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GEOTECNIA APLICADA A LAS VÍAS TERRESTRES
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN FUNDAMENTOS DE MECÁNICA DE
SUELOS BANCOS DE MATERIAL COMPACTACIÓN REVISIÓN DE ESTRUCTURAS DE
CONTENCIÓN ESTABILIDAD DE TALUDES
INTRODUCCIÓN
OBJETIVO
Adquirir, reafirmar o ampliar conocimientos geotécnicos con aplicación en algunas áreas específicas de las vías terrestres.
DEFINICIONES
GEOTECNIA Técnica aplicada al conocimiento de la
tierra. Área de la ingeniería que estudia las
características físicas y las propiedades mecánicas de las formaciones naturales (suelos-fragmentos de roca-rocas) con las cuales o sobre las cuales habrá de construirse una obra (vía terrestre), así como su comportamiento en cuanto a esfuerzo y deformación, de modo que sean resistentes, durables y armónicas con el medio ambiente.
MECÁNICA DE SUELOS
Estudia el comportamiento mecánico e hidráulico de los suelos.
GEOLOGÍA
Ciencia que estudia la tierra. Ciencia qyue estudia la constitución y
propiedades de los materiales que forman la tierra, asi como los cambios habidos en ella, es decir, los procesos que la formaron y la transforman. También estudia las formas de vida (Geología histórica)
Revela el drama de la tierra, cuyo proceso queda registrado en las rocas, como testimonio de acontecimientos que discurren gradual, lenta y tranquilamente o mediante cambios convulsos, violentos y revolucionarios.
LA GEOTECNIA Y OTRAS DISCIPLINAS
GEOTECNI A = MECÁNICA DE SUELOS + MECÁNICA DE ROCAS + GEOLOGÍA
ALGUNAS APLICACIONES DE LA GEOTECNIA
ESTRUCTURAS Cimentaciones
HIDRÁULICA Obras de conducción y retención de agua
VÍAS TERRESTRES Obras viales y afines
Algunas áreas específicas de aplicación de la geotecnia
CIMENTACIONES Distribución de esfuerzos Resistencia (capacidad de carga) Deformaciones (asentamientos) Que permiten saber: Tipo de cimentación Profundidad de desplanre Tratamiento de las cimentaciones
OBRAS SUBTERRÁNEAS: Túneles Obras de drenaje
EXCAVACIONES O RELLENOS: Estabilidad de cortes, terraplenes
y laderas naturales Muros de contención y ademes
HUNDIMIENTOS LOCALES: Flujos de agua subterránea y
tubificación Extracción de agua Afallamiento geológico Consolidación natural CARACTERIZACIÓN DE LOS
MATERIALES: Como elementos estructurales (suelo-
cemento, tabicón prensado) Como agregado pétreo (calidad de los
materiales en la construcción de terracerías y pavimento)
EXPLORACIÓN E INSTRUMENTACIÓN
Exploración directa y semidirecta (pozos del tipo PCA, Penetración Estándar)
Exploración indirecta (Geofísica de tipo sísmica, de resistividad eléctrica)
Estudios geotécnicos
Estudio geotécnico en las vías terrestres: Es el conjunto de actividades de campo y laboratorio, asi como el análisis de los resultados obtenidos que conduzcan al conocimiento de las características y propiedades de los diferentes tipos de suelos y rocas que constituyen el terreno de cimentación y los que forman la estructura vial.
Objetivo: una estructura resistente, poco deformable y durable.
FUNDAMENTOS DE MECÁNICA DE SUELOS
MECÁNICA: Parte de la física que estudia las condiciones de movimiento o reposo de los cuerpos bajo la acción de fuerzas.
SUELO: Es un arreglo complejo o sistema intrínseco de tres fases: sólida, líquida y gaseosa.
MECÁNICA DE SUELOS: Estudia las características y propiedades de los suelos, asi como su comportamiento mediante la aplicación de las leyes de la mecánica y de la hidráulica.
