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UNIVERSIDAD DE NARIO FACULTAD DE INGENIERA GEOTECNIA I

GEOTECNIA I

UNIVERSIDAD DE NARIO. 2006

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CAPTULO I

INTRODUCCIN Terzaghi dice: La mecnica de suelos es la aplicacin de las leyes de la mecnica y la hidrulica a los problemas de ingeniera que tratan con sedimentos y otras acumulaciones no consolidadas de partculas slidas, producidas por la desintegracin mecnica o la descomposicin qumica de las rocas, independientemente de que tengan o no materia orgnica. La mecnica de suelos incluye:a) Teoras sobre el comportamiento del suelo sujeto a cargas, basadas en

simplificaciones necesarias dado el estado actual de la teora.b) Investigacin de las propiedades fsicas de los suelos. c) Aplicacin del conocimiento terico y emprico de los problemas prcticos.

En el sentido general de la ingeniera, suelo se define como el agregado no cementado de granos minerales y materia orgnica descompuesta junto con lquido y gas (que ocupan espacios vacos). El suelo se usa como material de construccin en diversos proyectos de ingeniera civil y sirve para soportar las cimentaciones estructurales. Por esto, los ingenieros civiles deben estudiar las propiedades del suelo, tales como origen, distribucin granulomtrica, capacidad para drenar agua, compresibilidad, resistencia cortante capacidad de carga, consolidacin y otras mas estudiadas con mas detalle posteriormente.

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SUELO Es un medio esencialmente discontinuo, multifase, particulado y de calidad no controlada." Son depsitos desagregados o no cementados de fragmentos o partculas minerales u orgnicas que se encuentran en la superficie terrestre. El enlace entre partculas es un poco dbil. Son materiales que se pueden excavar con picas, palas o un excarificador. La diferencia fundamental entre suelo y roca radica en que los suelos poseen cohesin y densidad netamente inferiores, y la roca es un material mineral natural slido, duro y sus partculas tienen enlaces muy fuertes, adems se presenta en grandes masas o en fragmentos de tamao considerable. Son sedimentos no consolidados de partculas slidas, fruto de la alteracin de las rocas, o suelos transportados por agentes como el agua, hielo o viento con contribucin de la gravedad como fuerza direccional selectiva, y que pueden tener materia orgnica. El suelo es un cuerpo natural heterogneo. Son estructuras dinmicas que van cambiando desde sus inicios hasta adquirir un equilibrio con el entorno. Tanto el suelo como la roca son materiales trreos. El suelo como material estructural es una masa suelta y deformable por lo tanto la Mecnica de Suelos nos suministra las herramientas necesarias para evaluar propiedades tales como permeabilidad, compresibilidad, las deformaciones producidas por fuerzas impuestas al suelo y tambin para conocer su resistencia y deformabilidad. INGENIERA GEOTCNICA: Arte de analizar, disear y construir obras civiles con materiales trreos. Tiene dos ramas principales:

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UNIVERSIDAD DE NARIO FACULTAD DE INGENIERA GEOTECNIA I 1 ) INGENIERA DE FUNDACIONES: Estudia la interaccin que existe entre todas las

construcciones civiles y el suelo donde se apoya.2 ) INGENIERA

DE

TRABAJOS

DE

MOVIMIENTO

DE

TIERRAS:

Incluye

la

construccin de presas, carreteras (geotecnia vial), utilizacin de los materiales para construcciones, estabilidad al realizar excavaciones. GENERALIDADES La Ingeniera Geotcnica estudia:3 ) Las propiedades fsicas y mecnicas de probetas homogneas de suelos inalterados,

amasados o pruebas "in situ". INALTERADA": Consiste en llevar al laboratorio una probeta de suelo sin

"MUESTRA

alterar sus propiedades o estado natural, o estado de esfuerzos. Las mejores muestras inalteradas son aquellas en que la humedad y la composicin no sufren cambios y la relacin de vacos y la estructura sufren el menor cambio posible.

4 ) La

mecnica terica de los suelos, especialmente la teora de la elasticidad, debe

solucionar problemas de estabilidad o capacidad portante.5 ) La Aplicacin de los conocimientos a la solucin de los problemas del proyecto y de la

construccin:Mecnica de suelos Experiencia Economa Criterio Del Ingeniero Solucin a los problemas de Ing. Geotcnica

La Mecnica de Suelos nos sirve de herramienta para el diseo de obras de Ingeniera, como cimentaciones de edificaciones, puentes, obras viales, estructuras hidrulicas.3 ING. HUGO CORAL


Debido a que la Mecnica de Suelos no es una ciencia netamente analtica ya que cuenta mucho el criterio del ingeniero para dar solucin a los problemas, se debe fundamentar en conocimientos empricos modernos, que junto con la experiencia personal dan solucin a los problemas. Por lo anterior debemos tener en cuenta que a medida que avancen las investigaciones aparecern nuevas tcnicas de la Mecnica de Suelos. En general la mecnica de suelos encuentra la deformacin que produce una carga sobre el suelo. CARACTERSTICAS DE LOS SUELOS El volumen del suelo cambia debido a la presin impuesta y por intercambio de vapor con la atmsfera (lluvia) y por ese intercambio se genera una expansin. Evaporacin - disminucin Lluvia - expansin Los suelos permiten esfuerzos de corte y en algunas circunstancias pueden comportarse como lquidos (Esfuerzo cortante = 0) El suelo no es elstico ni plstico, sino elasto-plstico. Los suelos gruesos son ms elsticos que plsticos y los finos ms plsticos que elsticos.

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CAPTULO II

ORIGEN Y FORMACIN DE LOS SUELOS OBJETIVO ESPECFICO Conocer los procesos geolgicos que influyen en la formacin de los suelos. Los suelos segn el origen de sus elementos se dividen en dos:1 ) Inorgnicos.

Los suelos inorgnicos son suelos cuyo origen se debe a la descomposicin fsica y qumica de las rocas: - Meteorizacin. - Intemperismo.2 ) Orgnicos.

Los suelos cuyo origen es esencialmente orgnico producto de la descomposicin de vegetales o de acumulacin de fragmentos de esqueletos. ORGENES Y PROCESOS DE FORMACIN Todos los suelos tienen su origen, directa o indirectamente, en las rocas slidas, que se clasifican de acuerdo con su proceso de formacin de la siguiente manera:

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FIGURA 1.

Ciclo de las rocas

1. ROCAS GNEAS: Formadas por enfriamiento de material fundido (magma), dentro o sobre la superficie de la corteza terrestre, como por ejemplo, el granito, basalto, dolerita, andesita, gabro, sienita y prfido. Las rocas gneas se subdividen en dos grandes grupos:a) Las rocas plutnicas o intrusivas: Formadas a partir de un enfriamiento del magma

lento y en la profundidad.b) Las rocas volcnicas o extrusivas: Formadas por el enfriamiento del magma,

rpido y en la superficie, o cerca de ella.

FIGURA 2.

Roca gnea

2. ROCAS SEDIMENTARIAS: Formadas en capas acumuladas por el asentamiento de sedimentos en cuerpos de agua, como mares y lagos; por ejemplo, caliza, arenisca, lodolita, esquisto y conglomerados. La mayora de estas rocas se caracterizan por presentar lechos paralelos o discordantes que reflejan cambios en la velocidad de sedimentacin o en la naturaleza de la materia depositada.6 ING. HUGO CORAL


Las rocas sedimentarias se clasifican segn su origen en detrticas o qumicas.a) Las rocas detrticas, o fragmentarias: se componen de partculas minerales

producidas por la desintegracin mecnica de otras rocas y transportadas.b) Las rocas sedimentarias qumicas: se forman por sedimentacin qumica de

materiales que han estado en disolucin durante su fase de transporte.

FIGURA 3.

Roca sedimentara

3. ROCAS METAMRFICAS: Formadas por la modificacin de rocas ya existentes por causas como:a) Calor extremo o la intrusin de rocas gneas: recibe el nombre de trmico o de

contacto, por ejemplo mrmol y cuarcitab) Presiones muy alta: recibe el nombre de dinamometamorfismo o metamorfismo

cataclstico y tiene lugar en fracturas con movimiento (fallas), una muestra de estos son la pizarra y el esquisto.

FIGURA 4.

Roca metamrfica7 ING. HUGO CORAL


FACTORES DE FORMACIN Y EVOLUCIN DEL SUELO Los procesos que transforman a las rocas slidas en suelos se muestran en la superficie o cerca de ella, ya aunque son complejos dependen de los siguientes factores:a) Naturaleza y composicin de la roca madre. b) Condiciones climticas, en especial temperatura y humedad. c) Condiciones topogrficas y generales del terreno, tales como grado de proteccin o

exposicin, densidad y tipo de vegetacin etc.d) Duracin de las condiciones especficas prevalecientes. e) Interferencia de otros factores, como pueden ser los cataclismos, los terremotos y las

actividades humanas.f)

Mecanismos y condiciones de acarreo natural.

Entre otros factores de formacin y evolucin del suelo se encuentran: Material Parental: Permeabilidad y constituyentes minerales de la roca madre. determina cules sern los productos de alteracin originados por la meteorizacin; por tanto, influye en el grado de acidez del suelo resultante. Tiempo: El clmax puede ser de decenas a miles de aos. Topografa o relieve: Pendientes, drenaje; orientacin de la ladera y barreras topogrficas. facilita o dificulta, segn el grado de inclinacin de la superficie, la infiltracin del agua en el terreno; cuanto mayor sea sta, ms activo ser el proceso; el relieve tambin determina el grado de erosin y la orientacin con respecto al sol; las zonas dirigidas al sur sufren una mayor evaporacin y sus suelos son menos potentes. Formadores biolgicos: Micro y macro fauna como fuente de humus. Favorece la disgregacin fsica de la roca madre (consistente en rocas sedimentarias y/o morrenas glaciales), fundamentalmente mediante la accin de las races de los vegetales, pero8 ING. HUGO CORAL


tambin interviene de forma notable en la meteorizacin qumica por medio de los cidos hmicos, procedentes de la descomposicin de restos orgnicos. Clima: Temperatura, balance hdrico, intensidad de accin y velocidad de procesos. Es el ms importante de ellos, ya que determina el volumen de precipitaciones y la temperatura a la que tienen lugar las alteraciones qumicas necesarias. La roca madre: constituye el aporte de elementos minerales cuando se produce su disgregacin y descomposicin; finalmente, con el transcurso del tiempo y la accin conjunta del clima y vegetacin, se produce la mezcla de los elementos entre s y con el aire y agua.

FIGURA 5.

Proceso de formacin de los suelos: 1-Roca madre; 2-Accin mecnica

(cambios de temperatura, hielo, etc.); 3-Accin qumica del agua y de sus sales minerales; 4-Accin de los seres vivos; 5-Accin conjunta de todos las materias orgnicas e inorgnicas.

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METEORIZACIN Es el conjunto de modificaciones de la masa de roca de orden fsico (desagregacin) y qumica (descomposicin) que surge debido a la accin de la atmsfera, hidrosfera y biosfera, de la vida animal y otros agentes en la transformacin de la superficie terrestre. Con la actuacin de la meteorizacin la roca sana se altera pudiendo llegar a la formacin de los suelos.

