UNCP

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

Aode la Diversificacin Productiva y del Fortalecimiento de la Educacin

RELACIONES VOLUMTRICAS Y GRAVIMTRICAS, PLASTICIDAD Y CLASIFICACIN DE LOS SUELOS

INFORME

MECNICA DE SUELOS II

INTRODUCCION

Hoy en da es cada vez ms concluyente el hecho que ningn ingeniero que sienta la responsabilidad tcnica y moral de su profesin deja de efectuar un estudio de las condiciones del subsuelo cuando disea estructuras de cierta importancia ya que esto conlleva a una caracterstica muy importante que es la seguridad. Es por esto que el presente trabajo explica y detalla temas fundamentales en la mecnica de suelos, como lo son las Relaciones Volumtricas y Gravimtricas, Plasticidad y Clasificacin de los Suelos, estos conocimientos son de gran importancia para realizar los estudios necesarios y as dar solucin a los problemas que se presentan en las edificaciones de las obras de ingeniera civil.

1. RELACIONES VOLUMETRICAS Y GRAVIMETRICAS

En general el suelo est constituido por esqueleto de partculas slidas rodeadas de espacios llenos de agua y aire, la representacin en volumen y masa de las fases se muestra a continuacin:

Las relaciones gravimtricas comunes son el contenido de humedad y el peso especfico.En mecnica de suelos se relaciona los distintos pesos con sus volmenes correspondientes, por medio del concepto de peso especfico, es decir la relacin entre el peso de la sustancia y su volumen. Se distinguen los siguientes pesos especficos:

Peso volumtrico del suelo

Peso especifico

Peso especfico de las partculas solidas

Peso volumtrico seco

Se llama tambin contenido de agua y se define comola relacin del peso de agua entre el peso de slidos en un volumen dado de suelo

Contenido de humedad

Las relaciones volumtricas comnmente usadas para las tres fases en un elemento de suelo son relacin de vacos, porosidad y grado de saturacin

Llamado tambin oquedad o ndice de poros; es la relacin entre el volumen de vacos y el de slidos

Relacin de vacos

Se llama as a la relacin entre su volmenes de vacos y volumen de masa.

Porosidad

Es la relacin del volumen sobre el volumen de vacos, se expresa en porcentaje

Grado de saturacin

EJERCICIO N 01

Para un suelo dado, e = 0.75, w = 22% Y Gs = 2.66. Calcule la porosidad, el peso especfico hmedo, el peso especfico seco y el grado de saturacin.

Solucin La porosidad es

Para encontrar el peso especfico hmedo, usamos la ecuacin (2.19a) para calcular la densidad hmeda:

Por consiguiente e1 peso especfico hmedo es

Para encontrar el peso especfico seco, usamos la ecuacin

El grado de saturacin es

2. COMPACIDAD RELATIVA

El trmino compacidad relativa es comnmente usado para indicar la compacidad o laflojedad in situ del suelo granular. Se define como:

Donde:Cr = compacidad relativa, usualmente dada como porcentajee = relacin de vacos in situ del sueloemx = relacin de vacos del suelo en la condicin ms sueltaemn = relacin de vacos del suelo en la condicin ms densa

El grado de compactacin en el campo puede medirse de acuerdo a la compacidad relativa. En los suelos formados por partculas gruesas, como las gravas y las arenas; es muy importante conocer su estado de compacidad, que se define por la Densidad relativa o Compacidad relativa

Donde:

3. CONSISTENCIA DEL SUELO

Cuando existen minerales de arcilla en un suelo de grano fino, ste puede ser remodelado en presencia de alguna humedad sin desmoronarse. Esta naturaleza cohesiva es debida al agua adsorbida que rodea a las partculas de arcilla. A principios de 1900, un cientfico sueco, Albert Mauritz Atterberg, desarroll un mtodo para describir la consistencia de los suelos de grano fino con contenidos de agua variables. A muy bajo contenido de agua, el suelo se comporta ms como un slido frgil. Cuando el contenido de agua es muy alto, el suelo y el agua fluyen como un lquido. Por tanto, dependiendo del contenido de agua, la naturaleza del comportamiento del suelo se clasifica arbitrariamente en cuatro estados bsicos, denominados slido, semislido, plstico y lquido, como muestra la figura 2.5.

El contenido de agua, en porcentaje, en el que la transicin de estado slido a semislido tiene lugar, se define como el lmite de contraccin. El contenido de agua en el punto de transicin de estado semislido a plstico es el lmite plstico, y de estado plstico a lquido es el lmite lquido. Esos lmites se conocen tambin como lmites de Atterberg.

