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Facultad de Ingeniería y Arquitectura

FASES DE UN SUELO

Mecánica de suelos I

Cajamarca, abril del 2014

Facultad de Ingeniería y Arquitectura

Suelo parcialmente saturado

Suelo saturado

Suelo sumergido

Mecánica de suelos I

Cajamarca, abril del 2014

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Suelo parcialmente saturado Presenta tres fases: sólida, líquida y gaseosa

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Suelo parcialmente saturado presenta tres fases

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La fase sólida Los minerales constituyen la base del armazón sólido que soporta al suelo. La fase sólida representa la fase mas estable del suelo y por tanto es la más representativa y la más ampliamente estudiada. Es una fase muy heterogénea, formada por constituyentes inorgánicos y orgánicos.

Se forma por la meterorización de la roca debido a diferentes factores exógenos

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La fase líquida Se caracteriza por su variabilidad en el espacio y por el tiempo, tanto a nivel cualitativo como cuantitativo. Esta variabilidad esta condicionada por la propiedades específicas de esa fase líquida, por las características de los espacios en que se encuentra y por las propiedades del suelo que la sustenta.

La dinámica general del agua en el suelo, está relacionada con el exterior en lo que se refiere a los aportes, como son las fuentes, la lluvia o la infiltración, y en lo que se refiere a las pérdidas, como son la evaporación o la alimentación de las aguas subterráneas (acuíferos y corrientes).

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La fase líquida circula a través del espacio poroso, quedando retenida en los poros del suelo; está en constante competencia con la fase gaseosa.

La fase gaseosa Formado por el aire que ocupa los espacios que la fase liquida deja libres en la porosidad de suelo.

Esta fase no se presenta en suelos saturados, ni sumergidos

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Relación de pesos y volúmenes en suelos parcialmente saturados Volúmenes

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Pesos

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En el modelo de fases, se separan volúmenes (V) y pesos (W) de la muestra

Volúmenes • Volumen total Vt • Volumen de sólidos Vs, • Volumen de aire Va • Volumen de agua Vw. • Volumen de vacíos Vv ( Vv = Vw + Va ) Vt = Vs + Va + Vw

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Pesos • Peso total Wt • Peso de sólidos Ws • Peso del aire Wa = 0 • Peso del agua Ww Wt = Ws + Ww

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Determinación del peso total y de las fases de la muestra de suelo • Peso total de la muestra: Wm Se determina pesando la muestra inmediatamente después que se extrae del

estrato

en

estudio,

teniendo

cuidado que no pierda humedad.

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• Peso de la fase sólida: Ws Se determina de dos maneras - Forma directa Toda la muestra se seca a una temperatura de 105 ° C durante 24 horas y se lo pesa.

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- Forma indirecta Determinando el peso total de la muestra húmeda (Wm) y el contenido de humedad (w%), de una muestra representativa Ws =

Wm

.

1 + w% / 100

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• Peso de la fase gaseosa: Wa Se considera que es igual a cero.

• Peso de la fase líquida: Ww Se determina por diferencias de pesos Ww = Wm – Ws

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Determinación del volumen total y de las fases de una muestra de suelo • Volumen total de la muestra: Vm - Suelo fino Se utiliza el método volumétrico que consiste en extraer una muestra del suelo con un muestreador cilíndrico. El volumen del cilindro es igual al volumen de la muestra.

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- Suelo grueso Se utiliza el método de reemplazo de arena, el cual consiste en hacer un hoyo en el suelo y llenarlo con arena de densidad conocida, determinar el peso de arena que ingresa al hoyo y con estos datos se determinar el volumen Vm = War Da War: peso de la arena que ingresa al hoyo Da: densidad de la arena Mecánica de suelos I

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• Volumen de la fase sólida: Vs - En forma directa La muestra extraída con el muestreador cilíndrico se seca durante 24 horas a 105°C de temperatura, se coloca en un recipiente lleno de mercurio, el mercurio desplazado se pesa Vs = Peso del mercurio desplazado Peso especifico del mercurio El volumen del mercurio desplazado es igual al volumen de la muestra, Peso especifico del mercurio: 13.86 gr/cm3 Mecánica de suelos I

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- En forma indirecta Determinando el peso de la fase sólida y el peso especifico de sólidos mediante la fiola, de muestras representativas

Vs =

Ws

γs Ws: peso de la fase sólida

γs:

peso específico de los sólidos

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• Volumen de la fase líquida: Vw El volumen de la fase líquida es igual al peso de la fase líquida, debido a que la densidad del agua en el suelo se considera igual a 1 gr/cm3,

Vw = Ww

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•

Volumen de la fase gaseosa: Va El volumen de la fase gaseosa se determina por diferencia de volúmenes Va = Vm – ( Vs + Vw)

•

Volumen de vacíos: Vv El volumen de vacíos comprende el volumen de la fase líquida y el volumen de la fase gaseosa Vv = Va + Vw

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Relaciones entre las fases de un suelo Las relaciones entre las diferentes fases constitutivas del suelo (fases sólida, líquida y gaseosa), permiten avanzar sobre el análisis de la distribución de las partículas por tamaños y sobre el grado de plasticidad del conjunto. También las relaciones entre las fases del suelo tienen una amplia aplicación en la Mecánica de Suelos para el cálculo de esfuerzos.

