Mecánica de Suelos I

Ing. Diana Sanchez Céliz

• Características del suelo: químicas y mecánicas

Importancia en Ingeniería

Ingeniería inicia en las características del suelo

Estabilización de taludes

Tipo y profundidad de cimentación

Procesos de compactación Caracteristicas para construcción de túneles

Las Rocas

• Producto de factores degradantes: congelamiento, temperatura, gravedad, viento, lluvia y desgate químico en formaciones rocosas.

Los suelos

• Son formaciones de distintos tipos de minerales . Principales minerales: mica, cuarzo, feldespato y calcita. Clasificado en: Igneas, sedimentarias y metamórficas.

Tipos de suelos• Suelos Transportados (gravas, arenas, limos y arcillas):

principalmente por agua, también hielo y el viento.

• Suelos residuales (suelo de cobertura y lateríticos): acción y desgaste químico.

• Suelos orgánicos: contienen materia vegetal y animal descompuesta.

En Ingeniería Geotécnica se dividen los suelos en:• Granulares: Sin fuerzas de cohesión ej: arenas, gravas

• Cohesivos: partículas minerales se mantienen unidas y retienen distintas cantidades de agua ej: arcillas y limos arcillosos. Tienen plasticidad.

Arcillas: capacidad de contraerse o expandirse

• Depende del grupo:• Kaolinita: estables y absorben poca agua. Baja capacidad de

cambio de volumen

• Ilita: absorben más agua q kaolinitas. Capacidad media de cambio de volumen

• Mormorilonita: alta capacidad de absorción de agua. Bentonita es la arcilla más conocida en este grupo.

Como es la estructura del suelo

Las relaciones volumétricas y gravimétricas

• Volumétricas: para las tres fases son relación de vacíos (e), porosidad (n) y grado de saturación (S)

(En porcentaje)(Nunca mayor que 1!!)

Suelos Granulares 0.4 a 0.8

Arcillas o suelos arcillosos 0.5 a 1.5 ó 2

Suelos con altos contenidos orgánicos 4 ó 5

Relación de vacíos

Relación entre la relación de vacíos y la porosidad es:

ó

Relaciones gravimétricas • Contenido de humedad (contenido de agua) (w) y peso

unitario (γ)

En un volumen de suelo dado

Peso del suelo por unidad de volumen

El peso unitario expresado en función de: peso de sólidos del suelo, contenido de humedad y volumen

total

El peso unitario del suelo que excluye el agua contenida en la estructura del suelo: peso unitario seco.

Densidad y densidad relativa

ss V

m

Uno de los índices para determinar el comportamiento de suelos granulares es la densidad relativa. Volumen de vacíos depende del arreglo de las partículas en el sueloArena colocada sin compactación es la mínima densidad, la compactada hasta la mínima reducción de volumen es la máxima densidad

Densidad natural comparada con Mínima densidad

Máxima densidad

Suelos superficiales la densidad es determinada con densidad de campo

Para suelos profundos la densidad es determinada por medio de ensayos como el ensayo de penetración estándar

Pero SPT es referencial porque dependerá de la gradación, forma y tamaño de las partículas de suelos

Suelos granulares (ej: arena)

Gama de tamaños de grano

Determinados por CU ,Coefi. Uniformidad

D60 y D10 = tamaños de grano para el cuál el 60% y el 10% del suelo es fino.

Densidad y Dens. Relativa

Resistencia al corte

Asentamiento

Permeabilidad

Ej:

Métodos de estabilización

Gravedad Específica (Gs)

Relación entre la masa seca de un volumen de substancia dado, dividido para un igual volumen de agua

Suelos Distinta composición mineral Gs promedio de sus partículas

Rango de Gs de minerales constituyentes 2.5 a 5.2

Constituyente de suelos granulares

2.4 a 3

Cuarzo 2.65

Rango de Gs de mayoría de masas de suelo

Minerales de arcillas Mas pesadas que el cuarzo 2.9

Contenido de humedad

Espacios vacíosEstructura del suelo

aire

agua

gravitacional

capilaridad

higroscópica

Nivel Freático : agua permanente en la estructura del suelo

Peso agua

Peso suelo seco

Arenas

Limos gruesos

Gravas finas

20 a 30%

Limos finos w mas alto

Arcillas 100 a 200%

Suelos con contenido orgánico : mayores!!

