Poza Rica de Hgo., Ver a 21 de Febrero del 2011

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Propiedad de los materiales del subsuelo

Universidad Veracruzana

Campus: Poza Rica-TuxpamE. Educativa:

Cimentaciones

Facilitador:Ing. Roberto René Garibay

Alumno:Santiago Mateo Irving Miguel

Matricula:S07003765

Sección:801 C

INDICE

Capítulo I

Identificación y clasificación de suelos y de rocas

1.1definición de suelo y roca1.2propósitos de la identificación y de la clasificación1.3Descripción e identificación de los suelos 1.4propiedades índice del suelo1.5propiedades de las partículas solidas1.6relaciones volumétricas y gravimétricas de los suelos1.7estructura y consistencia de los suelo1.8sistema de clasificación de los suelos1.9descripción y clasificación de las rocas

Capitulo 2

Propiedades hidráulicas de los suelos y de las rocas

2.1 introducción 2.2 permeabilidad del suelos 2.3 permeabilidad de las rocas 2.5 humedad del suelo, drenaje y efecto de congelamiento 2.6 filtración y redes de flujo

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Capítulo I

Identificación y clasificación de suelos y de rocas

1.10 definición de suelo y roca

Los términos roca y suelo en ingeniería civil implican una distinción entre dos materiales de cimentación; Roca es agregado natural de granos minerales unidos por grandes y permanentes fuerzas de cohesión; suelo es un agregado natural de granos minerales, con o sin componentes orgánicos, que pueden separarse por medios mecánicos comunes. En el campo no existe tanta diferencia entre roca y suelo. Aun las rocas más rígidas y fuertes pueden debilitarse el sufrir el proceso de meteorización.

1.11 propósitos de la identificación y de la clasificación

En la naturaleza se encuentran los materiales en los cuales el ingeniero civil cimenta sus estructuras. Para preparar un proyecto debemos conocer el material presente y las propiedades que posee. Adquirir conocimientos extrayendo y examinando muestras que sean representativas de los materiales, en ingeniería de cimentaciones la experiencia es un factor inapreciable.

De manera general se he encontrado que los suelos y las rocas pueden clasificarse en grupos. La capacidad de identificar y clasificar rocas y suelos correctamente es básica para el análisis de problemas en ingeniería, el detalle de con se describen prueban y valoran la muestra, depende del tipo de estructura a construir.

La identificación y clasificación es un proceso artificial, este hecho he determinado que existe varios sistemas de clasificación arbitraria, cada uno con ciertas ventaja y desventajas. Para evitar dificultades en preferible usar métodos sencillos.

La información más detallada con respecto a una roca o suelo puede resumirse mejor indicando los resultados numéricos, conocidos como propiedades características o índice, de ciertas pruebas de materiales denominadas pruebas de clasificación.

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1.12 Descripción e identificación de los suelos

Tipos principales de suelos. Son grava, arena, limo y arcilla, la mayor parte de los suelo se compone de uno o más elementos, a la mezcla se le da el nombre del elemento más predomine en su comportamiento y a los otros componentes se usan como adjetivos.

A las gravas y arenas se les llamas suelos de granos gruesos, y los limos y las arcillas suelos de grano fino. La distinción puede diferenciarse a simple vista.

Materiales de los suelos de grano grueso. Son fragmentos que se identifican tomando en cuenta el tamaño de las partículas, estas tiene un tamaño mayor que se aproxima a 5 mm se clasifica como grava, y si excede de 200 mm se le conoce como boleo.

Si loa granos son invisibles a simple vista, pero un tamaño menor de 5 mm el suelo se describe como arena, la cual puede ser arena gruesa, media o fina.

Limites de los tamaños de los componentes de suelo según la clasificación de la ASTM (en mm)

Grava Mayor de 4.75Arena gruesa De 4.75 a 2.00Arena media De 2.00 a 0.425Arena fina De 0.425 a 0.075Finos (mezclas de limos y arcillas) Menores de 0.075

Una descripción de un suelo grueso se toma en cuenta la graduación, la forma de las partículas, y la composición. La graduación permite definir al suelo como bien graduados, bastante bien graduado, bastante uniformes y de granulometría discontinua.

