DOCUMENTO - CLASIFICACIÓN DE SUELOS - santamarina

7/22/2019 DOCUMENTO - CLASIFICACIN DE SUELOS - santamarina

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CLASIFICACIN DE SUELOS: FUNDAMENTO FSICO,PRCTICAS ACTUALES Y RECOMENDACIONES

Guillermo A. Narsilio y J. Carlos Santamarina*

Georgia Institute of Technology. 790 Atlantic Dr., Atlanta, GA. 30332. [email protected] y [email protected]

RESUMENLa relevancia del Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos (IRAM 10509) se torna evidentecuando se analiza desde la perspectiva del comportamiento fundamental de los materialesgranulares. Este anlisis tambin denota parmetros importantes en el comportamiento de los suelosque no son adecuadamente considerados en la rutina del laboratorio geotcnico. Entre ellos seincluyen la superficie especfica, la forma de las partculas, el grado de saturacin, la rigidezcortante a baja deformacin, la variabilidad espacial, la relacin de vacos de campo, y los

parmetros del estado crtico. Este documento presenta una discusin sucinta de estos parmetros yla descripcin detallada de nuevas tcnicas sencillas y accesibles que facilitan la cuantificacineficaz de los mismos.

ABSTRACTThe relevance of the Unified Soil Classification System (USCS) becomes evident when it isanalyzed taking into consideration the particulate nature of soils. Furthermore, a fundamentalanalysis helps identify important soil parameters that are not adequately considered in routinegeotechnical laboratory practice. These parameters include: specific surface, particle shape,saturation, small-strain shear stiffness, spatial variability, in-situ void ratio and critical state soil

parameters. This manuscript includes a brief discussion of these parameters and a detaileddescription of simple yet effective procedures that can be used for their quantification.

PALABRAS CLAVE: clasificacin de suelos, ensayos de laboratorio, superficie especfica,variabilidad, bender elements, estado crtico, forma de las partculas.

1. INTRODUCCINEl comportamiento de los suelos es complejo debido a la naturaleza granular y a la coexistencia de

partculas slidas con fluido intersticial que generalmente est compuesto por ms de un fluido (agua,contaminantes orgnicos e inorgnicos, gases como ser aire o metano, etc.). El entendimiento actualdel comportamiento de los suelos ha evolucionado a travs del siglo XX, incluyendo esfuerzos

efectivos (Terzaghi en los aos 20), coloides y arcillas (Goy, Chapman en los 10, Lambe yMitchell en los 50), dilatacin en corte (Taylor 1948 y Estado Crtico con Roscoe, Schofield yWroth en los 60), fase fluida mixta y suelos no saturados (Bishop, Aitchinson, Fredlund yMorgenstern en los 60). Una nueva etapa se anticipa actualmente con el estudio de la geo-qumicamediada por microorganismos (ver Figura 1).Las distintas clasificaciones de suelos intentan capturar y describir este complejo material en vista aaplicaciones especficas, con sus correspondientes necesidades: construccin de caminos y

pavimentos, agricultura, minera o geomecnica. Las diferentes clasificaciones incluyen: 1) elsistema unificado de clasificacin de suelos SUCS, 2) el sistema de la American Association ofState Highway & Transportation Officials AASHTO, 3) el mtodo propuesto por la FederalAviation Administration FAA, 4) el sistema de US Department of Agriculture USDA, y 5) la

taxonoma del Eurocdigo, entre otros.


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Figura 1:El comportamiento geo-mecnico es afectado por la interaccin entre las diferentes fasesen el suelo.

El sistema de la AASHTO (AASHTO M 145-82) fue originalmente desarrollado en los aos 20.Est basado en caractersticas de estabilidad de los suelos empleados en la construccin de caminos.Se fundamenta en distribucin granulomtrica, lmite lquido y lmite plstico. Los tamices estndar#10, #40 y #200 (aberturas de 2 mm; 0,42 mm y 0,075mm respectivamente) son de vitalimportancia. El procedimiento del Departamento de Agricultura de EEUU (USDA por sus siglas eningls) clasifica los suelos por la granulometra en un tringulo de textura considerando el contenidode arena, limo y arcilla. Al igual que la USDA, la clasificacin propuesta por la Federal AviationAdministration (FAA) no contempla a las gravas en forma directa. El Eurocdigo 7, orientado al

diseo geotcnico, propone una clasificacin basada en los siguientes ensayos: contenido dehumedad y densidad, densidad de partculas, anlisis granulomtrico, lmites de Atterberg, ensayode ndice de densidad para materiales granulares, dispersibilidad del suelo y susceptibilidad acongelamiento.El anlisis detallado del SUCS en base al comportamiento fundamental de los suelos se presenta enla prxima seccin, seguida por la identificacin de parmetros importantes que requierencaracterizacin apropiada.

