capítulo 4 suelos especiales - facultad de ingeniería ciertos suelos de granos finos son...

Maestría de Caminos

Prof. Augusto J. Leoni 1

GEOTECNIA IIGEOTECNIA II““Suelos EspecialesSuelos Especiales””

Profesor: Ing. Augusto JosProfesor: Ing. Augusto Joséé LeoniLeoni

Ciertos suelos de granos finos son estructuralmente inestables en contacto con agua, En él las partículas finas de arcillas, fácilmente se dispersan y entran en suspensión y migran con el movimiento del agua de contacto.

A estos suelos se los denomina “Suelos Dispersivos”

SUELOS DISPERSIVOSSUELOS DISPERSIVOS



Los resultados de exponer Suelos Dispersivos en contacto con agua, son verdaderamente desastrosos



Falla de la represa Little Wewoka USA (21/05/60)



Sherard estudió los iones de cambio de los suelos que fallaban por tubificación y descubrió que la mayoría de ellos tenía un contenido muy elevado de sodio

K+, Fe3+, Al3+, Mg2+, Ba2+, Ca2+, Na+, Li+

Aumenta la resistencia al corte

Aumenta la plasticidad

Partículade

arcilla

El proceso de falla de estos suelos es un procesos físico – químico, influenciado por el elevado contenido de Na+ que tienen estos suelos.



Porcentaje de Sodio =

Total de sales solubles =

)(100.

NaKMgCaNa

+++

NaKMgCa +++

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 Po

rcen

taje

de

Sodi

o (%

)

0 25 50 75 100 Total de sales solubles (meq/lt)

Zona 1 Zona 2

Transición

Zona 3

Porcentaje de SodioPorcentaje de Sodio = =

Total de sales solublesTotal de sales solubles = =

)(100.

NaKMgCaNa

+++

NaKMgCa +++

0

20

40

60

80

100

Porc

enta

je d

e so

dio

(%)

1E-1 1E0 1E1 1E2 1E3Total de sales solubles (meq/litro)

ZONA A

ZONA B

ZONA C

CARTA DE SHERARD PARA CLASIFICAR DESDE EL PUNTO DE VISTA QUIMICO A LOS SUELOS DISPERSIVOS



Orificio de 1 mmMuestra compactada

Material granular lavado

de tanque de altura cte.Agua destilada

Cono de plástico Pasa T 1/4 - Ret T N°4h

ENSAYO DE PIN HOLE

1.0

5

Tiempo ( min )

ND4

10 15 20

Capacidad hidráulica= 2.8 ml/s

Altura = 180 mm

LIGERAMENTE OSCURO a CLARO

MUY OSCUCURO a OSCUROOSCURO a LIGERAMENTE OSCURO

GUIA DE FLUJO EFLUENTE


Altura = 50 mm4.0

Cau

dal (

ml /

s )

2.0

3.0

CLARO

D1

5.0

D2D1DISPERSIVA

D2

ND4

ND3

NO DISPERSIVAND3 ND2ND4

MODERADAMENTEND1

Altura = 380 mm


ND3

ND1

ND2

Norma ASTM D 4647 – 93



Resultados de “Pin Hole” sobre suelos altamente dispersivos, con cargas hidráulicas de 50 mm

0

20

40

60

80

100

Porc

enta

je d

e so

dio

(%)

1E-1 1E0 1E1 1E2 1E3Total de sales solubles (meq/litro)

K+, Fe3+, Al3+, Mg2+, Ba2+, Ca2+, Na+, Li+

Aumenta la resistencia al corte

Aumenta la plasticidad

CORRECCIÓN CON CAL



CONCLUSIONES

-Los suelos estudiados son altamente erosionables (dispersivos)

-Los mismos deberán ser tratados adecuadamente para ser utilizados como material de construcción en las obras de cierre

-Las zonas donde se deberá prestar atención especial al tratamiento son aquellas que se encuentran en contacto con el agua quieta o en posible movimiento:

-Paramento de agua arriba y Filtros

Suelo tratado con cal

Suelo sin tratar

Material de filtro

Suelo cemento



RESULTADOS DE ENSAYOS DE PIN HOLE PUBLICADOS POR SHERARD



SUELOS COLAPSABLESSUELOS COLAPSABLESLos suelos que tienen origen en una región árida, con transporte y deposición eólica, que están conformados mayoritariamente por partículas de limos o de la denominada “Fracción Loessial” que abarca las partículas de 10 a 50 µ, y tienen un grados de saturación menor al 60%. Son potencialmente “Suelos Colapsables” o “Colapsibles”

Laboratorio de Mecánica de Suelos Facultad de Ingeniería - U.N.L.P.

