Conceptos basicos de Mecanica Suelos PDF

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Asociación Americana de Agencias Oficiales de Carreteras y Transportes
Clasificación AASHTO.
Clasificación SUCS
Muestreo de suelos en sitio
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1. MARCO TEÓRICO a. Tipos de suelo. El suelo se puede definir como la parte de la corteza terrestre donde habitan distintos organismos y la vegetación crece. Se forma a partir de procesos por descomposición de rocas, ya sea por cambios bruscos en la temperatura o en su estado de humedad, por el aire o los mismos seres vivos que se sustentan en él. Desde la perspectiva ingenieril, el suelo es el sustrato donde se realizan las obras; se le da gran importancia a sus características físico-químicas, especialmente a las mecánicas. Para la clasificación de los suelos existen dos principales métodos: 2.1.1. El sistema de clasificación de suelos de la AASHTO. La Asociación Americana de Agencias Oficiales de Carreteras y Transportes presenta su manera de seleccionar los tipos de suelos en siete grupos mayores: del A-1 hasta el A-7. Los suelos clasificados en los tres primeros grupos consisten en materiales granulares, donde 35% o menos de las partículas pasan por el tamiz Nº 200. Los suelos donde más del 35% pasa por la criba Nº 200 son clasificados en los grupos A-4, A-5, A-6 y A-7 (los cuatro últimos grupos). La mayoría están formados por materiales tipo limo y arcilla. (Fundamentos de ingeniería geotécnica, 2001)

Imagen 1. Clasificación AASHTO.

Fuente: Fundamentos de ingeniería geotécnica, Braja M. Das. El criterio utilizado se basa en tres características: ● Tamaño del grano: Grava: pasa malla de 75 mm y retenida en malla de 2 mm. Arena: pasa malla de 2 mm y retenida en malla de 0,075 mm.

Limo y arcilla: pasa malla de 0,075 mm. ● Plasticidad: Cuando las fracciones de finos del suelo tienen un índice de plasticidad de 10 o menor se utiliza el término limoso y cuando este índice es de 11 o mayor se utiliza el término arcilloso. ● Cantos rodados y boleos: Si hay tamaños mayores que 75 mm presentes se excluyen de la porción de la muestra de suelo que se está clasificando. Sin embargo, el porcentaje de tal material se registra. 2.1.2. El sistema de clasificación de suelos de SUCS. También conocido como el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, divide en cuatro grupos los materiales que se pueden estudiar. Utilizando la malla N°200 como base, los dos primeros tipos de suelo se consideran material grueso si se retiene más del 50% en dicho tamiz; y material fino si pasa más del 50%.

Imagen 2. Clasificación SUCS.

Fuente: Sistema Unificado de clasificación de suelos, Iván Matus.

● Gravas: Se denomina grava a las rocas sedimentarias detríticas producto de la división natural o artificial de otras rocas y minerales. Los fragmentos de la grava miden entre 2 y 64 milímetros de diámetro y su composición química es variada. Está constituida principalmente por rocas ricas en cuarzo y cuarcita.

También por clastos de caliza, basalto, granito y dolomita. (Anónimo, 2016) Las gravas gruesas pasan 75 mm y quedan retenidas 19 mm. Para las finas pasan 19 mm y retenidas son de 4,75 mm. ● Arenas: Al igual que las gravas, están constituidas principalmente por cuarzo, también pueden tener feldespato y granos de otros minerales. En este tipo de suelo el agua se drena rápidamente; además tiene una clasificación adicional a las gravas según su tamaño. -

Gruesas: pasan 4,75 mm y retenidas 2 mm.

-

Medias: pasan 2 mm y retenidas en 0,425 mm.

-

Finas: pasan 0,425 y retenidas 0,075 mm.

