Maestría de Caminos
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GEOTECNIA IIGEOTECNIA II““Suelos EspecialesSuelos Especiales””
Profesor: Ing. Augusto JosProfesor: Ing. Augusto Joséé LeoniLeoni
Ciertos suelos de granos finos son estructuralmente inestables en contacto con agua, En él las partículas finas de arcillas, fácilmente se dispersan y entran en suspensión y migran con el movimiento del agua de contacto.
A estos suelos se los denomina “Suelos Dispersivos”
SUELOS DISPERSIVOSSUELOS DISPERSIVOS
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Los resultados de exponer Suelos Dispersivos en contacto con agua, son verdaderamente desastrosos
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Sherard estudió los iones de cambio de los suelos que fallaban por tubificación y descubrió que la mayoría de ellos tenía un contenido muy elevado de sodio
K+, Fe3+, Al3+, Mg2+, Ba2+, Ca2+, Na+, Li+
Aumenta la resistencia al corte
Aumenta la plasticidad
Partículade
arcilla
El proceso de falla de estos suelos es un procesos físico – químico, influenciado por el elevado contenido de Na+ que tienen estos suelos.
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Porcentaje de Sodio =
Total de sales solubles =
)(100.
NaKMgCaNa
+++
NaKMgCa +++
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 Po
rcen
taje
de
Sodi
o (%
)
0 25 50 75 100 Total de sales solubles (meq/lt)
Zona 1 Zona 2
Transición
Zona 3
Porcentaje de SodioPorcentaje de Sodio = =
Total de sales solublesTotal de sales solubles = =
)(100.
NaKMgCaNa
+++
NaKMgCa +++
0
20
40
60
80
100
Porc
enta
je d
e so
dio
(%)
1E-1 1E0 1E1 1E2 1E3Total de sales solubles (meq/litro)
ZONA A
ZONA B
ZONA C
CARTA DE SHERARD PARA CLASIFICAR DESDE EL PUNTO DE VISTA QUIMICO A LOS SUELOS DISPERSIVOS
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Orificio de 1 mmMuestra compactada
Material granular lavado
de tanque de altura cte.Agua destilada
Cono de plástico Pasa T 1/4 - Ret T N°4h
ENSAYO DE PIN HOLE
1.0
5
Tiempo ( min )
ND4
10 15 20
Capacidad hidráulica= 2.8 ml/s
Altura = 180 mm
LIGERAMENTE OSCURO a CLARO
MUY OSCUCURO a OSCUROOSCURO a LIGERAMENTE OSCURO
GUIA DE FLUJO EFLUENTE
Capacidad hidráulica= 1.4 ml/s
Altura = 50 mm4.0
Cau
dal (
ml /
s )
2.0
3.0
CLARO
D1
5.0
D2D1DISPERSIVA
D2
ND4
ND3
NO DISPERSIVAND3 ND2ND4
MODERADAMENTEND1
Altura = 380 mm
Capacidad hidráulica= 3.2 ml/s
ND3
ND1
ND2
Norma ASTM D 4647 – 93
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Resultados de “Pin Hole” sobre suelos altamente dispersivos, con cargas hidráulicas de 50 mm
0
20
40
60
80
100
Porc
enta
je d
e so
dio
(%)
1E-1 1E0 1E1 1E2 1E3Total de sales solubles (meq/litro)
K+, Fe3+, Al3+, Mg2+, Ba2+, Ca2+, Na+, Li+
Aumenta la resistencia al corte
Aumenta la plasticidad
CORRECCIÓN CON CAL
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CONCLUSIONES
-Los suelos estudiados son altamente erosionables (dispersivos)
-Los mismos deberán ser tratados adecuadamente para ser utilizados como material de construcción en las obras de cierre
-Las zonas donde se deberá prestar atención especial al tratamiento son aquellas que se encuentran en contacto con el agua quieta o en posible movimiento:
-Paramento de agua arriba y Filtros
Suelo tratado con cal
Suelo sin tratar
Material de filtro
Suelo cemento
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RESULTADOS DE ENSAYOS DE PIN HOLE PUBLICADOS POR SHERARD
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SUELOS COLAPSABLESSUELOS COLAPSABLESLos suelos que tienen origen en una región árida, con transporte y deposición eólica, que están conformados mayoritariamente por partículas de limos o de la denominada “Fracción Loessial” que abarca las partículas de 10 a 50 µ, y tienen un grados de saturación menor al 60%. Son potencialmente “Suelos Colapsables” o “Colapsibles”
Laboratorio de Mecánica de Suelos Facultad de Ingeniería - U.N.L.P.