Lmite lquido (LL)

Un diagrama esquemtico (vista lateral) de un dispositivo para determinar el lmite lquido se muestra en la figura 2.6a, que consiste en una copa de bronce y una base de hule duro. La copa de bronce se deja caer sobre la base por una leva operada por una manivela. Para la prueba del lmite lquido se coloca una pasta en la copa. Se corta una ranura en el centro de la pasta de suelo, usando la herramienta de corte estndar (figura 2.6b). Luego, con la leva operada por la manivela, se levanta la copa y se deja caer desde una altura de 10 mm. El contenido de agua, en porcentaje requerido para cerrar una distancia de 12.7 mm a lo largo del fondo de la ranura (vase las figuras 2.6c y 2.6d) a los 25 golpes se define como el lmite lquido.

El procedimiento para la prueba del lmite lquido est dado en la Prueba D-4318 de la ASTM.

Casagrande (1932) concluy que cada golpe en un dispositivo estndar para lmite lquido corresponde a una resistencia cortante del suelo de aproximadamente 1 g/cm2 (",0.1 kN/m2). Por consiguiente, el lmite lquido de un suelo de grano fino da el contenido de agua para el cual la resistencia cortante del suelo es aproximadamente de 25 g/cm2 (",2.5 kN/m2).

Lmite plstico (PL)

El lmite plstico se define como el contenido de agua, en porcentaje, con el cual el suelo, al ser enrollado en royitos de 3.2 mm de dimetro, se desmorona. El lmite plstico es el lmite inferior de la etapa plstica del suelo. La prueba es simple y se lleva a cabo enrollando repetidamente a mano sobre una placa de vidrio (figura 2.7) una masa de suelo de forma elipsoidal.El ndice de plasticidad (PI) es la diferencia entre el lmite lquido y el lmite plstico de un suelo, o

El procedimiento para la prueba del lmite plstico se da en la prueba D-4318 de la ASTM.

Lmite de contraccin (SL)

La masa de suelo se contrae conforme se pierde gradualmente el agua del suelo. Con una prdida continua de agua, se alcanza una etapa de equilibrio en la que ms prdida de agua conducir a que no haya cambio de volumen (figura 2.8). El contenido de agua, en porcentaje, bajo el cual el cambio de volumen de la masa del suelo cesa, se define como lmite de contraccin.Las pruebas del lmite de contraccin (Prueba D-427 de la ASTM) se efectan en el laboratorio con un recipiente de porcelana de aproximadamente 44 mm de dimetro y 13 mm de altura. El interior del recipiente est recubierto con aceite de petrleo que luego se llena completamente con suelo hmedo. El exceso de suelo que queda fuera del borde se retira con una regleta. Se registra la masa de suelo hmedo dentro del recipiente.Luego, la masa de suelo en el recipiente se seca en horno. El volumen de la masa de suelo secada en horno se determina por el desplazamiento de mercurio. Como el manejo del mercurio es peligroso, la prueba D-4943 de la ASTM describe un mtodo de inmersin de la masa de suelo seco en una vasija de cera derretida. La masa de suelo revestida de cera es enfriada. Su volumen se determina sumergindola en agua.

Con referencia a la figura 2.8, determinamos el lmite de contraccin de la siguiente manera:(1)Donde:Wi = contenido de agua inicial cuando el suelo se coloca en el recipiente del lmite de contraccin.w = cambio en el contenido de agua (es decir, entre el contenido de humedad inicial y el contenido de agua en el lmite de contraccin).

Sin embargo,(2)

Donde:mI = masa del suelo hmedo en el recipiente al principio de la prueba (g)m2 = masa del suelo seco (g) (vase la figura 2.9)

Adems,(3)

Donde:Vi = volumen inicial del suelo hmedo (es decir, el volumen dentro del recipiente, cm3)V = volumen de la masa de suelo secada en horno (cm3)Pw = densidad del agua (g/cm3)

Ahora, combinando las ecuaciones (1), (2) Y (3), tenemos(4)

4. INDICE DE LIQUIDEZ

La consistencia relativa de un suelo cohesivo en estado natural se define por una razn llamada ndice de liquidez (LI):

donde w = contenido de agua del suelo in situ.

El contenido de agua in situ de una arcilla sensitiva es mayor que el lmite lquido.En tal caso,LI > 1Esos suelos, al remoldearlos, se transforman en una forma viscosa que fluye como un lquido.Los depsitos de suelos que estn fuertemente sobre-consolidados tienen un contenido de agua natural menor que el lmite plstico. En ese caso,LI < 1Los valores del ndice de liquidez para algunos de esos suelos son negativos.

