla plástica, pierde su plasticidad y se convierte en un sólido frágil, con una resistencia co0nsiderable que resulta de la STICTION. De acuerdo con la distribución del tamaño de las partículas en el deposito; esta descripción puede modificarse con el uso de términos como arcilla – limosa, limo – gravoso; grava – arcillosa etc.; en consecuencia una característica que hace muy distintivo a diferentes tipos de suelos es la cohesión, debido a ella los suelos se clasifican en: COHESIVOS Y NO COHESIVOS SUELOS COHESIVOS.-Se denomina a los depósitos que presentan características de plasticidad y adhesión asociadas con la presencia de una cantidad significativa de partículas de arcilla. SUELOS SIN COHESION (SUELOS NO COHESIVOS).-En contraste con las partículas de minerales de arcilla, las partículas mayores con tamaños correspondientes a arena y grava tienden a tener granos VOLUMINOSOS mas o menos eqidimensionales y por tanto tienen una pequeña relación entre áreas superficiales y el volumen, en consecuencia las fuerzas derivadas de la actividad superficial son despreciables, en comparación con las fuerzas gravitacionales derivadas de la masa. Por lo tanto sin presencia de arcillas estas partículas no mostraran adhesión entre los granos y por ello las gravas se les designa como suelos sin cohesión o suelos granulares. Los suelos granulares se describen generalmente en termino del tamaño del grano de las partículas que predominan.Por lo tanto para describir un deposito de suelo como Arena solo es necesario inferir que hay mas partículas del tamaño de la arena que las de cualquier otro..Si el caso es que presenta una pequeña pero significativa proporción en peso de otro tamaño de partículas, la descripción puede hacerse utilizando términos tales como arena limosa, arena gravosa etc.. La división (separación) entre los tamaños correspondiente a arena y limo coincide con el limite de la distinción de las partículas a simple vista y con el limite de la separación mecánica de los granos. De esta manera el Termino suelo grueso (de granos gruesos) generalmente se utiliza para denominar a los materiales que son arenas o gravas y el Término suelo fino para denominar los materiales que son limos y/o arcillas. En un suelo típico las partículas individuales (las cuales pueden variar de forma y tamaño)forman un armazón de material solido y entre las partículas individuales existen un sistema de espacios interconectados .La armazón de partículas sólidas se denomina estructura del suelo o esqueleto del suelo y los espacios entre las partículas se denominan vacíos o poros Cuando los vacíos están completamente llenos de agua se dice que el suelo esta saturado y cuando los vacíos contiene agua y aire el suelo esta parcialmente saturado. ORIGE Y TIPOS DE DEPOSITOS DE SUELOS. Los depósitos de suelos naturales de una manera amplia se clasifican en suelos residuales y suelos transportados. SUELOS RESIDUALES.-Son aquellos que se han formado completamente por meteorización “in-situ” y han permanecido en su posición original, ejemplo: las lateritas (que son materiales ricos en oxido de hierro y en aluminio). SUELOS TRANSPORTADOS.-Son aquellos que han sido desplazados de su posición original y depositados en otro sitio; los principales agentes son: el agua, el hielo y el viento. El tamaño y la forma de las partículas esta determinada por el agente de transporte y el modo en que se forma el depósito; así tenemos: Suelos depositados en agua.-Los ríos son agentes de erosión, transporte y formación de depósitos denominándose al material depositado ALUVION; aunque a veces se les aplica también a los suelos mas finos tales como a las arenas, limos y arcillas .Primero se depositan las gravas, seguidas de las arenas, y luego en el curso bajo del río las arenas finas aluviales y limos aluviales DEPOSITOS GLACIALES.-Producidos por la intensa erosión y abrasión de la superficie del terreno, teniendo como resultado grandes cantidades de escombros;y estos pueden ser las ilitas,arcillas con cantos rodados , las morrenas,etc. DEPOSITOS DE SUELOS TRANSPORTADOS POR EL VIENTO (EOLICOS).-Los depósitos originados por el viento están formados por las arenas que ocupan grandes extensiones con dunas y que están formadas por partículas esencialmente del mismo tamaño y de forma redondeada como resultado de la intensa abrasión. Los loes son materiales formados en su mayor parte por partículas de limo transportadas largas distancias en zonas desérticas, por ejemplo los depósitos de tierra negra de las estepas rusas que están formados por loes que probablemente fue transportado de los desiertos del África del Norte El loes se deposita en estado suelto y con baja densidad, normalmente su estabilidad es razonable y pueden permanecer estables en taludes casi verticales. Las partículas de limo tienen como características que su tamaño es uniforme y están unidas por partículas de material arcilloso que actúan como cemento.Por eso se debe evitar que estos materiales se saturen o queden sumergidos en agua para que la cementacion no se destruya y el depósito quede al colapso. SUELOS ORGANICOS.-Los depósitos de arcillas y limos provenientes de la sedimentación en lagos, estuarios o en zonas de inundación de ríos pueden contener cantidades apreciables de “materia orgánica”.Cuando el contenido de materia orgánica es importante estos depósitos se pueden describir como arcillas y limos orgánicos.La presencia de suelos orgánicos se identifica usualmente por el color que varia del gris oscuro al negro y un olor característico producido por la descomposición de la vegetación; si tiene contenido mineral muy reducido se le denomina TURBA MATERIAL DE RELLENO.-El material de relleno colocado por el hombre En Los Trabajos De Ingeniería se denomina relleno o Terreno Artificial y generalmente proviene de descamaciones (excavaciones) de suelo o roca y se utiliza para la construcción de terraplenes para ,carreteras ,vías férreas, presas ,rampas, rompeolas, y para aprovechar terrenos costeros ,estuarios ,pantanos etc. Los rellenos depositados en forma desordenada producen un material sueltos inestable ,bastante compresible ,de características variables e impredecibles .Sin embargo si el relleno es colocado bajo condiciones controladas y se compacta de manera adecuada se obtendrá un material estable y de características razonablemente predecibles.. En muchas partes del mundo estos abundantes medios de formación de depósitos se han superpuesto sobre otros a través de las eras Geológicas; por eso hoy se encuentran una serie de estratos de diferentes espesores que se conocen con el nombre de Perfil de Suelos y que revelan los diferentes cambios de medio ambiente en cada Era. PROPIEDADES ELECTROQUIMICAS DE LOS MATERIALES ARCILLOSOS INTRDUCCION.-Las partículas de suelo con tamaños correspondientes a las arcillas y que presentan las propiedades características de Adhesión y Plasticidad se denominan Materiales Arcillosos ;En esta categoría No se incluye el Polvo de Roca por ser un material constituidote partículas muy finas de cuarzo y no presentan Cohesión ni Plasticidad. MINERALES ARCILLOSOS.-Los minerales arcillosos son producto de la meteorización química de y están compuestos en su mayor parte por Silicatos de AL aluminio.Las partículas son muy pequeñas y su comportamiento esta gobernado principalmente por la actividad electroquímica .En general tiene una carga negativa neta y pre3sentan gran afinidad por el agua. Los minerales arcillosos tienen forma Cristalina y están constituidos por dos unidades estructurales: la Unidad tetraédrica y la Unidad octaédrica; de acuerdo a la organización de estas Unidades Estructurales los minerales arcillosos se dividen en tres grupos principales: Caolinitas, Ilitas y Montmorillonitas. GRUPO DE LA CAOLINITAS.-los enlaces iónicos de Hidrogeno entre los bloques crean una estructura relativamente estable en la que no penetra el agua con facilidad: Por esto las caolinitas presentan una baja absorción de agua ,baja susceptibilidad a la retracción y expansión al ser sometidas a variaciones de humedad GRUPO DE LAS ILITAS.-Los enlaces entre los bloques estructurales de esta grupo al estar conformados por una capa octaédrica entre dos capas tetraédricas hace que se genere un déficit de carga que produce la unión entre bloques ;pero esa adherencia entre las capas es menor que en la caolinitas .Las ilitas presentan mayor tendencia a la absorción del agua que las caolinitas ,mayor susceptibilidad a la retracción y a la expansión GRUPO DE LA MONTMORILLONITAS.