CARACTERÍSTICAS DE LA FASE SÓLIDA:
partículas discretas con tamaño menor a 76.2 mm (3”)
Producto de la alteración de las rocas: desintegración mecánica (misma composición mineralógica, partículas poliédricas, gruesas e inertes) o
descomposición química (Oxidación, hidratación carbonatación; diferente composición mineralógica, particulas laminares, finas y cohesivas)
CICLO GEOLÓGICO DE FORMACIÓN DE SUELOS Y ROCAS
MAGMA ROCAS IGNEAS
ALTERA
CIÓN
INTEMPERISMO
SUELOS TIPOS DE SUELOS (clasificación geotécnica de
acuerdo a su origen): Suelos residuales Suelos transportados
LAS PROPIEDADES DE LOS SUELOS
La Mecánica de Suelos estudia las características y propiedades . . .
PROPIEDADES ÍNDICE
PROPIEDADES MECÁNICAS
PROPIEDADES HIDRÁULICAS
PROPIEDADES ÍNDICE DE LOS SUELOS
Propiedades índice: características propias de los suelos que son INDICATIVAS de su comportamiento y ayudan a su identificación y clasificación:
PESOS VOLUMÉTRICOS GRANULOMETRÍA ESTRUCTURA (y composición
mineralógica) ESTADOS Y LÍMITES DE
CONSISTENCIA (contenido de humedad)
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS SUELOS
ESFUERZOS (Geoestáticos y por solicitaciones externas)
DEFORMACIONES (a los esfuerzos generados por las cargas aplicadas)
RESISTENCIA (a los esfuerzos provocados)
PROPIEDADES HIDRÁULICAS DE LOS SUELOS
CAPILARIDAD (Fuerzas de tensión superficial)
PERMEABILIDAD (Flujos de agua)
Estados o condiciones de una masa de suelo:
F.G.
F.L. F.L. F.G.
F.S. F.S. F.S.
Parcialmente Saturado Seco
Saturado
RELACIONES VOLUMÉTRICAS Y GRAVIMÉTRICAS
Pesos volumétricos en los suelos y otras relaciones importantes
Peso específico o peso volumétrico:
m = Wm/Vm
Peso volumétrico del suelo seco.
d = Ws/Vs
Peso volumétrico de los sólidos.
s = Ws/Vs
Peso específico relativo (del suelo)
Sm = m / w = Wm/Vmw
Peso específico relativo del suelo seco
Sd = m / w = Ws/ Vmw
Peso específico relativo de los sólidos
Ss = s / w = Ws/ Vsw
(2.6Ss2.9)
Relación de vacíos e = Vv/Vs Porosidad (%) = (Vv/Vm)100 Grado de saturación Gw(%) = (Vw/Vv)100 Contenido de agua o humedad w(%) = (Ww/Ws)100
Determinación de relaciones volumétricas y gravimétricas en suelos
secos. Caso 1:
e = , Ss = , d = ?; d = Sso /(1+e)
Caso 2:
= , Ss = , d = ?; d = (1- )Ss o
Correlación entre e y en suelos secos: Igualando las expresiones de d y despejando e o :
e = /(1- )
= e/(1+e)
Relaciones volumétricas y gravimétricas en suelos saturados
Caso 1:
e = , Ss = , m = ?; m = o (Ss+e)/(1+e) Caso 2:
= , Ss = , m = ?; m= o [Ss(1- )+ ]
Correlación entre e y en suelos saturados: Igualando las expresiones de m y despejando e o :
e = /(1- )
= e/(1+e)
Relaciuones volumétricas en suelos parcialmente saturados
Caso 1:
e = , Ss = , w = , m = ?
m = o Ss(1+w)/(1+e)
Caso 2:
e = , Ss = , Gw = , m = ?
m = o (Ss+eGw)(1+e)
GRANULOMETRÍA DE SUELOS
Forma y tamaño de las partículas de un suelo:
Forma:
En suelos gruesos: Equidimensional (redondeada, angulosa o subangulosa)
En suelos finos: Laminar (principalmente)
Características de los suelos, por su tamaño
Con relación a la forma, de manera general, se puede decir:
Los suelos gruesos tienen mayor resistencia al esfuerzo cortante que los suelos finos
Los suelos gruesos se compactan mejor bajo la acción de carga vibratorias, mientras que los suelos finos bajo la acción de cargas estáticas o por amasado.