Estudio N° 345

Usuario: Facultad de IngenieríaObra: Estudio de Suelos Colapsables 20/02/02 Sondeo A Ubicación: Río Tercero - Provincia de Córdoba - Argentina Napa: -

Nro Prof. Descripción del Suelo E.N.P.Clasif. Wn, Wl, Wp, Ip, Granulometría Fricc. Cohes. γ d

[ ° ] [Kg/cm²] [g/cm³]10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 20 30 40

Humedad Natural Límite Plástico Límite Líquido Indice Plasticidad E.N.P.

Pasa tamiz 4 Pasa tamiz 10 Pasa tamiz 40 Pasa tamiz 100 Pasa tamiz 200

1,00 ML

2,00 ML

3,00 ML

4,00 CL-ML 5 0,25 1,40

5,00 ML

6,00 CL-ML 7 0,30 1,42

7,00 CL-ML

8,00 CL-ML

9,00 CL-ML 8 0,32 1,45

10,00 CL-ML

11,00 ML

12,00 ML

13 13,00 ML

14 14,00 ML 12 0,45 1,48

15 15,00 CL-ML

Lomoso

castaño claro

Arcillo limoso castaño claro

Limoso castaño claro

Arcillo limoso

castaño claro

Limoso

castaño claro

Arcillo limoso castaño claro

Perfil Estratigráfico

Características físicas de un perfíl típico de suelos potencialmente colapsable de nuestro País



ZONA DE ZONA DE SUELOS SUELOS

COLAPSABLES COLAPSABLES EN NUESTRO EN NUESTRO

PAISPAIS

CaracterCaracteríísticas principales de los suelos sticas principales de los suelos colapsablescolapsables

VsVve =

Saturación

+ e σ Log p´

∆e

-e10 a 50 µ



Determinaciones

Cualitativas

Determinaciones

Cuantitativas

- Denisov (eL)

- Priklonski (wP e Ip)

- Soviet Building Code (eL)

- Gibbs (γd, γs y wL)

- Zur Weisman (γd, y γd(wL)

- Leoni (Cu y Fracc. Loessial)

- Denisov (ensayos edométricos)

- Regginato (ensayos edométricos)

TIPOS DE ANALISIS

CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES DE LOS SUELOS COLAPSIBLES

Estado natural inicial con poca humedad y sin carga

Estado final saturado con o sin carga

eoHeS

+∆

=∆1

.



PriklonskiPriklonski (1952)(1952)

o

L

ee

K =

Dando las siguientes recomendaciones:Kd < 0 Suelos altamente colapsablesKd > 0,5 Suelos no colapsablesKd > 1 Suelos expansivosp

pnd I

Kϖϖ −

=

DenisovDenisov (1951)(1951)Donde “eL” es la relación de vacíos que tiene el suelo cundo tiene la humedad del Límite Líquido y “eo” es la relación de vacíos que tiene el suelo en estado natural.Este autor define que el suelo es colapsable cundo esta relación varía entre 0,5 y 0,7

o

Lo

eee

L+−

=1

Soviet Building Code (1962)Soviet Building Code (1962)

Y establece que un suelo es colapsable cuando tiene un grado de saturación menor al 60% y además el parámetro “L” es mayor a -0,1.S < 60 % y L > -0,1



GibbsGibbs

L

sd

w

Rϖ

γγγ 1

−=

Donde γw es la densidad del agua, γd es la densidad seca y γs el peso específicoY encuadra a los suelos como potencialmente colapsables cuando el valor de R > 1

ZurZur WeismanWeisman (1973)(1973)

)(WLd

dHγ

γ=

Donde γd(WL) es la densidad seca del suelo cuando se amasa con la humedad del límite líquido y define a los suelos como potencialmente colapsables cuando H < 1,1

Rw = coeficiente de asiento debido a la saturación

Rp = coeficiente de asiento debido a la carga

Rt = coeficiente de asiento total

Ensayos CuantitativosDENISOV

Se define:eo = relación de vacíos inicialep = relación de vacíos luego de aplicada una presión “p”ew = relación de vacíos luego que la muestra se satura, bajo la

presión de la carga “p”

01 eee

R wpw +

−=

o

po

eee

Rp+

−=

1

o

wo

eeeRt

+−

=1

Log p´p’

eo

ep

ew

e



Ensayo del Ensayo del DDobleoble EEddóómetrometro

p’ Log p’

eo

e

Humedad natural

Saturada

REGGINATO (Córdoba 1973)

Pfs = Presión de preconsolidación para una muestra saturadaPfn = Presión de preconsolidación para una muestra con humedad naturalPo = Presión de la tapada

Para C < 0 Tendremos que Po(1) > Pfs y nos encontramos con un suelo verdaderamente colapsable ya que el suelo colapsa bajo su propio peso cuando se satura.

