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• Alberto Delgado

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Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.

GEOTECNIA I Capí Capítulo 1 “Depó Depósitos naturales de suelos” suelos”

Profesor: Ing. Augusto José Leoni

BIBLIOGRAFÍA: -Apuntes publicados en la Página: www.ing.unlp.edu.ar/constr/labsuelos -Apuntes publicados en el Centro de Estudiantes Libros: -Principios de Ingeniería Geotécnica (Braja M. Das) -Principios de Fundaciones en Ingeniería (Braja M. Das) -Geotécnica y Cimientos (Jiménez Salas – Justo Alpañes) -Mecánica de Suelos (Badillo – Rodríguez) -La Ingeniería de Suelos (Rico – Rodriguez) -Mecánica de Suelos en la Ingeniería Práctica (Terzaghi – Peck) -Suelos, Fundaciones y Muros (Fratelli) -Mecánica de Suelos (Berry – Reid) -Fundamentos de Mecánica de Suelos (Roy Whitlow ) -Mecánica de Suelos (Lambe – Whitman) -Foundations Analysis and Design (Bowles) -Soil Mechanics Concepts and Applications (W. Powrie) -Soil Mechanics (R. F. Craig) -Foundation Engineering Handbook (Winterkorn - Fang)

Ing. Augusto José Leoni

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Origen y formación de los suelos: Es claro que las rocas con su aporte masivo de minerales resulta ser un aporte fundamental para la formación de los suelos que se suman a los aportes orgánicos de restos vegetales y animales de menor magnitud. Existen lo que llamamos “factores formadores”que se combinan para la formación de los suelos. Esta idea fue plasmada en forma de ecuación de la siguiente forma: cl = Clima o = Organismos

Suelo = f(cl, o, r, p, t)

r = Relieve p = Roca madre t = Tiempo

Para analizar la influencia de cada uno de estos factores formadores, podemos mantener como constantes todos los demás y hacer variar uno solo de ellos. Así por ejemplo manteniendo constantes los demás factores y variando solamente el tiempo tendremos un suelo que depende solamente de su edad.

De esta forma tendremos: CRONOSECUENCIA: Variando solamente el tiempo LITOSECUENCIA: Variando solamente la roca madre TOPOSECUENCIA: Variando el relieve CLIMOSECUENCIA: Variando el clima BIOSECUENCIA: Variando los organismos

Origen y formación de los suelos:

LITOSECUENCIA: (Variando la roca madre)

Composición mineralógica Permeabilidad Granulometría

La cantidad de arcilla en un suelo, aumenta con la temperatura

CLIMOSECUENCIA (Variando el clima)

La cantidad de arcilla en un suelo, aumenta con las precipitaciones El aumento de las precipitaciones provoca un aumento de la acidificación del suelo

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Origen y formación de los suelos:

Los organismos constituyen la fuente de material original para la formación de los suelos vegetales. BIOSECUENCIA Variando los organismos

Ejercen una importante acción de los materiales edáficos y los transforman, al extraer los nutrientes esenciales para su ciclo vital Producen una intensa mezcla de los materiales del suelo por acción de su actividad biológica.

La variación de todos los elementos anteriores en el tiempo dan como resultados distintos tipos de suelos. CRONOSECUENCIA Variando el tiempo

La velocidad de formación de un suelo es extraordinariamente lenta y dependen de los factores Formadores, así un suelo se genera más rápidamente a partir de materiales sueltos e inestables que a partir de rocas duras y constituidas por minerales estables

Toposecuencia (variando el relieve) Meteorización mecánica de las rocas Descomposición química o por temperatura

Transporte por gravedad

Pié de Monte

Fragmentos segregados de bloques roca mezclados con gravas, arena y arcillas

Transporte Fluvial

Tranporte Eólico

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TOPOSECUENCIA

Cambios de temperatura Descomposición química o por temperatura

Crecimientos de cristales

Erosión in situ Transporte por gravedad

Erosión Física o mecánica

Pié de Monte

Tensiones y movimientos de la corteza terrestre Agua: Transporte fluvial y marítimo

Fragmentos segregados de bloques roca mezclados con gravas, arena y arcillas

Erosión por transporte

Viento: Transporte eólico

Transporte Fluvial

Tranporte Eólico

Glaciares: Transporte y grandes presiones

Meteorización o erosión de las rocas (Fragmentación o disolución de la roca en trozos más pequeños o en minerales distintos)

