1.- ESPE Mecnica de Suelos IMecnica de Suelos I ESPE

El suelo es un material que trae al Ingeniero Civil, problemas de naturaleza diversa, los cuales podemos agrupar en las categora indicadas en el cuadro siguiente, constatndose que en todos los sectores de la Ingeniera Civil, es importante la consideracin del comportamiento fsico mecnico de este material.Cuadro 1.1

PROBLEMASTRABAJOS

Movimiento de TierrasUrbanizaciones

Caminos y Aeropuertos

Presas de Tierra

Estabilizacin de SuelosCaminos y Aeropuertos

Presas de Tierra

FundacionesEdificios

Puentes

Obras Portuarias

Presas

Soporte de MacizosObras Portuarias

TnelesCanales Caminos

Resistencia de TaludesCaminos

Canales

Presas de Tierra

Erosin

Aprovechamientos HidrulicosCaminos ( proteccin de taludes)

DrenajeCaminos y Aeropuertos

Presas de Tierra

Edificios

UrbanismoGeotecnia aplicada al ordenamiento urbano

Hoy en da el tratamiento de las propiedades de los suelos, aunque ocupen gran parte de un tratado de mecnica de suelos, en lneas generales se ocupa en resolver los siguientes problemas: 1.1 EL SUELO COMO MACIZO DE SOPORTE DE FUNDACIONESFundacin o cimentacin de una estructura, es la parte de la misma que se destina a distribuir las cargas sobre el terreno y el principal criterio para su diseo, es el de econmicamente compactabilizar las deformaciones de que son causa con su utilizacin.

Las relaciones entre las cargas y deformaciones de los suelos, constituyen pues, las bases de la concepcin y dimensionamiento de las fundaciones, considerndose siempre que:

Figura 1.1 Esquema de una Zapata de FundacinPresiones por las cuales el suelo de acuerdo a su tipo, se deforma mediante lo indicado en el siguiente Diagrama de Distribucin de Presiones en el Interior del Depsito de Suelos

Figura 1.2 Relacin Tensin-Deformacin en los suelos

Tales diagramas presentan tres segmentos bien diferenciados:-Concavidad hacia arriba (deformaciones por adensamientos)

-Sensiblemente lineal (deformaciones elsticas)

-Concavidad hacia abajo (Falla del suelo), rotura.El estudio de las deformaciones de los suelos se bas primero en la teora de la elasticidad y posteriormente se desarrollaron la teora de la consolidacin, licuefaccin y la teora de la plasticidad.En el estudio y diseo geotcnico de las cimentaciones, es indispensable realizar una prospeccin del suelo hasta profundidades en las que los incrementos de los esfuerzos por cargas externas no sean significativos, como por ejemplo inferiores a un 10% del valor de la presin de contacto y nos permita estimar los siguientes parmetros:

Capacidad de carga admisible

Tipo de cimentacin (superficial o profunda) Nivel de cimentacin

Deformaciones diferenciales entre los diferentes puntos de la estructura

Procedimientos constructivos

Sistema de estabilizacin de los depsitos, etc.1.1.1 El terreno a la luz de la teora de la elasticidadSi el terreno fuera supuesto como un slido elstico homogneo, istropo y semi indefinido, la teora de la elasticidad permite desde Boussinesq determinar el campo de tensiones en ella producidos por una zapata cargada.

Figura 1.3 Campo de tensiones generados por una carga circular uniformePara conocer estas caractersticas elsticas es necesario efectuar una prospeccin del terreno hasta profundidades que deben estar de acuerdo con el peso y extensin de la estructura a fundar.Prospeccin que muestra que los depsitos de suelo no son ni homogneos, ni istropos ni elsticos, ni semi-definidos.

Figura 1.4 Esquema de tensiones en el interior del depsito de suelo1.1.2 La consolidacin de los suelosSegn la teora de consolidacin de Terzaghi, este problema se presenta en suelos arcillosos y saturados, que tienen la posibilidad de drenar sus aguas por efecto de incremento de presiones externas hacia estratos permeables, por efecto de una variacin en la distribucin de presiones que son absorbidas por la fase liquida = presin neutra y fase slida (= presin efectiva), tal como se indica en la Figura 1.5.Resultado que se traduce en una disminucin en el volumen del suelo por la expulsin de agua de los vacos y el consecuente incremento de la tensin de contacto de las partculas de suelo entre s o sea un aumento de la tensin efectiva a medida que la consolidacin evoluciona. Figura 1.5 Analoga Mecnica de Terzaghi1.1.3 Comportamiento dinmico de los suelos

Las cargas cclicas aplicadas a los suelos granulares, producen inversiones completas de los esfuerzos, los cuales disminuyen su resistencia al corte. El monto de la degradacin de su resistencia, depende principalmente de la intensidad de esfuerzo cortante cclico y del nmero de ciclos de carga, provocando deformaciones que estn de acuerdo a su grado de saturacin y compacidad (movilidad cclica y licuefaccin), as mismo por efecto de una variacin en la distribucin de presiones que son absorbidas por la fase liquida ( = presin neutra) y fase slida (= presin efectiva).

1.1.4 La rotura de los suelos

Cuando las presiones aplicadas al suelo han sobrepasando cierto lmite puede conducir a la rotura del suelo y el consecuente colapso de las estructuras cimentadas sobre l.

Se conoce adems que el suelo se rompe, cuando la tensin de corte aplicada es mayor que la resistencia al corte del suelo.

Es esta la razn por que es de mucha importancia prever la carga de rotura de los suelos, para lo cual se comienza por admitir que antes de la rotura el suelo se comporta como elstico. 1.2 EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIN

El suelo es el material de construccin que con mayor volumen existe sobre la corteza terrestre, y su utilizacin depende de sus caractersticas fsico-mecnicas.

Se lo utiliza en rellenos (carreteras)

Represas de tierra

Pavimentos de carreteras

Construccin de estructuras, etc.

Figura 1.6 Seccin transversal de una presa de tierra construida para crear un embalse de agua.La figura 1.6 representa una seccin transversal de una presa de tierra construida para crear un embalse de agua.

Las dos zonas principales son: NCLEO O CORAZN DE ARCILLA y el PIE DE ENROCAMIENTO.

El NCLEO hace que las filtraciones sean escasas y el PIE DE ENROCAMIENTO proporciona una estabilidad considerable a la presa. Entre ambas zonas se coloca un filtro de grava para evitar el arrastre de las partculas del suelo del ncleo hacia los huecos del enrocamiento. Entre el ncleo y el embalse se coloca un manto de bloques sobre un lecho de grava para as evitar la erosin del ncleo por la lluvia o agua del embalse.

Este tipo de presa se denomina mixta o graduada para diferenciarla de la presa de tierra homognea en la que se utiliza un solo tipo de material en toda la seccin. La figura 1.7 muestra una obra realizada en el lago Maracaibo, para construir una isla artificial, que puede ser utilizada como rea para puertos, aeropuertos o zonas industriales.

Figura 1.7 Isla artificial en el lago Maracaibo

La isla artificial se construy hincado una pantalla de pilotes de concreto que cercaba un recinto de 850m de longitud por 60m de ancho. Luego se drag suelo al fondo del lago, transportndolo por bombeo al recinto protegido por la pantalla, hasta que el nivel del relleno alcanzo la altura deseada.

Para su construccin, se combinaron tres pasos, la falta de terreno en la costa, el calado requerido para el atraque de grandes buques y la necesidad de un canal en el lago.

Figura 1.8 Estructura de un pavimento de una carreteraEl pavimento est formado por una subrasante mejorada, conseguida al compactar sus 15cm superiores de suelo, luego se coloca una capa de subase de material granular que tiene por objeto romper la ascensin del agua capilar de la subrasante hacia la estructura del pavimento, a seguir se coloca la capa de base que puede estar compuesta de material granular o suelo estabilizado, es una capa resistente y finalmente se coloca la capa de rodadura que puede estar constituida por una mezcla asfltica o por un hormign de cemento hidrulico. 1.3 EL SUELO EN TALUDES Y VERTIENTES NATURALES

Cuando la superficie del terreno no es horizontal existe una componente del peso que tiende a provocar el movimiento del suelo.

Si a lo largo de una superficie potencial de deslizamiento, los esfuerzos tangenciales debido al peso propio o a cualquier otra causa superan la resistencia al corte del suelo, se produce un deslizamiento de una parte del terreno.

El incremento de esfuerzos tangenciales provocado por una estructura y la posible disminucin de la resistencia al corte del terreno por el agua infiltrada desde aquel puede ocasionar una falla del talud, el cual pudo ser estable muchos aos antes de la construccin.

La mitigacin de la inestabilidad se puede realizar entre otros mtodos con la construccin de estructuras de contencin (muros de diversa ndole).

Figura 1.9 Ejemplos de Taludes 1.4 MOVIMIENTO DEL AGUA EN LOS PIES

El conocimiento de esta propiedad, tiene importancia en la resolucin de diversos problemas tales como, erosin, deformacin de los suelos1.5 SUELOS PROBLEMAS

La accin del agua sobre suelos arcillosos expansivos provoca aumentos de volumen de este material que son perjudiciales para las estructuras que se asientan sobre ellos.

As mismo el agua puede disolver a los suelos finos que llenan los vacos de las estructuras compuestas de los depsitos de suelos provocando el colapso de los mismos y la destruccin de las construcciones ejecutadas en los sitios.

Tambin los suelos residuales por el escaso cono conocimiento de su comportamiento ingenieril son causa de diferentes problemas en la ingeniera de construccin Civil.

2.1 DEFINICINSuelo: Es un material suelto no consolidado, que proviene de la desintegracin fsica y descomposicin qumica de las rocas, el cual pueden o no contener materia orgnica. 2.2 ORIGEN DEL SUELOAl proceso de transformacin de la materia de origen o roca madre en el suelo, se conoce como FORMACIN DE SUELO. La magnitud de cualquiera de las propiedades del suelo, tales como: PH, contenido en arcillas, porosidad, etc., est determinada por la combinacin de los factores formadores: Los procesos geolgicos (tectonismo) originan que la roca sea fracturada o plegada, luego por los procesos de alteracin se originan los suelos. Esta mutacin no alcanza un estado de equilibrio permanente pues continuamente intervienen agentes o factores de formacin que van modificando o cambiando las caractersticas fsicas y qumicas del suelo.

2.3 FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA FORMACIN DE LOS SUELOS (Sntesis) Los suelos (S) en resumen son producto de los siguientes factores:S = f (r, a, cl, T, t, O, h, x, n)

2.3.1 Roca ( r )La materia de origen (r), de la cual se ha originado el suelo, puede ser una roca gnea, sedimentaria o metamrfica que conforma la corteza slida de la tierra, que se ha transformado lentamente.

Figura 2.1 Corteza Slida de la Tierra2.3.1.1 Origen de las rocasUna roca es dura o semdura, constituida por asociacin de diferentes minerales en diferentes proporciones y que ha llegado a su estado actual a travs de un proceso de varias etapas que constituyen el ciclo geolgico.