● Limos: Es un terreno complicado para la construcción porque no tiene cohesión, consisten en partículas microscópicas de suelo con granos muy finos de cuarzo y algunas partículas con forma de escama que se denominan minerales micáceos. Pasan los 0,075 mm y se retienen 0,005 mm. ● Arcillas: Son partículas submicroscópicas con formas de escamas de mica, minerales arcillosos y otros minerales. Estas partículas desarrollan plasticidad cuando se mezclan con una cantidad limitada de agua. Pasan 0,005 mm y retenidas 0,001.

b. Muestreo de suelos en sitio. 2.2.1. Barreno manual “Auger”. Es la herramienta más recomendada para la penetración y mapeo de suelos ya que produce muestras homogéneas; es decir, de igual profundidad y volumen. Además, hace que el proceso sea rápido y fácil. (Ramírez, 2005) Tiene una gran capacidad de perforar materiales sólidos como rocas, ladrillos y se puede utilizar bajo el agua. No es recomendable usarlo en lodos o sedimentos; sin embargo, entre sus beneficios no solo está el presupuesto sino

también su resultado de ser hasta 10 veces más efectivo que dos hombres cavando. Imagen 3. Barreno manual.

Fuente: http://www.fundesyram.info/biblioteca.php?id=3601

2.2.2. Pico y pala. Es uno de los métodos de excavación más demandantes debido a la mano de obra que necesita, y como carece de un procedimiento específico para su uso el rendimiento obtenido depende directamente de la técnica que tenga la persona que los utiliza en el suelo deseado. Actualmente existen otras herramientas más efectivas para su mismo fin. Imagen 4. Pico y pala.

Fuente: https://sp.depositphotos.com/70648137/stock-photo-mining-tools-shovel-andpickaxe.html

2.2.3. Retroexcavadoras. Las retroexcavadoras se utilizan por lo general para mover grandes cantidades de suelo. Sirven en la apertura de caminos destinados a tuberías, cables, drenajes y similares; también preparan los sitios donde se asentarán los cimientos. A diferencia de la excavadora, infiere en el terreno de arriba hacia abajo.

Imagen 5. Retroexcavadora CAT, modelo 416EST.

Fuente: https://www.maquinascr.com/contenido/productos/retroexcavadora-416/

2.2.4. SPT (Standard Penetration Test). Se basa en obtener una muestra representativa del suelo para poner conocer la resistencia a la penetración. Tiene que realizarse en intervalos de profundidad de 5 pies y también sirve para la determinación del contenido de humedad. Los resultados son de gran importancia para poder estimar las condiciones del subsuelo para un diseño de cimentación. El procedimiento de la SPT consiste en contar el número de golpes que se requieren para introducir dentro de un estrato de suelo una cuchara hueca y cilíndrica que permite realizar tomas de muestras que se hallan alteradas por procesos naturales.

Imagen 6. Prueba de Penetración Estándar ilustrada.

Fuente: https://theconstructor.org/geotechnical/standard-penetration-test-procedureprecautions-advantages/4657/ 2.2.5. Tubos de Shelby. Durante su procedimiento de uso, al enterrar el tubo en el suelo, hay que asegurarse de que tenga una velocidad constante de 25 cm/s. La muestra se deja en reposo durante unos minutos para poder girar el aparato con el objetivo de cortar la base. Se recomienda cortar el tubo en tramos para poder sacar las muestras y evitar vibraciones que puedan alterar el resultado. Este tubo solo se puede usar una vez y este no posee la capacidad de hincarse en suelos gruesos.

Imagen 7. Tubos de Shelby.

Fuente: https://www.cotecno.cl/nuestros-productos/tubo-shelby-2-dia-x-30-long/ 2.2.6. Penetración rotativa. Consiste en aplicar energía a una roca haciendo que se fragmente con la fuerza de empuje. Los diámetros de barreno que se consiguen con este tipo de perforadoras van desde los 50 mm hasta los 311 mm. El sistema de perforación rotativa consta de una fuente de energía, columna de tubos que

pueden estar individuales o conectados en serie, que transmiten el peso. La rotación a una boca con dientes de acero que hacen que la roca se fragmente. En este tipo de perforaciones las pérdidas de energía en las barras y la boca son despreciables. Para que sea una perforación exitosa, va a depender de varios factores relacionados con la máquina como la magnitud de empuje sobre la roca, la velocidad de rotación, el desgaste de la boca y el diámetro de barreno. Existen otros factores externos que no dependen de la máquina: las características del macizo rocoso y los rendimientos del operario.