Mecánica

Viento, agua, temperatura, congelamiento, glaciares

Se producen en regiones moderadamente secas con topografía accidentada

Química

Alteración de los minerales de las rocas para formar minerales nuevos. Agentes: agua, oxígeno, ácidos orgánicos

Regiones cálidas y húmedas con topografía preferentemente planas

Disolución

Solubilidad de los minerales de las rocas que migran y dejan como residuo los minerales no solubles

Regiones húmedas con presencia de rocas solubles

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EJEMPLO PRACTICO REGIONAL

N

Sierra La Barrosa Autódromo J. M. Fangio

Basamento Precámbrico Sedimentos Pampeanos

Cuarcitas

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Sierras de Balcarce: Autódromo J. M. Fangio

Estratigráficamente, las rocas que conforman el cordón serrano de Tandilia son las más antiguas del territorio nacional, con edades entre 2.200 y 1.800 millones de años (Precámbrico)

Roca granítica totalmente alterada

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Alteración del feldespato de la roca granítica y formación de caolinita

Desarticulación del trozo de roca con una pequeña presión de las manos

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Problemas generados por una insuficiente o muy precaria investigación geotécnica

Clasificación de los suelos Primera división de los suelos, según el tamaño de los granos Atendiendo a las distintos comportamientos de los suelos según su tamaño, se hace una primera clasificación de los mismos en: Suelos Gruesos: Partículas mayores a los 74 µ (0,074 mm) Suelos Finos: Partículas menores a los 74 µ Suelos Gruesos: Las fuerzas que gobiernan su comportamiento son fundamentalmente las de gravedad. (gravas y arenas) Suelos Finos: Las fuerzas que gobiernan su comportamiento son fundamentalmente en las arcillas, las de atracción y repulsión de origen físico - químicas. (arcillas y limos)

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Suelos Finos Dentro de los suelos finos, conformados por partículas de tamaño menores a 74µ (tamiz N° 200) tenemos: Limos: Partículas que van desde los 74 µ hasta los 2 µ Arcillas: Partículas menores a los 2 µ

Partículas de arcilla (Kaolinita)

17 µ

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Partículas de bentonita (Monmorillonita)

5µ

7,5 µ

Illita

Minerales de arcilla

Halloistita 7,5 µ

Atapulgita

2µ 4,7 µ

µ

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Características físico - químicas de una partícula de arcilla La superficie de toda partícula de arcilla conlleva una carga eléctrica negativa, cuya intensidad depende de sus características mineralógicas y de su tamaño. Cargas positivas Cargas negativas

La forma de lámina de las partículas de arcilla hacen que las mismas tengan una gran cantidad de cargas eléctricas. Estas cargas eléctricas, se reducen en su cantidad a medida que el tamaño de las partículas aumenta y cambian de forma, partículas no laminares, esféricos o prismáticas y que presentan una menor superficie expuesta (superficie específica), conllevan una menor carga eléctrica.

Estructura de la molécula de agua Estructura

Ligazón del Hidrógeno

_

_

+

_

+ +

Solución salina

hidratación

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Capacidad de adsorción de las arcillas

Las moléculas de agua forman un dipolo debida a la ubicación de sus átomos de H, por lo tanto las mismas se orientan y se “pegan” sobre la cara de las partículas de arcilla. Esta capa de moléculas de agua orientadas sobre la lámina de arcilla tiene una viscosidad mayor a la del agua libre o de humedad (se piensa que tiene la viscosidad del hielo) tiene un espesor del orden de los 10 Å y no se elimina fácilmente. 1Å = 0,1 mµ = 10−7 mm

Absorción es un proceso físico ligado a la capilaridad y a la porosidad de la masa de arcilla. Adsorción es un proceso químico ligado a la carga electroquímica de los cristales de arcilla que atraen las moléculas de agua dipolar en el espacio interlaminar Dentro de este espacio y juntamente con el agua de contacto, van los Iones de Intercambio presentes en el agua libre que está en contacto con el suelo. Dependiendo del ión que prevalezca en la solución, se puede predecir el comportamiento de la arcilla ya que la fuerza de fijación de los iones dependerá de la valencia del mismo

Iones de intercambio: Na+ Ca++ Mg++

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Al+++ Fe+++

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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)

Cargas positivas Cargas negativas

Iones de cambio: Fe+++, Al+++, Mg++, Ba++, Ca++, Na+, Li+

Cation

Radio no hidratado (Å)

Radio hidratado(Å)

Li+ Na+ K+ Cs+ Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+ Al3+ Fe3+

0.68 0.95 1.33 1.69 0.31 0.65 0.99 1.35 0.5 0.6

3.8 3.6 3.3 3.3 4.6 4.3 4.1

Estado seco

4.8

A medida que la arcilla absorbe agua del exterior la misma se ubica en las caras de los cristales e hidrata a los cationes haciéndoles variar el diámetro y por lo tanto cambian la distancia entre las partículas. La cantidad de moléculas de agua que ingresará, dependerá de la cantidad de cargas negativas disponibles que tenga la partícula de arcilla

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Estructura laminar de las arcillas

Orientación paralelas de las láminas de arcillas, provocan una gran expansión al tomar contacto con el agua libre del terreno, tienen una menor relación de vacíos y es más compacta.