Estudio N° 345
Usuario: Facultad de IngenieríaObra: Estudio de Suelos Colapsables 20/02/02 Sondeo A Ubicación: Río Tercero - Provincia de Córdoba - Argentina Napa: -
Nro Prof. Descripción del Suelo E.N.P.Clasif. Wn, Wl, Wp, Ip, Granulometría Fricc. Cohes. γ d
[ ° ] [Kg/cm²] [g/cm³]10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 20 30 40
Humedad Natural Límite Plástico Límite Líquido Indice Plasticidad E.N.P.
Pasa tamiz 4 Pasa tamiz 10 Pasa tamiz 40 Pasa tamiz 100 Pasa tamiz 200
1,00 ML
2,00 ML
3,00 ML
4,00 CL-ML 5 0,25 1,40
5,00 ML
6,00 CL-ML 7 0,30 1,42
7,00 CL-ML
8,00 CL-ML
9,00 CL-ML 8 0,32 1,45
10,00 CL-ML
11,00 ML
12,00 ML
13 13,00 ML
14 14,00 ML 12 0,45 1,48
15 15,00 CL-ML
Lomoso
castaño claro
Arcillo limoso castaño claro
Limoso castaño claro
Arcillo limoso
castaño claro
Limoso
castaño claro
Arcillo limoso castaño claro
Perfil Estratigráfico
Características físicas de un perfíl típico de suelos potencialmente colapsable de nuestro País
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ZONA DE ZONA DE SUELOS SUELOS
COLAPSABLES COLAPSABLES EN NUESTRO EN NUESTRO
PAISPAIS
CaracterCaracteríísticas principales de los suelos sticas principales de los suelos colapsablescolapsables
VsVve =
Saturación
+ e σ Log p´
∆e
-e10 a 50 µ
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Determinaciones
Cualitativas
Determinaciones
Cuantitativas
- Denisov (eL)
- Priklonski (wP e Ip)
- Soviet Building Code (eL)
- Gibbs (γd, γs y wL)
- Zur Weisman (γd, y γd(wL)
- Leoni (Cu y Fracc. Loessial)
- Denisov (ensayos edométricos)
- Regginato (ensayos edométricos)
TIPOS DE ANALISIS
CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES DE LOS SUELOS COLAPSIBLES
Estado natural inicial con poca humedad y sin carga
Estado final saturado con o sin carga
eoHeS
+∆
=∆1
.
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PriklonskiPriklonski (1952)(1952)
o
L
ee
K =
Dando las siguientes recomendaciones:Kd < 0 Suelos altamente colapsablesKd > 0,5 Suelos no colapsablesKd > 1 Suelos expansivosp
pnd I
Kϖϖ −
=
DenisovDenisov (1951)(1951)Donde “eL” es la relación de vacíos que tiene el suelo cundo tiene la humedad del Límite Líquido y “eo” es la relación de vacíos que tiene el suelo en estado natural.Este autor define que el suelo es colapsable cundo esta relación varía entre 0,5 y 0,7
o
Lo
eee
L+−
=1
Soviet Building Code (1962)Soviet Building Code (1962)
Y establece que un suelo es colapsable cuando tiene un grado de saturación menor al 60% y además el parámetro “L” es mayor a -0,1.S < 60 % y L > -0,1
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GibbsGibbs
L
sd
w
Rϖ
γγγ 1
−=
Donde γw es la densidad del agua, γd es la densidad seca y γs el peso específicoY encuadra a los suelos como potencialmente colapsables cuando el valor de R > 1
ZurZur WeismanWeisman (1973)(1973)
)(WLd
dHγ
γ=
Donde γd(WL) es la densidad seca del suelo cuando se amasa con la humedad del límite líquido y define a los suelos como potencialmente colapsables cuando H < 1,1
Rw = coeficiente de asiento debido a la saturación
Rp = coeficiente de asiento debido a la carga
Rt = coeficiente de asiento total
Ensayos CuantitativosDENISOV
Se define:eo = relación de vacíos inicialep = relación de vacíos luego de aplicada una presión “p”ew = relación de vacíos luego que la muestra se satura, bajo la
presión de la carga “p”
01 eee
R wpw +
−=
o
po
eee
Rp+
−=
1
o
wo
eeeRt
+−
=1
Log p´p’
eo
ep
ew
e
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Ensayo del Ensayo del DDobleoble EEddóómetrometro
p’ Log p’
eo
e
Humedad natural
Saturada
REGGINATO (Córdoba 1973)
Pfs = Presión de preconsolidación para una muestra saturadaPfn = Presión de preconsolidación para una muestra con humedad naturalPo = Presión de la tapada
Para C < 0 Tendremos que Po(1) > Pfs y nos encontramos con un suelo verdaderamente colapsable ya que el suelo colapsa bajo su propio peso cuando se satura.