Los suelos gruesos son más permeables que los suelos finos.
Distribución granulométrica de los suelos
Tamaño: Asociado con el concepto de
granulometría.Los métodos más usuales para
determinar los tamaños de las partículas de un suelo son:
Análisis granulométrico por tamizado (o determinación de la composición granulométrica mediante el uso de malla)
Análisis hidrométrico, por sedimentación o lavado.
Métodos de análisis
La prueba tiene dos variantes:
Análisis granulométrico estándar
Análisis granulometrico simplificado
Análisis granulométrico estándar
Análisis granulométrico estándar:
Consiste en separar por tamaños las partículas del suelo, mediante cribado, es decir, pasándolo a través de una sucesión de mallas (de la No. 75 a la No. 0.075) de aberturas cuadradas y en pesar las porciones que se retienen en cada una de ellas, expresando dichos retenidos como porcentaje en peso de la muestra total.
Curva granulométrica
Curva granulométrica
La distribución de las partículas por tamaño se expresa mediante una gráfica llamada curva granulométrica.
En la curva granulomética se puede relacionar el % en peso de las partículas de tamaño inferior (o superior) a cierto diámetro.
% Que pasa (esc. nat.)
Di
Tamaño (esc.log.) La granulometría obtenida da una idea de
la composición de los tamaños solamente en dos tamaños, por lo que las curvas son representativas de partículas supuestas equidimensionales y no de las que tengan forma laminar o acicular.
Coeficientes de uniformidad y curvatura
Para fines de clasificación de suelos, se definen los siguientes coeficientes, que juzgan sobre la granulometría del material:
Coeficiente de uniformidad: Cu = D60/D10 Coeficiente de curvatura: Cc = (D30)2/D10*D60 D10, D30, D60 representa el tamaño de
las partículas, en mm, que en la gráfica de la composición granulométrica corresponden al 10%, 30% y 60% que pasa.
Iportancia de la granulometría
Las características granulométricas de un suelo influyen en la mayor o menor facilidad de compactación y consecuentemente en su comportamiento mecánico (principalmente en los suelos gruesos).
Un suelo tiene mayor estabilidad cuando tiene menor cantidad de vacíos, condición que se logra cuando el suelo tiene una sucesión adecuada de tamaños, de manera que las partículas más pequeñas ocupan los espacios entre las mayores
ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN MINERALÓGICA
Además de la forma y el tamaño de las partículas, es importante conocer su grado de acomodo y orientación.
El acomodo, distribución o arreglo y la orientación de las partículas define la ESTRUCTURA DE LOS SUELOS y de ésta depende, en gran parte, el comportamiento mecánico.
En el acomodo y orientación de las particulas de un suelo intervienen (principalmente) fuerzas:
Gravitacionales en suelos gruesos
Electroquímicas en suelos finos
Principales estructuras de los suelos
Suelos finos: Estructura floculada: Presenta
partículas de suelo en contacto cara-borde
Estructura dispersa: Posee partículas en disposición paralela
Suelos gruesos: Estructura simple: El acomodo de
las partículas se debe principalmente a las fuerzas gravitacionales
Compacidad relativa
En los suelos gruesos, la estructura o grado de acomodo puede cuantificarse e interpretarse por la compacidad relativa (Terzghi):
Cr = (emáx. – enat.)/(emáx. – emín.)
Niveles de compacidad
Cr (%) Denominación
0 – 15 muy suelta
0 – 35 suelta
35 – 65 (compacidad) media
65 – 85 compacta
85 – 100 muy compacta
A mayor acomodo, mayor compacidad y menor deformación.
Composición mineralógica
El comportamiento de los suelos está influenciado por su estructura y por su composición mineralógica (principalmente en los finos plásticos).
