mecanica de suelos temas 3 y 4

8/19/2019 Mecanica de Suelos Temas 3 y 4

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UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL “LISANDRO ALVARADO”

DECANATO DE INGENIERÍA CIVIL

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA VIAL

CÁTEDRA DE MECÁNICA DE SUELOS

EL SUELO Y SUSPROPIEDADES

BÁSICASGUÍA DE LOS TEMAS 3 Y 4

MILA SÁNCHEZ 01/11/2011


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1

Tabla de contenido

INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................................... 3

EL SUELO Y SUS PROPIEDADES BÁSICAS .................................................................................................... 4

MAPA CONCEPTUAL ............................................................................................................................... 4OBJETIVOS .............................................................................................................................................. 5

Objetivo terminal ............................................................................................................................... 5

Objetivos específicos .......................................................................................................................... 5

EL SUELO................................................................................................................................................. 5

ESTRUCTURA DEL SUELO ........................................................................................................................ 5

Elementos constituyentes de la estructura del suelo ........................................................................ 5

Fase sólida. ......................................................................................................................................... 5

Fase líquida. ........................................................................................................................................ 6

Fase gaseosa. ...................................................................................................................................... 6

Relaciones gravimétricas y volumétricas de los suelos .......................................................................... 6

Relaciones de peso. ............................................................................................................................ 6

Relaciones de volumen. .................................................................................................................... 7

Relaciones de peso y volumen. ........................................................................................................ 8

Ejercicio. ........................................................................................................................................... 10

Ejercicio. ........................................................................................................................................... 11

PROPIEDADES BÁSICAS DEL SUELO ...................................................................................................... 15

Propiedades Físicas: ........................................................................................................................ 15

Propiedades Índice: ........................................................................................................................ 15

Propiedades Mecánicas: ................................................................................................................ 15

PROPIEDADES ÍNDICE ........................................................................................................................... 15

Granulometría .................................................................................................................................. 15

Plasticidad de los suelos ................................................................................................................. 16

Consistencia de los suelos cohesivos. .............................................................................................. 17

Estados de consistencia.................................................................................................................... 19

Límites de consistencia o de Atterberg. ........................................................................................... 20

Ejercicio. ........................................................................................................................................... 21

Índices de consistencia. .................................................................................................................... 21


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2

Índice de plasticidad. ........................................................................................................................ 21

Índice de consistencia. ..................................................................................................................... 22

Índice de liquidez. ............................................................................................................................ 22

Índice de retracción. ......................................................................................................................... 23

Índice de actividad de la arcilla. ....................................................................................................... 23

Ejercicio. ........................................................................................................................................... 23

CLASIFICACIÓN DE SUELOS .................................................................................................................. 24

Sistema AASHTO ............................................................................................................................... 25

Ejercicio. ........................................................................................................................................... 26

Ejercicio. ........................................................................................................................................... 29

Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) ....................................................................... 29

Ejercicio. ........................................................................................................................................... 35

ACTIVIDADES DE AUTOEVALUACIÓN ....................................................................................................... 37

Actividad N° 1 ....................................................................................................................................... 37

Actividad n° 2 ....................................................................................................................................... 37

Actividad N° 3 ....................................................................................................................................... 39

Actividad N° 4 ....................................................................................................................................... 39

Actividad N° 5 ....................................................................................................................................... 40

RESPUESTA A LAS ACTIVIDADES DE AUTOEVALUACIÓN .......................................................................... 41

Actividad N° 1 ....................................................................................................................................... 41

Actividad N° 2 ....................................................................................................................................... 41

Actividad N° 3 ....................................................................................................................................... 43

Actividad N° 4 ....................................................................................................................................... 44

Actividad N° 5 ....................................................................................................................................... 46

BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................................... 47


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INTRODUCCIÓN

La Mecánica de suelos es la rama de la ingeniería que estudia el comportamiento físico de

los suelos por medio de sus características índices y de sus propiedades mecánicas ehidráulicas. Características índices tales como contenido de humedad, relación de vacíos, porosidad, grado de saturación, pesos volumétricos, límites de consistencia y consistencianatural entre otras. Propiedades mecánicas como la compresibilidad, deformabilidad yresistencia al esfuerzo cortante. Propiedades hidráulicas como la permeabilidad.

El conocimiento de las características índices y de las propiedades hidráulicas y mecánicasde los suelos permite estudiar problemas de estabilidad de excavaciones, túneles yterraplenes, empujes de tierra, capacidad de carga, asentamientos y desplazamientos,filtraciones, presiones hidrodinámicas, estabilidad de taludes, consolidación, relacionesesfuerzo-deformación-tiempo. Por tanto, su dominio resulta primordial para el ingeniero

civil.

Este módulo comprende el estudio de las propiedades y características básicas del suelo, ytiene como principal objetivo brindar al estudiante de Ingeniería Civil, este conocimiento básico yfundamental.


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UNIDAD I

EL SUELO Y SUS PROPIEDADES BÁSICAS

MAPA CONCEPTUAL

EL SUELO

FASESRELACIONES

GRAVIMETRICASY VOLUMETRICAS

PROPIEDADES

ÍNDICE FÍSICAS MECÁNICAS

GRANULOMETRIAPLASTICIDAD:

LIMITES E INDICESDE CONSISTENCIA

CLASIFICACION DEL SUELO

S.UC.S.

AASHTO


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OBJETIVOS

Objetivo terminal

Conocer las características generales del suelo, sus principales constituyentes y

propiedades.

Objetivos específicos

Estudiar las fases constituyentes del suelo.Estudiar las propiedades del suelo.

Estudiar las características de plasticidad del suelo. Conocer y aplicar los diferentes sistemas de clasificación del suelo.

EL SUELO

Es todo depósito de partículas minerales y orgánicas disgregadas pero íntimamente

relacionadas entre sí, que presentan diferentes grados de cohesión y fuerzas intermoleculares que lasmantienen vinculadas.

ESTRUCTURA DEL SUELO

Es la que produce una respuesta a los cambios exteriores como cargas, agua y temperaturaentre otros.

Elementos constituyentes de la estructura del suelo

Los suelos están formados por muchos materiales diferentes que pueden encontrarse en lastres fases de la materia, es decir, los componentes del suelo son: materia sólida, líquido y

gas.

Fase sólida.

Conforman el esqueleto estructural del suelo, y es la que determina en sumayor parte el comportamiento ingenieril del suelo. Está constituida por minerales, por los productos de la meteorización de las rocas y por productos orgánicos.

Minerales.

Uno de los principales constituyentes del suelo es el sílice, el cual se presenta endos formas: cristalina (cuarzo) y amorfa (pedernal, sílex y calcedonia). Otros de losminerales que más comúnmente se encuentran en el suelo son los feldespatos, mica

(moscovita y biotita), ferromagnesianos, óxidos de hierro, carbonatos minerales (calcita ydolomita).

Productos de la meteorización de las rocas.

Son los fragmentos de roca producidos por la meteorización mecánica o química. La primera llamadatambién desintegración, reduce la roca a fragmentos cada vez más pequeños, pero siguen conservandosu composición mineralógica original. La meteorización química o descomposición produce alteraciónquímica de los minerales de las rocas, para formar nuevos minerales que generalmente tienen


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propiedades físicas y químicas completamente diferentes a los que les dieron origen. Se puedenencontrar silicatos complejos de aluminio, carbonatos de sodio, sílice y minerales arcillosos como productos de la descomposición de feldespatos; las micas forman minerales arcillosos, carbonatos, sílicey óxidos de hierro (cuando la mica tiene este mineral); los minerales ferromagnesianos forman óxidos ehidróxido s de hierro y minerales arcillosos. Los carbonatos minerales, calcita y dolomita se meteorizan

por solución.

Partículas orgánicas.

Se originan por la descomposición de materia orgánica vegetal y animal. Se conoce muy poco acerca delos compuestos orgánicos del suelo. Existen suelos formados totalmente por partículas orgánicas comolas turbas y hay otros que contienen una mezcla de partículas orgánicas e inorgánicas, como es el casode los limo s y arcillas orgánicas.

Fase líquida.

El líquido que se encuentra en el suelo básicamente es agua; aunque en algunos casos se encuentransales disueltas en ella.

El agua se presenta en el suelo de varias formas: agua libre, agua capilar yagua adsorbida.

Fase gaseosa.

Por lo general el gas presente en el suelo es aire, pero hay ocasiones en que se puede encontrar metano proveniente de la descomposición de materia orgánica.

RELACIONES GRAVIMÉTRICAS Y VOLUMÉTRICAS DE LOS SUELOS

Las fases del suelo se pueden representar gráficamente tal como se indica en la figura 1.

Las relaciones entre los pesos y volúmenes de las diferentes fases señaladas en la figura 1, son

importantes porque ayudan a definir condiciones del suelo o su comportamiento físico. El ingenierodebe comprender antes que nada y de una manera clara las definiciones y términos que se asignan aestas relaciones para poder lograr un conocimiento cabal de las propiedades de los suelos y las rocas.

Figura 1. Diagrama de fases del suelo.

Relaciones de peso.

El peso de los sólidos se designa como Ws , el peso del agua como Ww y el peso del aire como Wa, éste

último no se toma en cuenta por ser insignificante con lo que Wa aproximadamente 0. El peso de la

masa de suelo es Wt, y es la suma de peso de los sólidos y el peso del agua:


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Wt=Ws+Ww

Contenido de humedad (ω).