2. ANLISIS FUNDAMENTAL DEL SISTEMA UNIFICADOEl Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos, SUCS (IRAM 10509 y ASTM D 2487 y 2488) esel de uso ms extendido en la prctica geotcnica. Fue inicialmente propuesto por Arthur

Casagrande en 1932, tentativamente adoptado por el Departamento de ingeniera de los EEUU en1942 y definitivamente presentado a la ASCE en 1948 (Casagrande 1932, 1948). La U.S. ArmyCorps of Engineers comenz a emplearla en 1953 en tanto que la U.S. Bureau of Reclamation lohizo en 1974. Est basado en el anlisis granulomtrico y en los lmites de Atterberg (lmiteslquido y plstico) de los suelos.La primera y ms importante decisin esta dada por el contenido de finos, definido como elcorrespondiente a partculas de dimetro equivalente menor a 0,075 mm, pasante del tamiz #200. Simenos del 50% en peso del suelo pasa el tamiz #200, entonces el suelo es grueso y se subclasificaen arena o grava usando el tamiz #4. De otro modo, el suelo es fino y se subclasifica en limo oarcilla, usando los lmites de plasticidad. La Figura 2 presenta un esquema simplificado del SUCS.

Terzaghi

(1920)

Aitchison

Bishop

(1962)

Fredlund

Morgenstern

(1967)

1900 1950 2000

1. Slidos2. Lquidos

(seco o saturado)

1. Slidos

2. Lquidos

3. Gases

(parcialmente sat.)

1. Slidos

2. Lquidos

3. Gases

4. Microorganismos

?

(20??)

Evolucin de la concepcin de los suelos en la geomecnica

Tiempo


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Figura 2:Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos. Est basado en el anlisis granulomtrico

y los lmites de Atterberg. El tamao de las partculas determina la naturaleza de las fuerzas quegobiernan el comportamiento de los suelos. Fuerzas de naturaleza elctrica (fuerzas atractivas yrepulsivas de van der Waals) predominan en partculas menores a 75 m (Tamiz #200).

La importancia del tamiz #200 se hace evidente cuando se analizan las fuerzas dominantes sobre laspartculas, incluyendo las de peso propio, las fuerzas debidas a los esfuerzos efectivos, fuerzaselctricas, y fuerzas capilares. La Figura 2 (parte superior) muestra la correlacin existente entre eltamao equivalente de las partculas y la naturaleza de las fuerzas gobernantes. Ntese que lostamices #200 y #4 logran capturar estos lmites.Desde el punto de vista del diseo, la velocidad de disipacin del exceso de presin de porosdiscrimina entre anlisis en condiciones drenadas o en condiciones no drenadas. Tpicamente,las condiciones de carga drenadas estn asociadas a suelos de grano grueso, en tanto que las decarga no drenadas, a suelos de grano fino. Sin embargo, un suelo de grano grueso pero con la


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presencia de slo ~10% de finos ve afectada grandemente su permeabilidad, haciendo que su valorcambie en rdenes de magnitud. Consecuentemente, el SUCS tiene un rango del 5% al 12% decontenido de finos que modifica la clasificacin de suelos. En efecto, un suelo granular con relacinde vacos e~0,6 colmata su espacio intersticial con ~5% a 15% de finos. En la ausencia de finos, elempaquetamiento de granos en suelos gruesos (gravas o arenas) depende del coeficiente de

uniformidad Cu = D60/D10 ; este determina las mximas y mnimas relaciones de vaco que undeterminado suelo granular puede alcanzar (ver tambin Seccin 3.4). El coeficiente de curvaturaCc=D30

2/(D10.D60) agrega informacin acerca de la convexidad de la curva granulomtrica,indicando la presencia de dimetros extremos.Por otro lado, los lmites de Attergerg son escogidos para clasificar los suelos finos. Estos ensayoscuantifican la superficie especfica, cuya importancia se detalla en la Seccin 3.1, y la formacin defbrica. Los ensayos de lmites de consistencia deben ser realizados con el mismo fluido que estarinvolucrado durante la vida til del proyecto ya que diferentes iones y concentraciones afectan lacapa difusa y las fuerzas de repulsin.

