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INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA DE SUELOS Fuerza Normal A

100 a 1000 A B Cara 1

Cara 2 C

i-1

D

i+1

i

Alvaro Ignacio Covo Torres

ΔP

Arena Arena

a

Isocrona Linea Hidrostatica

ARCILLA

ARCILLA z

H

u ex (z,t)

Eje de Simetria H ΔP Arena Arena

Cartagena, abril de 2003.

INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA DE SUELOS

Alvaro Ignacio Covo Torres, Ph.D. Universidad de Cartagena

Cartagena, abril de 2003.

Alvaro Ignacio Covo, Ingeniero Civil, PhD, Callejón Sta Clara, Edif. Portal de Manga, No 106, Cartagena, Colombia, S.A, Tel 57-5-6605890

TABLA DE CONTENIDO

CAPITULO I INTRODUCCION Revisión histórica

1 2

CAPITULO II LA NATURALEZA DEL SUELO Procesos de meteorización Textura del suelo Naturaleza de los depósitos de suelo Tamaño del grano y distribución por tamaños. Origen y tipos de depósitos de suelo Suelos residuales Suelos depositados por el agua Suelos transportados por gravedad Depósitos glaciales Depósitos de suelos transportados por el viento Suelos Orgánicos Materiales de relleno Forma de la partícula Propiedades electro-químicas de minerales arcillosos Minerales arcillosos Estructura de los depósitos de arcilla Relaciones de fase y definiciones básicas Densidad Relativa Limites de Atterberg e índices de consistencia Límite Líquido Límite Plástico Índice de Plasticidad Índice de Liquidez Actividad Identificación de minerales en suelos arcillosos Límite de contracción

5 6 6 6 9 9 9 10 10 10 11 11 11 11 12 13 15 18 21 22 24 24 24 24 24 25

CAPITULO III CLASIFICACION DE LOS SUELOS Introducción Sistema de clasificación unificado de los suelos Límite de contracción

26 26 29

Alvaro Ignacio Covo, Ingeniero Civil, PhD, Callejón Sta Clara, Edif. Portal de Manga, No 106, Cartagena, Colombia, S.A, Tel 57-5-6605890 Sistema de clasificación AASHTO Índice de Grupo

29 29

CAPITULO IV EXPLORACION DEL SUBSUELO Tipos de equipos de perforación Tipos de tomamuestra Medida de la Resistividad en suelos Medidas de Resistividad en el Laboratorio Medidas de Resistividad en el Campo (El Arreglo de Wenner) Resistividad Típica de Suelos Ecuación de Resistividad para suelos estratificados Ejemplo de registro de perforación

33 35 39 39 40 41 42 45

CAPITULO V COMPACTACION Y ESTABILIZACION DE SUELOS Introducción compactación Teoría de compactación Propiedades y estructura de suelos compactados Equipos de compactación y procedimientos Densidad de Campo

46 46 47 49 54 58

CAPITULO VI ESFUERZOS EN LOS SUELOS Esfuerzo total geostático Presión de poros Medición de Presión de poros en el campo (Piezómetro) El esfuerzo efectivo Presión lateral efectiva geostática para suelos normalmente consolidados Distribución de esfuerzos en una masa semiinfinita Teoría de Bousinesq Esfuerzo bajo un área circular cargada Esfuerzo bajo una esquina de un área rectangular cargada Aproximación 1 a 2 Método de Newmark Asentamientos por distorsión elástica para área circular cargada sobre un sólido semi-infinito Asentamiento por distorsión elástica para áreas rectangulares cargadas sobre un sólido semi-infinito Determinación de Profundidad de sondeos en exploración de subsuelo

ii

59 59 60 61 62 62 62 65 65 66 66 68 68 71

Alvaro Ignacio Covo, Ingeniero Civil, PhD, Callejón Sta Clara, Edif. Portal de Manga, No 106, Cartagena, Colombia, S.A, Tel 57-5-6605890 CAPITULO VII HIDRAULICA DE LOS SUELOS Permeabilidad del suelo La ley de Darcy Efecto de la textura del suelo Efecto de la gradación Efecto del contenido de finos en gravas Efecto del grado de compactación Efecto de la estructura y discontinuidades Medición de la permeabilidad en suelos de grano grueso (Permeámetro de cabeza constante) Medición de la permeabilidad en suelos de grano fino (Permeámetro de cabeza variable) La permeabilidad en función de la viscosidad del agua Medición de la permeabilidad en la cámara triaxial Permeabilidad en suelos estratificados La permeabilidad en función de la relación de vacíos El principio de Bernoulli Efecto del flujo de agua sobre la masa de suelo El concepto del peso unitario efectivo El fenómeno de arenas movedizas Requisitos de materiales filtrantes, Geotextiles y Geomembranas. Capilaridad Capilaridad en estratos no homogéneos Drenaje Medición de permeabilidad en el campo (Pozos) Teoría de Pozos con Flujo estabilizado El método de bombeo en excavación El método del tubo El método del piezómetro Prueba de percolacion Diseño de sistemas de disposición de aguas negras Movimiento Superficial de las partículas de suelo

72 72 73 73 73 74 74 74 75 76 76 76 78 78 79 79 80 80 80 84 85 87 87 88 90 92 92 93 93

CAPITULO VIII FILTRACION Y REDES DE FLUJO Introducción Redes de flujo Propiedades de las redes de Flujo Propiedades de las líneas de flujo y equipotenciales Redes de flujo en muros de contención Redes de flujo en presas de tierra Determinación del gradiente hidráulico entre dos puntos Redes de flujo en suelos ortotrópicos

iii

96 97 98 98 98 102 103 104

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CAPITULO IX TEORIA DE LA CONSOLIDACION Compresibilidad (av) y coeficiente de cambio volumétrico (mv) Indice de compresión (Cc) Coeficiente de empuje de tierra en reposo para arcillas sobreconsolidadas. Derivación de la ecuación de la consolidación

107 110 111 111

El coeficiente de consolidación Cv Factor tiempo (T) y distancia máxima de drenaje (H). Solución general de la ecuación de la consolidación Condiciones de frontera (Solución exacta) Solución por diferencias finitas El operador diferencias finitas de primer orden El operador diferencias finitas de segundo orden Condiciones de frontera (Solución por diferencias finitas) Determinación de los Parámetros de Consolidación en el Laboratorio Determinación del 0% Consolidación Ajuste de curvas de consolidación

114 114 114 115 116 117 117 118 121 121 121

El método de Taylor para estimar t90 t50 y t90

121

Determinación de t50 y t90 por el método de Casagrande Determinación del coeficiente de consolidación (Cv) Correlación entre el límite líquido y el coeficiente de consolidación Consolidación secundaria Relación entre el contenido de humedad natural y la consolidación secundaria Medida de la expansión en suelos de grano fino (Método de la Navy) Presión de expansión potencial Potencial expansivo libre Consolidación radial para, el caso de igual deformación, considerando resistencia al flujo dentro del drenaje vertical de arena y la perturbación por instalación. Introducción. Problemas prácticos. Solución considerando deformación libre Derivación teórica de la ecuación de Barron modificada Determinación del parámetro (A) Ecuación de Barron con permeabilidad perturbada por instalación del drenaje vertical. Permeabilidad Constante en la Zona de Perturbación Permeabilidad Con Variación Lineal en la Zona de Perturbación Comparación de resultados obtenidos por diferencias finitas y las ecuaciones de Barron Comparación entre la Solución de Deformación Libre e Igual. Resistencia dentro del drenaje vertical de arena Efecto de la perturbación por la instalación del drenaje Permeabilidad Constante en la Zona de Perturbación Permeabilidad Variable en la Zona de Perturbación Casos donde se combina los efectos de Resistencia dentro del Pozo y Perturbación por Instalación del Drenaje Ecuación de Barron

121 122 123 123 124 126 126 127

iv

128 128 129 130 131 133 134 134 135 136 136 136 138 138 139 140 142

Alvaro Ignacio Covo, Ingeniero Civil, PhD, Callejón Sta Clara, Edif. Portal de Manga, No 106, Cartagena, Colombia, S.A, Tel 57-5-6605890 Ejemplo práctico

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CAPITULO X RESISTENCIA AL CORTANTE EN LOS SUELOS El concepto de ángulo de fricción interna Estado de esfuerzos planos en un punto Criterio de falla en los suelos El recorrido del esfuerzo El ensayo triaxial Ensayo de permeabilidad en la cámara triaxial Tipos de ensayos triaxiales El concepto de φ=0 El ensayo de compresión inconfinada Arcillas sensitivas Correlación entre el Número de golpes y la resistencia inconfinada La teoría de la adhesión Variables que afectan el ángulo de fricción interna de los suelos En arenas Angulo de Fricción para esfuerzos Bidimensionales Angulo de Fricción para esfuerzos Triaxiales En arcillas Relación entre el índice de plasticidad y el ángulo de fricción interna para suelos de grano fino normalmente consolidados Evaluación del módulo de elasticidad en arcillas Evaluación del módulo de elasticidad en arenas El ensayo de corte directo Teoría de Rankine sobre empuje horizontal sobre muros de contención Teoría de Rankine para empuje activo sobre muros de contención Teoría de Rankine para empuje pasivo sobre muros de contención Fuerza lateral contra muros de Contención por el método de Coulomb. Introducción Deducción de la Fuerza Activa de Coulomb Utilizando Máximos y Mínimos Deducción de la Fuerza Pasiva de Coulomb Utilizando Máximos y Mínimos La Fuerza Activa de Coulomb obtenida mediante Variación del Angulo de deslizamiento de la cuña (β). La Fuerza Pasiva de Coulomb obtenida mediante Variación del Angulo de deslizamiento de la cuña (β). El Método de Culman para Presión Activa El Método de Culman para la Fuerza Pasiva El Método de Poncelet para Cálculo de la Fuerza activa de Coulomb y el ángulo de deslizamiento crítico. El Método de Poncelet para Cálculo de la Fuerza pasiva de Coulomb y el ángulo de deslizamiento crítico. Presión activa debida a sismos Presión pasiva debida a sismos v

152 153 155 156 158 159 159 160 161 161 162 162 163 163 166 166 168 168 168 169 169 169 169 170 170 170 172 173 174 0 175 177 178 179

181 183 183

Alvaro Ignacio Covo, Ingeniero Civil, PhD, Callejón Sta Clara, Edif. Portal de Manga, No 106, Cartagena, Colombia, S.A, Tel 57-5-6605890 Movimiento del muro Efecto del Tipo de suelo Efecto debido a sobrecarga uniforme Sistema de drenaje y presión de agua Efectos tridimensionales Fricción contra la espalda del muro Evaluación del efecto de arco

183 184 184 185 188 189 189

CAPITULO XI ESFUERZO ADMISIBLE EN CIMIENTOS Esfuerzo de falla en suelos de grano fino Esfuerzo de falla en suelos de grano grueso Falle por corte en los suelos Introducción Falla de corte general de Terzaghi Falla de corte Local (Peck, Hanson y Thornburn) Falla por licuefacción durante un sismo en suelos granulares Asentamiento debido a reducción de la relación de vacíos Evaluación de las constantes de resorte para un suelo. (SOPORTES FLEXIBLES). Determinación Teórica de los valores de las rigideces.