c. Métodos de reducción de muestras. (ASTM C-702) Las reducciones de muestras, se utilizan para minimizar el porcentaje de material, las cuales entre las características se encuentran las muestras de prueba y las muestras de campo. Cada método de ensayo indica un peso mínimo de muestras para llevar a cabo dichas pruebas. Existen varios instrumentos para poder realizar una reducción de muestras; sin embargo, si se elige por divisor mecánico o vía manual depende de la conveniencia para cada ensayo. 2.3.1. Método de cuarteo manual. Se basa en tomar una muestra de agregado, formar con ella una circunferencia lo más uniforme posible, dividirla en cuatro secciones del mismo tamaño y eliminar dos cuartos opuestos diagonalmente. El proceso se repite las veces necesarias hasta que la reducción quede del tamaño deseado en el ensayo respectivo. Imagen 8. Método manual del cuarteo.

Fuente: https://www.google.com/search? rlz=1C1CHBF_esCR820CR821&tbm=isch&q=metodo+del+cuarteo&chips=q:metodo+ del+cuarteo,online_chips:cuarteo+manual&sa=X&ved=0ahUKEwjygpGknsniAhVrs1k KHextDWMQ4lYIKigC&biw=1366&bih=608&dpr=1#imgdii=U43UscX_E4pQSM:&i mgrc=VtuEdIgqF_VMcM:

d. Contenido de humedad del suelo. (ASTM D-2216) La humedad de una muestra de suelo, el cual está formado por la suma de aguas libres, puede determinarse a través de las especificaciones descritas en las normas ASTM. Es muy importante conocer la cantidad humedad que contiene un suelo ya que ayuda a explicar el comportamiento del mismo con respecto a características como los cambios de volúmenes y cohesión. El método más utilizado es por medio del secado al horno, donde la humedad del suelo se expresa como el porcentaje de la relación entre el peso del agua y el peso del sólido.

e. Análisis granulométrico de los suelos. El análisis granulométrico pretende clasificar el tamaño existente en las partículas de los suelos a través de rangos preestablecidos, para poder estimarlos de una forma acertada se utilizan varios tamices con distintos tamaños en sus aberturas. Hay que tomar en cuenta, además, que para obtener resultados exitosos es necesario que la muestra utilizada sea representativa independientemente de la cantidad usada según cada ensayo.

2.5.1. Vía seca, de suelo retenido en el tamiz #200. (ASTM D-422) Todos los sistemas de clasificación de suelos usan el tamiz #200 como punto divisorio, basando los datos a obtener según la cantidad de material que pasa o se retiene en dicha malla. El proceso para el método de cribado consiste en colocar una serie de tamices con diámetros estándar de mayor a menor para que las partículas del suelo pasen, aquellas cantidades retenidas son las que generalmente se toman en cuenta; se puede realizar de manera manual o con un vibrador mecánico. Imagen 9. Tamaños de tamices estándares en Estados Unidos.

Fuente: http://mantenimientocarreterasyvias.blogspot.com/2013/11/agregados-petreosmetodo-para-tamizar-y_4907.html 2.5.2. Método del hidrómetro. (ASTM D-4318) El método del hidrómetro es ampliamente utilizado para la distribución granulométrica de las partículas más pequeñas que se pueden encontrar (entre 0.075 mm y 0.001 mm). Los datos se representan en un gráfico semilogarítmico de porcentaje de material más fino contra diámetro de los granos; puede combinarse con los datos obtenidos en el análisis mecánico del material retenido (mayor que el tamiz #200 u otro tamaño cualquiera).

El principal objetivo del análisis de hidrómetro es obtener el porcentaje de arcilla presente en la muestra. (Bowles, s.f.) Imagen 10. Hidrómetro para suelos de Bouyocus.