-El bloque estructural es similar al de las Ilitas, pero como consecuencia al reemplazo de iones de Si y AL PORE IONES DE Mg y Fe resulta una gran carga negativa neta que atrae a las moléculas de Agua y de cualquier otro cation disponible hacia el cristal .Este enlace creado por el agua es muy débil e inestable comparado con el de las Ilitas .Por tanto la montmorillonitas es fácilmente visible en partículas muy pequeñas y presenta una muy alta absorción de agua y muy alta características de retracción y expansión AGUA ABSORBIDA.-Es la parte del agua de los vacíos ,que es atraída y se adhiere fuertemente alrededor de la superficie de las partículas ,como resultado de la carga negativa del material arcilloso.El agua absorbida presenta una muy baja movilidad y una viscosidad muy alta (tal vez cien veces superior al agua ordinaria). STICTION Y PLASTICIDFAD DE SUELOS ARCILLOSOS.- L a plasticidad es la capacidad de experimentar deformaciones irreversibles sin romperse que presentan los suelos arcillosos con una humedad intermedia .Si se seca un bloque de arcilla pierde su plasticidad, se vuelve frágil con una resistencia considerable que resulta de la stiction entre las partículas de arcilla .Si el bloque lo descomponemos en partículas, la stiction desaparece y el material se convierte en un polvo seco. Pero si lo mezclamos nuevamente con agua reaparecerán las propiedades de plasticidad y stiction.El agua intersticial es la que mas contribuye al desarrollo de la Stiction y la Plasticidad. ESTRUCTURA DE LOS DEPOSITOS DE ARCILLA. MACROESTRUCTURA.-Se llama así a los rasgos estructurales usualmente visibles de un deposito de arcilla ,tales como la Estratificación ,Fisuración, canales de Raíces y la Inclusiones Orgánicas (que definen la macro estructura y/o macro textura ) del deposito .Así tenemos :Un deposito de arcilla que no presenta variaciones Visibles de textura o cuya textura es difícilmente identificable se le denominara (textura uniforme) ;si el deposito presenta planos de interfase será Estratificada; si las capas individuales son relativamente delgadas (< 25mm)de espesor aproximadamente y paralelas la arcilla puede catalogarse como Laminada ;las arcillas duras que se presentan con una red de grietas capilares ,uniones ,fisuras se denominan Fisuradas .Los depósitos de arcilla que no presentan evidencias de fisuración se denominan Intactos La importancia de una macro estructura definida es la influencia significativa en su comportamiento estructural (Ingeniería).Por ejemplo: la presencia de fisuras en una masa de arcillas constituyen planos de debilidad frente a una similar de estado intacto; además si las fisuras están rellenas de arena y/o limo serán zonas de trayectorias de drenaje; por lo tanto la permeabilidad variara entre una arcilla laminada y una uniforme. MICROESTRUCTURA.-Es el arreglo estructural de las partículas individuales o grupos de partículas de un deposito de arcilla a escala microscópica o sea la Micro textura del deposito .Así tenemos estructura floculada generalmente producida en depósitos marinos (agua salada) (Fig. ): Estructura Dispersa.-producida en depósitos aluviales (es una estructura menos floculada). (fig.) Estructura Natural.-Son los arreglos que mas predominan y que estan formados por grupos de placas de arcillas de contactos cara a cara y paralelos.(fig.) SENSITIVIDAD DE LAS ARCILLAS. Se denomina así a la pérdida de resistencia de una arcilla por premoldeo (reconformación) o sea que es igual a: SENSITIVIDAD = RI (Resistencia Inalterada) RR (Resistencia Premoldeada) PROPIEDADES FISICAS DE LOS SUELOS Introducción. En general el suelo es un material trifásico constituido por el esqueleto de partículas sólidas rodeado por espacios llenos de agua y aire.Para poder describir completamente las características de un deposito de suelo es necesario expresar la mezcla de sólidos ,agua y aire en términos de algunas propiedades físicas estándar .La definición de esas propiedades físicas se hace con referencia en la Fig.1.4 ,la cual representa de manera esquemática las proporciones en volumen y en masa de las fases que constituyen un elemento típico de un deposito de suelo en el cual : Volumen total del elemento =V masa total del elemento= M Volumen de sólidos =Vs masa de sólidos =Ms Volumen de vacíos =Vv masa de vacíos =Mv Volumen del agua intersticial =Vw masa de agua intersticial=Mw Volumen del aire en los poros =Va la masa de aire en los poros se supone = Se tiene que : V = Vs + Vv = Vs + Vw + Vs …………………………………..(1.2) y M = Ms + Mv = Ms + Mw ………………………………… (1.3) Figura 1.4.Representación esquemática de las Fases que constituyen un elemento de suelo. w Vs Ms µ w µ Gravedad especifica de las partículas La gravedad especifica de las partículas de un suelo, denotada con Gs, es una propiedad fundamental necesaria para la definición de algunas propiedades físicas de los suelos.Esta se define como: Gs = Densidad de las partículas de arcilla …………………………………..(1.4) Densidad del agua Por tanto: Gs = En donde: Gs = Gravedad especifica Ms =Masa de solidos Vs = Volumen de solidos = Densidad del agua = 1000kg/mm³ o 1 Mg/m³. El valor Gs (Gravedad especifica)depende de la composición mineralógica de las partículas que constituyen el suelo ;algunos valores típicos se dan en la Tabla 1.3 Tabla 1.3 Valores típicos de la gravedad especifica de las partículas . Tipo de Suelo Gs Grava, arena y limo 2.65 Arcilla inorgánica 2.70 Arcilla orgánica 2.60 Turba amorfa 2.00 Turba fibrosa 1.50 Relación de Vacíos y Porosidad La proporción de vacíos en un elemento de suelos se expresa en función de la relación de vacíos ,denotada con e o en función de la porosidad, denotada con n tomando como referencia la Fig, 1.4,estas propiedades se definen como sigue: Relación de vacíos e = ……………………………………………….(1.5) Vs Vv Porosidad n = ……………………………………………….(1.6) V Vv V Vv Ambas propiedades, e y n son parámetros adimensionales y con frecuencia n se expresa en porcentaje .nótese que n no puede exceder de 100% Se tiene: V Vv V Vv Vv V Vv Vs Vv ÷ = ÷ = 1 Entonces: e = ………………………………………………………..(1.7) n n ÷ 1 Y n = e e + 1 ……………………………………………………….(1.8) Suelos Granulares.Los rangos de valores de relación de vacíos y porosidad que se encuentran comúnmente en los suelos granulares dependen de la organización de las partículas en el esqueleto del suelo .las condiciones extremas pueden ilustrarse considerando un suelo ideal con partículas esféricas de tamaño uniforme. • Máximo e = 091 El estado mas suelto (correspondiente) al máximo volumen de vacíos ) se obtiene cuando las esferas están ordenadas en un arreglo cúbico con seis puntos de contacto por esfera , como se muestra en la Fig.1.5a.Al hacer el calculo se obtiene lo siguiente Relación de Vacíos Porosidad , Máximo n = 47.6% El estado mas denso (correspondiente al mínimo volumen de vacíos) se obtiene cuando las esferas están ordenadas en un arreglo rombico con doce puntos de contacto por esfera, como se muestra en la Figura 1.5b.Al hacer el mismo calculo se obtiene lo siguiente Relación de Vacíos Porosidad Mínimo e = 0.35, Mínimo n = 26% Los valores extremos que se obtienen en la práctica para suelos granulares se encuentra notablemente limitados por los valores teoricos.Los rangos típicos son los siguientes Relación de Vacíos Porosidad Arenas bien gradadas n(%) e = 043 – 067 n = 30 – 40 % Arenas de tamaño uniforme e = 051 – 085 , n = 34 – 46 % Los suelos bien gradados pueden llegar a un arreglo mas denso o a una menor relación de vacíos que los suelos uniformes, esto sucede por que las partículas mas finas pueden ocupar los vacíos que se encuentran entre las partículas mas gruesas. Es claro que el conocimiento de la relación de vacíos de un suelo en su estado natural no proporciona en si misma una información suficiente para establecer si el suelo se encuentra en su estado suelto o denso . Esta información puede obtenerse solo si la relación e de vacíos in-situ se compara con la relación de máxima y mínima emax y emin ,que pueden obtenerse con ese suelo.Tal comparación puede expresarse numéricamente en términos de la Densidad Relativa ,Dr del deposito de suelo, la cual se define como: min max max e e e e ÷ ÷ Dr = ………………………………………..