193 195 197 197 197 199 200 201 202 204

CAPITULO XII PILOTES Y CIMENTACIONES SOBRE PILOTES Introducción. Tipos de pilotes referidos al método de colocación Tipos de martillos Capacidad de carga de pilotes en arcilla Capacidad de carga de pilotes en arena Asentamiento de pilotes individuales y pruebas de carga Factor de seguridad en pilotes Dinámica de Pilotes Hincados Formulas Dinámicas (Engineerin News) Formulas Dinámicas (Martillos Delmag) La Ecuación de Onda Incremento de Resistencia de Pilotes Hincados en Arcilla. Ejemplo Práctico 1 Ejemplo Práctico 2 Ejemplo Práctico 3 Asentamiento de pilotes en grupo El fenómeno de la Fricción Negativa

CAPITULO XIII DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE RETENCION vi

206 206 206 207 209 212 212 212 213 213 217 218 221 222 223 224

Alvaro Ignacio Covo, Ingeniero Civil, PhD, Callejón Sta Clara, Edif. Portal de Manga, No 106, Cartagena, Colombia, S.A, Tel 57-5-6605890 Diseño de muros de contención Diseño de tablestacas Tablestaca en voladizo (Empotradas) Tablestaca anclada, empotrada Tablestaca anclada, simplemente apoyada Diseño estructuras de soporte de tensores Diseño de Tablestacas en arcilla Excavaciones soportadas lateralmente Esfuerzos laterales en estructuras considerando el suelo como resortes Estabilidad de taludes Taludes infinitos Taludes finitos Método de Culman El método de las tajadas El método de Bishop modificado

226 229 229 231 233 236 237 238 239 246 246 247 248 250 252

CAPITULO XIV DINAMICA DE SUELOS Y ASPECTOS SISMICOS Introducción. Fundación de Maquinas Movimiento debido a Sismos. Cargas por Impacto. Análisis de vibración forzada y amortiguada de fundaciones. Característica de oscilaciones verticales. El análisis de este tipo de vibración de fundaciones se efectúa de la siguiente forma: Propiedades dinámicas de los suelos Diseño para evitar resonancia. Equipos de alta frecuencia Equipos de baja frecuencia Vibraciones acopladas Efecto de la profundidad de la cimentación Proximidad a una capa de suelo rígida Vibración de equipos vibratorios soportados sobre pilotes Esfuerzo admisible y asentamientos. Transmisión de vibración y monitoreo Monitoreo de vibración Teoría de vibraciones Teoría de vibraciones libres sin amortiguamiento Teoría de vibraciones libres amortiguadas con un grado de libertad Teoría de vibraciones forzadas y amortiguadas con un grado de libertad Equipos reciprocantes Aspectos sísmicos Sismo de diseño Estudios específicos del lugar Magnitud del sismo Intensidad vii

255 255 255 255 255 255 255 259 260 260 260 260 260 261 265 266 269 270 270 270 271 273 274 275 275 275 275 276

Alvaro Ignacio Covo, Ingeniero Civil, PhD, Callejón Sta Clara, Edif. Portal de Manga, No 106, Cartagena, Colombia, S.A, Tel 57-5-6605890 Relación entre la magnitud e intensidad Reducción de la vulnerabilidad de la fundación a solicitaciones sísmicas Cargas sísmicas en las estructuras Cargas en la fundación Cargas contra paredes Potencial de licuefacción Factores que afectan la licuefacción Evaluación del potencial de licuefacción

276 276 276 276 278 278 279 279

APENDICE I. Notación APENDICE II. Ejemplo análisis de ensayo de consolidación APENDICE III. Bibliografía. APENDICE IV. Índice Temático

282 286 291 298

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Prefacio.

Estas conferencias no pretenden ser un texto en el sentido amplio de la palabra; ellas fueron elaboradas ante la necesidad de resumir en una unidad coherente los últimos avances de la Mecánica de Suelos para ser dictadas en dos cursos introductorios de Mecánica de Suelos. Las conferencias fueron desarrollada básicamente de acuerdo con el programa del curso de Mecánica de Suelos I y II que se ofrece en la Facultad de Ciencias e Ingeniería de la Universidad de Cartagena. Agradezco a las personas que me sirvieron de inspiración y contribuyeron a despertar mi interés en este tema; entre ellos se destacan los profesores José Antonio Covo Tono, Jorge E. (El Papi) Cruz Pombo de la Universidad de Cartagena, Richard P. Long, Ken Demars y Kent A. Healy de la Universidad de Connecticut.

Ing. Alvaro Ignacio Covo Torres, Ph.D. Profesor Asociado Universidad de Cartagena.

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CAPITULO I

1.0 1 INTRODUCCION

El Suelo como material de construcción. El suelo puede ser considerado como el material más antiguo y mas complejo utilizado por ingenieros. A menos que se construya sobre roca, las estructuras de cualquier clase deben ser cimentadas sobre el suelo. Por lo tanto, la escogencia del tipo de cimentación es uno de los primeros problemas que debe ser abordado en un proyecto. Debido al poco desarrollo de la mecánica de suelos como una disciplina de la ingeniería hace varias décadas, o suposiciones equivocadas acerca del comportamiento del suelo, o incluso debido a ignorancia de los principios descubiertos de la mecánica de suelos, los ingenieros se han visto abocados a un sin numero de fallas en el suelo. Las fallas del suelo pueden ser debidas entre otras a: 1) Acción no anticipada del agua 2) Acción de heladas 3) Asentamientos excesivos no previstos Cientos de miles de kilómetros de vías en carreteras y aeropuertos se han desintegrado debido a cargas excesivas, o a cambios radicales en el contenido de humedad, o a variables climatológicas tales como las heladas. Muchas presas de tierra han fallado porque los ingenieros no fueron capaces de prever con precisión las propiedades del suelo remoldeado y compactado o el efecto del régimen de lluvias en el comportamiento del suelo. Fallas en túneles, puentes, y en otras muchas estructuras de retención y varias estructuras hidráulicas han sucedido debido a que los ingenieros fueron incapaces de calcular satisfactoriamente las presiones a que el subsuelo iba a estar sometido y los consiguientes asentamientos. Asentamientos diferenciales fueron también responsables de la falla de grandes estructuras. Un elevador de grano de 1'000.000 de bushels de capacidad ,que pesaba 18.000 toneladas, colapso en Manitoba Canadá, en 1914, debido a una falla del subsuelo en un estrato suelto. El elevador consistía de 65 silos circulares de 24 metros de altura. Los silos estaban soportados por una gran placa de cimentación. Cuando los silos fueron llenados por primera vez se hundieron de un lado hasta una profundidad de 12 metros quedando inclinados un ángulo de 30 grados con respecto a la vertical, tal como se muestra en la Figura 1.01. Los silos fueron levantados y soportados con éxito en 70 caisons de 1.80 metros de diámetro. Mas tarde los principios que rigen las resistencia del suelo pudieron ser comprobados con la falla a gran escala producida en el elevador de grano. A través del tiempo, los ingenieros han aprendido que la naturaleza de los suelos es mucho mas compleja que otros materiales de construcción como el hierro, madera, concreto, etc. Los esfuerzos de trabajo y el comportamiento de estos materiales han sido determinados con un grado de confiabilidad elevado, lo que permite diseños económicos. Comportamientos inesperados de estos materiales no son comunes. Por el contrario, los suelos utilizados para construcción y para soporte de estructuras poseen propiedades bastante diferentes. Es sabido que vibraciones puede licuar una arena suelta con la consiguiente falla de la estructura. Las arcillas pueden presentar alta resistencia cuando están secas pero fallar a esfuerzos muy bajos cuando están saturadas debido al hinchamiento de esta al absorber agua. Otro gran problema con suelos de grano fino es el de presentar levantamientos durante el deshielo debido a heladas, los cuales causan fallas en el pavimento debido a perdida en la capacidad portante del suelo. La mayoría de las fallas ocurren por la acción no prevista del agua. Por esta razón el control del agua es de gran importancia.

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Figura 1.01. Falla del Elevador de Grano de Transcona en Winnipeg, Manitoba, Canada.

