2013 II Tema 5 Ec 511j

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TEMA 5COMPORTAMIENTO DE

SUELOS FINOS

ING. MANUEL CORREA MOROCHOEC 511 J – CICLO 2013 II UNI - FIC

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Los principales agentes químicos que

producen meteorización son: hidratación,carbonatación, oxidación y solución. Estos

agentes producen fundamentalmente suelos

finos y son los causantes de la formación decasi todas las arcillas. Entre esta se distinguenlas caolinitas, las ilitas y montmorillonitas

(suelo expansivo).

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PLASTICIDAD

• Es la propiedad que presentan los suelos degrano fino de poder deformarse, hasta ciertolímite, sin romperse; tiene un efecto

importante en propiedades de Ingeniería,como la resistencia al corte y lacomprensibilidad. Para conocer la plasticidadde un suelo se hace uso de los límites de

Atterberg, quien por medio de ellos separó loscuatro estados de consistencia de los sueloscoherentes.

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PLASTICIDAD

• Cuando un suelo arcilloso se mezcla con unacantidad excesiva de agua. Éste puede fluircomo un semilíquido. Si el suelo es secado

gradualmente, se comportará como unmaterial plástico, semisólido, dependiendo desu contenido de agua. Éste, es por ciento, con

el que el suelo cambia de un estado líquido aun estado plástico

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LÍMITES DE CONSISTENCIA (LÍMITES DEATTERBERG)

• Límite Líquido de un suelo es determinado

por medio de la copa de Casagrande(Designación de Prueba D-4318 de la ASTM) yse define como el contenido de agua con elcual se cierra un ranura de ½ in (12.7 mm)mediante 25 golpes.

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LÍMITES DE CONSISTENCIA (LÍMITES DE

ATTERBERG)

• Límite Plástico se define como el contenido de

agua con el cual el suelo se agrieta al formarseun rodillo de 1/8 pulg (3.18 mm) de diámetro(Designación de prueba D-4318 de la ASTM).

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• Límite de Contracción se define comocontenido de agua con el cual el suelo no

sufre ningún cambio adicional de volumencon la pérdida de agua (Designación dePrueba D-427 de la ASTM).

• La diferencia entre el límite líquido y elplástico de un suelo se define como índice deplasticidad (IP), donde:

P = LL – LP

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17

18

19

20

21

10 100

DIAGRAMA DE FLUIDEZ

20 30 40 5025

N de golpes (N)

C o n t e n i d o d e

h u m e d a d ( % )

La Tabla y Figura muestran elreporte del ensayo del límite

líquido y límite plástico

PUNTOS 1 2 3 4

N° GOLPES 16 23 29 40

CONTENIDO DE

HUMEDAD (%) 20.4 19.6 18.8 17.8

LIMITE LIQUIDO (LL) = 19.2 %

LIMITE PLASTICO (LP) = N.P.

INDICE PLASTICO (IP) = N.P.

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ECUACION DE LA CURVA DE FLUIDEZ

• Donde:

• W :Contenido de agua, porcentaje del peso seco

•

FW : Índice de fluidez, pendiente de la curva defluidez igual a la variación del contenido de aguacorrespondiente a un ciclo de la escalalogarítmica.

• N :numero de golpes.

• C :Constante que representa la ordenada en laabscisa del primer golpe, se calcula prolongando

el trazado de la curva de fluidez.

ClogNFW W

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INDICE DE TENACIDAD (TW)

• S1 = 25gr/cm3; resistencia al esfuerzo cortante

de los suelos plásticos, en el límite líquido.

•

S2 = Resistencia al esfuerzo cortantecorrespondiente al límite plástico, cuyo valorpuede usarse para medir la tenacidad de unaarcilla.

1

2

w

p

wS

SLog

F

IT

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INDICE DE TENACIDAD (TW)

• El índice de tenacidad varía en el rangosiguiente:

•

Es rara la vez que alcanza valores de 5 omenores que 1.0

3Tw1

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PROBLEMA•

Deducir las expresiones para la determinación dellimite de contracción.

SOLUCIÓN

• Teniendo en cuenta que la gran mayoría de los suelosno presentan, prácticamente disminución devolumen durante el proceso de secado, abajo del

limite de contracción, se puede medir el peso y elvolumen de una muestra de suelo totalmente seca,en tal momento puede decirse que el limite decontracción seria la humedad de la muestra seca, si

tuviese sus vacios llenos de agua.