Materiales de grano fino. Los limos inorgánicos, constituyen la parte gruesa de la fracción microscópica y tienen poca plasticidad y cohesión. La arcilla se caracteriza por tener propiedades típicas de coloides, plasticidad, la cohesión y la faculta de adsorber iones.

La distinción de los limos y arcillas, no se basa en el tamaño de las partículas, si no en la resistencia en estado seco. Se utilizan varios métodos para determinar resistencia las que se califican en muy baja, baja, media, alta o muy alta. La arcilla es más resistente que un limo, ya que los limos son más permeables, la dilatación o prueba de agitado puede usarse también para distinguirlos.

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La plasticidad es una propiedad característica de las arcillas. A una humedad determinada puede deformarse y amasarse en la mano formando cilindros, que al perder humedad se desmoronan, una arcilla plástica puede formar cilindros de 3mm de diámetro y los limos no tienen esta propiedad a menos que tenga cantidades de arcillas. Con la prueba plasticidad también podemos conocer la tenacidad.

La prueba de dispersión, también sirve para distinguir una arcilla de un limo, en la cual se dispersa una pequeña cantidad de suelo en una probeta con agua y se deja reposar, las arena se asientan en 30 0 60 segundos, limos de 15 a 60 minutos y las arcillas varias horas.

Materia orgánica del suelo, cantidades pequeñas de materia de materia orgánica, este suelo es débil y compresible.

1.13 propiedades índice del suelo

Las propiedades índice nos sirve para conocer las propiedades del suelo, en función de valores numéricos. Las propiedades índice se dividen en propiedades de los granos que corresponde a las partículas individuales de que está compuesta el suelo y propiedades del agregado o conjunto dependen de la estructura y disposición de las partículas en la masa del suelo.

1.14 propiedades de las partículas solidas

Tamaño de los granos. La distribución granulométrica de los suelos gruesos se puede determinar por medio de análisis mecánico, como es el cribado, la malla común es la no 200 US, ya que es aceptada como la frontera entre un grano grueso y un fino.

Los métodos de análisis en húmedo se basan en la ley de Stokes, en la cual se hace una suspensión del suelo que se agita y después se deja en reposo, para determinar el tamaño de las partículas de acuerdo a su asentamiento. La densidad correspondiente arbitraria es la medida de la cantidad de suelo menor que el tamaño calculado. En ingeniería la densidad se mide con un hidrómetro.

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En este método se dispersa en 1 litro de agua aun muestra aproximada de 50 g de suelo en una probeta, la cual se agita durante 1 minuto y se coloca en posición vertical. Se introduce en un hidrómetro y se toman lecturas cada 2, 4, 8, 15 minutos, en esto se basa la hipótesis de que todas las partículas con esféricas, en realidad las partículas de suelo más fino tiene forma de laminas o de agujas.

Las fuentes de error en el análisis mecánico en húmedo es la inadecuada dispersión de los granos finos. Para evitar la floculación se añade un agente dispersor como lo es el polifosfato.

Composición mineralógica. Propiedad más importante de un grano fino de los suelo, si las partículas son menores a 0.002 mm la fuerza de gravedad es insignificante comparadas con las fuerzas eléctricas que actúan en la partícula.

1.15 relaciones volumétricas y gravimétricas de los suelos

Los términos porosidad, relaciones de vacío y el peso especifico relativo de los sólidos se usan comúnmente para definir la densidad de la muestra. La muestra se divide en fase solida, liquida y gaseosa.

