unidad i_importancia y clasificacion de suelos_ucv_21!06!2014
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UNIDAD I IMPORTANCIA, PROPIEDADES INDICE Y
CLASIFICACIN DE SUELOS
LA MECNICA DE SUELOS. IMPORTANCIA.
ORIGEN Y FORMACIN DE SUELOS
PROPIEDADES NDICES
CLASIFICACIN DE SUELOS
1 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
UNIVERSIDAD CESAR VALLEJO FACULTA DE INGENIERA
Escuela Profesional de Ingeniera Civil
PROGRAMA SEGUNDA TITULACIN
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MECNICA DE SUELOS Tiene por finalidad analizar y cuantificar las caractersticas ndice, fsicas, qumicas y mecnicas de los suelos en el rea de influencia de las obras de ingeniera, para determinar su comportamiento como suelo de cimentacin de estructuras, como suelo activo y como material de construccin. Un estudio de mecnica de suelos se compone de varias etapas: 1. Planificacin del trabajo, 2. Prospecciones de campo, 3. Ensayos de laboratorio y 4. El informe tcnico del estudio de mecnica de suelos, que comprende:
Memoria descriptiva, Planos de ubicacin de las obras y de distribucin de los puntos de
investigacin, Perfiles estratigrficos del suelo en estudio, y Resultados de los ensayos in situ y de laboratorio.
MECNICA DE SUELOS - IMPORTANCIA.
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MECANICA DE SUELOS - IMPORTANCIA
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
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IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE MECNICA DE SUELOS EN LOS PROYECTOS DE INGENIERA
APLICACIONES GENERALES DE LA MECNICA DE SUELOS EN
PROYECTOS DE INGENIERA
1.Problemas planteados por el terreno en la Ingeniera. 2.Procesos de resolucin de tales problemas planteados por el
terreno.
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APLICACIONES GENERALES DE LA MECNICA DE SUELOS EN PROYECTOS DE INGENIERA
1. PROBLEMAS PLANTEADOS POR EL TERRENO EN LA INGENIERA: CIMENTACIONES
EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIN
TALUDES Y EXCAVACIONES
ESTRUCTURAS ENTERRADAS Y DE RETENCIN
PROBLEMAS ESPECIALES DE INGENIERA DE SUELOS: 1. VIBRACIONES, EXPLOSIONES Y TERREMOTOS,
2. ALMACENAMIENTO DE FLUIDOS EN DEPSITOS DE TIERRA,
3. SUELOS SUSCEPTIBLES A HELADAS, HUNDIMIENTOS.
2. PROCESO DE RESOLUCIN DE LOS PROBLEMAS PLANTEADOS POR EL TERRENO EN LA INGENIERA.
IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE MECNICA DE SUELOS EN LOS PROYECTOS DE INGENIERA
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1. PROBLEMAS PLANTEADOS POR EL TERRENO EN LA INGENIERA:
CIMENTACIONES
1. Cimentaciones superficiales: zapatas, plateas.
2. Cimentaciones profundas: pilotes, pilas, cajones.
3. Cimentaciones flotantes o compensadas.
4. Ejemplos de cimentaciones.
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LAS CIMENTACIONES
Toda estructura se apoya en el suelo mediante una cimentacin, para transmitir las cargas al suelo, evitando mayores deformaciones o asentamientos.
Segn la ubicacin del estrato resistente (roca, grava, arena), se consideran los casos siguientes:
Cimentaciones superficiales: En edificios tenemos: zapatas (aisladas, continuas, conectadas), y losas.
Cimentaciones profundas: Pilotes, cajones, pilas.
Cimentaciones flotantes o compensadas.
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CIMENTACIONES CIMENTACIONES SUPERFICIALES
Tomada la decisin de cimentar superficialmente, el ingeniero ha de responder a preguntas como:
Cul ha de ser la profundidad de cimentacin?
Hay necesidad de muro pantalla de proteccin?
Ser necesario bajar el N.F. en el proceso?
Hay peligro de daos a edificios vecinos?
Cunto asentar el edificio al final de su construccin?
Ser uniforme ese asentamiento?
Que esfuerzos y distribucin de los mismos ha de tomarse para dimensionar la cimentacin?
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Asentamientos comenzaron en la construccin.
Adems del asentamiento global de 2 m, tiene un desplazamiento relativo en direccin norte-sur de 2 m, da una inclinacin de 10%.
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EJEMPLO DE MALA CONDICIN SUPERFICIAL: TORRE DE PISA (1173): altura de 55 m; Df = 2.00m; peso total 14,486 ton; base de 19.5 m de dimetro, transmita una tensin total al terreno de 5.14 kg/cm2, muy superior a la que ahora se admite para el tipo de suelo sobre el que est cimentada (limos y arenas arcillosas), que es 2 kg/cm2. La tensin actual en el terreno en el lado sur es 9.6 kg/cm2 y en el lado norte 0.6 kg/cm2.
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EJEMPLO DE MALAS CONDICIONES DE CIMENTACIN: Asentamiento de 3.60 m respecto al terreno circundante y a pesar de los desordenes padecidos desde el final de su construccin, se mantiene en servicio mediante la construccin de una escalera para acceder a la planta baja.
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Un asentamiento diferencial de 2.00 m entre la calle y el edificio que aparece en el fondo, hizo necesario construir una escalinata a la que se iban aadiendo peldaos segn progresaban los asentamientos. El hundimiento general de esta parte de la ciudad es de 7 m.
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Algo similar al caso anterior ocurre en el presente vista, se observa diferencias de niveles importantes entre el edificio del Palacio de Minera y el edificio de la derecha.
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CIMENTACIONES CIMENTACIONES PROFUNDAS
Pueden ser: pilotes (=0.40,1.00,1.50,2.00m), cajones y pilas.
No existe distincin clara entre unos y otros, en general los cajones y pilas son de mayor dimetro y requieren tcnica particular de excavacin, mientras que los pilotes de menores pueden hincarse por golpeo.
Problemas que el ingeniero debe resolver en el proyecto y construccin con pilotes:
1. Que tipo de pilote ha de emplearse?
2. Cul es la carga mxima admisible por pilote?
3. Que separacin y mtodo de ejecucin elegir?
4. Que error de verticalidad se puede admitir?
5. Tendr el hincado de pilotes influencia con estructuras adyacentes?
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Ejemplo de Cimentacin Profunda: Edificio del Centro de Materiales del M.I.T.,
Existen 3 razones por la adopcin del tipo de cimentacin sobre pilotes apoyados en terreno firme en lugar de recurrir a una cimentacin flotante:
1. Por el uso, el primer nivel no poda quedar por debajo de la superficie del terreno.
2. No exista estrato de arena y grava sobre la cual colocar la placa
3. Los mltiples servicios subterrneos, en especial un gran tunel de vapor que cruzaba la zona, habran hecho la construccin de la placa cara y difcil.
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La cimentacin estaba formada por 537 pilotes, c/u con 70 ton de capacidad de carga. Los pilotes se construyeron perforando un taladro de long. aprox. igual a de altura entre superficie de terreno y estrato firme; se coloc una camisa de tubo de acero de 32 cm. Se extrajo tierra con una sonda elicoidal en las partes de longitud del pilote, para reducir el aumento de vol. neto, bajo la superficie del terreno.
De no haber hecho esta perforacin previa, la superficie del terreno en la zona edificada habra ascendido aprox 30 cm debido al vol. de los 537 pilotes.
Esta elevacin resultaba inadmisible, podra haber levantado pilotes ya colocados como de la cpula del edificio 10 adyacente al rea de construccin.
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CIMENTACIONES FLOTANTES O COMPENSADAS
Mtodo de cimentacin consiste en reducir la carga neta transmitida por la estructura, eliminando parte del terreno.
Cuando la carga del edificio se compensa en parte por el terreno escavado se llama flotacin parcial, y cuando se compensa totalmente se habla de flotacin total.
Se puede describir mediante una analoga que se basa en el mismo principio de la flotacin de un barco (Principio de Arqumedes).
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CIMENTACIONES
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EJEMPLO DE CIMENTACIN FLOTANTE SUPERFICIAL Edificio del Centro de Estudiantes del M.I.T. El terreno tiene la siguiente estratigrafa: la 1ra capa de 4.4 m es relleno blando y limo orgnico; sigue capa de 6 m arena y grava; 22.50 m arcilla blanda; finalmente suelo firme y roca.
Si se hubiera construido el edificio con la carga de 37,000 ton sobre la superficie del terreno, se habra producido un asentamiento de 0.30 m debido a la consolidacin del terreno blando, lo que habra daado la estructura. La solucin fue
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EJEMPLO DE CIMENTACIN FLOTANTE PROFUNDA (Excelente solucin): TORRE LATINOAMERICANA DE MEXICO, D.F., el subsuelo del D.F. presenta condiciones de cimentacin muy difciles, tiene un espesor medio de 100 m y presenta de manera alterna capas de arcilla volcnica muy compresible y de arena arcillosa.