Si el MAGMA, lquido del interior de la tierra se enfra, produce las rocas gneas, que sometidas a la intemperie, se meteorizan, son erosionadas, transportadas y depositadas en otro sitio, que por fenmenos de compactacin y sedimentacin se endurecen formando rocas sedimentarias. Esas rocas se transforman en metamrficas si se someten a un estado de alta presin y temperatura. Cuando estas condiciones prevalecen, las rocas llegan a derretirse y formar luego; al enfriarse, rocas gneas, reinicindose de esta forma el proceso de formacin de las rocas.

Figura 2.2 Proceso de Alteracin de las Rocasa. Rocas gneasSon aquellas derivadas del enfriamiento del magma. Este enfriamiento puede efectuarse a grandes profundidades dando lugar a los cristales de minerales bien diferenciados y de forma cristalogrfica definida. El enfriamiento a profundidades intermedias produce rocas hipoabisales de grado medio y los minerales no toman la forma cristalogrfica tpica.

Las rocas gneas extrusivas, producidas por enfriamiento del magma en la superficie terrestre, son rocas de grano fino, textura amorfa, generalmente con vidrio y sin cristalizacin definida debido a la rpida prdida de temperatura.

Hay ocasiones en que, una vez formada la roca gnea, puede volverse metamrfica directamente debido a cambios de estructura por variacin de las condiciones ambientales.

Roca gneaCuadro 2.1 Clasificacin de campo para las rocas gneas

TexturaColores claros: livianas (minerales esenciales: cuarzo y feldespato)Colores intermedios (minerales esenciales: feldespato, anfibola, biotta, piroxeno)Colores obscuros: (minerales esenciales: piroxeno, feldespato, anfibola, olivino)

Grano

GruesoGranito:

Pegmatita: Grano mas grueso.

Aplita: Grano finoSienita: Sin cuarzoDiorita:Con cuarzo: Cuarzo diorita-2 feldespatos.

Monzonita

2 feldespatos y cuarzo

Monzonita, granodioritaGabro:Olivino y piroxeno:

Peridotito

GranoFinoFelsitaFelsitaBasalto

GranoMezcladoGrano porfricoSienita porfrica

Felsita porfricaDiorita porfricaFelsita porfricaBasalto porfrico

VtreaObsidiana:Si es porosa: pmezObsidiana:Si es porosa: pmezVidrio basltico:Si es poroso: escoria

TrituradaBrecha; Aglomerada, Toba

b. Rocas sedimentariasSe forman por depsito y compactacin del material meteorizado, erosionado y transportado de otros tipos de rocas o de las mismas sedimentarias sometidas a la intemperie. Una vez depositados los sedimentos, debido al peso de los mismos y por presiones de diferentes orgenes, se produce un aumento de temperatura que altera las condiciones ambientales del depsito dando lugar a la sedimentacin y el endurecimiento del material.

El transporte puede hacerse por medio de partculas en suspensin en forma de coloide en solucin con agua; las primeras dan lugar a rocas sedimentarias detrticas y las segundas a rocas sedimentarias de origen qumico. El depsito puede ser tambin de caparazones de organismos animales y vegetales, lo que da lugar a rocas sedimentarias BIOQUMICAS.

Roca Sedimentaria

Cuadro 2.2 Clasificacin de campo para rocas sedimentarias

CLASIFICACIN POR COMPOSICINROCACLASIFICACIN POR ORDENROCA

Partculas reconocibles

Partculas gruesas o en combinacin con partculas redondeadasConglomerado

AngularesBrechaDepsito GlacialTilita

Meteorizacin de LaderaBrecha de Talus

Partculas medias a pequeasAreniscos

Con mucho feldespatoArcosa

Con conchasCaliza

Partculas Indistinguibles

LimoLimonitaDepsito por vientoLoes

Arcilla y lodoPizarraArcillosaDepsito por fuentes termales

Cal y arcillaArcillaMargaArcillonitaCarbonatoSliceTravertinoGayserita

Carbonato de calcioCaliza

SliceTierra diatomita

Carbonato OrgnicoCarbn mineral

SalSal gema

Sulfato de calcioAnhidrita

Sulfato de calcio hidratadoYeso

FosfatoRocas fosfticas

Cuadro 2.3 Trminos para describir Rocas Sedimentarias

c. Rocas MetamrficasSon el producto del cambio en la estructura de otras rocas debido a variacin de condiciones ambientales.

Las rocas sedimentarias a altas temperaturas y presiones se convierten en rocas metamrficas. El origen de las presiones y temperaturas puede ser el peso de los mismos sedimentos o la cercana de una cmara magmtica o cuerpo intrusivo. Una roca gnea puede sufrir la misma transformacin por las mismas causas.

Roca metamrficaCuadro 2.4 Clasificacin de campo para Rocas Metamrficas

2.3.1.2 Identificacin de las rocasPara identificar una roca es necesario analizar las siguientes caractersticas:a) Estructura

b) Textura

c) Dureza

d) Fractura

e) Color

f) Diaclasasa) Estructura

Es el conjunto de todos los aspectos ms importantes de las rocas, por ejemplo la estratificacin, laminacin, vascularidad, etc.

b) Textura

Es el aspecto que toma la roca debido al tamao, forma y ordenamiento de los granos y cristales que la forman. Por ejemplo: si los granos o cristales son grandes como arvejas, se dice que es de grano fino. Los granos pueden ser tan pequeos que sean imperceptibles a simple vista y la roca se ve como una masa homognea, se dice que la textura es afantica. La forma y el ordenamiento de los cristales y granos entre s producen el entrelazamiento de la roca. La roca ser equigranular; caso contrario, ser inequigranular. Los granos pueden ser cristales, fragmentos angulares, subangulares o redondeados.c) DurezaEn trminos generales, es la resistencia que tienen los materiales a dejarse rayar por otro. Para el caso de minerales la dureza est definida por la escala de MOHS y para las rocas se establecer adelante la clasificacin.Cuadro 2.5 Criterios para determinar la Textura

Cuadro 2.6 Escala de Dureza

d) Fractura

La fractura define la forma o la apariencia de la superficie obtenida al romperse la roca en cualquier direccin; la fractura puede ser coloidal, regular, irregular, fibrosa.e) Color

Es la caracterstica ms visible, aunque a la vez es la ms difcil de definir, debido a la gran amplitud de gamas.Cuadro 2.7 Criterios para definir colorCOLORESROCASCAUSAS

Negro, gris o pardo oscuroEruptivas, pizarra, caliza y algunas areniscasPresencia de biotita, hornblenda, augita, magnetita, materia orgnica y substancias carbonosas.

Amarillo pardoVarias rocasOxidacin e hidratacin de la mayora de minerales

Rojo y rosadoEruptivas, conglomerados, areniscas y arcillasFeldespato rosado o rojizo y principalmente oxidado de hierro y manganeso.

Blanco y colores clarosCaliza, arcilla, limos, areniscas, caoln, etc.Por meteorizacin del material los colores originales pueden cambiar a tonos claros.

VerdeEsquitos, pizarras y algunas areniscas.Presencia de clorita, epidota, glaucomita y serpentina

f) Diaclasas

Las diaclasas son estructuras de ruptura de la roca debido a tensiones o reacciones y dilataciones por cambios de presin o temperatura. Se presentan como planos o figuras y es posible conocer su rumbo o buzamiento; estos pueden tener diferentes valores y cada uno de ellos constituye un sistema.

2.3.2 Agua (a)Que al introducirse en la roca produce en su contacto con los elementos qumicos y materia orgnica una serie de reacciones fsico-qumicas, que hacen que este se vaya transformando lentamente.

2.3.3 El clima de la regin (cl)

Este esta en funcin de la relacin entre la evaporacin y la precipitacin y puede ser: seco, hmedo, clido, etc. Y en cierto modo determina las caractersticas fsico-qumicas y el color de un determinado suelo. 2.3.4 La topografa del lugar (t)

El agua tambin acta en el relieve o topografa del terreno, ya que si el terreno es llano, habr infiltracin y si es quebrado se producir erosin. 2.3.5 Los organismos vivos (O)

Particularmente los microorganismos, plantas y animales intervienen tambin en la formacin del suelo. 2.3.6 La temperatura(T)

Est asociada ntimamente al clima, pues a mayor temperatura existe mayor cantidad de arcilla en un suelo. Adems, el espesor de los estratos o capas depende de la temperatura. As en zonas fras el espesor de las capas de un suelo es pequeo. En climas clidos, el lecho rocoso se encuentra a mayor profundidad que en climas fros. 2.3.7 El tiempo (x)

El tiempo de accin de los llamados agentes de descomposicin de las rocas define la calidad de los suelos2.3.8 El ser humano (h)

Que con sus obras, como la construccin de represas, autopistas, carreteras, edificios, estructuras, etc. alteran las condiciones naturales existentes. 2.3.9 Fenmenos Naturales (n)Como movimientos ssmicos, ciclones y maremotos, que producen grandes deformaciones en la corteza terrestre.

3.1 DEFINICIN

Es la agrupacin o acumulacin de las partculas sueltas y no consolidadas, provenientes de la alteracin de las rocas, conociendo entre otros los siguientes:

3.2 DEPSITOS SEDIMENTARIOSProvienen de la alteracin de las rocas, transporte y sedimentacin de los subproductos obtenidos.AGENTES DE ALTERACIN

Acciones Qumicas

Acciones Fsicas

AGENTES DE TRANSPORTE Viento

Agua Glaciales

GravedadDe acuerdo a los agentes anteriores, los depsitos se denominan de la siguiente manera:

ALUVIALES: cuando el agente de transporte fue agua.

ELICOS: cuando el agente de transporte fue el viento.

COLUVIALES: cuando han sido transportados por la gravedad.

GLACILICOS: transportados por accin de los movimientos de glaciales.

DEPSITO DE LOS SEDIMENTOSLas causas principales de la formacin de los depsitos sedimentarios en el agua son: la disminucin de la velocidad, la disminucin de la solubilidad y el aumento de electrolitos.Cuando una corriente de agua desemboca en un lago, mar u ocano, pierde parte de su velocidad, disminuyendo la fuerza de la corriente y producindose la sedimentacin de las partculas en sedimentacin, cualquier cambio de temperatura o naturaleza qumica del agua puede producir una disminucin de la solubilidad de la corriente, reduciendo la precipitacin de alguno de los elementos disueltos.TIPOS DE DEPSITOS TRANSPORTADOS

a) Depsitos coluviales:

Los suelos coluviales incluyen masas de rocas sueltas, resultado de la accin transportadora de la gravedad. Estos materiales son puntiagudos y angulares, debido a que ha sufrido poco o ningn transporte. Generalmente estn sueltos, depositados en las laderas y en el pie de las montaas. b) Depsitos aluviales:Los depsitos aluviales fueron formados por la accin de las corrientes de agua. Los agentes de acarreo son los ros, las olas y las corrientes marinas. El tamao de las partculas que pueden ser arrastradas vara aproximadamente con el cuadrado de la velocidad de la corriente

Cuando una corriente cargada con sedimentos desemboca en una masa tranquila de agua, su velocidad se reduce y se deposita gran cantidad del material, pero el material ms fino puede ser acarreado ms lejos de la desembocadura de la corriente antes de ser depositado. Tales depsitos se denominan deltas y pueden, bajo condiciones favorables, cubrir vastas reas. En la figura se muestra una seccin transversal de una serie de capas inclinadas de una delta. Los materiales ms finos son acarreados ms lejos para constituir la parte inferior del lecho (c) mientras que al mismo tiempo el material es depositado en la parte superior del delta como parte del lecho (a).