3. TCNICAS SENCILLAS COMPLEMENTARIAS PARA LA CLASIFICACIN DE

SUELOSEl entendimiento del comportamiento de los suelos permite reconocer parmetros que no sonadecuadamente considerados en la clasificacin del SUCS y en la rutina del laboratorio geotcnico,incluyendo: superficie especfica, mximo modulo cortante, parmetros del estado crtico, forma delos granos y variabilidad espacial de las propiedades. A continuacin, se presenta una discusinsucinta de estos parmetros y la descripcin detallada de tcnicas sencillas para cuantificarlos. Suincorporacin a la rutina del laboratorio promueve un mejor entendimiento del comportamiento delos suelos. (Nota: otros parmetros de crucial importancia incluyen el grado de saturacin y larelacin de vacos de campo. Su determinacin va ms all del objetivo de este manuscrito). Unalista de trabajos previamente realizados se presenta al final de este manuscrito, en ellos se proveemayor detalle de cada uno de estos procesos y su interpretacin geotcnica.

3.1 SUPERFICIE ESPECFICA Se ABSORCIN DE AZUL DE METILENOLa superficie especfica Sees definida como la relacin ente la superficie de una partcula Apy sumasa m. Resulta una medida independiente y complementaria al anlisis granulomtrico. Su valordetermina el balance entre fuerzas capilares, elctricas y gravimtricas actuantes sobre las partculas,afecta la fbrica, la permeabilidad, y controla la adsorcin y retardacin durante la difusin qumica.(Santamarina et al. 2001). La Tabla 1 muestra la superficie especfica terica para diferentesgeometras. Las ecuaciones en esta tabla confirman que la Se est controlada por la menordimensin de las partculas.Los lmites de Atterberg, son una expresin de la superficie especfica de los suelos. Efectivamente,

para una capa de agua absorbida de espesor hel contenido de humedad wpara partculas aplanadases:

weShw = (1)

siendo w la densidad del agua. Evidencia experimental confirma que el lmite lquido se relacionacon la Se(Farrar y Coleman 1967):

34[%]8,1]/[ 2 = LLgrmSe (2)


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Tabla 1: Superficie especfica terica para distintas geometrasForma o Geometra Dimensiones Ejemplos Superficie especfica

Esferas y cubos

Dimetro (o lado)D Alofanassw

eGD

S

=

6

Cilindros y primasDiametro (o lado)D,largoL (conL>>D)

Haloisita,Imogolita

sw

eGD

S

=

4

Formas aplanadasEspesor t, anchoD,ylargoL (con t>>L>D)

Montmorillonita,Caolinita, Mica

sw

eGt

S

=

2

w= densidad del agua, Gs= gravedad especifica, Se =superficie especifica

Existen diferentes tcnicas para la determinacin de la Se: 1) absorcin de molculas de unasolucin - mtodo aconsejado en suelos expansivos; 2) absorcin de molculas en estado gaseoso,como por ejemplo nitrgeno, vapor de agua o CO2; y 3) otras tcnicas basadas en propiedadestermodinmicas, en difusividad de los patrones de difraccin de rayos X, o en propiedadeselctricas.La tcnica de absorcin de azul de metileno corresponde al primer grupo. Es una tcnica sencilla,econmica y conveniente para cualquier laboratorio. El catin de Azul de Metileno, AM, tieneforma prismtica de dimensiones 17 x 7,6 x 3,25. La superficie mxima cubierta por un catinde AM es ~130 2, aunque puede ser menor dependiendo de la orientacin del catin con respecto ala superficie de la arcilla que lo absorbe. Los cationes de una solucin acuosa de cloruro azul demetileno (peso molecular 319,87 g/mol, Figura 3) son absorbidos por las cargas negativas de la

superficie de las arcillas. La Sees computada con la cantidad del AM absorbido. Los pasos a seguiren la tcnica de absorcin de AM utiliza capilaridad en papel de filtro para detectar exceso de catinAM:

CH3

H3C

N

N

CH3

CH3

-Cl

+S N

Figura 3: Estructura del catin de azul de metileno, correspondiente al Cloruro azul de metilenoC16H18N3S

+.Cl- , de acuerdo a estndar DIN 58981. La mxima superficie cubierta por un catin es

de 130

2

.


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1. Preparar la solucin acuosa de AM mezclando 1,0 gr. de polvo seco de AM con 200 mL deagua deionizada.

2. Preparar una suspensin de suelo mezclando 10,0 gr. de suelo secado a horno con 30 mL deagua deionizada.

3. Agregar la solucin de AM a la suspensin de suelo en incrementos de 0,5 mL.

4. Mezclar la suspensin durante un minuto para dar tiempo al catin AM de ser absorbidosobre la superficie mineral, reemplazando los cationes en la capa difusa.5. Colocar una gota de la suspensin sobre papel de filtro tipo P5 (~95 g/m2, ~4 mL/min de

flujo; por ejemplo Fisherbrand P5). La gota se absorbe por capilaridad formando una marcacircular.