1 ) METEORIZACIN FSICA: Es todo proceso que causa la Desintegracin donde la

roca se divide en partculas ms pequeas que conservan las caractersticas fsicoqumicas de la roca madre. Las causas de este fenmeno son:a) Las variaciones de temperatura: a travs da actuacin de la expansin y de la

contraccin trmica. La influencia de la temperatura se da por la existencia de minerales con diferentes coeficientes de dilatacin trmica, lo que proporciona desplazamiento relativo entre los cristales.b) Las variaciones de humedad: que adems de favorecer las reacciones qumicas y

el transporte de elementos acta en los mecanismos de expansin y retraccin.c) El congelamiento del agua en las fisuras de las rocas: pasa por un aumento de

volumen que termina por ejercer presiones importantes en las paredes de las fisuras contribuyendo para la ampliacin de la red de fracturas y para la fragmentacin de la roca.

2 ) METEORIZACIN QUMICA: Es todo proceso que causa la Disgregacin, donde la

roca se divide en partculas ms pequeas se transforman en otros minerales ms estables que no conservan las propiedades fsico-qumicas de la roca madre. Este tipo de alteracin se puede presentar por causas tales como:10 ING. HUGO CORAL

UNIVERSIDAD DE NARIO FACULTAD DE INGENIERA GEOTECNIA I a) Oxidacin. Implica la adicin de iones de oxigeno, como ocurre en las rocas que

contienen Fe, manifestndose como cambios de coloracin y a veces hasta de consistencia.b) Hidratacin. Significa la adicin de agua a los minerales o absorcin, pero dentro de

su propia estructura atmica o molecular.c) Carbonatacin. Es la disolucin de algunos materiales por medio de aguas con

elevado contenido de CO2, (el potasio, el calcio, el sodio y el magnesio, suelen unirse con el anhdrido carbnico y el oxgeno para formar carbonatos).

3 ) EFECTOS QUMICOS DE LA VEGETACIN. Los cidos orgnicos que se forman

donde hay vegetales en descomposicin tienden a aumentar el poder de disolucin de las aguas que los contienen. As como tambin la meteorizacin es producida por la accin de algunos organismos como las races de los rboles o algunos animales con sus madrigueras; es la llamada meteorizacin orgnica.

SUPERFICIE ESPECFICA La superficie especfica relaciona el rea superficial de un material al peso o al volumen del material, siendo generalmente preferido el volumen. superficie especfica es: Usando esta ltima definicin, la

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FIGURA 6.

Representacin grafica de superficie especifica debida a la fragmentacin de partculas

Fsicamente, el significado de la superficie especfica puede ser demostrado usando un cubo de 1m3 (1 m. * 1m * 1m), tal y como se ve en la figura 6.

Superficie Especfica =

area exp uesta volumen

= 6m2

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Ahora, subdividimos el cubo de tal manera que cada uno de sus lados mida 0.5 m. Nmero de cubos = 2 * 2 * 2 = 8 rea superficial = (0.5) (6) (8) = 12 Superficie Especfica = 12 m2 Ahora dividimos los lados por 10: Nmero de cubos = 10 * 10 * 10 = 1000 rea superficial = (0.1)2(6) (1000) = 60 Superficie Especfica = 60 m2 Esto ilustra que las partculas grandes, sean cubos o partculas de suelo, tienen menores reas superficiales por unidad de volumen y, en consecuencia, superficies especficas menores que los granos de suelo pequeos. Ahora, si se dispusiera de suficiente agua para slo humedecer el rea superficial en el ejemplo precedente, se necesitara 10 veces ms agua para humedecer la superficie de todos los granos cuando los cubos fueran de 0.1 m.* 0.1m.* 0.1 m. En relacin con el mismo volumen ocupado por un solo cubo de 1 m3. Obsrvese tambin que si se intentara remover el agua de la superficie hmeda del suelo, habra que remover 10 veces ms agua de los granos ms pequeos. De acuerdo con el concepto de superficie especfica, se podran esperar mayores contenidos de humedad para suelos de grano pequeo que para suelos de grano grueso, siendo iguales sus otros aspectos; sin embargo, tambin se debe considerar el efecto del tamao del grano en la relacin de vacos de los suelos y factores exteriores tales como el ambiente en la ubicacin de la muestra. La superficie especfica es un factor primario en el diseo del concreto y de una mezcla asfltica, ya que en ambos tipos de diseo es necesario suministrar suficiente pasta de13 ING. HUGO CORAL


cemento o de asfalto para cubrir las superficies de las partculas. Tambin en suelos sujetos a cambio de volumen y a los efectos de la tensin superficial del agua en las interfaces de las partculas. Cuando se tiene un nmero grande de partculas de tamaos pequeos los efectos acumulativos de la tensin superficial de la pelcula de agua para unir o atraer las partculas hacia estados ms compactos, es de gran magnitud.

INTEMPERISMO Es el proceso mediante el cual un material que est expuesto al medio ambiente puede ser transportado por elementos fsicos (agua, viento, temperatura, glaciales) que generan suelos gruesos; qumicos (hidratacin, carbonatacin, oxidacin) que generan suelos finos y biolgicos (animales, vegetales) que generan suelos orgnicos. Por ejemplo la accin de las heladas, durante las que el agua de los espacios de los poros se expande al congelarse, ocasiona la ruptura de las rocas en forma de capas laminares. Por tanto, los restos derivados son angulares y filosos. Esto contrasta con el efecto de la accin del viento, cuyo roce redondea las partculas. se conservan. Cuando el proceso fundamental es de naturaleza qumica, algunos de los minerales de las rocas se desintegran, mientras que otros De la misma manera, la roca gnea granito que est constituida principalmente por los minerales de cuarzo, los feldespatos ortoclasa y plagioclasa y las micas moscovita y biotita. Tanto el cuarzo como la moscovita presentan una gran resistencia a la descomposicin qumica; por ello, estos minerales no resultan afectados por el proceso, mientras que los otros si se descomponen. A los depsitos formados por la accin de las fuerzas de gravedad las cuales generalmente actan con la ayuda del agua se les llama DEPSITOS ALUVIALES, y a los depsitos formados por material que se ha rodado por una ladera y se ha acumulado en la parte menos pendiente de la misma, se les llama DEPSITOS COLUVIALES.14 ING. HUGO CORAL


FIGURA 7.

Distintos tipos de formacin de suelo

EFECTOS DEL TRANSPORTE DE SUELOS Los productos de los ataques de los agentes de intemperismo pueden quedar en un lugar (suelos que no han sido transportados) dando origen a los suelos residuales, estos suelos aparecen particularmente cuando los procesos qumicos del intemperismo predominan sobre los fsicos, lo que sucede en los terrenos llanos de las reas tropicales. La composicin de estos suelos es muy variable, con una gran diversidad tanto de tipos minerales como de tamaos de partculas. En los climas calientes, el intemperismo puede eliminar algunos minerales, dejando otros ms resistentes en depsitos concentrados, por ejemplo, laterita, bauxita, caolinita. El efecto ms importante del transporte natural es una separacin selectiva. Durante los procesos de movimiento se produce una separacin de los constituyentes originales, que15 ING. HUGO CORAL


depende tanto del tamao como de la naturaleza de los granos minerales originales. Por ejemplo en los climas ridos y calurosos existe un polvo fino suspendido en el aire llamado loess, que puede ser transportado a distancias considerables antes de quedar depositado. La accin del agua en el movimiento puede disolver algunos minerales, transportar algunas partculas en suspensin y hacer chocar o arrastrar a otras. La carga arrastrada por un ro o corriente depende en alto grado de la velocidad del flujo. En las zonas altas la velocidad es mayor y puede incluso llegar a arrastrar cantos de gran tamao; tamao que disminuye a medida que se aproxima a su desembocadura. Hay muchos otros factores como el movimiento de los hielos que producen arrastre de los residuos del intemperismo. Por ejemplo, un glaciar acta como transportador y algunas veces acarrea cantos grandes a distancias considerables. El peso del canto lo hace hundirse a travs del hielo y a medida que llega hasta la base rocosa, la friccin que tiene con esta puede reducirlo a polvo de roca fino. As la gama de tamaos de partcula de una arcilla puede ser muy amplia.

OROGENIA Se designa el proceso a travs del cul se crea una cordillera, pero nicamente puede ser utilizado para designar los procesos de plegamiento, deformacin y empuje. Es un conjunto de fuerzas que pliegan y fallan los estratos dando lugar a una cordillera. Las causas que las producen no son conocidas. En la actualidad la idea de geosinclinal logra relacionar la orognesis con la sedimentacin y la actividad volcnica, pero no explica el origen de las fuerzas. Las teoras orognicas se pueden dividir en dos grandes tipos: teoras verticalistas (intentan explicar la orognesis mediante fuerzas verticales) y teoras horizontalistas (intentan explicar la orognesis mediante fuerzas horizontales)

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MOVIMIENTOS OROGNICOS. Son causados por la actividad volcnica y movimientos ssmicos terremotos, el tipo de esfuerzo es compresin horizontal de desplazamiento considerable, se caracteriza por deformacin en la roca. Se producen las siguientes deformaciones: Ondulamiento.- es un ligero combatimiento a gran escala, en su significado ms amplio, los ondulamientos han sido referidos a amplios levantamientos verticales de proporciones continentales, tales movimientos pueden levantar extensas mesetas y restaurar por compensacin isosttica (s la roca pesada hunde un lugar entonces la roca desplazada se eleva empujando a la roca ligera). Plegamiento.- el plegamiento es semejante al ondulamiento, excepto que denota un mayor grado de deformacin, dndose en pequeas proporciones. Partes principales de los plegamientos. En el estudio de los pliegues es conveniente considerar un cierto nmero de elementos o partes principales. Son stas, los flancos, el plano axial y el eje.

PRINCIPALES TIPOS DE SUELOS ARENAS, GRAVAS, RIPIOS O CANTOS RODADOS. Son agregados sin cohesin de fragmentos redondeados poco o no alterados de rocas. Las partculas menores a 2 mm. Se clasifican como arenas y aquellos de mayor tamao 15 a 30 mm. Son gravas, ripios o cantos rodados. Los fragmentos de rocas de mayor tamao se conocen como bolos. LIMOS INORGNICOS. Suelos de grano fino con poca o ninguna plasticidad. ARCILLAS. Agregados de partculas microscpicas con tomos dispuestos en planos, son suelos plsticos con humedad, cuando estn secos son muy duros sin que sea posible sacar polvo al ser frotados. Tienen permeabilidad baja. Cuando estn muy consolidados se les llama ARCILLOLITAS.17 ING. HUGO CORAL


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TURBAS. Suelo orgnico, son agregados de materia orgnica descompuesta. No se cimienta en ellos debido a su extremada compresibilidad, cuando esta secas flotan y algunas emiten gases como el metano.

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MORRENAS. Depsitos glaciales no estratificados de arcilla, limos, arena o cantos rodados, producida por accin escarificadora de los glaciares.

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TUFAS. Agregados finos de materiales y fragmentos de roca muy pequeos arrojados por los volcanes durante las explosiones y que han sido transportados por el viento o por el agua.

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LOESS. Sedimentos elicos, uniformes y cohesivos, comnmente de color castao claro (Desiertos). Deposito poroso relativamente uniforme de limo transportado. Tiene una estructura floja con numerosos huecos de races que producen exfoliacin vertical y una permeabilidad vertical muy alta.

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CALICHE. Trmino popular que se aplica a ciertas capas del suelo cuyos granos estn cementados por carbonatos calcreos de regiones semiridas. El carbonato de calcio se deposita por la evaporacin de agua subterrnea que lega a la superficie por accin capilar.