Figura 3.1 Seccin transversal de una deltac) Depsitos Elicos

Son depsitos elicos los formados por el viento e incluyen la arena de las dunas y las margas.

En las regiones ridas, semiridas y hmedas si la arena suelta no es protegida por la vegetacin especialmente en las riberas del mar y de los lagos, la arena se va acumulando por el empuje del viento formando lomas y montculos que se llaman dunas.

Figura 3.2 Ejemplos de dunas en el desiertod) Depsitos glacilicos

Los glaciares transportan materiales sobre su superficie en el interior de su masa y en las partes inferiores del hielo. La carga de la superficie consiste de fragmentos de roca y otros detritus que han cado en el hielo de los tajos y laderas que estn sobre l. El fondo contiene materiales arrancados por el peso del glaciar. Los materiales dentro del glaciar estn constituidos por detritus que han cado de las grietas de la parte superior del glaciar y por gran cantidad de agua que queda atrapada entre las partculas.Figura 3.3 Ejemplo de depsitos glaciares3.3 DEPSITOS RESIDUALES

GENERALIDADES:

El estudio de suelos residuales requiere una actitud un poco ms geolgica de lo que normalmente se exige en Mecnica de Suelos, si nos atenemos a que SUELOS RESIDUALES, son aquellos que resultan de la alteracin de la roca en su propio lugar.

La alteracin de una roca, es su desagregacin y descomposicin llevada a cabo por agentes fsicos y qumicos naturales, que transforman esa roca en otro producto natural que est en equilibrio fsico-qumico con el medio ambiente.

Estos procesos dependen pues de la naturaleza de la roca y tambin del clima, cuando la alteracin se da en climas permanentemente hmedos, los suelos son casi siempre SAPROLITOS esto es suelos que mantienen la estructura de la roca madre.

La forma tpica en profundidad del perfil de alteracin tropical se indica en las figuras siguientes; los lmites entre las diferentes capas no estn claramente definidos y hay muchos sistemas de clasificacin basadas en el grado de alteracin.

Figura 3.4 Relacin Esquemtico entre clima y alteracinETAPA 1: Roca original con muy bajo ndice de vacos y alta cohesin.

ETAPA 2: Desintegracin de la roca por causas de alteracin incrementa el ndice de vacos y decrece la cohesin y ngulo de Friccin.

ETAPA 3: Incremento en el contenido de arcilla, causa el incremento de la cohesin, decrece el ndice de vacos y la permeabilidad, la gravedad especfica comienza a incrementarse por causa del incremento en el contenido de sesquixidos.

ETAPA 4: Contina el incremento de contenido de xidos, contenido de caolinita decrece, por conversin en gibsita, los sesquixidos aglutinan las partculas de arcilla y hace que el suelo sea ms granular, la gravedad especfica se incrementa debido al incremento de contenido de xido hierro, incremento del ndice de Vacos porque una gravedad especfica alta tiende a reducir el volumen slido

Figura 3.5 Representacin esquemtica de perfiles de depsitos de suelos tropicales alterados ETAPA 5: Nuevo incremento en sesquixidos y ms cementacin de los agregados, grandes tamaos de grava en forma concrecional, la gravedad especfica, incrementa o decrece dependiendo de la mayor o menor cantidad de hierro o aluminio.

Figura 3.6 Variacin de propiedades ingenieriles del Basalto, durante la meteorizacinETAPA 6: Roca Secundaria.

Los suelos residuales provenientes de cualquier roca o de la accin de cualquier tipo de clima, disponen de una serie de estratos que tanto pueden ser secuencia vertical u horizontal a los cuales llamaremos de zonas, un perfil completo de suelo residual sera el indicado en la figura:

Figura 3.7 Perfil tpico de un deposito residual

PRIMERA ZONA: Suelo poroso estratos endurecidos o concrecionados.

SEGUNDA ZONA: Suelo Heterogneo (pero uniforme), mantiene la estructura de la roca de donde proviene, cuando este suelo es cortado freso parece roca no descompuesta, pero al manipularle vemos que est totalmente disgregado.

TERCERA ZONA: Se trata de una roca parcialmente descompuesta formando bloques.

Finalmente las dos ultimas zonas, la zona 4 y 5 seran objeto de estudio por parte de la mecnica de rocas. 3.4 DEPSITOS ORGNICOS

Los suelos de origen orgnico se deben directa e indirectamente al crecimiento y subsiguiente descomposicin de plantas y animales, tal como el musgo de los pantanos, o por la acumulacin de caparazones de animales o plantas.Estos depsitos se encuentran en yacimientos terrestres y en los fondos de mares y lagos. Solamente en los desiertos sin lluvias o en las heladas regiones polares en donde no existen.

Figura 3.8 Suelo orgnico

3.4 DEPSITOS ARTIFICIALES

Son depsitos realizados artificialmente por el hombre, por ejemplo rellenos, presas de tierra, etc.

Figura 3.9 Depsito Artificial

INTRODUCCIN

Como sabemos los depsitos de suelo estn conformados por un conjunto de partculas minerales con caractersticas especiales que gobiernan el comportamiento del conjunto por lo que es importante establecer cuales son sus particularidades individuales.

Las caractersticas que se consideran influyentes en su comportamiento fsico-mecnico son las siguientes:

4.1 COMPOSICIN QUMICA Y MINERALGICA DE LOS SUELOS

Es una de sus caractersticas esenciales, pues las propiedades de un suelo estn ntimamente ligadas con su contenido de metales o metaloides.

Los principales elementos qumicos que se encuentran en las rocas, no en estado libre sino combinado con el oxgeno (O2), son los siguientes:

Cuadro 4.1 Principales elementos qumicos de las rocas

De acuerdo a su composicin qumica los minerales se dividen en minerales primarios (feldespatos, cuarzo, anfibolas, piroxenos, micas y olivinas) y secundarios que provienen de la alteracin de los indicados anteriormente y que en forma general se los puede agrupar de la siguiente manera:

En las rocas gneas pueden encontrarse minerales formados del magma por su cristalizacin y tambin minerales formados despus, como resultado de modificaciones sufridas por los primeros. A los minerales formados directamente por la cristalizacin del magma se los conoce como magmticos o primarios, ya los minerales formados como resultado de la modificacin de los primeros post-magmticos o secundarios.

La formacin de los minerales secundarios puede verificarse en diferentes momentos despus de la solidificacin del magma.

Muy a menudo ellos aparecen mediante procesos de auto metamorfismo, inmediatamente despus de la formacin de la roca gnea; pero, estos minerales pueden aparecer tambin mucho despus, por accin de fenmenos que no tienen ninguna relacin con el origen de la roca. Muchas veces aparecen por procesos de meteorizacin.

Como minerales secundarios podemos enumerar los siguientes:

Talco: silicato de magnesio.

Calcita: carbonato de calcio CaCO3

Dolomita: carbonato de Calcio y Magnesio CaMg(CO3).

Yeso: sulfato hidratado de Calcio CaSO4.

Caolinita: es silicato hidratado de aluminio Al2O3.2SiO2.2H2O

4.2 PESO ESPECFICO DE LOS SUELOS

Depende de la clase de mineral o minerales que lo componen, as como de su mayor o menor contenido de materia orgnica.

El peso especfico o gravedad especfica de un suelo es la relacin entre el peso de sus partculas minerales y el peso de igual volumen de agua destilada a 4C, as, si el peso especfico de un suelo es de 2.7, significa que un centmetro cbico de partcula de ese suelo, pesa 2.7 veces ms que un centmetro cbico de agua destilada a 4C.

Tambin se puede definir al peso especfico como la relacin entre el peso de las partculas minerales y su volumen:

Ps = peso de la sustancia slida.

Vs = volumen de la sustancia slida.

El peso especfico de los slidos vara entre 2-3. La materia orgnica hace disminuir el peso especfico del suelo y se ha adoptado como peso especfico de comparacin, el peso especfico de la arena de cuarzo, que tiene un valor de 2.65.

Su determinacin se la realiza con la utilizacin de frascos calibrados denominados picnmetros.

Gs = gravedad especfica

(at = peso especfico del agua a t C.

Ps = peso del suelo seco (suelo secado al horno).

P1 = peso del frasco calibrado con agua y suelo a t C. Figura 4.1 PicnmetrosP2 = peso del frasco con agua destilada hasta la marca a t C. EJERCICIO

1.- Determinar el peso especfico de los granos de un suelo, habiendo determinado que el peso del picnmetro ms agua destilada es igual a 435.21 grs., y el peso del picnmetro con 30 grs. de suelo y agua es de 454.13 grs.

4.3 FORMA DE LAS PARTCULAS.

La forma que tienen las partculas de un suelo, est relacionada tambin con la composicin mineralgica del material, e influye en la formacin de espacios vacos en la masa de un suelo. Se pueden distinguir las siguientes formas principales:

a)PARTCULAS REDONDEADAS: O ms exactamente de forma polidrica, son las que predominan en los pedregullos, arenas y limos.b) PARTCULAS LAMINARES: Semejantes a lminas o escamas; son encontrados en las arcillas.

Esta forma de las partculas de las arcillas responde por algunas y cada una de sus propiedades, como por ejemplo, la compresibilidad y la plasticidad.c) PARTCULAS FIBRILARES: Es caracterstica de los suelos orgnicos (turbosos), que son suelos producto de la descomposicin de plantas y animales.

Los suelos compuestos de partculas redondeadas, soportan cargas estticas pesadas con pequea deformacin especialmente si los granos son angulosos, sin embargo, por efecto de choques o vibraciones, estas se desplazan fcilmente y sufren grandes deformaciones, los suelos compuestos de granos con forma laminar o escamosos se comprimen y se deforman fcilmente bajo el efecto de cargas estticas, as como sucede con las hojas secas y papeles sueltos, sin embargo son estables a los efectos de esfuerzos denominados choques o vibraciones.

Un pequeo porcentaje de partculas laminares es suficiente para cambiar las caractersticas de un suelo y hacer que se comporte como material laminar.

4.4 CONTENIDO DE HUMEDAD

El agua que se presenta en los suelos puede ser:

DRENABLE: Es aquella agua que puede ser drenada fcilmente por accin de la gravedad (agua libre), o procesos fsicos conocidos.El contenido de humedad se define por la relacin:

NO DRENABLE: Es aquella que no es posible drenarla por medios mecnicos o fsicos conocidos, y puede ser:

Agua Capilar: Es el agua que ha sido retenida por la accin de la tensin superficial; su drenaje solo es posible por medios electrnicos.