Es la relación entre el peso del agua y el peso de los sólidos. Se expresa en porcentaje.

ω=

x 100

Físicamente representa la cantidad de agua contenida en el suelo.

Relaciones de volumen.

El volumen de los sólidos se designa como Vs, el volumen que ocupa el agua es Vw y el volumenocupado por el aire es Va. El volumen de la masa de suelo es Vt, e incluye los volúmenes sólidos, aguay aire:

Wt=Vs+Vw+Va

A los espacios entre las partículas sólidas que están ocupados por el aire y el agua se les llama poros ovacíos, y su volumen se designa por Vv:

Vv=Vw+Va

Relación de vacíos (e).

Es la razón entre el volumen de vacíos y el volumen de los sólidos.

e =

Es un valor adimensional que siempre se expresa como un número decimal. Tiene unavariación teórica entre O y co. En la práctica los valores menores están alrededor de 0,25 y0,30 para arenas muy compactas y los mayores valores encontrados están alrededor de 15 para arcillas lacustres.

Porosidad (n).

Es la relación entre el volumen de vacíos y el volumen de la muestra.

n=

x 100

Esta relación a menudo se expresa en porcentaje, pero en los cálculos de ingeniería se usa

como un decimal

Saturación (S).

Es la relación entre el volumen de agua contenido en la muestra y el volumen de vacíos de la muestra.

S=

x 100

Esta relación se expresa en porcentaje, pero en los cálculos de ingeniería se usa como un decimal.


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Un suelo con grado de saturación cero está totalmente seco, un suelo con grado de saturación igual a 100se dice saturado y un suelo con grado de saturación intermedio corresponde a un suelo húmedo o parcialmente saturado.

Relaciones de peso y volumen.

Son los diferentes pesos unitarios y gravedades específicas.

Peso unitario del suelo (γ).

Es la relación entre el peso de la masa de suelo y el volumen que ella ocupa:

γ=

=

Peso unitario saturado (γsat)

Es un caso específico del peso unitario del suelo, cuando éste está totalmente saturado

γsat=

=

Para S= 100%

Peso unitario seco ( γd)

Es el peso unitario del suelo cuando no hay agua en la muestra.

γd=

=

Para S = 0%

Peso unitario de los sólidos ( γs)

Definen el peso de los sólidos en relación al volumen que ocupan.

γs=

=

Peso unitario aparente o sumergido (γ´)

Representa el peso unitario del suelo cuando está sumergido en agua. Se calcula como el peso del suelomenos el peso de agua que desplaza por unidad de volumen.

γ´=.γ

=

-

γw = γsat - γw =

Gravedad especifica del suelo (G).

Define la relación del peso unitario del suelo con el peso unitario del agua. Es un valor adimensional.

G =

Gravedad especifica de los sólidos del suelo (Gs)

Es la relación entre el peso de los sólidos y el peso de un volumen de agua igual al que los sólidos estánocupando:


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Gs=

.γ =

Los valores típicos de Gs para los sólidos del suelo está entre 2,60 y 2,75.

Densidad relativa (Dr).

Es la comparación entre la relación de vacíos en condición natural de un suelo y las relaciones de vacíode ese mismo suelo en sus estados más compacto y más suelto posible, se expresa en porcentaje:

Dr =

.γ x 100

Es una propiedad muy importante en suelos granulares pues mide su compacidad.

En mecánica de suelos resulta de mucha utilidad obtener relaciones para algunas de sus propiedades, enfunción de otras de fácil determinación en el laboratorio como Gs, ω, e, S. A continuación se presentanalgunas de ellas:

γ =

S =

e= ωGs, cuando S= 100%

γh =

=

(γ(ω))

ω

γsat =

=

(ω)

ω

γd =

γd =

ω/


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Ejercicio.

Se colocan 1870 g de suelo húmedo en un molde t se compacta hasta que el suelo alcanza un volumende 1000 cm3. El suelo se seca al horno a una temperatura de 105°C, hasta que llega a un peso de 1677 g.Se supone que la gravedad específica de los sólidos de este suelo es 2,66.

Se requiere calcular:

a)

Contenido de humedad del suelo.

b)

Peso unitario seco.

c)

Porosidad.

d)

Grado de saturación.

e)

Peso unitario húmedo.

f)

Peso unitario saturado.

Parte a

ω=

x 100

Ww = 1870g – 1677g

Ws = 1677g

ω=

x 100 = 11,51%

Parte b

γd =

Ws = 1677g

Vt = 1000cm3

γd =

= 1,68g/cm3

Parte c

n=

x 100

Vs = Vv + Vs Vv = Vt – Vs

Gs=

.γ Vs =

. =

, / = 630,45 cm3


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Vv = 1000cm3 - 630,45cm3 = 369,55cm3

n=,

x 100

Parte d

S=

x 100 ; Vw =

γ =

,/= 193 cm3

S=

, x 100 = 52,23%

Parte e

γh=

=

= 1,87g/cm3

Parte f

γsat=

Vt = 1000cm3

Wt = Ws + Ww Ws = 1677g

Si el suelo está saturado Vv = Vw = 369,55g y Ww = Vw γw

Ww = 369,55cm3 x 1g/cm3 = 369,55g

Wt = 1677g + 369,55g = 2046,55g

γsat=,

= 2,05g/cm3

Ejercicio.De un depósito natural de suelo granular se tomó una muestra que reportó:

Peso de la muestra húmeda: 3220 g.

Volumen de la muestra húmeda: 2000 cm3.

Saturación: 36%.

Densidad relativa: 28,57%.


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El material se utilizó en la base compactada de una carretera, de esa base se tomó una muestra con lassiguientes características:

Peso de la muestra húmeda: 4400 g.

Volumen de la muestra húmeda: 2000 g.

Saturación: 95%.

La relación de vacíos del suelo compactado es la mitad de la relación de vacíos del suelo en estadonatural, y en el laboratorio se determinó que la relación de vacíos en su estado más suelto posible esigual a l.

Se pide determinar:

a)

Densidad relativa de la base compactada.

b)

Qué cantidad en volumen hubo que excavar por cada metro cúbico de base compactada.

c)

Qué cantidad de agua en litros debe agregarse al material traído del depósito natura.l

d)

por cada metro cúbico de base compactada.

e)

Cuantos centímetros se reducen al compactar 30 centímetros de altura de material.

f)

suelto.

Parte a

γnatural =

=

= 1,66g/cm3

γcompactada =

=

= 2,20g/cm3

γnatural =..

γcompactada =

..

El término Gsγw es el mismo en ambas relaciones, ya que el Gs en un suelo no varíaindependientemente de la humedad, saturación o compactación del suelo.

Se despeja Gsγw de las expresiones anteriores:

γnatural (1 + en) = Gsγw + en Sn γw

γnatural (1 + en) - en Sn γw = Gsγw

γcompactado (1 +ec) = Gsγw + ec Sc γw

γcompactado (1 +ec) - ec Sc γw = Gsγw

Igualando:

γnatural (1 + en) - en Sn γw= γcompactado (1 + ec) - ec Sc γw


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1,66(1 +en) - en x 0,36 x 1 = 2,20 (1 +ec) - ec x 0,95 x 1

1,66 + 1,66 en - 0,36 en = 2,20 + 2,20 ec - 0,95 ec

1,3 en = 1,25 ec + 0,54

Sustituyendo en la expresión anterior en = 2 ec y resolviendo

1,3 x 2ec = 1,25 ec + 0,54

1,35 ec = 0,54

ec = 0,40 y en = 0,80

Dr n =

0,2857 =

,

emin = 0,30

Dr c =

=

,

, = 0,857 Dr c = 85,70%

Parte b

Vt = Vs + Vv e =

Vv = eVs Vt = Vs + eVs = Vs(1 + e)

Vs =

()

Dado que el volumen de sólidos permanece siempre constante:

Vn

Vc Compactación

en ec

Vs =

() y Vs =

()

VACIOS

SOLIDOS

VACIOS

SOLIDOS


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hsuelta

hcompactada

Δh

Igualando:

() =

.

()

Vn =( )

() = 1m3 (,)

(,) = 1,28m3

Parte c

En estado natural S= 36%

Vs =

() e =

=

()

Vv =

()

Vvn = 1,286m3 ,(,)

= 0,572m3

Sn =

= 0,36 Vwn= 0,36 x Vvn = 0,36 x 0,572 = 0,206m3

Vvc = 1m3 ,

(,) = 0,286m3

Sc =

= 0,95 Vwc = 0,95 x 0,286 0 0,272m3

ΔV = 0,272 – 0,206 = 0,066m3 = 66 litros de agua por m3 de base compactada.

Parte d

Muestra Suelta Muestra Compactada


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Vs =

() por lo que: Vs =

( ) y Vs =

()

Igualando: ()

= ()

() =

()

( ) =

()

hcompactado =()

() =

(,)

() = 21cm

Δh = hsuelo - hcompactado = 30cm – 21cm = 7cm

PROPIEDADES BÁSICAS DEL SUELOSe pueden clasificar en: físicas, índice y mecánicas.

Propiedades Físicas:

Densidad, tamaño y distribución de las partículas, gravedad específica y contenido de humedad.

Propiedades Índice: No consideran la influencia de factores externos. Son: límite líquido, límite plástico, límite decontracción, granulometría, densidad relativa.