1.02. REVISION HISTORICA. En tiempos modernos, la disciplina de la mecánica de suelos avanza a pasos agigantados. Es interesante estudiar la evolución de los conceptos utilizados en trabajos de suelos e ingeniería de fundaciones en el pasado. Debemos estar conscientes que el conocimiento que poseemos actualmente es una herencia acumulada durante la historia de la humanidad. 1.02.1 Problemas de Suelos en Tiempos Prehistóricos. La mecánica de suelos tal como nosotros la conocemos no existía para nuestros antepasados. Desde tiempos prehistóricos el suelos presentaba problemas al hombre, ya que por ejemplo, el transporte de mercancías y los viajes debían hacerse necesariamente sobre la tierra, sobre terrenos pantanosos, arenosos, montañosos; Estos terrenos presentaban grandes obstáculos. En épocas tempranas de su historia el hombre se movilizaba a pie y en los primeros asentamientos el ser humano trasladaba sus viviendas en busca de mejores o mas tierras con sus pertenencia cargadas sobre sus espaldas. Mas tarde, el suelo fue utilizado como material de construcción y como soporte de las estructuras construidas. En épocas tempranas el hombre utilizó el suelo para construir lomas para enterrar a sus muertos, para construir refugios contra las inundaciones, para la construcción de canales, zanjas y fortificaciones. El progreso del conocimiento del hombre en la utilización del suelo fue mas bien lento. 1.02.2 Problemas de suelo en tiempos antiguos. Los problemas de suelos en tiempos antiguos fueron asociados con las vías, canales y puentes. por ejemplo, el Dschou-Li, un libro de las costumbres de la dinastía china de Dschou, algunos 3.000 anos antes de Jesucristo, contenían provisiones e instrucciones para la construcción de vías y puentes.

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Alvaro Ignacio Covo, Ingeniero Civil, PhD, Callejón Sta Clara, Edif. Portal de Manga, No 106, Cartagena, Colombia, S.A, Tel 57-5-6605890 El uso de pilotes de madera y pilas de piedra en suelos blandos fue conocido en Egipto 2.000 anos antes de Jesucristo. El uso de pilotes condujo a la construcción de la cámara mortuoria en la pirámide de Se'n Woster I, quien gobernó en Egipto unos 2.000 anos antes de Jesucristo. El fondo del bloque fue cortado de bloques de piedras calizas redondeadas con un hueco en el centro. El bloque de piedra fue apoyado en unas capas de conglomerado y arena el cual finalmente las desplazo hasta llegar al manto rocoso. Las paredes del bloque de piedra fueron pulidas para reducir la fricción causada durante el hundimiento del bloque. El suelo fue también utilizado como material de construcción para lagunas y diques de retención. Templos antiguos y monumentos alrededor del mundo fueron construidos utilizando piedra y suelo como material de construcción. Los Aztecas construyeron templos y ciudades en los suelos blandos del valle de ciudad de México mucho antes de que los europeos descubrieran el nuevo mundo. Los arquitectos y constructores Europeos notaron asentamientos apreciables en catedrales y edificios grandes. El ejemplo mas conocido es el de la Torre Inclinada de Pisa. Los escandinavos utilizaron pilotes de madera para soportar construcciones en arcillas blandas. Una de las obras mas importantes construidas por los españoles en el nuevo mundo en esa época fue el Fuerte San Felipe de Barajas en Cartagena de Indias junto con las murallas construidas como un sistema para proteger la ciudad de los ataques de los bucaneros de la época. El Castillo de San Felipe es una estructura de piedra pegada con argamasa (una mezcla de cal y arena) construida sobre un cerro natural. Ejemplo del ingenio de los españoles para su diseño y construcción fue el problema planteado para la reparación efectuada en la década de 1970 de una porción del muro sur del Castillo de San Felipe, donde fue necesario utilizar pilotes fundidos en el sitio de 45 centímetros de diámetro para soportar el muro que permitió su restauración. Figura 1.02. Torre Inclinada de Pisa. El diseño de fundaciones y otras construcciones donde se utilizaba suelo y roca se efectuaba mediante reglas empíricas ya que no se desarrollaron teorías sino hasta mediados del siglo 17. El nombre mas famoso de esa era es el de Coulomb. El estaba interesado en el problema de la presión ejercida por el suelo sobre muros de retención, ya que sus procedimientos de cálculo tienen todavía vigencia. La teoría de resistencia mas común en suelos lleva su nombre. Durante los siglos 18 y 19 se destacaron los ingenieros franceses Collins y Darcy y el escoses Rankine los cuales hicieron importantes contribuciones. Collins fue el primer ingeniero que estudio el problema de la falla de taludes en arcilla como también la medida de la resistencia al esfuerzo cortante de estos suelos. Darcy estudió el problema del movimiento del agua en arenas saturadas estableciendo lo que se conoce en la literatura como la ley de Darcy. Rankine desarrollo una metodología para el cálculo de presión sobre muros de contención. En Inglaterra Gregory utilizo filtros horizontales para estabilizar cortes efectuados para construir vías férreas. A comienzos de siglo se hicieron importantes estudios principalmente en Suecia. Atterberg desarrolló los límites de consistencia los cuales se utilizan hoy. Durante el período 1914-1922 se hicieron importantes investigaciones en relación con importantes fallas de taludes ocurridas en puertos y vías férreas, donde la Comisión Geotécnica de vías Férreas de Suecia desarrollo varios conceptos y aparatos utilizados en la Ingeniería Geotécnica. Se desarrolló el método de cálculo de taludes conocido como el método de Fellenius. También idearon métodos para la obtención de muestras como el del pistón y otro tipo de toma-muestras y desarrollaron importantes conceptos como el de la sensitividad de las arcillas y consolidación; esta ultima estudia el tiempo que toma el agua en los poros de la arcilla en salir debido a esfuerzos adicionales en la muestra, retardando de esta forma su reducción de volumen.

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Alvaro Ignacio Covo, Ingeniero Civil, PhD, Callejón Sta Clara, Edif. Portal de Manga, No 106, Cartagena, Colombia, S.A, Tel 57-5-6605890 A pesar de estos desarrollos en Suecia, se considera que el padre de la Mecánica de Suelos fue el Austríaco Profesor Karl Terzaghi. El publicó en el año de 1925 el primer libro que compendia todo el desarrollo de la Mecánica de Suelos conteniendo además sus importantes aportes como la Teoría de la Consolidación. Terzaghi fue un ingeniero excepcionalmente creativo. El escribió varios importantes libros sobre la Mecánica de Suelos y mas de 250 artículos. El fue profesor del Robert College en Estambul, Technische Hochschule en Viena, M.I.T., y Harvard University desde 1938 hasta su retiro en 1956. El continuó ejerciendo como Ingeniero consultor hasta su muerte en 1963 a la edad de 80 anos. Arthur Casagrande contribuyó al avance de la Mecánica de Suelos. El fue profesor en la Universidad de Harvard desde 1932 hasta 1969. Además hizo importantes contribuciones al arte y la ciencia de la Mecánica de Suelos y la Ingeniería de Fundaciones. Otros personalidades que contribuyeron al desarrollo de la Mecánica de Suelos fueron Taylor, Peck, Tsckebotarioff, Skemptom y Bjerrum. Desde la década del 50 el campo de la ingeniería geotécnica ha crecido vertiginosamente. Terzaghi y Casagrande empezaron a enseñar Mecánica de Suelos e Ingeniería Geológica en los Estados Unidos. Antes de la segunda guerra mundial estos temas eran ofrecidos como cursos para estudiantes graduados. Actualmente se dictan por lo menos dos cursos de Mecánica de Suelos a nivel de pregrado en las Universidades del Mundo.

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CAPITULO II

2.01 LA NATURALEZA DEL SUELO. Roca y Material de suelo se forman por la deposición originada por uno o mas procesos geológicos ocurridos en la superficie de la tierra. La tierra es el tercer planeta del sistema solar que giran alrededor del sol; Es un planeta azul de unos 12.000 kilómetros de diámetro que se desliza silenciosamente alrededor del sol, tomando aproximadamente 365 mas 1/4 de días para completar una revolución alrededor del sol. La órbita de la tierra alrededor del sol tiene un diámetro de 150 millones de kilómetros, tomando 8 minutos para que sus rayos de luz lleguen a la tierra. El sol gira alrededor de nuestra galaxia (La Vía Láctea) tomando alrededor de 26.000 años para completar una revolución completa. En la distancia que hay de la tierra al sol caben aproximadamente 100 diámetros solares. La Vía Láctea esta formada por millones de estrellas similares a nuestro sol de mayor y menor tamaño que este, siendo el sol una estrella de tamaño medio. De acuerdo con el astrónomo Americano Carl Sagan , en el Universo existen alrededor de 50.000 planetas con condiciones aptas para la formación de la vida; independientemente de esto, los procesos de formación de suelo son similares en todos los planetas. Nuestra Luna tiene un diámetro de unos 2.000 kilómetros y fue visitada por Americanos durante el final de la década del sesenta y parte de la del setenta; muestras traidas durante las misiones APOLO fueron analizadas utilizando los criterios desarrollados en la tierra y tienen las mismas características de suelos limo-arenosos encontrados en ciertas regiones de la tierra. Es importante anotar que las condiciones de la luna son diferentes a las de la tierra ya que en la Luna no hay agua ni atmósfera que transporte los suelos. Otro planeta visitado por sondas no tripuladas por el ingenio Americano durante la década del ochenta fue el Planeta Marte, el cual a diferencia de la tierra tiene la atmósfera de color rojizo. De acuerdo con la cosmología moderna la tierra se formó hace unos 4.500 millones de años. Después de su formación la tierra empezó a enfriarse produciendose la roca madre de la cual a su vez se formó el suelo. En ingeniería , suelo se refiere al material mas o menos aglutinado cerca a la superficie de la tierra. El suelo cubre una pequeña parte de la superficie exterior del planeta (a lo sumo unos centenares de metros), debajo del cual encontramos una capa de roca mas o menos intacta llamada corteza de unos 25 a 50 kilómetros de espesor, la cual se encuentra flotando sobre una capa de material fluido conocida como Magma, el cual sale por volcanes de tiempo en tiempo a través de fallas que conectan el magma fluido con la superficie terrestre. Cuerpos celestes con una determinada condición crítica de masa y diámetro se convierten en estrellas. 2.01.1 Procesos de Meteorización En planetas como la Tierra y Marte la roca madre se desintegra debido a efectos combinados del intemperismo por cambios de temperatura incluyendo evaporación, congelación y al movimiento del agua y a los vientos. El intemperismo actúa sobre los materiales cercanos a la superficie de forma física y química ocasionando desintegración de las partículas de roca en tamaños mas péquenos. La desintegración física ocurre por la congelación y fusión del agua, cambios de temperatura, erosión, y la actividad de las plantas y animales incluyendo al hombre. Los cambios químicos descomponen las rocas por oxidación, reducción, carbonatación y otros procesos químicos. Generalmente los agentes químicos son mucho mas importantes que los físicos. Los suelos pueden ser residuales cuando son depositados en el mismo lugar de origen o transportados por el agua, el viento, glaciares, etc. La historia geológica de un depósito en particular afecta significativamente el comportamiento del suelo desde el punto de vista de la ingeniería.

