MECANICA DEL SUELO. CONCEPTOS
Luis Ortuño Uriel & Asociados Prof. Asociado UPM
¿POR QUÉ ESTUDIAR EL SUELO? 1.- Es un material 1.más á de d la l estructura t t 2.- Es menos 2.resistente i t t y más á heterogéneo (no manufacturado) a u actu ado) 3.- Cuando se carga, 3.se deforma e induce una interacción con el resto de la estructura
Luis Ortuño
¿POR QUÉ ESTUDIAR EL SUELO?
El efecto de una construcción se hace sentir ti más á allá llá de d sus “límites “lí it verticales” ti l ” (puede afectar al vecino) Luis Ortuño
LA COMPLEJA Y VARIADA FORMACIÓN DEL SUELO
1.- El suelo es un sistema particulado
Tomada de González Vallejo, L. et al (2000)
2.- Tiene una estructura (historia) 3.- Es bi o trifásico
Luis Ortuño
METODOLOGÍA DE ESTUDIO DEL SUELO 1.- Identificación: Distribución de partículas (tamaños) Propiedades de retención de agua Mineralogía Sustancias químicas: CO3, SO4, M.O, etc.
2.- Estado in situ: Reparto de sólidos ”Reparto” sólidos, agua y aire (densidad (densidad, humedad, saturación, índice de poros….)
3.- Situación 3 Sit ió del d l suelo l en su entorno Presiones i totales, l presiones i de d agua, presiones intersticiales. Luis Ortuño
METODOLOGÍA DE ESTUDIO DEL SUELO 4.- Propiedades g geotécnicas relevantes Resistencia Deformabilidad Permeabilidad Otras: Expansividad, colapsabilidad, compactabilidad…
5.- Variaciones del estado inicial (problemas concretos) y respuesta del suelo Cimentaciones Taludes y laderas Excavaciones, etc Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
Se trata de estudiar la distribución de fracciones comprendidas entre tamaños ((diámetros)) significativos g ,con propiedades p p características EN ISO 1468814688-1 Fracciones de suelo Suelos muy gruesos
Suelos gruesos
Suelos finos
Subdivisiones Grandes piedras Piedras Guijarros Grava Grava gruesa Grava media Grava fina Arena Arena gruesa Arena media Arena fina Limos Limos gruesos Limos medios Limos finos Arcillas
Tipos de suelo: • Granulares o gruesos: gravas y arenas (visibles a simple vista). vista) Tamices • Finos: limos y arcillas (no visibles). Sedimentación.
Tamaño de partículas (mm) > 630 630 ‐ 200 200 ‐ 63 63 ‐ 2.0 63 ‐ 20 20 ‐ 6.3 6.3 2.0 2.0 ‐ 0.063 2.0 ‐0.63 0.63 – 0.20 0.63 0.2 – 0.063 0.063 – 0.002 0.063 ‐ 0.020 0.020 – 0.0063 0 0063 0.002 0.0063 – 0 002 < 0.002
•(G) GRAVAS 63 mm > d > 2 mm •(S) ARENAS: 2 mm> d > 0.063 mm •(M) LIMOS: 0.063 mm> d > 0.002 mm •(C) ARCILLAS: < 0.002 mm Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA ¿CÓMO SE NOMBRAN LOS SUELOS ? Obviamente muchos suelos naturales no son simplemente una arena, una grava o una arcilla, sino i que contienen ti partículas tí l d de di diversos ttamaños ñ en proporciones i variables. i bl
Interesa conocer cómo se distribuyen los tamaños de partícula de los suelos que hemos de investigar para nuestros problemas de ingeniería, dado que es razonable pensar que un suelo compuesto por gravas, por ejemplo, no se comportará igual que uno constituido por limos.
Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA ¿CÓMO SE NOMBRAN LOS SUELOS?
