SISTEMAS DE SOPORTE Y CIMENTACIÓN AQ – 0303
Profesor: Ing. William Gamboa Ellis Correo electrónico : william.gamboa@leecorp.net
Suelos
Introducción.
En el sentido general de la ingeniería, suelo se define como el agregado no cementado de granos minerales y materia orgánica descompuesta (partículas sólidas) junto con el líquido y gas que ocupan los espacios vacíos entre las partículas sólidas. El suelo se usa como material de construcción en diversos proyectos de ingeniería civil y sirve para soportar las cimentaciones estructurales. Por esto, se deben estudiar las propiedades del suelo, tales como origen, distribución granulométrica, capacidad para drenar agua, compresibilidad, capacidad de carga, etc.
El registro del primer uso del suelo como material de construcción se perdió en la antigüedad. Durante años, el arte de la ingeniería de suelos se baso únicamente en experiencias. Sin embargo, con el crecimiento de la ciencia y la tecnología, la necesidad de mejores y más económicos diseños estructurales se volvió crítica. Esto condujo a un estudio detallado de la naturaleza y propiedades del suelo. Karl Terzaghi, en 1925, dio origen a la mecánica de suelos moderna (comportamiento y propiedades del suelo).
Depósitos de suelo natural. El suelo es producido por intemperismo, es decir, por la fractura y rompimiento de varios tipos de rocas en piezas más pequeñas mediante procesos mecánicos y químicos. Algunos suelos permanecen donde se forman y cubren la superficie rocosa de la que se derivan y se llaman suelos residuales. En contraste, algunos productos intemperizados son transportados por medio de procesos físicos a otros lugares y depositados, estos se llaman suelos transportados. Según el agente de transporte, se subdividen en 3 categorías principales: 1. Aluviales o fluviales: depositados por agua en movimiento. 2. Glaciales: depositados por acción glaciar. 3. Eólicos: depositados por acción del viento.
Tamaño de las partículas de suelo.
Independientemente del origen del suelo, los tamaños de las partículas, en general, que conforman un suelo, varían en un amplio rango. Los suelos en general son llamados grava, arena, limo o arcilla, dependiendo del tamaño predominante de las partículas.
Limites de tamaño de suelos según el Sistema unificado de clasificación de suelos SUCS.
Análisis mecánico del suelo.
El análisis mecánico es la determinación del rango del tamaño de partículas presentes en un suelo, expresado como un porcentaje del peso (o masa) seco total. Se usan generalmente 2 métodos para encontrar la distribución del tamaño de las partículas del suelo: 1. Análisis con cribado para tamaños de partículas mayores a 0.075mm de diámetro. 2. Análisis hidrométrico, para tamaños de partículas menores de 0.075mm de diámetro.
1. Análisis por cribado. El análisis por cribado consiste en sacudir la muestra de suelo a través de un conjunto de mallas que tienen aberturas progresivamente más pequeñas. Primero el suelo se seca en horno, y luego todos los grumos se disgregan en partículas pequeñas antes de ser pasados por las mallas. Después de que el periodo de vibración concluye, se determina la masa del suelo retenido en cada malla. Cuando se analizan suelos cohesivos, resulta difícil disgregar los grumos en partículas individuales. En tal caso, el suelo se mezcla con agua para formar una lechada que luego se lava a través de las mallas. Las proporciones retenidas en cada malla se recolectan por separado y se secan en horno antes de que la masa retenida en cada malla sea determinada. Los resultados del análisis por cribado se expresan generalmente como porcentaje del peso total de suelo que ha pasado por las diferentes mallas.
TamaĂąos de mallas estĂĄndar.
1. Análisis hidrométrico. El análisis hidrométrico se basa en el principio de la sedimentación de granos de suelo en agua. Cuando un espécimen de suelo se dispersa en agua, las partículas se asientan a diferentes velocidades, dependiendo de sus formas, tamaños y pesos. Se utiliza en suelo que pasa la malla No 200.
Curva de distribución granulométrica.
Los resultados del análisis mecánico (análisis por cribado e hidrométrico) se presentan generalmente en gráficas como curvas de distribución granulométrica (o de tamaño de grano).
Tamaño efectivo, coeficiente de uniformidad y coeficiente de curvatura. Las curvas granulométricas se usan para comparar diferentes suelos. Además, tres parámetros básicos del suelo se determinan con esas curvas que se usan para clasificar los suelos granulares. Los tres parámetros del suelo son: 1. Diámetro efectivo: es el diámetro en la curva de distribución del tamaño de partículas correspondiente al 10% de finos (D10). 2. Coeficiente de uniformidad: 3. Coeficiente de curvatura: D60 y D30 = diámetro correspondiente al % indicado de finos en la curva granulométrica.