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GREDA. Trmino popular para designar a una arcilla de alta plasticidad. BENTONITA. Arcilla con alto contenido de Montmorillonita. La mayora se forman de alteraciones qumicas de cenizas volcnicas. Puede ser dura cuando esta seca pero se expande considerablemente cuando esta hmeda.

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LODO BENTONITICO: Es una arcilla expansiva que se adhiere a las paredes permitiendo estabilidad permanente, y es el resultado de la unin de montmorillonita y agua.

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MONTMORILLONITA. Es la arcilla ms expansiva que al secarse despus de estar saturada produce retraccin considerable (contraccin), con el consiguiente agrietamiento, tiene mayor plasticidad, mayor actividad, ms baja permeabilidad y ms18 ING. HUGO CORAL


bajo ngulo de friccin interna. Las montmorillonitas su caracterizan por una substitucin isomorfa abundante y, en teora, cada substitucin produce un mineral distinto.

MINERALOGA DE LOS SUELOS La mineraloga es la ciencia que se ocupa del estudio de los minerales, examinando todas sus propiedades y caractersticas desde su estructura morfolgica externa hasta la disposicin recproca de los tomos que los componen (Cristalografa), desde su comportamiento fsico hasta sus propiedades y composiciones qumicas, y desde su origen hasta su transformacin en otros minerales. Para ello la mineraloga emplea mtodos de investigacin propios de otras ciencias como la qumica, la fsica y la geometra. La Mineraloga se divide en: Mineraloga general: Dedicada al estudio de la forma externa y estructura interna de los minerales y su clasificacin. Mineraloga descriptiva: Ocupa el estudio detallado de las especies minerales y su distribucin geogrfica y clasificacin en grupos segn la composicin qumica de los minerales. MINERAL. Elemento o compuesto slido formado por compuestos inorgnicos, se conocen ms de 2.000 minerales. Los procesos producen la degradacin del material que genera los suelos. Los ms comunes en las rocas y por consiguiente en los suelos son:1 ) CUARZO.

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FIGURA 8. 19

CuarzoING. HUGO CORAL


Qumicamente es slice casi pura SiO4, se considera inerte, no se degrada y mantiene su composicin, es inerte a la meteorizacin qumica e insoluble en agua; se presenta en dos formas: - Cristalina - Amorfa: de apariencia opaca (granitos, cuarcitas y areniscas), dura, no presenta exfoliacin y es resistente a la meteorizacin mecnica.

2 ) FELDESPATOS.

FIGURA 9.

Feldespato

Son silicatos que constituyen las rocas ms abundantes compuestos de slica ms xidos. Constituyen el 60% de la corteza terrestre que est formada por feldespatos. Conocidos con los nombres de: - Ortoclasa: de color rosado y gris en granitos rompe en planos ortogonales. - Plagioclasa: rompe en planos oblicuos, fcilmente soluble en agua se produce en minerales arcillosos y xidos de aluminio. Al ser lavado con agua produce la caolinizacin.

3 ) MICAS.

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Moscovita

MoscovitaFIGURA 10. Tipos de micas

Biotita

Silicatos complejos hidratados, laminares que contienen Potasio (k), Aluminio (Al), Magnesio (Mg), Hierro (Fe); son blandas y flexibles con una pronunciada exfoliacin; las principales micas son: - Moscovita: de color blanco, estructura laminar, brillante, qumicamente estable y mecnicamente alterable. - Biotita: de color oscuro (gris), rompe en lminas delgadas y flexibles, son lustrosas y brillantes.

4 ) FERROMAGNESIANOS.

Piroxeno

Anfboles

Olivino

FIGURA 11. Tipos de minerales ferromagnesianos

Minerales silicios, pesados, de color oscuro y su composicin ser Magnesio (Mg) y xido de hierro (FeO), pueden ser: - Piroxenos - Anfboles21 ING. HUGO CORAL


- Olivinos

5 ) XIDOS DE HIERRO.

FIGURA 12. Oxido de hierro

Es el principal colorante de los suelos, basta el 1% de xido de Hierro (FeO) para dar coloracin fuerte respecto a un amarillo quemado o rojizo.

6 ) CARBONATOS.

FIGURA 13. Carbonatos

Constituyente importante de las rocas sedimentarias, se puede presentar como: - Calcitas: en las que predomina el calcio - Dolomita: ms dura que la calcita - Magnesita: contiene carbonato de magnesio, presenta color blanco y aspecto brilloso.22 ING. HUGO CORAL


- Siderita: compuesto importante del hierro, se encuentra en los suelos como colorante.

7 ) MINERALES ARCILLOSOS

Pequeos cristalinos en forma de agujas y lminas; la composicin bsica es de aluminio (Al), magnesio (Mg), hierro (Fe).

ROCAS Material slido que constituye la corteza exterior de la tierra y esta formada por uno o ms minerales o cristales. La parte de la geologa que estudia la composicin, origen e historia natural de las rocas constituye la Petrologa. Cada tipo de roca se caracteriza atendiendo a los minerales que la componen, por la proporcin en que entran a formar parte de la misma, por la relacin entre ellos (textura: compacta, pizanea), por su morfologa y tamao (estructura: granulada, perfidia, etc.), por su gnesis (gneas, sedimentarias, metamrficas). Los minerales del suelo : Si consideramos que la corteza terrestre esta constituida por cerca del 95% de rocas gneas (procedentes de la consolidacin de un magma) y el resto por rocas sedimentarias (resultado de la disposicin en medios de sedimentacin de los materiales erosionados y transportados por los agentes geolgicos externos) y metamrficas (formadas a partir de transformaciones profundas de otras rocas por efecto de la presin, temperatura y fluidos externos); se entender la importancia de las primeras debido a su cantidad proporcional. No obstante en la superficie de la corteza el 75% pertenece a las rocas sedimentarias pudindose estimar en 20 a 25 % el correspondiente a las rocas gneas. Se comprender que en al superficie de la corteza, la mayora de las veces se estar sobre rocas sedimentarias, siendo esto de especial importancia para las personas que estudian los suelos. Es necesario hacer nfasis ahora en el nmero relativamente pequeo de minerales primarios constituyentes de las rocas gneas como materiales a travs de los cuales se23 ING. HUGO CORAL


originan grupos numerosos de minerales secundarios. Entre los minerales primarios se encuentran los carbonatos, fosfatos, xidos y silicatos; por tanto es necesario hacer nfasis en el conocimiento de los silicatos por constituir el mayor nmero de las especies presentes en rocas gneas y en la mayora de los suelos. La composicin mineralgica media de las rocas gneas es: Piroxenos: Conjunto de minerales del grupo de los silicatos, muy importantes en rocas de tipo gneo y de carcter bsico. El ms importante de los piroxemos es la auguita.

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FIGURA 14. Piroxeno

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Olivino: Mineral esencial de las rocas eruptivas bsicas que llega a formar por s solo la peridotita; se le halla as mismo en numerosas pizarras cristalinas metamrficas. El color depende de la composicin qumica, perteneciente a los nesosilicatos. Ejemplos de olivinos son: basaltos y gravas.

FIGURA 15. Olivino

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Hornablenda: Mineral del grupo de los anfboles, de colores oscuros, verdes, pardos y negros, es frecuente en rocas metamrficas o gneas plutnicas.

FIGURA 16. Hornablenda

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Apatita: Mineral accesorio en gran cantidad de rocas gneas o sedimentarias. Algunos ejemplos son: eparraguina, moroxita.

FIGURA 17. Apatita

DEFINICIONES Abrasin: Efecto de lija sobre las rocas, producido por viento, olas, glaciares, ros. Aglomerado.- Conjunto de fragmentos rocosos, heterogneos consolidados por materiales( finos arena, limo, arcilla) Aluvin: Depsito de corriente (alctono).25 ING. HUGO CORAL


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Anfbol.-Silicato ferro magnesiano, cristalina en el sistema monoclnico, presenta cristales de prismas cortos, color marrn oscuro.

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Anticlinales: Son las elevaciones. Es un pliegue convexo hacia arriba. Basalto, es la variedad ms comn de roca volcnica. Se compone casi en su totalidad de silicatos oscuros de grano fino, sobre todo feldespato, piroxeno y plagioclasas, y magnetita. Es el equivalente extrusivo del gabro, se forma por la efusin de lava a lo largo de las cordilleras ocenicas, donde el fondo marino, extendindose, aade corteza nueva para contrarrestar las prdidas por subduccin.

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Carbonatacin: Reaccin que permite obtener cido carbnico o carbonatos. Ciclo tectnico u orognico: Sucesin de acontecimientos que rigen la formacin y luego la destruccin de una cadena montaosa.

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Clastos.- Fragmentos de rocas, se clasifica de acuerdo al tamao en : bloques, cantos, arenas, limos y arcillas.

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Coluvin: Depsito de ladera; proviene de los movimientos masales (de taludes). Coque.- Carbn poroso y ligero el resultado de la carbonizacin de la hulla, de alto poder calorfico.

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Cubicacin.- Se refiere a la evaluacin de una ocurrencia o deposito de mineral para su explotacin.

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Diaclasa.- Fractura o juntura que aparece en el cuerpo de una roca erosionados por los esfuerzos tectnicos, presentando direcciones definidas a las cuales se les denomina sistema de diaclasa.

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Eluvin: Depsito in situ (autctono). Origina taludes y coluviones. Elicos: depositados por accin del viento.

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Estratificacin: Se refiere a la disposicin de aparecer en estratos sucesivos, englobando los estratos desde el punto de vista gentico (intervalos de tiempo de sedimentacin) y descriptivo (disposicin de capas sucesivas).

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Evaporita.- Son rocas sedimentarias formada por evaporacin agua cargadas de sustancias qumicas disueltas en ellas. Anhidrita, yeso, alita, tobas calcreas.

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Flancos: son costados o lados de los pliegues. Graben o fosa tectnica.- es una estructura geolgica correspondiente a un jugo de fallas mltiple compuestas de tres bloques, donde el bloque central desciende y los dos laterales elevan.

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Gradacin.- Es el proceso mediante el cual los agentes destruyen los materiales de la superficie terrestre y los agentes de transporte los lleva a los lugares de deposicin para su acumulacin.

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Granulometra: (De grnulo y -metra). Forma parte de la petrografa que trata de la medida del tamao de las partculas, granos y rocas de los suelos.

-

Hidrlisis: Tipo de reaccin qumica en la que una molcula de agua, con frmula HOH, reacciona con una molcula de una sustancia AB, en la que A y B representan tomos o grupos de tomos.

-

Humus: Residuo de la descomposicin de tejidos orgnicos, que da el color al suelo. Lapilli: Roca piroclstica constituida por pequeos fragmentos de lava sueltos, en general menores de 3 cm.

-

Lixiviacin: Remocin de material soluble del suelo por agua infiltrada. Monoclinales: Es un anticlinal o un sinclinal unido a una parte plana. Nivel fretico: Es la acumulacin de agua hasta un cierto estrato, en el cual la presin del agua es cero.

27

ING. HUGO CORAL


-

Permeabilidad: Capacidad de un material para permitir que un fluido lo atraviese sin alterar su estructura interna.

-

Pliegue asimtrico: El plano axial es inclinado y ambos flancos se inclinan en direcciones opuestas pero con ngulos diferentes.

-

Pliegue simtrico: Tiene el plano axial esencialmente vertical y los flancos poseen el mismo ngulo de inclinacin pero en direcciones opuestas.