Propiedades Mecánicas:

Indican el comportamiento de los suelos bajo esfuerzos inducidos y cambios del medio ambiente.

PROPIEDADES ÍNDICE

Granulometría

El análisis granulométrico de un suelo consiste en determinar cuantitativamente ladistribución de las partículas por rangos de tamaño. Dependiendo el tamaño de los granos del suelo puede ser por tamizado, por sedimentación o una combinación de ambos métodos.Tomando en cuenta el tamaño de las partículas se distinguen los tipos de suelo que se describen acontinuación:

Fragmentos de roca. Retenido en el tamiz 3".

Gravas gruesas. Pasante en 3" y retenido en %".


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Gravas finas. Pasante en %" y retenido en N° 4.

Arena gruesa. Pasante en N° 4 y retenido en N° 10.

Arena media. Pasante en N° 10 y retenido en N° 40.

Arena fina. Pasante en N° 40 y retenido en N° 200. Limos. Pasante en N° 200 (Partículas > 0,002 mm).

Arcillas. Pasante en N° 200 (Partículas < 0,002 mm).

Plasticidad de los suelos

Distintas ramas de la ingeniería han desarrollado diversas interpretaciones del concepto de plasticidad, fundamentándose en las características esfuerzo-deformación de los materiales.

La curva esfuerzo-deformación dependerá de las características del material con que setrabaje, pero básicamente se trata de establecer una distinción entre el comportamiento elástico y el plástico. En el primer caso, la relación esfuerzo deformación es reversible, sin embargo a medida que los

valores de esfuerzo se incrementan, la relación se hace irreversible y se llega al comportamiento plástico.

Figura 2. Relaciones esfuerzo-deformación para diferentes materiales.


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En los últimos tiempos se ha tratado de fundamentar el comportamiento de los suelos en las relacionesesfuerzo-deformación, pero teniendo en cuenta que las teorías de plasticidad y elasticidad son aplicablesla Mecánica de Suelos, pero sólo de manera parcial. La figura 2, muestra las curvas esfuerzo-deformación para diferentes materiales, y en la figura 3 las curvas real e idealizada para una arcilla blanda en su intervalo plástico, puede notarse la similitud de éstas últimas con la curva del concreto.

Figura 3. Relaciones esfuerzo-deformación para una arcilla blanda en su intervalo plástico.

En Mecánica de suelos puede definirse la plasticidad como la propiedad que tiene un material por lacual es capaz de soportar deformaciones rápidas, sin variaciones volumétricas apreciables y sindesmoronarse ni agrietarse.

Los experimentos realizados por Atterberg, Terzaghi y Goldschmidt han revelado que la plasticidad enlos suelos se debe a la carga eléctrica de las partículas laminares, que generan campos que actúan comocondensadores y forman capas de agua sólida y viscosa o capa adsorbida cuyo efecto en la interacciónde las partículas de suelo determinan su plasticidad.

Consistencia de los suelos cohesivos.

La consistencia es la mayor o menor resistencia que ofrece el suelo para cambiar de forma. Es la medidade la plasticidad del suelo, y es función del contenido de agua y de los minerales de arcilla de lasfracciones fina y muy fina del suelo.

Es necesario distinguir dos tipos de consistencia: el primer tipo referido a la consistencia en estadonatural o inalterado, y el segundo a suelos amasados o alterados.

Consistencia de suelos inalterados.

La medida cuantitativa más directa de este tipo de consistencia es la resistencia a la compresión simpley se describe en los términos blando, compacto, resistente y duro. El valor de la resistencia a lacompresión simple se obtiene ensayando una muestra inalterada de suelo tallada en forma cilíndrica, a lacual se aplica un esfuerzo uniaxial a velocidad constante, tal como se muestra en la figura 4. El esfuerzose incrementa hasta llevar el suelo a la falla, obteniéndose qu o resistencia a la compresiónsimple como el valor más alto de esfuerzo soportado por la muestra.

La tabla 1 proporciona los valores de referencia de la resistencia a la compresión simple para variosestados de consistencia.


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qu

qu Falla Frágil Falla Plástica

Figura 4. Esquema del ensayo de compresión simple.

Tabla 1. Consistencia de las arcillas en función de la resistencia a la compresión simple

CONSISTENCIA qu en Kg/cm2

Muy blanda < 0,25

Blanda ≥ 0,25 y < 0,50

Medianamente compacta ≥ 0,50 y < 1,00

Compacta ≥ 1,00 y < 2,00

Muy compacta ≥ 2,00 y < 4,00

Dura ≥4,00

Consistencia de suelos amasados.

Atterberg, en 1911 hizo ver que la plasticidad no es una propiedad permanente de las arcillas, sinodependiente de su contenido de humedad y estableció una relación cualitativa que permite determinar elestado de consistencia en que se encuentra el suelo, tomando como base ciertas pruebas que permitenestablecer los límites que separan los distintos estados de consistencia de un suelo fino. Elestablecimiento de estos límites se hizo mediante la observación del comportamiento del suelo endiferentes humedades. La figura 5 muestra los límites y estados de consistencia definidos por Atterberg.


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Después que un suelo ha sido amasado su consistencia puede ser variada a voluntad, aumentando odisminuyendo su contenido de humedad. Así por ejemplo, si se tiene un barro arcilloso líquido y se vareduciendo lentamente su contenido de humedad, se verá como gradualmente el suelo pasa del estadolíquido al estado plástico y finalmente al estado sólido. Las fronteras entre estas fases son un tantoarbitrarias y se conocen como límites de consistencia.

El contenido de humedad al cual se produce el paso de un estado a otro, es muy diferente para lasdiferentes arcillas, y por ello, esos contenidos de humedad pueden ser utilizados para identificar ycomparar las arcillas entre sí. Por esto, los valores de estos límites y los índices asociados con ellos,constituyen parámetros muy útiles en la caracterización y clasificación de suelos.

+

-

Figura 5. Estados y límites de consistencia.

Estados de consistencia.

Los estados de consistencia definidos por Atterberg son básicamente 4: líquido, plástico, semisólido ysólido.

Estado líquido.

El suelo tiene la consistencia de un líquido de alta viscosidad, pudiendo producirse el flujo del mismo bajo ciertas condiciones. Su resistencia al corte es nula.

Estado plástico.

El suelo tiene la consistencia de un material plástico y blando que le permite deformarse sin roturas niagrietamientos.

Estado semisólido.

El suelo ha dejado de ser plástico, pero las variaciones de humedad producen cambios en el volumendel suelo.

Liquido

Plástico

Semisólido

Sólido

Limite Plástico

Limite Liquido

Humedad


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Estado sólido.

El suelo no cambia su volumen aún cuando esté sometido a variaciones de humedad. Su resistencia esalta y su consistencia puede ser dura y frágil.

Límites de consistencia o de Atterberg.El concepto de un suelo como un material que puede presentarse en varios estados según su contenidode humedad resulta muy necesario.

Cuanto mayor sea la cantidad de agua que contiene el suelo, menor será la interacción entre partículasadyacentes y más se aproximará el comportamiento del suelo al de un líquido. Si se comparan los suelosA y B, A tiene mayor tendencia a "adherir" agua sobre la superficie de sus partículas, por lo que es deesperar que la humedad para la cual ambos se comporten como un líquido sea mayor para A que para B.Es decir, el suelo A tiene mayor límite líquido que el suelo B. El mismo razonamiento es válido para ellímite plástico.

Límite líquido.

Es el contenido de humedad de un suelo por debajo del cual deja de comportarse como un líquido,adquiere resistencia al corte y es moldeable.

El procedimiento usado por Atterberg para su determinación era ambiguo y con muchos detalles noespecificados, por 10 que Casagrande ideó un método de ensayo que todavía hoy día es el de mayorutilización para la determinación del límite líquido en suelos cohesivos.

El rango de variación del límite líquido puede estar entre 0 y 1000, pero la mayoría de los suelos tienenvalores menores de 100.

Límite plástico.

Es el contenido de humedad de un suelo cohesivo por debajo del cual pierde su plasticidad. Es la

frontera entre los estados plástico y semisólido.El rango de variación del límite plástico puede estar entre 0 y 100, pero la mayoría de los suelos presentan valores menores de 40.

Límite de contracción.

Es el contenido de humedad por debajo del cual una pérdida de humedad por evaporación, no traeaparejada una reducción de volumen. Es el límite o frontera entre los estados semi- sólido y sólido. Sudeterminación resulta particularmente importante en suelos expansivos.

En el laboratorio se determina de la siguiente manera: con la mezcla de material pasa 40 y aguadestilada cuyo contenido de humedad esté próximo al límite líquido, se llena una cápsula de volumenconocido, expulsando las burbujas de aire a medida que se va llenando (golpeando el recipiente contra

una superficie dura). Se enrasa y se pesa, obteniéndose así el volumen y peso inicial de la muestra. Sedeja el recipiente al aire libre para que vaya perdiendo humedad gradualmente y contrayéndoseuniformemente. A los dos o tres días se lleva al horno por 24 horas concluyendo el secado. El volumenfinal de la muestra se mide por desplazamiento de mercurio.

El valor numérico del límite de contracción se determina por medio de la siguiente expresión:


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LC(%) =VfγwWs

-

x 100

Donde:

Vf = Volumen final de la muestra.

Ws = Peso neto de la muestra seca.

Gs = Peso específico de los sólidos del suelo.