En la naturaleza se conocen cerca de 2000 minerales, de los cuales sólo 50 de ellos intervienen preponderantemente en la formación de las rocas.
Minerales constitutivos de los suelos
Los minerales constitutivos de las rocas se han integrado en grupos de acuerdo a sus elementos:
Silicatos (SiO4): Fueron los primeros compuestos que se
formaron al enfriarse la roca fundida. Las rocas magmáticas contienen más del 90% de estos minerales.
- Silicatos ferromagnesianos: Olivino, augita, hornblenda, biotita, piroxena, anfíbola. - Silicatos no ferromagnesianos: Muscovita, cuarzo y feldespato potásico (ortoclasa) o
sódico (plagioclasa)
Óxidos
Oxígeno+mineral: Cuarzo, sílice o bióxido de silicio (SiO2), magnetita, hematita y limonita.
Sulfuros
Oxígeno+mineral: pirita (FeS2), calcocita (CuS), galena (PbS), esfalerita (ZnS)
Carbonatos
Carbono+oxígeno: calcita o carbonato de calcio (CaCO3)
Sulfatos
Azufre+oxígeno: Anhidrita o sulfato de calcio (CaSO4). Yeso hidratado de calcio (CaSO.2H2O)
Minerales constitutivos de las arcillas
Las ARCILLAS están constituidas basicamente por silicatos de aluminio, magnesio, hierro y otros minerales (en menor proporción), cuya estructura cristalina (forma mineralógica) está bien definida, disponiéndose los átomos en láminas:
Lamina sílica o silícica Lámina alumínica.
Lámina sílica
Formada por un átomo de silicio rodeado de 4 de oxígeno, en forma de tetraedro; tetraedros que se unen a la vez entre sí formando unidades hexagonales . Las unidades hexagonales se repiten indefinidamente formando una reticula laminar o . . .
Lámina alumínica
Formada por un átomo de aluminio al centro, rodeado de 6 átomos de oxígeno, formando octaedros, que en sucesión continua forman una reticula laminar.
. . .
Tipos de arcillas
La combinación o empaquetamiento de las estructuras laminares o retículas anteriores, comunes en las arcillas, da lugar a los llamados minerales de arcilla o tipos de arcilla:
Montmorilonita Illita Caolinita
Arcilla montmorilonita: Está formada por el empaquetamiento
de una lámina alumínica entre dos sílicas, superponiéndose indefinidamente.
Arcilla Illita: Resulta del empaquetamiento de una
lámina alumínica entre dos sílicas, pero separadas por átomos de potasio.
Arcilla caolinita: Resulta del empaquetamiento de una
lámina sílica y otra alumínica que se superponen progresivamente
Comportamiento de las arcillas De las arcillas mencionadas, la
montmorilonita es la que presenta la unión más débil entre sus laminas, lo que permite el paso del agua entre ellas logrando separarlas hasta 400 Amstrongs
(Å=10-8 cm) o absorber agua hasta 7 veces su propio volumen, lo que se manifiesta como una expansión. Por ello se considera que las arcillas montmorilonitas son muy inestables en presencia de agua.
ESTADOS Y LÍMITES DE CONSOISTENCIA
PLASTICIDAD
Es la capacidad que tienen los suelos arcillosos que les permite, bajo ciertas condiciones de humedad, soportar deformaciones rápidas e irreversibles, bajo la aplicación de esfuerzos, sin agrietarse ni desmoronarse.
Esta propiedad es originada por fenómenos electroquímicos que se propician por la presencia de una capa de agua adsorbida y viscosa, alrededor de las partículas, comunmente coloidales y con estructura laminar.
La plasticidad se atribuye a la deformación de la capa adsorbida que, aunque ésta está fuertemente adherida a las partículas de mineral de arcilla, cuando estas se comprimen, el agua adsorbida se desplaza con relativa velocidad sobre la superficie de las partículas y éstas sufren un desplazamiento relativo unas con respecto a otras
La plasticidad de un suelo no es una propiedad permanente, sino circunstancial, dependiendo de la cantidad de agua y composición mineralógica.
