composicion de suelos - Manual

8/18/2019 composicion de suelos - Manual

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CAPITULO II: COMPOSICION DEL SUELO

Naturalmente los suelos son sistemas compuestos de 3 fases: sólido, agua y aire.

2.1 RELAC. VOLUMÉTRICAS / GRAVIMÉTRICAS DE SUELOS

(a) (b)

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

awsvs V+V+V=V+V=V (2.1)

Donde:VS = volumen de sólidos del suelo.Vv = volumen de vacíos.VW = volumen de agua en los vacíos.Va = volumen de aire en los vacíos.

El peso del aire es insignif icante.El peso total de la muestra puede expresarse como:

ws W+W=W (2.2)

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

PesoTotal = W

VolumenTotal = V

aire

agua

sólido

W

WW

WS

V

VV

Va

VS

VW

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RELACIONES VOLUMÉTRICAS

Relación de vacíos (e)

s

v

VV=e (2.3)

Porosidad (n)

V

V=n v (2.4)

Grado de saturación (S)

vwV

V=S (2.5)

La relación de vacíos y la porosidad están relacionadas como sigue:

n-1

n=

)V

V(-1

)V

V(

=V-V

V=

V

V=e

v

v

v

v

s

v

(2.6)

Además, de la ecuación (2.6) se puede deducir:

e+1

e=n (2.7)

RELACIONES GRAVIMETRICAS

Contenido de humedad (w)

s

w

W

W

=w (2.8)

Peso unitario ()

V

W= (Peso unitario húmedo) (2.9)




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El peso unitario en función de Ws

( )V

w+1W=

V

})W

W(+1{W

=V

W+W=

V

W= s

s

ws

ws (2.10)

Peso unitario seco, d

V

W= sd (2.11)

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

w+1=d

(2.12)

Peso unitario saturado, sat

En suelo saturado los vacíos están completamente llenos de agua

V

WW

V

W wssat

(2.13)

Peso unitario sumergido (´)

1satwsat'

(gr / cm3) (2.14)

Ejemplo

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

Solución

75.0Vs

Vve 22.0

Ws

Www 2.6 w

s

Vs

W Gs




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Fig. 2.2 Método del diagrama de fases del suelo para hallar propiedades índice.

2.2. DENSIDAD RELATIVA (Dr)

Indica la compactación o soltura “in situ” de un suelo granular. Es su propiedadmás importante. Fuerzas gravitacionales son las que pesan en el suelo granular.

mínmáx

máxr e-e

e-e=D (2.15)

Donde:e = relación de vacíos in situ del suelo.emáx = relación de vacíos del suelo in situ en la situación más suelta.emín = relación de vacíos del suelo en la situación más densa.

Dr = 0 para suelos muy sueltos Dr = 1 para suelos muy densos

{( )

} { }

{( )

} {( )

}{ ( )( ) ( ) } { ( ) }-

-=

1-

1

1-

1

=Dd

máxdmíndmáxd

míndd

máxdmínd

dmíndr

(2.16)

Donde:d(mín.) = peso unitario seco en condic ión más suelto (para emax)d = peso unitario seco in situ (para e).d(máx.) = peso unitario seco en condición más densa (para emin)

Aire

Agua

Sólidos VS = 1/2.6WS = 1

WW = 0.22 VW = 0.22

VV =0.75/2.6

Vol. (m )Peso ton.

W = 1.22 V = 1.75/2.6




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Densidad relativa(%)

Descripc ión deldepósito del suelo

0 – 15 Muy suelto15 – 50 Suelto50 – 70 Medio

70 – 85 Denso85 - 100 Muy denso

Tabla 2.1 Descripción cualitativa del depósito de suelo granular

Para hallar d(mín.)

La norma ASTM D-2049 proporciona un procedimiento para determinar el peso unitarioseco mínimo y máximo de suelos granulares de modo que puedan ser usados en la

EcuaciónPara arenas se usa un molde con un volumen de 0.1 ft3 (2830 cm3).Para determinar el peso unitario seco mínimo, la arena es vertida sueltamente en elmolde desde un embudo con un diámetro de pico de ½” (12.7 mm). La altura promediode caída de la arena en el molde debe mantenerse en 1” (25.4 mm). El valor de d(min) puede ser determinado como:

m

s(min)d V

W= (2.17)

Donde:

Ws = peso de la arena requerida para llenar el moldeVm = 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/in2 (13.8 kN/m2) se añade al tope superior de la arena en elmolde. El molde es colocado sobre una mesa que vibra con una frecuencia de 3600ciclos/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 elpeso y el volumen de la arena. Varios factores controlan la magnitud de d(max), éstos sonla magnitud de la aceleración, la sobrecarga y la geometría de la aceleración. Por ello esposible obtener un valor mayor de d(max) que aquel obtenido por el método estándar de lasnormas ASTM.