6. Terminar el ensayo cuando un halo azul claro se forma concntricamente alrededor de lagota sobre el papel, como muestra la Figura 4. Este punto final indica exceso de AM en elfluido, es decir, saturacin de la superficie mineral.

7. Registrar el numero Nde incrementos de 0,5 mL de AM necesarios para alcanzar el puntofinal y computar la Secomo:

( )gr

ANmLNmLmolgr

grS AMAve10

15,0200

1/87,319

1 = (3)

dondeNAv= 6,02 x 1023molculas/moles el Nmero de Avogadro y AAMes el rea cubierta por un

cation de AM, asumida generalmente en 130 2.

Figura 4:Determinacin de la superficie especfica con solucin de Azul de Metileno. a) Gota dela suspensin mineral sobre papel de filtro tipo P5 antes del punto final. b) Gota despus delpunto final cuando un haloazul claro se forma alrededor.

a) Antes del punto final b) Despus del punto final

25 mL 35 mL


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3.2 MDULO DE CORTE MXIMO GMAX BENDER ELEMENTSUno de los parmetros del suelo ms importante es su mximo mdulo cortante Gmax. Clculos dedeformaciones, diseo de fundaciones sujetas a cargas dinmicas, evaluacin del potencial delicuefaccin, y el monitoreo de mejoramiento de suelos son algunas de las tareas ingenieriles que seapoyan en este parmetro. El valor de Gmaxpuede ser fcilmente obtenido en celdas de laboratorio

mediante el uso de bender elements a travs de mediciones de velocidad de propagacin de ondasde corte Vs, que relaciona el modulo Gmaxcon la densidad del suelo s:

2max ss VG = (4)

Los fenmenos de piezoelectricidad fueron descubiertos por Jacques y Pierre Curie in 1880: cuandouna carga mecnica es aplicada a un piezo-material, la estructura molecular distorsiona el momento

bipolar del cristal y un voltaje es generado; recprocamente, si una diferencia de potencial esaplicada, el piezocristal se deforma. Los bender elements (elementos flexantes) son transductores

piezoelctricos bicapa y consisten de dos electrodos externos, dos capas de un piezocermico y una

membrana metlica en el centro (Figura 5-a). Los bender elements pueden ser construidos paraconexin en serie o en paralelo, tal como muestra la Figura 5. La conexin en paralelo provee dosveces el desplazamiento de la conexin en serie y se prefiere como fuente.

Cable coaxial

Cable coaxial

V

V

Direccin de

polarizacin

Direccin de

polarizacin

Electrodo exterior

Material Piezoelctrico


Electrodo exterior

Anclaje

Membranametlica

Electrodo exterior



Electrodo exterior

Anclaje

Membrana

metlica

Anclaje

"Bender

element"

Figura 5:Bender elements: a) Configuracin en paralelo. b) Configuracin en serie. c) Vista deun bender element en su anclaje.

Las dificultades asociadas al uso de estos transductores para generar y recibir ondas de corte en lamasa de suelo son: cross-talk debido al acoplamiento electromagntico a travs del suelo,generacin simultnea de ondas P (primarias, o compresionales) y ondas S (secundarias o de corte),efectos del campo cercano y determinacin del primer arribo de la onda S. El procedimiento quese especifica a continuacin minimiza o anula estas dificultades.La Figura 6 muestra un esquema de montaje y configuracin experimental tpica. El uso de dosbender elements con configuracin en paralelo como fuente y receptor anula el efecto de cross-talk si los electrodos externos son conectados a tierra. Una vez conectados, los bender elements se

b)

a) c)


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pintan o baan con poliuretano para aislarlos. Finalmente, se los cubre con pintura conductivaconectada a tierra para evitar ruido elctrico.La generacin simultnea de ondas P y S puede afectar la recepcin (Figura 6, ondas de compresinP+ y rarefaccin P- son generadas en la regin inmediata normal al plano del bender element).Dado que las ondas P son ms veloces que las S, conviene que la relacin entre la distancia entre

extremos de los transductoresLy el radio del espcimen Rsea:

LR

>212

1 (5)

donde es la relacin de Poisson del suelo. Tentativamente, para suelos no saturados, R>0,6L; ypara suelos saturados,R>3,7 L.