En consecuencia, del tipo de arcillas mencionadas, la montmorilonita es la qure tiene mayor capacidad de intercambio iónico y mayor proporción de agua adsorbida en la superficie de las partículas y por lo tanto mayor plasticidad
Estados de consistencia y límites de plasticidad
De acuerdo con su contenido de agua los suelos pueden estar en alguno de los siguientes ESTADOS DE CONSISTENCIA
ESTADO ESTADO ESTADO ESTADO ESTADO SÓLIDO SEMISÓLIDO PLÁSTICO SEMILÍQUIDO LÍQUIDO
(No varía (apariencia sólida (propiedades (comportamiento (props. de una
su vol. al pero disminuye de plasticidad) de suelo viscoso) suspensión)
secarse) vol. al secarse)
w
LC LP LL
Límites de consistencia
Los límites de consistencia son la frontera entre determinados estados de consistencia.
Límite líquido (LL): Contenido de agua que marca la frontera entre el estado plástico y semilíquido.
Límite plástico (LP): . . . frontera entre el estado plástico y semisólido.
Límite de contracción (LC): . . . Frontera entre el estado semisólido y sólido
Límites de plasticidad:
En particular al LL y al LP se les llama límites de plasticidad
Índice de plasticidad:
IP = LL – LP
Representa la magnitud del intervalo de humedad, en el cual el suelo presenta consistencia plástica.
Determinación del LL:
Método de Casagrande: En la práctica, el LL corresponde al contenido de agua mínimo, a partir del cual desaparece la resistencia al corte del suelo, por lo que se obtiene al determinar el contenido de agua de la fracción de suelo que pasa la malla No. 40 (0.425), en una cantidad de 250 gr al ser colocada en la Copa de Casagrande.
En la porción de suelo se efectua una ranura trapecial de dimensiones especificadas y cuando los bordes interiores se ponen en contacto en una longitud de 13 mm (1/2”), después de golpear la copa 25 veces, al dejarla caer desde una altura de 1.0 cm a razón de 2 golpes por segundo, se le determina su humedad.
Curva de fluidez:
Se hacen varias determinaciones, con diferentes contenidos de humedad, para los cuales se requieren diferentes números de golpes para cerrar la ranura, y con los resultados obtenidos se traza la curva de fluidez:
El LL se obtiene, en la ordenada de la gráfica dibujada, que corresponde a contenido de agua, a partir de la abscisa igual a 25 golpes:
contenido de agua (%) LL N No. De
golpes (esc.
log.)
Propuesta de Lambe:
LL= w[N/25]0.121
donde: w: porcentaje de humedad de suelo
que cierra entre 20 y 30 golpes
N: Número de golpes para el que
cerró la muestra ( entre 20 y 30)
Determinación del LP:
El LP corresponde al contenido de agua de la fracción que pasa la malla No. 40 (0.425) para que se puedan formar con ella, mediante rolado, cilindros de 3 mm de diámetro, antes de que se rompan o desmoronen.
CLASIFICACIÓN E IDENTIFICACIÓN DE SUELOS
Los límites de consistencia o de Atterberg y los índices asociados a dichos límites son útiles para la identificación y clasificación de suelos y también se usan frecuentemente para especificaciones en control de calidad.
Los límites de consistencia se obtienen de suelos que han sido amasados o remoldeados pero no reflejan características de comportamiento mecánico.
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Sistema de Clasificación de Aeropuertos
(Dr. Arturo Casagrande. 1942 Universidad de Harvard)
Sistema Unificado de Clasificación de Suelos: SUCS
(Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos)
SUCS
De acuerdo a la granulometría de las partículas, si el 50% o más de las partículas pasa la malla No. 200 se clasifica como fino o grueso si más del 50% es retenido en dicha malla.
Estos grupos se dividen a la vez en subgrupos; a cada grupo se le asigna un símbolo formado por una letra prefijo y una sufijo:
En los suelos gruesos: Letras prefijo: G (grava): si el 50% o más de
la fracción gruesa es
reteni- da en la malla No.