-

Sinclinales: Son las depresiones. Es un pliegue cncavo hacia arriba. Subsidencia: Hundimiento por presencia de cavernas crsticas o fallas activas. Suelos de grano fino: Tienen las partculas menores que 0.06 mm y tienen forma tpicamente escamosa, como los LIMOS y las ARCILLAS. Pueden estar presentes los xidos y sulfuros muy finos y a veces la materia orgnica.

-

Suelos de grano grueso: Son aquellos que tienen tamaos de partcula mayores que 0.06 mm, es decir ARENAS y GRAVAS. Sus granos son redondeados o angulares y en general estn constituidos por fragmentos de rocas, cuarzo o jaspe, con presencia frecuente de xido de hierro, calcita y mica.

-

Suelo latertico: Es un suelo residual o, no meteorizado en condiciones tropicales y rico en minerales de arcilla y sesquixidos. Este suelo compone la capa superficial llamada horizonte latertico.

-

Suelo residual: El que se forma sobre la roca madre (autctono). Suelo saproltico: corresponde a la capa ms profunda del perfil de suelo tropical, en la cual el suelo mantiene la estructura parental de la roca madre.

-

Suelo transportado: El que se forma lejos de la roca madre (alctono).

28

ING. HUGO CORAL


CAPTULO 3

ESTRUCTURAS Y PROPIEDADES FSICAS DE LOS SUELOS PROPIEDADES FSICAS Y BSICAS DE LOS SUELOS Las propiedades fsicas bsicas de un suelo son las que se requieren para definir su estado fsico. Para realizar los respectivos anlisis y diseos en ingeniera, es necesario considerar sus tres fases constituyentes: slida, liquida y gaseosa, y expresar las numricamente las relaciones entre ellas. En un suelo tpico, el slido, el lquido conformado por el agua y el gas que es el aire estn mezclados entre ellos en forma natural, por lo que resulta difcil encontrar las proporciones relativas de cada uno de estos. Por consiguiente, es muy conveniente considerar un modelo de suelo en el cual las tres fases se separan en cantidades individuales correspondientes a sus proporciones correctas. COMPOSICIN MINERAL DEL SUELO La naturaleza y disposicin de los tomos en una partcula de suelo, es decir su composicin tiene una considerable influencia sobre la permeabilidad, resistencia y transmisin de esfuerzos en los suelos, especialmente en los de grano fino. Una partcula de suelo puede ser orgnica o inorgnica; civiles. La mayor parte de los suelos son mezclas de partculas minerales inorgnicas con aportes de agua y aire. Por tanto, es conveniente trabajar con un modelo de suelo con tres fases: slida, lquida y gaseosa. el ingeniero civil no suele preocuparse de los compuestos orgnicos del suelo ya que este aspecto no se tiene en cuenta en la realizacin de obras

29

ING. HUGO CORAL


FASES DEL SUELO: Fase Slida: Fase conformada por partculas minerales. Fase Lquida: Compuesta en su mayor parte por agua. Fase Gaseosa: Presente en los suelos en menores proporciones y se constituye principalmente por aire y algunos gases que tambin pueden hacer parte de ella, como los gases sulfurosos o el anhdrido carbnico. SIMBOLOGA Y DEFINICIONES Con el fin de facilitar el trabajo de las relaciones volumtricas y gravimtricas recurre a un diagrama que es un esquema representativo de la distribucin de fases cuyas proporciones se expresan en volumen y en peso. El significado de los smbolos que aparecen en el diagrama se utilizan en las expresiones para nombrar cada magnitud es la siguiente:

FIGURA 18. Fases del suelo

Vm: Va: Vw: Vs: Vv:

Volumen total de la muestra del suelo. Volumen de la fase gaseosa. Volumen de la fase lquida. Volumen de la fase slida. Volumen de vacos.30 ING. HUGO CORAL

Wm: Peso total de la muestra de suelo.


Wa:

Peso de la fase gaseosa. (Se desprecia = 0).

Ww: Peso de la fase lquida. Ws: Peso de la fase slida.

Wm: Peso muestra sumergida. Ws: Peso slido sumergido.

Si colocamos carga a las fases:1 ) Se incrementa los esfuerzos. 2 ) Sufre deformaciones.

HIPTESIS PARA QUE SE CUMPLAN LAS RELACIONES GRAVIMTRICAS1 ) La fase slida es indeformable. 2 ) La fase slida y lquida es incompresible. 3 ) La fase gaseosa bajo esfuerzo sufre cambios en la forma y volumen.

RELACIONES VOLUMTRICAS Y GRAVIMTRICAS: Las relaciones que existen entre las fases de un suelo son de dos tipos, relacin de volumen y de peso. Relaciones de Volumen: Involucran los volmenes de las diferentes fases del suelo, estas son relaciones de vacos, porosidad, y grado de saturacin. Porosidad: Se llama porosidad (n) a la fraccin en porcentaje del volumen de vacos al volumen total. En un slido perfecto = 0.

n=

Vv * 100 Vm

Tericamente puede variar entre cero a cien; para el primer caso se tendr un suelo compuesto solamente por la fase slida y para el segundo caso se tendra sistema31 ING. HUGO CORAL


completamente

vaco. En la prctica, los valores dependen de la forma de

acomodamiento de las partculas para suelos no cohesivos. Para suelos cohesivos tienen valores muchos mayores llegando alcanzar hasta un 95%. En general nos proporciona un dato preciso si un suelo es denso o suelto. Relacin de Vacos: Se define como la razn existente entre el volumen de vacos y el volumen de slidos:

-

e=

Vv Vs

Tericamente vara entre cero a infinito. Prcticamente puede ser mayor de 0.25 en arenas muy densas y de partculas de tamaos pequeas y 15 para arcillas altamente compresibles o expansivas. Existe un trmino que depende de la porosidad y la relacin de vacos; la compacidad, que se refiere al grado de acomodo alcanzado por las partculas del suelo (figura 2), dejando ms o menos vacos entre ellas. En suelos compactos, las partculas slidas que lo constituyen tienen un alto grado de acomodo y la capacidad de deformacin bajo cargas ser pequea. En suelos poco compactos el volumen de vacos y la capacidad de deformacin sern mayores. Una base de comparacin para tener la idea de la compacidad alcanzada por una estructura simple se tiene estudiando la disposicin de un conjunto de esferas iguales. En la siguiente figura se presentan una seccin de los estados ms suelto y ms compacto posible de tal conjunto.

32

ING. HUGO CORAL

UNIVERSIDAD DE NARIO FACULTAD DE INGENIERA GEOTECNIA I TABLA 1. Grado de acomodo de las partculas de un suelo

-

Grado de Saturacin: Es la relacin entre el volumen de agua y el volumen de vacos:

Sr =

Vw * 100 Vv

Indica la cantidad de agua, en volumen que contiene un suelo varia desde Sr = 0 % (Para un suelo seco) hasta Sr = 100% (Suelo Saturado). Relaciones de Peso: Son las relaciones que involucran los pesos de las fases de un suelo, las principales son la humedad y peso unitario.

-

-

Humedad o contenido de agua: Es la relacin que existe entre el peso del agua contenida en el suelo y el peso de los slidos, se da en porcentaje y se expresa en la siguiente formula:

w=

Ww * 100 Ws

Indica la cantidad de agua que tiene los slidos. Tericamente vara de cero a infinito. En la naturaleza la humedad de los suelos vara entre lmites muy amplios. En compactacin se habla de ptima, la humedad de mayor rendimiento, con la cual la densidad del terreno alcanza a ser mxima. Mxico: La humedad varia entre 500-600% Japn: La humedad varia entre 1200-1400% Pasto: Se han encontrado humedades hasta 120% (Potrerillo). Putumayo: Se han encontrado humedades hasta 230%TABLA 2. Ejemplo de humedades de algunas ciudades: 33 ING. HUGO CORAL


-

Relaciones de Pesos y Volmenes: En mecnica de suelos se relaciona el peso de las distintas fases con volmenes correspondientes, por medio del concepto del peso unitario, es decir, de la relacin entre el peso del suelo y su volumen.

Dentro de los suelos, se considera los siguientes pesos unitarios:1 ) Peso Unitario de la muestra:

m =

Wm Vm

Normalmente vara entre: 1.5 a 2 T/m3

2 ) Peso Unitario de los slidos:

Es la relacin que existe entre el peso de las

partculas slidas del suelo y su volumen.

s =Tericamente vara entre 2.5 a 3 TN/m3

Ws Vs

3 ) Peso Unitario Seco: Es la relacin que existe entre el peso de los slidos y el

volumen de la muestra.

d =

Ws Vm

Es un valor particular del peso unitario de la muestra para el cual el valor de saturacin del suelo sea nulo.

34

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TABLA 3.

Valores de y d para suelos granulares (MS Lambe).

4 ) Peso Unitario Saturado: Es el valor del peso especfico de la muestra, cuando el

grado de saturacin es del 100 %

saturado =

Ws + Ww Vs + Vw

Atencin especial debe darse al clculo de peso especfico de suelos situados bajo el nivel fretico. En tal caso el empuje hidrosttico ejerce influencia en los pesos y gravedades especficas relativas.

5 ) Peso Unitario Sumergido de la Muestra: Se expresa de la siguiente manera:

'm = ' m = saturado w

W'm Vm

(Para Suelos Saturados).

6 ) Peso Unitario de los Slidos Sumergidos: Se expresa de la siguiente manera.

's =

W's Vs

7 ) Gravedad Especifica de los Slidos: Es una propiedad fundamental necesaria para

la definicin de algunas propiedades fsicas de los suelos, esta se define como el valor

35

ING. HUGO CORAL


de Gs, depende de la composicin mineralgica de las partculas que constituyen el suelo.Gs =

s wSe define mediante la siguiente

8 ) Gravedad Especfica de la Muestra Seca:

expresin:Gd =9 ) Densidad Relativa:

d w

Es una relacin que expresa la forma de agrupacin de losemax imo e emax imo emin imo

granos o grados de compacidad del suelo, dicha relacin es:Dr =

Donde: Dr. : Densidad Relativa.

emximo: Relacin de vacos en su estado ms suelto. e : Relacin de vacos del suelo en su estado natural en el terreno.

emnimo: Relacin de vacos en su estado ms compacto que puede obtenerse en laboratorio.

Dr < 20 20 - 40 40 - 60 60 - 80 > 80

ESTADO COMPACIDAD Muy Suelta Suelta Semicompacta Compacta Muy Compacta

DE

TABLA 4. Relacin de la densidad relativa y el estado de compacidad 36 ING. HUGO CORAL


-

Determinacin de la porosidad y la relacin de vacos.

