Unidad 4 Y 5 Mecanica DE Suelos PDF

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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICOTEC NM. CAMPUS APIZACOCIENCIAS DE LA TIERRAINGENIERÍA CIVILMECANICA DE SUELOS (10:00-11:00)UNIDAD IV y VGONZÁLEZ SÁNCHEZBRANDON ANDRESNO. CONTROL 19370014INDICE4 Granulometría..................................................................................................

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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO TEC NM. CAMPUS APIZACO CIENCIAS DE LA TIERRA INGENIERÍA CIVIL MECANICA DE SUELOS (10:00-11:00) UNIDAD IV y V GONZÁLEZ SÁNCHEZ BRANDON ANDRES NO. CONTROL 19370014

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INDICE

4.1 Granulometría…………………………………………………………………………………………pág.

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4.3 clasificación de los suelos……………...………………………………………………………………pág.

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4.4 Uso de la carta de plasticidad…………………………………………………………………………pag.12

4.5 Uso del procedimiento auxiliar para identificación de suelos en el laboratorio que existe……………………………………………………………………………...pág.

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4.6 Ejercicios de clasificación de los suelos………………………………………………pág.

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5.1 Fenómeno capilar y el proceso de contracción de los suelos, considerando que es: la tensión superficial, el fenómeno de ascensión capilar y sus efectos, meniscos…………………………………………………………………………………………pág.

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5.2 propiedades hidráulicas de los suelos…………………………………………………pág.

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5.3 métodos para medir el coeficiente de permeabilidad de los suelos. (directos e indirectos) ……………………………………………………………………………………………………...pág. 29 5.4 factores que influyen en la permeabilidad de los suelos……………………………pág.

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4.1 Granulometría La granulometría se define como la distribución de los diferentes tamaños de las partículas de un suelo, expresado como un porcentaje en relación con el peso total de la muestra seca. Aprenderemos a utilizarla como un instrumento en la clasificación de los materiales, ya que la descripción por tamaño tiene especial interés en la selección de materiales para rellenos de carreteras y presas, los cuales requieren materiales con graduaciones determinadas. La granulometría es la distribución de los tamaños de las partículas de un agregado tal como se determina por análisis de tamices (norma ASTM C 136). Las partículas de un suelo se clasifican atendiendo a su tamaño, fundamentalmente. Para ello existen normativas en los distintos países (SUCS en EEUU, CTE en España, BS en el Reino Unido), que presentan muchas similitudes, tal como se puede ver en la imagen superior. Se denominan suelos granulares a aquellos en los que predominan gravas y/o arenas y/o limos y que proceden de procesos de meteorización mecánica, fundamentalmente, seguidos de transporte y sedimentación. Se denominan suelos cohesivos a aquellos en los que predominan arcillas y que proceden de procesos de meteorización química, fundamentalmente, seguidos de transporte y sedimentación

Diferencias entre las partículas: Gravas y arenas: en presencia de agua su comportamiento es muy distinto. De hecho, con poca humedad las partículas de arena tienen cierta “cohesión”, es decir, se unen entre sí, incrementando su resistencia, lo que no ocurre con las partículas de grava. 3

Limos: se pueden considerar partículas similares a las de arena, pero de tamaño más pequeño. Esto hace que: • No puedan moldearse • Sean relativamente impermeables. • En seco presenten una reducida resistencia. Arcillas (φ< 0,002 mm): al proceder de la meteorización química son partículas planas, lo que les proporciona las siguientes características: • Moldeables con facilidad en presencia de agua. • Con agua se expanden y contraen. • Son prácticamente impermeables. • En seco presentan una elevada resistencia.

Tipos: Análisis granulométrico por tamizado. • Realizado mediante las normas UNE 103101:1995 y/o ASTM D422-63(2007). • Modalidades: vía seca (con el suelo seco) o vía húmeda. • Separa partículas hasta 0’060 – 0’075 – 0’080 mm, en función de la normativa utilizada. Análisis granulométrico por sedimentación. • Realizado mediante la norma UNE 103102:1995. • Se lleva a cabo en muy contadas ocasiones, porque no aporta información muy relevante. • Separa partículas de tamaños inferiores a 0’060 – 0’080 mm.