Vs = volumen de sólidos

Vw = volumen de agua

Vg = volumen de gas

Como la relación entre Vg y Vw cambia usualmente con las condiciones del agua bajo el subsuelo y con el efecto de las cargas aplicadas, es conveniente designar todo el volumen que no está ocupado por material solido como volumen de vacios, Vv si se designa el volumen total de la muestra por V. entonces la porosidad se define como:

Porosidad, n =Vv / V

Usualmente la porosidad se expresa como porcentaje, cuando un suelo se comprime es necesario determinar los asentamientos, para eso se usa la cantidad conocida como relación de vacios.

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Relación de vacios, e = Vv / Vs

Una de las propiedades índice más importante de los suelos es la humedad, w. que se define como:

Humedad, w (%) =100WW /WS

Ww =peso del agua

Ws = peso del sólidos

Muchos suelos que se encuentran bojo o sobre del nivel freático se encuentran saturados, el grado de saturación se define como:

Grado de saturación, Sr (%) =100VW / Vv

Por lo tanto cundo el grado de saturación es del 100% todo el espacio está lleno de agua.

El peso de unidad por volumen de agua o peso volumétrico se defino como:

Peso volumétrico, = W / V

W= peso total del suelo incluyendo el agua

V= volumen total

Si el suelo está completamente saturado, Vg=0, su peso volumétrico se designa con sat si el suelo se seca en el horno su peso se indica con d, llamándose peso volumétrico seco.

Peso volumétrico seco, d = Ws / V

Si se conoce la humedad d = 100W

(100+w)V =100100+w

Cuando se compacta, disminuye su volumen, expulsando el aire hasta que el grado de saturación de la muestra llegue al 100%. A esto se le conoce como exento de huecos con aire y se calcula con:

Peso volumétrico del suelo seco exento de huecos con aire: z = W

Vw+Vs

Peso unitario de los componentes sólidos: s = WsVs

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Peso específico relativo de sólidos, G= s / w

w = peso volumétrico del agua, tomado como 1g/ cm3

Densidad del agregado del suelo. En el comportamiento de los suelos influye mucho lo suelto o compactado de su estructura. La relación de vacios o la porosidad de cualquier suelo una indicación directa de su comportamiento, aun que dos suelos tengan la misma relación de vacios, pueden tener diferente compactación, por lo tanto la compacidad relativa es más importante que la solo relación de vacios.

Compacidad relativa, Id = (emax – e) / (emax - emin)

emax = relación de vacios de un suelo en su estado más suelto

e = relación de vacios real

emin = relación de vacios en el estado más compacto

Por lo tanto para Id = 1.0 cuando los suelos están muy compactados y 0 para suelos muy sueltos, en los suelos que contienen cantidades apreciables de limos y arcillas, la compactación relativa pierde su significado.

Con la prueba Proctor estándar, se calcula el peso volumétrico del suelo, es decir el peso por metro cubico de los componentes sólidos del suelo que están en el recipiente en el que se hace la prueba. Los resultados se representan con curvas de compactación en las que la d para cada determinación se dibuja contra el valor moldeado de la humedad del molde.

El objetivo principal de las pruebas de compactación es controlar compactación del suelo en el campo, para determinar si se ha obtenido el peso volumétrico deseado.

El peso volumétrico de un suelo compactado en el lugar, se determina con una prueba, en la cual se nivela el superficie de suelo, en el cual se hace un agujero de 7 a 15 cm de dímetro, los lados del agujero deben de ser completamente lisos, todo lo excavado se guarda y pesa cuidadosamente, antes de que se evapore. Luego se determina el volumen del agujero, llenándolo con arena seca calibrada, o con un globo con agua, el peso volumétrico del lugar se calcula dividiendo el peso del suelo extraído por el volumen de agujero.

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1.16 estructura y consistencia de los suelo

La estructura primaria, forma en que están dispuestos los suelos, se forma principalmente por la sedimentación y meteorización de los suelos. Le estructura primaria se describe como simple, floculada o dispersa. En la estructura simple, cada grano toca a varios, de manera que es estable aunque no hubiera fuerza de adherencia y las propiedades son muy buenas para la compacidad. Floculada contiene granos de limos y arcillas, las cuales contiene granos óvalos o láminas, en el cual el borde o la esquina de una lámina de arcilla es atraída a la cara plana de la otra. La estructura dispersa, los bordes, esquinas y caras de las laminas de arcilla tienen cargas eléctricas semejantes, así las partículas se repelen entre si y toman posiciones casi paralelas.