La torre transmite una tensin total al terreno de 2.10 kg/cm2 en su base que se define a 13 m de profundidad.
Los estratos sobre los que se ciment estn todava en proceso de consolidacin.
Problema muy complejo resuelto por el profesor de la UNAM Leonardo Zeevaert (1953).
El peso especfico del terreno escavado es 1.8 ton/m3 y corresponde a una tensin total de : 13m* 1.8ton/m3=23.4t/m2=2.34 kg/cm2.
Por lo tanto, bajo el concepto de cimentacin flotante, no cabe esperar asentamientos. No obstante se ejecutaron pilotes, materializando una cimentacin profunda tipo flotante, para compensar posibles efectos horizontales de viento.
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Estructura ligera construida en Coro, Venezuela. Zona con terreno muy expansivo, conteniendo material montmorilonita. El sistema empleado evita daos por hinchamiento del suelo, muy costoso comparado a una platea superficial.
Se abrieron agujeros en el suelo, colocando revestimientos de acero de dimetro mayor a los pilotes de concreto, quedando un vaco en torno al edificio para evitar el efecto de expansivo del suelo.
El problema del ing.:
Seleccionar tamao, capacidad, longitud y separacin de los pilotes.
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Terrapln sobre terreno blando: Altura del terrapln 10 m; sobre suelo blando de 9.60 m de espesor. La idea original era colocar sobre dicha zona un depsito de 15 m de dimetro y 17 m de altura, como muestra el trazo discontnuo, esto pudo ocasionar asentamiento mayor a 1.50m. Aunque un depsito metlico es una estructura flexible, un asentamiento de 1.50m es excesivo al admisible.
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El estudio realizado determin una solucin muy econmica: Consista en construir un terrapln, en el emplazamiento previsto, para consolidar el terreno blando, eliminar posteriormente el terraplen y construyendo el depsito sobre el terreno consolidado: PRECARGA
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EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIN
EJEMPLO DE UNA PRESA DE TIERRA.
EJEMPLO DE RELLENO GANADO AL MAR.
EJEMPLO DE PAVIMENTOS DE UNA CARRETERA.
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El ingeniero para emplear el suelo debe seleccionar el tipo adecuado, as como el mtodo de colocacin y luego controlar su colocacin en obra.
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Estas estructuras tienen cada vez mayor aceptacin comparada a las de concreto armado, por su costo y mayor estabilidad al deslizamiento
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EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIN
Presa de tierra para crear un embalse, las dos zonas principales de la presa son: El ncleo o corazn de arcilla, evita mayores filtraciones; y el pie de enrocamiento o escollera, por las rocas pesadas y muy permeables que emplea, hace estable a la presa.
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa
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Estructura de recuperacin de tierras, es una estacin martima, resuelve el problema de escases de tierras, mediante rellenos de tierra. El suelo para estas obras se obtiene generalmente dragndolo del cause de un ro adyacente, lago o fondo marino y colocndolo en el emplazamiento deseado.
Este proceso se llama RELLENO HIDRULICO.
Questiones:
1. Profundidad de anclaje de pantalla?
2. Arriostre lateral de pilotes, como?
3. Mtodo de colocar el relleno?
4. Valores de resistencia y compresibilidad del relleno?
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Los pavimentos pueden ser flexibles o rgidos, dependiendo de la naturaleza del terreno, disponibilidad de materiales, y funciones de la carretera. El caso de la fig. es pavimento flexible para carretera proyectada para 100 de IMD/carril, con carga mx. por rueda de 6,750kg. El pavimento tiene una subrasante mejorada: compactar 15cm superiores de terreno natural; capa de 15cm de suelo del lugar, estabilizado con 7% en peso de cemento portland y regado a humedad conveniente, el cual se compact posteriormente; y superficie de rodamiento de 5cm de asfalto en caliente.
Questiones:
1. Espesor de capas para soportar cargas.
2. %optimo de estabilizante.
3. Puede usar arena de mdano?
4. Tipo de asfalto?
5. Tipo y grado de compactacin?
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TALUDES Y EXCAVACIONES
TALUDES NATURALES.
EXCAVACIONES PARA EDIFICACIONES.
ZANJAS PARA TUBERAS.
CANALES.
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TALUDES Y EXCAVACIONES, en terreno inclinados existe una componente del peso que tiende al deslizamiento del suelo, debe estudiarse el clculo de estabilidad del talud fig.(a). Corresponde al caso de la presa vista.
Las figs. (b) y (c) muestran excavaciones para un edificio y una conduccin. La del edificio es una excavacin apuntalada o entibada y de la conduccin, sin apuntalar en zanja. Al proyectar debe asegurarse que no se supera la resistencia al corte del talud, para evitar el derrumbe.
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ESTRUCTURAS ENTERRADAS Y DE RETENCIN
EJEMPLO DE ESTRUCTURAS DE RETNCIN O DE SOSTENIMIENTO.
EJEMPLO DE TUBERAS ENTERRADAS.
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PROBLEMAS ESPECIALES DE INGENIERA DE SUELOS
VIBRACIONES.
EXPLOSIN Y TERREMOTOS.
ALMACENAMIENTO DE FLUIDOS INDUSTRIALES.
HELADA.
HUNDIMIENTOS.
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VIBRACIONES
Los efectos de la vibracin pueden ser muy graves cuando la frecuencia de la vibracin coincide con la frecuencia natural del terreno.
Al advertir que las vibraciones pueden causar asentamientos perjudiciales en una estructura, el ingeniero puede elegir entre varios mtodos para evitarlos. Puede aumentar la masa de cimentacin, variando as su frecuencia, o compactar e inyectar el suelo, alterando de ese modo su frecuencia natural y/o su compresibilidad.
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Hay suelos granulares que se compactan fcilmente mediante vibraciones. Los edificios cimentados sobre estos suelos pueden sufrir importantes asentamientos, debido a la vibracin de maquinas instaladas sobre ellos.
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa
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LICUACIN DE SUELOS, PRODUCIDO POR LA VIBRACIN SSMICA Terremoto de Japn (11-03-11), 8.9 de escala Richter
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2.LA RESOLUCIN DE LOS PROBLEMAS DE INGENIERA DE LOS SUELOS
Hasta aqu se han descrito algunos problemas que encuentra el ingeniero en la construccin sobre o en el interior del terreno y en obras de tierra.
La solucin adecuada de cada problema supone casi siempre la combinacin de la mecnica de suelos y de uno o ms de los factores siguientes:
La geologa ayuda al ingeniero, ya que el mtodo de formacin de una masa de suelo influye en el tamao, forma y comportamiento del mismo.
La exploracin ayuda establecer los contornos de un depsito y permite la seleccin de muestras.
La experiencia, no slo significa hacer, sino adems, valorar los resultados de lo que se hizo.
La economa es un factor importante en la seleccin de la mejor solucin entre las posibles soluciones encontradas.
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MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa
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PROCESO DE RESOLUCIN DE LOS PROBLEMAS DE MECNICA DE SUELOS PLANTEADOS EN INGENIERA
RESOLUCIN DE LOS PROBLEMAS DE MECNICA DE SUELOS PLANTEADOS EN INGENIERA
MENICA DE SUELOS: Propiedades Estudio terico, prctico.
GEOLOGA, EXPLORACIN:
Estratigrafa EXPERIENCIA:
Precedentes - Soluciones correctas ECONOMA.
+ Criterio del ingeniero
SOLUCIN A PROBLEMAS DE INGENIERA DE SUELOS
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ORIGEN Y FORMACIN DE SUELOS
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ORIGEN Y FORMACIN DE SUELOS
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ORIGEN Y FORMACIN DE SUELOS
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ORIGEN Y FORMACIN DE SUELOS
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ORIGEN Y FORMACIN DE SUELOS
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ORIGEN Y FORMACIN DE SUELOS
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PROPIEDADES INDICES CARCTERSTICAS O FASES DEL SUELO
Las propiedades ndice caracterizan el estado de un suelo (definen cmo est el suelo). Permiten definir cuantitativamente las propiedades de un suelo, sus condiciones y su comportamiento fsico y mecnico.
Los componentes del suelo pueden encontrarse en los tres estados de la materia: Gases : Aire, gases
orgnicos, vapor de agua.
Lquido : Agua y sales minerales disueltas.
Slidos : Partculas , agentes cementantes, minerales y materia orgnica.
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PROPIEDADES INDICES
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I- Ing. E. De La Rosa Ros
DIAGRAMA DE FASES
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Las propiedades ndice caracterizan el estado de un suelo (definen cmo est el suelo).
