UNIVERSIDAD NACIONAL DE TUCUMAN FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS Y TECNOLOGÍA TECNOLOGÍA MECANICA DE LOS SUELOS
Propiedades Elementales de los Suelos
Origen y Formación de los Suelos La corteza terrestre está compuesta principalmente por rocas cuya formación ha tomado varios millones de años. Durante este período la superficie rocosa ha sufrido una desintegración y una descomposición continuas mediante procesos de meteorización. Como resultado, gran parte de la superficie actual de la corteza terrestre, el lecho rocoso relativamente inalterado, está cubierto por una acumulación de materiales muy poco cementados, o sin cementación, y de espesor variable:
El Suelo Mecánica de los Suelos
Origen y Formación de los Suelos Clasificación de las Rocas según su Origen: Igneas: Enfriamiento del Magma. Excelente material de fundación por su elevada resistencia. (σadm > 50 kg/cm2)
ROCAS
Sedimentarias: Diagénesis (endurecimiento de de sedimentos por consolidación, cementación o recristalización incipiente en presencia de temperatura y presión moderadas). (σadm < 15 kg/cm2) Metamórficas: Producto de la alteración de rocas preexistentes en presencia de agua y condiciones de temperatura y presión elevadas). Buen material de fundación.
Pómez Andesita Basalto Granito Caliza Arenisca Yeso Conglomerado
Mármol Cuarcita Pizarra Gneiss
(σadm ≈ 15-50 kg/cm2) Mecánica de los Suelos
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Origen y Formación de los Suelos Origen y Tipos de Depósitos: Suelos Residuales: Se han formado completamente por meteorización in situ y han permanecido en su posición original. Ejemplos de este tipo de depósitos son los suelos coluvionales, que son suelos con partículas de diferentes tamaños y sin clasificar.
Mecánica de los Suelos
Origen y Formación de los Suelos Origen y Tipos de Depósitos: Suelos Transportados: Han sido desplazados de su posición original y depositados en otro sitio; los principales agentes de transporte son el agua, el hielo, y el viento. Ejemplos de este tipo de depósitos son los suelos aluvionales, que se encuentran clasificados por tamaño (estratificados) recubriendo el lecho rocoso. Mecánica de los Suelos
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Origen y Formación de los Suelos Procesos de Meteorización:
Meteorización Física: Se denomina así al proceso de fragmentación física o desintegración mecánica de la masa rocosa. Meteorización Química: Se denomina así al proceso de descomposición química de algunos o de todos los minerales que constituyen la masa rocosa.
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Origen y Formación de los Suelos Meteorización Física: Cambios de Temperatura Crecimiento de Cristales
Erosión In Situ
Actividad Orgánica Tensiones en la Corteza Gravedad
Meteorización Física
Gravedad: produce coluviones Agua: produce aluviones
Erosión y Transporte Hielo: produce morrenas Viento: produce loess y dunas
Mecánica de los Suelos
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Origen y Formación de los Suelos Meteorización Química: Hidratación: Es la incorporación de agua a una sustancia, para la formación de un nuevo compuesto. Es el caso de la anhidrita, que al hidratarse se transforma en yeso). Hidrólisis: Descomposición química de una sustancia o compuesto en presencia de agua. Este fenómeno es el responsable de la formación de las arcillas. Disolución: Es el fenómeno que se produce en las rocas calizas por efecto del agua y en presencia de anhídrido carbónico, produciendo oquedades y cavernas en el macizo rocoso. Oxidación: Se produce como consecuencia de la combinación del oxígeno del agua o del aire con los metales presentes en el suelo o roca (el compuesto formado da coloración verdosa o rojiza al suelo). Mecánica de los Suelos
Origen y Formación de los Suelos Meteorización Química: Elementos químicos presentes en la corteza terrestre: Elemento Oxígeno Silicio Aluminio
Contenido
46 % 27,7 % 8,1 %
Hierro
5%
Calcio
3,6 %
Sodio
2,8 %
Potasio
2,6 %
Magnesio
2,1 %
Mecánica de los Suelos
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Origen y Formación de los Suelos Perfil Edafológico Típico de San Miguel de Tucumán Suelo Vegetal
- 0.80 m
- 5.00 m (Nivel Freático)
Arcillas Limosas de Baja Plasticidad
- 7.00 m - 8.00 m
Arenas Gruesas (Paleocauces)
Limos Arcillosos
- 20 a - 25 m Grava Compacta Mecánica de los Suelos
Clasificación Técnica de los Suelos AASHO
ASTM
USCS
Grava
60 – 2 mm
75 – 2 mm
> 2 mm
75 – 4,75 mm
Arena
2 – 0,06 mm
2 – 0,05 mm
2 – 0,075 mm
4,75 – 0,075 mm
Limo
0,06 – 0,002 mm
0,05 – 0,002 mm
0,075 – 0,005 mm < 0,075 mm (finos)
Arcilla
< 0,002 mm
< 0,002 mm
BS5930: British Standards 5930. AASHO: American Association of State Highway Transportation Officials.