Para la determinacin de la densidad relativa de un suelo granular se determinan la relaciones de vacos emximo, secando la muestra y luego se vierte dentro de un recipiente desde una pequea altura, y cuando se va a determinar emnimo la muestra se vierte en un recipiente, utilizando la vibracin de tal manera que las partculas ocupen la mayor parte de vacos. Estos procedimientos no han sido normalizados y por lo tanto los valores de Dr dependen del valor utilizado. Otro mtodo prctico para determinar la porosidad y/o la relacin de vacos de un suelo sin cohesin consiste en llenar un molde o un recipiente adecuado (por ejemplo, molde de compactacin, probeta de vidrio, etc.) con agua y aadir el suelo (secado previamente en una estufa cuando las partculas no son porosas o debe estar saturado con superficie seca) hasta llenarlo. El volumen ocupado por las partculas de suelo puede determinarse comparando la masa de agua y suelo + agua que admite el molde. La relacin mnima de vacos (emin) puede determinarse introduciendo un molde estndar de compactacin (Masa=M0) por debajo del agua. Despus de esto, el suelo se coloca en el molde en tres capas de aproximadamente el mismo espesor, cada una de las cuales se compacta bien usando un martillo de vibracin. Se recorta y se elimina el reborde del molde y la superficie se nivela al ras para determinar la masa del molde + suelo + agua (M2). Si V = volumen del molde

-

Densidad saturada:

saturado =

M2 M0 V

37

ING. HUGO CORAL


Adems, suponiendo que el suelo est saturado, la densidad total est determinada por la ecuacin:

saturado =Por tanto,

Gs + e * w 1+ eGs + emin * w 1 + emin

saturado (max) =Transponiendo trminos:

emin =

Gs * w saturado (max)

saturado (max) w

La relacin de vacos (emx) puede determinarse en forma aproximada, colocando el molde u otro recipiente adecuado bajo el agua y vertiendo rpidamente el suelo sobre el molde hasta llenarlo. Se eliminan si los hay, los rebordes del molde, se nivela la superficie al ras y se determina la masa del molde + agua + suelo. Los valores de emx y nmx se determinan usando las ecuaciones:

EXPRESIONES PARA SUELOS SATURADOS Y PARCIALMENTE SATURADOS: Deducciones: A continuacin se deducen una serie de frmulas que son tiles para la ms rpida solucin de problemas de suelos en los que intervienen relaciones volumtricas y gravimtricas. Se debe advertir que para la ms fcil escritura de las diferentes igualdades se omite la consideracin de que las relaciones sean dadas en tanto por uno, o no. As, por ejemplo la porosidad se escribir tan slo como:

n=

Vv * 100 Vm

Y el contenido de humedad como:

38

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w=1 ) Deduccin de: n = f(e)

Ww * 100 Ws

Vv Vv n= = = Vm Vs + Vv

Vv e Vs = Vv 1 + e 1+ Vs

2 ) Deduccin de: e = f (n)

Vv Vv n e= = Vm = Vs Vm Vv 1 n Vm3 ) Deduccin de: e = w * Gs (si Sr = 100%)

e = Vv/Vs ;

Sr = 100 %

;

Vv = Vw

s = Ws/Vs;

w = Ww/Vv

e = Vv/Vs = ( s * Ww)/ (Ws * w) = Gs * w

4 ) Deduccin de: d = (1 - n) * s

d =

Ws Vs * s (Vm Vv) * s = * Vm Vm Vm

d = (1 - n) s

5 ) Deduccin de: d = m/(1 + w)

d =

m Ws (m * Ws) = = Ws Ww Vm Wm Ws m d = 1 w

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6 ) Deduccin de : n = f (e)

n=

1 1 1 Vv = = = 1+ e Vm Vs + Vv 1 +1 Vv e

EJERCICIOS TIPO I:1 ) Una muestra inalterada de arcilla se ensay y se obtuvo los siguientes resultados: La

muestra est saturada. Gs = 2.70 Wm= 210 gr Ws = 125 gr Encontrar: m, d, s, e y n Asumir que el grado de saturacin equivale inicialmente al 100% 75 %. y luego al

Solucin: Gs = s / w => Vs = 46.29 cm3 Ww = Wm - Ws = 210 gr. - 125 gr. = 85 gr.40 ING. HUGO CORAL

s = Gs * w = 2.7 * 1 t/m3

s = Ws / Vs => Vs = Ws / s = 125 gr. / 2.7 gr


Ww = Vw = 85 cm = Vv (por estar saturado).

Va=0

AIRE

Wa=0

Vt=131.3 cm3

Vw=85 cm3

AGUA

Ww=85 grs

Wm=210 grs

Vs=46.3 cm3

SLIDO

Ws=125 grs

Vm = Vs + Vw = 131.3 cm

m = Wm/Vm = 1.60 gr/cm d = Ws/Vm = 0.95 gr/cm s = Ws/Vs = 2.70 gr/cmn = (Vv/Vm)*100 = 64.73% e = Vv/Vs = 1.84

2 ) De una muestra representativa e inalterada obtenida de un estrato de suelo que pesa

26 Kilogramos con un volumen de 13.8 litros, se extrae un pedazo que pesa 80 gramos hmedo y 70 gramos seco, la gravedad especfica de la muestra slida es 2.66. Calcular: Humedad natural, relacin de vacos, porosidad y grado de saturacin. Wm = 26 Kg. Vm = 13.8 lit.

41

ING. HUGO CORAL


Espcimen: Ph = 80 gr. = Peso hmedo Ps = 70 gr. = Peso seco Gs = 2.66

Va=2.01 lts

AIRE

Wa=0

Vm=13.8 lts Vw=3.25 lts

AGUA

Ww=3.25

Wm=26 Kg

Vs=8.55 lts

SLIDO

Ws=22.75 Kg

a) w = (Ww/Ws) * 100 => [(Ph - Ps)/Ps] * 100

w = [(80 gr - 70 gr)/70 gr] * 100 = 14.28% w = Ww/Ws = 0.1428 => Ww = 0.1428Ws Wm = 26 kg = Ws + Ww = Ws + 0.1428Ws = 1.1428Ws Ws = 22.75 kg. Ww = 0.1428Ws = 3.25 kg. = Vw = 3.25 lit.

s = 2.66 Kg/m = Ws/VsVm = Ws/ s = 22.75 Kg.cm/2.66 = 8.55 Lit. Vm = Vs + Vw + Va => Va = 2.01 lit Vv = Vw + Va = 5.25 litrosb) e = Vv/Vs = 5.25/8.55 = 0.614 c) n = [Vv/Vm] * 100 = [5.25 lit/13.8lit] * 100 = 38 % d) Sr = [Vw/Vv] * 100 = [3.25 lit/5.25] * 100 = 61.90 %

42

ING. HUGO CORAL


EJERCICIOS TIPO II: En esta clase de ejercicios se asume una cantidad de tal manera que las relaciones se mantengan de acuerdo a la facilidad de clculo.

1 ) Una muestra de arcilla que se caracteriza por su alta humedad tiene los siguientes

datos: w = 40 %, s = 2.35 gr/cm3. Calcular: m, d, 'm, e y n. Se asume que Vs = 1 m3 w = Ww/Ws = 3.26 => Ww = 3.26 * 2.35 T = 7.66 T Cuando est saturado, No Hay Aire => Va = 0 y Vw = Vv Suelo saturado.

Va=0

AIRE

Wa=0

Vm=1.94 m3

Vw=0.94 m3

AGUA

Ww=0.94 T Wm=10.01 T

Vs=1 m3

SLIDO

Ws=2.35 T

a)

m = Wm/Vm = 1.16 T/m33

b) d = Ws/Vm = 0.27 T/m c)

m = saturado - w = 1.16 - 1.0 = 0.16 T/m3

d) e = Vv/Vs = 7.66/1 = 7.66 e) n = Vv/Vm * 100 = 88.46 % 43 ING. HUGO CORAL


2 ) Un metro cbico (1m ) de suelo hmedo pesa 1.8 Tn., seco pesa 1.5 Tn., su gravedad

3

especfica respecto a los slidos es 2.70. Calcular: La humedad, Relacin de vacos, la porosidad y grado de saturacin

m = 1.8 T/m3 d = 1.5 T/m3Gs = 2.70

m = Wm/Vm asumimos Vm = 1m m = Wm = 1.8 T d = Ws/Vm = 1.5 T => d = Ws = 1.5 TGs = s/ w => Gs = s = 2.7 T/m

s = Ws/Vs => Vs = Ws/ s = 1.5/2.70 = 0.56 ma) w = [Ww/Ws] * 100 = [0.3/1.5] * 100 = 20% b) e = Vv/Vs = 0.44/0.56 = 0.79 c) n = [Vv/Vm] * 100 = [0.44/1] * 100 = 44% d) Sr = [Vw/Vv] * 100 = [0.3/0.44] * 100 = 68.18%

DIAGRAMAS UNITARIOS GENERALES:

e (1 Sr)

AIRE

Wa=0

e e+1 e Sr AGUA eSrw w(eSr+Gs)

Vs=1 m3

44 SLIDO

Gsw

ING. HUGO CORAL

UNIVERSIDAD DE NARIO FACULTAD DE INGENIERA GEOTECNIA I 3 ) (e, Sr, w, Gs): Calcular el diagrama unitario en funcin de la Relacin de vacos,

Grado de saturacin, la humedad y Gravedad especfica. e = Vv/Vs => Vv = e Sr = Vw/Vv => Vw = Sr * Vv = Sr * e Gs = s/ w => s = Gs * w

s = Ws/Vs => Gs * w = Ws/Vs => Ws = Gs * w

4 ) Calcular el diagrama unitario en funcin de la Porosidad, Grado de saturacin y la

Gravedad especfica: (n, Sr, m, Gs). n = Vv/Vm => Vv = n Sr = Vw/Vv => Vw = Sr * Vv Gs = s/ w => s = Ws/Vs => Gs * w = Ws/Vs Ws = Gs * w * Vs Ws = (1 - n) (Gs * w)

n (1 Sr)

AIRE

Wa=0

n 1 n Sr AGUAnSrw W(nSr+(1-n)Gs)

1-n

SLIDO

(1 n )Gsw

45

ING. HUGO CORAL


PROBLEMAS DE APLICACIN: Problema Cantera - Terrapln: Se necesita construir un Terrapln para una carretera que tiene 6.5 m. de ancho, 0.6 m. de altura y longitud de 12 Km. El terrapln tiene una relacin de 1:2 (1 vertical, 2 horizontal). El material de la cantera tiene las siguientes caractersticas:

m = 1.70 t/m3, w = 15% y Gs = 2.75El material en el Terrapln debe quedar con: w = 16 % y

d = 1.65 t/m

6.5 m

1 0.60 m

2

89m

Condiciones:a) Capacidad de la volqueta: en peso 12 t, y en volumen 8 m . b) Durante el transporte se pierde el 8% del peso y el 10% de la humedad. c) La eficiencia de la cantera es del 70% (todo el material no es utilizable). d) El material aumenta su volumen en un 25% al excavar.3

Un carro tanque tiene una capacidad de transporte de 12 m3

SE PIDE CALCULAR:46 ING. HUGO CORAL

UNIVERSIDAD DE NARIO FACULTAD DE INGENIERA GEOTECNIA I 1 ) Sr, n, e y d, en la Cantera. 2 ) Sr, n, e y d, en el terrapln. 3 ) Volumen de material que se debe excavar en la cantera, incluyendo prdidas. 4 ) El nmero de viajes de las volquetas. 5 ) El nmero de viajes del carro tanque.