2.01.2 Naturaleza de los depósitos de suelo 2.01.2.1 Textura del suelo. Siguiendo la clasificación unificada de los suelos (USCS) este se clasifican en suelo propiamente dicho para tamaño de partícula menores que 7.5 centímetros. Este rango se subdivide a

Alvaro Ignacio Covo, Ingeniero Civil, PhD, Callejón Sta Clara, Edif. Portal de Manga, No 106, Cartagena, Colombia, S.A, Tel 57-5-6605890 su vez, teniendo en cuenta su textura, en suelos de grano grueso (Gravas y Arenas) para tamaños mayores que 0.075 milímetros; Las partículas con tamaños menores se clasifican como suelos de grano fino (Limos o Arcillas). El criterio utilizado para diferenciarlos es un tamaño tal en que no se distingan los granos individuales, el cual corresponde a 0.075 milímetros. Los suelos de grano grueso tienen un comportamiento sencillo de describir utilizando conceptos tales como densidad y ángulo de fricción interna. El comportamiento de las partículas de grano fino se complica debido al desbalance ionico que existe en su estructura lo que origina que los suelos de grano fino sean afectados por los cambios de humedad lo cual provee el medio para que operen los iones desbalanceados en la estructura interna de la arcilla produciéndose cambios volumétricos y/o presiones de expansión asociados con los cambios de humedad. En la tabla 2.01 se muestra el cuadro de textura y características del suelo de acuerdo con el tamaño del grano. Los limos se diferencian de las arcillas por sus características de plasticidad, tal como se describirá mas adelante en este capitulo.

Nombre Suelo

Tabla 2.01. Textura y otras características del suelo Gravas y Arenas Limos

Tamaño Grano

Características

Grano Grueso, se puede distinguir los granos individuales con el ojo Granular, sin cohesión

Grano fino, no se puede identificar los granos con el ojo Poca Cohesión, Poco Plásticos Importante No es importante

Efecto del agua Poco importante Efecto de distribución de Importante tamaño

Arcillas Grano fino, no se puede identificar los granos con el ojo Cohesivos, Plásticos Muy importante No es importante

2.01.2.2 Tamaño del grano y distribución por tamaños. Tal como se sugirió en la sección precedente, el tamaño de las partículas de suelo tiene marcado efecto en el comportamiento del suelo; por lo que desde el punto de vista de la clasificación de los suelos es importante hacerlo con base en la distribución de tamaños. La relación en el rango de variación de tamaño de partículas de suelo varia en orden de magnitud (en el orden de 10 ; por lo que la distribución de tamaños de suelo se hace en escala semilogaritmica tal como se muestra en la Figura 2.01, donde en la abcisa se muestra el tamaño de la partícula y en la ordenada el porcentaje de la muestra por peso que tiene un tamaño menor que el tamaño considerado. En esta figura se muestra una subdivisión para gravas y arenas de acuerdo con su tamaño; nótese que las divisiones corresponden a tamices estándar de acuerdo con la ASTM (American Society for Testing and Materials), donde el Tamiz 3/8" marca la diferencia entre gravas finas y gruesas, el tamiz No 4 representa la frontera entre gravas y arenas, el tamiz No 10 separa las arenas gruesas de las medias, el tamiz No 40 las arenas medias de las finas y el tamiz No 200 divide las arenas finas de los limos y arcillas. En la tabla 2.02 se muestra la apertura de los tamices de acuerdo con su numeración estándar. Tabla 2.02 Tamices ASTM estándar con su correspondiente abertura Tamiz Estándard 3/8" 4 10 20 40 60 100 140 200

Apertura Tamiz (mm) 9.525 4.750 2.000 0.850 0.425 0.250 0.150 0.106 0.074 6

Alvaro Ignacio Covo, Ingeniero Civil, PhD, Callejón Sta Clara, Edif. Portal de Manga, No 106, Cartagena, Colombia, S.A, Tel 57-5-6605890 El comportamiento ingenieril de un depósito de suelo depende fundamentalmente de las fuerzas que actúan en las áreas de contacto entre las partícula individuales. Estas son en su mayor parte las fuerzas gravitacionales relacionadas con la masa y por lo tanto aproximadamente con el volumen de las partículas y las fuerzas superficiales derivadas de la actividad electroquímica en la superficie de las partículas. Las partículas de arcilla tienen generalmente forma aplanada. Esta característica combinada con su tamaño diminuto producen una relación alta entre el área superficial de las partículas con su volumen, por lo que a pequeña escala las fuerzas superficiales electroquímicas predominan sobre las fuerzas gravitacionales derivadas de la masa. El comportamiento ingenieril de un depósito de suelo depende fundamentalmente de las fuerzas que actúan en las áreas de contacto entre las partícula individuales. Estas son en su mayor parte las fuerzas gravitacionales relacionadas con la masa y por lo tanto aproximadamente con el volumen de las partículas y las fuerzas superficiales derivadas de la actividad electroquímica en la superficie de las partículas. Las partículas de arcilla tienen generalmente forma aplanada. Esta característica combinada con su tamaño diminuto producen una relación alta entre el área superficial de las partículas con su volumen, por lo que a pequeña escala las fuerzas superficiales electroquímicas predominan sobre las fuerzas gravitacionales derivadas de la masa. Numero de Tamiz Estandard

Tamiz Estandard (Pulg)

100

3" 2"

1"

3/8"

4

10 C

40

100

200

B 80

A

60 40 20 0 100

10

1

0,1

0,01

0,001

T a m a ño d e l G ra no (m m ) GRAVA gruesa fina

gruesa

ARENA media

fina

LIMO O ARCILLA

Figura 2.01 Curvas Granulométricas típicas

La distribución de tamaños se efectúa siguiendo la norma ASTM D422 -63 (reaprobada en 1990) y se reporta en el formato mostrado en la Figura 2.01. Debido a que el análisis mecánico no es practico para tamaños menores que el tamiz 200 la norma utiliza un análisis combinado para suelos que contengan limo o arcilla, el cual incorpora el análisis por medio de hidrómetro. El hidrómetro es un aparato que mide la densidad de un fluido por encima de su centro de volumen. El ensayo se efectúa introduciendo un peso conocido de suelo que pasa el tamiz 10 (115 gramos para suelos arenosos y 60 gramos para suelos arcillosos) en una probeta cilíndrica que tiene un volumen de 1 litro. La muestra se agita después de añadirle un agente dispersante que evite los granos individuales se aglutinen. La muestra se deja reposar anotándose la lectura de densidad en función del tiempo. El porcentaje que se encuentra en suspensión al tiempo considerado se estima de la densidad y el tamaño de la partícula utilizando la ley de Stokes para esferas cayendo en un fluido que relaciona la velocidad terminal de caída de la esfera con las densidades de la esfera y del fluido y la viscocidad de este último. La velocidad terminal del grano de suelo se

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Alvaro Ignacio Covo, Ingeniero Civil, PhD, Callejón Sta Clara, Edif. Portal de Manga, No 106, Cartagena, Colombia, S.A, Tel 57-5-6605890 calcula dividiendo la distancia corregida del centro de volumen del hidrómetro a la superficie del agua por el tiempo transcurrido desde que se inicio el ensayo. La ley de Stokes se puede escribir como:

v=

γ s −γ w 2 D 18µ T

Donde los términos con sus unidades en el sistema CGS son: V = Velocidad terminal de caída de la esfera (cm/s) γs = Peso unitario de la esfera (Dina/cm3 ) γw = Peso unitario del agua (Dina/cm3 ) D = Diámetro de la esfera en cm.

µΤ = - 7.33x10-8T 3 + 9.37x10-6T 2 – 5.33x10-4T + 1.757x10-2

Viscocidad Poise (dina-s/cm2 )

T = Temperatura del agua en grados centígrados

Figura 2.02. Microfotografía de Mineral de Kaolinita (microscopio de electrones). El ancho de la foto es de 5x10-6 m El ensayo hidrométrico es impráctico para tamaños menores que 0.005 mm ya que las partículas de grano fino tienden a tener formas aplanadas tal como se muestra en la Figura 2.02. En adición cuando el tamaño de las esferas es pequeño relativo al tamaño de las moléculas de agua se presenta un desbalanceo, ya que no es probable que igual numero de moléculas del líquido colisionen con la partícula en consideración, lo cual ocasiona el movimiento al azar de la partícula. Este fenómeno fue observado por primera vez por el biólogo Escocés Robert Brown (1773-1858) a mediados del siglo pasado y se conoce como movimiento browniano. El coeficiente de uniformidad (Cu ) y de gradación o curvatura (Cc ) están asociados con el proceso de gradación de arenas y gravas y se definen mediante las relaciones: 8

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D60 cu = D10

y

D302 Cc = D10 D60

2.01

Donde D60 , D30 y D10 se refiere al diámetro que corresponde a un porcentaje que pasa el 60, 30 y 10 por ciento, respectivamente. Por ejemplo, la Curva B de la Figura 2.01 tiene un D60=1.9 mm, D30=0.3 mm y D10=0.18 mm. 2.01.3 Origen y Tipos de depósitos de suelos Los depósitos de suelo naturales se clasifican de una manera amplia como suelos residuales o suelos transportados. Los suelos residuales son formados por meteorización in situ y permanecen en el sitio de deposición. Esto ocurre principalmente en zonas tropicales que no han sido sometidas a glaciaciones. Un ejemplo común son las lateritas, depósitos ricos en aluminio y hierro que se encuentran en América del Sur, partes de Africa, India y Australia. Los suelos transportados son desplazados desde su lugar de deposición y colocados en otros sitios. Los principales agentes de transporte son el agua, el hielo y el viento. El tamaño y forma de las partículas de un deposito de suelo transportado con frecuencia están determinados por el agente de transporte y el modo como se forman los depósitos.