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2.3 CONSISTENCIA DE SUELOS

Los minerales de arcilla permiten remoldear (con agua) el suelo arcilloso sindesmenuzarse: esto es consistencia. Esta naturaleza cohesiva se debe al aguaadsorbida que rodea las partículas de arcilla

Atterberg desarrolla método que usa diferentes grados de contenido de humedad.Para muy bajo contenido de humedad, el suelo se comporta como un sólido.Para altos contenidos el suelo y el agua pueden fluir como un líquido

Figura 2.3 Límites de Atterberg

LÍMITE LÍQUIDO (LL)

Es aquel contenido de humedad, en porcentaje que se requiere para cerrar la ranuraen el fondo de la cuchara una distancia de 0.5” (12.7 mm) después de 25 golpes.

Fig. 2.4(a) Aparato de límite líquido

Base de Caucho

Suelo

Radio 2.126”54mm

Incrementandocontenido dehumedad

Límite decontracción

LímitePlástico

LímiteLíquido

Sólido Semisólido Plástico Líquido




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Fig. 2.4 (b) Instrumento ranurador.

(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.

Figura 2.5 Curva de flujo para la determinación del límite líquido para una arci lla limosa

0.3937”(10 mm)

0.3937”(10 mm)

5/64”(2mm)

0.53”(13.46 mm)

2.875”(73 mm)

radio 0.875”(22.23 mm)

Límite líquido = 42

Curva deflujo

10 302520 40 5030

40

50

C o n t e n i d o d e h u m e d a d ( % )

8mm

2mm

11 mm

Número de golpes, N




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Mineral Límite líquido Límite plástico Límite decontracción

Montmor il lon ita 100-900 50-100 8.5-15Nortronita 37-72 19-27Ill ita 60-120 35-60 15-17

Kaolin ita 30-110 25-40 25-29Halloysi ta hidratada 50-70 47-60Halloysitadeshidratada

35-55 30-45

Attapulgi ta 160-230 100-120 Allophane 200-250 130-140

Tabla 2.2 Valores de los límites de Atterberg para arcil las minerales (Mitchell, 1976)

LÍMITE PLÁSTICO (LP)

Es el contenido de humedad para el cual el suelo se desmenuza cuando es roladoen hilos de 1/8” (3.2 mm) de diámetro. Límite más bajo del estado plástico del suelo.

El procedimiento para el ensayo está dado por la norma ASTM D-424.

Figura 2.6 Hebra de suelo siendo rolada para ensayo del Límite Plástico

Figura 2.7 Hebra de suelo desmoronado




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INDICE DE PLASTICIDAD (IP)

Es la diferencia entre el límite líquido y el límite 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 deltamaño de arcilla. Esta fracción es el porcentaje de material más fino menor que 2 por peso. Skempton definió la actividad como la pendiente de la gráfica.

La Actividad se usa para ver la expansividad de un suelo

peso)enarcilla,detamañodelfracciónde%(

IP=A (2.19)

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

Porcentaje defracción de arcilla

(


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Mineral Act ividad (A)

Esmectita 1 – 7

Illi ta 0.5 - 1

Kaolinita 0.5

Lysita (2H2O) 0.5

Hallysi ta (4H2O) 0.1 Attapulgi ta 0.5 – 1.2

Alofana 0.5 – 1.2

Tabla 2.3 Activ idad de los minerales de arcilla (Mitchell)

Skempton clasificó tres tipos de Arcillas de acuerdo a su Actividad:

INACTIVA con valores A < 0.75

NORMAL con valores 0.75 < A < 1.25 ACTIVA con valores A > 1.25

2.5. CARTA DE PLASTICIDAD

Figura 2.7 Carta de plastic idad

Í n d i c e

d e p

l a s t i c i d a d

0 20 40 60 80 100

10

20

30

40

50

60

70

Limos inorgánicos debaja compresibilidad

Limos inorgánicos decompresibilidad media y

limos or ánicos

Suelo sin

Limos inorgánicos dealta compresibilidad y

arcillas or ánicas

Arcilla inorgánica deplasticidad media

Arcilla inorgánica deba a lasticidad

Arcilla inorgánica de

alta lasticidad

Línea AIP = 0.73 (LL-20)

Línea UIP = 0.9(LL-8)

Límite Líquido




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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 forma, el tamaño y la mineralogía de las partículas.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.

(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.

Figura 2.8 Estructura panaloide

vacío

Suelo sólido

Suelosólido

vacío

Suelosólido

vacíos




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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 como se muestra en lasfiguras s iguientes.

Estructura Floculante

Otro caso es si las partículas podrían tender a ordenarse en flóculos visibles.El contacto interparticular es cara-borde; tiene grandes vacíos.Por ello es colapsable. Las uniones son electrostáticas.

A este proceso se le conoce como floculac ión

Esta estructura floculante se muestra en las siguientes figuras.

Figura 2.9a Estructura desedimentos dispersa

Figura 2.9b Estructura desedimentos floculada sin sal

Figura 2.9c Estruc tura desedimentos floculada con sal

Estructura Floculante tipo sal

Estas tienen una orientación en parte paralela. Es el caso de las arcillas dispersivasde 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 unaestructura intermedia entre dispersa y floculante.

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