PoPfnPoPfsC
−−
=
P < Pfs No hay colapso cuando el suelo se satura
Pfs < P < Pfn Hay colapso cuando el suelo se satura
P > Pfn Hay colapso sin necesidad de saturación
CuandoC > 0 (Po(2))
Log p´PfnPfs
Po(1)Po(2)
P
e
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0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
Rel
ació
n de
vac
ios
(e)
0.1 1 10 Tensiones (kg/cm²)
Muestras saturadas Muestras con humedad natural
Ensayos de doble edómetro realizados sobre muestrasinalteradas de Zelegua
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Ase
ntam
ient
o (c
m)
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 distancia al eje (m)
Altura 5,00 m Altura 10,0 m Altura 15,0 m
Esquema de asentamientos en la base de la presa que traen como consecuancia la inviabilidad del dren tapiz
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Los suelos arcillosos que tienen un elevado índice plástico, con un porcentaje importante de partículas de arcillas (< 2µ), que tengan una elevada compacidad, (densidad), que además tengan un grado de saturación bajo y que tienen la posibilidad de absorber agua. Son suelos potencialmente expansivos
SUELOS EXPANSIVOSSUELOS EXPANSIVOS
TIPOS DE ANALISIS
ANALISIS CUALITATIVOS
ANALISIS CUANTITATIVOS
Propiedades índices, composición granulométrica y densidad
- Indice Plástico
- Límite de contracción
- Indice de contracción
- Ensayo de hinchamiento libre
- Hinchamiento libre modificado
- Indice de actividad de Skempton
- Indice de actividad de Seed y otros
-Indice de desecación de Livneh
-Cálculo de Vijayvergiya y Ghazzaly
-Ensayos de expansión libre en edómetro
-Presión de expansión con deformación controlada
Potencial de expansión y propiedades físicas
Mc Dowell (wmáx y wmín)
Cuellar (wmáx)
Vijavergiya y Gazzaly (Presión de expansión)
Jimenes Salas (Presión de expansión)
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Relación de la actividad con el Indice PlásticoIp = WL - WP
Muy ActivoIp > 55Activo20 < Ip < 55
Mediana Actividad10 < Ip < 35Baja ActividadIp < 15 %
0 wp wL w
Ip
Relación de la actividad con el Límite de ContracciónLímite de Contracción = Lc = wi - Dw
ViWh
Tara
Vf
Ws
100..100. wTaraWsVfVi
TaraWsWsWhLc γ
−−
−−
−=
wi ∆w
0 Lc Wp WL %w
∆w
Activo a Muy Activo
Lc < 10
Mediana Actividad
10 < Lc < 12
Baja ActividadLc > 12
wi
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(1)
(2)
(3)
gh
ghgh
WV
γ=
γgh = 13,6 gr/cm3
Wh
Determinación del volumen por el método del mercurio
Relación de la actividad con el Indice de Contracción Ic el Ip y el WL
Ic = WL – Lc
0 Lc WL %w
Ic
Extra alto
> 90> 60> 32
Muy alto70 a 90> 60> 32
Alto50 a 7030 a 6023 a 32
Medio35 a 5015 a 3012 a 23
Bajo20 a 35<15< 12
WLIcIndice Plástico
wP
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CCriterioriterio de de ExpansividadExpansividad dede HOLTZ Y GIBBS (1957)HOLTZ Y GIBBS (1957)
Ensayo de Free Swell Test (FST) (hinchamiento libre)Se coloca en una probeta graduada de 100 cm3 un cantidad de suelos seco tamizado por el Tamiz Nº 40 de aproximadamente 15 gr y se anota el volumen que ocupa en el fondo de la probeta “Vi”.Posteriormente se le adiciona agua destilada hasta el nivel de los 100 cm3, se la agita para que el suelo en su totalidad quede en suspensión en el agua y se la deja reposar hasta que las partículas en suspensión decanten y marquen un nuevo volumen “Vf” Con estos dos valores calculamos:
100.(%)Vi
ViVfFST −=
Activo a Muy Activo
FST > 100
Mediana Actividad
50 < FST < 100
Baja ActividadFST < 50
ViVf
Probeta graduada de 100 cm3
Sivapullaiah (1987)Indice de Hinchamiento Libre Modificado
VsVsVM FST
−=
V = Volumen del suelo luego de sedimentado en la probeta
Vs = Volumen sólido del suelo = (Se coloca un peso Ws en la probeta graduada y se calcula el volumen)
γs = Peso específico del suelo
Muy Alto>20Alto10 a 20
Moderado2,5 a 10Despreciable< 2,5
Potencial de Hinchamiento
MFST
s
Wsγ
Probeta graduada de 100 cm3
ViVf
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0
10
20
30
40
50
60
Indi
ce p
lást
ico
0 10 20 30 40 50 60 Porcentaje menor que 1 micrón
Grado de Actividad de Holtz y Gibbs
Lc > 13FST < 50
No Activos
8< Lc <1850 < FST< 100
Medianamente
