composicion de suelos - Manual

CAPITULO II: COMPOSICION DEL SUELO Naturalmente los suelos son sistemas compuestos de 3 fases: sólido, agua y aire.

2.1 RELAC. VOLUMÉTRICAS VOLUMÉTRICAS / GRAVIMÉTRICAS DE DE SUELOS

aire

Va VV

Peso Total = W

Volumen Total = V

WW

agua

VW

sólido

VS

V

W WS

(a)

(b)

Fig. 2.1 2.1 (a) Elemento de suelo en estad estado o natural, (b) Tres fases del elemento elemento de suelo

V = Vs + Vv = Vs + Vw + Va

(2.1)

Donde: VS = volumen volumen de sólidos del suelo. Vv = volumen volu men de vacíos. VW = volumen de agua en los vac íos. Va = volumen volu men de aire en en los vacíos. El peso del aire es insignif icante. El peso total de la muestra puede expresarse como: W = Ws + Ww

(2.2)

Donde: WW = peso del agua. WS = peso peso de los sólidos del suelo.

15

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RELACIONES VOLUMÉTRICAS Relación de vacíos (e) e=

Vv Vs

(2.3)

Porosidad (n)

n=

Vv V

(2.4)

Grado de saturación (S)

S=

Vw Vv

(2.5)

La relación de vacíos y la porosid ad están relacionadas como sigue: V ( v) V Vv V n e= v = = = Vs V - Vv V 1- n 1- ( v ) V Además, de la ecuación (2.6) se puede deducir: e n= 1+ e

(2.6)

(2.7)

RELACIONES GRAVIMETRICAS Contenido de humedad (w) w=

Ww Ws

(2.8)

Peso unit ario ( ) 

=

W V

(Peso unitario húmedo)

(2.9)

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El peso unitario en función de W s



=

W Ws + Ww = = V V

Peso u nitario seco, d

=

Ws { 1 + (

Ww ) } Ws

V

=

Ws (1+ w ) V

(2.10)

d

Ws V

(2.11)

De las ecuaciones (2.10) y (2.11) se llega a: d

=



1+ w

(2.12)

Peso unitario saturado, sat En suelo saturado los vacíos están completamente llenos de agua

 sat 

W V



Ws

Ww



V

(2.13)

Peso unitario sumergido (´) '

   sat   w   sat  1

(gr / cm3)

(2.14)

Ejemplo Para un suelo, dados: e = 0.75; w = 22%; G S= 2.6. Calcular la porosidad, peso unitario húmedo, peso unitario seco y grado de saturación. Solución

e

Vv Vs



0.75

w

Ww Ws



0.22

Gs 

W s Vs

  w 

2.6

17


Vol. (m )

Peso ton. Aire

WW = 0.22

VV =0.75/2.6

Agua

VW = 0.22

W = 1.22

V = 1.75/2.6 WS = 1

Sólidos

V S = 1/2.6

Fig. 2.2 Método d el diagrama de fases del suelo para hallar pr opiedades índice.

2.2. DENSIDAD RELATIVA (Dr) Indica la compactación o soltura “in situ” de un suelo granular. Es su propiedad más importante. Fuerzas gravitacionales son las que pesan en el suelo granular.

emáx - e emáx - emín

Dr = Donde: e emáx emín

(2.15)

= relación de vacíos in situ del suelo. = relación de vacíos del suelo in situ en la situación más suelta. = relación de vacíos del suelo en la situación más densa.

Dr = 0 para suelos muy sueltos

{ Dr =

{

1  d(mín)

1  d(mín)

}- { }- {

1 d

Dr = 1 para suelos muy densos

}

1  d(máx )

={

}

-  d(mín)  d(máx ) -  d(mín) d

}{

 d(máx ) d

}

(2.16)

Donde: d(mín.) d d(máx.)

= peso unitario seco en condic ión más suelto (para e max ) = peso unitario seco in situ (para e). = peso unitario seco en condición más densa (para e mi n )

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Densidad relativa (%) 0 – 15 15 – 50 50 – 70 70 – 85 85 - 100

Descripc ión del depósito del suelo Muy suelto Suelto Medio Denso Muy denso

Tabla 2.1 Descripción cualitativa del depósito d e suelo granular

Para hallar

d(mín.)