SOLUCIN:1 ) Para la Cantera:

Datos: m = 1.7 T/m3

W = 15%

Gs = 2.75

m = Wm/Vm Si asumimos Vm = 1 m3Entonces: Wm = 1.7 T

d = m/(1+W) = 1.7 T/m3 / (1+0.15) d = 1.47 T m3 d = Ws/Vm = Ws / 1m3 Entonces: Ws = dPor lo tanto Ws = 1.47 T W = Ww/Ws Entonces Ww = 0.15 * 1.47 T Por lo tanto: Ww = 0.22 T

m = Ww/Vw Entonces: w = 1 T/m3Por lo tanto: Vw = Ww => Vw = 0.22 m3

s = Gs * w Entonces : s = 2.75 * 1T/m3Por lo tanto: s = 2.75 T/m3 Vs = Ws/Vs Entonces: Vs = Ws/ s Vs = 1.47 T / 2.75 T/m3 Vs = 0.53 m3 Vm = Vv + Vs Donde Vv = Vm - Vs47 ING. HUGO CORAL


Vv = 1 m - 0.53 m Vv = 0.46 m Vv = Va + Vw Donde Va = Vv - Vw Va = 0.46 m - 0.22 m Va = 0.24 m Wm = Wa + Ww + Ws Donde Wa = 0a) Grado de Saturacin (Sr):

Sr = (Vw / Vv) * 100 Sr = (0.22 * 0.46) * 100 Sr = 48.64% - Peso Unitario Seco ( d):

d = Ws/Vm d = 1.4 T/1 m d = 1.4 T/m- Porosidad (n): n = ( Vv / Vm) * 100 n = (0.46 m /1 m) * 100 = 46.25 %

b) Relacin de Vacos (e):

e = (Vv / Vs) e = (0.46 m / 0.53 m) e = 0.86

2 ) Para el Terrapln: 48 ING. HUGO CORAL


Datos: W = 16%

d = 1.65 T/m

Gs = 2.75

d = Ws/Vm Asumiendo Vm = 1m se tiene:Ws = d * Vm = 1.65 T w = Ww/Ws Entonces: Ww = w * Ws Ww = 0.16 * 1.65 T Ww = 0.264 T

w = Ww / Vw => w = 1 T/mcomo Vw = Ww Vw = 0.264 T

s = Gs * w => s = 2.75 * 1 T/mGs= 2.75 T/m

s = Ws/Vs => Vs = Ws/ sVs = (1.65 T/m)/(2.75 T/m) Vs = 0.60 m Vv = Va + Vw Va = 0.40 m - 0.264 m Va = 0.136 ma) Grado de Saturacin (Sr):

Sr = (Vw/Vv) * 100 Sr = (0.264 m/0.40 m) * 100 Sr = 66 %b) Peso Unitario Seco ( d):

d = (Ws/Vm) d = ( 1.65 T/1m) d = 1.65 T/mc) Porosidad (n): ING. HUGO CORAL

49


n = (Vv/Vm) * 100 n = (0.40 m/1m) * 100 => n = 40 %d) Relacin de Vacos (e):

e = Vv/Vs e = 0.40 m/0.66 m = 0.663 ) Volumen del Material para el Terrapln:

Vt = ((8.90' + 6.5) * 0.6 * 12000)/2 Vt = 55440 m

4 ) Clculos para encontrar datos reales en el Terrapln: Multiplicamos por Valores

totales de todos los valores del diagrama unitario. Entonces: Vm = 1.00 m * 55440 = 55440 Vv = 0.40 m * 55440 = 22176 m m

Va = 0.136 m * 55440 = 7539.84 m Vw = 0.264 m * 55440 = 14636.1 m Vs = 0.60 m * 55440 = 33264 Ws = 1.65 T * 55440 = 91476 m T Ww = 0.264 T * 55440 = 14636.16 T Wm = 1.91 T * 55440 = 106112.16 T

5 ) Terrapln

Cantera 0.5376 m3 Vc

0.6 m3 1 m3

Vc = (0.537 * 1) / 0.6 = 0.896

50

ING. HUGO CORAL


6 ) Datos reales para la Cantera.

Diagrama unitario por 55440 Vm = 1 Va = 0.240 m * 55440 = 55440 m Vv = 0.4624 m * 55440 = 25640.67 m * 55440 = 13346.30 m Vw = 0.2217 m * 55440 = 12294.37 m Vs = 0.5376 m * 55440 = 29804.54 m Ww = 0.2217 T Wm = 1.70 T * 55440 = 12294.37 T * 55440 = 94256.87 T

13346.3 m325640.67m3

AIRE

Wa=0

55440 m3

12294.37 m3

AGUA

12294.37 T

94256.87 T

29804.5 m3

SLIDO

81962.5 T

7 ) Durante el Transporte se pierde el 8% en peso:

Wmc = Peso de la muestra de la cantera Wmc = 94256.8 T, el 8% es: 7540.55 T

51

ING. HUGO CORAL


7530.5 m322178 m3

AIRE

Wa=0

55440 m3

14636.16 m3

AGUA

14636.16 T

106112.18 T

33204 m3

SLIDO

91478 T

TENIENDO EN CUENTA ESTA PRDIDA EL VALOR A EXTRAER ES: Wterrapln = 101797.4196 T en volumen se tiene: Vterrapln = 55440 / 0.92 = 60260.86 m

8 ) Durante el transporte se pierde 8% en peso:

W =84351.96 * 1.08 = 91100.11 T Vtransportar = 91100.11/1.7 = 53588.30 m

9 ) Eficiencia de la cantera es del 70%

Vexca. = 60260.86 m / 0.70 = 86095.061 m

10 ) El material aumenta el 25 % en Volumen al Excavar: 52 ING. HUGO CORAL


Volumen a transportar = 60266.54 * 1.25 = 75337.178 m

11 ) Nmero de viajes:

.

En Volumen: Nv = 75337.178 m/8 m = 9417 viajes.

En Peso : Nvp = 101797.4196 T/12 T = 8483 viajes.

12 ) Agua en la cantera:

Ww cantera = 12924.37 T Sacando el 10%, se tiene:

13 ) Agua a Transportar:

Wtransportar = 14636.16 - 11064.94 = 3571.22 T

14 ) Nmero de Viajes del carrotanque:

Nvc = 3571.22 m / 12 m = 297 viajes.

53

ING. HUGO CORAL


CAPTULO 4

ESTRUCTURA DE LOS SUELOS Se denomina a la configuracin y ordenamiento geomtrico de las partculas del suelo (propiedades fsicas). (Tambin llamada fabrica y arquitectura) y a las fuerzas entre partculas de suelo adyacente.a) Estructura simple: Se presentan ms en las gravas, arenas y posiblemente para los

limos no plsticos.

DESORDENADA ORDENADA IRREGULAR REDONDEADA

DESORDENADA MAS REGULAR

ORDENADA REGULAR REDONDEADA DIFERENTE

TAMAO

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UNIVERSIDAD DE NARIO FACULTAD DE INGENIERA GEOTECNIA I b) Estructura compuesta: estructuras en forma de panal.

- CONTIENE VACOS - ALTA POROSIDAD - ALTO CONTENIDO DE AGUA. - BAJA RESISTENCIA.

FIGURA 19. c) Estructura de Suelos Arcillosos: Constituidas por estructuras laminares que

poseen cargas elctricas y el tamao de sus partculas es molecular. El agua atrae las partculas formando la cadena y genera las fuerzas de cohesin. Los cationes sirven de cementantes.

ARCILLA Se aplica este nombre a cualquier suelo capaz de mantenerse plstico y desarrollar cierto grado de cohesin con variaciones relativamente amplias de humedad. Los minerales arcillosos son silicatos de aluminio y de magnesio hidratados en una forma cristalina de estructura relativamente complicada, que se presentan en granos extremadamente finos, con superficies especficas muy grandes. Desde el punto de vista de ingeniera, la caracterstica ms importante de un mineral arcilloso es su forma laminar tpica. La descomposicin de los feldespatos, micas y minerales ferromagnesianos, todos los cuales son silicatos de aluminio complejos, se produce de muchas maneras. Los factores principalesING. HUGO CORAL

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son la humedad, la temperatura, el ambiente oxidante o reductor, los iones presentes en solucin (incluyendo los liberados por meteorizacin), la presin y el tiempo. Existen muchas formas de minerales arcillosos, con algunas semejanzas y diferencias en su composicin, estructura y comportamiento. Para explicar de forma simple las propiedades de ingeniera de los suelos arcillosos, es necesario comprender las caractersticas de su estructura reticulolaminar. La unidad TETRAEDRICA, constituida por un ion central de silicio rodeada por cuatro tomos de oxgeno; y la unidad OCTAEDRICA, formada por un ion central de aluminio o magnesio, rodeada por seis iones de oxidrilo

TIPOS DE ESTRUCTURAS DE ARCILLASa) - Ordenada, orientada

- Estructuras paralelas - Fuerza de atraccin y repulsin equilibradas - Buena resistencia en el sentido vertical

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FIGURA 20. b) - Desordenada y desorientada

- Poca resistencia - Fuerzas de atraccin y repulsin no equilibradas - Alto contenido de aguas y vacos

FIGURA 21.

c) - Floculada o en "forma de castillo de naipe"

- Desordenada - Contacto entre partculas - Predomina fuerzas de atraccin - Alto contenido de agua y vacos. Cuando la capa absorbida es lo suficientemente delgada para que dominen las fuerzas de atraccin, se forman grupos de partculas en los que se presentan contactos de superficies con aristas (positivo-negativo); en una suspensin, a este proceso se lo conoce como

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FLOCULACIN, en tanto que las arcillas lacustre tienden a presentar estructuras DISPERSAS, estos son Los casos lmites en la estructura del suelo. En la estructura floculada las partculas de suelo presentan contactos borde-cara, atrayndose mutuamente. Una estructura dispersa por otro lado, posee partculas en disposicin paralela que tienden a repelerse mutuamente. Entre ambos casos cabe un nmero infinito de estados intermedios. El comportamiento mecnico de un elemento de suelo depender en gran parte de la estructura que posea. En general, un elemento de suelo floculado tiene mayor resistencia, menor compresibilidad y mayor permeabilidad que el mismo suelo con la misma relacin de vacos pero en estado disperso. La mayor resistencia y menor compresibilidad en estado floculado se debe a la atraccin entre partculas y la mayor dificultad para desplazarlas cuando se encuentran en disposicin desordenada. La mayor permeabilidad del suelo floculado se debe a la existencia de canales ms grandes para el paso del agua. Mientras que un elemento floculado y otro disperso con la misma relacin de vacos tienen aproximadamente la misma seccin libre para le paso del agua, en el suelo floculado los canales de flujo son menores en nmero pero de mayor dimetro. As pues, existe una menor resistencia al paso del agua a travs de un suelo floculado que a travs de un suelo disperso.

FIGURA 22. Tipos de estructuras de un suelo. a) Floculada b) Dispersa

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ESTRUCTURA LAMINAR La mayora de los cristales de arcilla consiste en lminas atmicas de slice y aluminio, la complejidad de la lmina est acrecentada por la sustitucin isomorfa, que es la sustitucin de uno o ms aluminios por magnesios o hierro.