Para realizar un análisis granulométrico se emplean tamices, que son cilindros con aberturas en su fondo de un tamaño normalizado.

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Se disponen uno encima de otro, colocando el de abertura mayor en la parte superior y los siguientes decreciendo progresivamente. En el fondo de la columna de tamices se coloca una bandeja y el conjunto se dispone en una Tamizadora manual o automática cubierto por una tapa metálica. Se coloca la porción de suelo a analizar sobre el tamiz superior y se le somete a vibración en dirección horizontal y vertical, de forma que las partículas van cayendo a través de la serie de tamices. Finalizado el proceso de vibración, se pesa lo retenido en cada uno de los tamices y en el fondo.

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Representando sobre unos ejes de coordenadas, en abscisas (en escala logarítmica) los diámetros de las aberturas de malla de la serie de tamices empleada, y en ordenadas el porcentaje de partículas que pasa a través de un determinado tamiz, se obtiene un punto por cada tamiz, que unidos dan lugar a la curva granulométrica del suelo.

•

A partir de la curva granulométrica se extraen D10, D30 y D60

D10: diámetro eficaz o efectivo. • Relacionado con la permeabilidad en arenas. 6

CU: coeficiente de uniformidad.

Cu =

D 60 D 10

CU> 10⇒Suelo no uniforme ⇒Partículas tamaños variados. CU< 2 ⇒Suelo uniforme ⇒ Partículas tamaños parecidos. CC: coeficiente de curvatura.

Cc =

•

2 𝐷30

D 60 ∗D 10

En esta imagen se puede observar un suelo uniforme, con una curva muy vertical, y un suelo no uniforme o de granulometría continua

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4.3 Clasificación de los suelos

Hay dos sistemas de clasificación de suelos de uso común para propósitos de ingeniería. 1) el Sistema Unificado de Clasificación del suelo (SUCS o USCS) que se utiliza para casi todos los trabajos de ingeniería geotécnica; 2) el sistema de clasificación AASHTO que se usa por la construcción de carreteras y terraplenes. 2) Ambos sistemas utilizan los resultados del análisis granulométrico y la determinación de los límites de Atterberg (LL, LP, IP) para determinar la clasificación del suelo. Las fracciones texturales del suelo son: grava, arena, limo, arcilla

El sistema de clasificación USCS o SUCS El Sistema Unificado de Clasificación del suelo (USCS o SUCS) se basa en el sistema de clasificación desarrollado por Casagrande durante la Segunda Guerra Mundial. Con algunas modificaciones fue aprobado conjuntamente por varias agencias de gobierno de los EE.UU. en 1952. Refinamientos adicionales fueron hechas y actualmente está estandarizado como la norma ASTM D 2487-93. Se utiliza en los EE.UU. y gran parte del mundo para trabajos geotécnicos que no sean los caminos y carreteras. Por ejemplo: la arena pobremente graduada se denomina SP y arcilla con baja plasticidad es CL. 8

SUCS – UCS: se utilizan los símbolos de cinco letras: G por grava (gravel) S por arena (sand) M por limo (silt) C por arcilla (clay) O por suelos organico (organic soil) P for turba (peat soils)

Regla n. 1 Si menor del 50% del suelo pasa la malla No. 200 (0.075 mm), el suelo es de grano grueso, y la primera letra será G o S; Regla. 2 si más del 50% pasa la malla No. 200(0.075 mm), el suelo es de grano fino y la primera letra será M o C Regla n. 3 Arenas y gravas limpias (con menos del 5% que pasa la malla No. 200): se les da una segunda letra P si están mal graduadas o W si bien graduadas. Arenas y gravas, con más de 12% en peso que pasa la malla No. 200: se les da una segunda letra M si son limosas o C, si son arcillosos. Arenas y gravas que tienen entre 5 y 12%: se dan clasificaciones duales como SPSM. Limos, arcillas y suelos orgánicos se les da la segunda letra H o L para designar a la plasticidad de alta o baja.