Doble capa difusa

Concentración de agua dipolar con iones

Extructura panaloide, más abierta que la primera, con más relación de vacios y que experimenta menos expansión al absorber agua libre

El agua adsorbida juntamente con el agua absorbida junto a la partícula de arcilla, forman lo que se llama la “Doble Capa Difusa” que tiene una concentración de iones y de moléculas de agua dipolar, muy grande en las cercanías de la lámina y que despues decrece fuertemente hasta llegar a una distancia de 400 Å. Importancia del tipo de cationes: Dos cationes de Na+ tienen un volumen de 390 Å3. Por lo tanto si están adheridos a una lámina de arcilla forman una doble capa difusa de un espesor importante y tienen una unión muy débil (monovalente).

Concentración

Distancia

En cambio Un catión Ca++ tiene un volumen de 288 Å3 con lo cual la doble capa disminuye y en la superficie del cristal de arcilla reemplaza a dos iones de Na+ con una unión mucho mayor

500Å

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Características especiales de partículas de algunas arcillas Partícula de Montmorillonita de 1000 Å x 10 Å Doble capa difusa 200 Å

Hinchamiento de 1333%

30 Å

Agua Adsorbida

Partícula de Caolinita de 10.000 Å x 1000 Å Doble capa difusa 400 Å

1000 A

Hinchamiento de 80% µ = 10-3 mm

mµ µ = 10-6 mm Å = 0,1 mµ µ = 10−7 mm

Asociación entre las cargas eléctricas y la superficie específica de los suelos finos Tipo de Arcilla Capacidad de cambio

Superficie específica

Miliequivalente x 100 gr

m2/gr

Caolinita

2,2 a 15

15

Halloisita

10 a 50

60

Illita

10 a 50

50

Sepiolita

20 a 35

100 a 240

Montmorillonita

80 a 200

80 a 900

Iones de intercambio: Na+ Ca++ Mg++

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Al+++ Fe+++

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Determinación de la superficie específica con la técnica de absorción de Azul de Metileno En este proceso se aprovecha la cualidad del catión de “Azul de Metileno” de fijarse a las láminas de arcillas. La superficie máxima cubierta por un catión de AM es ~130 Å2. Los cationes de una solución acuosa de azul de metileno (peso molecular 319,87 g/mol) son absorbidos por las cargas negativas de la superficie de las arcillas. La Superficie específica “Se” es computada con la cantidad del AM absorbido por las láminas de arcilla. Los pasos a seguir en la técnica de absorción de AM son los siguientes: 1°) Se prepara una solución patrón de 2 gr de AM diluido en 200 cm3 de agua destilada 2°) Se pesa aproximadamente 1 a 2 grs de suelo seco a estufa (105°C) durante 24 a 48 hrs y se mezclan en una probeta con 50 cm3 de agua destilada 3°) Se adiciona en forma sucesiva, a la probeta con el suelo en suspensión, 0,5 ml de la solución patrón con AM y se agita fuertemente 4°) Luego de cada adición de 0,5 ml de la solución patrón con AM, se coloca una gota de ésta nueva suspensión sobre un papel de filtro y se analiza la imagen que queda estampada en el papel. Si la mancha queda con un contorno externo bien definido, quiere decir que el suelo sigue absorbiendo los cationes de AM. Cuando la mancha se presenta con una aureola celeste y difusa, quiere decir que las láminas de la arcilla están todas cubiertas con los cationes de AM

Se =

1 Ws ( AM ) 1 ( N . 0 ,5 ml ). Av .Sup ( AM ). 319 ,87 gr / mol Vol ( AM ) sol . Ws ( arcilla )

Donde: Ws(AM) es el peso en gr. de AM colocado en la suspensión patrón. Vol(AM)sol. Es el volumen total utilizado en la solución patrón en ml. N es el número de veces que se agregaron 0,5 ml de la solución patrón con AM. Av = 6,02 x 1023 /mol es el Número de Avogadro. Sup (AM) es el área cubierta por un catión de AM, asumida generalmente en 130 Å2. Ws(arcilla) es el peso seco de la arcilla en gr. que se utilizó en el ensayo.