(1.9) Donde: e =A la relación de vacíos in-situ emax = Relación de vacíos máxima emin =Relación de vacíos minima La forma de la Ecuación (1.9) indica que 0 ≤ Dr ≤ 1, Valores bajos de densidad relativa indican que el suelo natural se encuentra en estado suelto, en tanto que los valores altos indican que el suelo natural se encuentra en estado denso. La densidad relativa se conoce también como Índice de Densidad ID La máxima relación de vacíos se obtiene en laboratorio vertiendo en un molde estándar desde una altura fija una muestra secada en el horno.Otra alternativa consiste en colocar aproximadamente 1kg.de suelo seco en una probeta de 2.1lts. la cual se tapa, se agita unas pocas veces y se invierte .Luego se inclina rápidamente la probeta y se endereza de nuevo, la arena así adquiere un estado que puede suponerse como el mas suelto. . Figura 1.5 Suelo granular Ideal de partículas esféricas: b) Arreglo rómbico a) Arreglo cúbico La condición mínima de relación de vacíos se obtiene compactado un suelo secado en el horno en un recipiente estándar; el método de compactado puede ser:1)-llenar el molde en 3 capas iguales, compactando cada una con un martillo vibratorio , o 2)-llenar el molde en una sola capa,colocarle una sobrecarga en la superficie de la arena y compactar el conjunto en una mesa vibratoria. Suelos Cohesivos.Estos suelos generalmente poseen una proporción de vacíos mucho mas alta que la que es posible en suelos granulares.Esto se debe a que la actividad electroquímica asociada con las partículas de mineral de arcilla.Los valores típicos de la relación de vacíos y de la porosidad están en el siguiente rango : Relación de vacíos Porosidad e = 0.55 – 5, n = 35 – 83% Los depósitos de arcilla recién formados por lo general son muy compresibles .Sin embargo son menos compresibles en la naturaleza cuando han sido preconsolidados pos glaciación o por erosión. Turba.La turba se caracteriza por tener un alto contenido de materia orgánica y una gran capacidad para almacenar y retener agua;los valores de la relación de vacíos a menudo están en el rango de 10 – 15 .Por tanto en un deposito típico de turba que tenga 3m de espesor, podría haber menos de 300mm de materia sólida.En consecuencia, la turba es un material muy compresible y los depósitos superficiales podrían experimentar una deformación del orden del 50% o mas si es sometido a la acción de una carga equivalente a un metro de suelo de relleno. Contenido de humedad, grado de saturación y contenido de aire. La proporción de agua presente en un elemento de suelo se expresa en términos del contenido de humedad,W, definido con referencia en la Fig., 1.4 así: W = Ms Mw ………………………………………………………… (1.10) Vv Vw La proporción de vacíos ocupada por el agua se expresa en términos del grado de saturación,Sr, que es la siguiente: Sr = V W / Vv ………………….. (11) El Contenido de Aire Ar, expresa la proporción de aire presente en un elemento de suelo; su definición es la siguiente: Ar = V Va ……………………………………………………………………….(1.12) El contenido de humedad, el grado de saturación y el contenido de aire son parámetros adimensionales y normalmente se expresan en términos de porcentaje. Nótese que 0 ≤ Sr ≤ 100% y 0 ≤ Ar ≤ n, sin embargo, los valores de W pueden ser superiores al 100%. Bajo el nivel freático los suelos se encuentran generalmente saturados, por ejemplo, todos los espacios están llenos de agua y Sr es = a 100% .Los suelos finos pueden estar saturados por encima del nivel freatico.debido ante todo , a los efectos de la ascensión capilar en los poros mas pequeños .Por el contrario, por encima del nivel freático los suelos de grano grueso solo estarán parcialmente saturados con Sr< 100% El contenido de humedad varia de manera considerable de un suelo a otro, e inclusive puede variar en el mismo deposito ,y ello depende del grado de saturación. En la tabla 1.4 se dan algunos valores típicos de humedad y otros datos básicos para varios suelos saturados. Una expresión muy útil que relaciona a W, Sr e y Gs se obtiene de las Ecuaciones: (1.4),(1.5),(1.10) y (1.11) como sigue: Gs x Vs Vv x Vv Vw wGs Vs w Vw Ms Mw 1 = = µ µ Gs Sre …………………………………………………….(1.13) …………………………………………………….(1.13) De la misma manera puede obtenerse una relación entre Ar, Sr y n, a partir de las Ecuaciones: (1.6), (1.11) y (1.12 ) como sigue ( ¸ ( ¸ ÷ = ÷ = Vv Vw V Vv V Vw Vv V Vs 1 Ar = n ( 1 – Sr ) ………………………………………………...(1.14) DENSIDAD Ladensidad aparente, µ , de un elemento de suelo se define fundamentalmente como su masa por unidad de volumen; a partir de la Fig.1.4 la densidad aparente se expresa así : V M = µ ……………………………………………………………….( 1.15) Adicionalmente, desarrollando y sustituyendo de las Ecuaciones (1.4),(1.5) y (1.10) se obtiene: ( ¸ ( ¸ + ( ¸ ( ¸ + = + + = = Vs Vv Vs Ms Mw Ms Vv Vs Mw Ms V M 1 1 µ ( ) ( ) w e w Gs µ µ + + = 1 1 ……………………………………………………….(1.16) Y sustituyendo g por W de la Ecuación (1.13) w e e Gs µ µ ( ¸ ( ¸ + + = 1 ……………………………………………….(1.17) : comosigue s, µ Si el elemento de suelo esta saturado y conserva la misma relación de vacíos ,entonces Sr es = 1(por ejemplo 100%)y se obtiene la densidad saturada, : comosigue s, µ w e e Gs s µ µ ( ¸ ( ¸ + + = 1 …………………………………………...(1.18) Si el elemento de suelo se encuentra seco y conserva la misma relación de vacíos entonces Sr = 0 ,y se obtiene la densidad seca , w e Gs d µ µ ( ¸ ( ¸ + = 1 ………………………………(1.19) O a partir de las definiciones básicas . con Mw = 0, en la Fig. 1.4 se obtiene W’s = W - V Ms d = µ …………………………………………………( 1.20) Cuando un elemento de suelo esta situado bajo el nivel freático, las partículas de suelo experimentan un empuje U tal que su peso efectivo W’s es entonces: W’s = Ws – U Por lo tanto: W’s = ( W - Ww) - ( ) Vs Vw wg W wgVs + ÷ = µ µ Entonces: Como los vacíos están completamente llenos de agua se tiene Vw = Vv , y entonces Vw + Vs = V .Por tanto: wgV µ w gV W gV s W µ ÷ = ' . s µ Ahora el peso efectivo de las partículas de suelo W’s también representan el peso efectivo del elemento de suelo ,y por tanto W’s / Gv representan la densidad efectiva También ,el peso total W del elemento representa el peso saturado y por consiguiente W/G v representa la densidad saturada o delelement ' µ . s µ o delelement ' µ o delelement ' µ o delelement ' µ o delelement ' µ . s µ De lo anterior se obtiene: w s µ µ µ ÷ = ' Sustituyendo S en la Ecuación (1.18),se obtiene µ …………………………………………………….(1.21) w e Gs µ µ ( ¸ ( ¸ + ÷ = 1 1 ' ………………………………………….(1.22) Para la densidad efectiva también se utilizan los términos densidad sumergida o densidad flotante. Pueden deducirse dos relaciones adicionales para la Densidad, las cuales tienen una particular importancia en los análisis de los resultados de los ensayos de compactación (secc.9.2).A partir de la ecuación 1.15 se tiene: ( ¸ ( ¸ + = + = = Ms Mw V Ms V Mw Ms V M 1 µ ( ) w d + = 1 µ µ …………………………………………………………….(1.23) A partir de la Ecuación (1.2) se tiene V – Va = Vs + Vw ( ¸ ( ¸ + = + = ( ¸ ( ¸ ÷ Ms Mw Gs w Gs Ms w Mw w Gs Ms V Vs V 1 . . 1 µ µ µ w Ms Mw Gs V Va Gs V Ms µ ( ¸ ( ¸ + ( ¸ ( ¸ ÷ = 1 1 ( ) ( ) w GsW Ar Gs d µ µ + ÷ = 1 1 …………………………………………………….(1.24) ¸ ÷ Peso Unitario .-El peso unitario puede utilizarse como una alternativa al uso de la Densidad. Este se define como el peso por unidad de volumen y puede obtenerse multiplicando la densidad por la aceleración de la gravedad (g).En el sistema SI un N =1kgx m/seg 2 ,por lo tanto 1kN 1Mgx1m/s 2 =1Mgm/s 2 ¸ ¸ ÷ ÷ ¸ ¸ EJEMPLO 1.Determinar el peso unitario aparente de un suelo que tiene una densidad aparente de 2.0Mg/m 3 ,con una g de 9.81 m/seg 2 = ρ.g = 2.0 x 9.81 Mg . m = 19.62 kN/m 2 EJEMPLO 2. En un ensayo para determinar la gravedad específica de una arena media se obtuvieron los siguientes resultados: Masa del recipiente para densidad M1 = 42.99gr Masa del recipiente para densidad + arena seca M2 = 76.5132gr Masa del recipiente para densidad + arena + agua Destilada M3 = 124.3248 gr Masa del recipiente para densidad + arena + agua Destilada M4 = 103.638 gr Calcule la gravedad específica de las partículas de arena Solución A partir de los pesos medidos se obtiene: M2 - M1 = masa de las partículas de arena seca (gr) M2 - M1 = 33.5232 gr. M4 - M1 = masa de agua requerida para llenar el recipiente de densidad (gr) M4 - M1 = 60.648gr M3 - M2 = masa de agua en el recipiente con las partículas de arena (gr) M3 - M2 = 47.8296gr (M4 - M1) - (M3 - M2) = masa de agua desplazada por las partículas de arena (gr) M4 - M1 = volumen de agua desplazada por partículas de arena (cm3 ) M3 - M2 = volumen de las partículas de arena (cm3) 12.818m3 Por tanto: la densidad de las partículas de arena Gs = M2 - M1 (g/cm3) = 33.5232 gr = 2.615 = 262 gr/cm3 (M4-M1) - (M3-M2) 12.8184 cm3 Ò del siguiente modo: Gravedad Específica de las partículas de arena Gs = M2 -M1 = 76.5132 - 42.99 = 33.5232 (M4-M1)-(M3-M2) (103.638-42.99) - (124.3248-76.5132) 60.648 - 47.829 Se obtiene entonces = 33.5232 12.8184 = 2.62.gr/cm3 EJEMPLO 3. Una investigación realizada en un lugar específico puso en evidencia la existencia de un depósito de arena sobre el lecho rocoso. Una muestra de la arena tomada por encima del nivel freático tuvo un peso de 2,205g y se encontró que ocupaba en un estado natural un volumen de 1,125 cm3 . Luego de secarla en el horno la muestra pesó 1970g y se encontró que la gravedad específica de las partículas es de 2.65 Calcular Para la arena por encima del nivel freático: i) densidad aparente ii) contenido de humedad iii) relación de vacíos iv) grado de saturación y v) contenido de aire. Para la arena por debajo del nivel freático i) contenido de humedad ii)densidad saturada Lego de secar la arena en el horno, se vierte 1,000g. En una probeta de 2.10 litros. La arena ocupaba un volumen de 641.5 cm3 probeta se tapó, se invirtió y se inclinó rápidamente para luego enderezarla, en ese momento se encontró que la La arena seca se compactó en un molde de 100mm. de diámetro y 120mm de profundidad en tres capas aproximadamente iguales utilizando un vibrocompactador; cada capa se compactó durante 1.5 minutos. La masa necesaria para llenar el molde de esta manera fue de 1746.6g. Así mismo determinar la densidad relativa del depósito de arena SOLUCION Masa total de la muestra M = 2,205 gr Volumen total de la muestra V = 1,125 cm3 Masa de sólidos en la muestra Ms = 1,970 gr Masa de agua en la muestra Mw = 2,205 - 1970 = 235 gr Volumen de agua en la muestra Vw = 235 cm3 De la Ecuación (1.4) Gs = Densidad de las partículas de arcilla = Densidad del agua w Vs Ms Gs µ × = . ................(1.4) Donde pw = densidad de agua Vs = Volumen de sólidos en la muestra Ms = Masa de sólidos en la muestra Despejando para hallar Vs Volumen de sólidos en la muestra Vs = 1970 = 743.4 cm3 2.65x1 Volumen de vacíos en la muestra Vv = V - Vs = 1,125 - 743.4 = 381.6 cm3 Volumen de aire en la muestra Va = Vv - Vw = 381.6 - 235 = 146.6cm3 De este modo, para la arena por sobre el nivel freático se encuentra i) Densidad Aparente p = M = 2205 = 1.96 Mgr/m3 V 1125 ii) Contenido de Humedad w = Mw = 2.35 = 0.119 Ms 1,970 iii) Relación de Vacíos e = Vv = 381.6 = 0.5133 Vs 743.4 iv) Grado de Saturación Sr = Vw = 235 = 0.616 = 62 % Vv 381.6 v) Contenido de aire Ar = Va = 146.6 = 0.130 = 13% V 1125 b Bajo el nivel freático los vacíos están completamente llenos de agua y para el estado saturado, la masa de agua en la muestra seria Mw = 235 + 146.6 = 381.6 gr y la masa total de la muestra seria M = Ms + Mw = 1970 + 381.6 = 2,351.6 gr Para la arena bajo el nivel freático se encuentra entonces i Contenido de humedad w = Mw = 381.6 = 0.1937 = 19.4% Ms 1,970 ii Densidad saturada Ps = M = 2,351.6 = 2.09 gr/cm3 V 1125 c Para el estado de máxima relación de vacíos Masa total del suelo en la probeta M = 1000 gr Volumen total de suelo en la probeta V = 6415 cm3 Como la arena está seca, se tiene: Masa de sólidos en la probeta Ms = 1000gr a partir de la ecuación (1.4) Volumen de sólidos en la probeta Vv = V - Vs = 641.5 - 377.4 = 254.1 cm3 Máxima relación de vacíos e max = Vv = 264.1 = 0.70 Vs 377.4 d Para el estado de mínima relación de vacíos Masa total del suelo en el molde M = 1746.6 Volumen total de suelo en el molde V = ¦ x (5)2 x 12 = 942.5 cm3 Como la arena está seca, se tiene Masa de sólidos en el molde Ms = 1,746.6g Volumen de sólidos en el molde Vs = Ms = 1,746.6 = 659.1 cm3 GsPw 2.65x1 Volumen de vacíos en el molde Vv = V - Vs = 942.5 - 659.1 = 283.4cm3 Y mínima relación de vacios e min = Vv = 283.4 = 0.43 Vs 659.1 Como la densidad relativa del depósito de arena esta dada por : min max max e e e e Dr ÷ ÷ = En donde e max = máxima relación de vacíos e = relación de vacíos natural e min = máxima relación de vacíos Entonces: = 0.70 - 0.51 = 0.70 = 70% 070 - 0.43 Empleos y/o usos 1-Problema.-Un recipiente contiene 2.00m 3 de arena seca de peso especifico de solidos 2.68Ton/m 3 y pesa 3,324kg.Calcular la cantidad de agua requerida para saturar la arena del recipiente. Datos: V m = 2.00m3------- = 2.68 Ton/m3-------- W S = 3,324 Kgs . = 3.324 Ton. s ¸ VS = Vm –VS ----------------------------- ( 2 ) W S = V S . S ¸ -------------------- ( 1 ) V S = S S W ¸ V S = 3 3 24 . 1 / 68 . 2 324 . 3 m m Ton Ton = VV = 2.00 – 1.24 = 0.76 m3 Para el 100% de saturación : G e e = W.G ----------- W = --------- ( 3 ) Pero: S V V V = 24 . 1 076 = 0.613 0 ¸ ¸ S 3 3 / 00 . 1 / 68 . 2 m Ton m ton G = = = 2.68 Estos valores en ( 3 ) W = 68 . 2 0613 = 0229 Peso del suelo saturado ( WSa ) : WSa = WS ( 1 +W ) -----------------( 4 ) WSa = 3,324kgs ( 1 + 0229 ) = 4,084 kgs. La cantidad de agua para saturar la arena ( W Ww = W Sa _ WS --------------- ( 5 ) ) . Ww = 4,084 – 3,324 Ww = 760 kgs. = 760 lts. Otra solución: Manejando las formulas ( 1 ) y ( 2 ) de la primera solución se tiene : VV = 076 m3 Por consiguiente para saturar la arena se requiere que: VV = VW Es decir ,el volumen o cantidad de agua ( VV ) ocupara el volumen ocupado por el aire ( VV ),luego : WW = VW = 0.76m3 = 760 kgs. = 760 lts. 2-Ejemplo Una probeta contiene una muestra de arcilla completamente saturada y pesa 68.959gr.Después del secado el peso es de 62.011gr.:La probeta pesa 35.046gr..Determínese el contenido de humedad, la relación de vacíos y la porosidad de la muestra original.El peso especifico relativo de los sólidos es 2.80 Solucion: WSa = 68.959 – 35.046 0 33.913 gr. WS = 62.011 – 35.046 0 26.965 gr. WW = 33.913 - 26. 965 0 6.948 gr. W = = = 0.258 W% = 25.8% e = 0.258 x 2.80 ----- e = 0.72 n = 42 % Ejemplo 3. -Por inmersión en mercurio se determino que una muestra de arcilla limosa tenia un volumen de 14.88m3.Con el contenido natural de humedad su peso es 28.81gr. y después de secada a estufa es de 24.83gr.El peso especifico de sólidos es 2.70grs/cm3.Calcúlese la relación de vacíos y el grado de saturación de la muestra. Solucion: e = S V V V --------------- ( 1 ) y 3 / 70 . 2 . 83 . 24 cm gr gr V = Vs = 9.20 cm S V V Vm = ---------------------( 3 ) V ¬ V V = 14.88 – 9.20 V = 5.68cm 3 S W W W 965 . 26 948 . 6 S ¸ = = S S V W S S S W ¸ -----V = -------- ( 2 )  Por sus valores en ( 1 ) ---- e = 20 . 9 68 . 5 e = 0.62 Por definición de grado de saturación: W V W V V G % = x 100 --------------( 4 ) ¬ W W 0 ¸ Pero W = V - ¬ 0 ¸ Si = 1 W W W = V W m S W = W - W Por sus datos : W W = 28.81gr.- 24.83gr. = 3.98 gr. W W V = W = 3.98 gr. = 3.98 cm Por sus valores en ( 4 ) W 3 3 68 . 5 98 . 3 cm cm G = x 100 = 70%. G W ¬ W CLASIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN DE LOS SUELOS USADOS EN INGENIERÍA INTRODUCCIÓN. El objeto de la clasificación de los suelos es aportar una base sobre la cual puedan agruparse los suelos dependido de sus propiedades físicas y de su apariencia, con el propósito de comparar diferentes suelos, describir sus propiedades y estimar su conveniencia para la utilización en un trabajo de ingeniería especifico. Las características físicas y la apariencia de un suelo granular dependen principalmente de la distribución del tamaño de las partículas en el deposito del suelo. En un suelo arcilloso dependen de la adherencia del tipo de stiction y la plasticidad; propiedades que están asociadas a su composición mineralógica y a su contenido de humedad , y también a su textura natural o macro textura: Por tanto; la fracción granular de un deposito de suelo se clasifica de acuerdo con su distribución de tamaños de las partículas , en tanto que la fracción arcillosa se clasifica de acuerdo con sus características de plasticidad; con los parámetros conocidos como Limites de Atterberg DISTRIBUCIÓN DE TAMAÑOS DE LAS PARTÍCULAS La distribución de tamaños de las partículas en una masa de suelo se representa usualmente con la curva de gradación o la curva de distribución de tamaños de las partículas; en la cual un tamaño en particular se representa en función de ese tamaño en escala logarítmica .l a Fig.1.6 muestra algunas curvas de graduación típicas. La curva de graduación se obtiene midiendo la distribución de tamaños de partículas de una muestra de suelos representativa; en arenas y gravas esta puede hacerse con un análisis por tamizado y con un análisis por sedimentación para la fracción limosa. ANÁLISIS POR TAMIZADO (granulométrico / mecánico) Una muestra representativa de una masa conocida de suelo se pasa a través de una serie de tamices estándar con aberturas cada vez mas pequeñas y luego se mide la masa retenida en cada uno de los tamices. Con este resultado puede calcularse el porcentaje de la muestra que pasa a través de cada tamiz para representarlo en función de la abertura correspondiente. La Tabla 1.5 muestra los tamices utilizados normalmente para la medición del tamaño de las partículas; de este rango se seleccionan los tamices apropiados para estudiar un material en particular. Si el suelo contiene partículas de limo y arcilla, la muestra se trata primero con un agente defloculante y se lava a través de algunos tamices escogidos para separar los finos. Luego el material grueso se seca y se tamiza como se describió anteriormente. ANÁLISIS POR SEDIMENTACIÓN.