Clasificación de suelos según el C.T.E.

Clasificación de suelos según la A.A.S.H.T.O. 10

(I) ASTM D3282-93(2004) • Se emplea para determinar la calidad relativa del suelo para su utilización en terraplenes, subrasantes, subbases y bases para la construcción de carreteras. • Con los datos de cada suelo (granulometría, wL e IP) se entra en el cuadro inferior y se obtiene la clasificación del suelo.

Clasificación de suelos según la A.A.S.H.T.O. (II)

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4.4 Uso de la carta de plasticidad Gráfico en el que se representan los valores del límite líquido y del índice de plasticidad en un campo de coordenadas cartesianas para discriminar las arcillas y los limos de acuerdo con la relación entre dichos valores. Esta carta es utilizada sistemáticamente en la clasificación unificada de suelos. Los límites líquido y plástico son determinados por medio de pruebas de laboratorio relativamente simples que proporcionan información sobre la naturaleza de los suelos cohesivos. Las pruebas son usadas ampliamente por ingenieros para correlacionar varios parámetros físicos del suelo, así como para la identificación de este. Casagrande (1932) estudió la relación del índice de plasticidad respecto al límite líquido de una amplia variedad de suelos naturales. Con base en los resultados de pruebas, propuso una carta de plasticidad. La característica importante de esta carta es la línea A empírica dada por la ecuación PI = 0.73 (LL - 20). La línea A separa las arcillas inorgánicas de los limos inorgánicos.

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Limos inorgánicos se hayan debajo de la línea A. Los limos orgánicos se graficanen la misma región (debajo de la línea A y con el LL variando entre 30 y 50) suelos limos inorgánicos de compresibilidad media. Las arcillas orgánicas se graficanen la misma región que los limos inorgánicos de alta compresibilidad (debajo de la línea A y LL mayor que 50). La información proporcionada en la carta de plasticidad es de gran valor y es la base para la clasificación de los suelos de grano fino en el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos. Note que una línea llamada línea U se encuentra arriba de la línea A. La línea U es aproximadamente el límite superior de la relación del índice de plasticidad respecto al límite líquido para cualquier suelo encontrado hasta ahora. La ecuación para la línea U se da como PI = 0.9 (LL – 8).

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4.5 Uso del procedimiento auxiliar para identificación de suelos en el laboratorio que existe.

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4.6 Ejercicios de clasificación de los suelos

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5.- PROPIEDADES HIDRAULICAS DE LOS SUELOS. 5.1 Fenómeno capilar y el proceso de contracción de los suelos, considerando que es: la tensión superficial, el fenómeno de ascensión capilar y sus efectos, meniscos. Tensión superficial. Es la propiedad de un líquido en la interface “líquido – gas”, por la cual las moléculas de la superficie soportan fuerzas de tensión. Por ella, una masa de agua, acomodándose al área mínima forma gotas esféricas. La tensión superficial explica, el rebote de una piedra lanzada al agua. La tensión superficial se expresa con T y se define como la fuerza en Newtons por milímetro de longitud de superficie, que el agua es capaz de soportar. El valor de la tensión es de 73 dinas/cm  0,074 gf/cm siendo gf, gramos-fuerza. Este coeficiente se mide en unidades de trabajo (W) o energía entre unidades de área A y representa la fuerza por unidad de longitud en cualquier línea sobre la superficie. T es entonces, el trabajo W necesario para aumentar el área A de una superficie líquida.

Capilaridad. Fenómeno debido a la tensión superficial, en virtud del cual un líquido asciende por tubos de pequeño diámetro o por entre láminas muy próximas. Pero no siempre ocurre así debido a que la atracción entre moléculas iguales (cohesión) y moléculas diferentes (adhesión) son fuerzas que dependen de las sustancias (Figura 6.1). Así, el menisco será cóncavo, plano o convexo dependiendo de la acción combinada de las fuerzas de adherencia (A) y de cohesión (C), que definen el ángulo  de contacto en la vecindad, y de la gravedad.