6 <Lc< 12FST > 100
Activo
Lc < 10 FST > 100
Muy Activos
Criterio de Actividad de SKEMPTON (1953)
)2(% µ<=
IpA
Activo a Muy ActivoA > 1,25Medianamente Activo0,75 < A < 1,25
Baja ActividadA < 0,75
100 a 150
75 a 150
10 a 50
2,2 a 15
Capacidad de cambio de cationes m.eq.x100g
1,12 – 11,5Monmorillonita (Na+Li)
0,32 – 3,09Monmorillonita (Ca+Mg+Li)
0,23 – 0,80Illita
0,01 – 0,41Caolinita
A = 0Cuarzo
La evaluación de la cantidad de cargas eléctricas de un suelo, expresado en función de su masa (peso) constituyen lo que se llama la CAPACIDAD DE CAMBIO y se mide en miliequivalente x 100 grs (m.eq.x100)
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0
20
40
60
80
100
Indi
ce P
lást
ico
Ip (%
)
0 20 40 60 80 100 % de partículas < 2 micrones
Indice de Actividad de Skempton
Muy activos
Inactivo
Normales
Indice de Actividad de SEED, WOODWARD y LUNDGREN(1962)
)102(% −<=
µIpIa
Alta23 a 32
Muy Alta
>32
Media12 a 23
Baja< 12
Indice Plástic
o
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Indi
ce d
e A
ctiv
idad
(Ia)
0 10 20 30 40 50 60 70 % de partículas < 2 micrones
Indice de ActividadSeed, Woodward y Lundgren
Bajo
Alto
Muy Alto
Medio
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Suelo expansivo
Anillo rígido
Piedras porosas
Esquema del montaje de un anillo de consolidación
agua
Métodos cuantitativos:
-Hinchamiento libre
-Presión de hinchamiento
Suelo expansivo
Anillo rígido
Piedras porosas
Esquema del montaje de un anillo de consolidación
agua
Hinchamiento libre:
Se coloca la muestra inalterada en el anillo de consolidación, se la pone en contacto con agua y se mide la expansión que desarrolla “∆Ho”, se la indica como porcentaje de la altura inicial
100.%HoHExpansión ∆
=
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Ll
Q
P . L = l .Q
AlLP
AQ
..
==σ
Presión de expansión: Se controla el comparador para que siempre marque un valor constante mientras la muestra se satura, para ello se le adicionan bolillas de acero en el recipiente que contrarresta la presión de expansión.
El ensayo se suspende cuando la muestra no Cambia más de volumen y se calcula la presión de expansión tomando en cuenta la carga aplicada y la superficie de la muestra.
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Vivienda del City Bell fundada sobre una “platea”apoyada sobre un relleno, sobre suelos activos
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Diferencia conceptual entre lo que es una platea rígida de un contrapiso de cascotes
Recomendaciones para proyectar fundaciones en suelos expansivos
1,2 m
Evapotranspiración
Grietas de contracción
por desecación
Se ha determinado mediante mediciones in itu, que en nuestra región, las grietas de contracción por pérdida de humedad, alcanzan una profundidad del orden de los 1,20 m de profundidad
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Las grietas de contracción no se extienden más allá de los -1,20 m de profundidad y los cambios de humedad tampoco
1,2 m
Evapotranspiración Humedad %
Prof
undi
dad
(m)
1,50 m
InviernoVerano
Es conveniente apoyar las fundaciones por debajo de los niveles afectados por los cambios de humedad. Profundidad de fundación ≥ 1,50 m
1,50 m
Humedad %
Prof
undi
dad
(m)
1,50 m
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Se desarrollan presiones en la cara inferior de las vigas Se desarrollan presiones en la cara inferior de las vigas de de arriortramientoarriortramiento que deben ser tenidas en cuenta. que deben ser tenidas en cuenta.
Presión del suelo expansivo sobre las vigas de arriostramiento
cuando aumenta su humedad
La solución es colocar doble armaduras en las vigas de arriortramiento.
Vigas de arriostramiento con doble armadura
Planchas de telgoport de 2” debajo de las vigas de arriostramiento
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Vereda perimetral para evitar que el agua de lluvia penetre en el suelo por debajo de la viga de arriostramiento
1,50 m
Interior exterior
Vereda perimetral
Utilizar cañerías de desagües de alta calidad para evitar que se rompan y permitan que el suelo expansivo aumente su humedad
Rotura de cañería
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