4
S (arena): Si más del 50% de
fracción gruesa pasa
pasa la malla No. 4
Letras sufijo: W (bien graduado) = f(Cu,Cc)
P (mal graduado)
M (limo) = f (LL, IP)
C (arcilla)
Suelos finos: Letra prefijo: M (limo) C (arcilla) O (suelo orgánico) Letra sufijo: L (baja compresibilidad LL < 50%) H (alta compresibilidad LL > 50%)
La fracción fina se subdivide en grupos tomando en cuenta las características de plasticidad y como la plasticidad ( consecuencia de la presencia y deformación del agua adsorbida y viscosa) está relacionada con la compresibilidad, a través del LL: [IP = 0.073(LL – 20)], entonces la compresibilidad es otra propiedad que influye en la formación de grupos para la clasificación de suelos finos.
Bien graduadas (GW)
Gravas (G) sin finos
Mal graduadas(GP)
Gravas (G) CASOS DE FRONTERA
NO plásticos (GM)
Gravas (G) con finos
Plásticos (GC)
Gruesos
Bien graduadas (SW)
Arenas (S) sin finos
Mal graduadas (SP)
Arenas (S) CASOS DE FRONTERA
NO plásticos (SM )
Arenas (S) con finos
Plásticos (SC)
Baja compresibilidad (ML), (LL<50%)
Limos (M) inorgánicos Compresibles (MH1), (50%<LL<100%)
Muy compresibles (MH2), (LL>50%)
Baja compresibilidad (CL), (LL<50%)
Finos Arcillas (C) inorgánicas Compresibles (CH1), (50%<LL<100%)
Muy compresibles (CH2), (LL>50%)
Baja compresibilidad (OL), (LL<50%)
Limos o arcillas orgánicas (O) Compresibles (OH1), (50%<LL<100%)
Muy compresibles (OH2), (LL>50%)
Bien graduadas (GW)
Gravas sin finos Cu>4, 1Cc 3
(menos 5% pasa # 200) Mal graduadas (GP)
(no cumplen con Cc y Cu)
Gravas CASOS DE FRONTERA
(más del 50% Con finos NO plásticos (GM)
se retiene #4) Gravas con finos (fracc.<#40 abajo linea A, o
(más del 12% pasa IP<4)
#200)
Con finos plásticos (GC)
(fracc. <#40 arriba linea A, o
IP>7)
Bien graduadas (SW)
Arenas sin finos Cu>6, 1Cc 3
(menos 5% pasa #200)
Mal graduadas (SP)
(no cumple con Cc y Cu)
Arenas CASOS DE FRONTERA
(más del 50%
pasa #4) Arenas (S) con finos Finos NO plásticos (SM )
(más del 12% pasa (abajo linea A o IP<4)
la #200)
Finos plásticos (SC)
(arriba linea A o IP>7)
Baja compresibilidad (ML), (LL<50%)
Limos (M) inorgánicos Compresibles (MH1), (50%<LL<100%)
Muy compresibles (MH2), (LL>50%)
Baja compresibilidad (CL), (LL<50%)
Finos Arcillas (C) inorgánicas Compresibles (CH1), (50%<LL<100%)
Muy compresibles (CH2), (LL>50%)
Baja compresibilidad (OL), (LL<50%)
Limos o arcillas orgánicas (O) Compresibles (OH1), (50%<LL<100%)
Muy compresibles (OH2), (LL>50%)
Carta de plasticidad
A. Casagrande encontró que en una relación LL – IP encontró que los suelos se agrupan de un modo específico, en zonas con características de plasticidad y propiedades mecánicas e hidráulicas bien definidas.
Esto dio lugar a la elaboración de una gráfica en un sistema cartesiano rectangular, llamada carta de plasticidad
IP Linea B Linea A arcillas inorgánicas
con características de suelos inorgánicos
plasticidad poco o nada plásticos
22 suelos de suelos de alta
de mediana a baja suelos finos compresibilidad
compresibilidad con apreciable contenido
de materia orgánica LL
20 50