NOTA: El tamaño de los poros del suelo es 6/5, en suelos granulares.

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Sean: hc= altura capilar de ascenso del agua, en un tubo de radio estrecho R, parcialmente sumergido.  es el ángulo que forma del menisco con el tubo capilar. T = tensión superficial dentro del tubo capilar. El agua asciende en contra de la presión UW, a la que se suma la presión atmosférica sobre toda la superficie del fluido. Pa= presión atmosférica (el aire pesa), que Haciendo suma de fuerzas verticales. FV = 0; para Pa = 0 2R * Tcos + UW * R 2 = 0 = FV; Despejando

Para D = 0,1 mm, hc vale 0,3m. Si  = 0°, el radio del menisco es el mismo del tubo. Llamemos “r” al radio del menisco.

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El ascenso capilar en los suelos finos es alto. En arenas finas (T40 – T200), si es suelta hc = 0,3m – 2,0 m, si es densa hc = 0,4m – 3,5m En arcillas ( < T200), hc  10m ( W*hc = UW  1 at  1 kg/cm^2)

Capilaridad y contracción en suelos arcillosos Dos fuerzas: Adsorción entre las partículas activas del suelo y el agua y las fuerzas osmóticas, propias de la fase líquida y explicada por el potencial del agua debido a la presencia de solutos en solución que pueden ser especies inorgánicas o componentes orgánicos, explican la capilaridad de las arcillas. En la adsorción influyen la adherencia y la tensión superficial. El movimiento, la retención o la pérdida de agua en el suelo están controlados por gradientes energéticos, gracias a la presencia de las energías potencial, cinética y eléctrica. El potencial del agua pura es cero y el del agua en el suelo es negativo. El gradiente energético determina la dirección y la velocidad del movimiento del agua en el suelo. La contracción y expansión en las arcillas: en los suelos arcillosos pueden ver alterados su volumen y su parámetro de cohesión así: consideremos un tubo horizontal.

Cuando el tubo elástico pierde agua, pierde longitud; L1>L2>L3 en consecuencia pierde diámetro, R1>R2>R3; de esta manera 1>2>3, lo que significa que el menisco tiende a desarrollarse mejor y el ángulo ( → 0°) en virtud de la pérdida de agua. Esto significa que aumentan los esfuerzos efectivos del suelo al perderse agua (por evaporación o viento), pues  tiende a 0°. El suelo se contrae y se agrieta.

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Acción capilar y cohesión aparente Hay suelos finos (las arcillas, por ejemplo), donde además los esfuerzos friccionales, contribuyen, a la resistencia al esfuerzo cortante, con otros factores que se suman al momento de evaluar la resistencia final. Si tenemos una arcilla que haya soportado, a través de su vida geológica, sobrecargas tales como estratos que luego fueron erosionados, glaciares, estructuras que han sido demolidas, etc. podemos decir que, al presente, se encuentra preconsolidada. Cuando extraemos una muestra de este material, y la protegemos convenientemente de las pérdidas o de los incrementos de humedad, observaremos que una parte importante de las presiones intergranulares a las que fue sometida en su proceso de consolidación es retenida por efecto de la acción capilar sobre la superficie de la muestra. Es decir que por acción del fenómeno de “capilaridad”, actúa sobre las partículas del suelo una tensión superficial que provoca una resistencia adicional al esfuerzo cortante, que se suma a la resistencia friccional y a la que llamaremos “cohesión aparente”. Este nombre deriva por la circunstancia de que es un valor relativo y no permanente ya que depende del contenido de agua que tenga la muestra de suelo.

Este fenómeno de atracción entre partículas en los suelos finos, (limos y arcillas) se conoce con el nombre de cohesión aparente.