La estructura secundaria, se forman principalmente de grietas, juntas, superficies de resbalamiento y concreciones.

Consistencia y sensibilidad, la consistencia de los suelos cohesivos se expresa cualitativamente como blando, medio, firme y duro. Cuantitativamente, la consistencia de un suelo cohesivo inalterado se puede expresar en función de su resistencia a la compresión qu determinada en probetas sin confinar.

La sensibilidad se determina como:

St = quinalteradaquremoldeada

La sensibilidad de la mayor parte de las arcillas excede de 1, pero no pasa aproximadamente de 8.

Los límites de Atterberg o límites de consistencia se utilizan para caracterizar el comportamiento de los suelos finos. El nombre de estos es debido al científico sueco Albert Mauritz Atterberg (1846-1916). Los límites se basan en el concepto de que en un suelo de grano fino solo pueden existir 4 estados de consistencia según su humedad. Así, un suelo se encuentra en estado sólido, cuando está seco. Al agregársele agua poco a poco va pasando sucesivamente a los estados de semisólido, plástico, y finalmente líquido. Los contenidos de humedad en los puntos de transición de un estado al otro son los denominados límites de Atterberg.

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Los ensayos se realizan en el laboratorio y miden la cohesión del terreno y su

contenido de humedad, para ello se forman pequeños cilindros de 3mm de

espesor con el suelo. Siguiendo estos procedimientos se definen tres límites:

Límite líquido: Cuando el suelo pasa de un estado semilíquido a un estado

plástico y puede moldearse. Para la determinación de este límite se utiliza la

cuchara de casa grande.

Límite plástico: Cuando el suelo pasa de un estado plástico a un estado

semisólido y se rompe.

Límite de retracción o contracción: Cuando el suelo pasa de un estado

semisólido a un estado sólido y deja de contraerse al perder humedad.

Relacionados con estos límites, se definen los siguientes índices:

Índice de plasticidad: Ip ó IP = wl - wp

Índice de fluidez: If = Pendiente de la curva de fluidez

Índice de tenacidad: It = Ip/If

Índice de liquidez (IL ó IL), también conocida como Relación humedad-

plasticidad (B):

IL = (Wn - Wp) / (Wl-Wp) (Wn = humedad natural)

1.17 sistema de clasificación de los suelos

Como los depósitos de suelos son infinitamente variados, no ha sido posible crear un sistema universal de clasificación de suelos para determinar sus diferencias de todas sus propiedades índice. Sin embargo se han creado algunos sistemas basados en la textura, como el tamaño de la partícula en una característica importante.

El sistema MIT y el Unificado son los más usados en cimentaciones, para clasificar un suelo utilizando la granulometría, se usa la curva granulométrica y se calcula el peso de las partículas contenidas dentro de un intervalo de acuerdo con la clasificación de MIT.

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En el sistema de clasificación granulométrica que usan los científicos de Departamento de Agricultura de los E.U, se especifican los porcentajes de arena. Limo y arcilla, los cuales se representan en el diagrama triangular.

El sistema de la AASHO divide a los suelos en 8 grupos que son designados por los símbolos A-1 al A-8. Al los materiales bien graduados son del tipo A-1, los suelos restantes se agrupan en orden decreciente de estabilidad.