-Las partículas de limo tiene tamaños que las colocan por debajo de los limites prácticos para los análisis por tamizado, por tanto la distribución de tamaños de tales partículas se determina observando el comportamiento durante su sedimentación en una suspensión en agua. DESCRIPCIÓN DE LA GRADACIÓN.-La forma de la curva de distribución de tamaños de las partículas indica si el tamaño de las partículas en el suelo varia en un rango amplio o estrecho, y se utiliza para describir la gradación del suelo. Si un suelo de granos gruesos contiene proporciones aproximadamente iguales de todos los tamaños de partículas se describe como bien gradado, y se caracteriza por tener una curva relativamente suave que cubre un amplio rango de partículas, como el suelo A en la figura 1.6.Por el contrario, se dice que un suelo es mal graduado en cualquier de los casos siguientes:Cuando se describe como uniforme; si una alta proporción de partículas esta comprendida en una banda de tamaños estrecha y la curva se caracteriza por tener una parte importante casi vertical, como el suelo B, en la fig.1.6; si el suelo contiene partículas pequeñas y grandes pero presenta una ausencia notable de partículas intermedias, se dice que tiene gradación discontinua. 1.Capa tetraédrica. (b) Capa octaédrica La curva A: Suelo bien gradado y de grano grueso. La curva B: mal gradado, poco uniforme (curva parada sin extensión) La curva C: Suelo arcilloso o limoso (fino) T4 y T200 = Tamices o malla Distribución no Acumulada de las frecuencias de los tamaños anteriores Curva A Curva B Curva C Una indicación de la gradación puede expresarse numéricamente con el coeficiente de uniformidad Cu que se define como : D60 Cu = ----- D10 O con el coeficiente de curvatura, Cc definido como: D²30 Cc =--------- D10 .D60 En donde D10 es el tamaño de las partículas para el cual el 10% del material es mas fino que ese tamaño y D30; D60 ; los tamaños de las partículas para los cuales el 30% y el 60% del material, respectivamente son mas finos que estos tamaños. El Cu y el Cc se utilizan como criterios en el sistema unificado de clasificación de suelos que se describe mas adelante.En general, en cuanto mas alto sea el valor de Cu, mas amplio será el rango de tamaños de partículas en el .los suelos se clasifican como bien gradados si Cu > 4 o 6; y 1 < Cc < 3 suelo CONSISTENCIAS DE LAS ARCILLAS Y LÍMITES DE ATTREBERG Una de las características mas importantes de las arcillas es su plasticidad .La magnitud de la plasticidad qué presenta una arcilla natural depende de su composición mineralogiíta y contenido de humedad.Ademas , la consistencia de una arcilla natural varia de acuerdo con el contenido de humedad ; desde un estado solidó en condición seca, pasando por un estado semisólido para bajos contenidos de humedad en el que el suelo se desmorona y no presenta plasticidad , pasando también por un estado plástico para altos contenidos de humedad, hasta llegar finalmente a un estado esencialmente liquido, para contenidos de humedad muy altos. El contenido de humedad para la cual la consistencia del suelo cambia de un estado a otro varia de una arcilla a otra ; dependiendo de la cantidad y del tipo de mineral de arcilla presente . Puesto que la humedad es una propiedad que se mide fácilmente, se desarrollo un método de clasificación de las arcillas basado en estos contenidos de humedad limites. Como el cambio de un estado de consistencia a otro es gradual, para satisfacer los requerimientos de un sistema de clasificación estándar fue necesario establecer límites arbitrarios entre los diferentes estados.Estos estados se denomina límites de Atterberg (por el científico que los ideo) y consisten en lo siguiente: Ws Wp WL ESTADO ESTADO SEMI SÓLIDO ESTADO ESTADO SÓLIDO O SIN PLASTICIDAD PLASTICO LIQUIDO ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- INCREMENTO DE HUMEDAD ÷ (Fig1.7 Estados de Consistencia de un suelo Arcilloso) a) El limite de retracción , Ws o SL, se define como el cambio del estado solidó al estado semisólido o estado no plástico; b) El Limite Plastico,Wp o PL, que se define como el cambio entre el estado No plástico y el estado Plástico ; y c) El Limite Liquido, WL o LL, que redefine como el cambio del estado Plástico al estado Líquido. Es importante anotar que los limites de Atterberg, son simplemente contenidos de humedad. El rango de variacio9n de contenidos de humedad en que la arcilla pre4senta plasticidad, se denomina Índice de Plasticidad, Ip, o PI, y esta Dado por : Ip= WL – Wp El contenido de Humedad Natural, w, que presenta una arcilla en el campo, puede compararse con sus Limites Líquidos y Plástico mediante el Índice de Liquidez,IL o LI,que se define como: W – Wp W - Wp IL = ----------------= ------------ WL – Wp IP En esta expresión se puede ver que si : IL =Índice de Liquidez. 0<IL < 1 ( EL SUELO ESTA EN EL INTERVALO PLÁSTICO) W= Contenido de Humedad Natural SI: WL= Limite Liquido IL > 1.0 (El SUELO ESTA EN EL INTERVALO PLÁSTICO) Wp= Limita Plástico IP = Índice de Plasticidad EL ÍNDICE DE LIQUIDEZ se expresa por lo general en %, de tal modo que un valor del IL próximo al 100% indica que la arcilla natural presenta en el campo una consistencia próxima a la que corresponde a su Limite Liquido, en tanto que un valor de IL, próximo a 0% indica que seta presente una consistencia próxima correspondiente a su Limite Plástico, por eso los valores de IL están en el rango de 0 a 100%. CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS GENERALIDADES: Para valorar los suelos y por conveniencia de su aplicación se ha hecho necesario considerar Sistemas o Métodos, para la identificación de Suelos que tienen propiedades similares y seguir ésta identificación con una AGRUPACIÓN ó CLASIFICACIÓN de los mismos, teniendo en cuenta su ORIGEN, Constantes Físicas y Comportamiento en el Campo. Debido a su gran variación en composición no es fácil en clases bien definidas ni medir su comportamiento; pero cuando un suelo ha sido (identificado como perteneciente a cierto grupo, se obtiene un considerable conocimiento en lo que respecta a sus propiedades y comportamiento probable en la condiciones de campo. Así tenemos que términos amplios como GRAVA, ARENA, LIMO O ARCILLA, conducen al Ingeniero a conceptos variados de la naturaleza del material. Por eso la clasificación por tamaños de los granos (ANÁLISIS MECÁNICO DE LOS SUELOS) es un paso fundamental. La anotación de toda la distribución de los tamaños de las partículas indican otra base sólida para la clasificación. Cuando el suelo es del tipo arcilloso, su apariencia y naturaleza a distintos contenido de humedad (LIMITE DE ATTERRBERG; LIMITE LIQUIDO, LIMITE PLÁSTICO, ÍNDICE DE PLASTICIDAD) complementan la información mediante la cual se puede describir y predecir su comportamiento ulterior. Por lo tanto se determinará el propósito de: ANÁLISIS MECÁNICO DE LOS SUELOS El objeto es determinar el tamaño de los granos que constituyen un suelo y el porcentaje de los granos en los distintos intervalos de tamaño. El método más directo para separar un suelo en sus diferentes fracciones (tamaños) es el empleo de tamices. Siendo el tamiz más fino que puede conseguirse es de 0.074 mm (Nº 200) que se emplea para el trabajo en arenas limpias; por lo tanto si un suelo contiene granos más fino de 0.074 se separa su fracciones