Yw = Peso unitario del agua.

El límite de contracción es un parámetro de suma importancia en el análisis de la retracción en lasarcillas.

La retracción es causada por la tensión capilar, cuando un suelo saturado se seca se forma un meniscoen cada poro y el agua se encuentra a tracción produciendo ese mismo efecto en el esqueleto mineral delsuelo. Estos esfuerzos le confieren al suelo una resistencia, en algunos casos muy alta, denominadacohesión aparente. Este nombre se debe a que se pierde cuando el suelo vuelve a estar saturado.

A medida que el suelo se seca los poros se hacen más pequeños y aumenta la tensión capilar y laresistencia a la compresión del suelo (en diferentes proporciones). El suelo permanece saturado, porquela pérdida de agua produce una reducción igual en el volumen de vacíos, sin embargo, llegado el puntoen que la tensión capilar se iguala a la resistencia a la compresión, se paraliza la reducción de volumen.El contenido de humedad en este momento es el límite de contracción.

La tensión capilar irá en disminución y se hará menor que la resistencia a la compresión del suelo, elmenisco comienza a retraerse de la superficie del suelo y éste pierde su aspecto húmedo cambiando auna coloración más clara, y la masa de suelo deja de estar saturada.

Ejercicio.

Una muestra de arcilla remoldeada y saturada tiene un volumen de 40 cm3 y un peso de 70 gramos. Porsecado su volumen se redujo a 35 cm3 y su peso a 50 gramos. La gravedad específica de los sólidos es2,50. Determine el límite de contracción.

LC(%) =VfγwWs

-

x 100 = 35cm3 x 1g/cm3

50g -

, x 100 = 30%

Índices de consistencia.

Los límites de Atterberg significan poco por si mismos, pero como índices de las propiedadescaracterísticas del suelo son muy útiles.

Índice de plasticidad.

Indica la magnitud del intervalo en el cual el suelo posee consistencia plástica. Se calcula por medio dela siguiente expresión:

Ip = LL-LP


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Donde:

Ip = Índice plástico.

LL = Límite líquido.

LP = Límite plástico.Índice de consistencia.

Se calcula por medio de la siguiente expresión:

Ic =

Donde:

Ic = Índice de consistencia.

ωn = Contenido de humedad natural del suelo.

Ip = Índice de plasticidad.

Según los valores que torne el índice de consistencia, el suelo puede ubicarse en uno de los rangosestipulados en la tabla 2.

Tabla 2. Consistencia del suelo en estado natural en función del índice de consistencia.

Indice de consistencia Ic Consistencia

0 o menor Líquida

0.00 - 0.5 Muy blanda0.5 - 0.75 Plástica Blanda

0.75 - 1.00 Semidura

> 1 Dura

Un suelo con humedad natural mayor que el límite líquido (Ic < O) al ser amasado se transformará enun barro espeso. Si el contenido de humedad es menor que el límite plástico la consistencia es mayorque 1 y el suelo no puede ser amasado.

Índice de liquidez.

Es el rango de variación de humedad del suelo en estado líquido. Se calcula por medio de la siguienteexpresión:

IL =

Si IL = 1, el suelo está en el límite líquido.


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Si IL > 1, el suelo está en estado líquido.

Índice de retracción.

Es un indicativo del potencial de retracción del suelo. Se calcula por medio de la ecuación que a

continuación se presenta:Ir = LP - LC

Donde:

Ir = Índice de retracción

LC = Límite de contracción

Índice de actividad de la arcilla.

Es un índice definido por Skempton, que sirve como indicador del potencial de variación de volumen de

la arcilla, se calcula por medio de la siguiente expresión:

Ac =

%μ

Donde:

Ip= Índice plástico

% < 2µ = Porcentaje de material cuyas partículas son menores que 0.002 mm (%arcilla)

Una arcilla puede tener varios rangos de actividad de acuerdo a este índice. Se dice que la

arcilla es inactiva cuando Ac es menor de 0.75; normal cuando Ac está entre 0.75 y 1.25;y activa cuando Ac es mayor de 1.25.

Ejercicio.

Para una arcilla se obtuvieron los siguientes valores experimentales:

Límite líquido: 120%.

Límite plástico: 40%.

Límite de contracción: 30%.

% de arcilla: 55.Determinar:

a)

Índice de plasticidad.

b)

Actividad de la arcilla.

c)

Índice de consistencia.

d)

Índice de liquidez.


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e)

Índice de retracción.

Parte a

Ip = LL – LP = 120 – 40 = 80%, es una arcilla muy plástica, se sale del rango normal de plasticidad(0 – 60).

Parte b

Ac =

%μ =

= 1,45 > 1,25 la arcilla es activa

Parte c

Ic =

=

= -0,375 el suelo tiene consistencia liquida

Parte d

IL =

=

= 1,4 el suelo está en estado liquido

Parte e

Ir = LP – LC = 40 -30 = 10

CLASIFICACIÓN DE SUELOS

Un sistema de clasificación de suelos es un ordenamiento de los diferentes suelos en grupos que tienen propiedades similares. Su propósito es dar facilidades para estimar las propiedades o aptitudes de unsuelo por comparación con suelos de la misma clase cuyas propiedades se conocen.

El suelo tiene muchas propiedades diferentes que son de interés en ingeniería y las posibilidades decombinaciones es también muy extensa, lo que hace impracticable la existencia de un sistema declasificación que abarque todas las posibilidades. Por eso existen sistemas de clasificación donde lossuelos son agrupados de acuerdo al carácter particular de la obra de ingeniería para la cual se desarrollóla clasificación, tales como:

Sistema P.RA., (Public Road Administración) usado en carreteras .

Sistema AASHTO (American Association of State Highway and TransportationOfficials) usado para evaluar la construcción de subrasantes de carreteras yterraplenes .

Sistema SUCS (Sistema Unificado de Clasificación de Suelos), usado en presas de tierra,canales, pistas de aeropuertos, fundaciones, carreteras.

Estos sistemas de clasificación utilizan pruebas muy sencillas de tipo indicativo: granulometría y límitesde consistencia.


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La granulometría agrupa a los suelos según su tamaño usando el criterio ASTM-ASCE, talcomo se describió en secciones anteriores.

Los límites e índices de consistencia de utilidad en la clasificación son el límite líquido, ellímite plástico y el índice de plasticidad.

Sistema AASHTO

Este sistema es utilizado fundamentalmente en subrasante de carreteras. Los suelos se clasifican engrupos y subgrupos, basándose en la composición granulométrica y en las características de plasticidad.

Existe primeramente una clasificación general que divide al suelo en tres categorías:

Suelos granulares gruesos, con pasa 200 < 35%

Suelos finos o materiales limo-arcillosos, con pasa 200> 35%

Suelos orgánicos.

En la tabla 3 se puede observar otra clasificación en 8 grupos: suelos que van desde el grupo A-l hasta

el A-S. Estos símbolos indican vagamente que con el aumento del número se disminuye la calidad delsuelo para la construcción de carreteras.

Las dos primeras categorías abarcan 7 grupos, desde A-l hasta A-7. Algunos de ellos (A-l, A-2 Y A-7)a su vez se dividen en subgrupos basándose en su composición granulométrica y características de plasticidad. En la división del grupo A-7 el suelo será A-7-5 si el índice de plasticidad es menor o igualal límite líquido menos 30 (Ip s LL-30) y será A-7 -6 si el índice de plasticidad es mayor que el límitelíquido menos 30 (Ip > LL-30), o lo que es lo mismo LPs30 ó LP> 30.

En la tercera categoría está el grupo A-S que son suelos con excesiva cantidad de materia orgánica. Estegrupo no se indica en el cuadro de clasificación mostrado en la tabla 3, sino que se determina porinspección visual.

La tabla continúa con el índice de grupo. Esta clasificación usa este índice para comparar diferentes

suelos clasificados dentro del mismo grupo. Los suelos se comportan mejor a medida que el índice degrupo es menor, es decir, los números más bajos indican suelos de mejor calidad que los números másaltos.

El índice de grupo se calcula por medio de la siguiente expresión:

IG=0,2a + 0,005ac+0,01bd

Donde.

IG= Índice de grupo.

a= % pasa 200 > 35% y ≤ 75%, expresado como un número entero entre 0 y 40.

b= % pasa 200 > 15% y ≤ 55%, expresado como un número entero entre 0 y 40.

e= Parte del límite líquido > 40% y ≤ 60%, expresado como un número entero entre 0 y 20.

d= Parte del índice plástico > 1 0% y ≤ 30%, expresado como un número entero entre 0 y 20.

El índice de grupo es siempre un número entero y puede también calcularse por medio delos gráficos mostrados en la figura 6, cada gráfico da una porción del índice de grupo.


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Al entrar en el gráfico 1 con el valor de pasa 200 y el índice de plasticidad se obtiene la primera porcióndel índice de grupo. La segunda porción se obtiene a partir del gráfico 2 al entrar con el valor de pasa200 y el límite líquido. Finalmente, el índice de grupo será el resultado de redondear la suma de estasdos porciones.

El cuadro de clasificación mostrado en la tabla 3 se usa de izquierda a derecha hasta obtener el primergrupo o subgrupo que tenga las características del suelo en consideración. El índice de grupo se coloca alfinal de la clasificación obtenida entre paréntesis.

Ejercicio.