Agua higroscpica: Es aquella que absorbe el suelo de la humedad del aire.

Agua Adsorbida: Es aquella que forma parte integrante de la partcula de suelo debido a la actividad superficial.

Las partculas finas tipo arcilla contienen alrededor una capa negativa que constituyen la llamada actividad superficial, que es una capa que atrae y permite cambiar electrones.

En contacto con el agua cuyas molculas son polarizadas; H+ OH-, las partculas slidas atraen los iones positivos H+ , formando as una pelcula de agua adsorbida.

Las propiedades del agua adsorbida son diferentes del agua normal, ya que en vista de las grandes presiones a las que se encuentra sometida por las fuerzas electroestticas de adsorcin (se estima que el valor de esta fuerza es de 20.000 Kg. / cm2.), se presenta en forma semislida y con espesuras medias de 0.05u.

Figura 4.2 Mecanismos de AdsorcinSegn SKEMPTON la actividad de los suelos se define por la relacin:

IP = ndice plstico.

%< 0.002 mm. = % de partculas con dimetros menores que 0.002 mm.

En funcin de este valor las arcillas se clasifican en:

-Inactivas=A < 0.75

-Normales=0.75 < A < 1.25

-Activas=A > 1.25

Un fenmeno importante que se presenta a partir de esta propiedad denominada actividad superficial es el llamado CAMBIO DE BASE, que se refiere a la facultad que tiene las partculas coloidales de permutar los cationes adsorbidos en su superficie. As una arcilla hidrogenada puede convertirse en arcilla sdica, por una constante infiltracin de agua que contenga en disolucin sales de sodio.Estos cambios son los que constituyen el principio fundamental del problema de estabilizacin qumica de los suelos, mediante la adicin de productos qumicos o fenmenos electroosmticos.

En un suelo, hay que considerar que no todos los cationes adsorbidos son permutables, la capacidad de permutacin es lo que se conoce como la capacidad de cambio.4.5 LA ESTRUCTURA DE LAS PARTCULASEs una propiedad importante especialmente en las arcillas, pues esta puede ser destruida por la accin de fuerzas exteriores

La modificacin de la estructura de una masa arcillosa, altera su volumen de vacos, observndose que algunas arcillas solo presentan una estabilidad menor cuando se altera su estructura, de ah que una masa de arcilla inalterada sea ms estable que una remoldada, en cambio en los limos y arenas la alteracin de la estructura de su masa tiene influencia casi nula en su estabilidad.

Se puede decir que los suelos arcillosos estn formados por partculas cristalinas de minerales conocidos con el nombre de minerales de arcilla; estos minerales estn formados por silicatos hidratados de Al o Fe, Mg y K.

La estructura de los minerales de arcilla, se componen de la agrupacin de 2 unidades cristalogrficas fundamentales.

La una, representada por un tetraedro, formado por un tomo de Si equidistante de cuatro O.

La otra, representada por un octaedro, con un tomo de Al en el centro envuelto por 6 O por 6 grupos OH:

La asociacin de estos elementos forma los diversos tipos de minerales arcillosos.

Figura 4.2 Mecanismos de Adsorcin

Figura 4.4 Unidad cristalogrfica de aluminioCAOLINITAS: Estn formadas por unidades de Al y Si unidas alternadamente, dando as una estructura rgida. En consecuencia las arcillas caolnicas son relativamente estables en presencia del agua.

Figura 4.5 Estructura de la Caolinita

MONTMORILLONITA: Est estructuralmente formada por una unidad de Al entre dos unidades de Si, pero la unin entre esas dos unidades no es lo suficientemente fuerte y firme para impedir el paso del agua, lo que hace que este tipo de arcillas sean muy expansibles y por lo tanto inestables en presencia de agua.

Figura 4.6 Estructura de la Montmorillonita

ILLITAS: son estructuralmente anlogas a las montmorillonitas pero son menos expansivas ( y = 1.5).

Figura 4.5 Estructura de la Caolinita

4.5 EL TAMAO DE LAS PARTCULAS

Depende de la clase de minerales que contenga el suelo. Se clasifican en :

Piedras:Partculas > a 75 mm.

Gravas:Partculas de 5 mm. 15

No uniforme

c) Coeficiente de curvatura:

D30= Abertura del tamiz a travs del cual pasa el 30% del material

D60= Abertura del tamiz por el cual pasa el 60% del material

El anlisis granulomtrico de los suelos cuyas partculas tienen dimensiones mayores que 0.074 mm. (tamiz N200 A.S.T.M.) se realiza por el proceso de tamizado.

Para esto se toma un peso P de muestra de suelo seco y se lo somete a tamizado, luego de realizar este proceso se toma las porciones retenidas en los diversos tamices P1.....P2 ,Pn y se los expresa en porcentaje del peso total.

Sumando sus porcentajes se obtiene los porcentajes retenidos; acumulando y tomando el complemento de 100, los porcentajes acumulados que pasan.

CUADRO DE ABERTURA DE LAS MALLAS DE LOS TAMICESLa abertura de los tamices normales de A.S.T.M. que se utilizan son los siguientes:

El tipo del tamiz se refiere a la abertura de malla o a su nmero de mallas por centmetro cuadrado.Anlisis Granulomtrico por Tamizado.

Figura 4.10 Abertura de los tamicesEJERCICIO DE ANLISIS GRANULOMTRICO:1.- Un anlisis granulomtrico por tamizado de una muestra cuyo peso total es de 15151.2 gr. se obtuvo los siguientes resultados:

Dimetro Material Retenido

1''0.00

1''1818.10

''1212.10

3/8''3030.20

42272.70

< 46818.10

(15151.20

De los 6818 gr. que pasaron por el tamiz #4 se tomo una submuestra de 200gr. para realizar la granulometra de material fino. DimetroMaterial Retenido

Mb = 200gr.

# 1031.50

# 2027.60

# 4029.10

# 6022.00

# 10024.00

# 20019.80

< 20046.00

(200.00

Calcular y graficar la curva.

DimetroMaterial Retenido% Retenido% Ret. Acum.% Acumulado P.

1''0.000.000100

1''1818.1011.9011.988.1

''1212.108.0019.980.1

3/8''3030.2019.9039.8960.11

42272.7015.0054.945.1

< 46818.1045.00

15151.20

Mb = 200gr.

# 1031.5015.757.0861.9838.02

# 2027.6013.806.2168.1931.80

# 4029.1014.556.5474.7325.30

# 6022.0011.004.9579.6820.32

# 10024.0012.005.4085.0814.92

# 20019.809.904.4589.5310.47

< 20046.0023.0010.3599.880.12

200.00solo para 200grpara la m. total

Con esta informacin la curva granulomtrica queda definida de la siguiente manera:

Por anlisis de la curva granulomtrica obtenida se puede determinar que la muestra contiene:62% grava

34% arena

4 % limoEn base a la informacin generada por la curva, tambin podemos definir el dimetro efectivo, dimetro 30, y dimetro 60 para determinar as si el suelo es uniforme y su coeficiente de curvatura.D10 = 0.074

D30 = 0.73

D60 = 9COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD:

Cu = 9/ 0.074

Cu = 122

Como Cu > 15 es un suelo no uniformeCOEFICIENTE DE CURVATURA:

Cc = (0.73)2 / (9 * 0.074)

Cc = 0.8

Para los suelos finos, es decir con dimensiones menores que 0.074 mm., ya no se puede utilizar el mtodo del tamizado, por lo tanto se usa el mtodo de sedimentacin continua en un medio lquido.

Casi o todos los mtodos para anlisis granulomtrico por sedimentacin estn basados en la ley de STOKES, la cual establece una relacin entre el dimetro de las partculas y la velocidad de sedimentacin, en un medio lquido de viscosidad y peso especfico conocido.

La ley de STOKES se puede expresar de la siguiente manera:

Donde:v= velocidad de sedimentacin.

(a= peso especfico del medio dispersor.

(g= peso especfico de las partculas del suelo.

(= coeficiente de viscosidad del medio disperso; vara con la temperatura.

d=Dimetro equivalente a las partculas, esto es el dimetro de una esfera del mismo peso especfico y que se sedimenta con la misma velocidad.La ley de Stokes nos da el dimetro equivalente de las partculas y no su verdadero valor. Resolviendo la ecuacin planteada tendremos:

La ley de Stokes es vlida para partculas menores que 0.002 mm. de dimetro y mayor que aquellas partculas que son afectadas por el movimiento BROWNIANO.

Las limitaciones en la determinacin del tamao de las partculas por medio de la Ley de Stokes son las siguientes:a) Las pruebas realizadas por SQUIRES en el ITM dan una idea del error introducido por el uso de las frmula de Stokes que supone a las partculas esfricas, adems establece como uniforme la velocidad de asentamiento de una partcula considerada como una esfera hipottica, pero en realidad las partculas finas tienen forma laminar y ms frecuentemente en forma de disco, de esta manera las partculas se sedimentan con un movimiento parecido a las hojas que caen.

Squires, estudiando la cada de una partcula de forma diferente al de una esfera, consider una relacin de correccin:

D= dimetro de la esfera.D = dimetro del disco.

( = D/H.

H = altura del discob) Considera adems, que la velocidad de asentamiento de las partculas es uniforme, variando nicamente el dimetro.Pero en realidad esta velocidad no puede ser uniforme porque no todos los granos de suelo tienen el mismo peso especfico.Como la variacin del peso especfico de los materiales que componen el suelo, no es muy grande y oscila de 2-3 gr./cc. Puede utilizarse en la frmula un trmino medio aproximado de 2.65.

c) La viscosidad de la dispersin cambia con la temperatura, al disminuir la viscosidad se produce un aumento en la velocidad de sedimentacin.Limov p = 1 cm./min.

Arcillav p = 0.02 cm./min.d)Se refiere al movimiento de una sola esfera y no tiene en cuenta la influencia recproca de partculas de tamaos diferentes sedimentndose una tras otra a diferentes velocidades en una suspensin.

En la realidad las partculas finas del suelo al encontrarse en suspensin en el agua debido a las cargas elctricas negativas empiezan a repelerse unas tras otras, originando un movimiento denominado BROWNIANO, por lo que se encuentra en continuo movimiento con la siguiente alteracin del proceso de sedimentacin.

El clculo de los porcentajes de partculas de suelo con dimetros menores que d. (lo que correspondera al porcentaje de partculas que pasaran a travs de un tamiz cuyas aberturas sean iguales a d.) ser:

Ps = Peso del suelo seco utilizado en el ensayo.

(g = Peso especfico de los granos.

Lc = lectura corregida del hidrmetro.La frmula indica anteriormente puede escribirse tambin :

HIDRMETROS

Figura 4.11 Instrumentos empleados en el mtodo de sedimentacin.