Ejemplo: Para Ws(AM) = 2 gr. Vol(AM)sol.= 200 ml N = 70 Av = 6,02 x 1023 /mol. Sup (AM) = 130 Å2 = 1,30 10-14 cm2 . Ws(arcilla) = 1 gr Tendremos Se = 856,3 m2/gr

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Determinación de la superficie específica con solución de Azul de Metileno. a)

Gota de la suspensión mineral sobre papel de filtro tipo P5 antes del “punto final”.

b)

Gota después del “punto final” cuando un halo azul claro se forma alrededor.

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Humedad del suelo

La humedad del suelo representa en forma porcentual, la cantidad de agua que tiene una masa de suelos comparada con el peso seco de la misma. Estufa a 105°C (8 hs)

Vapor de agua

Suelo Húmedo

Suelo seco

1°) Se coloca la muestra húmeda en una cápsula de aluminio de peso conocido y se la pesa. Se obtiene así el peso Wh = Wsuelo húmedo + peso de la cápsula

3°) Se pesa la cápsula con el peso seco (Ws) y por diferencia de pesada Wh – Ws = Wa se obtiene el peso del agua evaporada

2°) Se lleva la cápsula a la estufa y se la deja durante 8 hs a 105° C

Porcentaje de humedad

w (%) =

Wa 100 Ws

Distintos estados del suelo en función de la humedad

Humedad (w) =

Ww = peso del agua / peso suelo seco Ws

Agua

Suelo

Suelo Seco

Límite plástico

Límite líquido

Límite de contracción

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Distintos estados de la estructura del suelo en función de la humedad

Agua

Suelo wc

wp

wL

Ip

Límite Líquido “wL” Límites de Atterberg

Límite Plástico “wP” Indice plástico “IP” = (wL – wP)

LÍMITES DE ATTERBERG Límite Líquido

Cápsula

Pesafiltro

Acanalador

Cascador de Casagrande

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Regulación de la altura de caída = 10 mm

Colocación de la muestra para el ensayo

Nota: la muestra colocada en la cápsula del cascador debe tener una superficie horizontal

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Cortamos la muestra con el acanalador

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Si luego de efectuar 25 golpes del cascador, el suelo se junta en una longitud de ½”. La humedad del suelo correspondiente al límite líquido Nota: La muestra nunca debe deslizarse sobre la cápsula del cascador, siempre debe fluir desde los costados del corte efectuado con el acanalador. Si la muestra se desliza sobre la cápsula debe clasificarse como: No Plástica

La muestra debe fluir desde la pared del corte efectuado y no debe deslizar sobre el Cascador

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Cálculo del Límite Líquido

N wL = wn    25  Humedad (%)

tan β

Tan β = 0.121

β

wL

N

Corrección

20

0.9724

21

0.9792

22

0.9847

23

0.9900

24

0.9951

25

1.00

26

1.0048

27

1.0094

28

1.0138

29

1.0182

30

1.0223

Log. N (N° de golpes) 20

30

40

50

Límite Plástico:

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Se amasa el suelo con una humedad baja conformando cilindros de 3 mm de diámetro, sobre una superficie lisa no absorbente, hasta que los mismos se fisuren transversalmente

Valores del “wP” y “wL” para distintas arcillas típicas

• Montmorillonita wP = 50 a 100; wL = 100 a 900

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• Illita

wP = 35 a 60;

wL = 60 a 120

• Kaollinita

wP = 25 a 40;

wL = 30 a 110

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Ensayo granulométrico, Tamices Tamices más utilizados en la práctica

Cobertura lateral

Malla de alambre de distintas aberturas

Denominación del tamiz

Abertura mm

Denominación del tamiz

Abertura mm

4”

100,0

N° 4

4,75

3 ½”

88,90

N° 8

2,36

3”

76,20

N° 10

2,00

2 ½”

63,50

N° 16

1,18

2”

50,80

N° 20

0,850

1 ¾”

44,45

N° 30

0,600

1 ½”

38,10

N° 40

0,425

1 ¼”

31,75

N° 60

0,250

1”

25,40

N° 100

0,150

¾”

19,05

N° 200

0,075

½”

12,70

N° 270

0,053

¼”

6,35

N° 450

0,032

1/8”

3,17

Ensayo granulométrico Suelo seco a pasar por el tamiz Peso seco total conocido “WsTotal”