mediante el lavado con agua. Las partículas demasiado finas que no pueden ser recogidas en los tamices pueden ser sometidas al análisis MECÁNICO HÚMEDO donde pueden ser separadas las partículas hasta unos 0.0002 mm. Por debajo de esto sólo mediante el uso de centrífugas. El análisis de materiales más finos que 0.074mm es necesario muy raramente solo por investigación principalmente LIMITES E ÍNDICES DE ATTERBERG Un suelo de grano fino puede existir en uno de los varios estados, que dependen del contenido de H2O en cada uno de ellos (tipo). Cuando se agrega H2O a un suelo seco, cada partícula se cubre de una película de H2O absorbida; si la adición de H2O se mantiene el espesor de la película del agua aumenta; este espesor permite que las partículas de suelo puedan deslizarse unas sobre las otras; si continuamos aumentando el H2O y el suelo se combina con el H2O y este fluirá como un líquido. Así el suelo ha pasado del estado sólido al semiplástico, plástico, líquido viscoso y suspensión en líquido. Por esto un suelo esta relacionado con la cantidad de H2O que contiene. Los contenidos de H2O a los cuales un suelo pasa de un estado a otro son muy diferentes y por ello puede utilizarse para identificar y comparar las diferentes arcillas. Sin embargo la transición de un estado a otro no sucede repentinamente como el contenido de H2O CRITICO es alcanzado, si no dentro de un intervalo aproximado del valor del contenido de H2O. Por esta razón el método más adecuado en Ingeniería es conocido como MÉTODOS DE ATTERBERG; y el contenido de agua que corresponde a los estados de consistencia se denomina LIMITE DE ATTERBERG y son: LIMITE LIQUIDO (LL).- Es el contenido de humedad a la cual un suelo pasa del estado líquido a Plástico. Como quiera que la cohesión de un suelo retrasa el flujo este ensayo es un índice de la cohesión. Este ensayo no tiene significancía en arenas o suelo de LL bajo por lo general de 20 aprox. El LL de arcillas y limos pueden alcanzar hasta 80 y 100 lo que indica una baja capacidad para soportar cargas LIMITE PLÁSTICO (LP) El límite plástico es el contenido de humedad al cual el suelo cambia del estado sólido al estado Plástico. Es el contenido más bajo de agua al cual el suelo comienza desmoronarse (cuando se rueda en barras de 3.2 m). El L.P. está supeditado al contenido de arcilla; los materiales (arenas/limos) que no pueden ser rodados en barretas (32m) a ningún contenido de humedad no tienen índice de Plasticidad y se les denomina NO PLÁSTICOS. La capacidad de soportar cargas aumenta rápidamente cuando el CONTENIDO DE HUMEDAD disminuye por debajo del L.P y disminuye si el contenido de HUMEDAD sobrepasa el L.P. ÍNDICE DE PLASTICIDAD (IP) Se define como la diferencia numérica entre el LL y LP. El IP da la cantidad de humedad a la cual en suelos se encuentra en condición plástica. Un IP de 5 indica que un pequeño cambio en el contenido de humedad el suelo cambiará de una condición semisólida a sólida; por eso son muy sensibles a los cambios de humedad salvo que el contenido de limo y arcilla sea menor que 20% UN IP elevado como 20 nos indica que se le pueda añadir considerable cantidad de humedad antes de que cambie de la condición semisólida a líquida. Cuando el LL y/o el L.P no se pueden determinar o cuando el L.P. es mayor que el LL el IP se incluirá como NO PLÁSTICO (N.P). Existen muchos otros ensayos para determinar el contenido de humedad de los suelos pero el más usado es el límite de contracción. LIMITE DE CONTRACCIÓN Es el contenido de humedad de un suelo al cual una pérdida posterior de humedad no ocasionará disminución en el volumen del suelo. También se dice que el límite de contracción es el contenido de agua exacta y suficiente para llenar los picos del suelo cuando este tiene su volumen mínimo por desecación. Como quiera que las arcillas son las mayores causantes de la contracción de un suelo en general es un índice de arcilla. La capacidad para soportar cargas de los suelos de granos finos es máxima cuando el contenido de húmeda es 0, o por debajo del “límite de contracción”. Las ARENAS no siguen estas reglas siempre que estén confinadas. SISTEMAS DE CLASIFICACIÓN El suelo puede ser clasificado, de una manera general, como SIN COHESIÓN o COHESIVOS, o como grueso o de grano fino como estos términos son muy generales y cubren una gran gama de propiedades físicas y de INGENIERÍA es necesario presiciones o MEDIOS DE CLASIFICACIÓN ADICIONALES para determinar la conveniencia de uso de un suelo en Ingeniería y aun más para poder transmitir ésta información a otros en forma comprensible. Estas precisiones exigieron la necesidad de un Sistema de Clasificación que permita aprovechar la experiencia en INGENIERÍA adquiridas por otros y además que facilite la comunicación grupos de ingenieros que emplean el mismo método de clasificación de suelos. En otras palabras es un lenguaje de comunicación. El uso de cualquier sistema de clasificación no elimina la necesidad de estudios detallados de suelos o de ensayos que determinen propiedades de ingeniería como por ejemplo el “peso unitario” de un suelo, las características de compactación, comportamiento bajo saturación, susceptibilidad a la acción de las heladas etc. En consecuencia numerosos sistemas de clasificación fueron propuestos en el transcurso del tiempo así tenemos: -LA CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS SEGÚN EL TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS -SISTEMA BRITÁNICO DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS -CLASIFICACIÓN DE LA ADMINISTRACIÓN DE AERONÁUTICA CIVIL (C.A.A.) -CLASIFICACIÓN DE LA ASOCIACIÓN DE FUNCIONARIOS DE CAMINOS PÚBLICOS (AMERICAN ASSOCIATION STATE HIGHWAY OFFICIALS) AASHTO - SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS (S.U.C.S.) SISTEMA AASHTO DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS Agrupa los suelos según la misma capacidad de soportar cargas y servicios y obtiene siete grupos básicos que se enumeran desde el A-1 al A-7, siendo el mejor suelo el clasificado como A-1 le sigue en calidad el A- 2, y el A-7 el peor clasificado. Los miembros de cada grupo tienen en común características similares; no obstante existe un amplio intervalo de capacidades para soportar cargas en cada grupo y también un traslape de capacidad para soportar cargas en distintos grupos. A partir de este concepto si sólo conocemos la clasificación AASHTO sólo podemos establecer los límites de su capacidad para soportar cargas; por esta razón ha sido necesario dividir los 7 grupos básicos de suelos en subgrupos con un índice de grupo con la finalidad de aproximar a valoraciones del grupo. Los índices de grupo van de 0 para el mejor material a 100 para los pésimos. El incremento del valor del índice de grupo reflejan una reducción en la capacidad de soportar cargas. EVALUACIÓN DEL ÍNDICE DE GRUPO El índice de grupo se obtiene mediante el uso de una fórmula para índice de grupo basada en la granulometría, LL/IP del suelo o por un método rápido mediante el empleo de gráficos para índice de grupo como las Fig,.= II-1 y II-2 la fórmula del índice de grupo es la siguiente: ÍNDICE DE GRUPO = 0.2 a+0005ac + 0.01 bd en la cual: a=Porcentaje que pasa la malla Nº 200> que el 35% peso< 75% expresada como un número entero y positivo (1 al 40) b=Porcentaje que pasa el tamiz Nº 200 > que el 15% peso < 55expresado en un número entero y positivo ( 1 al 40) c= Porción numérica del Límite Líquido mayor de 40 y que no exceda de 60, expresada como un número entero (1 a 20) d=Porción numérica del IP mayor de 10 y que no exceda de 30, expresado como un número entero (1 a 20). El índice de grupo se expresa en un paréntesis después del número del grupo del suelo. Por ejemplo A-6 (7). La calibración de las sub-rasantes en términos del índice de Grupo es la siguiente: EXCELENTE....................................................................... .A-1-a (o) BUENA cuando el Índice de Grupo es de 0 a 1 REGULAR cuando el Índice de Grupo es de 2 a 4 MALA cuando el Índice de Grupo es de 5 a 9 MUY MALA cuando el Índice de Grupo es de 10 a 20 SUELOS A-1 Son mezclas bien graduadas de gruesos a finos con un aglutinante no plástico de plasticidad débil. En estos suelos también se incluyen los materiales gruesos sin aglutinante. Los Suelos A-1-a incluyen materiales constituidos principalmente por fragmentos de piedra o grava, con o sin aglutinante de suelo