EJERCICIO DE ANLISIS GRANULOMTRICO POR SEDIMENTACIN:

2.-Una vez realizado el ensayo de sedimentacin obtenemos los datos, que indicamos a continuacin, los cuales nos servirn para realizar los clculos respectivos para hallar el % acumulado y D:

CA = Correccin por antifloculante = 3

CM= Correccin por menisco = 1Tiempo

(min)Temp

CCTLectura

LsLc% AcumZs

(cm)D

(mm)

gr/Lgr/cm3

12050

22044

52033

152032

302027

Donde: CT= Correccin por temperatura Ls = Lectura del hidrmetro

D = Dimetro de las partculas

Zs = Altura de cada de la partculas en cm.

% Acum = porcentaje de partculas que pasara a travs del tamiz cuya abertura sea igual a D

Lc = Lectura corregida del hidrmetro

Para saber la correccin por temperatura nos basamos en la siguiente tabla:

Como en todas nuestras lecturas la temperatura fue de 20C nuestra correccin por temperatura es de 0.0000Con el valor de la correccin por temperatura procedemos a determinar la lectura corregida (Lc) para cada uno de nuestros datos mediante el siguiente procedimiento :

Lc = Ls - CA + CT + CM

Lc = Ls - 3 + 0 + 1

Lc = Ls - 2

Entonces nuestra tabla nos quedara:Tiempo

(min)Temp

CCTLectura

LsLc% AcumZs

(cm)D

(mm)

gr/Lgr/cm3

1200.00005048

2200.00004442

5200.00003836

15200.00003230

30200.00002725

Nuestros valores de Lc estn en gr/L por lo cual tenemos que trasformar a gr/cm3Para realizar la trasformacin de Lc nos basamos en el siguiente grafico:

Lc

gr/Lgr/cm3

481.0296

421.026

361.0223

301.0185

251.0154

A seguir calculamos el % acum mediante la siguiente formula:

Ps = peso de suelo pretratado = 120 gg = peso especfico de los granos = 2.506 g/cm3Lc =densidad corregida

Donde reemplazamos los valores de Lc y obtenemos el % acum para cada lecturaNuestra tabla nos quedara de la siguiente forma:Tiempo

(min)Temp

CCTLectura

LsLc% AcumZs

(cm)D

(mm)

gr/Lgr/cm3

1200.000050481.029641.05

2200.000044421.02636.05

5200.000038361.022330.92

15200.000032301.018525.65

30200.000027251.015421.35

Para establecer Zs nos valemos de las curvas de calibracin de los hidrmetros:

Completamos los valores de Zs en la tabla:Tiempo

(min)Temp.

CCTLectura

LsLc% AcumZs

(cm)D

(mm)

gr/Lgr/cm3

1200.000050481.029641.058.4

2200.000044421.02636.059.4

5200.000038361.022330.9210.4

15200.000032301.018525.6511.4

30200.000027251.015421.3512.2

Tambin existe otra forma de hallar los valores de Zs, basndose en la siguiente tabla:

Para los valores de Lc dados a continuacin encontramos Zs

Segn la tabla nuestros valores de Zs quedaran de la siguiente manera:LcZs

488.4

429.4

3610.4

3011.4

2512.2

Para hallar el valor de k nos apoyamos en la siguiente tabla, mediante los valores de la temperatura y del peso especfico.

Nuestro valor de k es 0.01431Para hallar el dimetro de la partculas aplicamos la frmula:

t = tiempo en segundosReemplazando los valores de Zs y t obtenemos los valores del dimetro para cada dato.Tiempo

(min)Temp

CCTLectura

LsLc% AcumZs

(cm)D

(mm)

gr/Lgr/cm3

1200.000050481.029641.058.40.006

2200.000044421.02636.059.40.004

5200.000033361.022330.9210.40.003

15200.000032301.018525.6511.40.002

30200.000027251.015421.3512.20.001

Con el material lavado, retenido en el tamiz N 200 lo secamos al horno por 24 horas y procedemos a realizar la tamizacin del mismo para completar la curva granulomtrica.Los datos obtenidos de nuestra muestra son:Por tamizacin

Malla

NPeso del suelo retenidoPorcentaje

retenidoRetenido acumuladoPorcentaje que pasa

gr%%%

10000100

4023.719.7519.7580.25

1007.76.4226.1773.83

20036.930.7556.9243.08

Por sedimentacinAp%D

(mm)

41.050.006

36.050.004

30.920.003

25.650.002

21.350.001

Valores con los cuales procedemos a trazar la curva granulomtrica.

Las partculas minerales, el agua y el aire se agrupan de maneras muy diferentes para formar los depsitos de suelos o rocas.

En mecnica de suelos el trmino estructura (ms propiamente micro estructuras) se usa para describir la geometra de la agrupacin Partcula Poro.

A esta confusa terminologa se suma el problema de la descripcin de la interminable variedad de texturas o micro estructuras posibles, las mismas que dependen de las formas de los granos, las llamadas fuerzas entre partculas y la manera como el suelo o la roca se formaron.Para fines de estudio hemos clasificado las micro estructuras en cuatro grupos: No cohesivas

Cohesivas Suelos sedimentarios

Compuestas

Residuales

Existen, sin embargo, muchos materiales que no caen dentro de este simple modelo bsico, razn por la cual cada suelo debe ser evaluado individualmente y no debe basarse en la descripcin de la micro estructura.

5.1 MICRO ESTRUCTURAS DE SUELOS NO COHESIVOSa) ESTRUCTURAS DE CONTACTO

Los suelos no coherentes, se componen en general de granos redondeados que se pueden representar por esferas o poliedros regulares, la ms simple disposicin de estas partculas es similar a las de la naranjas colocadas en un estante del mercado en la cual cada una est en contacto con las dems que rodean esta estructura que se llama de CONTACTO O MONOGRANULAR y es tpica de las arenas o gravas.

La relacin de vacos puede variar grandemente segn sea la posicin relativa de los granos, si se colocan en una caja grande granos distribuidos uniformemente de manera que queden unos encima de otros, la estructura que se forma tendr una relacin de vacos de alrededor de 0.90 (a).Si se colocan de manera que las esferas de una capa ocupen los espacios entre las esferas de la otra, la relacin de vacos de esta estructura ser de alrededor de 0.35 (b). La disposicin que corresponde a la mayor relacin de vacos se describe como suelta y la correspondiente a la menor como compacta; se puede disponer los granos para producir cualquier relacin de vacos entre estos dos lmites.

Figura 5.1 Estructuras de suelos no cohesivosEs posible tener variaciones similares en la relacin de vacos en suelos no cohesivos con granos de forma irregular y de distintos tamaos; la relacin de vacos ms alta posible para un suelo determinado (y en el que todava estn en contacto las partculas) se denomina mxima e mx., la relacin de vacos ms baja se denomina mnima e mn..

La relacin que existe entre la relacin de vacos que realmente tiene un suelo e nat y sus valores lmites e mx y e mn, se denomina COMPACIDAD RELATIVA; GRADO DE COMPACIDAD, DENSIDAD RELATIVA, NDICE DE DENSIDAD.

Dicindose que el suelo natural es suelto si su compacidad relativa es menor que 50% y compacto si es mayor.Las propiedades de los suelos que tienen estructura de contacto suelta se diferencian grandemente de los que la tienen compacta, los suelos sueltos en los que los granos estn colocados unos arriba de otros son inestables a los choques y vibraciones en razn de que se mueven las partculas y al agruparse forman suelos ms compactos y estables. Las partculas redondas son las ms inestables del suelo suelto y an las angulosas si la relacin de vacos es lo bastante alta.Las estructuras de contacto compactas son de por s estables y se afectan ligeramente por los choques y vibraciones, ambas estructuras son capaces de soportar cargas estticas sin grandes deformaciones.De acuerdo al grado de compacidad, las arenas se clasifican en:

Arena suelta

0 < Cr < 0.33

Arena Medianamente Compacta

0.33 < Cr < 0.66

Arena Compacta

0.66 < Cr < 1EJERCICIO 1.-Determinar el grado de compacidad relativa de una muestra de suelo, cuyo peso especfico real de los granos es igual a 2.65 gr/cm3. El peso del suelo seco suelto es 4289 gr y el peso del suelo seco compactado es 5050 gr. Las dimensiones del molde utilizado son 17.78 cm de altura y 15.115 cm de dimetro interior. El ndice de vacos en estado natural del suelo es 0.70. Datos:

Clculo del volumen: Clculo del ndice de vacos mximo Clculo del ndice de vacos mnimo

Clculo del grado de compacidad relativa

Por ser su compacidad relativa mayor al 50% y estar entre 0.66 y 1, la arena est compacta.

b) ESTRUCTURAS DE PANAL

Es posible en determinadas condiciones que los granos redondos no coherentes formen arcos imperfectos, lo que trae que la relacin de vacos exceda al mximo correspondiente a la estructura de contacto; esta estructura tiene una compacidad relativa negativa y se llama de panal (c).

La estructura de panal se produce cuando arenas extremadamente finas o partculas de LIMO no coherentes se sedimentan en aguas tranquilas, debido a su pequeo tamao se asientan lentamente y se acuan unas a otras sin rodar para alcanzar una posicin ms estable como lo hacen las partculas mayores. Esta estructura tambin se produce cuando se descarga arena fina hmeda en un relleno y no se compacta, este estado se llama algunas veces abultado.

La estructura en panal es capaz a veces de soportar cargas estticas con pequeas deformaciones, en forma similar a como lo hacen los arcos de piedra que soportan su carga sin deformacin, sin embargo, el choque y las vibraciones pueden producir su falla, en algunos casos esto produce solamente un rpido asentamiento, pero en otros produce una reaccin en cadena que convierte a toda la masa de suelo en un lquido pesado capaz de llenar una excavacin o tragarse un buldzer; estas estructuras son afortunadamente poco comunes y generalmente ocurren en lentes o bolsones de poca extensin debido a los riesgos que esto envuelve, el ingeniero, debe mirar con desconfianza todas las arenas muy finas y los limos depositados en agua hasta poder comprobar por la determinacin de la relacin de vacos que son estables.

5.2 MICROESTRUCTURA DE SUELOS COHESIVOSEn los suelos cohesivos la estructura la determinan principalmente los minerales arcillosos y las fuerzas que actan entre ellos. En las partculas de arcilla que se depositan en agua actan una serie de fuerzas complejas, algunas de las cuales, incluyendo las fuerzas de atraccin universal, la atraccin mutua de los cationes individuales de las cargas elctricas de cada grano y las cargas elctricas de los cationes adsorbidos, hacen que las partculas se atraigan o se repelen unas a otras.

Ambas fuerzas, las de atraccin y repulsin, aumentan aunque en diferente proporcin a medida en que la distancia entre partculas decrece en una suspensin diluida en que las partculas estn ampliamente separadas y se quedan en suspensin y se asientan muy lentamente mientras son rebotadas por la agitacin de las molculas de agua, esta agitacin se denomina MOVIMIENTO BROWNIANO, y el sistema se llama disperso.

La dispersin se puede aumentar aadiendo soluciones o materiales que aumenten las fuerzas de repulsin sin aumentar las de atraccin y en los ensayos de sedimentacin se utilizan agentes de dispersin como silicatos de sodio y el tetrafosfato de sodio, con el cual se asegura que las partculas no se unan individualmente sin dar un falso valor de su dimetro equivalente.