5. CARTA DE PLASTICIDAD

Los lmites lquido y plstico son determinados por medio de pruebas de laboratorio relativamente simples que proporcionan informacin sobre la naturaleza de los suelos cohesivos. Las pruebas son usadas ampliamente por ingenieros para correlacionar varios parmetros fsicos del suelo as como para la identificacin del mismo. Casagrande (1932) estudi la relacin del ndice de plasticidad respecto al lmite lquido de una amplia variedad de suelos naturales. Con base en los resultados de pruebas, propuso una carta de plasticidad que muestra la figura 2.11. La caracterstica importante de esta carta es la lnea A emprica dada por la ecuacin PI = 0.73 (LL - 20). La lnea A separa las arcillas inorgnicas de los limos inorgnicos. Las grficas de los ndices de plasticidad contra lmites lquidos para las arcillas inorgnicas se encuentran arriba de la lnea A y aquellas para limos inorgnicos se hayan debajo de la lnea A. Los limos orgnicos se grafican en la misma regin (debajo de la lnea A y con el LL variando entre 30 y 50) que los limos inorgnicos de compresibilidad media. Las arcillas orgnicas se grafican en la misma regin que los limos inorgnicos de alta compresibilidad (debajo de la lnea A y LL mayor que 50). La informacin proporcionada en la carta de plasticidad es de gran valor y es la base para la clasificacin de los suelos de grano fino en el Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos. Note que una lnea llamada lnea U se encuentra arriba de la lnea A. La lnea U es aproximadamente el lmite superior de la relacin del ndice de plasticidad respecto al lmite lquido para cualquier suelo encontrado hasta ahora. La ecuacin para la lnea U se da como:

6. CLASIFICACION DE LOS SUELOS

Tiene como objetivo principal el establecer un lenguaje comn y relacionar propiedades con determinados grupos de suelos. Se considera el suelo como material y su clasificacin est basada en sus propiedades mecnicas y su comportamiento ingenieril.

American Association of State Highway Officials(AASHTO)

SISTEMAS DE CLASIFICACION

Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos (SUCS)

a. Sistema de clasificacin AASHTO

Este sistema de clasificacin fue desarrollado en 1929 como el Public Road AdministrationClassification System (Sistema de Clasificacin de la Oficina de CaminosPblicos). El Sistema de Clasificacin AASHTO actualmente en uso, se muestra en la tabla 2.4.De acuerdo con ste, el suelo se clasifica en siete grupos mayores: A-l al A-7. Los suelos clasificados en los grupos A-l,A-2 y A-3 son materiales granulares, donde 35% o menos delas partculas pasan por la criba No. 200. Los suelos de los que ms del 35% pasan por la criba No. 200 son clasificados en los grupos AA, A-5, A-6 Y A-7. La mayora estn formados pormateriales tipo limo y arcilla.

Tamao del grano Grava: fraccin que pasa la malla de 75 mm y es retenida en la malla No. 10 (2 mm) de Estados Unidos Arena: fraccin que pasa la malla No. 10 (2 mm) US. y es retenida en la malla No. 200 (0.075 mm) US. Limo y arcilla: fraccin que pasa la malla No. 200 US.

Plasticidad: El trmino limoso se aplica cuando las fracciones de finos del suelo tienen un ndice de plasticidad de 10 o menor. El trmino arcilloso se aplica cuando las fracciones de finos tienen un ndice de plasticidad de 11 o mayor.

Criterios de clasificacin

Si cantos rodados y boleas (tamaos mayores que 75 mm) estn presentes, stos se excluyen de la porcin de la muestra de suelo que se est clasificando. Sin embargo, el porcentaje de tal material se registra.

TABLA DE CLASIFICACION

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 eliminacin, el primer grupo desde la izquierda en el que los datos de prueba se ajusten, es la clasificacin correcta. Para la evaluacin de la calidad de un suelo como material para subrasante de carreteras, se incorpora tambin un nmero llamado ndice de grupo (GI) junto con los grupos y subgrupos del suelo. Este nmero se escribe en parntesis despus de la designacin de grupo o de sub grupo. El ndice de grupo est dado por la ecuacin.

Donde: a = Porcentaje que pasa el tamiz N 200, comprendido entre 35% mnimo y 75%mximo. Se representa solo en nmero entero y vara de 0 a 40. b = Porcentaje que pasa el tamiz N 200, comprendido entre 15% como mnimo y 55%como mximo. Se representa en nmero entero, vara de 0 a 40. c = Parte del Lmite Lquido, comprendido entre 40% como mnimo y 60% comomximo. Se representa en nmero entero y vara de 0 a 20. d = Parte del ndice de Plasticidad, comprendido entre 10% como mnimo y 30% comomximo. Se representa en nmero entero y vara de 0 a 20.