< 0,005 mm
Fracción Fina
BS5930
Fracción Gruesa
Clasificación según el Tamaño Granulométrico:
ASTM: American Society for Testing and Materials. USCS: Unificated Soils Clasification System. Mecánica de los Suelos
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Clasificación Técnica de los Suelos La estructura y las propiedades ingenieriles de los suelos granulares están relacionadas principalmente con las fuerzas gravitatorias que actúan sobre el esqueleto sólido, proporcionales a la masa de los granos que componen el suelo y dependientes, por lo tanto, de la distribución de tamaños presentes en el depósito de suelo. La estructura y las propiedades ingenieriles de los suelos cohesivos son mucho más complejas. Esto se debe al predominio, sobre las fuerzas gravitatorias, de las fuerzas electrostáticas derivadas de la actividad química existente en la superficie de las partículas de los minerales arcillosos.
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Propiedades Electrostáticas de los Minerales Arcillosos Los minerales arcillosos son producto de la meteorización química y están constituidos en su mayor parte por silicatos de aluminio hidratados. Las partículas de arcilla tienen forma aplanada, con una gran superficie en proporción a su masa. Poseen una descompensación de cargas eléctricas, es decir, no son eléctricamente neutras, lo que resulta en una carga neta negativa en sus caras y positiva en sus bordes. Los minerales arcillosos tienen forma cristalina y están constituidos por unidades estructurales: la tetraédrica y la octaédrica. De acuerdo a la organización de estas unidades en la red cristalina, los minerales arcillosos se dividen en tres grupos fundamentales: caolinitas, illitas, y montmorillonitas. Mecánica de los Suelos
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Propiedades Electrostáticas de los Minerales Arcillosos Unidad Tetraédrica Silicio Representación gráfica de una capa tetraédrica Oxígeno Hidroxilo
Unidad Octaédrica
Aluminio o Magnesio
Representación gráfica de una capa octaédrica
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Propiedades Electrostáticas de los Minerales Arcillosos Grupo de las caolinitas: El bloque estructural de este grupo de minerales tiene un espesor de 7 Å y está formado por una capa de unidades tetraédricas y otra de unidades octaédricas. Los enlaces iónicos de hidrógeno crean una estructura relativamente estable en la que no penetra el agua con facilidad. Tienen baja tendencia a la adsorción de agua y baja susceptibilidad a la retracción y a la expansión.
Enlace de hidrógeno, relativamente fuerte
7Å
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Propiedades Electrostáticas de los Minerales Arcillosos Grupo de las illitas: El bloque estructural de este grupo tiene un espesor de 10 Å y está formado por una capa de unidades octaédricas en medio de dos capas de unidades tetraédricas orientadas en forma opuesta. La adherencia entre bloques es menos estable que en las caolinitas. Presentan mayor tendencia a la adsorción de agua y mayor susceptibilidad a la retracción y a la expansión que ellas.