Cuando el espacio entre las partculas es extremadamente pequeo como en los suelos que tienen poca humedad, la atraccin excede a la repulsin y las partculas permanecen unidas en un slido o semislido coherente separados por capas de adsorcin, este efecto se puede producir en una suspensin diluida reduciendo las fuerzas repulsivas con la adicin de algn electrolito que neutralice parcialmente las cargas de las partculas y reduzca la fuerza de repulsin, de esta manera las partculas se atraen y se pegan formando un agrupamiento flojo y heterogneo que se denomina flculo.

a) ESTRUCTURAS DISPERSAS:

La disposicin estructural que forma un suelo disperso se muestra esquemticamente en la figura, la repulsin entre las partculas a medida que se acercan entre s, hacen que cada una se coloque a la distancia mxima de grano a grano en un volumen dado de suelo, la estructura que resulta se parece mucho a un muro de piedras planas colocadas unas encima de otras, los granos redondos se distribuyen en toda la masa produciendo alteraciones locales y que se apartan de la estructura llamada orientada o dispersa y es tpica de los suelos que son mezclados o reamasados como los glaciales o de suelos que estn hmedos al compactarse cuando se hace un relleno, o los que se forman por sedimentacin en presencia de agentes dispersantes; los suelos que tienen una estructura dispersa suelen ser densos e impermeables, y su relacin de vacos es inferior a 0.5.

Figura 5.2 Estructuras de Suelos Cohesivosb) ESTRUCTURAS FLOCULADAS:

La disposicin de las partculas en una estructura floculada se muestra en la figura, esta estructura se forma de una suspensin de suelo en agua que inicialmente es dispersa como la de los slidos en suspensin llevados por un ro, la introduccin sbita de un electrolito, como el agua salada provoca la floculacin al disminuir bruscamente la repulsin de partculas, las cuales caen unidas en un ordenamiento imprevisible, puede haber un contacto considerable entre las partculas, contacto entre las aristas de los minerales arcillosos cargados negativamente lo que produce una fuerte adherencia que resiste al desplazamiento, gran cantidad de agua libre queda atrapada en los grandes poros entre partculas adems del agua adsorbida inmovilizada en la arcilla.

Las estructuras floculadas son tpicas de las arcillas depositadas en agua, el grado de floculacin en agua depende del tipo y concentracin de las partculas de arcilla y el electrolito, los depsitos formados en el mar son frecuentemente floculados con ndice de poros tan altos como de 2 y 4, los depsitos de agua dulce suelen ser depositados parcialmente, floculados y hasta dispersos, en cambio los cidos orgnicos de plantas en descomposicin de las lagunas poco profundas y de pantanos pueden producir un alto grado de floculacin.

Los suelos floculados son de pesos ligeros y muy compresibles pero relativamente fuertes e insensibles a las vibraciones porque las partculas estn estrechamente unidas por la atraccin entre arista y cara.

Figura 5.3 Estructura floculada y dispersa de una arcillaUna caracterstica peculiar es su susceptibilidad al reamasado, si el suelo inalterado se mezcla ntimamente sin aadirle agua se vuelve blando y pegajoso como si se le hubiera aadido agua aunque de hecho se aada, pues al romperse la unin entre partculas, el agua que estaba atrapada entre ellas queda liberada para sumarse a las capas adsorbidas de los anteriores puntos de contacto, este ablandamiento que se produce al reamasarse se llama sensibilidad; los trabajos en arcillas floculadas son dificultosos porque los suelos se vuelven ms blandos cuando las mquinas trabajan y pueden convertirse en un mar de fango an en tiempo seco.Cuadro 5.1

c) GRADO DE SENSIBILIDAD (St):

Viene expresado por la relacin entre la resistencia a la compresin simple (Rc) de una muestra indeformada y la resistencia a la compresin (R'c) de la misma muestra despus de reamasada con contenido de humedad constante:

Los valores de St estn comprendidos entre 2 y 4 para la mayora de las arcillas pudiendo alcanzar valores de 8 para arcillas extrasensibles.

Segn Skempton, las arcillas se clasifican en: poco sensibles St < 1

baja sensibilidad 1 < St < 2

media sensibilidad 2 < St < 4

sensibles 4 < St < 8

extrasensibles St > 8

Las estructuras de los suelos cuanto ms complejas, son menos estables y una vez que han sido destruidas no pueden ser recompuestas.

5.3 MICROESTRUCTURAS COMPUESTAS

Las estructuras compuestas o cementadas consisten en un armazn de granos redondeados no cohesivos que se mantienen unidos por un agente cementante que los liga, se puede producir una gran variedad de estas estructuras de acuerdo con las cantidades relativas del agente cementante y los granos redondos, el tipo de agente cementante y el mtodo de deposicin.

Hay varios agentes cementantes, las arcillas que hayan sido muy comprimidas o secas, son duras y el carbonato de calcio son los ms abundantes, son fuertes pero se pueden debilitar por el agua, algunos xidos de hierro y slice coloidal producto de la meteorizacin de las rocas tambin se encuentran como agentes cementantes y son relativamente insensibles al ablandamiento por el agua.

Estructura matriz Unin por puntos Unin totalFigura 5.4 Estructuras compuestas de SuelosEn la estructura matriz, el volumen de los granos redondos es menor que el doble del volumen del agente cementante, de manera que los granos redondeados flotan en la masa del agente cementante, si el material cementante es arcilla, es meramente una forma de estructura cohesiva y las propiedades fsicas dependen del material cementante o de los granos redondeados, el que sea ms dbil.

Cuando el volumen de los granos redondeados es mayor de dos veces el del material cementante, se produce una estructura esqueltica que puede tener dos formas una de unin por puntos y otra de unin total, de acuerdo con la reparticin del material cementante.

La estructura de unin por puntos es relativamente rgida, resistente e incomprensible al choque y a la vibracin, siempre que el material cementante permanezca fuerte, cuando los poros son grandes y abiertos de manera que el agua pueda filtrarse, el material cementante (carbonato de calcio o arcilla) se puede ablandar, si la estructura de los granos es floja o panal, el suelo debilitado se romper como si fuera un suelo no cohesivo, en cambio si la estructura de los granos redondos es densa el material cementante ablandado se escurrir hasta los poros, lo que producir algn asentamiento y debilitamiento.

En la estructura de unin total los granos redondos se tocan unos a otros y el material cementante ocupa parte o todos los poros entre ellos, es rgido, incomprensible y no suele ablandarse con agua, este tipo de estructura depende del tipo de meteorizacin, alteracin y sedimentacin de las partculas. Las estructuras en puntos se forman cuando los granos redondeados se depositan primero y despus el material cementante.

5.4 MICROESTRUCTURAS DE DEPSITOS RESIDUALES

La influencia de la microestructura en las propiedades ingenieriles de los suelos residuales llamaron la atencin de Terzaghi (1958), al explicar el comportamiento de la arcilla usada en la construccin de la presa de SASAMUA en Kenya en la base de muchas de las arcillas, en este caso halloysita hidratada, que ocurren en agrupaciones duras de partculas cementada por xido de hierro.

Ms recientemente en un estudio de los suelos volcnicos de Tenerife , Gonzles Vallejo (1981) concluye similarmente que la estructura de las arcillas, es el ms importante factor para sus inusuales propiedades, en las cuales por supuesto juegan papel importante el medio ambiente geolgico y la composicin mineralgica.

Las identificadas agregaciones de partculas de arcillas se pueden clasificar en: Agrupaciones regulares.- Formadas por compactos y no cementados grupos de partculas con formas esferoidales compuesta en gran parte de mica. Agrupaciones de agregaciones entrelazadas.- Contienen gran abundancia de partculas orientadas de Halloysita. Agregacin de matriz arcillosa.- Est formada de una desordenada orientacin de estructuras compactas de minerales de montmorillonita. Agregacin Dolite.- Formada en un medio ambiente rico en xidos de hierro.

5.5 MACROESTRUCTURA O ESTRUCTURA

La estructura continua de los suelos y rocas naturales es fuertemente alterada por las condiciones locales para producir una macroestructura o estructura secundaria, que tiene como principal causa el continuo avance de la meteorizacin de los materiales cerca de la superficie del terreno, dos efectos son muy notables cuando los materiales del suelo se depositan en medios muy diferentes de aquellos en que se formaron o cuando ha habido cambios notables en le medio ambiente.

Los rasgos ms prominentes son las grietas causadas por la retraccin y expansin producidas por los cambios de humedad y qumicos, pues esto divide al suelo en bloques cuyas dimensiones varan de fracciones de centmetro a medio metro. Esta macroestructura se llama prismtica en bloques o columnas, una segunda forma de agrupacin en la cual grupos de granos se acumulan debido a la refloculacin causada por cidos orgnicos, se denomina desmoronada, una tercera forma, es la cementacin localizada de porciones de suelo y roca porosa o fracturada debido a la concentracin de cidos hmicos, al carbonato de calcio o los xidos de hierro que forman estructuras modulares o concrecionados, los suelos con marcada macroestructura se distinguen por tener zonas duras y zonas dbiles y por patrones de colores y textura que reflejan la discontinuidad.

Figura 5.5

6.1 INTRODUCCIN

Elementos Constitutivos de un suelo

El suelo es un material conformado por un conjunto de partculas que dejan entre s vacos que pueden estar parcial o totalmente llenos de agua, es pues un sistema disperso formado por tres fases: slida, lquida y gaseosa.

Figura 6.1 Elementos Constitutivos de un sueloComo hemos establecido el agua se presenta en diferentes estados en el suelo por esto es de gran inters establecer una distincin de los mismos.

El agua contenida en los suelos se puede clasificar de la siguiente manera: Agua de Constitucin: hace parte de la estructura no molecular de las partculas slidas. Agua Adsorbida: agua que envuelve y se adhiere a las partculas slidas. Agua Higroscpica: agua que todava se encuentra en los suelos secos al aire libre. Agua Capilar: agua que en los suelos de grano fino sube por los intersticios capilares. Agua Libre: agua que se encuentra en una determinada zona del terreno llenando todos los vacos. Figura 6.2Si se toma una muestra de suelo con un volumen conocido y por algn mtodo fsico separamos las diferentes fases y las colocamos en un recipiente con igual volumen, vamos a obtener el resultado que se indica en la figura; en la cual podemos apreciar claramente las diferentes relaciones entre volmenes y pesos que se describen a continuacin.

Figura 6.3 Relaciones entre volmenes y pesos en el suelo

Contenido de Humedad (%h)

Es la relacin entre el peso del agua y el peso del suelo seco contenida en cierto volumen.

Para su determinacin se debe obtener el peso de la muestra al natural, luego el peso de la muestra seca (secar en horno a 110 hasta que no exista variacin de peso); la diferencia de los pesos nos da el peso del agua que dividida para el peso del suelo seco y por cien nos permite determinar el porcentaje de humedad de cualquier muestra de suelo.Peso Especfico Real (g)Relacin entre el peso de los slidos y el volumen de los slidos.