La curva de distribución granulométrica muestra no solo el rango de los tamaños de partículas presentes en el suelo, sino también la distribución de varios tamaños de partículas. Cuando la mayoría de los granos son del mismo tamaño, se le llama suelo mal graduado. Cuando en un suelo los tamaños de las partículas están distribuidos sobre un amplio rango se le llama bien graduado. Un suelo bien graduado tiene un coeficiente de uniformidad mayor de aproximadamente 4 para gravas y 6 para arenas, y coeficiente de curvatura entre 1 y 3 para gravas y arenas.
Relaciones volumétricas y gravimétricas, plasticidad y clasificación de los suelos.
En estado natural, los suelos son sistemas de tres fases que consisten en s贸lidos, agua y aire. Si todos los espacios est谩n llenos de agua se dice que el suelo esta totalmente saturado, si tiene vacios con aire esta parcialmente saturado.
En otra palabras, el volumen total (Vt) está compuesto por el volumen de sólidos (Vs) y el volumen de vacíos (Vv). El volumen de vacíos (Vv) está compuesto por el volumen de agua (Vw) y el volumen de aire (Va). Se pueden representar esquemáticamente estas tres fases (sólidos, agua y aire o gas) en un Diagrama de Fases.
En la práctica usualmente se mide el volumen total (Vt), el peso del agua (Ww) y el peso de las partículas sólidas (Ws), luego se calculan el resto de los parámetros.
Consistencia del suelo. Cuando existen minerales de arcilla en un suelo de grano fino, éste puede ser remoldeado en presencia de alguna humedad sin desmoronarse. Esta naturaleza cohesiva es debida al agua absorbida que rodea a las partículas de arcilla. A muy bajo contenido de agua, el suelo se comporta más como un sólido frágil. Cuando el contenido de agua es muy alto, el suelo y el agua fluyen como un líquido. Por tanto, dependiendo del contenido de agua, la naturaleza del comportamiento del suelo se clasifica arbitrariamente en cuatro estados básicos, denominados sólido, semisólido, plástico y líquido. El contenido de agua, en porcentaje, en el que la transición de estado sólido a semisólido tiene lugar, se define como el límite de contracción. El contenido de agua en el punto de transición de estado semisólido a plástico es el límite plástico, y de estado plástico a líquido es el límite líquido. Esos límites se conocen también como límites de Atterberg. El índice de plasticidad (PI) es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico de un suelo.
Carta de plasticidad. 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, dicha línea separa las arcillas inorgánicas de los limos inorgánicos. Las gráficas de los índices de plasticidad contra límites líquidos para las arcillas inorgánicas se encuentran arriba de la línea A y aquellas para limos inorgánicos se hayan debajo de la línea A. Los limos orgánicos se grafican en la misma región (debajo de la línea A y con el LL variando entre 30 y 50) que los limos inorgánicos de compresibilidad media. Las arcillas orgánicas se grafican en 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 U, esta línea es aproximadamente el límite superior de la relación del índice de plasticidad respecto al límite líquido para cualquier suelo encontrado hasta ahora.
Clasificación del suelo. Los suelos con propiedades similares se clasifican en grupos y subgrupos basados en su comportamiento ingenieril. Los sistemas de clasificación proporcionan un lenguaje común para expresar en forma concisa las características generales de los suelos, que son infinitamente variadas sin una descripción detallada.
Sistema Unificado de Clasificación de Suelo (SUCS). Este sistema clasifica los suelos en dos amplias categorías:
1. Suelos de grano grueso que son de naturaleza tipo grava y arenosa con menos del 50% pasando por la malla #200. Los símbolos de grupo comienzan con un prefijo G o S. G significa grava o suelo gravoso y S significa arena o suelo arenoso. 2. Los suelos de grano fino con 50% o más pasando por la malla #200. Los símbolos de grupo comienzan con un prefijo M, que significa limo inorgánico, C para arcilla inorgánica u O para limos y arcillas orgánicos. El símbolo Pt se usa para turbas, lodos y otros suelos altamente orgánicos. Otros símbolos son también usados para la clasificación: - W = bien graduado - P = mal graduado - L = baja plasticidad (límite líquido menor que 50) - H = alta plasticidad (límite líquido mayor que 50)
Para una clasificación apropiada con este sistema, debe conocerse la información siguiente: 1. Porcentaje de grava, es decir, la fracción que pasa la malla de 76.2mm y es retenida en la malla #4 (4.75mm). 2. Porcentaje de arena, es decir, la fracción que pasa la malla #4 y es retenida en la malla #200 (0.075mm). 3. Porcentaje de limo y arcilla, es decir, la fracción de finos que pasa la malla #200. 4. Coeficiente de uniformidad (Cu) y coeficiente de curvatura (Cz). 5. Límite líquido e índice de plasticidad de la porción de suelo que pasa la malla #40.