PROPIEDADES INDICES DIAGRAMA DE FASES DE UN SUELO
NOMBRE SMBOLO
Peso de muestra de suelo: W,
Peso de slidos:
Peso del agua:
Peso del aire:
Volumen de muestra:
Volumen de slidos:
Volumen del agua:
Volumen del aire:
Volumen de vacios:
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52 52
PROPIEDADES INDICES RELACIONES VOLUMTRICAS Y GRAVIMTRICAS
PROPIEDADES INDICES SMB DEFINICIN
RE
LA
CIO
NE
S F
UN
DA
ME
NTA
LE
S
Gra
vim
tr
ica
s
Peso especfico de muestra
Peso especfico total
Peso especfico seco
Peso especfico de slidos
Peso especfico del agua natural
Gravedad especfica o (p.e.r.s.)
Humedad ( % )
Vo
lum
tr
ica
s
Relacin de vacos
Porosidad
Grado de saturacin ( % )
Densidad Relativa
MECNICA DE SUELOS UNIDAD II - Ing. E. De La Rosa Ros
=
= =
= 0
. 100
-
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TABLA N 2.1: ALGUNOS PESOS ESPECFICOS DE SLIDOS REFERENCIALES
MINERALES (tn/m3) (kN/m3)
Yeso 2.32 23.2
Montmorillonita 2.40 24.0
Caolinita 2.60 26.0
Illita
Cuarzo 2.66 26.6
Calcita 2.72 27.2
Dolomita 2.87 28.7
Biotita 3.00 30.0
Piroxeno, olivino 3.40 34.0
Limonita 3.80 38.0
Pirita 5.10 51.0
Hematita 5.20 52.0
SUELOS (tn/m3) (kN/m3)
Gravas, arenas 2.65 26.5
Arena limosa, loess 2.67 26.7
Limo 2.70 27.0
Arcilla limosa 2.75 27.5
Arcilla 2.80 28.0
PROPIEDADES INDICES RELACIONES VOLUMTRICAS Y GRAVIMTRICAS
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54 54
PROPIEDADES INDICES
MECNICA DE SUELOS UNIDAD II - Ing. E. De La Rosa Ros
Propiedades ndice que no cambian
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PROPIEDADES INDICES RELACIONES VOLUMTRICAS RELACIN DE VACIOS
SLIDA
LQUIDA
GASEOSA
PESOS:
VOLUMENES:
=
Donde: e: Relacin de vacos. : . : . Rango de variacin: 0 < Valores caractersticos: Arenas muy compactas con finos: e = 0.25 Arcillas altamente compresibles: e = 15
MECNICA DE SUELOS UNIDAD II - Ing. E. De La Rosa Ros
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56 56
PROPIEDADES INDICES RELACIONES VOLUMTRICAS POROSIDAD
SLIDA
LQUIDA
GASEOSA
PESOS:
VOLUMENES:
Donde: n: Porosidad. : . : . Rango de variacin: 0 100% Algunos valores caractersticos: Arenas: 25% < < 50% Arcillas: 30% < < 90%
MECNICA DE SUELOS UNIDAD II - Ing. E. De La Rosa Ros
% =
. 100
-
57 57 57
PROPIEDADES INDICES RELACIONES VOLUMTRICAS GRADO DE SATURACIN
SLIDA
LQUIDA
GASEOSA
PESOS:
=
=
VOLUMENES:
=1+e
=1
=
=
=
Donde: : Grado de saturacin. : . : . Rango de variacin: 0 100% Algunos valores caractersticos: Suelo seco: = 0% Suelo hmedo: 0% < 100%
MECNICA DE SUELOS UNIDAD II - Ing. E. De La Rosa Ros
% =
. 100
=
=
=
-
58 58 58
PROPIEDADES INDICES RELACIONES VOLUMTRICAS Contenido de humedad
SLIDA
LQUIDA
GASEOSA
PESOS:
VOLUMENES:
Donde: : Contenido de humedad. : . : . Rango de variacin: 0 < % Algunos valores caractersticos: Arenas: 12% < < 36% ( = 100%) Arcillas: 12% < < 325% ( = 100%)
MECNICA DE SUELOS UNIDAD II - Ing. E. De La Rosa Ros
% =
. 100
-
59 59 59 59
PROPIEDADES INDICES RELACIONES VOLUMTRICAS PESO ESPECFICO DE MASA
SLIDA
LQUIDA
GASEOSA
PESOS:
VOLUMENES:
Donde: : Peso especfico de masa. : . : .
MECNICA DE SUELOS UNIDAD II - Ing. E. De La Rosa Ros
=
Es la relacin entre el peso de la muestra en estado natural y su volumen.
El peso especfico de masa tambin se puede expresar en trminos de , , :
=
= +
=
1 +
=
+
Depende de: Peso de los granos individuales. Cantidad total de partculas presentes (funcin de e). Cantidad de agua existente en los vacos (funcin de ).
-
60 60 60 60 60
PROPIEDADES INDICES RELACIONES VOLUMTRICAS PESO ESPECFICO SECO
SLIDA
GASEOSA
PESOS:
VOLUMENES:
=
=
Donde: : Peso especfico seco. : . : .
MECNICA DE SUELOS UNIDAD II - Ing. E. De La Rosa Ros
=
Es la relacin entre el peso de la muestra seca y su volumen en su estado natural.
Algunas caractersticas: = 0%; = 0 =
-
61 61 61 61 61
PROPIEDADES INDICES RELACIONES VOLUMTRICAS GRAVEDAD ESPECFICA
SLIDA
LQUIDA
GASEOSA
PESOS:
VOLUMENES:
Donde: : Gravedad especfica o Peso especfico
relativo de slidos. : . : .
MECNICA DE SUELOS UNIDAD II - Ing. E. De La Rosa Ros
=
Algunos valores caractersticos: Arenas: = 2.65; Arcillas: 2.70 < < 2.90; : < 2.65
<
En laboratorio se obtiene indirectamente:
=
+ +
: .
: + + .
-
62 62 62 62 62 62
PROPIEDADES INDICES RELACIONES GRAVIMTRICAS PESO ESPECFICO SATURADO
Donde: : Peso especfico saturado. : . : . : . : .
MECNICA DE SUELOS UNIDAD II - Ing. E. De La Rosa Ros
SLIDA
LQUIDA
PESOS:
=
=
VOLUMENE
S:
= +
=
= =
=
= +
=
+ 1 +
=
= +
+
Por definicin de humedad y sustituyendo:
=
=
=
-
63 63
PROPIEDADES INDICES PROPIDADES NDICE DERIVADAS DENSIDAD RELATIVA
MECNICA DE SUELOS UNIDAD II - Ing. E. De La Rosa Ros
-
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PROPIEDADES INDICES PROPIDADES NDICE DERIVADAS DENSIDAD RELATIVA
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
- ndice de plasticidad (IP) : =
Consistencia relativa (Cr) ndice de consistencia (Ic). ndice de liquidez (IL) ndice de fluidez (IF).
-
65 65 65
PROPIEDADES INDICES PROPIDADES NDICE DERIVADAS DENSIDAD RELATIVA
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
100100.(%)minmax
max
mndmxd
mndd
d
mxdor
ee
eeD
La densidad relativa (Dr) llamada tambin ndice de Densidad (ID) Compacidad relativa(Cr), es una magnitud muy empleada para caracterizar la compacidad de un suelo granular natural en su estado ms compacto.
Dr (%) SUELOS GRANULARES
0 15 Arena muy suelta
15 35 Arena suelta
35 65 Arena media
65 85 Arena compacta
85 - 100 Arena muy compacta
Donde: : . : . 0: . : .
: .