Ondas P+

Osciloscopio o

Adquisicin seales

1 arrivo

(Canal 1)

(Canal 2)

Generador

de seales

Celda odmetro o triaxial

Suelo

Onda S

R

Ondas P-

L

Figura 6:Montaje de bender elements en odmetro o en celda triaxial para la determinacin develocidad de transmisin de onda de corte, Vs. La seal de entrada (canal 1) es una funcin escaln.El primer arribo es determinado en el cero despus de la primera inflexin en la seal de salida(canal 2). Luego, Vs= L / t, siendo tel tiempo transcurrido entre el inicio de la funcin escaln yel primer arribo, yLla separacin entre los extremos de los bender elements.

La frecuencia de resonanciafrde los bender elements rodeados de suelo depende de la densidadsy velocidad Vsdel suelo y de la longitud en voladizo Lb(fuera del anclaje) del piezomaterial. Suvalor estimado es:

( )

( ) ( )

+

++

=bsbb

bs

b

b

rLbLtb

LVL

IE

f2

2

3

4 )1(2875,1

2

1 (6)

dondeEb es el mdulo elstico del peizocristal, tpicamenteEb= 6,2x1010N/m2; su densidad b=

7500 kg/m

3

; y by tson el ancho y espesor del bender element respectivamente.

t


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La respuesta de estos transductores se ve mejorada cuando la seal de entrada tiene una frecuenciacercana a la de resonancia. Sin embargo, cuando fr resulta desconocida o cuando sta cambiarpidamente durante el ensayo, es conveniente emplear una funcin escaln como seal de entrada(Figura 6).Finalmente, es importante remarcar que la extraccin de muestras altera el valor de Gmax, an en

muestras bloques. Por ello, la medicin de campo con cross-hole o cono ssmico es siempreventajosa.

3.3 PARMETROS DEL ESTADO CRTICO PROCEDIMIENTO SIMPLIFICADOTaylor (1948), Roscoe, Schofield y Wroth (1958) y Schofield y Wroth (1968) desarrollaron elconcepto de mecnica de suelos en estado crtico, el cual constituye uno de los criterios msrobustos para el diseo por resistencia. Los parmetros del estado crtico son tpicamentedeterminados a partir de ensayos triaxiales. Sin embargo, su uso no es de prctica comn en laingeniera geotcnica debido a su alto costo. Un mtodo simplificado para la determinacin de los

parmetros del estado crtico en suelos arenosos se describe a continuacin. El mtodo resultaconfiable, econmico y rpido, y puede ser utilizado tanto en laboratorio con en campo. Es

esencialmente una forma muy simplificada de un ensayo triaxial axisimtrico. La Figura 7 muestralos componentes del equipo y la configuracin experimental.

Tubo transparenteAgua

Cabezal inferior

Suelo

Membrana

Piedra

porosa

Vlvula 0

Sistema de

vaco

Nivel

de agua

No a escala.

Dimensiones en mm.

Anillo de goma

Figura 7: Instrumentos y configuracin experimental para la determinacin de parmetros delestado crtico de suelos por el mtodo simplificado.

Bomba de vaco, una membrana de ltex fina, dos cabezales, dos anillos de goma (O-rings), uncilindro graduado, una piedra porosa y un tubo semi-rgido transparente (se sugiere Tefln,dimetro interno 0,46 cm y presin nominal mxima 1700 kPa) completan el equipo. El cabezal

superior con la piedra porosa se conecta a un extremo del tubo transparente (para monitorear el


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cambio de volumen en el suelo) y el otro extremo de tubo se conecta a un sistema de vaco (paraaplicar confinamiento).Los pasos a seguir son:

1. Determinar el ngulo de friccin en estado crtico siguiendo el procedimiento explicado enla Figura 8: ec.

> 60

ec

Figura 8:Mtodo simplificado para determinar el ngulo del estado crtico: a) verter el suelo en uncilindro de 1000 mL lleno de agua. b) Voltear al cilindro un ngulo mayor a 60 con la vertical. c)retornar lentamente el cilindro a su posicin vertical y medir el ngulo de reposo en la zona centralde la pendiente.

2. Mediciones preliminares para la determinacin de la lnea crtica en e lnp:

a. Seccin transversal interna del tubo semi-rgido transparente:At.b. Peso especfico del agua corregido por temperatura: w.c. Volumen del equipo que contiene al suelo: Colocar los cabezales, la membrana, los

anillos de goma, la piedra porosa y una longitud predeterminada del tubo en unfrasco graduado con agua y medir el volumen desplazado: Vd.

3. Mezclar aproximadamente 300 gr de suelo con 2 L de agua y de-airear la mezcla ya seaaplicando vaco o hirvindola.

4. Preparar el espcimen bajo agua, vertiendo gradualmente suelo en la membrana, hasta unaaltura de aproximadamente dos veces el dimetro. El tubo semi-rgido debe estar lleno deagua hasta la altura predeterminada en el paso 2. No compactar el suelo.