Peso de suelo seco retenido por el tamiz Ws Ret

Porcentaje retenido

% Re t. =

WsRe t .100 WsTotal

Porcentaje que pasa Peso de suelo seco que pasa el tamiz Ws Pasa

% Pasa = 100 - % Retenido

% Pasa =

Ws Pasa .100 WsTotal

CURVA GRANULOMETRICA 100 90

Porcentaje que pasa

80 70 60 50 40 30 20 10 0 1

10

100

1000

10000

100000

Abertura Libre de Malla ( micrones)

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Granulometría de las partículas más pequeñas Análisis hidrométrico o método del hidrómetro (ASTM D-422-63) Sirve para conocer la composición granulométrica aproximada de las partículas que pasan por el tamiz # 200 de (0,075 mm de abertura de malla hasta aproximadamente el tamaño de 1µ = 0,001 mm). El método es absolutamente aproximado y utiliza la Ley de Stokes que define la velocidad de caída de una esfera de diámetro “D” dentro de un líquido de viscosidad “µ” conocida.

v=

2 .γ s − γ w 2 D 18 µ

z 2 .γ s − γ w 2 = D t 18 µ

to

Donde: γs = 2,65 gr/cm3; γw = 1 gr/cm3; µ = 9,12 x 10-6gr.seg/cm2 por lo tanto a un tiempo “t”y a una profundidad L no se encontrarán partículas mayores a D

D = Cte .

v L

L ( mm ) t

z

Por lo tanto, conociendo para distintos tiempos la concentración de la solución sueloagua, podremos obtener el diámetro de las partículas y el peso total de las mismas y con ello obtener un punto en el gráfico granulométrico.

t

La ley de Stokes es aplicable solamente a partículas esféricas por lo tanto los diámetros medidos son “diámetros equivalentes” a partículas de suelos que sedimntan a la misma velocidad que una esfera del mismo peso específico. Este procedimiento es aplicable solamente a partículas de limo 75 µ a 2 µ ya que partículas mayores pueden producir turbulencias y las menores de 2 m pueden no sedimentar porque los efectos gravitatorios quedan superados por los efectos electroquímicos. (movimiento browniano)

Resultado de un ensayo hidrométrico

CURVA GRANULOMETRICA 100.00

Porcentaje pasa % 99.3 80.0 46.7 39.2 26.8 20.1 15.6 12.9 10.4 6.9 3.2 2.5 2.0

90.00 80.00 70.00

Porcentaje que pasa

Diámetro µ 150.0 75.0 30.7 26.1 22.2 18.9 15.9 13.9 11.7 9.7 8.2 6.8 4.5

60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 1

10

100

1000

Abertura Libre de Malla ( micrones)

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Clasificación de suelos 1°) por tamaños: curva granulométrica 2µ

Tamiz N° 200 = 0,075 mm

Tamiz N° 4 = 4,75 mm

CURVA GRANULOMETRICA 100 90

Porcentaje que pasa

Arcilla 80

Limo

Arena

Grava

70 60 50 40 30 20 10 0 1

10

100

1000

10000

100000

Abertura Libre de Malla ( micrones)

Suelos Finos

Suelos Gruesos

Cu =D60/D10

Coeficiente de uniformidad

Cc =(D30)2/(D10 . D60)

Coeficiente de curvatura CURVA GRANULOMETRICA

100 90

Porcentaje que pasa

80 70 60 50 40 30 20 10 0

1 D10

10

100

D30

1000

D60

10000

100000

Abertura Libre de Malla ( micrones)

Suelos granulares bien graduados

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1 < Cc < 3

Cu > 4 Gravas

Cu > 6 Arenas

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Clasificación de suelos finos Sistema Unificado de Casagrande (SUC) Carta de plasticidad: Mud: Limos Clay: Arcillas

• • • • •

ML : Suelos limosos de baja compresibilidad CL : Suelos arcillosos de baja compresibilidad CL-ML : Suelos limo – arcillosos MH : Suelos limosos de alta compresibilidad CH : Suelos Arcillosos de alta compresibilidad

Carta de clasificación de Suelos Finos (SUC) Ip CH CH a“ ne Lí

30

CL CL

20

10

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MH MH ML ML

CL-ML

10

A”

30

50

WL

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Clasificación de los suelos gruesos y finos

Gravas más del 50 % de la fracción gruesa es retenida en el # Nº 4 (Pasa # 4 < 50%)

Suelos gruesos (Pasa # 200 < 50%)