PoPfnPoPfsC

−−

=

P < Pfs No hay colapso cuando el suelo se satura

Pfs < P < Pfn Hay colapso cuando el suelo se satura

P > Pfn Hay colapso sin necesidad de saturación

CuandoC > 0 (Po(2))

Log p´PfnPfs

Po(1)Po(2)

P

e



0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

Rel

ació

n de

vac

ios

(e)

0.1 1 10 Tensiones (kg/cm²)

Muestras saturadas Muestras con humedad natural

Ensayos de doble edómetro realizados sobre muestrasinalteradas de Zelegua

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Ase

ntam

ient

o (c

m)

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 distancia al eje (m)

Altura 5,00 m Altura 10,0 m Altura 15,0 m

Esquema de asentamientos en la base de la presa que traen como consecuancia la inviabilidad del dren tapiz



Los suelos arcillosos que tienen un elevado índice plástico, con un porcentaje importante de partículas de arcillas (< 2µ), que tengan una elevada compacidad, (densidad), que además tengan un grado de saturación bajo y que tienen la posibilidad de absorber agua. Son suelos potencialmente expansivos

SUELOS EXPANSIVOSSUELOS EXPANSIVOS

TIPOS DE ANALISIS

ANALISIS CUALITATIVOS

ANALISIS CUANTITATIVOS

Propiedades índices, composición granulométrica y densidad

- Indice Plástico

- Límite de contracción

- Indice de contracción

- Ensayo de hinchamiento libre

- Hinchamiento libre modificado

- Indice de actividad de Skempton

- Indice de actividad de Seed y otros

-Indice de desecación de Livneh

-Cálculo de Vijayvergiya y Ghazzaly

-Ensayos de expansión libre en edómetro

-Presión de expansión con deformación controlada

Potencial de expansión y propiedades físicas

Mc Dowell (wmáx y wmín)

Cuellar (wmáx)

Vijavergiya y Gazzaly (Presión de expansión)

Jimenes Salas (Presión de expansión)



Relación de la actividad con el Indice PlásticoIp = WL - WP

Muy ActivoIp > 55Activo20 < Ip < 55

Mediana Actividad10 < Ip < 35Baja ActividadIp < 15 %

0 wp wL w

Ip

Relación de la actividad con el Límite de ContracciónLímite de Contracción = Lc = wi - Dw

ViWh

Tara

Vf

Ws

100..100. wTaraWsVfVi

TaraWsWsWhLc γ

−−

−−

−=

wi ∆w

0 Lc Wp WL %w

∆w

Activo a Muy Activo

Lc < 10

Mediana Actividad

10 < Lc < 12

Baja ActividadLc > 12

wi



(1)

(2)

(3)

gh

ghgh

WV

γ=

γgh = 13,6 gr/cm3

Wh

Determinación del volumen por el método del mercurio

Relación de la actividad con el Indice de Contracción Ic el Ip y el WL

Ic = WL – Lc

0 Lc WL %w

Ic

Extra alto

> 90> 60> 32

Muy alto70 a 90> 60> 32

Alto50 a 7030 a 6023 a 32

Medio35 a 5015 a 3012 a 23

Bajo20 a 35<15< 12

WLIcIndice Plástico

wP



CCriterioriterio de de ExpansividadExpansividad dede HOLTZ Y GIBBS (1957)HOLTZ Y GIBBS (1957)

Ensayo de Free Swell Test (FST) (hinchamiento libre)Se coloca en una probeta graduada de 100 cm3 un cantidad de suelos seco tamizado por el Tamiz Nº 40 de aproximadamente 15 gr y se anota el volumen que ocupa en el fondo de la probeta “Vi”.Posteriormente se le adiciona agua destilada hasta el nivel de los 100 cm3, se la agita para que el suelo en su totalidad quede en suspensión en el agua y se la deja reposar hasta que las partículas en suspensión decanten y marquen un nuevo volumen “Vf” Con estos dos valores calculamos:

100.(%)Vi

ViVfFST −=

Activo a Muy Activo

FST > 100

Mediana Actividad

50 < FST < 100

Baja ActividadFST < 50

ViVf

Probeta graduada de 100 cm3

Sivapullaiah (1987)Indice de Hinchamiento Libre Modificado

VsVsVM FST

−=

V = Volumen del suelo luego de sedimentado en la probeta

Vs = Volumen sólido del suelo = (Se coloca un peso Ws en la probeta graduada y se calcula el volumen)