PROBLEMAS DE APLICACIÓN

1.- Una muestra de suelo cohesivo es extraído de un muestreador de SPT y llevado a laboratorio. La masa inicial de la muestra es de 140, 5 gramos. El suelo fue colocado en un recipiente de 500 cm3 y para llenar el recipiente se colocaron 423 cm3 de agua. Con estos datos, indicar cuál es el peso específico de suelo en kN/m3

Masa del suelo: 140, 5 g

ss V

m Entonces γ = ρs x g

2.- Un contratista entrega un trabajo de compactación. Cuando se realiza la comprobación en sitio del trabajo se obtienen los siguientes datos:Humedad (w)= 14.6 %Gs = 2.81γ = 18.20 kN/m3

La especificación del contrato indicaba que la relación de vacíos final debe ser ≤ 0.80

3.- Un contenedor con una muestra de suelo tiene una masa 23.43 gr. Después de Un proceso de secado la masa del contenedor con el suelo es de 19.81 gr. Si la masa del contenedor es de 1.73 gr. Cuál es el contenido de humedad?

a) 18% b) 20% c) 30% d) 85%

4.-Una muestra de suelo tiene un peso unitario de 105.7 lb/ft3 y una saturación de 50%. Cuando su saturación se incrementa a 75%, el peso unitario aumenta a 112.7 lb/ft3. Determine la relación de vacíos y la gravedad específica.

• https://www.youtube.com/watch?v=ZsxaMovxxGI ensayo de penetración estándar

Partículas de suelo

Naturaleza de las partículas depende de los minerales que contienen, su tamaño y su forma.

Partículas Granulares: fácil identificar al ojo humano o un microscopio de bajaResolución (en suelo limpio de residuos de arcillas)

Partículas de: cuarzos y feldespatos Aproximadamente equidimensionales

Cuarzo estructuras químicas estables y resistentes al desgaste

Mayores constituyentes de limos y arenas

Cantos rodados y piedras: fragmentos de las rocas originales

Partículas granulares suaves: produce suelos compresibles, fácilmente triturado,Estructura de paquete pobre.

Minerales de arcilla

Minerales de arcillas: Pequeñas sustancias cristalinas con una estructura de hoja queproduce una estructura en forma de plato.

Partículas de suelos cohesivos

Arreglo y ensamblaje de partículas

Estructura de suelo

Arreglo de las partículas. Conocido como esqueleto del suelo

Suelos Granulares: - forma, tamaño y rugosidad de la superficie de las partículas- Rango del tamaño de partículas- Disposición de las partículas (sedimentación, glaciación)- Los esfuerzos en el tiempo a los que ha estado sometido el suelo- El grado de cementación, presencia de finos, materia orgánica o estado de desgaste

Estado de *empaquetado

Partículas de suelo

Forma: influencia en propiedades físicas del suelo. Difícil de determinar. Generalmente dividida en tres:

1.- Voluminoso: degaste mecánico de rocas y minerales

2.- Planas o escamosas: Partículas con poca esfericidad (0.001 o menos, predominanemente minerales arcillosos)

3.-Partículas en forma de aguja: son menos comunes depósitos de coral o arcillas Attapulgitas.

Influencian en:

Compresibilidad

Máximo y mínimo relación de vacíos

Parámetros de corte

Etc…

Clasificación del suelo• La clasificación del suelo es una herramienta que el ingeniero

utiliza para asignar al material a uno de los grupos establecidos por organismos dependiendo de sus características y propiedades

• In situ: Gravas, arenas y turbas son fácilmente reconociblesDificulta diferenciar entre arena fina o limo grueso, o entre una arcilla y un limo fino

Claves para reconocer un suelo en campo

Arena fina Limo Arcilla

Partículas individuales visibles Algunas partículas son

visiblesSus partículas no son

visibles

Dilatancia Dilatancia No tienen dilatancia

Fácil de desmenuzar y cae de las manos cuando esta seca

Fácil de desmenuzar y puede caer de las

manos cuando esta seca

Difícil de desmenuzar y se pega a las manos cuando está seco

Siente arenoso Siente áspero Siente suave

No plásticidad Poca plasticidad Plástica

- Identificar el color, olor, partículas incrustadas, humedad, nivel freático, presencia de raíces

http://www.youtube.com/watch?v=03fD8fdL9kohttp://www.youtube.com/watch?v=jo64QIE4hr4

En Laboratorio:

Para eliminar los errores que se introducen en la apreciación humana, sistemas Mecánicos han sido diseñados para ayudar a clasificar el suelo.

Método es: distribución del suelo por tamaño de partículas (GRANULOMETRÍA) Consiste en tamizar muestras en estado seco (no siempre) para determinar las masas retenidas en cada tamiz y determinar la distribución de su partículas dependiendo de su tamaño.