Suelos finos

Nº 4

< 50%

(Fracción gruesa: Es la retenida en el # Nº 200) Nº 4

Arenas más del 50 % de la fracción gruesa pasa el # Nº 4 (Pasa # 4 > 50%)

> 50%

Arcillas y limos

Arriba de la línea A: “CH”

con WL > 50 %

Debajo de la línea A: “MH”

(Pasa # 200 > 50%)

Arcillas y limos

Arriba de la línea A: “CL”

con WL < 50 %

Debajo de la línea A: “ML” o “CL-ML”

Clasificación de las arenas 2

(Cu > 6) y (1 < Cc < 3)

Pasa # 200 3)

Arenas

< 12 % y > 5 %

Arenas bien graduadas

Pasa # 200

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Finos ML o MH

SW-SM

Finos CL o CH

SW-SC

SP

Finos ML o MH

SP-SM

Finos CL o CH

SP-SC

Clasificación de los Finos ML o MH

SM

Clasificación de los Finos CL o CH

SC

Clasificación de los Finos CL-ML

SC-SM

> 12 %

D 60 D10

SW

(Cu < 6) y/o (Cc < 1 o Cc > 3) Arenas mal graduadas

D30 ( D10 .D60 )

Cu =

SP

Arenas mal graduadas

(Cu > 6) y (1 < Cc < 3)

Pasa # 200

Cc =

SW

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Clasificación de las gravas 2

(Cu > 4) y (1 < Cc < 3)

Pasa # 200 < 5 %

Gravas bien graduadas (Cu < 4) y/o (Cc < 1 o Cc > 3)

(Cu > 4) y (1 < Cc < 3)

Gravas

< 12 % y > 5 %

Gravas bien graduadas

Pasa # 200 > 12 %

Finos ML o MH

GW-GM

Finos CL o CH

GW-GC

GP

Finos ML o MH

GP-GM

Finos CL o CH

GP-GC

Clasificación de los Finos ML o MH

GM

Clasificación de los Finos CL o CH

GC

Clasificación de los Finos CL-ML

D 60 D10

GW

(Cu < 4) y/o (Cc < 1 o Cc > 3) Gravas mal graduadas

D30 ( D10 .D60 )

Cu =

GP

Gravas mal graduadas

Pasa # 200

Cc =

GW

GC-GM

Carta de clasificación de la American Ass. of State Highway Officials

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Abaco para clasificar por HRB a los Suelos Finos

Indice de Grupo Es un número que penaliza la calidad del suelo para ser utilizado como material en la ingeniería vial La suma de las ordenadas de 1 y 2 da el valor del “IG” IG = 0,2 a + 0,005 a.c + 0,01 b.d a = Número que resulta de restar al % pasa # 200 el valor de 35 hasta un máximo de 75 %. Varía entre 0 y 40 b = Número que resulta de restar al % pasa # 200 el valor de 15 hasta un máximo de 55 %. Varía entre 0 y 40 c = Número que resulta de restar al Límite Líquido un valor de 40 hasta un máximo de 60%. Varía entre 0 y 20. d = Número que resulta de restar al Límite Plástico un valor de 10 hasta un máximo de 30%. Varía entre 0 y 20.

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El agua en el suelo Agua adsorbida Capilar

Agua libre

La ascensión capilar y el efecto de un menisco ubicado entre dos partículas de arcilla Ley de Jurin h = f(1/r)

h=

2 .Ts . cos( α ) r .γ w

Ts = Tensión superficial

r

h

R

R

r

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Efectos de los meniscos capilares entre los granos de suelos Principio de la cohesión aparente

Granos de arena

Húmedos Húmedo

Secos Seco

Granos de arcilla

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Ejemplo práctico de la tensiones capilares en los suelos

Menor humedad Meniscos más pequeños

Mayor Humedad Meniscos más grandes

Resistencia al corte en función de la humedad para distintos tipos de suelos finos

Agua

Suelo

20 %

30%

35 %

70 %

Suelo 1: WL = 70 % Ip = 40 % Wn = 30 % Suelo 2: WL = 35 % Ip = 15 % Wn = 30 %

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Límite de Contracción Límite de Contracción = Lc = wi - ∆w

Tara

Vi Wh

Lc =

Vf

Wh − Ws Vi − Vf . 100 − .γ w . 100 Ws − Tara Ws − Tara

wi

Ws

0

Lc

Wp

∆w

WL

%w ∆w

wi

Densidad de un suelo La densidad de un suelo es la relación entre el peso de su masa y el volumen que ocupa y se expresa con la letra “γ”