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• Si Wm = Ws

•

Como el suelo es seco

AIRE

SOLIDO

Vm

Vs

Wm=Ws

Ws

0s

s

s

ss

S

WWV

• De la figura:

100XW

)S

WV(

%Lcs

0

0s

sm

100X)S

1

W

V(%Lc

Ss

0m

100X)S

1

V

W(%Lc

S

m

s

0

100X)S

1(%Lc

Sd

0

100X)S

1(%Lc

Sm

0

100X)S

11(%LcS

0

m

100X)

S

1

Sm

1(%Lc

S

dm

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METODO DE PUBLIC ROADSADMINISTRATION

• V1 = Volumen de la muestra húmeda.

• V2 = Volumen de la muestra seca.

• W1 = Peso de la muestra húmeda.

• WS = Peso de la muestra seca.

100xW

)VV(WW(%)L

S

W21S1C

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Limite de contracción según el PUBLICROADS ADMINISTRATION.

• La relación de disminución de peso al perderseagua durante el secado, respecto a lacorrespondiente perdida de volumen, es una

recta con 45º de inclinación, para humedadessuperiores al limite de contracción.

• En el grafico siguiente ;(2) representa el imite de

contracción del suelo, obtenido secándolo desdelas condiciones iníciales (1). Al proseguir elsecado total(3), ya no hay variación volumétrica.

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Grafico para obtener el imite de contracciónsegún el P.R.A.

• Donde:

• V1 :Volumen de la muestrahúmeda

• V2 :Volumen de la muestra seca

• W1:Peso de la muestra húmeda

• Ws : Peso de la muestra seca

• De la figura aplicando la definición de contenido de aguaobtenemos el limite de contracción:

Ws W1

A

4

3 2

1V1

VS

V2

(V1-V2). W

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ACTIVIDAD

Como la propiedad plástica de los suelos resultadel agua absorbida que rodea a las partículas dearcilla, podemos esperar que el tipo de minerales

arcillosos y sus cantidades proporcionales en unsuelo afectarán los límites líquido y plástico.Skempton (1953) observó que el índice deplasticidad de un suelo crece linealmente con elporcentaje de la fracción de tamaño arcilloso(porcentaje de granos más finos que 2μ, en peso)presente en el.

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ACTIVIDAD

Con base en esos resultados, Skemptondefinió una cantidad llamada actividad, que esla pendiente de la línea que correlaciona el PI

con el porcentaje de granos más finos que 2μ.Esta actividad se expresa como:

peso)enarcilloso,tamañodefracciónlade porcentaje(PIA

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ACTIVIDAD

Donde A = actividad. Laactividad se usa comoun índice paraidentificar el potencial

de expansión de lossuelos arcillosos. En latabla siguiente(Mitchell, 1976) se dan

valores típicos deactividades para variosminerales arcillosos.

MINERAL ACTIVIDAD (A)

MONTMORILLONITAS 7

ESMECTITAS 1 – 7

ILITA 0.1 – 1

CAOLINITA 0.5

HALOISITA (2H2O) 0.5

HOLOISITA (4H2O) 0.1

ATAPULGITA 0.5 – 1.2

ALÓFANO 0.5 – 1.2

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CONSISTENCIA RELATIVA (CR)

En función de los límites de consistencia y lahumedad natural se obtiene la llamadaConsistencia Relativa (C.R.) de los suelos

cohesivos; por lo tanto:

Siendo Wn: humedad del suelo en su estadonatural.

IP

W LL RC

n

..

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La siguiente tabla muestra la consistencia

relativa de los suelos arcillosos:

CONSISTENCIA

RELATIVA DESCRIPCIÓN

0.00 – 0.25 Muy blanda

0.25 – 0.50

Blanda

0.50 – 0.75

Semi blanda ó Media

0.75 – 1.00 Dura

> 1.00

Muy Dura

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Índice de Liquidez (IL): Es un indicador de lahistoria de los esfuerzos en que ha sido sometido

el suelo y varía con el contenido de humedadnatural se determina con la siguiente expresión:

Condiciones:

IL < 0 : El suelo está en estado sólido

semiplástico o en estado sólido.0 IL 1 : El suelo está en estado

plástico.

IL > 1 : El suelo está en estado líquido.

IP

LP Wn

IL

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EQUIPO PARA LA DETERMINACIONDEL LIMITE LIQUIDO ASTM D-4318

a) Dispositivo

para la pruebaCASAGRANDE

b) Ranurador

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EQUIPO PARA LA DETERMINACIONDEL LIMITE LIQUIDO ASTM D-4318

c) Material para laprueba que pasa lamalla Nº40

d) Material suelo despuésde la prueba

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DESARROLLO DEL ENSAYO DE LIMITELIQUIDO

1. La muestra de suelo

debe ser aireada,no secada al horno.