Usando el sistema AASHTO clasifique un suelo con las siguientes características:

Pasa 4 = 40% Pasa 10 = 30% Pasa 40 = 22% Pasa 200 = 15%

Límite líquido = 35% Índice plástico = 13%

Descripción visual: Suelo de color café amarillento, con mucha grava

Cálculo del índice de grupoPasa 200 = 15% < 35% por lo que a= 0 Pasa 200 = 15% por lo que b= 0

LL = 35% < 40% => e= 0 Ip = 13% > 10 % => d = 13 -10 = 3

IG = 0,2 x 0 + 0,005 x 0 x 0 + 0,01 x 0 x 3 = 0

El índice de grupo también puede calcularse por medio de la figura 6.

Porción 1= 0 (entrando con pasa 200=15% e Ip=13%)

Porción 2 = 0 (entrando con pasa 200=15% y LL=35%)

IG = 0

% pasa 200 < 35 % por lo que el suelo es granular.

Al entrar a la tabla de izquierda a derecha empezando por el grupo A-l porque el suelo es granular, sevan descartando grupos hasta encontrar el primero donde se cumplen todas las exigencias del grupo quees A-2-6.

El suelo es una grava arenosa de color café amarillento, A-2-6(0). De excelente a buena como sub-rasante para carreteras.


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Tabla 3. Sistema de Clasificación AASHTO


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Figura 6. Gráficos para calcular el índice de grupo.


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Ejercicio.

Usando el sistema AASHTO clasifique el suelo que tiene las siguientes características:

%Pasa N° 4 = 100%.

% Pasa N° 10 = 90%.% Pasa N° 40 = 85%.

%Pasa 200 = 80%.

LL=70%.

LP=38 %.

Ip = 70% - 38% = 32%.

Pasa 200 = 80% > 35%, el suelo es fino y la búsqueda se inicia a partir del grupo A-4.

Proporciones en las que se encuentran los diferentes tipos de material presentes en la muestra:

Grava = Retenido acumulado en tamiz N° 4 =O

%.Arena = Pasa N° 4 - pasa N° 200 = 100% - 80% = 20%.

Limo y arcilla = Pasa N° 200 = 80%.

Cálculo del índice de grupo

IG= 0.2 a + 0.005 ac + 0.01 bd

Pasa 200 > 75% => a= 40

Pasa 200 >55 % => b= 40

LL= 70% > 60% => e= 20

Ip = 32% > 30% => d = 20

IG =0.2 (40) + 0.005 (40) (20) + 0.01 (40) (20) = 20

Usando la tabla 3 de izquierda a derecha empezando por el grupo A-4 (ya que Pasa 200 > 35%), se vandescartando grupos hasta encontrar el primero donde se cumplen todas las exigencias que es el A-7. Perose debe definir si es A-7-5 Ó A-7-6. Para ello se busca el valor de LL-30 y se compara con el índice plástico.

Ip = 32% LL - 30 = 70 - 30 = 40 % Ip < LL - 30, por lo que el suelo es A-7-6.

El suelo en estudio se clasifica según el sistema AASHTO, como un suelo arcilloso A-7-6 (20) decalidad muy pobre para ser usado como sub-rasante.

Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS)

Este sistema está basado en el sistema de clasificación de aeropuertos propuesto por Casagrande en elaño 1942. De hecho, prácticamente es el mismo con algunas modificaciones para adaptar su aplicación aotras obras de ingeniería como presas de tierra, canales, fundaciones etc.

Los grupos y subgrupos principales de suelos en esta clasificación se muestran en la tabla 4


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Tabla 4. Principales grupos y subgrupos de suelo en el sistema SUCS

Tipo de suelo Prefijo Sug-grupo Sufijo

Grava G Bien gradado W

Arena S Pobremente gradado P

Limo M Limoso M

Arcilla C Arcilloso C

Orgánico O Alta compresibilidad H

Turba Pt Baja compresibilidad L

La denominación funciona combinando un tipo de suelo con un subgrupo, de modo que adquiere un prefijo y un sufijo.

Los grupos de gravas (G) y arenas (S) pueden llevar sufijos de los siguientes subgrupos: bien gradado(W), pobremente gradado (P), limoso (M) o arcilloso (e).

Un suelo bien gradado tiene una distribución amplia de los tamaños de granos presentes. Esto sedetermina con el trazado de la curva granulométrica, observando su forma y amplitudes de tamaños (lacurva es inclinada, no presenta tramos horizontales ni verticales), o también calculando los coeficientesde uniformidad Cu y curvatura Cc.

Cu =

Cc =

Un suelo es pobremente gradado si la muestra es mayoritariamente de un tamaño, o si es deficiente enciertos tamaños de granos, curvas verticales indican un solo tamaño de grano y trazos horizontalesindican deficiencia de algunos tamaños.

Los subgrupos limo so y arcilloso indican la presencia de un porcentaje importante de estos materialesen el suelo, pero en menor proporción del material que le está dando el prefijo (grava o arena). Porejemplo arena limosa, se refiere a un suelo que contiene arena y limo en proporciones considerables,

pero el porcentaje de arena es mayor que el del limo, su símbolo será SM.Luego están los sufijos L y H que significan baja y alta compresibilidad respectivamente,estos sufijos se determinan a partir de los límites de Atterberg. El suelo es L si el límite líquido es menoro igual al 50% y es H si el límite líquido es mayor del 50%. Los suelos L son menos susceptibles a sufrirgrandes asentamientos. Estos sufijos son usados solamente en suelos finos, es decir para los grupos delos limos y las arcillas.

De acuerdo a las combinaciones posibles entre grupos (prefijos) y sub-grupos (sufijos) se pueden tenerlos tipos de suelos indicados en la tabla 5.


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Tabla 5. Principales grupos de suelos según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS)

GRAVAS

(G)

ARENAS

(S)

LIMOS

(M)

ARCILLAS

(C)

SUELOS

ORGANICOS(O)

GW

Grava biengradada

SW

Arena biengradada

MH

Limo de altacompresibilidad

CH

Arcilla de altacompresibilidad

OH

Suelo orgánico dealta

compresibilidad

GP

Grava malgradada

SP

Arena malgradada

ML

Limo de bajacompresibilidad

CL

Arcilla de bajacompresibilidad

OL

Suelo orgánico de baja

compresibilidad

GM

Grava limosa

SM

Arena limosa

ML-CL

Limo arcilloso de baja

compresibilidad

CL-ML

Arcilla limosa de baja

compresibilidad

GC

Grava arcillosa

SC

Arena arcillosa

GW-GM

Grava limosa biengradada

SW-SM

Arena limosa biengradad

GW-GC

Grava arcillosa bien gradada

SW-SC

Arena arcillosa bien gradada

GP-GM

Grava limosa malgradada

SP-SM

Arena limosa malgradada

GP-GCGrava arcillosa

mal gradada

SP-SCArena arcillosa

mal gradada

Para clasificar el suelo por el sistema SUCS, se debe determinar en primer lugar si el suelo es granular ofino a partir de la siguiente comparación:


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11))

El suelo es fino cuando el % pasa 200 es mayor al 50 %.

22))

El suelo es granular cuando el %retenido acumulado en el tamiz 200 es mayor del 50%

11))

Si el suelo es fino

Cuando el suelo es fino se requiere del uso de la carta de plasticidad para su clasificación. La carta de plasticidad es un gráfico que elaboró Casagrande donde están representados el límite líquido en el eje delas abscisas y el índice de plasticidad en el eje de las ordenadas, tal como se observa en la figura 7.Casagrande en su estudio determinó que los suelos finos no adoptan una distribución caprichosa, sinoque se agrupan de un modo específico, en cada una de las zonas del gráfico se sitúan suelos decaracterísticas de plasticidad y propiedades hidráulicas y mecánicas cualitativamente definidas.

Casagrande obtuvo empíricamente lo que denominó como línea A, que es una frontera entre los suelosde alta plasticidad y los de baja plasticidad. Esta línea pasa por los puntos (20, O) Y (50,22). Por encimade la línea A se encuentran las arcillas inorgánicas simbolizadas por el prefijo C y por debajo los limosinorgánico s cuyo símbolo es M y los suelos orgánicos cuyo símbolo es o. Los limo s y los suelos0rgánicos se ubican en una misma zona, pero se diferencian fácilmente unos de otros por apreciaciónvisual-manual (color, olor y efervescencia con agua oxigenada).

En la carta también aparece una línea vertical que pasa por el punto (50,0), llamada línea B,que separa los suelos de alta compresibilidad de los de baja compresibilidad, determinandoasí el sufijo de los suelos finos como H y L respectivamente.

Estas dos líneas A y B dividen la carta en 4 zonas:

Suelos arcillosos de alta compresibilidad CH, encima de la línea A y a la derecha de la línea B.

Suelos arcillosos de baja compresibilidad CL, encima de la línea A y a la izquierda de la línea B.

Suelos limosos de alta compresibilidad MH, debajo de la línea A y a la derecha de la línea B.

Suelos limosos de baja compresibilidad ML, debajo de la línea A y a la izquierda de la línea B.

La descripción realizada en los párrafos anteriores para clasificar los suelos finos se resume acontinuación:

1.1.

Si pasa 200 >1 50 % => entrar a la carta de plasticidad con el punto (LL, IP).1. 1. 1. Si cae por encima de la linea A el suelo es arcilla C

1.1.1.1.