2.01.3.1 Suelos depositados por el agua Los ríos son agentes de erosión, transporte y formación de depósitos extremadamente fuertes, en partículas durante las crecientes. El material que se deposita a lo largo del curso de los ríos se denomina aluvión, aunque con frecuencia se aplica también a los suelos mas finos, tales como arenas, limos y arcillas, para diferenciarlos de la arena gruesa, la grava y partículas de mayores dimensiones En el curso alto del río el rápido flujo transporta todo excepto los fragmentos de roca mas grandes erosionando con gran rapidez el lecho del valle y sometiendo a abrasión las partículas, hasta darles una forma parcialmente redondeada. La formación del depósito comienza en el curso medio del río ya que la velocidad del flujo y la capacidad de transporte disminuyen . Primero se forman los depósitos de grava de río , seguidos aguas abajo por las arenas de río y luego , en el curso bajo del río , donde el movimiento es lento por arenas finas aluviales y limos aluviales. Los suelos depositados por ríos y corrientes de agua se denominan en general aluviales. Durante las crecientes, cuando el río desborda las orillas en su curso bajo, el agua puede inundar grandes extensiones de tierras planas. La velocidad del flujo disminuye repentinamente en toda el área excepto en el canal central del río y grandes cantidades de materiales se depositan , primero las partículas gruesas y después el material mas fino. En el curso bajo del río, las inundaciones repetidas combinadas con los meandros pueden producir extensas planicies de inundación aluvial con sucesiones de limo y arcillas aluviales, a menudo intercalados con capas de arena posiblemente de gravas. Cuando eventualmente el río desemboca en un sitio de aguas tranquilas, el flujo se detiene y el material fino que todavía queda en suspensión se deposita. Los suelos formados de esta manera se denominan de acuerdo con el medio de formación del deposito ; los formados en el agua se denominan depósitos lacustres, los formados en estuarios se denominan estuarios y los que se forman en el delta se denominan délticos. El mar es otro agente importante en el ciclo de erosión, transporte y formación de depósitos. Las olas de manera incesante erosionan el área costera debido a su impacto y también a los residuos que ellas transportan. Los fragmentos de roca que han sido quebrados y redondeados se acumulan formando playas,

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Alvaro Ignacio Covo, Ingeniero Civil, PhD, Callejón Sta Clara, Edif. Portal de Manga, No 106, Cartagena, Colombia, S.A, Tel 57-5-6605890 los cuales son depósitos de arena y grava. Los materiales finos continúan en suspensión hasta ser depositados en áreas del lecho marino formando depósitos marinos. El transporte y deposición de suelos por agua produce partículas redondeadas y tienden a ser homogéneos, presentando variaciones que reflejan el régimen de deposición que forma cada capa. La estructura que se observa en los suelos depositados por el agua es muy regular en cada capa. En suelos arcillosos se observan capas a menudo de unos pocos milímetros de espesor que se distinguen a simple vista. Este tipo de suelo se denomina en ingles Varved Clays.

2.01.3.2 Suelos transportados por gravedad Cuando el suelo es transportado cuesta abajo por acción de la gravedad y es depositado y sometido a una cierta presión efectiva que lo aglutina se denomina coluvial. Los suelos coluviales presentan una estructura irregular con planos de falla en todas las direcciones.

2.01.3.3 Depósitos glaciales Actualmente existen glaciares en Groenlandia, Antártida, en el norte del Canadá y Alaska, en los Alpes y en el Himalaya. Sin embargo, gran parte del norte de los Estados Unidos, de las Islas Británicas, del norte de Europa y partes de Asia, fueron afectadas por pasadas eras glaciales, las cuales acumularon masas de hielo de 200 a 3000 metros de espesor. El período de glaciación mas reciente termino hace unos 10.000 años. Gran parte de los suelos superficiales de estas zonas estuvieron sometidos a los efectos de transporte y deposición de glaciares. El Glacial Till es un tipo de suelo muy común en los depósitos glaciales y generalmente consiste en un arena gravo limosa con arcilla de alta densidad y resistencia.

2.01.3.4 Depósitos de suelos transportados por el viento Existen depósitos de arenas transportadas por el viento que cubren grandes extensiones de tierra en zonas desérticas, en cuya superficie se aprecian dunas formadas por la accion del viento que transporta partículas de arena a lo largo del terreno. Debido al limitado poder de transporte del viento, las dunas tienden a estar formadas por partículas del mismo tamaño y de forma redondeada por acción de la intensa abrasión. Las dunas desérticas pueden encontrarse en zonas desérticas de la tierra como el norte de Africa, Asia, el medio oriente y los estados unidos. Un tipo importante de suelo transportado por el viento es el loess, el cual esta constituido por limos que son depositados en estado suelto y se van densificando por la acción de la presión efectiva aplicada sobre ellos. Estos suelos son comunes en el medio oeste de los Estados Unidos partes de Rusia, China y Europa y su formación es producto de los procesos de glaciación cuando el hielo se derrite y deposita el suelo disuelto, el cual a su vez es transportado por el viento y depositado. Un indicativo de la estabilidad de este tipo de suelos es la densidad. Cuando el loess se encuentra por encima del nivel freático y no ha sido expuesto a la acción del agua y tiene baja densidad, menor que 80 libras por pie cubico, la presencia de agua debido a alteraciones asociadas con el desarrollo de la tierra puede originar un colapso brusco de la estructura del suelo. Este tipo de suelos se conoce como colapsable. A diferencia de los suelos depositados por el agua, el loess tiene una estructura irregular.

2.01.3.5 Suelos orgánicos Los depósitos de arcilla y limos derivados del proceso de sedimetación en lagos, estuarios o en zonas de inundación de ríos, puede contener cantidades apreciables de materia orgánica debido a cadáveres de animales o materia vegetal en descomposición. Esta materia orgánica pudo ser transportada por el viento y/o agua. Cuando el contenido de materia orgánica de un limo o arcilla supera determinado niveles estas se 10

Alvaro Ignacio Covo, Ingeniero Civil, PhD, Callejón Sta Clara, Edif. Portal de Manga, No 106, Cartagena, Colombia, S.A, Tel 57-5-6605890 denominan arcillas y limos orgánicas, de acuerdo con la clasificación unificada de los suelos mostrada en el próximo capítulo.

2.01.3.6 Materiales de relleno El material de relleno colocado por el hombre en proyectos se denomina relleno. Los materiales de relleno provienen por lo general de la excavación de depósitos de materiales granulares pero también pueden efectuarse con arcilla, limos o cualquier material inorgánica, siempre y cuando satisfaga los requerimientos del proyecto. Por ejemplo, los terraplenes de carreteras se construyen generalmente con materiales de grano fino hasta una cierta altura, por encima del cual se colocan rellenos granulares de 20 a 60 centímetros de espesor y por último la capa de rodadura, la cual puede consistir de una capa de 10 a 20 centímetros de concreto portland o asfáltico. Los rellenos se deben colocar bajo ciertas condiciones de densidad, por lo que se hace necesario aplicarle energía de compactación, de acuerdo con los criterios descritos en el capitulo 5.

REDONDEADAS

ANGULARES

Subredondeadas

Subangular Figura 2.03 Formas típicas de partículas granulares

2.01.4 Forma de la partícula La forma de las partículas individuales afecta tanto la repuesta de los suelos granulares como la gradación. La forma se puede clasificar de acuerdo con las reglas desarrollada por la petrología sedimentaria; Este refinamiento no se justifica para efectos de los análisis de ingeniería. La descripción cualitativa de la forma se hace usualmente como parte de la clasificación visual del suelo. Los suelos de grano grueso son clasificados por forma usualmente siguiendo los lineamientos mostrados en la Figura 2.03. Se puede distinguir también entre partículas que son abultadas y aquellas que son en forma de agujas o de hojuelas. La Hojuelas de mica es un ejemplo preciso de este ultimo y arena de Ottawa es un ejemplo del primero. Partículas de forma cilíndrica difieren en su comportamiento cuando son comprimidos por un pistón. Los granos abultados se pueden comprimir en solo pequeña cantidad incluso en estado suelto, pero las hojuelas de mica son muy compresibles aun bajo pequeñas presiones, hasta la mitad de su volumen original. La forma de los granos de arena y grava son determinantes en sus características friccionantes.

2.01.5 Propiedades electroquímicas de minerales arcillosos

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Alvaro Ignacio Covo, Ingeniero Civil, PhD, Callejón Sta Clara, Edif. Portal de Manga, No 106, Cartagena, Colombia, S.A, Tel 57-5-6605890 Introducción. Las partículas de suelo con tamaños correspondientes a arcillas presentan características de adhesión y plasticidad. Dichas partículas están constituidos por minerales de arcilla. Es importante distinguir que aunque un suelo puede tener tamaño de arcilla puede estar constituido por polvo de cuarzo el cual se produce por abrasión de rocas. Minerales arcillosos. Los minerales arcillosos son producto de la meteorización química y están compuestos en su mayor parte por silicatos de aluminio hidratados ; el comportamiento de las arcilla en presencia de agua esta determinado por la acción electroquímica que ocurre en su estructura. Las arcillas tiene una carga desbalanceada y son afectadas grandemente por la presencia del agua. Este detalle es experimentado cuando las carreteras destapadas se vuelven intransitables durante estación de lluvias. Los minerales arcillosos tienen forma cristalina y están constituidos por dos unidades estructurales. La unidad tetraédrica y la octaédrica, tal como se muestra en las Figuras 2.04a) y 2.04b). Los minerales de arcillas se dividen en tres grupos principales los cuales son : caolinitas, ilitas y las montomorilonitas.