Enlace de iones potasio, relativamente débil
10 Å
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Propiedades Electrostáticas de los Minerales Arcillosos Grupo de las montmorillonitas: El bloque estructural de este grupo es similar al de las illitas, pero las unidades poseen una gran carga negativa debido a la sustitución de iones de silicio por iones de aluminio, hierro, y magnesio. Se forma, entonces, un enlace entre bloques constituido por iones metálicos y agua, muy débil. Tienen una elevada tendencia a la adsorción de agua y a la expansión y retracción.
Enlace muy débil de iones metálicos y moléculas de agua
9.6 Å
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Propiedades Electrostáticas de los Minerales Arcillosos Agua Adsorbida Como consecuencia de la carga neta negativa en las caras de las partículas de arcilla, parte del agua que llena los vacíos entre ellas es atraída y se adhiere fuertemente a su superficie. Las moléculas de agua, de forma dipolar, son atraídas por las caras de las partículas (con sus polos positivos apuntando hacia la superficie de éstas). El agua adherida a las partículas de mineral arcilloso de la manera descrita, se denomina agua adsorbida. Las moléculas de agua adsorbida se hallan fuertemente adheridas a la partícula de arcilla y presentas baja movilidad y viscosidad muy alta (unas 100 veces superior a la del agua libre).
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Propiedades Electrostáticas de los Minerales Arcillosos Agua Adsorbida
agua capilar
partícula de arcilla
agua adsorbida
agua libre
Mecánica de los Suelos
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Propiedades Electrostáticas de los Minerales Arcillosos Agua Adsorbida La capa de agua adsorbida es muy difícil de separar de la arcilla: una muestra de arcilla secada en estufa a 110 ºC pierde toda la humedad presente en la misma, a excepción del agua adsorbida, que permanece adherida a las partículas aún a estas temperaturas. A medida que aumenta la distancia que separa a las moléculas de agua de las partículas de arcilla, disminuye la fuerza de atracción entre ellas. La capa de agua intermedia entre el agua adsorbida y el agua que fluye libremente, recibe el nombre de agua viscosa o capilar. La capa exterior de agua, que fluye sin restricciones, se denomina agua libre. Mecánica de los Suelos
Otras Propiedades de los Minerales Arcillosos Susceptibilidad o Sensibilidad Una muestra de arcilla se denomina remoldeada cuando ha sufrido una severa alteración por amasado que destruye su estructura original. En general, la resistencia de una muestra de arcilla remoldeada es inferior a la correspondiente a la misma arcilla inalterada, es decir, con su estructura original intacta. La pérdida de resistencia se atribuye a la ruptura de los vínculos electrostáticos entre las partículas y a la liberación del agua adsorbida, que se convierte en agua libre. La sensibilidad nos da una medida de la pérdida de resistencia en la arcilla debido al remoldeo a contenido de humedad constante. Mecánica de los Suelos
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Otras Propiedades de los Minerales Arcillosos Susceptibilidad o Sensibilidad Sensibilidad =
cu ( muestra inalterada ) cu ( muestra remoldeada )
cu : Resistencia al corte sin drenaje. La mayoría de las arcillas tiene una susceptibilidad que está en el rango de 1 a 4. Las arcillas rápidas son aquellas que han sido sometidas a procesos de hidrólisis (lavado de sus sales), lo cual produce un debilitamiento de sus enlaces y de la proporción de agua adsorbida. Las arcillas rápidas llegan a tener valores de susceptibilidad incluso superiores a 100. Mecánica de los Suelos
Otras Propiedades de los Minerales Arcillosos Susceptibilidad o Sensibilidad La siguiente es una escala de sensibilidad, basada en las propuestas de Skempton, Northey, y Bjerrum: Sensibilidad 16
Rápida (Quick Clays)
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Otras Propiedades de los Minerales Arcillosos Tixotropía Esta parabra se emplea para designar el fenómeno consistente en la pérdida de resistencia de una arcilla al amasarla y su posterior recuperación con el tiempo. Tal comportamiento, cuando existe, suele ser intenso en las proximidades del límite líquido y prácticamente nulo en el límite plástico. Las arcillas tixotrópicas, al ser amasadas, se convierten en un verdadero líquido. Si se las deja en reposo, al cabo de un corto tiempo solidifican y alcanzan una notable cohesión sin pérdida de humedad. La montmorillonita (bentonita) tiene esta propiedad; la caolinita apenas muestra endurecimiento tixotrópico y la illita muy poco. Mecánica de los Suelos
Propiedades Físicas de los Suelos Introducción En general, el suelo es un material trifásico, constituido por un esqueleto de partículas sólidas, rodeadas por espacios llenos de agua y aire.
