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Manual de prácticas de fundamentos de geotecnia
Tipo: Apuntes
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¡No te pierdas las partes importantes!
René Domínguez Peña Salvador Hernández Melgar Fernando Almanza Hernández Juan Alberto Juárez Sosa México, 2001
aprendizaje, además de servir de guía en el desarrollo de los ensayos, por lo que en su elaboración se pensó analizar cada prueba por separado, efectuándose los cálculos necesarios para dar solución a un problema práctico, que ayudará a comprender todo el trabajo desarrollado. Esperando que este Manual sirva en el desarrollo del aprendizaje, tanto a alumnos como a docentes que se inician o trabajan en ésta importante rama de la ingeniería, solamente les deseamos el mejor de sus esfuerzos.
Actualmente la Mecánica de Suelos es una ciencia con la que se trabaja en forma cotidiana, se aplica en la mayoría de las obras civiles por construir o en proceso de construcción, sirve también para conocer las características y el comportamiento de los suelos con respecto al peso de las estructuras, y de esta forma decidir de manera conveniente cuando se presente un problema geotécnico, en consecuencia para el Ingeniero Civil es de vital importancia que conozca el tipo de suelos con los que va a trabajar desde la primer visita que hace al sitio de la obra. Para cumplir con éste objetivo y se tenga una idea preliminar de los materiales térreos que existen en el lugar, es necesario realizar sondeos superficiales, obteniéndose muestras a las que se les hacen pruebas de campo, los resultados obtenidos se ubican en el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (S.U.C.S.) conociéndose el nombre del suelo y sus características. Los especialistas en Geotécnia utilizan pruebas simples tales como, el cribado y la separación por sedimentación para los suelos gruesos, en tanto que para los suelos finos generalmente se utiliza la: a) Dilatancia (reacción al agitado). b) Resistencia en estado seco (características al rompimiento). c) Tenacidad (consistencia cerca del límite plástico). Una vez que se conocen los tres parámetros anteriores se define la posición que ocupa la muestra de suelo fino en el denominado S.U.C.S. En este sistema se valoran también las propiedades de los suelos, relacionándolos respecto a su granulometría así como a su posible uso en la Ingeniería. El sistema S.U.C.S. es descriptivo y fácil de adaptarse al suelo real, puede usarse en el campo y en el laboratorio. Probablemente la mayor ventaja es que un suelo se puede clasificar por medio de un examen visual y manual, por lo que no es necesario trasladarlo al Laboratorio para su análisis riguroso y posteriormente ubicarlo en la carta de plasticidad.
Con relación a la identificación de los suelos finos, se llevan a cabo varias pruebas manuales, según las características observadas en cada una de ellas, indican el suelo estudiado. Para realizar la identificación es necesario preparar una porción de material que pase por la criba No. 40 (0.420 mm.). Realización de las pruebas.
Desarrollo de las pruebas Dilatancia (reacción al agitado) La prueba consiste en depositar en la cápsula de porcelana una muestra de suelo ya preparado, que pasó la malla No. 40 agregando agua y remoldeando con la espátula hasta que presente una consistencia suave y no pegajosa, en seguida una porción de este suelo se lleva a la palma de la mano, realizándose un golpeteo enérgico contra la otra mano con movimientos horizontales, si se observa cuidadosamente el comportamiento que tiene el agua del suelo depositado en la mano este puede ser, (reacción rápida, semi-rápida y lenta) reflejándose en la superficie del suelo, adquiriendo una apariencia brillante o lustrosa (fig.-2). En seguida se cierra la mano presionando con los dedos a fin de que el agua fluya, si se abre la mano instantáneamente se dará uno cuenta que el lustre desaparece.
La facilidad o dificultad que presente el agua al fluir servirá para identificar el suelo, por ejemplo: Las reacciones rápidas se presentan cuando el suelo se encuentra constituido de polvo de roca o arena muy fina, una reacción más lenta correspondería a un limo o limo arcilloso (reacción media). En cambio cuando no hay ninguna reacción y el agua o brillo no aparece en la superficie del suelo al agitarse índica que se trata de una arcilla de alta plasticidad o materia orgánica. fig.- Resistencia en estado seco (características al rompimiento) Un suelo al que ya se le agregó agua y previamente remoldeado con la mano se divide en pequeñas porciones hasta formar cubos de 0.5 cm. por lado, introduciéndolos al horno para su secado. Posteriormente se extraen del horno dejándolos enfriar, en seguida se sujeta el cubo con los dedos índice y pulgar aprisionándolo hasta provocar la ruptura. (fig.-3.) fig.-
En las arenas ni siquiera es posible lograr la forma mencionada (cilindro). En los limos si es posible formar los cilindros, pero los agrietamientos se presentan inmediatamente. En las arcillas, dependiendo de su plasticidad, los cilindros se agrietan después que el suelo ha perdido mucha humedad. Existen algunos suelos que presentan características muy especiales tales como: a).- Turba (suelo orgánico) b).- Arcillas expansivas Estos suelos son generalmente muy inestables, además de ser la causa principal de serios problemas al desplantar cualquier obra sobre ellos, el primero por su baja resistencia y compresibilidad y el segundo por su tendencia a aumentar o disminuir de volumen en presencia del agua. TURBA: A este suelo se le puede identificar fácilmente por su comportamiento al realizarle las pruebas de: Dilatancia: Se observa que en esta prueba, el agua sigue fluyendo aún cuando el material va perdiendo humedad. Tenacidad: Prácticamente su tenacidad es nula, debido a que ni siquiera se puede formar el cilindro especificado. Color: En presencia del agua es de color negro brilloso y en estado seco da una apariencia de ceniza. Olor: Presenta un olor desagradable. Resistencia: El material presenta resistencia baja en condiciones naturales, puede ser hasta de 0.1 t/m^2
Se pueden conocer mediante un procedimiento muy simple, el cual consiste en depositar cierta cantidad de material por analizar en un recipiente transparente lleno de agua. Se puede observar que de acuerdo a su constitución físico-química incrementa su volumen instantáneamente, en cambio las arcillas comunes presentan únicamente disgregación de partículas.