Si el límite líquido es :s: 50, la arcilla es de baja compresibilidad CL

1.1.1.2.

Si el límite líquido es > 50, la arcilla es de alta compresibilidad CH

1.1.2. Si cae por debajo de la linea A el suelo es limo M

1.1.2.1. Si el límite líquido es ≤ 50, el limo es de baja compresibilidad CL

1.1.2.2. Si el límite líquido es > 50, el limo es de alta compresibilidad CH

1.1.3. Si cae por en la zona rayada (IP entre 4 y 7), el suelo es de dobledenominación. CL-ML

22))

Si el suelo es granular:

2.1.1. - Calcular la fracción granular FG= 100 - pasa 200.

2.1.2. - Calcular % grava= 100 - pasa N° 4.

2.1.3.- Calcular % arena = pasa N°4 - pasa 200.


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2.1.4.- Comparar % de arena y grava con la mitad de la fracción granular.

2.1.4.1. Si % grava> 0,5 FG => El suelo es una grava y su prefijo es G

2.1.4.2. Si % arena> 0,5 FG => El suelo es una arena y su prefijo es S

2.1.4. 1. Cuando el suelo es una grava G2.1.4.1.1. Si pasa 200 ≤ 5 % => Calcular Cu y Cc

Sj Cu > 4 y ≤ Cc ≤ 3 => La grava es bien gradada GW

Si Cu < 4 y/o Cc no está entre 1 y 3 => La grava es mal gradada GP

2.1.4.1.2. Si pasa 200 12 ≥ % => Ir a carta de plasticidad

Si el punto (LL, IP) cae encima de la línea A => la grava es arcillosa

Si el punto (LL, IP) cae debajo de la línea A => la grava es limosa

Si el punto cae en zona de doble denominación (IP entre 4 y 7) => la grava es limo arcillosa oarcillolimosa GM-GC o GC-GM

2,1.4.13. Si pasa 200> 5% Y < 12% => El suelo es de doble denominación y sedebe calcular Cu y Cc, y también entrar a la carta de plasticidad.

a) Si Cu > 4 Y 1 ≤ Cc ≤ 3, y si (LL, IP) cae encima de la línea A => Elsuelo es una grava arcillosa bien gradada GW-GC.

b) Si Cu > 4 Y 1 ≤ Cc ≤ 3, y si (LL, IP) cae debajo de la línea A => Elsuelo es una grava limosa bien gradada GW-GC.

e) Si Cu < 4 y/o Cc no está entre 1 y 3, Y si (LL, IP) cae encima de lalínea A => El suelo es una grava arcillosa mal gradada GP-GC.

d) d) Si Cu < 4 y/o Cc no está entre 1 y 3, Y si (LL, IP) cae debajo de lalínea A => El suelo es una grava limosa mal gradada GP-GM.

La tabla 6 contiene los criterios de clasificación del sistema unificado de clasificación desuelos (SUCS), incluyendo descripción de cada uno de los grupos.


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Figura 7. Carta de plasticidad


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Ejercicio.

Usando el sistema SUCS clasifique un suelos con las siguientes características:%Pasa 200 = 8,49%; % Pasa N° 10 = 56,37%; % Pasa N° 40 = 38,39%; LL = 38,4%;

IP =20,6%

% Pasa N° 200 = 8,49% < 50%, el suelo es granular

Fracción granular = 100% - 8,49% = 91,51% => 1/2 Fracción granular = 45,75%Grava = Retenido acumulado en tamiz N° 4 = 34,32 % < 1/2 fracción granular

Arena= Pasa N° 4 - pasa N° 200 = 65,68% - 8,49% = 57,2% > 1/2 fracción granular

El suelo es una arena. (S)

% Pasa N° 200 entre 5 y 12%, el suelo es de doble denominación.

D10 = 0,081 mm. D30 = 0,28 mm D60 = 2,9 mm

Cc= 0,33 < 6 Y Cu = 35,8 > 3, el suelo es mal gradado (SP)

Por carta de plasticidad con LL= 38,4% e IP = 20,6%, el suelo cae por encima de la línea A en la zonade arcillas (SC).

El suelo es una arena arcillosa mal gradada: SP-SC.


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Tabla 6. Sistema Unificado de clasificación de suelos.

** CLASIFICACIÓN DE FRONTERA- LOS SUELOS QUE POSEAN LAS CARACTERÍSTICAS DE DOS GRUPOS SE DESIGNAN CON LA COMBINACIÓN DE LOS DOS SÍMBOLOS;POR EJEMPLO GW-GC, MEZCLA DE ARENA Y GRAVA BIEN GRADUADAS CON CEMENTANTE ARCILLOSO.

TODOS LOS TAMAÑOS DE LAS MALLAS EN ESTA CARTA SON LOS U.S. STANDARD.* LA DIVISIÓN DE LOS GRUPOS GM Y SM EN SUBDIVISIONES d Y u SON PARA CAMINOS Y AEROPUERTOS UNICAMENTE, LA SUB-DIVISIÓN ESTA BASADA EN LOS

LÍMITES DE ATTERBERG EL SUFIJO d SE USA CUANDO EL L.L. ES DE 28 O MENOS Y EL I.P. ES DE 6 O MENOS. EL SUFIJO u ES USADO CUANDO EL L.L. ES MAYOR QUE28.


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ACTIVIDADES DE AUTOEVALUACIÓN

ACTIVIDAD N° 1

Al responder correctamente las preguntas que a continuación se presentan, Ud. Habrá alcanzado elobjetivo especifico N° 1: Estudiar las fases constituyentes del suelo.

1.- ¿Que es el suelo?

2.- ¿Cuál es la función que cumple la estructura del suelo?

3.- ¿Cuáles son los elementos que constituyen la estructura del suelo?

4.- ¿Cómo está constituida la fase sólida del suelo?

5.- ¿Cuál es la función de la fase sólida del suelo?

6.- ¿Cuáles minerales se encuentran frecuentemente en el suelo?

7. - ¿Que productos de la meteorización de las rocas se encuentra frecuentemente en el suelo?

8.- Explique el componente orgánico presente en algunos tipos de suelo.

9.- ¿Cuáles son los componentes de la fase liquida del suelo?

10.- ¿Cuáles son los componentes de la fase gaseosa del suelo?

ACTIVIDAD N° 2

Al responder correctamente las preguntas y problemas que a continuación se presentan, Ud. habráalcanzado el objetivo especifico N° 2: Estudiar las relaciones gravimétricas y volumétricas de los suelos.

11. - ¿Por qué es importante el diagrama de fases?

12.- Defina contenido de humedad

13. - Defina relación de vacíos

14.- ¿Cuál es el rango de valores de relación de vacíos que se puede encontrar en el suelo?

15. - Defina porosidad

16.- Defina saturación

17.- Si un suelo está seco ¿cuál es su grado de saturación?

18.- Si un suelo está saturado ¿cuál es su grado de saturación?

19.- Defina peso unitario del suelo

20- Defina peso unitario saturado

21- Defina peso unitario seco

22.- Defina peso unitario de los sólidos

23- Defina peso unitario aparente o sumergido

24- Defina gravedad específica del suelo

25.- Defina gravedad específica de los sólidos del suelo.

26.- ¿Cuál es el rango típico de valores para la gravedad específica de los sólidos del suelo?


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27.- Defina densidad relativa

28.- En qué tipo de suelos es importante la densidad relativa

29.-0btenga una expresión para el cálculo del peso unitario del suelo en función de la relación de vacíos,el grado de saturación y la gravedad específica de los sólidos del suelo.

30.- Obtenga una expresión para el grado de saturación en función de la relación de vacíos,el contenido de humedad y la gravedad específica de los sólidos del suelo.

31. - Obtenga una expresión para el cálculo del peso unitario del suelo en función del gradode saturación, el contenido de humedad y la gravedad específica del suelo.

32.-Obtenga una para el cálculo del peso unitario saturado en función de la relación devacíos y la gravedad específica de los sólidos del suelo.

33.- Obtenga una para el cálculo del peso unitario saturado en función del contenido dehumedad y la gravedad específica de los sólidos del suelo.

34.- Obtenga una expresión para el cálculo del peso unitario seco del suelo en función de la relación devacíos y de la gravedad.

35.- Obtenga una relación para el peso unitario seco del suelo en función del peso unitario húmedo y delcontenido de humedad.

36.- Luego de ensayar una muestra de suelo saturada en el laboratorio, se determinó que la gravedadespecífica de los sólidos es 2,66 y el peso unitario saturado es 1,96 gr/crrr',

Determinar:

a)

Contenido de humedad

b)

Peso unitario seco.

37.- En una muestra de suelo saturada ensayada en el laboratorio se determinó que el pesounitario seco es 1,6 g/cm3 y la porosidad es del 40%.

Calcular:

a)

Peso unitario saturado

b)

Gravedad específica de los sólidos

c)


38.- Una muestra de suelo húmeda pesa 690g. Luego de secada al horno a 105°C por untiempo de 18 horas su peso es de 560g. La gravedad específica de la muestra es 1,85 y lagravedad específica de los sólidos es 2,70.

Determinar:

a)


b)

Relación de vacíos

c)

Grado de saturación

d)

Porosidad

39. Un depósito natural tiene las siguientes características: peso unitario húmedo 1,7 g/cm3, grado desaturación 25% y densidad relativa 45%. Ese material se usó en una base compactada de una carreteradonde se logró un peso unitario seco de 2 g/cm3 y una densidad relativa de 90%. En el laboratorio se


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obtuvo que la relación de vacíos mínima es 0,30. Determinar la relación de vacíos máxima y la gravedadespecífica de los sólidos.