Sistema Unificado, de acuerdo a este sistema los suelos de grano grueso se dividen en:

1. grava y suelos gravosos, G2. arenas y suelos arenosos, S

las gravas y arenas se dividen separadamente en cuatro grupos:

a. bien graduadas. Material relativamente limpio. Wb. material bien graduado don excelente cementante arcilloso, Cc. mal graduados, material relativamente limpio, Pd. materiales gruesos con fino, no comprendidos en los grupos anteriores, N

Los suelos finos se dividen en tres grupos:

1. suelos limosos orgánicos y suelos arenosos muy finos. M2. arcillas orgánicas. C3. limos y arcillas orgánicos. O

cada uno de estos tres grupos se subdividen de acuerdo al límite liquido en:a. suelos finos con limite liquido de 50 o menos; Lb. suelos finos con límite líquido mayor que 50. H

1.18 descripción y clasificación de las rocas

la mayor parte de las rocas intactas tienen resistencia y rigideces mucho mayores que las exigidas en la cimentaciones ordinarias, la cimentación sobre rocas esta regida exclusivamente por las discontinuidades, zonas de meteorización y de alteración hidrotermica, fallas y zonas de corte.

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Una clasificación de las rocas por su estructura puede dividirse en:

Entrelazadas: cristales entretejidos que forman una masa bastante homogénea.

Cementadas: las partículas se han unido entre sí por precipitados químicos.

Laminadas: propiedades intensamente direccionales, como resultado de su sedimentación en capas delgadas.

Folidas: propiedades eminentemente direccionales, debido a la orientación paralela de los minerales aplanados.

La principal clasificación de los materiales rocosos se basa en la litología, que es un término que se refiere a la mineralogía, textura y estructura de las rocas.

Las rocas también pueden clasificarse geológicamente, de acuerdo a su origen en ígneas, sedimentarias y metamorfológicas.

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Capitulo 2

Propiedades hidráulicas de los suelos y de las rocas

2.1 introducción

En la construcción de una cimentación si se requiera abatir el nivel agua freática, el ingeniero deberá estar informado con respecto a las propiedades hidráulicas y las características de drenaje de los materiales de subsuelo.

2.2 permeabilidad del suelos

Definiciones y ley de Darcy. El material es Permeable cuando contiene huecos o intersticios continuos, hay grandes diferencias en el grado de permeabilidad de los diferentes materiales. La cantidad de agua que pasa a través de una roca densa puede ser tan pequeña puede pasar inadvertida.

Para entender cuáles son las fuerzas que regulan el agua atraves de los materiales térreos, es necesario conocer el significado de ciertos términos que se usan en hidráulica.

La relación ip = w (h/l) =u/l, se conoce como el gradiente de presión de a a b.

La relación, i = ip / w se defiende como el gradiente hidráulico entre a y b

El flujo del agua a través de las sustancias permeables está gobernado por la relación empírica.

Velocidad de descarga, u=ki

Gradiente hidráulico, i

Coeficiente de permeabilidad, k

El coeficiente de permeabilidad se incrementa al aumentar el tamaño de los intersticios, que a su vez crecen al aumentar el tamaño de sus granos. Por ejemplo, en estudios sobre permeabilidad para filtros, Allen Hazen encontró que

K = CD102, en la que C es aproximadamente igual a 100cm/seg y D10 se expresa en

cm.

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Las pruebas para determinar la permeabilidad en las muestras se hacen usualmente con un parámetro de cargas variables o constantes. La de cargas constantes da resultados seguros en materiales muy permeables como las arenas y gravas limpias. El valor de k se calcula por medio de la ecuación.

K= QL / hAt

Q volumen de descarga de agua, L longitud de la muestra en la dirección del flujo; A el área de la sección transversal de la muestra; h la carga hidráulica y t el tiempo.

En el parámetro de carga variable es más adecuado para probar materiales de baja permeabilidad. El valor para k puede calcularse con las cantidades medidas durante la prueba, por la ecuación

K = 2.3 aLAt

log10 hoh1

En esta ecuación, a es el área de la sección transversal del tubo de descarga, L la longitud de la muestra, A el área de la sección transversal de la muestra, t el tiempo y ho y h1 son las cargas hidráulicas original y final.

La permeabilidad de los deposito s estratigráficos también depende de la posición vertical u horizontal de la capas.