5. Colocar el cabezal superior y sujetar la membrana con el anillo de goma. Aplicar mximovaco y aplastar el espcimen para remover el aire atrapado. Liberar el vaco y dar formacilndrica manteniendo el espcimen en estado suelto.

6. Aplicar vaco a la muestra, c.7. Aplicar presin vertical a mano o con una mordaza hasta obtener una deformacin vertical

de aproximadamente 40%. Anotar el nivel del agua, hi.8. Liberar el vaco, rotar repetidamente la muestra hacia arriba y abajo, y remoldearla a mano

para que tome su forma cilndrica original. El espcimen debe quedar suelto y homogneo.9. Repetir pasos 7 y 8 unas 5 veces a diferentes niveles de vaco, registrando ciy hci, donde

i=1,2,5.10.Marcar un nivel de agua de referencia, h0, a un nivel de vaco intermedio y medir el

volumen total de la muestra de suelo con el resto del equipo, Vt. como en el paso 2-c.11.Desarmar el equipo y determinar el peso del suelo seco, Ws.

a) b) c)


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12.Determinar la correccin por rigidez de la membrana: inflar la membrana de modo deobtener una deformacin lateral similar a la observada durante el ensayo y registrar esta

presin, m (Santamarina y Cho 2001 reportan m= 7 kPa, para 40% deformacin axial yun dimetro mximo igual a 1,6 veces el dimetro inicial).

Este procedimiento permite obtener la pendiente de la proyeccin de la lnea de estado crtico en

el espacio p- q (Cambridge), la pendiente de la proyeccin en el espacio e-ln(p/1kPa), y larelacin de vacos que es la ordenada al origen a p=1kPa. Los cmputos necesarios sonresumidos a continuacin:

ec )(3

)(6

ec

ec

sen

sen

p

qM

== (7)

3 mcii += ( )

=)(13

)(33

ec

ec

iisen

senp

(8)

)/( wsss GWV = sdtw VVVV =0

ii hhd = 0 tii AdV = iwwi VVV = 0

s

wswi

iW

GVe

= (9)

3.4 FORMA DE LAS PARTCULAS CARTAS DE IDENTIFICIACINDada la naturaleza granular de los suelos, la forma de las partculas tienen una influencia importanteen su comportamiento, sobre todo en suelos de grano grueso (Leonards 1950). La forma de losgranos se establece a tres escales diferentes: 1) esfericidad, 2) redondez (versus angularidad), y 3)rugosidad superficial (a la escala de los contactos inter-granulares). La esfericidad S se determina

como la relacin entre el radio de la mxima esfera inscripta en el grano rmaxy el radio de la esferams pequea circunscripta en l rmin (otras definiciones pueden ser adoptadas - Hawkins 1993). LaredondezRse define como el radio de curvatura promedio de la superficie granular con respecto alradio de la esfera ms grande que puede ser inscripta en la partcula. Tanto Scomo Rpueden seridentificados fcilmente mediante el uso de cartas de identificacin (en 2D), como la que se

presenta en la Figura 9. La determinacin directa de la rugosidad requiere la utilizacin de tcnicasmicroscpicas an en partculas gruesas, por ejemplo: microscopio ptico focal, microscopioelectrnico, o microscopio de fuerza atmica.La angularidad de las partculas afecta el arreglo de los granos en un suelo. Partculas menosangulares tienden a formar arreglos ms densos o compactos. La importancia relativa de laangularidad con respecto al coeficiente de uniformidad Cu en la relacin de vacos mxima y

mnima de arenas se denota claramente en la Figura 10.Desviaciones de esfericidad controlan la anisotropa inherente (durante la formacin del depsito) einducen anisotropa en resistencia, fbrica, conduccin, rigidez y difusin (Casagrande 1932,Leonards 1950). La Tabla 2 resume evidencia terica y experimental de los efectos de la geometrade las partculas en las propiedades de los suelos.


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Figura 9:Carta de Esfericidad Sy Redondez R(Krumbein y Sloss 1963).