TIPOS DE ARCILLAS MS COMUNES La mayora de minerales arcillosos son clasificados en uno de estos tres grupos: caolinitas, illitas (o ilitas) y montmorillonitas (o monmorilonitas); tal divisin se hace de acuerdo con su arreglo cristalino, y se ha encontrado que propiedades ingenieriles similares a groso modo estn relacionadas con minerales de arcilla que pertenecen al mismo grupo. .1 ) CAOLINITA: Compuesta de Aluminio y Slice, se encuentra en suelos hmedos y

climas calientes, se utiliza para la fabricacin de porcelanas y papel. En general es relativamente bien equilibrada elctricamente y slo presentan substituciones isomorfas limitadas. Las lminas estn fuertemente unidas, formando placas, adems se apilan como hojas de un libro y forman paquetes de 0.01 mm de espesor. La estructura bsica de los minerales de este grupo estn constituidos de una lmina de almina hidratada sobre una lmina de slice; esta combinacin se repite indefinidamente. Arreglos diferentes dan lugar a distintos minerales: (OH)8. La estructura de las caolinitas hace que las arcillas constituidas por ellas no sean expansivas, ya que el agua no puede entrar en sus retculos; tales arcillas son moderadamente plsticas y tienen una permeabilidad mayor y un coeficiente de friccin interna mayor que las contienen minerales arcillosos de otros grupos. Debe mencionarse especialmente el mineral haloicita, que aunque tiene la misma forma del caoln, contiene molculas extra dentro de su estructura, por lo cual puede59 ING. HUGO CORAL

Al4 Si4 O10


presentarse en partculas en forma cilndrica hueca, en tanto que las del caoln son de forma aplanada.2 ) HALOISITA: Tiene la misma estructura que la CAOLINITA, y se diferencia de sta

porque entre partculas existen lminas de agua. Presenta una caracterstica muy importante, que cuando Su comportamiento ingenieril cambia completamente por la deshidratacin. Serios problemas tcnicos en la construccin de terraplenes se han atribuido a ello.3 ) ILLITA: Su estructura bsica esta compuesta por una lmina de Aluminio hidratado

colocada entre dos de Slice. Contiene cationes de Potasio lo que produce ligaciones mas firmes entre las laminas ocasionando que sea mas expansiva que la Caolinita pero menos que la Montmorillonita. Se encuentra en climas ridos. Hay limitadas substituciones isomorfas en la lmina de aluminio, pero puede haber substituciones de silicio en l. Esta se presenta principalmente en lutitas.

4 ) MONTMORILLONITA (ESMECTITA): Su estructura esta compuesta por una capa de

Aluminio hidratado (gibcita) o una de Magnesio hidratada (brucita) ms dos de Slice. Es la menos resistente de estas arcillas pero es la ms expansiva. Tiene muchos vacos, por lo tanto alta humedad y mucha plasticidad; Se caracterizan por una substitucin isomorfa abundante, en teora cada una de ellas produce un mineral distinto. Algunos de estos alumino-silicatos hidratados tienen en su estructura elementos como el magnesio y el hierro La ligacin entre las distintas capas de montmorillonita es dbil, por lo cual el agua que entra se inserta con facilidad entre ellas produciendo inchamiento. Junto con las caractersticas de ser expansivas, las arcillas montmorillonistas presentan mucha60 ING. HUGO CORAL


plasticidad. Cuando se secan despus de estar saturadas se producen retraccin considerable con el consiguiente agrietamiento. Entre los minerales arcillosos, los que tienen ms bajo coeficiente de friccin interna y ms baja permeabilidad son los de este grupo. Existen unos suelos conocidos como bentonitas, que se forman por lo general a partir de la meteorizacin de cenizas volcnicas. Son unas arcillas montmorilloniticas de grano tan fino que el tacto en estado hmedo se experimenta una sensacin como de jabn: son altamente plsticas expansivas y tienen en ingeniera empleos como las de impedir las fugas de depsitos y canales.

LAMINA DIOCTAEDRICA LAMINA TRIOCTAEDRICA O GIBSITA Caolinita 2 CAPAS Diquita Necrita Pirofilita 3 CAPAS Muscovita Monmorillonita Illita Talco Biotita Clorita Vermiculita Crisotila O BRUCITA Serpentina

FIGURA 23.

61

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FIGURA 24. Estructura y tamaos de los principales minerales de arcilla

62

ING. HUGO CORAL


PROPIEDADES IMPORTANTES DE LOS MINERALES DE ARCILLA Varias propiedades ingenieriles son atribuidas a la forma laminar de las arcillas, las principales propiedades que deben considerarse son: rea superficial, carga superficial, capacidad de intercambio bsico, floculacin y dispersin, expansin y contraccin, plasticidad y cohesin EXPANSIN DE ARCILLAS Es la capacidad de aumentar su volumen debido a la absorcin de agua. Las capas de arcilla absorben agua y se expanden. Si el suelo est saturado ya no absorbe ms agua y presenta retraccin al secarse. (se comprime) las fuerzas entre partculas y de las capas absorbidas pueden alcanzar equilibrio en condiciones de presin y temperatura constantes, debido al movimiento de partculas de las capas absorbidas. Al contenido de agua del suelo correspondiente a este estado de equilibrio se le conoce como CONTENIDO DE HUMEDAD DE EQUILIBRIO. Si el agua es integrada ala estructura laminar y el aumento de volumen esta confinado, se desarrollara expansin. Cuando la capa absorbida se comprime, se produce contraccin. PLASTICIDAD Y COHESIN: La caracterstica ms importante de los suelos de arcilla es su plasticidad, esto es, su capacidad para adquirir y retener una nueva forma cuando se moldea. Nuevamente es el tamao de las partculas en combinacin de la capa absorbida, las que controlan esta propiedad. Los suelos con superficie especifica alta, son los mas plsticos y menos compresibles. Con contenidos de humedad bajos, las arcillas desarrollan considerables fuerzas de atraccin mutua. El efecto enlasante de esta succin produce cierto tipo de tensin interna llamada cohesin, a medida que el contenido de humedad aumenta el efecto de la atraccin se reduce y la cohesin disminuye.63 ING. HUGO CORAL


DIFERENCIAS ENTRE ESTRUCTURAS GRANULARES Y ARCILLOSAS - Forma y tamao de las partculas - Los suelos finos (arcillas) tienen cohesin y los gruesos (gravas, arenas, limos) tienen friccin. - En las arcillas existen fuerzas elctricas, existen fuerzas de atraccin y repulsin, en los suelos granulares no hay estas fuerzas por su tamao. - Las arcillas absorben agua y se expanden en cambio los gruesos no, pero absorben por capilaridad.

DIFERENCIAS ENTRE ARENAS Y GRAVAS - Las gravas hmedas no se aglutinan debido a la presencia de las fuerzas de tensin capilar. Las arenas se aglutinan pero con cierta humedad.

DIFERENCIAS ENTRE ARENAS Y LIMOS - Las partculas de arena son visibles a simple vista, no as los Limos. - Las arenas no son plsticas, los Limos algo plsticos. - Las arenas generan asentamientos instantneos, los limos por consolidacin. - En las arenas los terrones secos se desplazan con mucha facilidad, en los limos presentan cierta resistencia debido a la cohesin.

DIFERENCIAS ENTRE LIMOS Y ARCILLAS - Los limos se secan con relativa rapidez en relacin con las arcillas.

64

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- La arcilla absorbe el agua, tarda en secarse y se pega en los dedos, los limos no absorben agua y no se pegan en los dedos. - Presenta mayor resistencia un terrn seco de arcilla que el de un limo, debido a que la fuerza de cohesin es mayor en las arcillas. - Los limos al tacto son speros, las arcillas son suaves.

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CAPTULO V

CLASIFICACIN DE LOS SUELOS INTRODUCCIN Desde el punto de vista de Ingeniera, es necesario contar con una clasificacin convencional de los tipos de suelos.

-

Obtener conclusiones tiles basadas en los estudios del tipo de material.

-

La clasificacin divide a los suelos en tres grupos principales: Gruesos, fino y orgnicos.

Para la clasificacin de suelos se utiliza la granulometra y las propiedades ndices (lmites de Atterberg o lmites de consistencia).

ESPECIFICACION ADECUADA DE LAS PARTCULAS ASTM FOR MATERIALS AND TESTING )

(AMERICAN SOCIETY

ARENAS ARCILLAS LIMOS 0.05 FINAS 0.25 GRUESAS 2

GRAVAS mm

0.005

S. Finos

S. Gruesos

0.05

FIGURA 25. USC

(Unifiqued Soils Clasification)66 ING. HUGO CORAL


SUELOS FINOS

ARENAS

GRAVAS

Arcillas Limos0.076 TAMIZ No 200 4.76 TAMIZ No 4

GRANULOMETRA Anlisis del tamao de las partculas. En una muestra es posible encontrar todos los tamaos de las partculas, desde los ms grandes (gravas) hasta los ms pequeos (arcillas). Solamente en suelos gruesos, cuya granulometra puede determinarse por mallas, la distribucin por tamaos puede revelar algo referente a las propiedades fsicas del material; en efecto, la experiencia indica que los suelos gruesos bien gradados, o sea con amplia gama de tamaos, tienen comportamiento ingenieril mas favorable, en lo que atae a algunas propiedades importantes, que los suelos de granulometra muy uniforme. Mas an en esos suelos gruesos, a de sealarse, segn ya se dijo, que el comportamiento mecnico e hidrulico esta principalmente definido por la compacidad de los granos y su orientacin, caractersticas que destruye, por la misma manera de realizarse, la prueba de granulometra, de modo que en sus resultados finales se a tenido que perder toda huella de aquellas propiedades tan decisivas. De esto se desprende lo muy deseable que sera poder hacer una investigacin granulomtrica con un mtodo tal que respetara la estructuracin67 ING. HUGO CORAL


inalterada del material; este mtodo, sin embargo, hasta hoy no se ha encontrado y parece indicar que no se podr desarrollar jams. En suelos finos en estado inalterado, las propiedades mecnicas e hidrulicas dependen en tal grado de su estructuracin e historia geolgica, que el conocimiento de su granulometra, resulta totalmente intil. Sin embargo, el ingeniero interesado en suelos debe estar suficientemente familiarizado con los criterios tcnicos basados en la distribucin granulomtrica y con los mtodos mas importantes para su determinacin, pues estos temas ocupan an un espacio apreciable dentro de la literatura tcnica y se hace necesario al ingeniero moderno estar mas informado sobre esta materia que aquellos que, sin la conveniente meditacin de sus ideas, aplica normas simplistas, conducentes a conclusiones inaceptadas. Cuando un material o muestra de suelo tiene predominio de todo tamao de partculas y su volumen es ms o menos igual se dice que la muestra es BIEN GRADADO. Una muestra de suelo es POBREMENTE GRADADA cuando hay predominio del mismo tamao de partculas.

CURVA GRANULOMTRICA Busca referenciar a todo el tamao de la muestra el porcentaje del peso total. La grafica granulomtrica suele dibujarse con porcentajes como ordenadas y tamaos de las partculas como abscisas. Las ordenadas se refieren al porcentaje, en peso, de las La representacin en escala partculas menores que el tamao correspondiente.

semilogaritmica (eje de abscisas en escala logartmica) resulta preferible a la simple representacin natural, pues en la primera se dispone de mayor amplitud en los tamaos finos y muy finos, que en escala natural resultan muy comprimidos, usando un mdulo prctico de escala.

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Descripcin: Arena Cantera Toro Alto Localizacin: Pasto

Peso de la muestra: 1465.6 gr Mdulo de finura: 3.77

Tamiz No 2'' 1 1/2'' 1'' 3/4'' 1/2'' 3/8'' 4 8 16 30 50 100 200 Pasa 200

Peso Retenido 0 0 0 22 16 46 197 275 360 197 166 102 51 33,6

Retenido % 0 0 0 1,5 1,09 3,14 13,44 18,76 24,56 13,44 11,33 6,96 3,48 2,29TABLA 5.

Ret. Acum. % 0 0 0 1,5 2,59 5,73 19,17 37,94 62,5 75,94 87,27 94,23 97,71 100

Pasa % 100 100 100 98,5 97,41 94,27 80,83 62,06 37,5 24,06 12,73 5,77 2,29

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ING. HUGO CORAL


100 90 80 70

% Pasa

60 50 40 30 20 10 0100 10 1 0,1 0,01

D60

D30

D10

Tamices (mm)

FIGURA 26.