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5.2 propiedades hidráulicas de los suelos

Permeabilidad del suelo •

• •

En el estudio de la mecánica de suelos un material es considerado permeable si contiene poros interconectados, grietas u otras salidas a través de las cuales el agua o gas pueda fluir. En mecánica de suelos se debe saber cuánta agua fluye a través del suelo en un tiempo unitario. Este conocimiento se requiere para diseñar presas de tierra, determinar la cantidad de infiltración bajo estructuras hidráulicas y para desaguar durante antes y durante la construcción de cimentaciones.

Flujo Unidimensional del Suelo mecánica de Suelos Flujo Laminar y turbulento •

• • •

En los problemas relativos a líquidos se puede hablar de dos grupos principales según el tipo de flujo. Laminar: líneas de flujo permanecen sin juntarse entre sí en toda su longitud Turbulento: ocurre cuando las líneas de flujo no son paralelas entre sí. A bajas velocidades (como ocurre en los suelos) el flujo ocurre en forma laminar.

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Gradiente Gradiente es el incremento de una variable entre dos puntos del espacio, en relación con la distancia entre esos dos puntos. Si la variable considerada fuera la altitud de cada punto, el gradiente sería la pendiente entre los dos puntos considerados. Si entre dos puntos situados a 2 metros de distancia existe una diferencia de temperatura de 8ºC, diremos que hay entre ellos un gradiente térmico de 4ºC/metro. Cuanto mayor sea ese gradiente térmico, mayor será el flujo de calorías de un punto a otro.

El Gradiente Hidráulico Bernoulli da la carga total que actúa en un punto bajo agua bajo en movimiento.

Dónde: h = carga total p = carga de presión g = aceleración de la gravedad v = velocidad 𝛾w= peso especifico del agua

La velocidad de infiltración es pequeña pues el flujo es laminar generalmente. No es así en el caso de enrocados (flujo turbulento). Por tanto, la carga total en cualquier punto estará dada por:

El Gradiente Hidráulico La pérdida de carga entre dos puntos A y B está dada por:

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La pérdida de carga ∆h puede ser expresado en la forma unidimensional como:

Donde: i = gradiente hidráulico L = distancia entre A y B, esto es la longitud del flujo sobre la cual la pérdida de carga ocurre.

Ley de Darcy Darcy, estudió las propiedades de un flujo de agua a través de un lecho de arena variando la longitud de la muestra y la presión del agua en los planos superior e inferior del lecho y midiendo, además, el caudal que circulaba a través de este. Darcy en 1856 publicó una ecuación para suelos saturados.

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Dónde: v = Velocidad de descarga, la cual es la cantidad de agua fluyendo en unidades de tiempo a través de un corte seccional de área en ángulo recto a la dirección del flujo. k = Coeficiente de permeabilidad.

La velocidad media, v es para el área de la sección transversal normal a la dirección de flujo, sin embargo, el flujo a través de los suelos se produce sólo a través de los vacíos interconectados. La velocidad a través de los espacios vacíos se llama velocidad de filtración (vs) y se obtiene dividiendo la velocidad promedio por la porosidad del suelo (n):

El flujo de agua a través de los suelos es gobernado por la ley de Darcy, que establece que la velocidad media de flujo es proporcional al gradiente hidráulico. En piedras, grava y arenas gruesas el flujo puede ser turbulento. En ese caso la relación no es lineal. Naturaleza de la variación de v con el gradiente

Para que se cumpla la ley de Darcy se deben dar las siguientes condiciones: • •

•

El medio a través del que se produce el flujo debe ser poroso. Flujo con régimen laminar (número de Reynolds menor que 2,100), no siendo válido un régimen turbulento. suele cumplirse excepto en escolleras y grandes áridos. Suelo saturado. Si está semisaturado puede quedar aire ocluido que reduzca la sección de paso y por tanto la conductividad hidráulica.

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Coeficiente de Permeabilidad (k) • •

• •

El coeficiente de proporcionalidad en la ley de Darcy se llama conductividad hidráulica o coeficiente de permeabilidad (k). El coeficiente de permeabilidad tiene las mi...