RELACIONES MASA – VOLUMEN
Relaciones Volumétricas y
Gravimétricas, Plasticidad y
Clasificación de los suelos
DEFINICIÓN DE SUELO DE ROCA
Los términos roca y suelo, tal como se usan en
la ingeniería civil, implican una clara distinción entre
dos clases de materiales de cimentación. Se dice que
roca es un agregado natural de granos minerales
unidos por grandes y permanentes fuerzas de
cohesión.
Se considera que suelo es un agregado natural de
granos minerales, con sin componentes orgánicos,
que pueden separarse por medios mecánicos
comunes, tales como la agitación en el agua. En la
práctica, no existe diferencia tan simple entre roca y
suelo. Aun las rocas más rígidas y fuertes pueden
sufrir el proceso de meteorización, y algunos suelos
muy endurecidos pueden presentar resistencias
comparables a las de la roca meteorizada
DESCRIPCIÓN E IDENTIFICACIÓN DE LOS SUELOS
Los términos principales que se usan para descubrir suelos son:1)Grava, 2)Arena, 3)Limo y 4)Arcilla. La mayor parte de los suelos naturales se componen de una mezcla de dos o más de estos elementos, y pueden contener por añadidura, material orgánico parcial o completamente descompuesto.
Tipos principales de suelos
A la mezcla se le da el nombre del elemento
que parezca tener mayor influencia en su
comportamiento, y los otros componentes se usan
como adjetivos. Así, una arcilla limosa tiene
predominantemente las propiedades de la arcilla, pero
contiene una cantidad importante de material
orgánico. A las gravas y a las arenas se les llama
suelos de grano grueso, y a los limos y arcillas suelos
de grano fino.
La distinción radica en que puedan diferenciarse las
partículas a simple vista. Los métodos para describir
los suelos de grano grueso difieren de los que son
apropiados para los de grano fino; por lo tanto, los
procedimientos se explican bajo encabezados
diferentes
Los materiales de los suelos de granos grueso son
fragmentos minerales que pueden identificarse
principalmente tomando como base el tamaño de las
partículas. Las partículas que tienen un tamaño mayor
a 5 mm se clasifican como grava.
Sin embargo, si el diámetro excede de
aproximadamente 200 mm, se aplica usualmente el
nombre de boleo.
Materiales de los suelos de grano grueso
Si los granos son visibles a simple vista, pero tienen
un tamaño igual o menor a 2 mm, el suelo se
describe como arena.
Este nombre se modifica todavía más dividiéndolo en
gruesa, media o fina.
Las fronteras entre estas categorías están
arbitrariamente establecidas. En los Estados Unidos
se ha adoptado la clasificación de las ASTM, cuyos
límites de tamaños se utilizan como norma para fines
técnicos
La forma de las partículas gruesas de un suelo influye en la compacidad y estabilidad del deposito del mismo. Los términos usuales con que se describe la forma de los granos se indica en la fig.
Redondeadas Angulares
El suelo es un material constituido por el esqueleto de
partículas sólidas rodeado por espacios libres (vacíos)
, en general ocupados por agua y aire . Para poder
describir completamente las características de un
depósito de suelo es necesario expresar las distintas
composiciones de sólido, líquido y aire , en términos
de algunas propiedades físicas.
En el suelo se distinguen tres fases :
Sólida: formada por partículas minerales del suelo, incluyendo la capa sólida adsorbida.
Líquida : generalmente agua (específicamente agua libre), aunque pueden existir otros líquidos de menor significación.
Gaseosa: comprende sobre todo el aire, si bien pueden estar presentes otros gases, por ejemplo: vapores de sulfuro, anhídridos carbónicos, etc.
FASES PRINCIPALES DEL SUELO
Correlación entre la relación de vacíos y la porosidadCorrelación entre la relación de vacíos y la porosidad
Esquema de unaEsquema de unamuestra de suelomuestra de suelo
CORRELACION EN SUELOS SATURADOS
CORRELACION EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS
La capa viscosa del agua adsorbida, que presenta
propiedades intermedias entre la fase sólida y la líquida ,
suele incluirse en esta última pues es susceptible de
desaparecer cuando el suelo es sometido a una fuerte
evaporación (secado) .