bien graduado. Los Suelos A-1-b incluyen materiales en que predomina la arreen gruesa, con o sin aglutinante de suelo bien graduado. SUELOS A-2 Estos suelos están constituidos de materiales finos y gruesos mezclados con aglutinante pero son inferiores a los Suelos A-1 por su mala graduación a un aglutinante inferior o a ambas cosas. Pueden presentar gran estabilidad cuando están secos pero al humedecerse se reblandecen. Los suelos A-2-4 y A-2-5 incluyen aquellos materiales granulares que tienen como elemento aglutinante suelos de las características de los grupos A-4 y A-5. Los suelos A-2-6 y A-2-7 incluyen aquellos materiales granulares que tienen un suelo aglutinante con las características de los grupos A-6 y A-7. SUELOS A-3 Los suelos A-3 están compuestos por arenas deficientes en aglutinante. Son típicas las arenas finas de desierto y la arena transportada por el viento. Los materiales A-3 son bastante comunes y tienen una estabilidad deficiente a la carga de las ruedas, excepto cuando están húmedos. No sufren cambios de volumen y constituyen superficies adecuadas de soporte cuando estén confinados. Pueden ser compactados por vibración, rodillos de acero o rodillos neumático. SUELOS A-4 Los suelos A-4 están compuestos predominante por fino, con sólo moderada cantidad de material grueso y pequeñas cantidades de arcilla pegajosa coloidal ofrecen buena superficie firme para la circulación cuando están secos. cuando absorben agua se dilatan perjudicialmente y/o pierden estabilidad, son susceptibles a la acción de la congelación. Varían su composición textura desde limos arenosos a barros limosos y arcillas, los barros limosos y limos no presentan densidades altas por la gran cantidad de vacíos ocasionados por la mala graduación y a la escasez de material aglutinante. Son relativamente inestables a cualquier contenido de humedad y cuando este es alto su capacidad de resistir cargas es muy baja. Estos suelos se vuelven elásticos cuando se humedecen y presentan un abultamiento considerable cuando se retira la carga. SUELOS A-5 Los suelos A-5 son similares a los A-4 con la acepción de que incluyen suelos de graduación muy mala y contienen materiales tales como micas y diatomeas que son productores de propiedades elásticas y estabilidades muy bajas. Los Suelos A-5 se presentan muy raras veces; son suelos sujetos a congelación no so recomendables para su empleo como base. Como consecuencia de su elasticidad dificultan una conveniente compactación. SUELOS A-6 Los suelos A-6, se componen predominantemente de arcilla con contenido moderados de materiales gruesos. Se les encuentra frecuentemente en los estados de plasticidad blanda o rígida. Tienen buena capacidad soporte cuando están compactados a la densidad máxima; pero pierden rápidamente esta capacidad cuando absorben humedad. Son compresibles y dilatables cuando se les compacta a una humedad menor a la humedad optima. Los IP altos por encima de 18 de los suelos A-6 indica su naturaleza cohesiva del material aglutinante SUELOS A-7 Los suelos A-7 están compuestos predominantemente de arcilla, como los A-6 pero debido a las partículas de limo de tamaño uniforme a la materia orgánica, escamas de única o carbonato de cal son elásticas. Sufren grandes cambios de volumen y bajo soporte, son difíciles de compactar. Los Suelos A-7-5 comprenden los suelos A-7 con índices de plasticidad moderados y los Suelos A-7-6 comprenden los suelos A-7 con índices de plasticidad muy altos y están sujetos a cambios de volumen extremadamente altos. TURBAS Y ESCOMBROS Los suelos compuestos por turbas y escombros muy blandos, contienen grandes cantidades de materia orgánica y humedad no pueden ser usados en cualquier tipo de construcción y deben ser evitados. SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS (S.U.C.S) La existencia de esta variedad de sistemas de clasificación de suelos se debe a que tanto el Ingeniero Civil como el Geólogo y el Agrónomo analizan el suelo desde diferentes puntos de vista. Sin embargo cualquier clasificación debe estar basada en las propiedades físicas y mecánica de los suelos ya que estas son fundamentales en la aplicación de la Ingeniería. Del gran número de Sistemas propuestos el SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS (SUCS) y el SISTEMA DE CLASIFICACIÓN DE LA ASOCIACIÓN AMERICANA DE FUNCIONARIOS DE CAMINOS PÚBLICOS (AMERICAN ASSOCIATION STATE HIGWAY OFFICIALS) AASHTO M-145 son las mas ampliamente usadas en el mundo. Todos los sistemas propuestos usan los tamaños de las partículas para diferenciar las clasificaciones generales de grupo, tales como GRAVA, ARENA, LIMO, ARCILLA etc. Y los límites de Atterberg como parte del proceso final de clasificación, en especial para trabajos de Ingeniería LIMITES D EATTERBERG APARATO DE CASAGRANDE Reporte de laboratorio de Suelos - COMPACTACIÓN (PRUEBA ESTÁNDAR). N-2 Objetivo General: El objetivo de la práctica es que el alumno obtenga la compactación óptima de una muestra de suelo. Introducción: Actualmente existen muchos métodos para reproducir, al menos teóricamente, en el laboratorio unas condiciones dadas de compactación de campo. Todos ellos pensados para estudiar, además los distintos factores que gobiernan la compactación de los suelos. Históricamente, el primer método, en el sentido de la técnica actual, es el debido a R.R. Proctor y es conocido hoy en día como Prueba Proctor Estándar o A.A.S.H.O. (American Assosiation of State Highwat Officials) Estándar. La prueba consiste en compactar el suelo en cuestión en tres capas, dentro de un molde de dimensiones y forma especificadas, por medio de golpes de un pisón, también especificado, que se deja caer libremente desde una altura prefijada. El molde es un cilindro de 0.94 lts de capacidad aproximada, de 10.2 cm de diámetro y 11.7 cm de altura, provisto de una extensión desmontable de igual diámetro y 5 cm de altura. El pisón es de 2.5 kg de peso y consta de un vátago en cuyo extremo inferior hay un cilindro metálico de 5 cm de diámetro. Los golpes se splican dejando caer el pisón desde una altura de 30.5 cm. Dentro del molde el suelo debe colocarse con tres capas que se compactan dando 25 golpes, repartidos en el área del cilindro, a cada una de ellas. Con los datos anteriores la energía específica de compactación es de 6kg/cm3, calculado con la fórmula: Ee = NnWh/v En donde: Ee = Energía específica. N = número de golpes por capa..- n= Números de capas del suelo..- W = Peso del pisón. h = Altura de caida libre del pisón. .- V = Volumen del suelo compactado. MATERIAL Y EQUIPO 1- Molde estándar cilíndrico de compactación. .- 2- Regla recta metálica. .- 3- Balanza digital. .- 4- Balanza de laboratorio. 5- Pisón. .- 6- Horno. .- -7- Guía metálica para el pisón. .- 8- Malla # 4. Procedimiento: 1.-Calcula el número de golpes necesarios para compactar el material, mediante las indicaciones hechas en la teoría. 2.- Se toma una muestra de suelo y se pasa por la malla # 4, hasta tener unos 2kg de material. 3.- Después se deposita el material en la charola y se humedece, procurando que el material quede con humedad uniforme. 4.- Se deposita el material en el cilindro (1/3 de la altura) y se le dan los 25 golpes, se hace lo mismo para los 2/3 y la altura total. 5.- Quítese la extensión del molde y enrásese la parte superior del cilindro con la regla metálica 6.- Pésense el cilindro con el material. 7.- Se retira el material del molde y se toma un testigo de humedad (de aproximadamente 100gr). 8.- Se repiten de nuevo los pasos del 3 al 7 hasta obtener el número de puntos deseados para la gráfica de compactación, para esta practica se utilizaron 4. 9.- Se calculan los contenidos de humedad y los pesos específicos secos y de la masa de los testigos de humedad. 10.