Mecánica de Suelos: Tipos de Suelos y Propiedades Índice, Monografías, Ensayos de Mecánica de suelos

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MECÁNICA DE SUELOS

CAPÍTULO 2

PROPIEDADES ÍNDICE DE LOS SUELOS

JORGE ZEGARRA PELLANNE

LIMA, MARZO DE 2016

Mecánica de Suelos

Propiedades Índice de los Suelos 2

2. PROPIEDADES ÍNDICE DE LOS SUELOS

2.1. Tipos de suelos por su formación. 2.2. Tipos de suelos por sus propiedades. 2.3. Relaciones gravimétricas y volumétricas de suelos. Diagrama de fases. 2.4. Tamaño de los suelos. 2.5. Propiedades de la fracción gruesa del suelo. 2.6. Propiedades de la fracción fina del suelo. 2.7. Propiedades del conjunto. 2.8. Sistemas de clasificación de suelos. 2.9. Descripción del suelo.

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2.1. TIPOS DE SUELOS POR SU FORMACIÓN

Origen de los Suelos

• Los suelos se generan por la meteorización de las rocas y son removidos por la erosión.
• La meteorización puede ser:  Mecánica (o Física)  Química

Meteorización Mecánica:  Se produce cuando la roca es reducida a fragmentos más pequeños sin que se produzca ningún cambio químico.  Depende en alto grado del tipo de roca y del tiempo.  Principales Agentes:  Efectos climáticos.  Exfoliación.  Erosión por viento y lluvia.  Abrasión.  Actividad orgánica (raíces de los árboles).

Meteorización Química:  Comprende la alteración de los minerales de la roca a nuevos compuestos  Principales tipos:  Oxidación.  Solución.  Lixiviación.  Hidrólisis.

Tipos de suelos por su formación:

• Origen geológico primario  Inorgánicos  Residuales  Transportados  Orgánicos  Residuales  Transportados
• De origen geológico secundario

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Suelos Residuales:  Se encuentran en el lugar en que se han formado.  Formados en su ubicación actual a través de la meteorización de la roca.  Partículas angulares o sub-angulares.  Grandes fragmentos de roca angulares, dispersos a través de la masa del suelo.  Presencia de minerales que han meteorizado de la roca madre.

Suelos Transportados:  Son suelos formados por la meteorización de la roca en un lugar y que se encuentran ahora en otro lugar por efecto de diferentes agentes.  Un agente lo ha transportado a un lugar diferente al de su formación.  Estos agentes son los que dan los diversos nombres a los suelos transportados. Aluvial (agua):  Fluviales: Debajo de nivel de inundación, terrazas más elevadas.  Lacustres  Abanicos aluviales o flujos de escombros (huaycos)  Fluvio-glaciales. Coluvial (gravedad):  Talus (sin matriz) sobre taludes.  Coluvión (con matriz) sobre taludes.  Pie de monte. Glacial (hielo glacial o agua de glaciares). En Perú suelen ubicarse sobre 3800 msnm:  Morrenas.  Tills.  Otros. Eólico (viento):  Dunas.  Depósitos masivos.

Suelos Orgánicos:  Pueden ser residuales o transportados. Lo que importa es su condición orgánica  Generalmente son suelos transportados, producto de la descomposición de las rocas, que contienen cierta cantidad de materia orgánica vegetal descompuesta.  Color oscuro y olor típico de la materia en descomposición (olor a podrido).  Las turbas: fibrosas, fragmentos de materia orgánica descompuesta.

Suelos de Origen Geológico Secundario:  Las cenizas y púmices son depositadas por acción volcánica: flujos de lava y lodo.  Las evaporitas son materiales precipitados o evaporados de soluciones con alto contenido salino.

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2.2. TIPOS DE SUELOS POR SUS PROPIEDADES

Suelos granulares:  Gravas, de 4.75 (#4) a 75 mm (3”)  Arenas, de 75 m (#200) a 4.75 mm (#4)  Limos no plásticos, menos de 75 m  Combinaciones de estos materiales

Suelos cohesivos: Suelos finos (<#200): incluyen a las arcillas y limos plásticos.

Características de los Suelos granulares:  Partículas separadas unas de otras.  Partículas grandes y observables: granos.  Partículas toscamente equidimensionales.  Fuerzas de gravedad.  Resistencia al corte: fricción y el agarre mecánico. Aumenta con el confinamiento: SUELOS FRICCIONANTES.  Alta permeabilidad (G y S). Si se saturan y se producen cambios de volumen, el agua puede ser rápidamente expulsada. Esta característica tiene un efecto significativo en su comportamiento.