De la necesidad de “poner nombre al suelo” nacen las “Clasificaciones de suelos”. Puestos a elegir una (o a proponer una), lo ideal es que, siendo ingenieros, las diferentes divisiones correspondan en la medida de lo p posible a cambios relevantes en las p propiedades p “ingenieriles” g del suelo, y que además sean fáciles de establecer mediante ensayos sencillos. Dos tradiciones básicas: La que establece una frontera en el 50% en peso del material más fino y la que aboga por una frontera en el 35%. Entre las primeras está la clasificación de Casagrande, Casagrande la de la USCS, USCS etc. etc La segunda es la de la BS, el CTE, etc. Ejemplo: Ej l Un U suelo l con ell 52% en peso de d arena y ell resto t arcilla ill sería: í - (50%): Una arena arcillosa - (35%): Una arcilla arenosa Lástima, porque de lo que se trata es de que “hablemos un mismo Luis Ortuño idioma”
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA Una tradición muy establecida y razonable: La del 35%: Descripción de suelos compuestos BS5930 1999
Suelo predominantemente grueso o granular Ejemplo: Arena o Grava Descripción adicional % de arcilla o limo Algo limosa o algo arcillosa 0 – 5 Limosa o arcillosa 5 – 10 Muy limosa o muy arcillosa 10 – 35
Suelo predominantemente fino Ejemplo: Arcilla o Limo Descripción adicional A Arenosa/o / con grava (no se usa) Ejemplos:
40% arena arena, 36% arcilla arcilla, 24% limo: 30% arcilla, 45% limo, 18% arena, 7% grava
% de arena o grava 35 65 35 – 0 – 35 Arcilla arenosa (con algo de limo) Limo muy arcilloso con algo de arena y grava (a falta de plasticidad) Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA Una variante interesante: Canadian Foundation Engineering Manual De la tradición del 35%
Nombre
Grava, arena, limo, arcilla
“y” y
“yy grava grava”, “yy arena arena”…
Contenido en peso > 35% y además > 35% y, además, ser la fracción principal < 35% < 35%
adjetivo
“arenoso”, “arcillosa”, …
20% ‐ 35%
“con “con indicios de”
“con arena”… “con indicios de arcilla”…
10% ‐ 20%
Ejemplo Nombre principal
Nombres Secundario
1% ‐ 10%
Ejemplos: • 40% arena, 36% arcilla, 24% limo ………..Arenas y arcillas limosas •30% arcilla, 45% limo, 18% arena, 7% grava…Limo arcilloso con arena e indicios de grava (aunque el mismo manual indica que este suelo se comportará más bien como una arcilla). Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA ¿CÓMO SE OBTIENE LA GRANULOMETRIA? 1.- SUELOS GRUESOS: POR TAMIZADO.
Se cuartea el suelo,, se deja j secar y se tamiza. Se pesa la parte de suelo retenida en cada tamiz. Se calcula el % en peso que resulta ser menor que cada apertura de tamiz.
Este ensayo se hace siempre. siempre Es sencillo y barato. Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA SUELOS FINOS: POR SEDIMENTACIÓN Se basan en la Ley y de Stokes: La velocidad de caída de una esfera sumergida en un fluido es:
γs − γ w 2 v= D 18η γs peso específico del material de la esfera γw peso específico del agua η coeficiente de viscosidad del agua D diámetro de la esfera Se mezcla fracción fina (< 0.063 mm) con una solución de agua y dispersante. Se agita la probeta. Se introduce un densímetro y se va midiendo su descenso con el tiempo. Este ensayo no es muy frecuente y es algo más costoso costoso. Frecuentemente se echa en falta cuando se trata de estudiar arcillas. Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA REPRESENTACIÓN: CURVAS GRANULOMÉTRICAS
•(G) GRAVAS 63 mm > d > 2 mm •(S) ARENAS: 2 mm> d > 0.063 mm •(M) LIMOS: 0.063 mm> d > 0.002 mm •(C) ARCILLAS: < 0.002 mm
Ejemplos: gravas 1.- Arena con g 2.- Arena gruesa 3.- Arcilla limosa
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DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA CONCEPTOS, DEFINICIONES Y PARÁMETROS ADICIONALES: 1. 1.-
Di: Es el tamaño de partícula para el cual el (i%) en peso del suelo es menor que él.
Cuando se trata de D10 se llama “diámetro eficaz”.
2.- Coeficiente de uniformidad.
D60 Cu = D10
Sirve para medir y calificar el grado de distribución de tamaños de las partículas de un suelo. Por ejemplo, si todas las partículas son muy similares en tamaño, D60 y D10 no diferirán mucho, el coeficiente Cu será pequeño y el suelo se dice que es “uniforme” o “mal graduado”. Por el contrario, si el suelo tiene abundancia de tamaños intermedios entre el máximo y el mínimo, D60 y D10 diferirán sustancialmente, el coeficiente Cu será grande y el suelo se dice que esta “bien graduado”.
3.- Coeficiente de curvatura
D302 cc = D10 ·D60
Ayuda en la interpretación de cómo está graduado un suelo suelo, dando información sobre el equilibrio entre los diversos tamaños. Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
Ejemplos: 1.- Arena con gravas. Suelo bien graduado. Cu=25; Cc=1 (“con todos los tamaños intermedios”) 2.- Arena fina f uniforme. f . Cu=1,2, C (casi todas las partículas iguales) 3.- Arcilla limosa (bien graduada)
Otros adjetivos: 1.- Bien graduado 2.- Uniforme en la fracción gruesa de arenas 3 Uniforme 3.U if en lla fracción f ió de d arena fina fi 4.- Con falta de tamaños intermedios (casi sin arena)
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DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA CLASIFICACIÓN DE SUELOS USCS
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DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA CLASIFICACIÓN UCSC. SUELOS GRANULARES
Tamiz Nº 4 = 4,76 mm; Tamiz Nº 40 =0,42 mm; Tamiz Nº 200 = 0,074 mm
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DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA CONCEPTOS, DEFINICIONES Y PARÁMETROS ADICIONALES: 4.- LA FORMA DE LAS PARTÍCULAS TAMBIÉN PUEDE SER RELEVANTE: Partículas redondeadas, angulosas, subredondeadas, subangulosas, lajosas, etc. Todos estos términos son habituales y familiares ( (……….. Y se pueden medir !!!!)