En consecuencia, para poder describir las propiedades de un suelo, es necesario expresar la proporción de sus tres fases constituyentes, en función de algunas propiedades físicas estándar.
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Propiedades Físicas de los Suelos Introducción Representación esquemática de las fases que componen una fracción de suelo: Va
Aire
Vw
Agua
Masa nula
Vv MW
Mv
V
M Vs
Sólidos
Ms
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Propiedades Físicas de los Suelos Introducción Definiciones: Descripción
Descripción
V
Volumen total del elemento
M
Masa total del elemento
Vs
Volumen de sólidos
Ms
Masa de sólidos
Vv
Volumen de vacíos
Mv
Masa de vacíos
Vw
Volumen del agua intersticial
Mw
Masa del agua intersticial
Va
Volumen del aire en los poros
La masa del aire en los poros se supone igual a cero
V = Vs + Vv = Vs + Vw + Va
M = M s + Mv = M s + Mw Mecánica de los Suelos
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Propiedades Físicas de los Suelos Granulometría La distribución de tamaños de las partículas en una masa de suelo se representa con la curva de gradación o curva granulómetrica. La curva granulométrica se obtiene midiendo, en una muestra representativa, la proporción de partículas de tamaño inferior a determinados diámetros; en arenas y gravas esto puede hacerse con un análisis por tamizado; en la fracción fina, mediante un análisis por sedimentación.
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Propiedades Físicas de los Suelos Granulometría Porcentaje que Pasa Acumulado
100 90 80 70 60 50 40
muestra A
30
muestra B 20
muestra C muestra D
10 0 00,1
0,1
1,0
10
100
Tamaño de las Partículas [mm] Mecánica de los Suelos
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Propiedades Físicas de los Suelos ARENA Designación Tamaño
Granulometría Tamices usados por las normas ASTM GRAVA Tamaño Designación
3” 2” 1 ½” 1” ¾” ⅜”
75 mm 50 mm 37,5 mm 25 mm 19 mm 9,5 mm
Nº 4 Nº 8 Nº 10 Nº 16 Nº 20 Nº 30 Nº 40 Nº 50 Nº 60 Nº 100 Nº 140 Nº 200
4,76 mm 2,38 mm 2,00 mm 1,19 mm 0,84 mm 0,59 mm 0,42 mm 0,30 mm 0,25 mm 0,15 mm 0,105 mm 0,074 mm
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Propiedades Físicas de los Suelos Granulometría Designación Gruesa Grava Fina Gruesa Arena Mediana Fina
Rango 3” a ¾” ¾” a # Nº 4 # Nº 4 a # Nº 10 # Nº 10 a # Nº 40 # Nº 40 a # Nº 200
Mecánica de los Suelos
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Propiedades Físicas de los Suelos Coeficientes de Uniformidad y de Curvatura Coeficiente de Uniformidad
CCUU ==
D6060 D D D10 10
C CUU
Descripción Descripción Suelo Suelo Uniforme Uniforme
> 15 15
Coeficiente de Curvatura
CCC =
(D3030 )22 D6060 ⋅ D1010
Diámetro Efectivo = D1010 Mecánica de los Suelos
Propiedades Físicas de los Suelos Coeficientes de Uniformidad y de Curvatura
Porcentaje que Pasa Acumulado
100 90 80 70
60 50 40
30 20
10 0 0,01
D10
0,1
D30
1,0
10
D60
Mecánica de los Suelos Tamaño de las Partículas
100
[mm]
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Propiedades Físicas de los Suelos Diseño de Filtros Nivel Freático
Descenso del N.F. por medio de un sistema de drenaje
Tubo de Drenaje
Un sistema de drenaje es una red de tuberías o de drenes de suelo granular grueso que favorece el escurrimiento rápido del agua del suelo, lo que permite el descenso del nivel freático. Entre el dren y el suelo debe interponerse un filtro. Mecánica de los Suelos
Condiciones de Filtro: Descartamos del suelo elFísicas material superior 19 mm. (¾”). Propiedades de losa Suelos El filtro no debe contener partículas de tamaño superior a 80mm. El contenido de finos del filtro (< tamiz Nº 200) no debe ser superior al 5% (es decir, el material de filtro debe ser “limpio”). D >D φ 85 (filtro)