γ=

Peso Volumen

La densidad puede ser expresada como densidad húmeda “γγh” densidad saturada “γγsat”

densidad seca “γγd”

En el Laboratorio la densidad de los suelos inalterados se mide con el método del mercurio, que consiste en determinar el volumen de un trozo irregular, sumergiendo el mismo en un recipiente con mercurio Supongamos que tenemos un trozo de suelos del que queremos conocer su densidad. Primero lo pesamos y obtenemos Wh (peso húmedo)

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Tomamos un recipiente, lo llenamos con mercurio lo enrasamos con un vidrio que tiene unos tarugos soldados en la parte inferior y lo pesamos.(1)

Wh

Posteriormente colocamos el trozo de suelo sobre el mercurio y lo forzamos a sumergirse con los tarugos del vidrio. (2) Esto provocará que el mercurio se derrame en la misma cantidad que el volumen del trozo de suelos pero como esto lo hacemos dentro de una bandeja podemos recoger el mercurio derramado y pesarlo Wgh. (3)

(1)

Como conocemos el pesos específico del mercurio podemos obtener su volumen

Vgh =

Wgh

γgh = 13,6 gr/cm3

γ gh

La densidad húmeda del suelos será entonces

γ

h

=

Si posteriormente secamos el trozo de suelo, podremos obtener su densidad seca

Wh V gh

(2)

γ

d

=

Ws V gh

(3)

Peso Específico: 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. γo : Peso específico del agua destilada, a 4º C. y a la presión atmosférica correspondiente al nivel del mar. γo = 1,000 gr/ cm³ γw : Peso específico del agua en condiciones reales de trabajo, su valor difiere un poco del γo , en la práctica se toma igual que γo. γs : Peso específico, también llamado peso volumétrico de los sólidos.

γs =

Ws Vs Arenas γ = 2,65 gr/cm3

En general podemos decir Arcillas γ = 2,5 a 2,9 gr/cm3

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Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.

Peso específico de las partículas de un suelo Bomba de vacío

Picnómetro con tapa capilar para enrase seguro, de peso conocido

Picnómetro lleno de agua destilada y desairada con tapa de enrase.

Se seca perfectamente el Picnómetro. Se le adiciona un peso de suelos seco del orden de los 15 a 20 grs.

Se debe tarar para distintas temperaturas

Se le coloca algo de agua destilada desairada y se lo conecta a una bomba de vacíos mientras se agita suavemente.

Peso específico de las partículas de un suelo Se conocen los siguientes valores:

-Peso del picnómetro vacío Wp -Peso del picnómetro lleno de agua Wp+a -Peso del suelo seco colocado Ws -Peso del picnómetro + agua + suelo Wp+a+s Esto nos permite calcular el peso del agua desplazada haciendo: Wa (desplazada) = (Wp+a) + Ws – (Wp+a+s) Se lo llena de agua destilada y desairada

Se le coloca la tapa capilar y se seca perfectamente para pesarlo.

Volumen del agua desplazada Va = Wa/γw El volumen del suelo es igual al volumen del agua desplazada por lo que el peso específico de los granos es:

Gs = γ s =

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Ws Va

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Relaciones volumétricas y gravimétricas

Proporciones en Volúmenes

Va

Vt : volumen total de la muestra del suelo. ( volumen da la masa)

Proporciones en Peso

Fase gaseosa

Vs: volumen de la fase sólida de la muestra ( volumen de sólidos) Vω: volumen de la fase líquida ( volumen de agua)

Wa

Va: volumen de la fase gaseosa ( volumen de aire o de los gases) Vv

Wv Vw

Fase líquida

Vv: volumen de vacíos de la muestra de suelo ( volumen de vacíos). Vv = Vω + Va

Ww

Vt

Vt = Vv + Vs

Wt

Vt = Vω + Va + Vs

Wt : Peso Total de la muestra de suelo. (Peso de la Masa). Vs

Fase sólida

Ws

Ws : Peso de la fase sólida de la muestra. Wω: Peso de la fase líquida (peso del agua). Wa : Peso de la fase gaseosa, convencionalmente considerado como nulo en Geotecnia

Densidad o Peso por Unidad de Volumen. * Con una humedad diferente a la correspondiente a su saturación

γh =

Wt Ws +Ww+Wa Ws +Ww = = Vt Vs +Vv Vs +Vv Convencionalmente Wa = cero

* Para ω = ω sat

Humedad de saturación (Va = 0 )

Wt Wt Ws + Ww γ= γ sat = = Vt Vs + Vv Vt

Va

Fase gaseosa

Vw

Fase líquida

Wa

Vv

Wv Ww

Vt

Wt

Vs

Fase sólida

Ws

* Cuando Wω = 0 (Totalmente seco) Vv = Va

γd =

Ing. Augusto José Leoni

Wt Ws = Vt Vs + Vv

γd < γh < γ sat

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Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.