: . Caractersticas: Si 0= = 0% Si 0= = 100%
Algunos valores caractersticos:
-
66
TABLA 2.6 DENOMINACIN SEGN EL GRADO DE COMPACIDAD
COMPACIDAD RELATIVA
(Cr) % DENOMINACIN
0 15 15 35 35 65 65 85
85 100
MUY SUELTA
SUELTA
MEDIA
COMPACTA
MUY COMPACTA
66
TABLA 2.7 POTENCIAL DE DENSIFICACIN RELACIONADO CON DENSIDAD RELATIVA
MXIMA
ACELERACIN
DELSUELO
DENSIFICACIN MUY
PROBABLE
DENSIFICACIN DEPENDE
DEL TIPO DE SUELO Y
MAGNITUD DEL SISMO
DENSIFICACIN
NO PROBABLE
0.10 g Dr < 33 % 33% < Dr < 54 % Dr > 54 %
0.15 g Dr < 48 % 48 % < Dr < 73 % Dr > 73 %
0.20 g Dr < 60 % 60 % < Dr < 85 % Dr > 85 %
0.25 g Dr < 70 % 70 % < Dr < 92 % Dr > 92 %
Adaptado de Seed e Idrizz MECNICA DE SUELOS UNIDAD II - Ing. E. De La Rosa Ros
PROPIEDADES INDICES PROPIEDADES INDICE DERIVADAS DENSIDAD RELATIVA
-
67
DESCRIPCIN RELACIN DE
VACOS
POROSIDAD
(%)
PESO
ESPECFICO
SECO (Ton/m3)
e mx e mn n mx n mn d mx d mn
Esferas uniformes 0.92 0.35 47.6 26.0 - - - - - -
Arena limpia uniforme 1.00 0.40 50 29 1.33 1.89
Limo inorgnico 1.10 0.40 52 29 1.28 1.89
Arena Limosa 0.90 0.30 47 23 1.39 2.03
Arena fina a gruesa 0.95 0.20 49 17 1.36 2.21
Arena miccea 1.20 0.40 55 29 1.22 1.92
Arena limosa y grava 0.85 0.14 46 12 1.42 2.34
67
TABLA 2.5 COMPACIDADES MXIMA Y MNIMA DE SUELOS GRANULARES
PROPIEDADES INDICES
MECNICA DE SUELOS UNIDAD II - Ing. E. De La Rosa Ros
-
68
TABLA N 2.3: PESOS ESPECFICOS A PARTIR DE LOS PARMETROS INDEPENDIENTES:
SUELO
(t/m3)
e
(%)
Arena 2.70 0.86 10 1.60 t/m3
Limo 2.62 0.49 16 2.04 t/m3
Arcilla 2.67 0.77 30 1.96 t/m3
Turba ---- ---- 200 1.35 t/m3
Fango 1.80 1.22 82 1.48 t/m3
68
,e
e
sm
1
1 s
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
PROPIEDADES INDICES RELACIONES GRAVIMTRICAS TABLAS DE INTERES
-
69
TABLA N 2.2: Grado de Saturacin en Arenas
SUELO GRANULAR
(ARENA) GW (%)
Arena seca
Ligeramente hmeda
Hmeda
Muy hmeda
Mojada
Saturada
0
1 25
26 50
51 75
76 99
100
PROPIEDADES INDICES RELACIONES GRAVIMTRICAS TABLAS DE INTERES
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
-
70 70
PROPIEDADES INDICES IMPORTANCIA DE LOS PARMETROS ADIMENSIONALES
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
De los parmetros definidos, los de mayor importancia son los llamados parmetros adimensionales (e, ), por que definen el estado en que se encuentra el suelo: 1. Estado de compacidad: suelto o compacto. 2. Cantidades de agua y aire que contiene el suelo.
Su importancia radica:
como es conocido el peso especfico del agua ( =1
3=
1
3= 9.81 /3), los
parmetros variables e independientes de un suelo se reducen a slo dos, que a su vez definen el comportamiento de los dos tipos fundamentales de suelos: Suelos granulares, controlado mediante la relacin de vacos (e). Su
comportamiento depende casi nicamente de su compacidad, a travs de su relacin de vacos.
Suelos cohesivos, controlado mediante la humedad (). Su comportamiento depende sobre todo de su humedad. El peso especfico de slidos ( ) vara muy poco y se puede considerar casi constante: 2.6 t/m3 < < 2.8 t/m3.
(
)
-
71
TABLA N 2.4: PESOS ESPECFICOS A PARTIR DE LOS
PARMETROS INDEPENDIENTES:
SUELO
(t/m3) e
(%)
Arena 2.70 0.86 10 1.60 t/m3
Limo 2.62 0.49 16 2.04 t/m3
Arcilla 2.67 0.77 30 1.96 t/m3
Turba ---- ---- 200 1.35 t/m3
Fango 1.80 1.22 82 1.48 t/m3
s e
sm
1
1
PROPIEDADES INDICES IMPORTANCIA DE LOS PARMETROS ADIMENSIONALES
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
-
72
2.8 SOLUCIN DE PROBLEMAS
Problema 1.- 1860 gr de una muestra seca de arena ocupa un volumen de 1300 cm3. Si el peso especfico de slidos es de 2.7 g/cm3, se pide calcular: (a) la porosidad, (b) el contenido de humedad para el 100% de saturacin, (c) el peso especfico de la masa cuando est saturado.
Solucin:
Wm=1860 g = Ws
Vm=1300 cm3
= 2.7 g/cm3
(a) Porosidad : =
100; (b) ;
=
=
=
=1860
2.7/3= 688.88 3;
= 1300 688.88 = 611.12 3
(%) =611.12
1300 100 = 47%
72
PROPIEDADES INDICES RELACIONES GRAVIMTRICAS TABLAS DE INTERES
(b) % =
100; =
=
Para el 100% de saturacin: =
= = 611.12
% =611.12
1860 100 = 32.85%
(c) =
=
+
=
1860 +611.12
1300 =1.9 g/cm3
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
-
73
Problema 2.- En laboratorio se determin en un suelo saturado, su peso especfico de 2.2 gr/cm3, y 20% de humedad. Determinar su peso especfico relativo de slidos.
Solucin:
=2.2
3
= 20% =?
= 01+
1+; =
1 + = 1 + 0 + = 1 + 0 = 1 + 0
=
1 + 0 =
2.2
1 + 0.20 0.20 2.2= 2.89
73
PROPIEDADES INDICES RELACIONES GRAVIMTRICAS TABLAS DE INTERES
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
-
74
Problema 3.- El contenido de humedad de un suelo es de 20% cuando est saturado y tiene un peso especfico determinado. Cuando se satura el suelo, este tiene un peso especfico de slidos de 2.4 gr/cm3. Se pide encontrar: (a) la proporcin de vacos, (b) la porosidad.
Solucin: = 20%
= 2.4
3
e = ?
n = ?
(a) =
=
; = 100 3
= . = 2.4 100 = 240
= 0.20 =
= 0.20 240 = 48
74
PROPIEDADES INDICES RELACIONES GRAVIMTRICAS TABLAS DE INTERES
Como = 1 =
=
Para el suelo saturado: = = 48
3
=48
100= 0.48
(b) % =
100 =48
100+48100 = 32.43%
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
-
75 75 75
PROPIEDADES INDICES ESTADOS DE CONSISTENCIA DEL SUELO
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
El cientfico de suelos, sueco, Albert Mauritz Atterberg, desarroll un mtodo para describir cuantitativamente el efecto de la variacin de humedad en la consistencia de los suelos de granos finos. El estableci los estados de consistencia de suelos y fij lmites definidos, aunque arbitrarios, para cada estado, conocido como Lmites de Atterberg. Cada lmite se define por la humedad que produce una consistencia determinada; la diferencia entre los lmites representa la variacin en el contenido humedad dentro de la cual el suelo se mantiene en un cierto estado. Atterberg hizo ver que la plasticidad no es una propiedad permanente de las arcillas, sino circunstancial y dependiente de su contenido de agua.
PROPIEDADES INDICES ESTADOS DE CONSISTENCIA DEL SUELO
-
76
Una arcilla muy seca puede tener la consistencia de un ladrillo, con plasticidad nula, esa misma, con gran contenido de agua, puede presentar las propiedades de un lodo semilquido, inclusive las de una suspensin lquida. Entre ambos extremos, existe un intervalo de contenido de agua en que la arcilla se comporta plsticamente.
PROPIEDADES INDICES ESTADOS DE CONSISTENCIA DEL SUELO
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
Segn su contenido de agua en orden decreciente, un suelo susceptible de ser plstico puede estar en cualquiera de los siguientes estados de consistencia, definidos por Atterberg: 1.Estado lquido, con las propiedades y apariencia de una suspensin. 2.Estado plstico, el suelo se comporta plsticamente. 3.Estado semislido, el suelo tiene la apariencia de un slido, pero an disminuye de volumen al estar sujeto a secado. 4.Estado slido, en que el volumen del suelo no vara con el secado.
-
77
Mezcla fluida de agua y
suelo
Suelo seco
H
U
M
E
D
A
D
CRECIENTE
(1) Estado
Lquido
(2) Estado
Plstico
(3) Estado
Semi -Slido
(4) Estado
Slido
Lmite Lquido ()
Lmite Plstico ( )
Lmite de Contraccin (LC )
ndice Plstico (IP)=
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
PROPIEDADES INDICES ESTADOS DE CONSISTENCIA DEL SUELO
-
78 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
PROPIEDADES INDICES ESTADOS DE CONSISTENCIA DEL SUELO
Lmite Lquido (LL o ).- Se define por la humedad que tiene el suelo amasado cuando 25 golpes ligeros contra una placa de goma dura de una vasija especial, se cierra el surco de seccin trapecial que se haba abierto en la masa hmeda de suelo colocado en dicha vasija (Copa de Casagrande). La copa es de forma esfrica de 54mm de radio interior, espesor 2mm y pesa 200 + 20gr incluyendo el tacn. Posee un ranurador laminar.