(orificios dren)
grava
La curva granulométrica del filtro debe ser similar a la curva granulométrica del suelo. Se debe cumplir que: 4 D15 (suelo) < D15 (filtro) < 4 D85 (suelo) El tamaño D85 del filtro no debe ser inferior al diámetro de los D85 ( filtro ) > D( orificios dren ) orificios del Ddren: >D 85 (filtro)
( orificios dren )
Si el dren es de grava uniforme de tamaño medio φ, el tamaño de los poros se supone: D( poros ) ≈ φ / 4 . Entonces, la condición anterior queda:Mecánica de los Suelos
D85 ( filtro ) > φ / 4
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Propiedades Físicas de los Suelos Diseño de Filtros Filtro Graduado: Suelo
Filtro 1 Filtro 2 Filtro 3
Dren
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Estructura en los Suelos Estructura Unigranular (arena)
Vv ≅ 30% VT
Mecánica de los Suelos
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Estructura en los Suelos Estructura Alveolar (arcillas en general)
Vv ≅ 60% VT
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Estructura en los Suelos Estructura Floculenta (arcilla poco consolidada, p. ej., depósitos de fondo de lagos y pantanos)
Vv ≅ 90% VT
Mecánica de los Suelos
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Propiedades Físicas de los Suelos Relación de Vacíos y Porosidad:
Vacíos
Vv
e=
Vv Vs
Relación de Vacíos
n=
Vv V
Porosidad
V Sólidos
Vs
La porosidad a veces también se expresa en porcentaje Mecánica de los Suelos
Propiedades Físicas de los Suelos Relación de Vacíos y Porosidad: Relacionando : y desarrollando
Vv Vv Vv = = V V Vs V − Vv 1− v V
e=
n 1− n
n=
e 1+ e
Algunos valores:
e
n
Arena bien graduada Arena uniforme
0,43 – 0,67 0,51 – 085
30% – 40% 34% – 46%
Suelos cohesivos
0,55 – 5,00
35% – 83%
Mecánica de los Suelos
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Propiedades Físicas de los Suelos Peso Específico y Pesos Unitarios Peso Específico
pe =
p suelo sec o V suelo
suelo seco
γs =
p suelo seco VTotal
suelo húmedo
γh =
p suelo húmedo VTotal
suelo saturado
γa =
p suelo saturado VTotal
Peso Unitario
3 suelo saturado sumergido γ 'a = (γ a − γ w ) = (γ a − 1 ) [ t / m ]
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Propiedades Físicas de los Suelos Contenido de Humedad y Grado de Saturación Contenido de Humedad es la proporción de agua, en peso, presente en una muestra de suelo: w% =
pagua psuelo
× 100
Grado de Saturación es la proporción de vacíos (volumen) ocupada por el agua: Sr =
Vagua Vvacío
× 100
Mecánica de los Suelos
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Propiedades Físicas de los Suelos Peso Específico y Pesos Unitarios Determinación del Peso Específico en Laboratorio: • Se seca la muestra de suelo en estufa 24 hs. y se procede a pesarla. • Se llena el picnómetro con kerosén y se extrae el aire del mismo con bomba de vacío. Seguidamente se pesa el picnómetro con kerosén en la balanza de precisión. • Se coloca la muestra de suelo dentro del picnómetro con kerosén y nuevamente se extrae el aire por medio de vacío. Se pesa el picnómetro con kerosén y con la muestra de suelo. Donde:
• Luego:
pe =
p1 = peso suelo seco p2 = peso (picnómetro + kerosén)
p1 × γK p1 + p2 − p3
p3 = peso (picnómetro + kerosén + suelo seco) γK = densidad kerosén
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Propiedades Físicas de los Suelos Peso Específico y Pesos Unitarios Determinación del Peso Unitario en Laboratorio: Con Sacatestigo: tapón de madera dura tope de hinca