Figura 10: Variacin de las relaciones de vacos extremas emax y emin con el coeficiente deuniformidad Cu=D60/D10y la redondezR(modificado de Youd 1973).

maxr

NrR

i= 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9

0,9

0,7

0,5

0,3

min

max

r

rS=


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Tabla 2: Efectos de la geometra de las partculas en ciertos parmetros de los suelos.Parmetro Relacin con la Geometra de las partculas

Relacin de vacos mxima, emax Re /154,0554,0max += (Para Cu=1)

Relacin de vacos mnima, emin Re /082,0359,0min += (Para Cu=1)

Anisotropa de rigidez:

Para ondas P min

max

min

max

L

L

V

V

P

P =

(teora de Hertz)

Para ondas S 5,11,1min

max aV

V

S

S =

(experimentalmente)

Resistencia a friccin a volumen constante, vc Rvc = 1742

Angulo mximo de dilatancia, )30tan()tan(

=T

N

L

L (terico)

Superficie especfica, Se

Cte=funcin(geometra de la partcula) Vase Tabla 1. swe

GL

CteS

=

min

Nota: Res la redondez, Cues el coeficiente de uniformidad, Lmaxy Lminson las dimensiones mxima y mnima delos granos, VP-max es la velocidad de onda P en la direccin de la mxima dimensin de los granos, LNy LTson lasdimensiones de los granos en las direcciones de aplicacin de fuerzas Normales y Tangenciales .

Fuentes:Youd (1973), Chan y Page (1997) , Santamarina et al.(2001)

3.5 CONDUCTIVIDAD ELCTRICA DEL FLUIDO INTERSTICIALREFRACTMETRO DE SALINIDADLa conductividad elctrica de los suelos refleja el movimiento de iones en respuesta a la aplicacinde una diferencia de potencial. Los principales factores que afectan la conductividad elctrica son la

porosidad, el grado de saturacin, la fbrica, la concentracin de sales en el fluido intersticial, lasuperficie especfica (conduccin en la capa difusa) y la temperatura. La relacin bsica entre laconductividad del suelo sueloy la conductividad del electrolito electrolitoa travs de la porosidad delsuelo n, est captada en la ley de Archie (Rinaldi y Cuestas 2003):

noelectrolitsue lo = (10)

donde es un factor obtenido por calibracin cuyo valor oscila entre 1,0 y 2,4. Los parmetros quedefinen suelotienen tambin influencia significativa en las caractersticas fsicas y mecnicas de lossuelos, en particular la tendencia dispersiva o floculante y la sensitividad.La relacin entre la conductividad del fluido electrolito [en mS/m] y la concentracin de sales TSD(total de sales disueltas, en mg/L) se estima con la siguiente expresin emprica (Annan 1992):

TSDoelectrolit = 15,0 (para bajas concentraciones) (11)

El uso de un refractmetro permite obtener la salinidad (TSD) de los fluidos intersticiales en forma

expedita tanto en el laboratorio como en el campo, sin requerir componentes electrnicos. La


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Figura 12:Punta de la sonda elctrica. La punta est biselada no slo para facilitar la penetracinsino tambin para generar el campo elctrico al frente de la sonda en la zona no perturbada por lainsercin.Las dimensiones mostradas son a ttulo orientativo.

Vsa

(Canal 2)

Vsg

(Canal 1)

Generadorde seales

Generador

de seales

Rosc

Rconocido

Rosc

Osciloscopio

/ Multmetro

Rsuelo

Suelo

Rconocido

Figura 13:Sonda elctrica. Configuracin experimental y circuito equivalente con el uso de ungenerador de seales y un osciloscopio o multmetro de dos canales. Rconocido es una resistenciaconocida (al igual que la resistencia del osciloscopio Rosc) que debe ser variada a fin de obtener lamisma cantidad de dgitos significativos en los dos canales.

A modo de ejemplo, la Figura 14 muestra perfiles de resistencia obtenidos en muestras formadaspor pluviacin bajo agua y sometidas a compactacin en una capa. Se observa que la tcnica depluviado no produce muestras homogneas: hay gradientes de densidad (posiblemente porsegregacin de finos) y formacin de estratos porosos. La compactacin con un cilindro de 25 mm

de dimetro a profundidadz~ 35 mm afecta una zona de aproximadamente 20 mm.

F e ~ 2,1

~ 3,1

Vista superior

Corte lateral

Dimensiones en mm.

Conductor externo (acero inoxidable)

Conductor interno (cobre estaado)

Material dielctrico

F i ~ 0,3

t ~ 0,25


16/18

a) Limo (silica fluor) (d50= 0,02mm) b) Arena Ottawa F-110 (d50= 0,12mm)

0

20

40

60

80

100

120

20 21 22 23 24

Resistencia [k]

Profundidad[mm]

Pluviacin desuelo

(saturado)

Pluviacin de

suelo

(saturado)

Compactacin

Zona afectada

por la

compactacin

`

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30

Resistencia [k ]

Profundidad[mm]

Pluviacin desuelo

(saturado)

Pluviacin de

suelo

(saturado)

Compactacin

Zona afectada

por la

compactacin

Figura 14: Deteccin de cambios locales en la relacin de vacos de un espcimen que ha sidopreparado por pluviacin en agua, con compactacin nicamente en una capa a media altura. Lasonda elctrica permite obtener resolucin milimtrica de los cambios locales de Rsuelo(o porosidad).