(a) Copa de Casagrande, cortesa de la Ca. ELE International.
-
79 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
PROPIEDADES INDICES ESTADOS DE CONSISTENCIA DEL SUELO
Lmite Plstico (LP o ).- Definida en trminos de una manipulacin en laboratorio de un fragmento de suelo, rolando hasta convertirlo en un cilindro de espesor aproximado 3 mm, el agrietamiento y desmoronamiento del rollito, en un cierto momento, indica que se ha alcanzado el lmite plstico y el contenido de agua correspondiente a ese instante magnifica el lmite plstico del suelo.
Procedimiento de ensayo de Lmite Plstico.
-
80 80 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
PROPIEDADES INDICES ESTADOS DE CONSISTENCIA DEL SUELO
-
81 81 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
PROPIEDADES INDICES ESTADOS DE CONSISTENCIA DEL SUELO
Determinacin del Lmite Lquido:
Lata N 21 24 27 31 Peso Lata (PL)
PL + Wm
PL + Ws
Ws
Ww
N Golpes
-
82 82 82 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
PROPIEDADES INDICES ESTADOS DE CONSISTENCIA DEL SUELO
Determinacin del Lmite Plstico:
Lata N 21 24 27 31
Peso Lata (PL)
PL + Wm
PL + Ws
Ws
Ww
-
83
El lmite de contraccin (LC), definido con el contenido de agua con el que el suelo ya no disminuye su volumen al seguirse secando. Este lmite se manifiesta visualmente por el caracterstico cambio de tono oscuro a claro, que el suelo presenta en su proximidad al secarse gradualmente. La Figura muestra la relacin entre el contenido de humedad, peso y el volumen del suelo .
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
PROPIEDADES INDICES ESTADOS DE CONSISTENCIA DEL SUELO
LC =
Vo
lum
en d
el s
uel
o
Consistencia
slida Consistencia
semislida
Consistencia
plstica
LC LP LL
Contenido de humedad () y Pesos ()
Consistencia
lquida
Fig. : Variacin del volumen y peso () respecto al contenido de humedad ().
Los cambios de volumen con respecto al contenido de humedad obedecern la trayectoria que se muestra en la Figura, al cambio de volumen por prdida de humedad se lo llama contraccin del suelo.
-
84
El lmite contraccin proporciona indicios de la estructura de las partculas del suelo, puesto que una estructura dispersa suele producir un lmite de contraccin bajo y una estructura floculante origina un lmite de contraccin elevado (Whitlow, 1994).
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
PROPIEDADES INDICES ESTADOS DE CONSISTENCIA DEL SUELO
Casagrande sugiere, se puede estimar el lmite de contraccin con el grfico de plasticidad: En la Figura se muestra que la lnea A y la lnea U interceptan en un punto de coordenadas: LL= 43.5 y LP = 46.5; con el ndice de plasticidad y el lmite lquido del suelo en estudio, se grafica en el grafico de plasticidad (punto A), si se une con una lnea el punto A con el punto de interseccin de las lneas A y U, el punto que intercepte en el eje del lmite lquido corresponder al lmite de contraccin.
-
85 85 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
PROPIEDADES INDICES ESTADOS DE CONSISTENCIA DEL SUELO
Skempton (1953) expres esta relacin matemticamente como la actividad A de la arcilla, as:
=
% <
La actividad se usa como ndice para evaluar el potencial de expansin de los suelos arcillosos. Por ejemplo: La actividad de la caolinita es baja: A = 0.38 La actividad de la illita es media: A = 0,90 La actividad de la montmorilonita es alta: A = 7,20
-
86
Tabla: Actividad de algunos minerales de arcilla (Mitchell, 1976)
Mineral Actividad A Esmectitas 1-7 Illita 0.5 - 1 Caolinita 0.5 Haloisita (2H2O) 0.5 Haloisita (4H2O) 0.1 Atapulgita 0.5 1.2 Alfano 0.5 1.2
GRADO DE EXPANSIN
LL (%) IP(%)
ALTO > 60 > 35 MEDIO 50 - 60 25 35 BAJO < 50 < 25
CERO (NINGUNO) < 35 < 12
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
PROPIEDADES INDICES ESTADOS DE CONSISTENCIA DEL SUELO
Lmite de Contraccin (LC)
Contraccin lineal
Grado de expansin
< 10 < 8 Crtico 10. 12 5 8 Marginal
>12 0 - 5 No crtico Altemeyer, 1965.
-
87 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I- Ing. E. De La Rosa Ros
GRANULOMETRA
-
88
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros 88
GRANULOMETRA
-
89
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
GRANULOMETRA
Tyler estndar
U.S.Bureau of Standards
LMS -FICSA - UNPRG
N ABERTURA (mm.)
N ABERTURA (mm.)
N ABERTURA
(mm.)
3 2
N3 4 6 8 9
10 14 20 28 35 48 60 65
100 150 200
76.2 50.8
6.680 4.699 3.327 2.362 1.981 1.651 1.168 0.833 0.589 0.417 0.295 0.246 0.208 0.147 0.104 0.075
4 2 1
3/8 1/4 N 4 N 6 N 8 N 10 N 12 N 16 N 20 N 30 N 40 N 50 N 60 N 70 N100 N140 N200
101.6 50.8 25.4 19.1 12.7 9.52 6.35 4.76 3.36 2.38 2.00 1.68 1.19 0.84 0.59 0.42
0.297 0.250 0.210 0.149 0.1.05 0.075
3 2
1 1
3/8 N4
N10 N20 N40 N50
N100 N200
75.00 50.8
38.10 25.00 19.00 12.50 9.50 4.75 2.00 0.85
0.425 0.30 0.15
0.075
Tamao mximo de partculas
(mm)
Cantidad mnima a
ensayar (Kg)
5 0.50
25 10.0
50 20.0
80 32.0
CANTIDAD MNIMA A ENSAYAR SEGN TAMAO DE PARTCULAS
SERIES DE TAMICES, ENTRE LAS MS USADAS:
-
90 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
GRANULOMETRA
-
GRANULOMETRA
91 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
Poorly
-
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
GRANULOMETRA
92 92
Escala adoptada por ASTM (American Society for Testing and Materials)
-
93 93 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
GRANULOMETRA
ANALISIS GRANULOMTRICO Procedimiento de prctica de laboratorio: 1 La muestra de suelo se hace pasar sucesivamente a travs de un juego de tamices de abertura descendente, hasta la malla N 200. La precisin ser: Para muestras > 2.0 Kg Aproximacin = 1.0 gr. Para muestras > 0.5 Kg Aproximacin = 0.1 gr. 2 Los retenidos en cada malla se pesan y el porcentaje que representan respecto al peso de la muestra total se suma a los porcentajes retenidos en todas las mallas de mayor tamao. 3 El complemento a 100% de esa cantidad da el porcentaje de suelo que es menor que el tamao representado por la malla en cuestin. As puede tenerse un punto de la curva acumulativa correspondiendo a cada abertura. El mtodo se dificulta cuando estas aberturas son pequeas y por ejemplo, el cribado a travs de las mallas N 100 (0.149 mm) y N 200 (0.075 mm) suele requerir agua para ayudar al paso de la muestra (procedimiento de lavado). Para los tamaos de partculas menores a la malla N 200, se emplea el mtodo del hidrmetro (densmetro).
-
94 94 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
GRANULOMETRA
4 La uniformidad de un suelo puede expresarse por el Coeficiente de Uniformidad: =
6010
Donde:
D60 es el dimetro o tamao por debajo del cual queda el 60% del suelo en peso; y D10 es
el valor correspondiente para el 10%. Hazen llama dimetro eficaz a D10, dndole un papel
determinante en el valor de la permeabilidad del suelo.
Desde un punto de vista estadstico Cu es una medida de la dispersin.
5 Suelos bien graduados (W), son aquellos con amplia gama de tamaos, las arenas que tienen un Cu>6 y las gravas que tienen un Cu>4, tienen comportamiento ingenieril ms
favorable, que los suelos mal graduados (P) o de granulometra muy uniforme. En
general, un suelo con Cu < 3 se considera muy uniforme o mal graduado.
6 Como dato complementario necesario para definir la granulometra de un suelo, se define el Coeficiente de Curvatura:
=30
2
1060
Si para todo tipo de suelo, 1< Cc< 3, se trata de suelos bien graduados.
7 Concluyendo, el objetivo fundamental del anlisis granulomtrico por tamizado es determinar si se trata de un suelo bien gradado (W), o se trata de un suelo mal
gradado (P).