Características de los Suelos cohesivos:  Partículas unidas entre sí.  Partículas muy chatas y alargadas  Fuerzas eléctricas de atracción superficial entre partículas.  La resistencia al corte depende de la cohesión. Es independiente de la presión aplicada, e incluso se da sin confinamiento.  Baja permeabilidad.

Diferencias entre suelos cohesivos y granulares:  Tamaño de partículas.  Forma de partículas.  Fuerzas de gravedad/eléctricas.  Partículas separadas/unidas.  Fuente de resistencia al corte.  Permeabilidad.

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2.3. RELACIONES GRAVIMÉTRICAS Y VOLUMÉTRICAS DE LOS SUELOS.

2.3.1. FASES DE UN SUELO

Estructura de los suelos: El suelo es un material particular con respecto a otros materiales de ingeniería. El suelo es el ensamblaje de partículas individuales, no es un continuo. Las propiedades ingenieriles de los suelos, como resistencia y compresibilidad, están determinadas por el arreglo de estas partículas y la interacción entre ellas antes que por sus propiedades internas.

Otra importante característica que diferencia a los suelos de otros materiales es que contienen las tres fases de la materia: sólido, líquido y gas simultáneamente.

La porción sólida (las partículas) incluyen uno o más de los siguientes materiales: fragmentos y minerales de roca, minerales arcillosos, materia orgánica, materiales cementantes, etc. Los granos que conforman el suelo tienen altísima resistencia, sin embargo, lo que va a determinar la resistencia del suelo es la interfase entre ellos. Entonces, la resistencia del suelo nunca va a ser tan grande.

Los líquidos y gases llenan los vacíos entre las partículas sólidas. El componente líquido usual es el agua, que algunas veces contiene compuestos en solución, provenientes de fuentes naturales o artificiales. Similarmente, el componente gaseoso usualmente es el aire, pero puede contener otros compuestos como el metano. Por simplicidad nos referiremos a estos compuestos como “agua” y “aire”.

2.3.2. DIAGRAMA DE FASES Dado que los suelos tienen tres fases, es necesario desarrollar algunas metodologías para relacionarlas, definir algunas relaciones entre ellas y procedimientos de ensayo para cuantificarlas. En la Figura, se presenta un diagrama que describe las proporciones relativas de sólidos, agua y aire, denominado Diagrama de Fases.

VOLÚMENES PESOS

VT

VV

VA AIRE  A  0 WA  0

VW AGUA  W WW WT

VS SÓLIDOS  S WS

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 Si se expresa en porcentaje (ISSMFE): se denomina porcentaje de vacíos.  Varía de 0 a 1.  n = 0 (sólido perfecto).  n = 1 (fluido perfecto).  Esferas iguales: n varía de 0.26 a 0.  Depósito natural de arena: de 0.25 a 0.  Arcillas: de 0.30 a 0.60 (hasta 0.90)  Rango típico: 0.2 a 0.  Efecto que la forma de los granos (% en peso mica/arena):

% n 0 0. 5 0. 10 0. 20 0. 40 0.

• Relación de Vacíos ( e ):

S

V V

e  V

 Relación de vacíos: es una relación entre V V y VS.

 Se relaciona directamente con la porosidad.

n

n

V

V

V

V

V

V

V V

e V

T

V T

T

T

V

T V

V 

1 e

e

V

V

V

V

V

V

V V

n V

S

V S

S

S

V

S V

V 

 e no tiene límites:  Arena: de 0.33 a 1.  Arcilla: de 0.43 a 1.5 (hasta 9)  Lima: e = 0.2 ( n = 0.17)  México: e = 9 ( n = 0.90)  Rango típico: 0.25 a 1.

• Grado de Saturación ( S ):

V

W V

S  V

 S ó Sr : de todos los vacíos ¿qué porcentaje está lleno de agua?  En las arenas y otros suelos situados por arriba de la napa freática, parte de los vacíos pueden estar ocupados por el aire, por lo que se define el grado de saturación, el cual se expresa en porcentaje.