La relación entre las fases, la granulometría y los límites de Atterberg se utilizan para clasificar el suelo y estimar su comportamiento.

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Relaciones gravimétricas y volumétricas Relaciones gravimétricas •

Contenido de humedad: W (%) W = Ww Ws

•

Peso específico de la masa del suelo (densidad natural):

γm

γm = Wm Vm • Peso específico seco:

γd

γm = Ws Vm •

Peso específico de sólidos:

γs= Mecánica de suelos I

γs

Ws Vs Cajamarca, abril del 2014

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Relaciones volumétricas • Relación de vacíos: e e = Vv Vs

* 100 (%)

• Grado de saturación: Gw Gw = Vw Vv

•

* 100

Porosidad: h h= Vv

*100

Vm Mecánica de suelos I

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Parámetros adicionales para h y e Siempre h < e y Como Vv/ Vs es la relación de vacíos, entonces:

e =

e=

Vv = Vs

Vv Vm – Vv

=

Vv Vm . 1 - Vv Vm

h . 1 - h

h = Vv Vm

h =

=

Vv . Vv + Vs

Vv Vs . Vv + Vs Vs Vs

e . e+1

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Valores típicos para h y e Arena bien gradada

e =0,43-0,67

h= 30-40%

Arena uniforme

e =0,51-0,85

h= 34-46%

Suelos cohesivos

e =0,55-5,00

h= 35-83%

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Ejemplo 1 En una muestra de suelo se realizó los ensayos de: densidad natural, contenido de humedad y peso específico, obteniéndose los siguientes resultados. Se pide determinar los pesos y volúmenes de las tres fases del suelo, la relación de vacios, el grado de saturación y la porosidad. Vmh (cm3)

112.22

Wmh (gr)

195.00

W%

g (gr/cm3) Mecánica de suelos I

16.46

2.40 Cajamarca, abril del 2014

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Ejemplo 2 En una muestra de suelo se determinó los valores densidad natural, contenido de humedad y peso específico, mediante ensayos de laboratorio. Se pide determinar los pesos y volúmenes de las tres fases del suelo, la relación de vacios, el grado de saturación y la porosidad. Vhoyo (cm3)

1217.75

Wmh (gr)

1660.00

W% gs (gr/cm3) Mecánica de suelos I

11.13

2.40 Cajamarca, abril del 2014

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Ejemplo3 En una muestra de suelo se realizó los ensayos de: densidad natural, contenido de humedad y peso específico. Se pide determinara la relación de vacios, el grado de saturación y la porosidad. a. Datos de la densidad natural W cil(gr)

260.00

Wcil+mh (gr)

455.00

hc (cm)

8.10

dcil (cm)

4.20

b. Datos del ensayo de peso específico W s (gr)

60

W fw (gr)

675

W fws (gr)

710

c. Datos del ensayo de contenido de humedad Identific.tara W t (gr) Wmh + t (gr) Wms + t gr) Mecánica de suelos I

1

2

28.90 134.50 119.60

32.40 122.80 110.00 Cajamarca, abril del 2014

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Ejemplo 4 En una muestra de suelo se realizó los ensayos de: densidad natural, contenido de humedad y peso específico. Se pide determinara la relación de vacios, el grado de saturación y la porosidad. a. Datos de la densidad de arena

b. Datos del peso de arena en el cono

Peso molde cilind (gr)

2088.00

Peso arena + molde cilind (gr)

3750.00

Altura molde cilind. (cm)

14.60

Diámetro molde cilind. (cm)

10.40

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Peso cil+ar inicial (gr)

9980.00

Peso cil+ar final (gr)

8640.00

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d. Datos del ensayo de peso específico

c. Datos de la densidad natural Peso cil+ areena inic (gr)

9360.00

Peso suelo seco (gr)

67.8

Peso cil+arena final (gr)

6170.00

Peso fiola + agua (gr)

1231

Peso muestra del hoyo (gr)

2630.00

Peso fiola+agua+suelo(gr)

1273

e. Contenido de humedad Identificación tara

1

2

Peso tara (gr)

24.50

37.80

Peso tara+muest.humeda (gr)

83.20

90.50

Peso tara+muestra seca (gr)

69.80

78.60

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Otras fórmulas de relaciones gravimétricas y volumétricas • Peso específico de la masa del suelo:

γm

W: contenido de humedad e: relación de vacíos γs : peso especifico de sólidos

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•

Grado de saturación Gw = w * Ss e W: contenido de humedad Ss: peso específico relativo de sólidos e : relación de vacios

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