Los símbolos de grupo para suelos tipo grava de grano grueso son GW, GP, GM, GC, GC-GM, GW-GM, GW-GC, GP-GM y GP-GC. Similarmente los símbolos de grupo para suelos de grano fino son CL, ML, OL, CH, MH, OH, CL-ML y Pt. A continuación se da un procedimiento paso a paso para la clasificación de suelos: Paso 1: Determine el porcentaje de suelo que pasa la malla #200 (F). Si F<50%, se trata de un suelo de grano grueso, es decir, tenemos un suelo tipo grava o arenoso (donde F = porcentaje de granos más finos que la malla #200). Vaya al paso 2. Si F≥50%, se trata de un suelo de grano fino, vaya al paso 3.
Paso 2: Para un suelo de grano grueso, (100 – F) es la fracción gruesa en porcentaje. Determine el porcentaje de suelo que pasa la malla #4 y es retenido en la malla #200 (F1). Si F1 < (100 – F)/2, entonces el suelo tiene más grava que arena, por lo que es un suelo tipo grava, vaya a la tabla 2.5 y figura 2.12 para determinar el símbolo de grupo, y luego vaya a la figura 2.13 para obtener el nombre de grupo propio del suelo. Si F1 ≥ (100 – F)/2, entonces se trata de un suelo arenoso, vaya a la tabla 2.6 y figura 2.12 para determinar el símbolo de grupo y a la figura 2.13 para obtener el nombre de grupo del suelo.
Paso 3: Para un suelo de grano fino, vaya a la tabla 2.7 y figura 2.12 para obtener el sĂmbolo de grupo. Si se trata de un suelo inorgĂĄnico, vaya a la figura 2.14 para obtener el nombre del grupo. Si se trata de un suelo orgĂĄnico, vaya a la figura 2.15 para obtener el nombre del grupo.
Clasificación AASHTO. El sistema de clasificación AASHTO clasifica el suelo en 7 grupos mayores: A-1 al A-7. Los suelos clasificados en los grupos A-1, A-2 y A-3 son materiales granulares, donde 35% o menos de las partículas pasan por la malla #200. Los suelos de los que mas del 35% pasan por la malla #200 son clasificados en los grupos A-4, A-5, A-6 y A-7. La mayoría están formados por materiales tipo limo y arcilla. El sistema de clasificación se basa en los siguientes criterios: 1. Tamaño del grano. Grava: fracción que pasa la malla de 75mm y es retenida en la malla #10 (2mm). Arena: fracción que pasa la malla #10 y es retenida en la malla #200 (0.075mm). Limo y arcilla: fracción que pasa la malla #200. 2. Plasticidad: el término limoso se aplica cuando las fracciones de finos del suelo tienen un índice de plasticidad de 10 o menor. El término arcilloso se aplica cuando las fracciones de finos tienen un índice de plasticidad de 11 o mayor.
Para clasificar un suelo de acuerdo con la tabla 2.4, los datos de prueba se aplican de izquierda a derecha. Por un proceso de eliminación, el primer grupo desde la izquierda en el que los datos de prueba se ajusten, es la clasificación correcta. Para la evaluación de la calidad de un suelo como material para subrasante de carreteras, se incorpora también un número llamado Índice de Grupo (GI) junto con los grupos y subgrupos del suelo. Este número se escribe en paréntesis después de la designación de grupo o subgrupo. El GI está dado por la ecuación:
Donde: F = porcentaje que pasa la malla #200 LL = límite líquido PI = índice de plasticidad
A continuación se dan algunas reglas para determinar el índice de grupo:
1. Si la ecuación da un valor negativo para GI, este se toma igual a cero. 2. El GI calculado con la ecuación se redondea al número entero más cercano. 3. No hay límite superior para el índice de grupo. 4. El índice de grupo de suelos que pertenecen a los grupos A-1-a, A-1-b, A-2-4, A-2-5, y A-3 siempre es cero. 5. Al calcular el índice de grupo para suelos que pertenecen a los grupos A-2-6 y A-2-7, use el índice de grupo parcial para PI:
En general, la calidad del comportamiento de un suelo como material para subrasante es inversamente proporcional al índice de grupo.