La norma ASTM D-2049 proporciona un procedimiento para determinar el peso unitario seco mínimo y máximo de suelos granulares de modo que puedan ser usados en la Ecuación Para arenas se usa un molde con un volumen de 0.1 ft 3 (2830 cm3). Para determinar el peso unitario seco mínimo, la arena es vertida sueltamente en el molde desde un embudo con un diámetro de pico de ½” (12.7 mm). La altura promedio de caída de la arena en el molde debe mantenerse en 1” (25.4 mm). El valor de d(min) puede ser determinado como:  d(min)

=

Ws Vm

(2.17)

Donde: Ws = peso de la arena requerida para llenar el molde Vm = volumen del molde (0.1ft 3) Para hallar d(máx.) El peso unitario seco máximo es determinado vibrando la arena en el molde por 8 min. Una sobrecarga de 2 lb/in 2 (13.8 kN/m2) se añade al tope superior de la arena en el molde. El molde es colocado sobre una mesa que vibra con una frecuencia de 3600 ciclos/min. y que tiene una amplitud de vibración de 0.025” (0.635 mm). El valor de d(max) puede ser determinado al final del período de vibración conociendo el peso y el volumen de la arena. Varios factores controlan la magnitud de d(max), éstos son la magnitud de la aceleración, la sobrecarga y la geometría de la aceleración. Por ello es posible obtener un valor mayor de d(max) que aquel obtenido por el método estándar de las normas ASTM.

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2.3

CONSISTENCIA DE SUELOS

Los minerales de arcilla permiten remoldear (con agua) el suelo arcilloso sin desmenuzarse: esto es consistencia. Esta naturaleza cohesiva se debe al agua adsorbida que rodea las partículas de arcilla Atter berg des arr olla método que usa diferentes grados de contenido de humedad. Para muy bajo cont enido de humedad, el suelo se comporta como u n sólid o. Para altos contenidos el suelo y el agua pueden fluir co mo un líquid o

Sólido

Semisólido

Límite de contracción

Plástico

Límite Plástico

Líquido

Incrementando contenido de humedad

Límite Líquido

Figura 2.3 Límites de Att erberg

LÍMITE LÍQUIDO (LL) Es aquel contenido de humedad, en porcentaje que se requiere para cerrar la ranura en el fondo de la cuchara una dist ancia de 0.5” (12.7 mm) después de 25 golpes. Radio 2.126” 54mm Suelo

Base de Caucho

Fig. 2.4(a) Aparato de límit e líquido

20


2.875” (73 mm) 0.3937” (10 mm)

0.3937” (10 mm) radio 0.875” (22.23 mm)

5/64” (2mm)

0.53” (13.46 mm)

Fig. 2.4 (b) Instru mento ranurador.

11 mm

8mm 2mm

(c) Trozo de suelo antes del ensayo

(d) Suelo después del ensayo

Fig. 2.4 Ensayo de Límite Líquido

Es difícil ajustar el agua en el suelo para encontrar el 0.5” (12.7mm) en 25 golpes. Por ello se hacen 4 ensayos para el suelo variando su contenido de humedad. 50 ) % ( d a d e m u h

Curva de flujo Límite líquido = 42

40

e d o d i n e t n o C

30 10

20

25

30

40

50

Número de golpes, N Figura 2.5 Curva de flujo p ara la determinación d el límite líquido p ara una arcilla limo sa

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Mineral

Montmor illon ita Nortronita Illita Kaolinita Halloysita hidr atada Halloysita deshidratada Attapulgita Allophane

Límite líquido

Límite plástico

Límite de contracción

100-900 37-72 60-120 30-110 50-70 35-55

50-100 19-27 35-60 25-40 47-60 30-45

8.5-15

160-230 200-250

100-120 130-140

15-17 25-29

Tabla 2.2 Valores de los límites d e Atterberg p ara arcil las mi nerales (Mitchell, 1976)

LÍMITE PLÁSTICO (LP) Es el contenido de humedad para el cual el suelo se desmenuza cuando es rolado en hilos de 1/8” (3.2 mm) de diámetro. Límite más bajo del estado pl ástico d el suelo. El procedimiento para el ensayo est á dado por la norma ASTM D-424.