Algunos suelos contienen, además, materia orgánica
(residuos vegetales parcialmente descompuestos) en
diversas formas y cantidades.
Pese a que la capa adsorbida y el contenido de materia
orgánica son muy importante desde el punto de vista de las
propiedades mecánicas del suelo, no es preciso
considerarlos en la medición de pesos y volúmenes
relativos de las tres fases principales.
Sus influencias se tomarán en cuenta más fácilmente en
etapas posteriores del estudio de ciertas propiedades de
los suelos.
Las fases líquida y gaseosa conforman el Volumen de
Vacíos, mientras que la fase sólida constituye el Volumen
de Sólidos.
Un suelo está totalmente saturado, cuando todos sus
vacíos están ocupados únicamente por agua; en estas
circunstancias consta, como caso particular, de sólo dos
fases: la sólida y la líquida. Muchos suelos bajo la napa,
están saturados.
Entre estas fases es preciso definir un conjunto de
relaciones que se refieren a sus pesos y volúmenes, las
cuales sirven para establecer la necesaria nomenclatura y
para contar con conceptos mensurables, a través de cuya
variación puedan seguirse los procesos ingenieriles que
afectan a los suelos.
En los laboratorios de Geotecnia puede determinarse
fácilmente el peso de las muestras húmedas, el peso de las
muestras secadas al horno, y el peso específico de los
suelos.
Estas magnitudes no son las únicas cuyo cálculo es
necesario; es preciso obtener relaciones sencillas y
prácticas a fin de poder medir algunas otras magnitudes en
términos de éstas.
Su dominio debe considerarse indispensable para la
aplicación rápida y sencilla de las diversas teorías que
conforman la Geotecnia.
Objetivo:
Conocer mejor las características de las diferencias y relaciones que existen entre pesos y volúmenes, de suelos y agregados. Obtener un concepto básico mediante ensayos y cálculos de las propiedades físicas de los materiales superficiales de la corteza terrestre. Permiten definir cuantitativamente las propiedades de un suelo, sus condiciones y su comportamiento físico y mecánico
El suelo es un material de esqueleto de partículas solidas rodeado por espacios libres en general ocupados por agua y aire para poder describir completamente las características de un deposito de suelo es necesario expresar las distintas composiciones de solido, liquido y aire en términos de algunas propiedades físicas
RELACIONES VOLUMETRICAS Y GRAVIMETRICAS
SUELO
SUELO => como:
Material de soporteMaterial de construcciónElemento activo
Como elemento de construcción
Como elemento activo
Como material soporte
FASES DEL SUELO
FASES DEL SUELO
FASES DEL SUELO
SUELO
PROPIEDADES ÍNDICES
I.RELACIONES VOLUMÉTRICA Y GRAVIMÉTRICASPermiten definir cuantitativamente las propiedades de un suelo, sus condiciones y su comportamiento físico y mecánico.