Caolinitas. El bloque estructural de este grupo de minerales esta formado por una capas de unidad tetraédrica y octaédrica que tienen un espesor de 7A, tal como se muestra en la Figura 2.04c). La arcilla se forma por estos bloques, los cuales se conectan entre si para formar partículas de 500 a 1000 A de espesor tal como se muestra en la Figura 2.04c). Los enlace entre partículas se producen por hidrógenos los cuales producen un enlace relativamente fuerte. Silicio Unidad tetraédrica a)

Oxígeno

Representación de una capa tetraédrica

Hidroxilo Aluminio o Magnesio

Representación de una capa b) Enlace por iones de potasio relativamente débil

7A

10A

Enlace por hidrógeno relativamente fuerte c) c)

9.6A

Enlace muy débil por moleculas de agua absorbida e iones metalicos

d) d)

Figura 2.04. Unidades estructurales de minerales de arcilla a) Tetraédrico Estructura c) Caolinita d) Ilita12 e) Montmorilonita

e) e) b) Octaédrico

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Ilitas. El bloque estructural de este grupo esta formado por capas de una unida octaédrica entre dos unidades tetraédrica de forma opuesta tal como se muestra en la Figura 2.04d). Algunos de los silicios (Si4+) de la unidad tetraédrica son reemplazados por iones de aluminio (Al3+) lo que implica que un ion de menor valencia reemplaza a otro de mayor, produciéndose un desbalance adicional. El déficit de carga es compensado parcialmente por iones de potasio (K+). Los enlaces entre las unidades se producen mediante estos iones de potasio y son relativamente débiles, por lo que los espesores de las partículas de este mineral varían de 200 a 300 A. Montmorilonitas. Este grupo tiene un bloque estructural similar al de las ilitas pero además de la sustitución de del silicio por aluminio en las unidades tetraédricas, algunos de los iones de aluminio (Al+3) de las unidades octaédricas se reemplazan por magnesio (Mg 2+) y hierro (Fe2+). Estas substituciones resultan en un desbalance iónico aun mayor que atrae a las moléculas de agua superando la débil atracción entre los iones (OH-) y (H+) utilizando los primeros en un esfuerzo por balancear la carga positiva desbalanceada en la partícula. Al agua utilizada por la partículas de arcilla en su intento por balancear su carga se conoce como agua absorbida y su interacción con las partículas de arcilla se describe mediante la teoría de la doble capa, la cual puede es presentada en el libro “Soil Technology” de Mitchell”, publicado por Jhon Wiley and Sons. LA naturaleza exacta del agua absorbida no se comprende por completo pero en general se conceptúa que en un espesor equivalente a varias moléculas de agua esta se encuentra fuertemente adherida a la partícula de arcilla presentando una baja movilidad y una viscosidad muy alta que se estima en 2 ordenes de magnitud superior a la del agua ordinaria.

2.01.6 Estructura de los depósitos de arcilla Macroestructura. Los rasgos estructurales usualmente visibles en un depósito de arcilla tales como estratificación, fisuración, canales de raíces e inclusiones orgánicas definen la macroestructrua del suelo. Un deposito de arcilla que no presenta variaciones visibles en su estructura puede denominarse como uniforme. Muchos suelos arcillosos son estratificados, esto es las diferentes capas asociadas con diversos regímenes de deposición presentan capas individuales delgadas de unos pocos milímetros de espesor y se denominan laminadas. Muchas arcilla se presentan fisuradas con una red de grietas y se denominan fisuradas. Los depósitos de arcillas que no presentan signos de fisuración se denominan intactos. Un caso interesante de arcillas fisuradas es el de las arcillas coluviales. Arcillas laminadas tendrán permeabilidades mas altas en el sentido horizontal que el vertical siendo la diferencia mas apreciable en la medida en que se acentúe la diferencia de permeabilidad entre las capas que constituyen el suelo. Así mismo, la permeabilidad de suelos arcillosos intactos será menor que las de suelos fisurados ; por el contrario, la resistencia de suelos intactos será mayor que aquella de suelos fisurados. Microestructura. El arreglo estructural de partículas individuales o grupos de partículas de un depósito de arcilla a escala microscópica define la microestructura del suelo. Partículas de suelo pueden presentar atracción mutua debida a fuerzas de Van der Waal como también repulsión debido a que ambas presentan la misma carga. Una suspensión alcalina disminuye el efecto de repulsión, lo que permite que se formen grumos que se sedimentan con relativa rapidez. Por el contrario si la solución de la suspensión es ácida entonces se acentúa el efecto repulsivo y las partículas permanecen en suspensión un tiempo mayor. Investigaciones recientes efectuadas con microscopios electrónicos han demostrado que las estructuras de las arcillas se forma grupos de placas de arcilla con contacto cara a cara y de forma paralela, tal como se muestra en las Figuras 2.05a) y 2.05b). Es común encontrar estos grupos formando conenctores entre patricias de limo y de arena, tal como se muestra en la Figura 2.05c).

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b)

a)

Partícula de limo o arena

c) Figura 2.05. a) Estructura floculada salina, b) Estructura dispersa,

c) Estructura de arcilla natural.

En general se encuentra que la resistencia de una arcilla remoldeada es menor que la inalterada. La disminución de la cohesión se atribuye a la ruptura de la adhesión electroquímica entre las partículas y a la redistribución de parte del agua absorbida, la cual se convierte en agua libre. La sensitividad de la arcilla define la relación entre la resistencia inalterada y la remoldeada así :

Sensitividad =

Re sistencia inalterada Re sistencia remoldeada

2.02

La mayor parte de las arcillas tienen una sensitividad comprendida entre 1 y 4. En algunos casos se han registrado valores tan altos como 100. En la siguiente tabla se muestra clasificación de la sensitividad propuesta por Skempton y Northey (1952) y Bjerrum (1954). Tabla 2.03 Descripción Sensitividad 16 Rápida

2.01.7 Relaciones de fase y definiciones básicas Introducción. En esta sección introduciremos los términos básicos utilizados en la ingeniería geotécnica para clasificar los suelos. La siguiente notación será utilizada a lo largo de este libro. Tabla 2.04 Símbolo Dimensión Unidad Definición A ----Actividad Ec 2. e --Decimal Relación de vacíos IL ----Indice de liquidez LL ----Limite liquido IP ----Indice de plasticidad LP ----Limite plástico S --(%) Grado de saturación Ec Va L3 m3 Volumen de aire 14

Alvaro Ignacio Covo, Ingeniero Civil, PhD, Callejón Sta Clara, Edif. Portal de Manga, No 106, Cartagena, Colombia, S.A, Tel 57-5-6605890 Tabla 2.04 (Continuada) Símbolo Dimensión Unidad Definición Vs L3 m3 Volumen de sólido Vt L3 m3 Volumen total LE ----Limite de encogimiento Vv L3 m3 Volumen de Vacíos W --(%) Contenido de humedad MT M Kg Masa total de suelo Ms M Kg Masa de suelo seco Mw M Kg Masa de agua ρT M/L3 Kg/m3 Densidad total 3 M/L Kg/m3 Densidad boyante ρb M/L3 Kg/m3 Densidad seca ρd 3 M/L Kg/m3 Densidad del agua ρw (Ms/Vsγw) --Gravedad específica de los sólidos Gs (Mw/Vsγw) --Gravedad específica del agua Gw En la lista, M denota masa y L longitud. Los valores de las unidades de la densidad del agua en Kg/m es 1.000; este valor se puede reducir a la unidad expresando la densidad en Ton/m3 , resultando la densidad del agua igual a 1. En ingeniería civil generalmente se utiliza las unidades llamadas técnicas donde un peso de 1 Kilogramo se refiere a 1 Kilogramo-Fuerza o sea 9.8 Newtons. Relaciones de fase. En general, la masa de suelos consiste en una colección de partículas sólidas con vacíos entre ellas. La parte sólida del suelo esta constituida por pequeños granos de diferentes minerales, y los vacíos están llenos con aire o agua o ambos, tal como se muestra en la Figura 2.06. De esta figura se deduce que el volumen total de la muestra estará constituido por la suma de los volúmenes de sólidos y de vacío El volumen de vacío a su vez esta compuesto por el volumen de aire y agua. En la Figura 2.07 se muestra lo que se conoce con el nombre de diagrama de fase en el que las tres fases se muestran separadamente. En la parte izquierda se muestra generalmente el volumen de las tres fases y en la derecha se muestra la masa correspondiente a cada una de las fases. Aunque solo se muestra el diagrama en dos dimensiones, generalmente se utilizan unidades de volumen. Una importante propiedad de suelos es el contenido de humedad expresado en porcentaje (W), la cual se determina utilizando la relación:

w=

Mw *100 Ms

Donde:

Mw = Masa de agua

2.03 y

Ms = Masa de suelo seco

En ingeniería geotécnica generalmente se mide la masa total de suelo MT y la masa de agua (Mw) restando la masa total de la masa de suelo seco (Mw=MT-Ms). La muestra se seca siguiendo la norma ASTM D2216, la cual consiste en mantener la muestra de suelo por 24 horas en un horno a una temperatura de 110 o C. Se utiliza 24 horas de secamiento porque después de este tiempo la perdida de humedad no es significativa. La húmeda puede ser determinada por métodos alternos como el secado en el mechero (Norma ASTM D-4959), Secado en utilizando horno de micro-onda Norma ASTM D-4643, Secado por gas de carbonato de calcio Norma ASTM D 4944 o secado utilizando materiales radiactivos Norma ASTM D-3017. Los métodos del microondas y del mechero no pueden ser utilizados en suelos que contengan carbón y/o materia orgánica ya que estos materiales son combustibles. En la práctica geotécnica la humedad se presenta con dos decimales.

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Tabla 2.05. Algunas Relaciones Gravimétricas.