Figura 2.6 Hebra de suelo siendo rolada para ensayo del Límite Plástic o

Figura 2.7 Hebra de suelo d esmoron ado

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INDICE DE PLASTICIDAD (IP) Es la diferenci a entre el límite líquido y el límit e plástico de un suelo. ASTM D-424. IP = LL – LP

(2.18)

2.4. ACTIVIDAD (A) Es la relación lineal entre el índice de plasticidad y el porcentaje de fracción del tamaño de arcilla. Esta fracción es el porcentaje de material más fino menor que 2  por p eso. Skempton definió la actividad como la pendiente de la gráfica. La Actividad se usa para ver la expansividad de un suelo

A=

IP ( % de fracción del tamaño de arcilla, en peso)

(2.19)

Índice de plasticidad Suelo 1 Suelo 2

Porcentaje de fracción de arcilla (<2)

Fig. 2.8 Índice de plasticidad vs porcentaje de fracción d el tamaño de arcilla en peso.

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Mineral Esmectita Illita Kaolinita Lysita (2H2O) Hallysita (4H2O) Attapulgita Alofana

Actividad (A) 1–7 0.5 - 1 0.5 0.5 0.1 0.5 – 1.2 0.5 – 1.2

Tabla 2.3 Actividad de los minerales de arcilla (Mitchell)

Skempton clasificó tres tipo s de Arcillas de acuerdo a su Actividad: INACTIVA con valores NORMAL con valores ACTIVA con valores

A < 0.75 0.75 < A < 1.25 A > 1.25

2.5. CARTA DE PLASTICIDAD Línea U IP = 0.9(LL-8)

70 60 d a d i c i t s a l p

e d e c i d n Í

Arcilla inorgánica de alta lasticidad

50

Arcilla inorgánica de plasticidad media

Línea A IP = 0.73 (LL-20)

40 30

Limos inorgánicos de alta compresibilidad y arcil las or ánic as

Arcilla inorgánica de ba a lasticidad

Limos inorgánicos de compresibilidad media y limos or ánicos

20 10

Suelo sin

0

Limos inorgánicos de baja compresibilidad

20

40 60 Límite Líquido

80

100

Figura 2.7 Carta de plastic idad

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2.6. ESTRUCTURA DEL SUELO Es el arreglo geométrico de las partículas de suelo una con respecto de la otra. Factores que la afectan: la for ma, el tamaño y la mineralogía de las partícul as. También afecta la naturaleza y composición del agua 2.6.1 ESTRUCTURAS EN SUELOS GRANULARES (NO COHESIVOS) Estructura de grano individual Las partículas de suelo están en posición estable. Cada partícula está en contacto con las de su alrededor. La forma y distr ibución de tamaño de las partículas influyen en la densidad. Suelo sólido

Suelo sólido

vacío vacío

(a)

(b)

Figura 2.7 Estructura de grano indi vidual: (a) suelto, (b) denso

Estructura de celdas o panaloide Las arenas finas y limos forman pequeños arcos con cadenas de partículas. Tienen grandes relaciones de vacíos y pueden soportar cargas estáticas normales. Bajo cargas pesadas o bajo un choque de cargas, la estructura se rompe, resultando en asentamientos grandes, es una estructura colapsable.

Suelo sólido vacíos

Figura 2.8 Estructura p analoid e

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2.6.2 ESTRUCTURA EN SUELOS COHESIVOS Estructura Dispersa Las partículas individuales pueden asentarse muy lentamente, sufriendo un movimiento Browniano (en zigzag). Todas las partículas estarán orientadas más o menos paralelas unas a otras. La estructura así formada es dispersa, por tanto estable tal c omo se muestr a en las figuras s iguientes. Estructura Floculante Otro caso es si las partículas podrían tender a ordenarse en flóculos visibles. El contacto interparticular es c ara-borde; tiene grandes vacíos. Por ello es colapsable. Las uniones son electrostáticas. A este proceso se le conoce como floculac ión Esta estruct ura floculante se muestra en las siguientes figur as.

Figura 2.9a Estructura de sedimentos dispersa

Figura 2.9b Estructura de sedimentos floculada sin sal

Figura 2.9c Estruc tura de sedimentos floculada con sal

Estructura Floculante tipo sal Estas tienen una orientación en parte paralela. Es el caso de las arcillas dispersivas de Piura. Ellas poseen un peso ligero y también poseen una relación de vacíos alto. Su estructura es colapsable al lavarse la sal con agua dulce. La arcilla marina está altamente floculada La mayoría de los depósitos de sedimentos formados en agua fresca poseen una estructura int ermedia entre dispersa y fl oculante.

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