Krumbein y Sloss (1955) (!Ojo a la “esfericidad”, traducida como “forma” en G&CI!!).
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DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA CONCEPTOS, DEFINICIONES Y PARÁMETROS ADICIONALES: INDICE DE LAJAS: % en peso de partículas cuya dimensión mínima es inferior a 3/5 la l dimensión di ió media di INDICE DE AGUJAS: % en peso de partículas cuya dimensión máxima (longitud) ( g ) es superior p a 9/5 / la dimensión media
Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA APLICACIONES “A LA VIDA REAL”: En muchas ocasiones las obras requieren el empleo de suelos, que frecuentemente se extienden y compactan por tongadas (terraplenes de carretera, de ferrocarril, presas de materiales sueltos, rellenos de trasdós de muros, etc). Dependiendo del cada caso, es habitual que los Pliegos de Condiciones exijan ciertos husos granulométricos. Algunos ejemplos:
GRANULOMETRÍA PARA ZAHORRA EN CAPAS DE FIRME DE CARRETERAS (PG-3). (PG 3)
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DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA Ejemplo de representación del huso: Zahorra artificial ZA-25 (PG-3)
Y ADEMÁS: INDICE DE LAJAS < 35
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DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA GRANULOMETRÍA PARA SUBBALASTO PGP-2008 (ADIF)
Y ADEMÁS: El coeficiente de uniformidad Cu = D60/D10, será mayor o igual que 14 (Cu ≥ 14). 14) 2 El coeficiente de curvatura Cc = D30 / (D10 x D 60), estará comprendido entre 1,0 y 3,0 (1,0 ≤ Cc ≤ 3,0). Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA MÁS APLICACIONES …. ESTIMACIÓN DE LA PERMEABILIDAD PERMEABILIDAD.. Esto es muy intuitivo: partículas grandes → huecos grandes → permeable (y viceversa) Para arenas se pueden obtener órdenes de magnitud de la permeabilidad) a partir de la granulometría (para material uniforme, Hazen: k(cm/s)=100D210 ) y, mejor aún, de su combinación con la “densidad relativa” (el grado de empaquetamiento o estibación de los granos del suelo. suelo (Ver más adelante). adelante)
Tomadas de Sowers, J.P. (2007)
Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA MÁS APLICACIONES …. CONTROL DE LA “EROSIÓN INTERNA” INTERNA”.. FILTRO.. FILTRO
CONDICIONES DE
Esto es también intuitivo: Se trata de permitir el flujo pero evitar arrastres. Para ello se interponen “capas filtro”. Obviamente ha de haber una cierta relación entre los tamaños de los suelos contiguos.
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DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA MÁS APLICACIONES …. CONTROL DE LA “EROSIÓN INTERNA” INTERNA”.. CONDICIONES DE FILTRO EJEMPLO:: BUREAU OF RECLAMATION (PRESAS) EJEMPLO ARRASTRE:
D15 <5 d 85
PERMEABILIDAD:
D15 a<
Suelo
a
b
5
40
12
40
6
18
Uniforme d60/d10= 3 a 4 No uniforme, granos redondeados No uniforme, granos angulares
FORMA RELATIVA DE LAS CURVAS: Aproximadamente paralelas y Suelo
D50 c<
Uniforme d60/d10= 3 a 4 No uniforme, uniforme granos redondeados No uniforme, granos angulares
c
d
5
10
12
58
9
30 Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA TETON DAM (EROSIÓN INTERNA) 1976 1976..
El 5 de Junio de 1976 a las 8:30 se observaron dos fisuras en la margen g derecha de la presa presa.. A las 10 10::00 se abrió otra grieta cerca de la coronación.. Se intentaron sellar las grietas con bulldozers pero el coronación proceso se aceleró aceleró.. Los obreros huyeron de la zona cuando una nueva gran grieta se abrió y creó un agujero que se tragó las máquinas máquinas.. A las 11 11::57 la presa se rompió, rompió arrojando toda el agua embalsada aguas abajo.. abajo
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DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA TETON DAM (EROSIÓN INTERNA) 1977 1977..
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DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA TETON DAM (EROSIÓN INTERNA) 1977 1977..
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DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA PRESA DE PUENTES (LORCA) Finalizada en 1791. El mayor embalse de España en esa época. Se pensaba cimentar la presa en roca competente, competente pero al comenzar la excavación, la falta de medios y la idea de que la roca estaría bastante profunda hicieron cambiar el proyecto. En los estribos, la presa terminó apoyado en roca, pero en la parte central se pilotó atravesando una capa de arenas (pilotes de 6,70 6 70 m encepados en 2,50 2 50 m de hormigón). hormigón) El 30 de Abril de 1802, tras dos días de intensas lluvias que llegaron a llenar casi totalmente el embalse (47 m), se produjo la rotura. A las 2:30 el agua salía abundantemente con color “rojo intenso” por el pie de la presa,. presa Hubo “varias varias explosiones explosiones”, y se abrió un gran hueco (17 x 33 m). m) En una hora desembalsó 3 casi 30 Hm . Hubo al menos 600 muertos.
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