Propiedad Buscada DADO γw y

Gravedad específica G

1

2

Peso Unitario Seco γd 3

Peso Unitario Saturado γsat 4

(1 −

1 )γ d + γ w G

G; γd

---

G; γsat

---

(

G; w

---

G ( )γ w 1 + wG

1+ w )Gγ w ( 1 + wG

G; n

---

G (1 − n)γ w

[G − n(G − 1)]γ w

G; e

---

G ( )γ w 1+ e

γd; γsat γd; n γd; e γd; w

γsat; w

γd γ w + γ d − γ sat

γd (1 − n)γ w γ (1 + e) d γw γd γ w − wγ d γ sat γ w − w(γ sat − γ w )

---

γ sat − γ w )G G −1

---

(

G+e )γ w 1+ e

---

---

---

γ d + nγ w

---

eγ w +γ d 1+ e

---

(1 + w)γ d

γ sat 1− w

---

γ sat − nγ w γ sat − nγ w γsat; n (1 − n)γ w e γ γw (1 + e) sat − e γ sat − γsat; e 1+ e γw

---

---

16

Humedad de Saturación

Relación de Vacíos (e)

5

(

6

1 1 Gγ w − )γ w −1 γ d Gγ w γd

Gγ w − γ sat (γ sat − γ w )G

Gγ w − γ sat γ sat − γ w

---

wG

n ) G (1 − n)

n 1− n

(

e G γ sat −1 γd

nγ w γd e (1 + e) ---

---

nγ w γ sat − nγ w eγ w γ sat + e(γ sat − γ w )

---

γ sat − γ d γ w + γ d − γ sat n 1− n --wγ d γ w − wγ d

wγ sat γ w − w(γ sat − γ w )

n 1− n ---

Alvaro Ignacio Covo, Ingeniero Civil, PhD, Callejón Sta Clara, Edif. Portal de Manga, No 106, Cartagena, Colombia, S.A, Tel 57-5-6605890 Partículas de Suelo C’ C Fase Liquida (Agua) B

B’ Fase Gaseosa (Aire)

Figura 2.06 Esqueleto de suelo conteniendo partículas sólidas (S), Vacíos de aire (A) y agua (W)

Vaire

Aire

Maire

Vagua

Agua

Magua

Vsolido

Solido

Msolido

Figura 2.07 Relaciones de masa y volumen en el diagrama de fase La relación fundamental que permite calcular el volumen de vacío es la gravedad especifica de los sólidos (Gs), la cual se determina generalmente utilizando el picnómetro (Recipiente de volumen conocido con cuello reducido) siguiendo la norma ASTM D-854. El procedimiento consiste en utilizar preferiblemente un picnómetro de 500 centímetros cúbicos de capacidad al cual se le añade 50 gramos de suelo seco (Ms) y agua hasta completar el volumen; la masa se determina y se le llama (M1). Separadamente se llena de agua hasta la capacidad del picnómetro, se pesa y se le designa por (M2). Determinando la masa del picnómetro Ms la gravedad especifica se puede calcular con la ecuación.

Gs =

MsG w M s − M1 + M 2

2.04

Donde: Gw = -5x10-6 T2+ 1.00022 (Gravedad específica del agua.) Tres relaciones volumétricas importantes pueden ser determinadas a partir del diagrama de fase mostrado en la Figura 2.07. a) Relación de vacíos e, el cual se define como:

e=

Vv Vs

2.05

Donde: (Vv=volúmen de vacíos y Vs=Volúmen de sólidos). La relación se expresa generalmente en su forma decimal. La relación de vacíos varía desde cero hasta mas de 30. En arenas la relación de vacíos varia típicamente entre 0.5 y 1. El rango típico para arcillas es entre 0.7 y 1.5. Se presentan valores mayores para algunos suelos orgánicos. Las arcillas aluviales se forman mediante un proceso de decantación de suelos erosionados que son depositados en áreas mas bajas; La relación de vacíos de suelos de tipo arcilloso en esta etapa de formación puede tener relaciones de vacíos del orden de 30. b) La porosidad n se define como:

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n=

Vv VT

2.06

Donde: (VT = volúmen total de la muestra.). Tradicionalmente la porosidad se expresa en porcentaje. Teóricamente la porosidad puede variar desde cero hasta 100. Se puede mostrar que la porosidad n, expresada en su forma decimal, y la relación de vacíos e están relacionadas mediante las expresiones:

n=

e 1+ e

e=

y

n 1− n

c) Grado de saturación S se define como:

s=

Vw VV

2.07

El grado de saturación se expresa generalmente como el porcentaje del volumen de vacíos conteniendo agua. Cuando el suelo esta completamente seco el grado de saturación es 0. Cuando el suelo está sumergido y el volumen de vacíos esta completamente lleno de agua la saturación será del 100 por ciento. a)

b)

c)

d)

Figura 2.08. Arreglo con: a) Relación de vacíos máxima, b) Relación de vacíos media densa, c) Relación de vacíos media densa. d) Relación de vacíos mínima. Esferas verdes en la parte superior. La densidad relativa se defina para suelos granulares mediante la relación:

emax − e γ γ − γ dmin *100 = dmax d *100 2.08 emax − emin γ d γ dmax − γ dmin donde emax y emin representan la máxima y mínima relación de vacíos, obtenidas en los ensayo ASTM designación 4254 y 4253, respectivamente. En la expresión 2.08 e representa la relación de vacíos del suelo en su estado natural. Así mismo, γd representa su peso unitario seco. A continuación presentamos ejemplos Dr =

de relación de vacíos máxima, media densa, suelta y mínima. La relación de vacíos de la Figura 2.08a) se puede determinar calculando el volumen de una esfera de radio a (Vs) y el volumen total (VT) que corresponde a un cubo de radio (2a), obteniendo:

4 8 a3 − π a3 Vv VT − Vs 8 − 4.189 3 e= = = = = 0.91 4 Vs Vs 4.189 3 πa 3

18

2.09

Alvaro Ignacio Covo, Ingeniero Civil, PhD, Callejón Sta Clara, Edif. Portal de Manga, No 106, Cartagena, Colombia, S.A, Tel 57-5-6605890 La relación de vacíos de la Figura 2.08b) se puede determinar calculando el volumen de una esfera de radio a (Vs) y el volumen total (VT) que corresponde a un paralelepípedo de base cuadrada con lado igual a (2a) y altura (2asen(60º)), obteniendo:

4 8 a 3 sen(60º ) − π a 3 Vv VT − Vs 6.928 − 4.189 3 e= = = = = 0.65 4 Vs Vs 4.189 π a3 3

2.10

La relación de vacíos de la Figura 2.08c) se puede determinar calculando el volumen de ocho esferas de radio a (Vs) y el volumen total (VT) que corresponde a un paralelepípedo de base cuadrada con lado igual a (4a) y altura (3.871a), obteniendo:

4 (4 a) 2 * 3.414 a − 8 * π a 3 Vv VT − Vs 54.624 − 33.512 3 e= = = = = 0.63 4 Vs Vs 33.512 3 8* π a 3

2.11

La relación de vacíos de la Figura 2.08d) se puede determinar calculando el volumen de 9 esferas 1 de radio a (Vs) y el volumen total (VT) que corresponde a un paralelepípedo de base triangular equilátera de (5.464a) de lado y altura (3.915a), obteniendo:

e=

Vv VT − Vs = = Vs Vs

3 (5.46a ) 2 4 3.915a − 9 * π a 3 50.61 − 37.701 4 3 = = 0.342 4 37.701 3 9* π a 3

2.12

En general, la relación de vacíos en suelos encontrados en la naturaleza varía generalmente entre 0.40 y 1.1. Un caso importante es la denominada arena de Ottawa, la cual está constituida por granos de 0.42 a 0.84 mm. La relación de vacíos en suelos de textura fina pueden tener valores superiores a 2, principalmente cuando se trata de limos elástico orgánicos y/o arcillas de plasticidades mayores que 100.. Ejemplo 2.01 Una muestra de suelo húmedo en un plato tiene una masa de 580 gramos. Después de secarla en el horno a 110 0C por 24 horas la masa de suelo seco mas la del plato es de 412 gramos. Si la masa del plato es de 28 gramos determine el contenido de humedad de la muestra. Solución: Llamando: Masa de suelo húmedo mas plato = M1 Masa del suelo seco mas plato = M2 Masa del plato = M3 El contenido de humedad se puede calcular como:

w=

M1 − M 2 580 − 412 * 100 = * 100 = 43.75% M2 − M3 412 − 28

Otro concepto muy útil en ingeniería geotécnica es el de densidad. La densidad se define como la masa por unidad de volumen. La densidad conecta el lado de densidad con el de volumen del diagrama de fase. Con referencia al diagrama de fase mostrado en la Figura 2.07 los mas importantes tipos de densidad en ingeniería geotécnica son: Densidad total: Se define como la relación entre el peso total y el volumen total

1

Nótese que en la figura se puede observar que hay 4.5 esferas verdes (superiores) constituidas por 1 en el centro, 6/2 sobre los lados verticales del paralelepípedo y 3/6 en las esquinas. Se puede demostrar que también habrá 4.5 esferas moradas (inferiores), para un total de 9 esferas. 19

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MT VT

ρT =

2.13

Densidad Seca: Se define como la relación entre el peso seco y el volumen total

Ms VT

ρd =

2.14

Densidad del agua: Se define como la relación entre el peso de agua y el volumen que esta ocupa

Mw VT

ρw =

2.15

Densidad de los sólidos: Se define como la relación entre el peso de los sólidos y el volumen que este ocupa

ρs =

Ms VT

2.16

En suelos naturales la densidad natural varia entre ligeramente por encima de 1000 hasta 2400 Kg/M . La densidad de los sólidos varia generalmente entre 2500 y 2800 Kg/M3. La mayoría de las arenas varían entre 2600 y 2700 Kg/M3. La gravedad especifica de los sólidos se define entonces como:

Gs =

Ms V s ρw

2.17

Nótese que la gravedad especifica de los sólidos no tiene dimensión. Un caso particular de la densidad total es el saturado la cual se define como:

ρsat =

MS + Mw M S + VV ρw GS + e ρ = = VS + V w VV + VS 1+ e w

2.18

Estrictamente la densidad total debe ser utilizado en vez de la saturada ya que es posible que aun suelos que estén completamente sumergidos tengan algo de aire en su estructura. La densidad seca se utiliza para evaluar la calidad de la compactaron en rellenos de terraplenes compactados por el hombre. De las relaciones básicas se pueden obtener otras tal como se ilustra en los ejemplos que se describen a continuación. Ejemplo 2.02 Dado que la densidad total es de 1760 Kg/M , la humedad es el 10% y la gravedad especifica de los sólidos es 2.7; calcule la densidad seca, la relación de vacíos, la porosidad, el grado de saturación y la densidad saturada (cuando los poros estén completamente llenos de agua). Para resolver el problema dibujemos primero el diagrama de fase mostrado en la Figura Ejemplo 2.02. a) Densidad seca