Peso del sólido sumergido = peso del sólido – pesos del agua que desplaza

γ ´=

Peso sumergido = Ws – Vs . γw

Ws − Vs.γw Vt

Sumando y restando (Vω.γw)

γ ´=

Ws − Vs.γw + Vw.γw − Vw.γw Vt

γ ´=

(Ws + Ww) − (Vs + Vw).γw Vt

γ ´=

Ws + Ww (Vs + Vw).γw − Vt Vt

γ´=

γsat

-

Fase líquida

Vv

Ww

Vt

Wt

Vs

Fase sólida

Ws

γw

Humedad Grado de Saturación, Peso seco y Pesos húmedo

Humedad de un suelo

w(%) =

Ww .100 Ws

Va

Fase gaseosa

Vw

Fase líquida

Wa

Vv

Wv Ww

Vt

Grado de saturación

Vw S (%) = .100 Vv

Wt

Vs

Fase sólida

Ws

Obtención del peso seco del suelo a partir de su peso húmedo y de su humedad

Wh = Ws + Ww

w(%) =

Ing. Augusto José Leoni

Ww .100 Ws

Wh = Ws +

Ws.w% 100

Wh = Ws (1 + Ws =

w% ) 100

Wh w% 1+ 100

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Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.

RELACIONES FUNDAMENTALES

e=

Relación de vacíos

Vv Vs

Porosidad

n=

Vv Vt

Vv Vv e= = Vs Vt − Vv

Vv e = Vt Vv 1− Vt

e=

n 1− n

Vv Vv n= = Vt Vs +Vv

Vv n = Vs Vv 1− Vs

n=

e 1+ e

Formación geológica de los suelos de la Ciudad de Bs. As. Riachuelo

Fm. Post Pampeano

Fm. Pampeano

Fm. Puelche

Ing. Augusto José Leoni

Suelos conformados por arcillas muy plásticas y arenas limosas con materia orgánica, por lo general de color gris oscuro, blandos y muy sueltos

Suelos arcillosos y limosos en algunos casos con concreciones calcáreas, peden ser preconsolidados o normalmente consolidados, por lo general de color castaño

Arenas límpias mal graduadas de granulometría fina, muy densas y de color amarillo claro

40

Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.

Sondeo D Nro Prof.

Ubicación: Avenida Del Barco Centenera y Av. Roca Descripción del Suelo Clasif. Wn, Wl, Wp, Ip, Granulometría 10 20

Planilla de resumen de un estudio de suelo en la Fm. Post Pampeano

30 40

1

1,00

Arcilloso

CL

2

2,00

castaño

CL

3

3,00

Limo arenoso

ML

No Plástico

4

4,00

gris verdoso

ML

No Plástico

5

5,00

ML

No Plástico

6

6,00

SM

No Plástico

7

7,00

SM

No Plástico

8

8,00

SM

No Plástico

9

9,00

SM

No Plástico

10

10,00

SM

No Plástico

11

11,00

SM

No Plástico

12

12,00

SM

No Plástico

13

13,00

Limo arcilloso

ML

14

14,00

castaño

ML

15

15,00

16

16,00

17

17,00

Arcillo arenoso

CL

18

18,00

castaño claro

CL

19

19,00

20

20,00

21

21,00

Arcillo limoso

CL

22

22,00

castaño|

CL

23

23,00

Arena limosa

SM

24

24,00

castaña

Arena limosa

gris oscura

50 60

E.N.P.

70 80 90

10

Fricc.

20 30

40

ML CL

CL CL

SM

Humedad Natural

Límite Plástico

Límite Líquido

Indice Plasticidad

Pasa tamiz 4

Pasa tamiz 10

Pasa tamiz 40

Pasa tamiz 100

Obra: Investigación en el Río de La Plata Sondeo XX

Planilla de resumen de un estudio de suelo de 75 m

Fm. Post Pampeano

Fm. Puelche Fm. Paraná

Ing. Augusto José Leoni

Nro

Prof.

06/12/99

Ubicación: Río de La Plata Descripción del Suelo

Clasif.

Napa: -

Wn, Wl, Wp, Ip, Granulometría 10

20

30

40

50

60

E.N.P. 70

80

90

10

20

30

40

1

1,00

2

2,00

CH