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Condición de la Arena S(%) Seca 0 Ligeramente Húmeda 1 – 25 Húmeda 26 – 50 Muy Húmeda 51 – 75 Mojada 76 – 99 Saturada 100

 Rango Típico: 0 a 100%  El grado de saturación de las arenas es comúnmente descrito por medio de los términos seca, húmeda o mojada.  En suelos finos es difícil de percibir a simple vista el valor de S.  Ciertas arcillas en un estado de desecación representado por S = 90% pueden ser tan duras que a primera vista serían clasificadas como secas.  Las arenas gruesas situadas por arriba de la napa freática, por lo general, están ligeramente húmedas.  Algunos suelos pueden estar saturados sobre la napa freática como consecuencia de la capilaridad. Esto es muy común en suelos finos.  Las arenas finas o limosas, se hallan muy húmedas, mojadas o saturadas.  Las arcillas marinas de origen glaciar, casi siempre están completamente saturadas o casi saturadas, salvo la capa superficial que está sujeta a las variaciones de temperatura y humedad que se producen en las distintas estaciones del año.

Relación entre Pesos:

• Humedad (  ):

S

W W

  W

 Humedad: es el peso de agua en relación al peso de los sólidos, expresado en porcentaje.

  = 0: Suelo seco

  s : Suelo saturado. No hay un único valor. Puede ser mayor o menor que 100%.

 Ensayo de Humedad:  La temperatura de 110°C en el horno es demasiada alta para ciertos suelos orgánicos (turbas), para suelos con alto contenido calcáreo o de otro mineral, ciertas arcillas, y algunos suelos tropicales.

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 El peso específico relativo de los sólidos, Gs (specific gravity en inglés) es adimensional e independiente del sistema de unidades; en aquellos sistemas

de unidades en que  w = 1, Gs coincide numéricamente con  s ; en el sistema

británico, por ejemplo,  w = 62.4 lb/pie³.

 En arenas, el valor típico es 2.65, con un rango de 2.62 a 2.  En arcillas, el valor típico es 2.70, con un rango de 2.50 a 2.  Rango típico: 2.6 a 2.

El peso específico relativo de los sólidos, Gs (specific gravity en inglés) es adimensional e independiente del sistema de unidades. En aquellos sistemas de

unidades en los cuales podemos asumir  W = 1, Gs coincide numéricamente con

 S (por ejemplo al trabajar con g y cm^3 ). En el sistema británico, por ejemplo,  W

= 62.4 lb/pie³ por lo que Gs no coincide numéricamente con  S.

• Peso Específico del Suelo (  ):

T

T V

  W

 Es el peso específico (peso/volumen) de todo el suelo, considerando sólidos, agua y aire.

2.3.4. ESTADOS LÍMITE: SUELO SECO Y SATURADO

 Peso Específico del Suelo Seco.  Peso Específico del Suelo Saturado.  Peso Específico del Suelo Sumergido.

Son estados IDEALES, es decir, no necesariamente representan propiedades del estado actual del suelo, sino propiedades si es que ese mismo suelo estuviera seco, saturado o sumergido.

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 Peso Específico del Suelo Seco (  d ):

T

d S V

  W

 Peso específico del suelo si S = 0%  El peso se reduce a los sólidos.  El volumen total no cambia.

d ^ ^  n ^ GS

^ 

 Peso Específico del Suelo Saturado (  sat ):

 Peso específico del suelo, si S = 100%  El peso considera a todos los vacíos con agua.  El volumen total no cambia.

T

sat S V w V

  W  V^ 

 Peso Específico del Suelo Sumergido (   ):

   sat   W

 Excluye al empuje hidrostático.

 Rango típico de :

 : de 1.4 a 2.3 gr/cm^3

  d : de 0.9 a 2.2 gr/cm^3

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Muestras:

• Las muestras han de ser representativas del suelo que se quiere ensayar.
• Las muestras alteradas pueden tomarse manualmente, con pico y pala. Pueden transportarse en sacos o bolsas.
• Las muestras inalteradas deben tomarse con tomamuestras específicos (tubos de pared delgada), de paredes o fondo de calicatas (en bloque). Deben empaquetarse, transportarse y conservarse en el laboratorio hasta su ensayo para que no se alteren.
• Tipos de muestras:

o Alterada ( Mab ): conserva los sólidos: WS para un VS .Determina: G S

o De humedad ( Mw ): conserva la proporción de agua ( WW para WS ). Determina: 

o Inalterada ( Mib , Mit ): Conserva los vacíos. Determina: .