ρd =

ρT Kg 1760 = = 1600 3 w . 11 M 1+ 100

b) Relación de Vacíos De la definición de Gravedad especifica obtenemos:

Vs =

Del diagrama de fase obtenemos: Vv = VT - Vs De la definición de densidad seca obtenemos:

VT =

Ms ρd

De la definición de Relación de vacíos obtenemos:

20

Ms Gsρw

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Ms Ms − Vv VT − Vs ρd Gsρd e= = = = 0.69 Ms Vs Vs Gsρd Va

(a) Aire

Ma

Vw

(w) Agua

Mw

VT

MT

Vs

(s) Sólidos

Ms

Figura Ejemplo 2.02 - Diagrama de Fase c) Porosidad De la definición de porosidad obtenemos:

n=

e * 100 = 41% 1+ e

d) Grado de saturación

w ) 100 De la definición de contenido de humedad: Vw = ρw Ms De la definición de Volumen de vacíos: Vv = eVs = e Gsρw wMs ρw * 100 * 100 = 39% Por definición de saturación: s = eMs Gsρw Ms(

e)

Densidad saturada. La densidad saturada se puede calcular considerando el concepto de completa saturación (S=100), lo que equivale a tomar la masa de agua en el suelo (Mw) igual a la correspondiente al producto del volumen de vacíos por la densidad del agua.

ρ sat =

Ms + Vvρ w Ms + eVsρ w GsVsρ w + eVsρ w Gs + e Kg = = = ρ w = 2006 3 VT eVs + Vs eVs + Vs 1+ e M

2.01.8 Límites de Atterberg e índices de consistencia. En la tabla 2.1 indicamos que la presencia de agua en el suelo puede afectar las propiedades mecánicas de los suelos, especialmente en suelos de grano fino. En el caso de los suelos de grano fino interesa no solamente el contenido de humedad sino también los contenidos de humedad que corresponden a

21

Alvaro Ignacio Covo, Ingeniero Civil, PhD, Callejón Sta Clara, Edif. Portal de Manga, No 106, Cartagena, Colombia, S.A, Tel 57-5-6605890 diferentes propiedades de los suelos. El ingeniero Sueco, A. Atterberg trabajando en la industria de la cerámica en 1911 definió mediante ensayos sencillos los siguientes limites de consistencia: 1) Límite superior o de flujo viscoso. 2) Límite Líquido (Limite inferior de flujo viscoso) 3) Límite de adherencia (La arcilla no se adhiere a aspas metálicas) 4) Límite de cohesión (Los granos cesan de adherirse unos a otros) 5) Límite plástico (límite inferior del estado plástico) 6) Límite de contracción (Límite inferior de cambio volumétrico) Atterberg definió el índice de plasticidad, que es el rango de humedad sobre el cual el suelo permanece en estado plástico y sugirió que estos índices podrían utilizarse para clasificar los suelos. A finales de la década de 1920 los ingenieros Karl Terzaghi y Arthur Casagrande, trabajando en el U.S Bureau of Public Roads, estandarizaron los límites de Atterberg de tal forma que pudieron ser utilizados para efectos de clasificación. En la practica actual de la ingeniería geotécnica se utiliza el limite liquido (LL o WL), el limite plástico (LP o WP) y en algunas ocasiones el limite de contracción (LC o WC). El limite de adherencia y de cohesión son mas útiles en la industria de la cerámica y en la agricultura. Límite Líquido (LL). Los límites de Atterberg originales eran mas bien arbitrarios y bastante difíciles de reproducir, especialmente por operadores inexpertos. Tal como fue mencionado, Casagrande (1932, 1958), trabajo para estandarizar los ensayos. El desarrollo el aparato de límite líquido haciendo el ensayo menos dependiente del operador (ver Figura 2.09a). Casagrande definió el LL como el contenido de humedad al cual una apertura estándar, cortada sobre la muestra remoldeada se cierra sobre una distancia de 13 mm a 25 golpes de la taza estándar que caen una distancia de 10 mm (ver Figuras 2.09a) y 2.09b). En la practica es difícil conseguir que la muestra se cierre los 13 mm a 25 golpes, por lo que la norma ASTM D 4318 recomienda el método de 1 punto, el cual se calcula mediante la ecuación:

N LL = W N    25 

0.121

= KW N

2.19

donde: N = Numero de golpes al cual se cierra la abertura estándar, WN = Contenido de humedad de la muestra correspondiente a un número de golpes N. Donde K esta dado por la tabla que se muestra a continuación. Tabla 2.06 N (Numero de golpes) K (Factor de corrección) 20 0.974 21 0.979 22 0.985 23 0.990 24 0.995 25 1.000 26 1.005 27 1.009 28 1.014 29 1.018 30 1.022 En esta método de cálculo, el número de golpes deberá estar comprendido entre 20 y 30. El límite líquido se toma entonces como el promedio de por lo menos dos ensayos. Si la diferencia de los dos ensayos es mayor que un 1 por ciento el ensayo deberá repetirse. El limite liquido de la mayoría de los suelos es menor que 100 por ciento pero puede arrojar valores hasta mayores que 600 por ciento en materiales como la montmorilonita. Casagrande (1932) y Norman (1958), encontraron que la resistencia al cortante a la humedad correspondiente al limite liquido es de 2.5 y 2 kN/m2 , respectivamente, o sea de 0.025 y 0.02 kg/cm2 ).

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a)

b)

c)

Volumen de suelo

Figura 2.09 a) Cazuela de Casagrande mostrando la espátula para cortar y el suelo antes de aplicar los golpes, b) Después de aplicar el número de golpes necesarios para que se una 13 mm, c) Estado de suelo después de conseguir el Límite Plastico mostrando rollos de 3.8 mm de milímetro.

Esfuerzo ( σ )

Indice de Liquidez (IL ) Sólido 0

a) 45º IL 0 Liquido

LP< w LL

Deformación unitaria ( ε )

Figura 2.10 a) Contenido de humedades (w) mostrando los varios estados del suelo. b) Respuesta generalizada de esfuerzo-deformación.

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Alvaro Ignacio Covo, Ingeniero Civil, PhD, Callejón Sta Clara, Edif. Portal de Manga, No 106, Cartagena, Colombia, S.A, Tel 57-5-6605890 Límite Plástico (LP). El límite Plástico es el contenido de humedad bajo el cual el suelo pierde la propiedad de dejarse deformar sin desmoronarse cuando se forman rollos de 3.2 mm de diámetro. El límite plástico se define entonces como el contenido de humedad al cual rollos de 3.2 mm de diámetro se desmoronan cuando son arrollados con las manos del laboratorista, tal como se ilustra en la Figura 2.09c). Para una descripción del procedimiento véase la norma ASTM D 4318-84. El índice de plasticidad (IP) se define como la diferencia de humedad entre el límite liquido y el límite plástico, o sea: IP = LL - LP 2.20 El índice de plasticidad mide el potencial expansivo del suelo, ya que la expansividad potencial del suelo ocurre en la medida en que ocurren cambios de humedad que aumentan o disminuyen el volumen del suelo, los cuales se dan sobre mayormente sobre el rango del índice de plasticidad. Otro concepto importante en suelos es el límite de contracción, el cual se define como el contenido de humedad bajo el cual cesan los cambios volumétricos de la arcilla. Para una descripción del ensayo véase la norma ASTM D 4943. Índice de Liquidez. El índice de Liquidez se define para suelos de grano fino como:

IL =

w − LP LL − LP

2.21

donde w representa la humedad natural. La Figura 2.10a) presenta de forma gráfica el Índice de Liquidez (IL) en función del contenido de humedad (w). La Figura 2.10b) presenta el comportamiento general esfuerzo-deformación para suelos de grano fino. Actividad. El concepto de actividad de la arcilla (A) fue definido por Skempton en 1953 como:

A=

IP Fraccion − Arcilla

2.22

Donde IP representa el índice de plasticidad y la fracción de arcilla representa el porcentaje de partículas con tamaño menor que 0.002 milímetros. Arcillas con actividades comprendidas entre 0.75 y 1.25 son consideradas normales. Arcillas con actividades menores que 0.75 son inactivas y con actividades mayores que 1.25 son consideradas activas. Diferente tipos de mineral de arcilla presentan rangos definidos de actividad, tal como se muestra en el capitulo 4. Identificación de minerales en suelos arcillosos. La mineralogía de los suelos arcillosos se obtiene mediante la técnica de difracción de rayos Xs utilizando la ley de Bragg, para lo cual se requiere de un equipo costoso, el cual no esta disponible en muchas de las ciudades del tercer mundo. Tabla 2.07. Actividad para varios minerales. Skempton (1953) y Mitchell (1976) Mineral Actividad Na montmorilonita 4-7 Ca montmorilonita 1.5 Illita 0.5-1.3 Kaolinita 0.3-0.5 Halloysita (deshidratada) 0.5 Halloysita (hidratada) 0.1 Attapulgita 0.5-1.2 Allofane 0.5-1.2 Mica (moscovita) 0.2 Calcita 0.2 Cuarzo 0. La identificación del mineral de una arcilla se puede establecer aproximadamente utilizando el concepto de actividad (A) de una arcilla. La correlación entre el mineral de arcilla y su actividad se presenta en la tabla 24

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Indice de Plasticidad

2.06. El mineral de arcilla también se puede establecer de manera aproximada utilizando la Figura 3.02 del próximo capítulo. 100 90

Shellhaven (1.33)

80 70

Arcilla Londres (0.95)

60 50 40

Arcilla Weald (0.63)

30 20

Horten (0.42)

10 0 0

20

40

60

80

100

Fracción de arcilla (=4 y 1=6 y 17 y Encima o En la Línea "A" (J)

CL

Arcilla Magra (K,L,M)

IP