- Se grafican los resultados obtenidos, tomando como abscisas, los contenidos de agua y como aordenadas los pesos específicos secos y de la masa. PRUEBAS DE COMPACTACIÓN N-3 Se entiende por compactación la aplicación mecánica de cierta energía, o cantidad de trabajo por unidad de volumen, para lograr una reducción de los espacios entre las partículas sólidas de un suelo, con el objeto de mejorar sus características mecánicas. Al obtenerse un mejor acomodo de las partículas sólidas y la expulsión de aire que contiene el suelo, se produce un aumento de su peso volumétrico o específico. Si a un suelo cuya humedad es baja se le van dando ciertos incrementos a su contenido de agua y se le aplica cada vez la misma energía de compactación, su peso volumétrico va aumentando, propiciado por la acción lubricante del agua, hasta que llega un momento en el que el peso volumétrico del material seco, calculado a partir del peso volumétrico del material húmedo y de la humedad, alcanza un valor máximo. Al contenido de agua con el que se obtiene el mejor acomodo de partículas y el mayor peso volumétrico o especifico del material seco, para una determinada energía de compactación, se le denomina humedad óptima y al peso volumétrico correspondiente se le designa como peso volumétrico o peso específico seco máximo. Cuando a partir de esta condición de humedad óptima y peso volumétrico seco máximo, se incrementa el agua para una mismo volumen, el agua con el aire remanente ocuparían el lugar de algunas partículas de suelo, obteniéndose en consecuencia pesos volumétricos que van siendo menores a medida que el agua aumenta. Si en un sistema de ejes coordenados se sitúan los puntos correspondientes a cada peso volumétrico seco con su respectiva humedad y se unen con una curva, quedará representada la variación del peso volumétrico de un material para diferentes contenidos de agua y una misma energía de compactación; esta curva adopta aproximadamente la forma de una parábola, siendo mas pronunciada su curvatura en el caso de suelos arenosos que en los suelos arcillosos. El contenido de agua óptimo y el peso volumétrico seco máximo de un suelo, también varían con la energía de compactación; cuando ésta se aumenta, se obtienen mayores pesos volumétricos secos máximos con humedades óptimas menores. A su vez, la humedad óptima y el peso volumétrico seco máximo son función del tipo de suelo; los suelos gruesos, para una misma energía de compactación, tienen en general mayores pesos volumétricos y menores contenidos de agua que los suelos finos. De acuerdo con la naturaleza de los materiales y con el uso que se les pretenda dar, se han establecido procedimientos de prueba para llevar a cabo la compactación de los suelos en el laboratorio, con objeto de referenciar y evaluar la compactación que se alcanza con los procedimientos aplicados en el campo, para determinar el grado de compactación del material. Tomando en cuenta la forma de aplicar la energía al material, las pruebas de compactación que generalmente se emplean son de los siguientes tipos: a) Por impactos, como son las pruebas de: Compactación dinámica AASHTO estándar. b) Por carga estática, como es la prueba de compactación Porter. c) Por amasado, como es el caso del método de compactación de Hveem. d) Por vibración, como es el método de compactación en que se utiliza una mesa vibratoria. PRUEBA PROCTOR ESTÁNDAR N-4 Objetivo: Determinar el peso volumétrico seco máximo (¸ dmáx.) y la humedad óptima (Wópt.) del suelo en estudio. Esta prueba es recomendada a suelos arcillosos que pasan la malla No. 4. Equipo y material que se utiliza: o Compactador automático o Molde de compactación de 0.94 lts. y su extensión o Pisón de un peso de 2.5 Kg-..o Charola rectangular de 40X60 cms.- o Cápsulas de aluminio- o Horno o Balanza con aproximación a 0.1 gr. -o Probeta con capacidad de 100 ml. -o Malla No. 4 -o Regla o solera para enrasar o Vaso de aluminio -o Agua -o Aceite y brocha -o Estopa para limpieza del molde -o Suelo arcilloso que pasa la malla No. 4 Procedimiento: Procedimiento: 1. Se pesan las cápsulas de aluminio y el molde de compactación, anotando estos datos en el registro correspondiente. 2. Se prepara una muestra de 3 Kg. de suelo secado al sol, se le incorpora la cantidad de agua suficiente para tenga de un 4 a un 6% abajo de la humedad óptima, se uniformiza la humedad, se vacía suelo húmedo a la primera cápsula de aluminio que se haya pesado, hasta completar las ¾ partes de su capacidad, la cual se pesa y se registra como: (Peso de cápsula + suelo húmedo) Las cápsulas se introducen al horno; esto es con el fin de determinar el contenido de agua para este ensayo. 3. Con el material restante, llenamos el molde, compactándolo en 3 capas aproximadamente iguales, dándole 25 golpes a cada una de estas. Después de que se haya compactado en suelo, la última capa no debe salir del molde mas de 2.5 cms. 4. Se enrasa el molde y se pesa, registrándolo como: Peso del molde + suelo húmedo. 5. Se saca el material del molde, se reintegra al resto del material que se encuentra en la charola, se disgrega hasta dejarlo como estaba inicialmente. 6. Se le hace el incremento de agua recomendado, que es de un 2% con respecto al peso inicial de la muestra (3,000 grs.); por lo que la cantidad de agua a agregar es: Cantidad de agua = 3,000 X 0.02 = 60 grs. de agua ó 60 ml. 7. Se distribuye la humedad en forma homogénea y se repite la compactación como se describió anteriormente; se compacta las veces necesarias hasta que el peso del molde + suelo húmedo de un valor igual o menor que el inmediato anterior. 8. Es recomendable que esta prueba se logre en un mínimo de 4 ensayos y un máximo de 6, con el fin que se logre definir la parábola de forma completa. 9. Después de 24 hrs. las cápsulas son extraídas del horno y se pesan, registrándolas como: Peso de cápsula + suelo seco 10. Se obtienen los cálculos del registro de la siguiente forma: Peso del suelo húmedo (Wm) = (Peso del molde + suelo húmedo) – (Peso del molde) Peso volumétrico húmedo en kg/m3; ¸m=Wm/V; donde: V = Volumen del molde, en m3 Peso del agua (Ww) = (Peso de cápsula + suelo húmedo) – (Peso de cápsula + suelo seco) Peso del suelo seco (Ws) = (Peso de cápsula + suelo seco) – (Peso de cápsula) Contenido de agua (e)= Ww/Ws x 100 Pesos volumétricos secos (¸d ) = ¸m/1+e/100 11. Se grafican los 2 últimos renglones del registro, de la siguiente forma: En el eje de las abscisas se indican los contenidos de agua (e) en % y en el eje de las ordenadas los pesos volumétricos secos (¸d). 12. En el punto mas alto de la parábola, con la horizontal se obtiene el peso volumétrico seco máximo (¸dmáx.) y con la vertical se obtiene la humedad óptima (eópt.) DETERMINACION DE LA DENSIDAD APARENTE (método cono de arena): N-5 Para obtener estas densidades existen los siguientes métodos en terreno: •A-Cono de arena -B-Balón de densidad -C-Densímetro nuclear En esta guía nos referiremos solamente el primero. El método del cono de arena, se aplica en general a partir de la superficie del material compactado, este método se centra en la determinación del volumen de una pequeña excavación de forma cilíndrica de donde se ha retirado todo el suelo compactado (sin pérdidas de material) ya que el peso del material retirado dividido por el volumen del hueco cilíndrico nos permite determinar la densidad húmeda. Determinaciones de la humedad de esa muestra nos permiten obtener la densidad seca. El método del cono de arena utiliza una arena uniforme normalizada y de granos redondeados para llenar el hueco excavado en terreno. Previamente en el laboratorio, se ha determinado para esta arena la densidad que ella tiene para las mismas condiciones de caída que este material va a tener en terreno. Para ello se utiliza un cono metálico. Materiales.- 1. Aparato del cono de arena : el aparato del cono de arena consistirá de un frasco de aproximadamente un galón (3.785lts.) y de un dispositivo ajustable que consiste de una válvula cilíndrica con un orificio de 12.7mm (1/2) de diámetro y que tiene un pequeño embudo que continua hasta una tapa de frasco de tamaño normal en un extremo y con un embudo mayor en el otro. La válvula deberá tener topes para evitar su rotación cuando este en posición completamente abierta o completamente cerrada. El aparto deberá estar de acuerdo con las exigencias indicadas Placa base para su uso esto puede hacer mas difícil la nivelación pero permite en el ensayo abrir agujeros de diámetro mayores y puede reducir la perdida de suelo al pasarlo del agujero de ensayo al recipiente, así como también ofrecer una base mas constante para ensayos en suelos blandos. Cuando se usa la placa de base deberá considerarse como una parte del embudo en el procedimiento de este método de ensayo. CLASIFICACIÓN DE SUELOS CARACTERÍSTICAS ORGANOLÉPTICAS Gravas Partículas visibles y gruesas $2 mm Arenas Partículas visibles y finas < 2 mm Limos Partículas no visibles y tacto áspero Arcillas Partículas no visibles y tacto suave CLASIFICACIONES NORMALIZADAS DE SUELOS