• Tipos de muestras:

Tipo de Muestra

Forma de Obtener y Transportar

Estado de la Muestra Características Mib Bloques

Inalterada

Deben mantenerse inalteradas las propiedades físicas y mecánicas del suelo en su estado natural al momento del muestreo. (Aplicable solamente a suelos cohesivos, rocas blandas o suelos granulares suficientemente cementados para permitir su obtención)

Mit (^) pared delgadaTubos de

Mab Con bolsas deplástico Alterada

Debe mantenerse inalterada la granulometría del suelo en su estado natural al momento del muestreo. Mw En lata sellada Debe mantenerse inalterado el contenido deagua.

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2.4. TAMAÑO DE LOS SUELOS

2.4.1. TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS

Dadas las características particulares de los suelos, es importante considerar el tamaño de las partículas y su efecto en el comportamiento de los suelos. Existen diversos criterios de clasificación de los suelos por su tamaño, siendo uno de los más usados el publicado por la ASTM (American Society for Testing and Materials).

2.4.2. COMPONENTES Y FRACCIONES DEL SUELO

Los símbolos y fracciones empleados en dicho cuadro están de acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificación que se desarrolla posteriormente.

Los principales nombres usados para clasificar suelos son: grava, arena, limo y arcilla. La mayoría de los suelos naturales contienen una gran variedad de tamaños de partículas y no caen exactamente dentro de las categorías indicadas. En estos casos se utiliza como nombre principal el de la fracción predominante y como adjetivos los nombres de las demás fracciones presentes. Por ejemplo, si el mayor porcentaje es de grava y el suelo también contiene arena y arcilla, se le denomina grava arenosa arcillosa.  Fallan en los suelos finos.  Deben analizarse otros parámetros como su comportamiento con el agua.

Tamaño de las partículas (mm) 1000 100 10 1 0,1 0,01 0,001 0,

ASTM D

AASHTO (T 88)

SUCS

Norma Británica y M.I.T.

300 76 4.75(4) (10)2.0 0.425(40) 0.075(200) 0.005 0.

75 2.0 0.425 0.075 (^) 0.005 0.

300 75 19 4.75 2.0 0.425 0.

200 60 20 6.0 2.0 0.6 0.2 0.06 0.02 0.006 0.

Bloques Bolones Grava Gruesa (^) MediaArena Fina Limo Arcilla Coloides

Bloques (^) Grava Gruesa Arena Fina Limo (^) Arcilla Coloides

Bloques (^) Bolones Gruesa Grava^ Fina Gruesa (^) MediaArena Fina Finos (limo, arcilla)

Bloques (^) Bolones Gruesa MediaGrava^ Fina Gruesa MediaArena Fina Grueso (^) MedioLimo Fino Arcilla

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2.4.3. CURVA GRANULOMÉTRICA

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La distribución de los tamaños de las partículas en un suelo particular es más fácilmente expresada en la forma de una curva de distribución de tamaños de partículas o curva granulométrica, como la figura mostrada. Este es un gráfico del porcentaje en peso de los sólidos que es menor que cierto tamaño de partícula versus el diámetro de partícula.

El procedimiento para determinar la curva granulométrica de un suelo es el análisis granulométrico, el cual se encuentra especificado por la Norma ASTM D-422. Para las fracciones comprendidas entre 75 mm y 75 m se hace por tamizado y, para las inferiores, por sedimentación empleando la ley de Stokes.

En una curva granulométrica se define el diámetro eficaz, D 10 , como el tamaño de partículas tal que el 10% de las partículas son más finas que D 10 y el 90% más gruesas. Análogamente se definen D 30 y D 60. A partir de estos diámetros se definen los coeficientes de uniformidad ( Cu ) y curvatura ( Cc ) que sirven para determinar si un suelo es bien o mal graduado:

10

60 D

D Cu  60 10

2 30 D D

D Cc 

 Cu muy grande: suelo menos uniforme: bien graduado.  Cc permite detectar “saltos” en la curva granulométrica. (“gap graded”)

Grava mal gradada (GP) Grava bien gradada (GW)

76.20050.80038.10025.40019.0509.525 4.760 2.000 0.840 0.4260.250 0.106^ 0.0750.050 0.020 0.005 0.

3"2"1 ½"1"3/4" 3/8" #4 #10 #20 #40#60 #140#2000.050 0.020 0.005 0.002 0.^

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

PORCENTAJE QUE PAS

A

76.20050.80038.10025.40019.0509.525 4.760 2.000 0.840 0.4260.250 0.106^ 0.0750.050 0.020 0.005 0.

3"2"1 ½"1"3/4" 3/8" #4 #10 #20 #40#60 #140#2000.050 0.020 0.005 0.002 0.^

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

PORCENTAJE QUE PASA