-
95 95 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
Tamiz
(ASTM)
Abertura Tamiz (Nch)
mm
Abertura real
(mm)
Tipo de suelo
3 80 76,12
GRAVA GRUESA = F3 3/4" 2 50 50,80
1 40 38,10
1 25 25,40
GRAVA FINA = 3/4" 4 20 19,05
3/8 10 9,52
N 4 5 4,76 ARENA GRUESA = F4 R10 N 10 2 2,00
ARENA MEDIA = F10 R40 N 20 0,90 0,84
N 40 0,50 0,42
N 60 0,30 0,25
ARENA FINA = F40 R200 N 140 0,10 0,105
N 200 0,08 0,074
TABLA N 1.2: CLASIFICACIN DE SUELO GRANULAR SEGN LA NUMERACIN Y ABERTURA DE TAMICES
GRANULOMETRA
Fuente: Espinace R. (1979), adaptado .
Tamao mximo de partculas
(mm)
Cantidad mnima a ensayar
(Kg)
5 0.50
25 10.0
50 20.0
80 32.0
TABLA N 3.1: CANTIDAD MNIMA A ENSAYAR SEGN TAMAO DE PARTCULAS
-
96 96 96 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
GRANULOMETRA
96 96 96 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
GRANULOMETRA
ANLISIS GRANULOMTRICO
POZO/MUESTRA P1 - M3
PROFUNDIDAD (m) 1.70 - 3.45
TIPO DE MATERIAL
PESO ORIGINAL (g) 500
PRDIDA POR
LAVADO 103.08
PESO TAMIZADO (g) 396.92
ABERTURA DE
MALLA PESO
PULG. mm RET (g) % RET. % Ret. ACUM. % QUE
PASA
1" 25 0 0 0 100
3/4" 19 25.22 5.04 5.04 94.96
1/2" 12.5 50.62 10.12 15.17 84.83
3/8" 9.5 18.94 3.79 18.96 81.04
N 4 4.75 49.5 9.90 28.86 71.14
N 10 2 38.28 7.66 36.51 63.49
N 20 0.85 25.82 5.16 41.68 58.32
N 40 0.425 21 4.20 45.88 54.12
N 50 0.3 14.08 2.82 48.69 51.31
N 100 0.15 87.84 17.57 66.26 33.74
N 200 0.074 64.02 12.80 79.06 20.94
Platillo + Lavado 104.68 20.94 100 0
SUMATORIA 500 100
D10 = 0.03 D30 = 0.13 D60 = 1.2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.00.11.010.0100.0
% Q
ue
pas
a. e
n p
eso
Tamao de partcula, en mm
CURVA GRANULOMTRICA: P1-M3
_30=0.13 _10=0.03 60
=6010
=1.2
0.03= 40.0 > 6
=30
2
1060=
0.132
0.03 1.2= 0.47 < 1
-
97
ANLISIS GRANULOMTRICO EN SUELOS FINOS Se emplea para los tamaos de partculas que pasan la malla N 200, se utiliza el mtodo del hidrmetro o densmetro, se basa en la ley de Stokes y proporciona una relacin entre la velocidad de sedimentacin de las partculas del suelo en un fluido y el tamao de esas partculas.
97 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
GRANULOMETRA
2
2.
9
2
Dv
fs
Ley de Stokes:
Donde:
= Velocidad de sedimentacin de la esfera, en cm/seg. = peso especfico de la esfera, en g/cm3. = Peso especfico del fluido en g/cm3 (vara con la temperatura).
=Viscosidad del fluido, en g/cm2 (vara con la temperatura). D = Dimetro de la esfera, en cm.
; (mm)
; (mm)
()
()
()
-
98
() y , vlidas para obtener en laboratorio mediante el proceso de sedimentacin o mtodo del hidrmetro (ASTM D422 63) , el tamao de partculas del suelo menores a la malla N200.
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
Como todas las variables menos (L/t)son independientes del problema excepto la temperatura de la suspensin, es posible evaluar K = f(T, , , ) empleando la Tabla 3.4:
Tabla 3.4: Valores de K de la ecuacin () para varias combinaciones de
Gravedades Especficas y Temperaturas
Temp. GRAVEDADES ESPECFICAS (Ss) DE LOS SUELOS (g/cm3) (C) 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 2.85
16 0.0151 0.0148 0.0146 0.014 0.0141 0.014 0.0137 0.0136
17 0.0149 0.0146 0.0144 0.014 0.014 0.014 0.0136 0.0134
18 0.0148 0.0144 0.0142 0.014 0.0138 0.014 0.0134 0.0132
19 0.0145 0.0143 0.014 0.014 0.0136 0.013 0.0132 0.0131
20 0.0143 0.0141 0.0139 0.014 0.0134 0.013 0.0131 0.0129
21 0.0141 0.0139 0.0137 0.014 0.0133 0.013 0.0129 0.0127
22 0.014 0.0137 0.0135 0.013 0.0131 0.013 0.0128 0.0126
23 0.0138 0.0136 0.0134 0.013 0.013 0.013 0.0126 0.0124
24 0.0137 0.0134 0.0132 0.013 0.0128 0.013 0.0125 0.0123
25 0.0135 0.0133 0.0131 0.013 0.0127 0.013 0.0123 0.0122 26 0.0133 0.0131 0.0129 0.013 0.0125 0.012 0.0122 0.012
27 0.0132 0.013 0.0128 0.013 0.0124 0.012 0.012 0.0119
28 0.013 0.0128 0.0126 0.012 0.0123 0.012 0.0119 0.0117
29 0.0129 0.0127 0.0125 0.012 0.0121 0.012 0.0118 0.0116
30 0.0128 0.0126 0.0124 0.012 0.012 0.012 0.0117 0.0115
Mtodo vlido para tamaos: 0.0002 mm D 0.2 mm, debajo del lmite inferior, la partcula no se sedimenta, es afectada por el movimiento browniano (fuerza de atraccin y repulsin).
GRANULOMETRA
-
99
Formato empleado en laboratorio para las lecturas del hidrmetro en los tiempos y temperaturas indicadas. Por ejemplo para los siguientes datos obtenidos en laboratorio:
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
GRANULOMETRA
HIDROMETRIA - CALCULOS
Fecha Hora
Tiempo Temp. Lectura de
Rcp % que Pasa
Rcl L K D
de transc C Hidrm. (cm) (Tabla (mm) lectura (min) R (Tab 3.5) 3.4)
0.25 28 51 46.15 90.5 52 7.8 0.0121 0.068 0.5 28 48 43.15 84.6 49 8.3 0.0121 0.049 1 28 47 42.15 82.6 48 8.4 0.0121 0.035 2 28 46 41.15 80.7 47 8.6 0.0121 0.025 4 28 45 40.15 78.7 46 8.8 0.0121 0.018 8 28 44 39.15 76.7 45 8.9 0.0121 0.013 15 28 43 38.15 74.8 44 9.1 0.0121 0.009 30 28 42 37.15 72.8 43 9.2 0.0121 0.007 60 28 40 35.15 68.9 41 9.6 0.0121 0.005 120 28 38 33.15 65.0 39 9.9 0.0121 0.0035 240 28 34 29.15 57.1 35 10.5 0.0121 0.0025 480 28 32 27.15 53.2 33 10.9 0.0121 0.0018 1440 28 29 24.15 47.3 30 11.4 0.0121 0.0011 2880 28 27 22.15 43.4 28 11.7 0.0121 0.0008
Datos del ensayo: Fz : 7 (Correccin de ceros) T : 28 C Ss : 2.75 g/cm3 Ws: 50 g Fm: 1 (correccin por menizco)
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MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros 100
GRANULOMETRA
Tabla 3-5 Valores de L (Profund. efectiva) para usar en la frmula de Stokes en la determinacin de partculas con el hidrmetro ASTM 152H
Lect. original L Lect. original L Lect. original del hidrm. Profund. del hidrm. Profund. del hidrm. Profund. (corregida efectiva (corregida efectiva (corregida efectiva L x menisco) (cm) x menisco) (cm) x menisco) (cm)
0 16.3 21 12.9 42 9.4 1 16.1 22 12.7 43 9.2 2 16.0 23 12.5 44 9.1 3 15.8 24 12.4 45 8.9 4 15.6 25 12.2 46 8.8 5 15.5 26 12.0 47 8.6 6 15.3 27 11.9 48 8.4 7 15.2 28 11.7 49 8.3 8 15.0 29 11.5 50 8.1 9 14.8 30 11.4 51 7.9
10 14.7 31 11.2 52 7.8 11 14.5 32 11.1 53 7.6 12 14.3 33 10.9 54 7.4 13 14.2 34 10.7 55 7.3 14 14.0 35 10.5 56 7.1 15 13.8 36 10.4 57 7.0 16 13.7 37 10.2 58 6.8 17 13.5 38 10.1 59 6.6 18 13.3 39 9.9 60 6.5
19 13.2 40 9.7 20 13.0 41 9.6
-
101
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
CLASIFICACIN DE SUELOS
Existen dos mtodos ms conocidos para inters del ing. Geotcnico para clasificar suelos: 1. El mtodo SUCS (Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos), 2. El mtodo de la AASHTO (American Association State Highway Transportation Officials).
SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIN DE SUELOS Fue desarrollado por A. Casagrande (1942), designacin ASTM D-2487, para agrupar suelos en forma rpida en obras militares en los EE.UU. Consiste: 1 Se determina en laboratorio ensayos granulomtrico por tamizado, lmite lquido y lmite
plstico. 2 Del anlisis granulomtrico se debe determinar el porcentaje que pasa por los tamices de
3 (75 mm.), N 4 (4.75 mm.) y N 200 (0.075 mm.). 3 A partir de los porcentajes que pasan por los tamices, se puede hallar el porcentaje
retenido en cada tamiz de la siguiente manera: R200 = 100 - F200
R4 = 100 - F4
R3 = 100 - F3 4 Si el 100% del total de la muestra pasa por el tamiz de 3 (75 mm.), ir al paso 5, caso
contrario calcular el porcentaje de material retenido o con dimetro mayor a este tamiz y al final del ensayo de clasificacin anotar junto al resultado el porcentaje de este material retenido (cantos rodados y/o guijarros) incluyendo el tamao mximo de partcula.
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102
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
CLASIFICACIN DE SUELOS
5 En malla N 200: Si 200 > 50% : () (), ir paso 6 Si 200 50% : () (), ir al paso 8. 6 Si el suelo es de grano grueso, se debe determinar si la relacin entre el porcentaje de
suelo retenido en el tamiz N4 y el tamiz N 200 es mayor, menor o igual a 0.5: 4
200> 0.5 (G)
4
200 0.5 ().
Otros smbolos tambin son usados en la clasificacin: W: Bien gradado. P: Mal gradado. H: Alta compresibilidad (LL > 50%). L: Baja compresibilidad (LL < 50%(.
7 A partir de los resultados de laboratorio se determinan todos los valores de los parmetros requeridos en las Tablas de nombres de tipos de suelos, segn la norma ASTM para poder clasificar el suelo, como por ejemplo el coeficiente de gradacin o curvatura, coeficiente de uniformidad, lmite lquido e ndice de plasticidad y el tipo de suelo que se ajuste a todos los criterios es el smbolo de grupo correcto.
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103
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
CLASIFICACIN DE SUELOS
La designacin ASTM D-2487 adems cre un sistema para asignar nombres de grupo a los suelos, esto con el fin de dar una identificacin ms precisa a los suelos clasificados. Estos nombres de grupo estn reunidos en las Tablas de tipos de suelos gruesos y finos que se presenta a continuacin. Para suelos gravosos: SF = fraccin de arena = R200 - GF GF = fraccin de grava = R4 Una vez ya clasificado el suelo, es decir ya hallado el smbolo y nombre de grupo adecuados, el reporte debe incluir el nombre de grupo, smbolo de grupo y los resultados de los ensayos de laboratorio.
9 Si el suelo es altamente orgnico (turba), en tal caso es clasificado por inspeccin visual como Pt. Compuesto principalmente de material orgnico (material fibroso): Color caf oscuro, gris oscuro, o color negro. Olor orgnico, especialmente cuando esta hmedo. Consistencia suave.
8 Si el suelo es de grano fino a partir de los resultados en laboratorio del lmite liquido e ndice de plasticidad se procede a clasificar el suelo segn la Carta de Plasticidad y el tipo de suelo que se ajuste a todos los criterios es el smbolo de grupo correcto.
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104 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
CLASIFICACIN DE SUELOS
TABLA1.1:SIMBOLOS DE GRUPO PARA SUELOS TIPO GRAVA (G)
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105 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
CLASIFICACIN DE SUELOS
TABLA1.2:SIMBOLOS DE GRUPO PARA SUELOS TIPO ARENA (S)
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106 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
CLASIFICACIN DE SUELOS
TABLA1.3:SIMBOLOS DE GRUPO DE SUELOS LIMOS (M) Y ARCILLAS (C)
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107 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
CLASIFICACIN DE SUELOS
TABLA N 1.4 Nombres de tipos de suelos gravosos y arenosos-ASTM
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108
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
CLASIFICACIN DE SUELOS
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109
CLASIFICACIN DE SUELOS
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
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MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
CLASIFICACIN DE SUELOS
MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros 110 110
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111 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
CLASIFICACIN DE SUELOS
Para una clasificacin adecuada por el mtodo SUCS, debe conocerse la informacin siguiente: 1. Porcentaje de grava = 3" 4 2. Porcentaje de arena = 4 200 3. Porcentaje de limo y arcilla = 200 4. Coeficiente de uniformidad
() () 5. LL y IP de la 40.
Los smbolos de grupo para suelos gruesos tipo grava son: GW, GP, GM, GC, GC-GM, GW-GM, GW-GC, GP-GM, y GP-GC. En forma similar, los smbolos de grupo para suelos de grano fino son: CL, ML, OL, CH, MH, OH, CL-ML y Pt.
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112 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
CLASIFICACIN DE SUELOS
Ejemplo 1: Determinar la clasificacin del suelo por el mtodo SUCS, con los siguientes resultados de ensayos de laboratorio del anlisis granulomtrico por tamizado y lmites de plasticidad , practicados en una muestra de suelo: L.L.=23.1% ; L. P.= 16.9 %. Solucin: Se inicia haciendo el clculo de las columnas 4, 5 y 6 de la tabla. Se grafica en absisas la columna 2 (abertura de malla en mm.) y en ordenadas la columna 6 (% que pasa):
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.00.11.010.0100.0
% Q
ue
pas
a. e
n p
eso
Tamao de partcula, en mm
CURVA GRANULOMTRICA: P1-M3
_30=0.13 _10=0.03 60
ANLISIS GRANULOMTRICO
POZO/MUESTRA P1 - M3
PROFUNDIDAD (m) 1.70 - 3.45
TIPO DE MATERIAL
PESO ORIGINAL (g) 500
PRDIDA POR
LAVADO 103.08
PESO TAMIZADO (g) 396.92
ABERTURA DE
MALLA PESO
PULG. mm RET (g) % RET. % Ret. ACUM. % QUE
PASA
1" 25 0 0 0 100
3/4" 19 25.22 5.04 5.04 94.96
1/2" 12.5 50.62 10.12 15.17 84.83
3/8" 9.5 18.94 3.79 18.96 81.04
N 4 4.75 49.5 9.90 28.86 71.14
N 10 2 38.28 7.66 36.51 63.49
N 20 0.85 25.82 5.16 41.68 58.32
N 40 0.425 21 4.20 45.88 54.12
N 50 0.3 14.08 2.82 48.69 51.31
N 100 0.15 87.84 17.57 66.26 33.74
N 200 0.074 64.02 12.80 79.06 20.94
Platillo + Lavado 104.68 20.94 100 0
SUMATORIA 500 100
D10 = 0.03 D30 = 0.13 D60 = 1.2
Cu = Cc =
Grava gruesa(%) 5.04
Grava fina(%) 23.81 28.86 GF = F1"-F4=R4
Arena gruesa(%) 7.66
Arena media(%) 9.36
Arena fina(%) 33.19 50.21 SF = R200-R4
Finos(%) 20.94 20.94
Total(%) 100 100
-
113 113 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
CLASIFICACIN DE SUELOS: SUCS
IP =LL- LP=23.1-16.9=6.2% Del anlisis granulomtrico se tiene: - Malla N 200: 200 = 100 - 200 = 100 20.94% = 79.06 % > 50% , es suelo grueso: G o S. -Malla N 4 : 4 = 100 4 = 100 71.14 = 28.86%
4200
=28.86
79.06= 0.37 < 0.5 ()
Determinamos : =6010
=1.2
0.03= 40.0 > 6; =
302
1060=
0.132
0.031.2= 0.47 < 1
Arena mal gradada: (SP). Fraccin de grava: 4 = 100 71.14 = 28.86% de grava. Arena gruesa: 4 10 = 71.14 63.49 = 7.66% Arena media: 10 40 = 63.49 54.12 = 9.37% Arena fina: 40 200 = 54.12 20.94 = 33.19% - Malla N 200: 200 = 20.94% >12% Tiene finos: pueden ser SC, SM: En carta de plasticidad: Anlisis de plasticidad: Con LL=23.1% y IP=6.2%, en carta de plasticidad, el punto cae en zona de doble simbologa CL-ML. Por lo tanto, se trata de un suelo: (SP-SC), ARENA MAL GRADADA, ARCILLO LIMOSA , CON 29% DE GRAVA, DE BAJA COMPRESILIDAD.