2.3 permeabilidad de las rocas

Incluso las rocas más sanas como algunos granitos, mármoles o pizarras, no pueden considerarse como impermeables; el esfuerzo total que obra en cualquier punto de una sección transversal o de roca, puede divide en dos partes. Una de

ellas llamada, precisión intersticial uw, y en esfuerzo efectivo Jp.

Es decir: p = ͂p + uW

En el plano ab la profundidad (H1 + z) la presión vertical es:

Presión total, p= H1 w + z sat

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El agua sobre el plano ab tiene continuidad en los vacios del suelo dentro de la altura z y es una masa continua en la profundidad H1. Por lo tanto, según las leyes de la hidráulica, la presión de poro uw ab será:

uw = (H1 + z) w

La presión efectiva Jp es entonces, Jp = z ( sat - w )

La cantidad sat - w se conoce como peso volumétrico del suelo.

2.5 humedad del suelo, drenaje y efecto de congelamiento

El nivel de agua freática debajo de la superficie del terreno de una zona, aun sea tan pequeña como el solar en que se construye un edificio, no es horizontal, sino que forma una superficie suavemente horizontal. La intersección del nivel de agua freática y la superficie vertical orientada en la dirección del talud más inclinado del agua freática se denomina frecuentemente línea de filtración. La carga piezometrica en cualquier punto P en la línea de filtración es cero.

Abajo del nivel de agua freática los suelos están completamente o casi saturados. Arriba de este nivel, el grado de saturación depende de las condiciones climatológicas, del tamaño de los granos y de la distancia del nivel freático.

Si la gravedad fuera única fuerza que obrara en el agua en el suelo, el suelo situado arriba del nivel freático siempre estaría seco, excepto durante el fenómeno de precipitación. Sin embargo el agua pone de manifiesto la fuerza de la tensión superficial, debida a la atracción entre sus moléculas en una interface de agua y aire. La tensión superficial combinada con la atracción entre el agua y la mayor parte de la atracción entre el agua y la mayor parte de las sustancias solidas, como lo demuestra la facultad del agua para mojar estas sustancias, es una fuerza que tiende a extraer o a retener humedad arriba del nivel freático. Esta fuerza es una manifestación de la capilaridad.

Drenaje por gravedad. Bajando el nivel freático puede evitarse las dificultades para construir bajo del nivel del agua en depósitos de suelo y puede aumentar la estabilidad del mismo. En materiales gruesos el agua puede drenarse, como la gravedad es la fuerza que origina la circulación del agua hacia los drenes, el proceso se llama drenaje por gravedad.

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Al fruir el agua hacia los drenes, produce presiones de filtración que tienden a mover los granos hacia la salida. Si el suelo es una mezcla de materiales que contiene arena fina o limo, es probable que se deslaven los componentes finos. Lo que puede producir sentamientos a la formación de túneles de erosión en el suelo drenado y, además obstruido por los drenes.

Efecto de congelamiento. Si la temperatura de la superficie del suelo es inferior a la superficie del suelo es inferior a la de la congelación y si el agua freática no está suficientemente profunda con respecto a la altura del ascenso capilar; el agua, moviéndose hacia arriba continuamente por el efecto capilar y por la evaporación y condensación, se acumula y congela, formando lentes de hielo en la parte superior del terreno, este fenómeno es más frecuente en las arenas muy finas y limos, porque estos suelos son capaces de elevar por capilaridad la mayor cantidad de agua en el tiempo más corto.

2.6 filtración y redes de flujo

las trayectorias de flujo del agua atraves de los suelos reales y a las correspondientes presiones de poro son extremadamente complejas, debido a la manera errática en la que es probable que varié punto a punto y en diferentes direcciones la permeabilidad. Por lo tanto, los análisis exactos de problemas tan comunes, como el efecto de sistema de desagüe.

El primer paso para construir una red de flujo consiste en tomar nota de todas las condiciones de frontera que deben satisfacer; es decir, determinar si se conoce anticipadamente algunas líneas de flujo o equipotenciales.

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