40.- Una muestra de suelo tienen un contenido de humedad del 10%. Su gravedad específica es de 1,8 yla gravedad específica de los sólidos es 2,65.

Calcular:a)

Relación de vacíos de la muestra

b)

Grado de saturación

c)

Porosidad

d)

Cantidad de agua que debe añadirse a 1 m3 de suelo para llevar su contenido de humedad al15%

41.- Una muestra de suelo inalterada y saturada tiene un volumen de 1000cm3, un peso de2000 g y una gravedad específica de los sólidos de 2,70. Con esa misma muestra pero totalmente secase obtiene que el volumen en el estado más suelto posible es de 1115 cm3 y el volumen en el estado máscompacto posible es de 760 cm3. Determinar la densidad relativa de ese suelo.

ACTIVIDAD N° 3

Al responder correctamente las preguntas que a continuación se presentan, Ud. habráalcanzado el objetivo específico N° 3: Estudiar las propiedades del suelo.

42.- ¿Como se clasifican las propiedades básicas del suelo?

43.- ¿Cuáles son las propiedades físicas más usadas?

44.- ¿Qué son las propiedades índices? Mencione las más usadas.

45. - ¿Qué son propiedades mecánicas?

46.- Explique brevemente en qué consiste la granulometría de un suelo47.- ¿Cuáles son los tipos de suelo que existen en función de la granulometría?Caracterícelos.

ACTIVIDAD N° 4

Al responder correctamente las preguntas que a continuación se presentan, Ud. habráalcanzado el objetivo específico N° 4: Estudiar las características de plasticidad del suelo.

48.- Defina plasticidad.

49.- ¿A qué se debe la plasticidad en los suelos?

50.- Defina consistencia.51.- Que tipos de consistencia se pueden medir en el suelo.

52.- ¿Cómo se mide la consistencia en suelos inalterados?

53.- ¿Cuáles son los estados de consistencia de referencia en suelos inalterados?

54.- ¿Cómo se mide la consistencia en suelos amasados?

55. - ¿Es la plasticidad una propiedad permanente en las arcillas? Explique.


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56.- ¿Qué estados de consistencia se definen en suelos amasados o remoldeados?

57.- ¿Qué es el límite líquido?

58.- ¿Qué es el límite plástico?

59.- ¿Qué es el límite de contracción?60.- ¿Por qué se usa el contenido de humedad para definir los diferentes límites deconsistencia de las arcillas?

61.- ¿Cómo se determina en el laboratorio el límite de contracción?

62.- ¿En que casos es fundamental determinar el límite de contracción?

63- Defina Índice de plasticidad

64- Defina índice de consistencia

65.- Defina índice de liquidez

66.- Defina índice de retracción

67.- Defina índice de actividad de una arcilla

68.- ¿Qué tipos de arcilla pueden encontrarse de acuerdo a su índice de actividad?Caracterícelas.

ACTIVIDAD N° 5

Al responder correctamente las preguntas y problemas que a continuación se presentan, Ud.habrá alcanzado el objetivo específico N" 5 Conocer y aplicar los diferentes sistemas declasificación del suelo.

69.- ¿Qué es un sistema de clasificación de suelos?

70.- ¿Por qué no ha sido posible establecer un sistema único de clasificación de suelos?71.-¿Cuáles son los sistemas de clasificación de suelos más utilizados?. Explique brevemente.

72- ¿ Cuáles son los parámetros usados en los principales sistemas de clasificación?

73- Clasifique por el sistema AASHTO los siguientes suelos

Suelo Pasa 4 Pasa 10 Pasa 40 Pasa 100 Pasa 200 LL LPA 69 54 46 41 36 39 27B 95 90 83 71 55 55 24C 70 60 48 18 18 75 30

74.- Clasifique por el sistema SUCS los siguientes suelosSuelo Pasa 4 Pasa 10 Pasa 40 Pasa 100 Pasa 200 LL LP

A 70 60 48 18 18 75 30B 47 30 16 8 4 36 18C 95 90 83 71 55 55 24


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RESPUESTA A LAS ACTIVIDADES DE AUTOEVALUACIÓN

ACTIVIDAD N° 1

l. - Es todo depósito de partículas minerales y orgánicas disgregadas pero íntimamente relacionadas entresí, que presentan diferentes grados de cohesión y fuerzas intermoleculares que las mantienen vinculadas.

2.- La de producir una respuesta a los cambios exteriores como cargas, agua y temperatura entre otros.

3. - Los suelos están formados por muchos materiales diferentes que pueden encontrarse en las tres fasesde la materia, es decir, los componentes del suelo son: materia sólida, líquido y gas.

4.- La fase sólida del suelo está constituida por minerales, por los productos de la meteorización de lasrocas y por productos orgánicos.

5.- La fase sólida del suelo conforma el esqueleto estructural del suelo, y es la que determina en sumayor parte su comportamiento ingenieril.

6.- Uno de los principales constituyentes del suelo es el sílice, el cual se presenta en dos formas:

cristalina (cuarzo) y amorfa ( pedernal, sílex y calcedonia). Otros de los minerales que más comúnmentese encuentran en el suelo son los feldespatos, mica (muscovita y biotita), ferromagnesianos, óxidos dehierro, carbonatos minerales (calcita y dolomita).

7.- Se pueden encontrar silicatos complejos de aluminio, carbonatos de so dio, sílice yminerales arcillosos como productos de la descomposición de feldespatos; las micas formanminerales arcillosos, carbonatos, sílice y óxidos de hierro (cuando la mica tiene estemineral); los minerales ferromagnesianos forman óxidos e hidróxido s de hierro y mineralesarcillosos. Los carbonatos minerales, calcita y dolomita se meteorizan por solución.

8.- Las partículas orgánicas se originan por la descomposición de materia orgánica vegetaly animal. Se conoce muy poco acerca de los compuestos orgánicos del suelo. Existensuelos formados totalmente por partículas orgánicas como las turbas y hay otros que

contienen una mezcla de partículas orgánicas e inorgánicas, como es el caso de los limas yarcillas orgánicas.

9.- El líquido que se encuentra en el suelo básicamente es agua; aunque en algunos casos seencuentran sales disueltas en ella. El agua se presenta en el suelo de varias formas: agualibre, agua capilar yagua adsorbida.

10.- Por lo general el gas presente en el suelo es aire, pero hay ocaciones en que se puedeencontrar metano proveniente de la descomposición de materia orgánica.

ACTIVIDAD N° 2

11. - Las relaciones entre los pesos y volúmenes de las diferentes fases son importantes

porque ayudan a definir condiciones del suelo o su comportamiento físico. El ingenierodebe comprender antes que nada y de una manera clara las definiciones y términos que seasignan a éstas relaciones para poder lograr un conocimiento cabal de las propiedades delos suelos y las rocas.

12.- Es la relación entre el peso del agua y el peso de los sólidos. Se expresa en porcentaje:

ω=

x 100 .Físicamente representa la cantidad de agua contenida en el suelo.


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13. - Es la razón entre el volumen de vacíos y el volumen de los sólidos: e =

.Es un valor

adimensional que siempre se expresa como un número decimal.

14.- En la práctica los valores menores están alrededor de 0,25 y 0,30 para arenas muy

compactas y los mayores valores encontrados están alrededor de 15 para arcillas lacustres.

15. - Es la relación entre el volumen de vacíos y el volumen de la muestra: n=

x 100.Esta

relación a menudo se expresa en porcentaje, pero en los cálculos de ingeniería se usacomo un decimal.16.- Es la relación entre el volumen de agua contenido en la muestra y el volumen de vacíos de

la muestra. S=

x 100. Esta relación se expresa en porcentaje, pero en los cálculos de

ingeniería se usa como un decimal.

17.- Un suelo seco tiene grado de saturación.

18.- Un suelo saturado tiene grado de saturación igual a 100.19. - Es la relación entre el peso de la masa de suelo y el volumen que ella ocupa:

γ=

=

20.- Es un caso específico del peso unitario del suelo, cuando éste está totalmente saturado:

γsat=

=

Para S= 100%

21- Es el peso unitario del suelo cuando no hay agua en la muestra.

γd=

=

Para S= 0%

22- Define el peso de los sólidos en relación al volumen que ocupan.

γs=

=

23- Representa el peso unitario del suelo cuando está sumergido en agua. Se calcula comoel peso del suelo menos el peso de agua que desplaza por unidad de volumen

γ´= .γ

=

-

γw = γsat - γw =

24 Define la relación del peso unitario del suelo con el peso unitario del agua. Es un valor

adimensional G =

25 Es la relación entre el peso de los sólidos y el peso de un volumen de agua igual al que

los sólidos están ocupando Gs=

.γ =


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26 Los valores típicos de Gs para los sólidos del suelo está entre 2,60 y 2,75.