Peso Especfico Aparente Hmedo (h)Relacin entre el peso total y el volumen total de la muestra

Peso Especfico Aparente Seco (ys)Relacin entre el peso de los slidos y el volumen total de la muestra

Gravedad Especfica (Gs)Relacin entre el peso especfico de los granos (real) y el peso especfico del agua.

Es adimensional.

ndice de Vacos (c)Relacin que existe entre el volumen de vacos y el volumen de los slidos.

En el laboratorio su determinacin se realiza en funcin del peso especfico de los granos

y el peso especfico aparente seco.

Dividiendo ambos trminos por Ps:

Grado de Compacidad (Gc)El estado natural de un suelo no cohesivo (arena) se define por el grado de compacidad.

ndices de vacos en los estados ms denso, ms suelto y natural

v=volumen del recipienteg=peso especifico de los granos

Ps=peso del suelo sueltoPs=peso del suelo seco compactado

En el laboratorio emax es obtenido vertiendo el material seco en un recipiente de volumen conocido y emin se obtiene compactando el material por vibracin dentro del mismo recipiente usado.Segn el grado de compacidad se pueden clasificar a las arenas de la siguiente manera: Arena sueltas

0 < Gc < 1/3

Arenas Medianamente Compactadas 1/3 < Gc < 2/3

Arenas Compactadas

2/3 < Gc < 1En funcin de los pesos especficos, el grado de compacidad se puede expresar as:

Las incgnitas son los pesos especficos en los estados ms denso, ms suelto y natural.Porosidad de un Suelo (n)Es la relacin entre el volumen de vacos y el volumen total de una muestra de suelo

Se puede determinar la porosidad de un suelo en funcin de sus ndices de vacos:

Grado de Saturacin de un Suelo (S)Es el porcentaje de agua contenida en los vacos de una muestra de suelo.

Grado de Aireacin de un Suelo (A)Es el porcentaje de aire contenido en los vacos de una muestra de suelo.

Relacin entre la Saturacin y la Aireacin de un suelo (A)

El grado de saturacin de un suelo se puede calcular en trminos de la gravedad especfica y la porosidad:

Diversas Relaciones Volumtricas:

Peso Especfico de un Suelo Saturado (sat)Es el peso especfico de un suelo cuando todos los vacos se encuentran llenos de agua, S = 1

En funcin de la porosidad:

Para suelo seco, S = 0

Valor mnimoPeso Especfico de un Suelo Sumergido (sum)Cuando el suelo est sumergido las partculas slidas sufren un empuje del agua, entonces:

Tambin podemos tener:

La distincin entre suelo sumergido y suelo saturado puede ser observada objetivamente y se puede notar que un suelo sumergido es saturado. Figura 6.4 Distincin entre Suelo Sumergido y Suelo SaturadoEJERCICIOS1.- Una muestra de arcilla muy dura tiene en estado natural un peso de 129,1 gr. y un volumen de 56,4cm. Una vez secada a estufa su peso se reduce a 121.5gr, si el peso especfico de sus elementos slidos es de 2,7gr/cm, cul ser el contenido de humedad, relacin de vacos y grado de saturacin?

PaVsVv%henS

7.64511.46.250.250.200.67

2.- Una muestra de arcilla saturada pesa 1526 gr. en su estado natural y 1053 gr. despus de secada. Determinar el contenido de humedad si el peso especfico absoluto de los elementos slidos es de 2,7 gr/cm y el volumen total de la muestra es 1200cm , Cul es la relacin de vacos y la porosidad?

PaVsVv%hen

47339081044.92.070.67

3.- Una muestra de suelo pesa 22 Kg. Y su volumen total es de 12.2 lts. Tiene una gravedad especfica de 2.67. Adems se determino de una pequea muestra el peso hmedo igual a 70 gr. y el peso seco igual a 58 gr. Se pide calcular el % h, Ps, Pa, Vs, Ss, e, n, S, A, (h, (s, (sat, y el peso aparente sumergido.

Definido los tres pesos podemos determinar:

% h :% h = (Pa/ Ps)* 100

% h = (12 gr. / 58 gr.) * 100

% h = 20.68 %

Ps :Ps = Pt / (1 + h )

Ps = 22000 gr./ (1 + 0.21 )

Ps = 18181.81 gr.

Pa :Pa = Pt - Ps

Pa = 22000 18181

Pa = 3818 gr.

Vs:Vs = Ps / (g

Vs = 18181 / 2.67

Vs = 6809 cm3.

Vv :Vv = Vt Vs

Vv = 12200 6809

Vv = 5391 cm3.

e : e = Vv / Vs

e = 5390 / 6809

e = 0.79

n :n = (Vv / Vt) * 100

n = (5390 / 12200) * 100

n = 44.18 %

S :S = Va / Vv

S = 3818 / 5390

S = 0.70

A :A = Vaire / Vv

A = 1572 / 5390

A = 0.29

(h :(h = Pt / Vt

(h = 22000 / 12200

(h = 1.8 gr/cm3.

S: (S = (h / (1 + h)

(S = 1.8 / (1 + 0.21)

(S = 1.48 gr/cm3.

sat :Pt = Ps + Pa

Pt = 18181 + 5390

Pt = 23571 gr.

Todos los vacos estn llenos de agua.(sat = Pt / Vt

(sat = 23571 / 12200

(sat = 1.93 gr / cm3.

Otras frmulas para calcular (sat son :

(sat = [ (Gs + e) / (1 + e) ] * (g

(sat = [( 2.67 + 0.79) / (1 + 0.79 ) ] * 1

(sat = 1.93 gr/cm3.

(sat = [Gs ( 1 n) + n] * (a (sat = [ 2.67 (1 0.44) + 0.44] * 1 (sat = 1.93 gr / cm3.

Finalmente obtenemos :

sum : (sum = (sat - 1

(sum = 1.93 1

(sum = 0.93 gr /cm3.

El resultado entonces es:

4.-Una muestra de arcilla saturada tiene un volumen de 162 cm3. y pesa 290 gr. Siendo Gs = 2.79 se pide determinar el e, n, % h, y (sat.

DATOS:

Vt = 162 cm3.

Pt = 290 gr.

Gs = 2.79

S = 1

Todos los vacos estn llenos de agua.

e :(h = [(Gs + S*e) / (1 + e) ] * (a

Pt / Vt = [(2.79 + 1*e) / (1 + e)] * 1

290 / 162 = (2.79 + e) / (1+ e)

128 e = 161.98

e = 1.27

n :n = e / (1+ e)

n = 1.27 / ( 1 + 1.27)

n = 0.56

h:S = (h * Gs) / e

h = (S* e) / Gs

h = ( 1* 1.27) / 2.79

h = 0.45

(sat: (sat = [(Gs + e) / (1+ e)]* (a

(sat = [(2.79 + 1.27) / (1+ 0.45)] * 1

(sat = 1.79 gr/cm3.

A partir de estos datos encontrados se puede determinar ms informacin como:

(sum: (sum = (sat - 1

(sum = 1.79 1

(sum= 0.79 gr/cm3.

Ps: Ps = Pt / (1 + % h)

Ps = 290 / (1 + 1.27)

Ps = 200 gr.

Pa: Pa = Pt Ps

Pa = 290 200

Pa = 90 gr.

Vv:Vv = Pa

Vv = 90 cm3.

Por encontrarse saturadoVs:Vt = Vs + Vv

Vs = Vt Vv

Vs = 162 90

Vs = 72 cm3.

7.1 GENERALIDADESLa experiencia mostr que para los suelos en cuya textura hay cierto porcentaje de fraccin fina, no basta el anlisis granulomtrico para caracterizarlos y clasificarlos, pues sus propiedades plsticas dependen del contenido de humedad, de la forma de sus partculas y de su composicin qumica y mineralgica.

La consistencia en este caso generalmente, es concebida como la propiedad de los suelos, que consiste en la menor o mayor capacidad de ser moldeados bajo ciertas condiciones de humedad sin variacin de volumen, siendo sta una de las propiedades ms importantes de las arcillas.Siendo el contenido de humedad de un suelo muy elevado, ste se presenta como un fluido denso y se dice que est en estado lquido, a medida que se evapora el agua, el suelo se endurece y para un cierto h = LL (lmite lquido) pierde su capacidad de fluir, pero puede ser moldeado fcilmente y conservar su forma, el suelo se encuentra entonces en estado plstico, al continuar la prdida de humedad el estado plstico desaparece hasta que h = LP (lmite plstico) el suelo se desmenuza al ser trabajado y ste es entonces el estado semislido, el suelo adquiere mayor solidez y va contrayndose hasta que llega el momento en que ste cesa, no obstante, contina el proceso de contraccin, es el que se denomina h = LC (lmite de contraccin), su valor como en los anteriores est dado por el contenido de humedad.

Figura 7.1 Limites de consistencia

7.2 DETERMINACIN DEL LMITE LQUIDO: LL

a) Mtodo de Casagrande:

La determinacin de este lmite se hace utilizando el aparato de Casagrande (Figura 7.2), que consiste en un plato de latn en forma de concha que descansa sobre un soporte de caucho duro, por medio de una manivela excntrica se imprime al plato repetidas cadas de altura 1 cm., e intensidad constante.

Figura 7.2 Aparato de Casagrande

Con los valores obtenidos (nmero de golpes) hasta que los valores del surco de la muestra se cierre y las humedades correspondientes a cada ensayo, se traza la lnea de escurrimiento del material.La unin de estos puntos en el intervalo de 6 35 golpes puede considerarse como una recta, se recomienda la determinacin de por lo menos 6 puntos.

Por definicin del lmite lquido de un suelo, ste es el contenido de humedad para el cual el surco se cierra, en una extensin de 1 cm con 25 golpes.

Figura 7.3

b) Mtodo de un solo punto:De acuerdo con estudios del BPR (Bureau of Public Roads) el lmite lquido LL puede tambin determinarse conociendo un solo punto por medio de la frmula:

h = humedad obtenida en el ensayon = nmero de golpes.

El empleo de esta frmula se facilita tabulndose el denominador para diferentes valores de n.

La resistencia que el suelo ofrece al cerramiento del surco medido por el nmero de golpes requerido, proviene de su resistencia al cizallamiento o corte correspondiente a la humedad que presenta.c) Mtodo del Penetrmetro de Cono:El penetrmetro (figura 02) esencialmente es el aparato que se usa en esta prueba, se basa en la medicin de la penetracin de un cono estndar dentro de una muestra de suelo y es medida segn una variedad en el contenido de humedad que corresponde a una penetracin de 20 mm., la que se toma como lmite lquido del suelo.

Figura 7.4 El Pentrometro

Para realizar el ensayo se deja caer el cono de modo que toque ligeramente y marque la superficie de la muestra, debiendo tomarse nota de la lectura que marca el dial del medidor, se suelta el cono para que pueda penetrar en la superficie del suelo por cinco segundos, tiempo al cual se toma una segunda lectura de la marca que aparece en el dial. La diferencia entre la lectura inicial y la lectura que marque luego de la penetracin por cinco segundos, se considera como la penetracin de cono.