γh =
P( suelo húmedo + sacatestigo ) − Psacastetigo V sacatestigo
muestra de suelo
Donde:
Mecánica de los Suelos
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Propiedades Físicas de los Suelos Peso Específico y Pesos Unitarios Determinación del Peso Unitario en Laboratorio: Método del Terrón:
γh = mercurio enrasado recipiente exterior
tornillos de nivelación
psuelo húmedo ⋅ γ mercurio pmercurio desalojado Mercurio desalojado
muestra de suelo
Mecánica de los Suelos
Propiedades Físicas de los Suelos Peso Específico y Pesos Unitarios Determinación del Peso Unitario in Situ: arena de grano uniforme
Método de la Arena:
suelo extraído válvula
Mecánica de los Suelos
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Propiedades Físicas de los Suelos Peso Específico y Pesos Unitarios Determinación del Peso Unitario in Situ (continuación): Método de la Arena:
V pozo =
(
arena sobrante
Parena total − Parena sobrante + Parena en cono
γ arena
)
volumen del cono (conocido)=Vcono volumen del pozo = Vpozo
Parena en cono = Vcono × γ arena
γh =
Psuelo húmedo V pozo Mecánica de los Suelos
Propiedades Físicas de los Suelos Peso Específico y Pesos Unitarios Determinación del Peso Unitario In Situ: Métodos Nucleares: De Superficie
• Retrodispersión (Rayos gamma) En Profundidad
Métodos Nucleares De Superficie
• Atenuación (Rayos beta) En Profundidad Mecánica de los Suelos
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Propiedades Físicas de los Suelos
Arreglo Rómbico
Arreglo Cúbico
Densidad Relativa en los Suelos Granulares
Frente
Planta
Mecánica de los Suelos
Frente
Planta
Propiedades Físicas de los Suelos Densidad Relativa en los Suelos Granulares Los rangos de valores de la relación de vacíos (e) y de la porosidad (n) de los suelos granulares dependen normalmente de la organización de las partículas en el esqueleto sólido. Las condiciones extremas pueden analizarse considerando un suelo ideal con partículas esféricas de tamaño uniforme. El estado más suelto se obtiene con las esferas ordenadas según un arreglo cúbico: emáx = 0,91 nmáx = 47,6 % El estado más denso se obtiene con las esferas ordenadas según un arreglo rómbico: emín = 0,35 nmín = 26 % El concepto de Densidad Relativa se utiliza para tener una idea de cuán próximo a su estado más suelto o más denso se encuentra un suelo granular en su estado natural (enat):
emax − enat × 100 e − emin max Mecánica de los Suelos
Dr [%] =
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Presión Total, Efectiva y Neutra Presión Total: Presión externa que se aplica a una masa de suelo (σ). Presión Neutra, Presión de Poros o Presión Intersticial: Porción de la Presión Total tomada por el fluido que llena los poros del suelo (µ). Presión Efectiva: Porción de la Presión Total tomada por el esqueleto sólido, que se transmite a través de los contactos intergranulares del mismo (σ’). De ella depende la deformación y la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo, de donde deriva su nombre. Mecánica de los Suelos
Presión Total, Efectiva, y Neutra La Ley de Terzaghi, o Principio de Presión Efectiva, expresa la siguiente relación:
+u σ = σ '+ Para suelos parcialmente saturados, Bishop propone una fórmula equivalente:
σ = σ ' + ua − χ (ua − uw ) ua : Presión del aire que ocupa parcialmente los poros. uw : Presión del agua que ocupa los vacíos dejados por el aire.
χ : Parámetro que depende fundamentalmente del grado de saturacion (suelo seco: χ=0; suelo saturado:χ=1). Mecánica de los Suelos
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