4. RESUMEN Y RECOMENDACIONESLos suelos estn formados por partculas slidas, fluidos intersticiales y microorganismos. Elsistema unificado de clasificacin de suelos SUCS (IRAM 10509) intenta categorizar los suelossegn su comportamiento. Los fundamentos fsicos que dan sustento al SUCS reflejan el balanceentre las fuerzas a nivel de las partculas, habilidad de ensamblaje (suelos gruesos sin finos)condiciones de drenaje (suelos gruesos con finos), efectos de superficie (suelos finos) y fuerzascapilares. El SUCS no provee informacin que hoy se reconoce de mucha importancia: geometrade los granos, superficie especfica, rigidez, diagnesis, densidad in-situ y grado de saturacin,caractersticas del fluido intersticial, parmetros del estado crtico, y variabilidad espacial.Ensayos de laboratorio expeditos son propuestos en este trabajo para complementar lacaracterizacin de los suelos. Estos incluyen: superficie especfica por el mtodo de absorcin de

azul de metileno, mdulo de corte mximo por propagacin de ondas de corte con benderelements, parmetros del estado crtico por mtodo simplificado, forma de las partculas mediantecartas de esfericidad y redondez, conductividad elctrica del fluido con refractmetro de salinidad,y variabilidad espacial mediante el uso de sonda elctrica.

AGRADECIMIENTOSFinanciamiento para estos estudios fueron otorgados por NSF (National Science Foundation),MAEC (Mid-America Earthquake Center) y la Goizueta Foundation.


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TRABAJOS COMPLEMENTARIOSTrabajos previamente realizados que proveen mayor detalle en algunos tpicos cubiertos en estemanuscrito se listan a continuacin:Propagacin de ondas de corte y uso de bender elements en laboratorio:LEE, J. S., y SANTAMARINA, J. C. 2004, Bender elements: Performance and signal interpretation,

ASCE Journal of Geotechnical and Geoenviromental Engineering, en revisin.Parmetros del estado crtico:SANTAMARINA, J. C., y Cho, G.C., 2001, Determination of critical state parameters in sandy

soils - Simple procedure, Geotechnical Testing Journal, , Vol. 24, No. 2, 185-192.Superficie especfica:SANTAMARINA, J. C.; Klein, K.; Wang, Y. H.; y Prencke, E., 2002, Specific Surface:

Determination and Relevance. Canadian Geotechnical Journal, vol. 39, No.1, 233-241.Variabilidad espacial y sonda elctrica:CHO, C. C.; LEE, J. S.; Y SANTAMARINA, J. C., 2004, Spatial variability in soils: high

resolution assessment with electrical needle probe, ASCE Journal of Geotechnical andGeoenviromental Engineering. Octubre, No. 8. en prensa.

Forma de las partculas:SANTAMARINA, J. C., Y CHO, G.C., 2004, Soil behavior: The role of particle shape, Proc. On

Advances in Geotechnical Engineering, The Skempton Conference, Thomas Telford, Londres.Editors: Jardine, Potts and Higgings, Vol. 1, 604-617.

TRABAJOS CITADOS EN EL TEXTOANNAN, A. P., 1992, Ground penetrating radar, Workshop Notes, Sensors and Software,

Mississauga.CASAGRANDE, A., 1932, Research on the Atterberg limits of soils, Public Roads, Vol. 13, 121-

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Engineers, Transactions, Vol. 113, 901-991.CHAN, L. C. Y., y PAGE, N. W., 1997, Particle fractal and load effects on internal friction in

powders, Powder Technology, Vol. 90, 259-266.FARRAR, D. M.; Y COLEMAN, J. D., 1967, The correlation of surface area with other properties

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ROSCOE, K. H.; SCHOFIELD, A. N.; Y WROTH, D. P., 1958, On the Yielding of Soils,Geotechnique, Vol. 9, 22-53.

SANTAMARINA, J. C., 2001, Soil behavior at the microscale, Proc. Symp. Soil Behavior and SoftGround Construction, in honor of Charles C. Ladd, Octubre. MIT. 31 pp.

SANTAMARINA, J. C.;KLEIN, K. Y FAM, M., 2001, Soils and Waves, John Wiley & Son, Inc.

553 pp.


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TAYLOR, D. W., 1948, Fundamentals of soil mechanics, John Wiley & Son, Inc. 699 pp.YOUD, T. L., 1973, Factors controlling maximum and minimum densities of sands, Evaluation of

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