γs = Peso específico del suelo

Muy Alto>20Alto10 a 20

Moderado2,5 a 10Despreciable< 2,5

Potencial de Hinchamiento

MFST

s

Wsγ

Probeta graduada de 100 cm3

ViVf



0

10

20

30

40

50

60

Indi

ce p

lást

ico

0 10 20 30 40 50 60 Porcentaje menor que 1 micrón

Grado de Actividad de Holtz y Gibbs

Lc > 13FST < 50

No Activos

8< Lc <1850 < FST< 100

Medianamente

6 <Lc< 12FST > 100

Activo

Lc < 10 FST > 100

Muy Activos

Criterio de Actividad de SKEMPTON (1953)

)2(% µ<=

IpA

Activo a Muy ActivoA > 1,25Medianamente Activo0,75 < A < 1,25

Baja ActividadA < 0,75

100 a 150

75 a 150

10 a 50

2,2 a 15

Capacidad de cambio de cationes m.eq.x100g

1,12 – 11,5Monmorillonita (Na+Li)

0,32 – 3,09Monmorillonita (Ca+Mg+Li)

0,23 – 0,80Illita

0,01 – 0,41Caolinita

A = 0Cuarzo

La evaluación de la cantidad de cargas eléctricas de un suelo, expresado en función de su masa (peso) constituyen lo que se llama la CAPACIDAD DE CAMBIO y se mide en miliequivalente x 100 grs (m.eq.x100)



0

20

40

60

80

100

Indi

ce P

lást

ico

Ip (%

)

0 20 40 60 80 100 % de partículas < 2 micrones

Indice de Actividad de Skempton

Muy activos

Inactivo

Normales

Indice de Actividad de SEED, WOODWARD y LUNDGREN(1962)

)102(% −<=

µIpIa

Alta23 a 32

Muy Alta

>32

Media12 a 23

Baja< 12

Indice Plástic

o

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

Indi

ce d

e A

ctiv

idad

(Ia)

0 10 20 30 40 50 60 70 % de partículas < 2 micrones

Indice de ActividadSeed, Woodward y Lundgren

Bajo

Alto

Muy Alto

Medio



Suelo expansivo

Anillo rígido

Piedras porosas

Esquema del montaje de un anillo de consolidación

agua

Métodos cuantitativos:

-Hinchamiento libre

-Presión de hinchamiento

Suelo expansivo

Anillo rígido

Piedras porosas

Esquema del montaje de un anillo de consolidación

agua

Hinchamiento libre:

Se coloca la muestra inalterada en el anillo de consolidación, se la pone en contacto con agua y se mide la expansión que desarrolla “∆Ho”, se la indica como porcentaje de la altura inicial

100.%HoHExpansión ∆

=



Ll

Q

P . L = l .Q

AlLP

AQ

..

==σ

Presión de expansión: Se controla el comparador para que siempre marque un valor constante mientras la muestra se satura, para ello se le adicionan bolillas de acero en el recipiente que contrarresta la presión de expansión.

El ensayo se suspende cuando la muestra no Cambia más de volumen y se calcula la presión de expansión tomando en cuenta la carga aplicada y la superficie de la muestra.



Vivienda del City Bell fundada sobre una “platea”apoyada sobre un relleno, sobre suelos activos



Diferencia conceptual entre lo que es una platea rígida de un contrapiso de cascotes

Recomendaciones para proyectar fundaciones en suelos expansivos

1,2 m

Evapotranspiración

Grietas de contracción

por desecación

Se ha determinado mediante mediciones in itu, que en nuestra región, las grietas de contracción por pérdida de humedad, alcanzan una profundidad del orden de los 1,20 m de profundidad



Las grietas de contracción no se extienden más allá de los -1,20 m de profundidad y los cambios de humedad tampoco

1,2 m

Evapotranspiración Humedad %

Prof

undi

dad

(m)

1,50 m

InviernoVerano

Es conveniente apoyar las fundaciones por debajo de los niveles afectados por los cambios de humedad. Profundidad de fundación ≥ 1,50 m

1,50 m

Humedad %

Prof

undi

dad

(m)

1,50 m



Se desarrollan presiones en la cara inferior de las vigas Se desarrollan presiones en la cara inferior de las vigas de de arriortramientoarriortramiento que deben ser tenidas en cuenta. que deben ser tenidas en cuenta.

Presión del suelo expansivo sobre las vigas de arriostramiento

cuando aumenta su humedad

La solución es colocar doble armaduras en las vigas de arriortramiento.

Vigas de arriostramiento con doble armadura

Planchas de telgoport de 2” debajo de las vigas de arriostramiento



Vereda perimetral para evitar que el agua de lluvia penetre en el suelo por debajo de la viga de arriostramiento

1,50 m

Interior exterior

Vereda perimetral

Utilizar cañerías de desagües de alta calidad para evitar que se rompan y permitan que el suelo expansivo aumente su humedad

Rotura de cañería

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