Fuente: http://equipamientocientifico.com/suelo/1031-hidrometro-para-suelos-debouyoucos.html 2.5.3. Curva granulométrica. Los resultados de los análisis granulométricos por medio del cribado y el método

del

hidrómetro

pueden

ser

representados

mediante

gráficas

semilogarítmicas. Los diámetros de las partículas se grafican en escala logarítmica y el porcentaje de finos en escala aritmética. (Gallardo, 2016)

La gravedad específica es un concepto fundamental para diversos cálculos dentro de la ingeniería civil, puede brindar información respecto a su relación de vacíos y el uso correcto que se le puede dar a determinado suelo. Sin embargo, es necesario aclarar cuál tipo de gravedad específica se está usando (si incluye o no la densidad del agua).

Para un suelo sin clasificación, la gravedad específica se toma el valor promedio en los granos del suelo en cuestión. Por lo tanto, se define como el

peso unitario del material seleccionado dividido entre el peso unitario del agua destilada a 4 °C. La gravedad específica de los granos del suelo siempre es mayor que la gravedad específica volumétrica determinada incluyendo los vacíos de los suelos (llenos de aire o agua) en el cálculo.

En el trabajo de rutina para este experimento se utiliza muy a menudo el agua común en lugar del agua destilada; sin embargo, el error resulta ser bastante pequeño. Incluso es posible determinarlo a través del cálculo de la densidad del agua común. Generalmente, si el error en la densidad es menor que 0.001, puede ser despreciado.

Imagen 1. Valores comunes de gravedad específica en distintos tipos de suelo.

Fuente: http://taludes18ingenieria-civil.blogspot.es/categoria/hidrometro/

Si la temperatura del ensayo en general se mantiene entre los 18 °C y los 22 °C, no se considera una fuente de error seria; tampoco el uso del agua común. La mayor fuente de error es el aire disuelto. Tanto el agua como el suelo contienen aire, y si éste no se remueve (en especial del suelo) puede producir un cambio importante en el peso del suelo con el agua dentro del frasco usado para el experimento.

Otra fuente de error que puede ser importante es el uso de balanzas desajustadas o el hecho de usar balanzas distintas. Esto es un error más controlable si se tiene cuidado. Por otro lado, hay un par de alternativas para lograr una desaireación adecuada de la mezcla suelo-agua: aplicando vacío y/o calentamiento.

El vacío suele ser suficiente para arenas, limos y arcillas. El intervalo de tiempo de aplicación de vacío puede variar entre unos pocos minutos, de 6 a 8 horas para suelos plásticos y 4 a 6 horas para suelos de baja plasticidad. En suelos orgánicos es recomendable dejar hervir cerca de 30 minutos la mezcla suelo-agua añadiendo agua a medida que se necesite para mantener el frasco volumétrico medio lleno.

f. Formas de verificación del correcto desaireamiento.

1. Aplicando vacío al frasco lleno entre la mitad y los ¾ con la mezcla suelo-agua por un tiempo. 2. Llenando el frasco hasta unos 20 mm por debajo de la marca del frasco con agua “deaireada” y con temperatura estabilizada. 3. Volviendo a aplicar el vacío por varios minutos y marcando con un lápiz de color adecuado el nivel del agua en el cuello del frasco. 4. Retirando cuidadosamente la tapa para romper el vacío y, si el nivel del agua sube más de 3 mm, el deaireamiento será suficiente.

g. Curva de calibración para el frasco volumétrico.

También se le conoce como matraz aforado. Mide el volumen patrón de agua destilada a 20 °C, donde a mayores temperaturas su volumen aumenta ligeramente. Para los cambios sufridos, es posible aplicar una corrección aproximada de temperatura para desviaciones en los cálculos de ensayo. La

curva de calibración para cualquier frasco volumétrico se puede obtener siguiendo las instrucciones:

● Limpiar cuidadosamente el frasco en cuestión. ● Llenar con agua destilada desmineralizada o común el frasco a temperaturas conocidas. ● Realizar una gráfica del peso de frasco más el agua contra la temperatura en escala logarítmica....