-

La informacin se la da en una grfica semilogartmica o log-normal. Nos da idea acerca de la cantidad de granos de diferentes tamaos que contiene una muestra.

MTODOS PARA ENCONTRAR LA GRANULOMETRA1 ) Tamizado mecnico 2 ) Mtodo del lavado 3 ) Mtodo del Hidrmetro

70

ING. HUGO CORAL


1. TAMIZADO. Es un mtodo directo, para separar un suelo en fracciones de distinto tamao. Consiste en hacer pasar el material a travs de una serie de tamices. Normalmente se aplica para suelos gruesos. Tamaos de la abertura del tamiz: 5", 4", 3", 2", 1 1/2", 1", 3/4", 1/2", 3/8", 1/4" y Nos.4, 8, 10, 16, 20, 30, 40, 50, 60, 100, 200, 400. Todas las aberturas son cuadradas; en consecuencia, lo que constituye el dimetro de una partcula de suelo es algo ms bien acadmico, ya que la probabilidad de que la partcula pase por una abertura dada de malla depende tanto de su tamao como de su orientacin con respecto a la abertura de la malla. Del tamiz No. 4 en adelante, la abertura se puede calcular as:

Ni =

Ni 14

2

Ni = abertura que se desea saber Ni-1= abertura del tamiz anterior.

EJEMPLO. Calcular la abertura del tamiz No. 6 si sabemos que la abertura del tamiz No. 5 = 4mm.

No.6 =

44

= 3.36mm

2

PROCEDIMIENTO: Pesar la muestra (500gr, 1 Kg., 10 Kg. est en funcin del tamao de las partculas). Se tamiza Se pesa el material retenido Se realiza el anlisis

71

ING. HUGO CORAL


EJEMPLO: Se pesa una muestra de 1000 gr. de suelo y su tamizado dio los siguientes resultados: TAMIZ NO 4 16 30 50 100 200 Pasa 200 ABERTUR A MM 4.75 1.18 0.60 0.30 0.15 0.075 PESO RETENID O 0 0 10 110 370 330 140 40TABLA 6.

PESO PASANTE 100 990 880 510 180 40

% RETENID O 0 1 11 37 33 14 4

% PASA 100 99 88 51 18 4

CURVA GRANULOMTRICA CURVA GRANULOMETRICA LOGARITMICA4,76 1,19 0,595 0,297 0,149 0,074

120 100 80 % PASA 60 40 20 0 10

1 LOG D(m m )

0,1

0,01

FIGURA 27. 72 ING. HUGO CORAL


CURVA GRANULOMETRICA NORMAL

120 4,76 100 80 1,19 0,595

% PASA

60 0,297 40

20 0

0,149 0,074

5

4

3

TAM IZ (mm)

2

1

0

FIGURA 28.

PARMETROS QUE SE OBTIENEN DE LA CURVA GRANULOMTRICA1 ) Dimetro efectivo (D10): Es la abertura del tamiz o tamao de la partcula en mm, que

corresponde al 10% del pasante.2 ) D60: Es la abertura del tamiz o tamao de la partcula en mm, que corresponde al 60%

del pasante.3 ) D30: Es la abertura del tamiz o tamao de la partcula en mm, que corresponde al 30%

del pasante.

4 ) Coeficiente de uniformidad (CU)

73

ING. HUGO CORAL


CU =

D60 D10

Nos indica si el material es gradado o no gradado, es decir informa sobre la variacin del tamao de los granos. Un valor grande indica que los dimetros de 60 y de 10 difieren en tamao apreciablemente.- Mal gradado D10 y D60 juntos.

- Bien gradado D10 y D60 separados.

5 ) Coeficiente de curvatura (CC)2 D30 CC = D10 * D60

Nos da una medida de la forma de la curva entre D10 y D60. Los valores de CC muy diferentes de 1, indican que falta una serie de dimetros entre los tamaos correspondientes a D10 y D60. Una grava es bien gradada cuando el CU > 4 y 1 < CC < 3 Una arena es bien gradada: cuando el CU > 6 y 1 < CC < 374 ING. HUGO CORAL

UNIVERSIDAD DE NARIO FACULTAD DE INGENIERA GEOTECNIA I 6 ) La curva granulomtrica nos da gran informacin acerca de:

- Tipo de suelo de acuerdo al tamao de partculas - Suelos GRUESOS cuando ms del 50% es retenido en el tamiz No. 200. - Suelo FINO cuando ms del 50% pasa el tamiz No. 200. - Cuando se retiene ms del 50% de la fraccin gruesa (la que no pasa por el tamiz No. 200), en el tamiz No. 4, es GRAVA. - Cuando pasa ms del 50% de la fraccin gruesa en el tamiz No. 4, es ARENA. Para distinguir entre limos y arcillas se hace por sus propiedades mecnicas.

2. LAVADO: Se utiliza para separar suelos finos de suelos gruesos y sirve de complemento al tamizado mecnico; se usa el tamiz No. 200.

3. HIDRMETRO (DENSMETRO): Se aplica para suelos finos. Sedimentacin de una muestra; se utiliza la ley de Stokes. Densmetro para medir densidades en suspensin. El hidrmetro es un aparato similar al densmetro que mide en suspensiones.1 ) Es un mtodo ampliamente utilizado para obtener un estimativo de la curva

granulomtrica de los suelos cuyas partculas se encuentran desde el tamiz No. 200 hasta alrededor de 0.001mm.2 ) Se representa a continuacin de la curva del tamizado mecnico. 3 ) Se basa en la ley de Stokes, segn la cual la velocidad de cada de una esfera

sumergida en un fluido es igual a:

v=

s w * D2 18

Donde:75 ING. HUGO CORAL


v = velocidad de cada de la esfera en cm/seg.

s = peso especfico de la esfera en gr/cm w = peso especfico del fluido (agua) en gr/cmn = Coeficiente de viscosidad o viscosidad dinmica del fluido. D = dimetro de esfera en cm. LEY DE STOKES: La unidad de viscosidad cinemtica en el sistema cegecimal se denomina stokes y se representa por St. Por ser la viscosidad cinemtica el cociente que resulta de dividir la viscosidad entre la densidad su formula dimensional se obtiene dividiendo las frmulas dimensionales de la viscosidad y la densidad. Donde: n = n/d, entonces {n} = L/T Por lo tanto St = cm/s.4 ) Se mezcla en una probeta de 50 cm. de altura un lquido, generalmente agua, con

cierta cantidad de suelo seco del orden de 50gr/lt.5 ) Para lograr la dispersin de las partculas se agregan pequeas cantidades de ciertos

productos qumicos que son anticoagulantes (meta-fosfato de sodio o silicato de Sodio) y se agita fuertemente el conjunto.

Z SUSPENCIN dz

76

ING. HUGO CORAL


FIGURA 29.

6 ) Una vez conseguida la suspensin uniforme del suelo en el agua, se coloca la probeta

en posicin vertical y se hace el anlisis de las partculas. Si consideramos un punto cualquiera o una profundidad z bajo la superficie de suspensin y designando un tiempo transcurrido t, desde la iniciacin de la sedimentacin, el D de las partculas se halla mediante la ley de Stokes.z s w * D2 D = = 18 t 18 * z (s w) * t

-

Sea Czt la concentracin a la profundidad z en el instante t Si N es la relacin entre el peso de las partculas menores que D y el peso de todas las partculas en la muestra original de suelo Ci,

Entonces:

N=

Czt Ci

N = % de suelo que se ha decantado. Ci = concentracin inicial.77 ING. HUGO CORAL


-

Con D y N se tiene un punto de la curva granulomtrica

N=

Gs c Gs V * * ( w) = * * ( w) Gs 1 Ci Gs 1 W

c = peso especfico de agua destilada a la t de calibracin =1. = densidad de la suspensin w = densidad del lquidoV = volumen del lquido W = masa de suelo en suspensin.

ESTADOS DE CONSISTENCIA PLASTICIDAD Un suelo debido a la presencia de agua se puede o no dejar moldear o adquiere una forma de consistencia caracterstica. Es aplicable a suelos finos. La consistencia puede ser variada a voluntad, aumentando o disminuyendo la humedad. La cantidad de agua que produce el paso de un estado a otro, es muy distinto para los diferentes suelos, de tal manera que esta situacin de humedad crtica permite encontrar los lmites de consistencia o Lmites de Atterberg que sirven para complementar la clasificacin de un suelo. Los lmites se basan en el concepto de que un suelo de grano fino solo puede existir en cuatro estados de consistencia segn su humedad. As, un suelo se encuentra en estado78 ING. HUGO CORAL


slido cuando est seco, pasando al aadir agua a los estados semislido, plstico y finalmente lquido.

HUMEDAD (W)

SOLIDO

SEMISOLIDO

PLASTICO

LIQUIDOLL

LC

LP

LC = Lmite de contraccin LP = Lmite plstico LL= Lmite lquido LMITE LQUIDO: Es el menor contenido de agua para el cual un suelo pasa del estado plstico al lquido (viceversa) LMITE PLASTICO: Es el menor contenido de agua para el cual un suelo pasa del estado plstico al semislido (semiplstico) LMITE DE CONTRACCIN: Es el menor contenido de agua debajo del cual un suelo no cambia de volumen al perder agua, sirve para tener una orientacin de la expansin.

DETERMINACIN DEL LMITE LQUIDO Es un mtodo emprico; se realiza utilizando la Cazuela de Casagrande.

79

ING. HUGO CORAL


FIGURA 30.

FIGURA 31.

El Lmite lquido se define como el contenido de agua de una muestra a la cual es necesario dar 25 golpes a la cazuela para cerrar en una longitud de 10 a 15 mm. La ranura hecha con la herramienta standard, slo en este momento se sabe que el material ha alcanzado el lmite lquido. Despus de este procedimiento se obtiene una grfica resultado del nmero de golpes con su respectiva humedad; esta grfica recibe el nombre de curva de fluidez.80 ING. HUGO CORAL


DETERMINACIN DEL LMITE PLSTICO: Es el contenido de humedad para el cual un suelo comienza a fracturarse cuando es amasado en pequeos cilindros (3mm), haciendo rodar la masa del suelo entre la mano y una superficie lisa.

W

%

Lnea de fluidez.

WLL

25

No. de golpes

FIGURA 32.

DETERMINACIN DEL LMITE DE CONTRACCIN Equipo: Cpsula de contraccin Placa de vidrio Un recipiente de vidrio Mercurio (Hg) Suelo pasante del tamiz No 4081 ING. HUGO CORAL


PROCEDIMIENTO:1 ) Tomar unos 40 gr de suelo de lo posible del utilizado en LL o LP, mezclar con el agua

hasta obtener una pasta cremosa.2 ) Recubrir la cpsula de contraccin con vaselina o silicona para evitar la adherencia del

suelo en las paredes.3 ) Pesar el recipiente Wc (peso de cpsula) 4 ) Llenar el recipiente en tres capas, darle golpes para sacar las burbujas de aire,

enrasar y pesar el recipiente con suelo hmedo W15 ) Sacar el aire de 6 a 8 horas, luego secar al horno a una temperatura de 105 a 110

hasta adquirir peso constante y obtener peso de la cpsula ms suelo seco W26 ) Encontrar el volumen del recipiente de contraccin en cm , de la siguiente forma:3

Llenar el recipiente con Hg hasta enrasar con una lmina, verter el mercurio en una probeta (cilindro volumtrico graduado) y leer directamente el volumen o tambin pesar el recipi

(http com geotecnia i

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