Las arcillas expansivas son susceptibles de causar problemas a un número infinito de estructuras, principalmente a aquellas que trasmiten al suelo de apoyo cargas relativamente bajas, por ejemplo: pequeñas casas habitación, canales, etc. Los suelos finos también se pueden identificar y clasificar con relación al valor del límite líquido, por ejemplo: las arcillas o limos de baja plasticidad presentan un L L <50, en tanto que los suelos altamente plásticos presentan un LL > 50. (ver tabla No.-1.)
Determinar la cantidad de agua presente en un suelo con relación a su peso seco
Se define como contenido de agua o humedad de un suelo, a la relación que existe entre el peso de el agua contenida en la masa de suelo y el peso de los sólidos del mismo.
a) Se pesa la cápsula de aluminio b) Con la espátula se extrae una porción de la muestra de suelo en estudio, depositándola en la cápsula (fig.-6) fig.-
c) Se pesa la cápsula con el suelo ( W ) (fig.-7.) fig.- d) La cápsula con el suelo se introduce en el horno durante un mínimo de 16 hrs. a una temperatura de 1100 C, transcurrido el tiempo indicado se retira del horno. (fig.- 8.) fig.- f ) Se pesa la cápsula con el suelo ya seco. ( Ws. )
Se aplica la siguiente formula: W % = ------ x 100 Ws
En este ensayo los componentes de una muestra de suelo, se separan por tamaños (suelos gruesos y finos), y en función de lo anterior se clasifica el material.
Se dice que se ha efectuado un ensayo granulométrico cuando por medios mecánicos se determina la distribución de las partículas de un suelo en cuanto a su tamaño, utilizando mallas con distintas aberturas.
Dependiendo de las características del suelo por trabajar, se pueden utilizar dos métodos de cribado, primero utilizando un suelo en estado natural sin lavar y segundo lavando el suelo. Los procedimientos usados se describen a continuación. ANALISIS SIN LAVAR a) Peso de la muestra (se utiliza el suelo seco) Para realizar la separación de las partículas, generalmente se trabaja en dos etapas. En la primera se usan las cribas de 2", 11/2", 1", 3/4", 1/2", 3/8", No. 4 y charola En la segunda las cribas No. 10, 20, 40, 60, 100, y 200. b) En la primera etapa, para efectuar la prueba las cribas se colocan en forma descendente. c) La muestra de material previamente pesada se deposita en la criba superior de mayor diámetro, utilizando la tapadera para no permitir el derrame del suelo.
c) Una vez que la muestra se encuentra seca se retira del horno y se pesa (peso de la muestra seca), posteriormente se le agrega agua, dejando saturar la muestra en el bote durante 24 horas para que los finos adheridos a ella se desprendan. d ) Transcurrido el tiempo necesario se vacía el contenido del bote en la criba No. 200, y con la ayuda de agua corriente se lava la muestra hasta que todos los finos pasen por esta malla (fig.-10) , hasta observar que el agua pasa completamente clara. fig.- e ) El porcentaje de suelo ya lavado retenido en la criba No. 200 se vuelve a colocar en el bote, introduciéndolo en el horno para su secado. f ) Cuando la muestra retenida en la malla No. 200 se encuentre seca, se coloca en la criba superior (No. 10) para efectuar la segunda etapa de cribado, repitiendo los pasos d, e, f y g.
% Retenido parcial : retenido en peso -------------------------------- x 100 peso de la muestra seca % Acumulado que pasa : Se resta de 100 el retenido parcial en la primera criba, a éste valor se le resta el siguiente retenido parcial de la segunda criba y así sucesivamente.
Gráfica Con los valores obtenidos del acumulado que pasa en % en cada una de las cribas y el número de ellas con sus respectivas aberturas, se construye una gráfica en escala semi- logarítmica. En el eje de las ordenadas se anota en escala natural el porcentaje que pasa en cada criba y en el eje de las abscisas en escala logarítmica el número o abertura de las cribas correspondientes (anotándolo en la parte inferior), uniendo los puntos se define la curva granulométrica, que servirá para encontrar los parámetros D 60, D 30 y D 10, estos valores se obtienen encontrando en el eje de las ordenadas los valores de 10, 30 y 60 (% que pasa), llevando una línea horizontal hasta interceptar la curva granulométrica, y leyendo directamente el valor en milímetros en la parte inferior de la gráfica. (tabla No. 3) Con los valores de D 60, D 30 y D10 se calculan los coeficientes de Uniformidad (Cu) y Curvatura (Cc). Usando las siguientes expresiones. D 60 D 30^2 Cu = --------- Cc = --------------------- D 10 D 60 x D 10 Una vez que se conocen los porcentajes de material grueso y fino así como sus coeficientes de Uniformidad y Curvatura se puede clasificar el suelo de acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos. (S.U.C.S.) Para una grava bien graduada (Gw) el Coeficiente de Uniformidad (Cu) será mayor de 4, y el Coeficiente de Curvatura (Cc) deberá estar entre 1 y 3, si no está dentro de este rango la grava será mal graduada. (Gp.) Para una arena bien graduada (Sw) el Coeficiente de Uniformidad (Cu) será mayor de 6, y el Coeficiente de Curvatura (Cc) deberá estar entre 1 y 3, si no está dentro de este rango la arena será mal graduada (Sp). (ver tablas No. 3 y 4)