RELACIONES FUNDAMENTALES:
A.VOLUMÉTRICAS: 1) Relación de vacíos, 2) Porosidad, 3) Grado de saturación, 4) Densidad relativa
B.GRAVIMÉTRICAS: 5) Humedad, 6) Peso especifico relativo de los sólidos o gravedad específica, 7) Peso específico seco, 8) Peso específico húmedo, 9) Peso específico saturado, 10) Peso específico sumergido
1) RELACIÓN DE VACÍOS
Dónde:e : Relación de vacíosVv : Volumen de vacíosVs : Volumen de sólidosRango:0 < e <Valores característicos:Arenas muy compactas con finos: e = 0,25Arcillas altamente compresibles: e = 15
Dónde:
e : Relación de vacíosVv : Volumen de vacíosVs : Volumen de sólidos
Rango:
0 < e <
Valores característicos:
Arenas muy compactas con finos: e = 0.25 Arcillas altamente compresibles: e = 15
e = Vv / Vs ó n / (1- n)
RELACIONES VOLUMETRICAS
Es la relación entre el volumen de vacíos y el de los sólidos. Su valor puede ser e > 1 y alcanzar valores muy altos. En teoría 0 < e ∞
2) POROSIDAD
Dónde:n : Porosidad (en porcentaje)Vv : Volumen de vacíosVT : Volumen total
Rango:
0 < n < 100Algunos valores característicos: Arenas: n = 25 % a 50 %Arcillas: n = 30 % a 90
n (%) = (Vv/VT) x 100 ó e / (1 + e)
RELACIONES VOLUMETRICAS
Se define como la probabilidad de encontrar vacíos en el volumen total. Por eso 0 < h < 100% (se expresa en %). En un sólido perfecto n = 0; en el suelo n ≠ 0 y n ≠ 100%.
3. GRADO DE SATURACIÓN
Dónde:
S : Grado de saturación (en %)Vw: Volumen de aguaVv : Volumen de vacíos
Rango: 0 % ≤ Sr ≤ 100 %Algunos valores característicos:
Suelo seco: Sr = 0 %Suelo húmedo: 0 % < Sr < 100 %Suelo saturado: Sr = 100 %
S (%) = (Vw / Vv ) x 100
RELACIONES VOLUMETRICAS
Se define como la probabilidad de encontrar agua en los vacíos del suelo, por lo que 0 ≤ S ≤ 100%. Físicamente en la naturaleza S ≠ 0%, pero admitiendo tal extremo, S = 0% suelo seco y S = 100% suelo saturado.
4. DENSIDAD RELATIVA
Dónde:
Dr : Densidad relativa (en %)emax : Relación de vacíos máxima emin : Relación de vacíos mínima e0: Relación de vacíos natural
Característica:
Si e0= emax => Dr = 0 % Si e0= emin => Dr = 100 %
Dr= (emax – e0) / (emax – emin) * 100
Dr (%) Suelos granulares0 - 15 Arena muy suelta
15 - 35 Arena suelta35 - 65 Arena media65 - 85 Arena compacta
85 - 100 Arena muy compacta
Algunos valores característicos
RELACIONES VOLUMETRICAS
Este parámetro nos informa si un suelo está cerca o lejos de los valores máximo y mínimo de densidad, que se pueden alcanzar. Además 0 ≤ DR ≤ 1, siendo más resistente el suelo cuando el suelo está compacto y DR ≈ 1 y menor cuando está suelto y DR ≈ 0.
5. HUMEDAD
Dónde:
w : Humedad en porcentajeWw: Peso de aguaWs : Peso de sólidos
Rango:0 % ≤ w
Algunos valores característicos: Arenas: w = 12 % a 36 % (Sr = 100 %)Arcillas: w = 12 % a 325 % (Sr = 100 %)
w (%) = (Ww / Ws) x 100
RELACIONES GRAVIMETRICAS
Es la relación, en %, del peso del agua del espécimen, al peso de los sólidos.
6) GRAVEDAD ESPECÍFICA DE LOS SÓLIDOS
Dónde:
Gs : Gravedad específicaγs: Peso específico de los sólidosγ0: Peso específico del agua
Algunos valores característicos:
Arenas: Gs = 2,65Arcillas: Gs = 2,7 a 2,9Suelos con materia orgánica: Gs < 2,65
= Ws / (Vs x γ0)
RELACIONES GRAVIMETRICAS
La gravedad específica es la relación del peso unitario de un cuerpo referida a la densidad del agua, en condiciones de laboratorio y por lo tanto a su peso unitario
PESO UNITARIO TOTAL HÚMEDO
Dónde:
γt: Peso unitario totalWt: Peso totalVt : Volumen total
Depende de:
Peso de los granos individualesCantidad total de partículas presentes (función de e)Cantidad de agua existente en los vacíos (función de w)
Características: 0 % < Sr < 100 %
γt = Wt / Vt
RELACIONES GRAVIMETRICAS
Se define al peso específico relativo como la relación entre el peso específico de una sustancia y el peso específico del agua destilada a 4º C sujeta a una atmósfera de presión.0ال : Peso específico del agua destilada, a 4º C. y a la
presión atmosférica correspondiente al nivel del mar. 1,000 = 0ال gr/ cm³
w : Peso específico del agua en condiciones reales الde trabajo, su valor difiere un poco del 0ال , en la práctica se toma igual que 0ال . s : Peso específico del suelo, también llamado peso الvolumétrico de los sólidos.