27 Es la comparación entre la relación de vacíos en condición natural de un suelo y lasrelaciones de vacío de ese mismo suelo en sus estados más compacto y más suelto posible, se expresa en

porcentaje Dr =

x 100

28 Es una propiedad muy importante en suelos granulares pues mide su compacidad.

29.- γ =

30.- S =

31.- γh =(γ(ω))

ω

32.- γsat =

33.- γsat =(ω)

ω

34.- γd =

35.- γd =

ω/

36 a) Contenido de humedad = 27,4% b) Peso unitario seco =1,54 g/cm3

37 a) Peso unitario saturado= 2g/cm3 b) Gravedad específica de los sólidos del suelo= 2,67. e) Contenido de humedad = 25,1%

38 a) Contenido de humedad = 23,2% b) Relación de vacíos = 0,80 e) Grado desaturación= 78,5% d) Porosidad = 44,4%

39 a) Relación de vacíos máxima = 1,1 b) Gravedad específica de los sólidos del suelo =2,76.

40 a) Relación de vacíos = 0,619 b) Grado de saturación = 42,8% e) Porosidad = 38,2%

d) Cantidad de agua = 81,8 litros de agua.

41. - Densidad relativa = 31,9%

ACTIVIDAD N° 3

42.- Se pueden clasificar en: físicas, índice y mecánicas.

43.- Densidad, tamaño y distribución de las partículas, gravedad específica y contenido de humedad.

44.- Son aquellas que no consideran la influencia de factores externos, las más importantes son: límitelíquido, límite plástico, límite de contracción, granulometría, densidad relativa.

45.- Indican el comportamiento de los suelos bajo esfuerzos inducidos y cambios del medio ambiente.


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46.- El análisis granulométrico o granulometría de un suelo consiste en determinar cuantitativamente ladistribución de las partículas por rangos de tamaño. Dependiendo el tamaño de los granos del suelo puede ser por tamizado, por sedimentación o una combinación de ambos métodos.

47.- Tomando en cuenta el tamaño de las partículas se distinguen los tipos de suelo que se describen a

continuación:Fragmentos de roca. Retenido en el tamiz 3"

Gravas gruesas. Pasante en 3" y retenido en 3/4"

Gravas finas. Pasante en 3/4" y retenido en N° 4

Arena gruesa. Pasante en N° 4 y retenido en N° 10

Arena media. Pasante en N° 10 y retenido en N° 40

Arena fina. Pasante en N° 40 y retenido en N° 200

Limas. Pasante en N° 200. Partículas > 0,002 mm

Arcillas. Pasante en N° 200. Partículas < 0,002 mm

ACTIVIDAD N° 4

48.- En Mecánica de suelos puede definirse la plasticidad como la propiedad que tiene un material por lacual es capaz de soportar deformaciones rápidas, sin variaciones volumétricas apreciables y sindesmoronarse ni agrietarse.

49.- Los experimentos realizados por Atterberg, Terzaghi y Goldschmidt han revelado que la plasticidaden los suelos se debe a la carga eléctrica de las partículas laminares, que generan campos que actúancomo condensadores y forman capas de agua sólida y viscosa o capa adsorbida cuyo efecto en lainteracción de las partículas de suelo determinan su plasticidad.

50.-La consistencia es la mayor o menor resistencia que ofrece el suelo para cambiar de forma. Es lamedida de la plasticidad del suelo, y es función del contenido de agua y de los minerales de arcilla de lasfracciones fina y muy fina del suelo.

51. - Dos tipos de consistencia: el primer tipo referido a la consistencia en estado natural o inalterado, yel segundo a suelos amasados o alterados.

52. - A través de la resistencia a la compresión simple El valor de la resistencia a la compresión simplese obtiene ensayando una muestra inalterada de suelo tallada en forma cilíndrica, a la cual se aplica unesfuerzo uniaxial a velocidad constante, el esfuerzo se incrementa hasta llevar el suelo a la falla,obteniéndose qu o resistencia a la compresión simple como el valor más alto de esfuerzo soportado porla muestra.

53.- Los estados de consistencia en suelos inalterados son: blando, compacto, resistente y duro.

54.- Se mide a partir de la realización de los ensayos de límite líquido, límite plástico y límite decontracción.

55. - La plasticidad no es una propiedad permanente de las arcillas, sino dependiente de su contenido dehumedad. Después que un suelo ha sido amasado su consistencia puede ser variada a voluntad,aumentando o disminuyendo su contenido de humedad. Así por ejemplo, si se tiene un barro arcillosolíquido y se va reduciendo lentamente su contenido de humedad, se verá como gradualmente el suelo pasa del estado líquido al estado plástico y finalmente al estado sólido.


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56.- Líquido, plástico, semisólido y sólido.

Estado líquido. El suelo tiene la consistencia de un líquido de alta viscosidad, pudiendo producirse elflujo del mismo bajo ciertas condiciones. Su resistencia al corte es nula.

Estado plástico. El suelo tiene la consistencia de un material plástico y blando que le permite deformarse

sin roturas ni agrietamientos.Estado semisólido. El suelo ha dejado de ser plástico, pero las variaciones de humedad producencambios en el volumen del suelo.

Estado sólido. El suelo no cambia su volumen aún cuando esté sometido a variaciones de humedad. Suresistencia es alta y su consistencia puede ser dura y frágil.

57.- Límite líquido. Es el contenido de humedad de un suelo por debajo del cual deja de comportarsecomo un líquido, adquiere resistencia al corte y es moldeable. El rango de variación del límite líquido puede estar entre 0 y 1000, pero la mayoría de los suelos tienen valores menores de 100.

58.- Límite plástico. Es el contenido de humedad de un suelo cohesivo por debajo del cual pierde su plasticidad. Es la frontera entre los estados plástico y semisólido. El rango de variación del límite

plástico puede estar entre 0 y 100, pero la mayoría de los suelos presentan valores menores de 40.59.- Límite de contracción. Es el contenido de humedad por debajo del cual una pérdida de humedad porevaporación, no trae aparejada una reducción de volumen. Es el límite o frontera entre los estadossemisólido y sólido.

60. - El contenido de humedad al cual se produce el paso de un estado a otro, es muy diferente para lasdiferentes arcillas, y por ello, esos contenidos de humedad pueden ser utilizados para identificar ycomparar las arcillas entre sí. Por esto, los valores de estos límites y los índices asociados con ellos,constituyen parámetros muy útiles en la caracterización y clasificación de suelos.

61. - En el laboratorio se determina de la siguiente manera: con la mezcla de material pasa40 yagua destilada cuyo contenido de humedad esté próximo al límite líquido, se llena unacápsula de volumen conocido, expulsando las burbujas de aire a medida que se va llenando

(golpeando el recipiente contra una superficie dura). Se enrasa y se pesa, obteniéndose asíel volumen y peso inicial de la muestra. Se deja el recipiente al aire libre para que vaya perdiendo humedad gradualmente y contrayéndose uniformemente. A los dos o tres días selleva al horno por 24 horas concluyendo el secado. El volumen final de la muestra se mide por desplazamiento de mercurio.

El valor numérico del límite de contracción se determina por medio de la siguiente expresión

62. - La determinación del límite de retracción resulta particularmente importante en suelosexpansivos, para el análisis de retracción.

63.- Indica la magnitud del intervalo en el cual el suelo posee consistencia plástica. Secalcula por medio de la siguiente expresión: Ip= LL - LP

64.- El índice de consistencia es una medida de la consistencia del suelo en estado natural, se calcula

con la siguiente expresión: Ic =

65. - El índice de liquidez es el rango de variación de humedad del suelo en estado líquido. Se calcula

por medio de la siguiente expresión: IL =


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66.- El índice de retracción es un indicativo del potencial de retracción del suelo. Se calcula por medio de la ecuación que a continuación se presenta: Ir= LP - LC

67.- El Índice de actividad de la arcilla fue definido por Skempton y sirve como indicadordel potencial de variación de volumen de la arcilla, se calcula por medio de la siguiente expresión:

Ac = %μ

68.- Una arcilla puede tener varios rangos de actividad de acuerdo a este índice. Se dice que la arcilla esinactiva cuando Ac es menor de 0.75; normal cuando Ac está entre 0.75 y 1.25; y activa cuando Ac esmayor de 1.25.

ACTIVIDAD N° 5

69.-Un sistema de clasificación de suelos es un ordenamiento de los diferentes suelos en grupos quetienen propiedades similares. Su propósito es dar facilidades para estimar las propiedades o aptitudes deun suelo por comparación con suelos de la misma clase cuyas propiedades se conocen.

70.- El suelo tiene muchas propiedades diferentes que son de interés en ingeniería y las posibilidades decombinaciones es también muy extensa, lo que hace impracticable la existencia de un sistema declasificación que abarque todas las posibilidades. Por eso existen sistemas de clasificación donde lossuelos son agrupados de acuerdo al carácter particular de la obra de ingeniería para la cual se desarrollóla clasificación.

71. - Los sistemas más usados son los siguientes:

Sistema P.R.A., (Public Road Administration) usado en carreteras .

Sistema AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials)usado para evaluar la construcción de sub rasante s de carreteras y terraplenes.

Sistema SUCS (Sistema Unificado de Clasificación de Suelos), usado en presas de tierra,canales, pistas de aeropuertos, fundaciones, carreteras.

72.-Estos sistemas de clasificación utilizan pruebas muy sencillas de tipo indicativo corno lagranulometría y los límites de consistencia (límite líquido y límite plástico)

73) Suelo A = A-6 (1). Suelo B = A-7-6 (14). Suelo C = A-2-7 (1)

74) Suelo A= SC. Suelo B = GW. Suelo C = CH


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BIBLIOGRAFIA

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mecanica de suelos temas 3 y 4

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