2. Tamizar por la malla

Nº40.

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3. Se coloca lamuestra sobre lacopa Casagrande.

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4. Se divide la muestra

con ayuda delranurador.

5. Se procede a dar

golpes hasta que lasdos mitadesseparadas se unan.

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DESARROLLO DEL ENSAYO DE LIMITEPLÁSTICO

1. Secar al aire.

2. Tamizar (malla Nº40)

3. Mezclar con agua (w1)4. Amasar la muestra.

Cada rollito debe

llegar a medir 3mmde diámetro aprox.

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DESARROLLO DEL ENSAYO DE LIMITEPLÁSTICO

6. Sacar el contenido dehumedad

5. El LP se obtiene siempre ycuando el rollito llegue a

3mm y contenga grietas.

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HINCHAMIENTO, CONTRACCIÓN,EXPANSIÓN

La absorción de agua en el espacio interlaminartiene como consecuencia la separación de las

láminas dando lugar al hinchamiento.

Este proceso depende del balance entre la

atracción electrostática catión-lámina y la energíade hidratación del catión.

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HINCHAMIENTO, CONTRACCIÓN,EXPANSIÓN

• A medida que se intercalan capas de agua y laseparación entre las láminas aumenta, lasfuerzas que predominan son de repulsión

electrostática entre láminas, lo que contribuyea que el proceso de hinchamiento puedallegar a disociar completamente unas láminas

de otras.

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FÍSICO-QUÍMICA DE LAS ARCILLAS,ESTRUCTURA DE LAS ARCILLAS

• Desde el punto de vista de la ingeniería, lacaracterística más importante de un materialarcilloso natural es su forma laminar típica.Varias propiedades ingenieriles importantes sondirectamente debidos a este factor, combinadocon otros, tales como lo pequeño de sus

partículas y su carga eléctrica negativasuperficial.

Í Í

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• Las principales propiedades que debenconsiderarse en el contexto de ingeniería son:área superficial, carga superficial y adsorción,

capacidad de intercambio básico, floculación,expansión y contracción, plasticidad ycohesión.

FÍSICO-QUÍMICA DE LAS ARCILLAS,ESTRUCTURA DE LAS ARCILLAS

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TIXOTROPÍA

TIXOTROPÍA

La tixotropía se define como el fenómenoconsistente en la pérdida de resistencia de un

coloide, al amasarlo, y su posteriorrecuperación con el tiempo.

Las arcillas tixotrópicas cuando son amasadas

se convierten en un verdadero líquido. Si, acontinuación, se las deja en reposo recuperanla cohesión, así como el comportamiento

sólido.

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TIXOTROPÍA

• Para que una arcilla tixotrópica muestre esteespecial comportamiento deberá poseer uncontenido en agua próximo a su límite líquido.

Por el contrario, en torno a su límite plásticono existe posibilidad de comportamientotixotrópico.

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APLICACIONES EN LA INGENIERIACIVIL

• Las bentonitas se empezaron a utilizar paraeste fin en Europa en los años 50, y sedesarrolló más tarde en Estados Unidos.

• Se utiliza para cementar fisuras y grietas derocas, absorbiendo la humedad para impedir

que esta produzca derrumbamiento detúneles o excavaciones, para impermeabilizartrincheras, estabilización de charcas, etc.

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• Para que puedan ser utilizadas han de estardotadas de un marcado carácter tixotrópico,viscosidad, alta capacidad de hinchamiento y

buena dispersabilidad.

• Las bentonitas sódicas o cálcicas activadas son

las que presentan las mejores propiedadespara este uso.

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Los usos en este campo se pueden resumir en:

• Creación de membranas impermeables entorno a barreras en el suelo, o como soportede excavaciones.

• Protección de tuberías: como lubricante yrellenando grietas.

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• Prevención de hundimientos. En las obras, sepuede evitar el desplome de paredeslubricándolas con lechadas de bentonita.

• En cementos: aumenta su capacidad de sertrabajado y su plasticidad.

• En tomas de tierra: Proporciona seguridad enel caso de rotura de cables enterrados.

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• En túneles: Ayuda a la estabilización y soporteen la construcción de túneles. Actúa comolubricante (un 3-5 % de lodo de bentonita

sódica mantenida a determinada presiónsoporta el frente del túnel). También esposible el transporte de los materialesexcavados en el seno de fluidos benoníticos

por arrastre.

• Transporte de sólidos en suspensión.

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