PESOS ESPECÍFICOS
PESO ESPECIFICO RELATIVO DE SÓLIDOS SS
Es la Gravedad específica de los sólidos
7. PESO ESPECIFICO SECO
Donde:
d : Peso específico seco الWs: Peso de sólidosVt : Volumen total o de masa
d = Ws / Vtال
RELACIONES GRAVIMETRICAS
9. PESO ESPECIFICO SATURADO
RELACIONES GRAVIMETRICAS
Dónde:
sat: Peso unitario saturado الWs: Peso de sólidosWw: Peso del aguaVt : Volumen total
sat = (Ws + Ww) / Vt ال
PESO UNITARIO SUMERGIDO ال’
Haciendo una sumatoria de fuerzas verticales:Σ 0 = الPsat = 0 ال - a ال + sالaال – sat ال = s الaال – sat. 13 ال = s الRecordar que:w . 1 . 12 ال = w . h . A ال = sat ال
Por lo tanto:+ w . 13ال– sat . 13 ال = s الEl Peso específico sumergido será = ال s / Vol
ال’ = ال = sum ال sat - w ال
RELACIONES GRAVIMETRICAS
Esto supone considerar el suelo saturado y sumergido. Al sumergirse, según Arquímedes, el suelo experimenta un empuje, hacia arriba, igual al peso del agua desalojada.
Ejercicio
Una muestra de arcilla Una muestra de arcilla saturada pesa 1,526 gr.saturada pesa 1,526 gr.
Después de secada al Después de secada al horno su peso es de horno su peso es de 1,053 gr.. Si el S1,053 gr.. Si el SS(Gs) vale 2.70, calcule vale 2.70, calcule ee, , nn, , ωω, , الالm y y الالd..
Ejercicio
m = W = Wm / V / Vm = 1,526 / 863 = 1.78 gr. / cm3 = 1,526 / 863 = 1.78 gr. / cm3الال
e = Ve = VV / V / VS = 473 / 390 = 1.21 = 473 / 390 = 1.21
d = 1,053 / 863 = 1.22 gr. / cm = 1,053 / 863 = 1.22 gr. / cm3 الال
n = Vn = VV / V / Vm = 473 / (473 + 390 ) = 0.55 = 473 / (473 + 390 ) = 0.55
ωω = 473 / 1,053 = 0.45; = 473 / 1,053 = 0.45; ωω = 45 % = 45 %
Problema
EN UNA MUESTRA DEEN UNA MUESTRA DESUELO PARCIALMENTESUELO PARCIALMENTESATURADO SE CONOCE:SATURADO SE CONOCE:
VVmm = 50 cm3 = 50 cm3
WWm = 95 g. = 95 g.
WWs = 75 g. = 75 g.
SSs = 2.68 = 2.68
ENCUENTRE :ENCUENTRE :W,W, e,e, n, Gn, Gw, , ץץ m (en Kg./ m3 ),
y
d (en Kg. / m(en Kg. / m3 ) )ץץ
SUELOS TOTALMENTE SATURADOS
Contenido de agua o humedad del Contenido de agua o humedad del suelosuelo
ωω ( % ) = ( W ( % ) = ( Wωω / W / WSS ) x 100 ) x 100ωω = e = e ץץo / S / SS ץץo