Se retira el cono y se limpia con todo cuidado, mientras se repite la prueba se debe ir aumentando pasta de suelo al molde. Si la diferencia entre las dos penetraciones registradas fuere menor de 0.5 mm, se registrar la penetracin promedio. En caso de que la diferencia sea entre 0.5 mm y 1.00 mm, se llevar a cabo una tercera prueba, siempre que la diferencia total no sea mayor de 1.00 mm, debiendo tomarse la cifra que signifique el promedio de las tres penetraciones. Si la diferencia de la penetracin es mayor de 1.00 mm, las pruebas se rechazan por inconsistentes, debiendo repetirse enteramente todo el proceso.

La prueba se repite a diversas mezclas con diferentes contenidos de humedad a fin de determinar la penetracin existente y el contenido de humedad. Se requiere al menos de cuatro resultados de pruebas y las penetraciones debera estar dentro de un alcance de 55 a 25 mm.

Luego se debe preparar un grfico de la penetracin del cono versus el contenido de humedad (ambas a escala lineal) lo que dar por resultado una lnea recta. El lmite lquido ser el contenido de humedad en el cual el cono estndar penetra por lo menos 20 mm dentro de la pasta del suelo. La hoja de datos ilustra los resultados tpicos del experimento.

Penetracin (mm)%h

15.6332.50

17.2539.00

20.5152.30

22.3661.20

Figura 7.5 Obtencin del LL mediante el mtodo del Pentrometro

7.3 LMITE DE PLASTICIDAD: LP

Es determinado por el clculo del porcentaje de humedad para el cual el suelo se comienza a fracturar, cuando se intenta amoldar un cilindro de 5 mm de dimetro por 10 cm de largo. No ha sido posible todava mecanizar satisfactoriamente este ensayo.

7.3.1 ndice Plstico: IP

Se denomina as a la diferencia que existe entre los lmites lquido y plstico.

Este ndice define la zona en que el terreno se halla en estado plstico y por ser mximo para las arcillas y mnimo o mejor nulo para las arenas nos proporciona un criterio para juzgar el carcter arcilloso de un suelo, as cuando mayor es el ndice plstico, tanto ms arcilloso ser el suelo.

Cuando un material no tiene plasticidad (arena por ejemplo) se considera el ndice plstico nulo IP = NP, o sea, es un suelo no plstico.

En los suelos arenosos que contengan un pequeo porcentaje de materia orgnica se eleva el valor de LP sin elevar simultneamente el LL, tales suelos presentan bajos valores de IP.

Se sabe todava ms que las arcillas son tanto ms compresibles cuanto mayor es el IP, segn Jenkings los suelos pueden ser clasificados en :

Poco plsticos

1 < IP < 7

Medianamente plsticos

7 < IP < 15

Altamente plsticos

IP > 15

7.3.2 Grficos de PlasticidadSegn sus caractersticas y propiedades fsicas ms importantes, los suelos finos pueden ser divididos en 8 grupos:

Alta plasticidad

Arcillas inorgnicas

Media plasticidad

Baja plasticidad

Alta compresibilidad

Suelos limosos inorgnicosMedia compresibilidad

Baja compresibilidad

Arcillas orgnicas

Limos orgnicos

Figura 7.6 Corte de Plasticidad

La clasificacin de un suelo dentro de uno de estos grupos puede ser hecha de manera muy simple por medio del grfico de plasticidad.

El grfico est dividido en 6 regiones, tres de ellas (la de arcillas inorgnicas) encima de la lnea A y las otras (de limos inorgnicos) abajo, el grupo al cual pertenece un suelo dado es determinado por el nombre de la regin que contiene el punto de valores LL e IP del suelo en cuestin.

7.4 NDICE DE CONSISTENCIA: Ic

La consistencia de un suelo en su estado natural con un contenido de humedad h, se expresa numricamente por la relacin:

Ic = ndice de consistencia

LL = Lmite lquido

h = Contenido de humedad naturalIP =ndice plstico

Segn este valor las arcillas se clasifican en:

Muy fluido

Ic < 0

Fluido

0 < Ic < 0.5

Medio plstico

0.5 < Ic < 0.75

Rgido

0.75 < Ic < 1.0

Duras

Ic > 1.0

EJERCICIO

1.- Dados los siguientes datos de laboratorio para la determinacin de la humedad natural, lmite lquido y lmite plstico de una muestra de arcilla, se pide determinar la consistencia de la arcilla.

% hPh (gr)7.785.04

Ps (gr)6.084.31

LLNo. de golpes13202936

Ph2.802.222.302.66

Ps2.211.751.822.12

LPPh0.650.650.39

Ps0.560.570.34

SolucinPa = Ph Ps%h = (Pa / Ps)*100

Contenido de Humedad

Muestra12

Ph (gr)7.785.04

Ps (gr)6.684.31

Pa (gr)1.100.73

h (%)16.4716.94

h (%)16.7

Lmite Lquido

Muestra1234

Ph (gr)2.802.222.302.66

Ps (gr)2.211.751.822.12

Pa (gr)0.590.470.480.54

h %26.7026.8626.3725.47

No. de golpes13202936

La determinacin del lmite lquido se la hace en la grfica nmero de golpes vs. contenido de humedad, as:

El valor resultante a los 25 golpes es 26.44%.

Para determinar los valores de lmite lquido y el lmite plstico, se considera el valor entero ms cercano al contenido de humedad resultante, por lo tanto:

LL = 26

Lmite Plstico

Muestra123

Ph (gr)0.650.650.39

Ps (gr)0.560.570.34

Pa (gr)0.090.080.05

h (%)16.0714.0414.71

h (%)14.94

Por lo tanto,

LP = 15

IP = LL LP

IP = 26 15

IP = 11

Por ltimo calculamos el ndice de consistencia Ic de esta arcilla:

Ic = (26 16.7)/11

Ic = 9.3/11

Ic = 0.845 ste es un suelo rgido.7.4.1 Consistencia, Forma de los Granos, Composicin Mineralgica:

Un polvo de cuarzo cuyos granos tengan el mismo dimetro de los granos de arcilla no presentan consistencia debido a la forma redondeada de los granos de cuarzo, el arreglo de los granos no puede ser cambiado a fin de amoldar el suelo a no ser que los granos rueden unos sobre otros, para que esto suceda es necesario variar el volumen de vacos entonces las deformaciones dejan de ser plsticas.

Por otro lado las arcillas tienen granos laminares que pueden deslizarse unos sobre otros sin alterar el volumen de vacos, de all que es posible la mudanza de una masa arcillosa sin alterar su volumen.

La forma de los granos depende a su vez de la estructura cristalina de los minerales que lo forman y sta de la composicin mineralgica, as la consistencia de un suelo est directamente relacionada a la composicin mineralgica del mismo.

La tabla que mostramos a continuacin muestra la variacin de la consistencia segn la predominancia de determinado mineral

7.5 LMITE DE CONTRACCIN: LC

Se define como Lc al contenido de humedad a partir del cual el suelo no se contrae ms, no obstante de continuar perdiendo de peso, esta consideracin se realiza teniendo en cuenta que el ndice de vacos de la muestra, que est complementa seca, es el mismo que tena la muestra cuando se encontraba saturada.

Figura 7.77.5.1 Determinacin del LC:1) Considerando las ecuacines ya deducidas para un suelo saturado:

e = h . Gs

Y haciendo en la primera h = LC y en la segunda h = 0

e = LC . Gs

Igualando los valores de e tendremos:

Donde:

2) Otro modo de calcular el LC recurre de la observacin de la siguiente figura:

Figura 7.8

V1 = volumen de la cpsula

V2 = volumen de la pastilla

De donde se obtienen de la propia definicin de contenido de humedad

El ensayo es muy simple se amolda en una cpsula una muestra, con un alto contenido de humedad se seca en una estufa y se determina el contenido de humedad de la muestra contrada.

Figura 7.9

Para medir Vs (volumen del suelo seco) se emplea el mtodo de desplazamiento del mercurio, el cual es recogido en una cpsula y medida en una probeta graduada

7.6 GRADO DE CONTRACCIN: CSe define as a la relacin entre la diferencia de los volmenes inicial Vi y volumen final Vf despus del secado de la muestra, para el volumen inicial expresado en porcentaje.

Como la compresibilidad de un suelo crece con el grado de contraccin este ndice nos provee una indicacin de calidad de suelo, por ejemplo:

Suelo bueno

C < 5%

Suelo regular 5%< C < 10 %

Sufribles

10%< C < 15 %

Suelos psimos

C > 15 %7.7 OTROS NDICES

Se definen, aunque sean poco usados, los siguientes ndices:a) HUMEDAD EQUIVALENTE CENTRFUGA: Contenido de humedad final de una masa de suelo saturada despus de ser sometida a una aceleracin centrfuga con intensidad 100 veces la de la gravedad.b) HUMEDAD EQUIVALENTE DE CAMPO: Contenido de humedad de un suelo para el cual ya no permite la adsorcin en 30 segundos de una gota de agua colocada en su superficie previamente alisada.c) NDICE DE CONTRACCIN: Se calcula mediante la siguiente ecuacin:

IC = IP LC

Donde :

IC = ndice de contraccin

IP = ndice plstico

LC = lmite de contraccin

d) RAZN DE CONTRACCIN: Se calcula mediante la siguiente ecuacin:

Donde:

Rc = razn de contraccin.

mo = masa del espcimen de suelo secado al horno en gramos.

Vo = volumen del espcimen de suelo secado al horno en cm3.

e) CONTRACCIN VOLUMTRICA: Se calcula mediante la siguiente ecuacin:

Donde:

Cv =contraccin volumtrica.

h = contenido de agua, en %.

Lc = lmite de contraccin en porcentaje

Rc = razn de contraccin

f) CONTRACCIN LINEAL: Se calcula mediante la siguiente ecuacin:

Donde:

Cl = contraccin lineal

Cv= contraccin volumtrica

7.8 IMPORTANCIA DE LOS LMITES DE CONSISTENCIA

El lmite lquido nos puede dar una idea de si el suelo debe considerarse como orgnico o inorgnico, debe procederse a determinar el lmite lquido en dos muestras: una en estado natural y otra desecada previamente en la estufa a 110C hasta peso constante.

Si ambos lmites lquidos son aproximadamente iguales, el suelo es totalmente inorgnico. En caso de que la muestra desecada tenga un h1 un 30% menor, el suelo es claramente orgnico (excepto en los casos residuales que no siguen la Carta de Plasticidad de Casagrande).

Los lmites de consistencia son en la actualidad uno de los ensayos que ms se practica en los laboratorios de Mecnica de Suelos, dado que gracias a la experiencia acumulada en muchas miles de determinaciones, es suficiente conocer sus valores para poderse dar una idea bastante clara del tipo de suelo y sus propiedades.

Adems, estos lmites de consistencia dan una base para clasificar suelos de grano fino de acuerdo con sus caractersticas de plasticidad