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114 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
CLASIFICACIN DE SUELOS METODO DE LA AASHTO
Esta clasificacin define al suelo dentro de su capacidad de resistencia y deformacin para
determinar el diseo de pavimentos. Define los siguientes tipos de suelos: A1, A2, A3, A4,
A5, A6, A7, y A8. Entre ellos, el de mejor calidad es el A1.
CLASIFICACIN DE SUELOS: SUCS
Mtodo empleando la Tabla N 01 y el baco de la Fig. N 02: La Tabla N 01 muestra el Sistema de Clasificacin de la AASHTO en la conveniente forma de tabla. Esta tabla permite diferenciar entre los materiales granulares (35% o menos del total pasa la malla N 200), son los suelos A1, A3 y A2; y los materiales limo-arcillosos (ms del 35% del total pasa la malla N 200), son los suelos cuyos grupos estn comprendidos entre A4 y A7. Este es un factor esencial de clasificacin. La designacin de los sub-grupos en el grupo A2, se logra determinando si el suelo es A2 clasificado de acuerdo a su anlisis granulomtrico, pero tiene propiedades plsticas (L.L. y L.P.) caractersticas de los suelos de A4 a A7.
La Tabla N 01 se utiliza procediendo de izquierda a derecha hasta encontrar el primer tipo de suelo que tenga las propiedades del suelo en consideracin. El suelo tipo A8 (no se muestra en tabla) se clasifica visualmente como turba (material excesivamente orgnico).
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115 115 115 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
CLASIFICACIN DE SUELOS: AASHTO
El sistema de clasificacin AASHTO utiliza adems un ndice de grupo para comparar diferentes suelos dentro de un mismo grupo. El ndice de grupo se calcula empleando los bacos de la Fig. N 02, mediante el uso de la siguiente relacin: IG = IGI + IGII (1.13)
El ndice encontrado de esta forma se redondea al entero ms cercano y se reemplaza entre parntesis despus del nmero de clasificacin correspondiente, de la siguiente forma: A2-6(3), clasificando de esta forma el suelo como un material del grupo A2 con propiedades plsticas del grupo A6 y con un ndice de grupo de 3. Si dos suelos de un mismo grupo tienen diferente ndice de grupo, tendr mejor comportamiento como material de carretera, aquel cuyo ndice de grupo sea menor, as, un A2-6(2) debe ser un mejor material de carretera que un A2-6(4).
NDICE DE GRUPO (IG) Es la interpretacin numrica de la capacidad de deformacin que posee un suelo. Un suelo cuanto ms plstico o deformable, tiene un mayor ndice de Grupo.
1. El ndice de grupo es calculado a partir de la siguiente ecuacin emprica: = 200 35 0.2 + 0.005 40 + 0.01 200 15 10 (1.14)
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116 116 116 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
CLASIFICACIN DE SUELOS: AASHTO
Donde: F200: Porcentaje que pasa a travs del tamiz N 200, expresado como nmero entero. LL: Lmite lquido. IP: ndice de plasticidad.
2. Si el resultado del ndice de grupo calculado es un valor negativo, entonces el ndice de grupo (IG) se toma igual a cero.
3. Si el suelo no es plstico y no se puede determinar el Lmite lquido, entonces el
ndice de grupo (IG) ser: IG = 0. Este es el caso de los de los suelos A-1-a, A-1-b, A-2-4, A-2-5 y A-3, en donde su ndice de grupo siempre es cero.
4. El ndice de grupo de los suelos A-2-6 y A-2-7 debe calcularse utilizando solo la porcin del IP: = 0.01 200 15 10
5. El ndice de grupo no tiene lmite superior.
Los ndices de grupo de los suelos granulares estn generalmente comprendidos entre 0 y 4, los correspondientes a los suelos limosos, entre 8 y 12 y los suelos arcillosos, entre 11 y 20, o ms.
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117 117 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
CLASIFICACIN DE SUELOS
TABLA N 01: SISTEMA DE CLASIFICACIN DE SUELOS DE LA AASHTO
(American Association State Highway Transportation Officials)
MATERIALES GRANULARES (IGUAL o MENOR DEL 35% PASA EL TAMIZ N200)
MATERIALES
LIMOARCILLOSOS(MAS DEL35% PASA EL TAMIZ N200)
GRUPOS A-1
A-3
A-2
A-4
A-5
A-6
A-7
SUBGRUPOS A-1a A-1b A-2-4 A-2-5 A-2-6 A-2-7 A-7-5
A-7-6
% que pasa el tamiz:
N10 N40 N200..
50max
30max
15max
50max
25max
51max
10max
35max
35max
35max
35max
36min
36min
36 min
36 min
Caract. Mat. pasa la N40:
Lmite Lquido ndice de plasticidad
6max
6max
N.P.
40max
10max
41min
10max
40max
11min
41min
11min
40max
10min
41min
10max
40 max
11 min
41 min
11 min
ndice de grupo 0 0 0 0 0 4max 4max 8max 12max 16 max 20max
Tipos de material
Fragmento de
Piedra, grava y
arena
Arena
fina Gravas arenas limosas y arcillosas
Suelos
limosos
Suelos
arcillosos
Terrenode fundacin Excelente a bueno Regular a deficiente
NOTA: El grupo A7, se subdivide en A7-5 y A7-6, dependiendo estos sub grupos del L. P.:
Si el L. P. 30, la clasificacin es A7-5 o IP LL - 30
Si el L. P. LL 30
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118 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
CLASIFICACIN DE SUELOS
Ms a 7075 65 60 55 50 45 40 35 a menos
1
0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
5550
L.L60
55 a ms50454035302520
1
0
2
3
4
5
6
7
8
a menos 15
IP < 10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
% ACUMULADO QUE PASA LA N 200
IND
ICE
DE
GR
UP
O II
IP>30
BACOS PARA DETERMINAR EL NDICE DE GRUPO (AASHTO)
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119 119 119 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
CLASIFICACIN DE SUELOS: AASHTO
6. Adopta el siguiente rango de tamao de partculas: Cantos rodados. Son fragmentos de roca, usualmente redondeados por
abrasin, que son retenidos en el tamiz de 3 (75 mm). Grava. Es la fraccin que pasa el tamiz de 3 (75 mm) y es retenido en el
tamiz N 10 (2 mm). Arena. Es la fraccin que pasa el tamiz N 10 (2 mm) y es retenido en el
tamiz N 200 (0.075 mm). El limo y la arcilla. Son partculas que pasan el tamiz N 200 (0.075 mm).
Ejemplo 2: Determinar la clasificacin por el mtodo AASHTO, con los siguientes resultados de ensayos de laboratorio del anlisis granulomtrico por tamizado y lmites de plasticidad , practicados en una muestra de suelo del ejemplo 1: L.L.=23.1% ; L. P.= 16.9 %. IP = 6.2%
Solucin:
Analizando en Tabla N 01: (a) Por las caractersticas granulomtricas: - Por malla N 200 pasa menos del 35% (20.94%), por lo que puede estar ubicado entre los
suelos A1,A3 A2. - Por la malla N 10 pasa el 63.49%, no califica ningn tipo de suelo por admitir max. 50%. - Por la malla N 40 pasa el 54.12%, puede ser: A1-a, A1-b y A3; por admitir mximo 30%,
50% y 51%, respectivamente. - Por malla N 200 pasa el 20.94%, puede ser: A1-b por admitir max. 25% y A2-4, A2-5, A2-6
y A2-7 por admitir mx. 35%.
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120 120 120 MECNICA DE SUELOS UNIDAD I - Ing. E. De La Rosa Ros
CLASIFICACIN DE SUELOS: AASHTO
(b) Por las caractersticas de plasticidad: Por el LL = 23.1 %, puede ser un A2-4 o A2-6 que admiten como mximo 40%. Por el IP = 6.2%, puede ser un A2-4 o A2-5 que admiten como mximo 10%. Por las caractersticas granulomtricas y de plasticidad el suelo se ubica en el tipo A2-4. Determinacin del ndice de grupo: Haciendo uso de la ecuacin (1.13), IG = IGI + IGII, donde, cada uno de los componentes se determinan entrando a los bacos de la Tabla N 02, obteniendo: IGI=0, IGII=0 ; IG=0 Con este resultado volvemos a la Tabla N 01 y vemos que el IG calculado es congruente con el suelo A2-4. Finalmente concluimos en clasificar al suelo como un A2-4(0), considerado como un suelo muy bueno.