Consideraciones: Si la ecuacin da un valor negativo para GI,ste se toma igual a O. El ndice de grupo calculado con la ecuacin se redondea al nmero entero ms cercano (ejemplo, GI = 3.4 se redondea a 3). No hay un lmite superior para el ndice de grupo. El ndice 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 O.

EJERCICIO N 01

Una muestra de suelo orgnico, tiene las siguientes caractersticas:

Lmite Lquido = 53%Lmite Plstico = 22%Cul es su clasificacin por el mtodo AASHO?SOLUCIONDeterminacin del (IG)IG = 0.2a + 0.005ac + 0.01bdPorcentaje que pasa el tamiz N 200 (0.074 mm.) = 71%; por tanto tenemos:a = 71% - 35% = 36%b = 40%c = 53% - 40% = 13%d = 22% - 10% = 12%Reemplazando en (1):IG = 0.2 (36) + 0.005(36) (13) + 0.01 (40) (12) = 14.34Como lo ndices de Grupo, slo deben expresarse en nmeros enteros, tenemos que:IG = 14.34 = 14Determinando grficamente el (IG): (Fig. 2)Para, L.L. = 53%, la fraccin del (IG) es = 9.7Para, I.P. = 22%, la fraccin del (IG) es = 4.7Sumando:IG = 9.7 + 4.7 = 14.4 = 14ii.) Clasificando el suelo; utilizando el cuadro N 1, procediendo a observar el cuadro de izquierda a derecha por eliminacin cuando los datos no coinciden; se determina que el suelo es: (A 7)Determinando si es, (A 7 5) o (A 7 6):Si L.P. 30, la clasificacin es A 7 5Si L.P. < 30, la clasificacin es A 7 6En nuestro problema:L.P. = 53 23 = 31Considerando el ndice de grupo, la clasificacin del suelo es:A 7 5(14)

b. Sistema de clasificacin SUCS

La forma original de este sistema fue propuesto por Casagrande en 1942 para usarse enla construccin de aeropuertos emprendida por el Cuerpo de Ingenieros del Ejrcito durante la Segunda Guerra Mundial. En cooperacin con la Oficina de Restauracin de Estados Unidos, el sistema fue revisado en 1952. Hoy en da, es ampliamente usado por los ingenieros (Prueba D-2487 de la ASTM).

Este sistema clasifica los suelos en dos amplias categoras: suelos de grano grueso que son de naturaleza tipo grava y arenosa con menos del 50% pasando la malla No. 200; y los suelos de grano fino con 50% o ms pasando la malla No. 200. Segn Das para clasificar apropiadamente un suelo utilizando este sistema deben conocerse el porcentaje de grava, el porcentaje de arena, el porcentaje de limo y arcilla, los coeficientes de uniformidad y curvatura y el lmite lquido e ndice de plasticidad.

Los primeros cinco datos se obtienen a partir de un anlisis granulomtrico. El mtodo SUCS presenta diversa nomenclatura:

Para suelos granulares, las siglas son G (grava), S (arena), W (bien graduada) y P (mal graduada). Para suelos finos la nomenclatura es M (limo), C (arcilla), H (alta compresibilidad) y L (baja compresibilidad). Para los suelos orgnicos la sigla es Pt (turba).

El procedimiento para la clasificacin de suelos viene descrito de la siguiente forma:

1. Descartar que el suelo sea un Pt. 2. Determinar si el suelo es fino o granular:

- Granular...% pasando # 200 < 50%. - Fino..........% pasando # 200 50%.

3. Si el suelo es granular, seguir los siguientes pasos:

a. Determinar si es grava o arena:

- Si Ret. #4 > 50% Ret. #200, hay ms grava que arena, por lo que es un suelo tipo grava. - Si Ret. #4 50% Ret. #200, hay ms arena que grava, por lo que es un suelo tipo arena.

b. Determinar si G o S est limpia, intermedia o sucia

- Limpia, si el % pasa #200 es < 5%. Determinar si es W o P. - Intermedia, si el % pasa #200 est entre 5 y 12%. Determinar si es W o P. Determinar si est contaminada con M o C. - Sucia, si el % pasa #200 es > 12%. Determinar si est contaminada con M o C. Para determinar si el suelo es W o P se utiliza el Cc y el Cu. - Para las gravas, es W si u >4 ,1