Sistemas de Clasificación:

-USDA (Departmanto de Agricultura de EEUU)-Mississipi River Comission-US Bareau of soils and Public Roads Asministration- SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS (SUCS)

SUCS

Tamaño de los tamices

Análisis por hidrómetro

Se basa en el principio de sedimentación de los granos de suelos en agua. Las partículas de los suelos se dispersan en el agua a diferentes velocidades dependiendo de su tamaño, forma, peso y viscosidad del agua.

Se asume por facilidad que las partículas son esféricas

El análisis de tamizado da una dimesión intemedia del tamaño de las partículas.El análisis por hidrómetro da el diámetro de una esfera equivalente que se asentaría a

la misma velocidad de la partícula.

Curva de distribución del tamaño de la partícula

Se utiliza para determinar los siguientes parámetros:

Tamaño efectivo (D10): Este parámetro es el diámetro en la curva de distribución del tamaño de la partícula correspondiente al 10% mas fino.

Coeficiente de uniformidad (Cu): Es el coeficiente entre el D60/ D10

D60: Corresponde al 60% más fino

Coeficiente de gradación (Cc):

Atención!!!

Para calificar la gradación tenemos:

Cu < 4 el suelo es uniformemente gradadoCu > 4 el suelo es bien gradado o suelos con una brecha (gap graded), la forma de Curva ayudará a definir esto.

La granulometría ayuda con una visiónn general del tipo de material que puedeencontrarse en el suelo, pero para clasificar al grupo que pertenece el suelo es necesario conocer otras propiedades como los límites que nos proporcionan información sobre la plasticidad (Atterberg 1911).

Límites de Atterberg

Son los contenidos de agua al cuál las caracter[isticas de resistencia del suelo varían.

En suelos granulares (gravas y arenas) la presencia de agua casi no afecta la resistencia y compresibilidad del suelo.

En suelos cohesivos (limos y arcillas) la pérdida de agua le lleva a ser menos moldeable y compresible.

Suelo cohesivo

Alto contenido de agua

Partículas se suspenden en el agua

Comporta como un líquido

Deformación contínua sin muestra de falla

Suelo cohesivo

Se le permite secarse parcialmente Muestra resistencia al corte

Si la carga es retirada

Presenta deformación constante (actúa como plástico)

Límite Líquido

Contenido de agua al cuál el suelo deja de actuar como un líquido y empieza a actuarcomo un plástico (wL ó LL)

Copa de Casagrande

Límite Plástico

Mientras el suelo pierde humedad tiende a resistir más a losesfuerzos de corte, si esta tendencia de disminución de agua continúa, el suelo no indica mas deformación permanente y Simplemente se fractura sin deformación plástica. ACTUA ENTONCES COMO UN SÓLIDO FRÁGIL.

El contenido de humedad de cambio de una falla plástica a unafalla frágil es el límite plástico (wP ó PL).

Índice Plástico (Ip)Rango de humedades a las cuales el suelo actúa de forma plástica

Más fino es el suelo, más grande es su índice plástico

Ip = wL – wPPI = LL - PL

Índice líquido (IL)

Permite comparar la plasticidad del suelo con su contenido de humedad natural

Si IL es 1= el suelo está en su límite líquido

Si IL es 0= el suelo está en su límite plástico

Límite de contracción

Cuando después del límite plástico el suelo continúa perdiendo humedad, el suelo pierde volumen hasta un cierto contenido de agua. Este valor es conocido como ellímite de contracción. Cuando el suelo pierde humedad bajo este límite el suelo pasaa ser parcialmente saturado, es decir mantiene su volumen pero su peso disminuye.

La tabla de Plasticidad

Importante es la línea A, dada por la ecuación PI: 0,73 (LL – 20). Esta línea separa las arcillas inorgánicas (sobre la línea) de los limos inorgánicos (bajo la línea)

Los limos orgánicos (LL de 30 a 50 ) se encuentran en la misma región que los limos inorgánicos de media compresibilidad Las arcillas orgánicas están en el mismo sector que los limos inorgánicos de alta Compresibilidad (bajo línea A con LL mayor de 50)

La línea U, es el límite superior entre el índice de plasticidad y el límite líquido

USDA

Tamaño de arena: 2.0 a 0.05 mm en diámetroTamaño de los limos: 0.005 a 0.002 mm en diámetroTamaño de las arcillas: más pequeño de 0.002 mm en diámetro

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