Clasificación de suelos y propiedades índice (84.07) Mecánica de Suelos y Geología Alejo O. Sfriso: [email protected] Ernesto Strina: [email protected] Mauro Codevilla: [email protected] Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Índice 2 • • • • • • Origen de los suelos y sistema de clasificación Suelos gruesos Suelos finos Carta de clasificación de suelos Propiedades índice Fisicoquímica de las arcillas Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Origen de los suelos: suelos residuales 3 http://es.wikipedia.org/wiki/Saprolito#/media/File:Laterite_formation_on_basaltic_tuff,_Madagascar._C_005.jpg Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Origen de los suelos: suelos transportados 4 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Origen de los suelos: suelos transportados 5 Depósito deltaico Depósito fluvio - glaciaico Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Partículas del suelo 6 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Clasificación de suelos 7 La clasificación le da el “nombre” a un suelo Define lo que el suelo “es” • Grava (G: gravel) • Arena (S: sand) • Limo (M: silt) • Arcilla (C: clay) Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Clasificación de suelos 8 La clasificación de suelos agrupa materiales con propiedades físicas, mecánicas e hidráulicas similares • Suelos gruesos (Arenas y Gravas) – Las partículas se tocan entre sí (fuerzas de masa) – Controla: granulometría, forma y dureza de partículas • Suelos finos (Limos y Arcillas) – Las partículas no se tocan entre sí – Las partículas tienen cargas eléctricas (f. superficiales) – Controla: capacidad de absorber agua Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Clasificación de suelos: el rango limos arcillas 9 100 – 50 – 20 m 10 – 2 – 1 m Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Índice 10 • Origen de los suelos y sistema de clasificación • Suelos gruesos – Granulometría – Esfericidad y redondez • Suelos finos • Carta de clasificación de suelos • Propiedades índice • Fisicoquímica de las arcillas Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Suelos gruesos 11 Fracción suelo: tamaño menor a 75mm (criba 3”) Tamaño grava: 75mm a 4.75mm (tamiz #4) Tamaño arena: 4.75mm a 74μm (tamiz #200) Suelo grueso: P#200 < 50% Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Granulometría por vía seca 12 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Curvas granulométricas típicas 13 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Granulometría por vía seca 14 Coeficiente de uniformidad Coeficiente de curvatura Los coeficientes miden la forma de la curva granulométrica • Curva granulométrica suave: suelos bien graduados – Pueden densificarse mediante vibración – Más rígidos y resistentes – Mas resistentes a erosión • Curva granulométrica abrupta: suelos mal graduados Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Clasificación de suelos gruesos limpios 15 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Ejercicio de clasificación de suelos gruesos limpios 16 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Esfericidad y redondez 17 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Esfericidad y redondez 18 PARÁMETRO CARENA TECPLATA Esfericidad 0.603 0.613 Redondez 0.510 0.630 Regularidad 0.557 0.622 Carena Tecplata Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Índice 19 • Origen de los suelos y sistema de clasificación • Suelos gruesos • Suelos finos – Límite líquido y límite plástico – Carta de Casagrande • Carta de clasificación de suelos • Propiedades índice • Fisicoquímica de las arcillas Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Suelos finos 20 Predominan las fuerzas de interacción electroquímica La “granulometría” no controla el comportamiento • Tamaño limo: 74μm (tamiz #200) a 2μm • Tamaño arcilla: menor a 2μm Lo que decide si es Limo o Arcilla es su capacidad de absorber agua Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Granulometría por vía húmeda Hidrometría: aplica ley de Stokes 100% % 95% PASA 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 55% 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% I II III IV V VI VII VIII IX X XI 0.1 21 Arcillas (< 2m) R#200 (74μm) 0.01 0.001 Φ PART ICULA (mm) Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Límites de Atterberg 22 Límite líquido (LL) • Mas humedad que LL, se porta como un líquido • Menos humedad que LL, se porta como un sólido Límite plástico (PL) • Mas humedad que PL, se porta como plástico • Menos humedad que PL, se porta como frágil Límite de contracción (SL) • El suelo parece seco, cambia de color, puede fisurarse Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Límite líquido 23 Es la humedad que tiene el suelo cuando se juntan dos mitades con N = 25 golpes de la copa contra su base (ASTM 4318) • Si N > 25 el suelo está muy duro: ω < LL • Si N < 25 el suelo está muy blando: ω > LL Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Límite líquido Hay dos maneras de hacer el ensayo • Tres puntos y se interpola • Un punto y se aplica la ecuación 24 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Límite plástico 25 Es la humedad a la cual un “rollito” de suelo que se afina con la mano se parte en fragmentos cuando llega a 3mm de diámetro Índice plástico plásti = LL - PL Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Carta de plasticidad 7 4 26 Baja plasticidad (L) Alta plasticidad (H) Arcilla de alta plasticidad (CH) Arcilla de baja plasticidad (CL) (CL-ML) 20 Limo de alta plasticidad (MH) (ML) 50 Límite líquido Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Ejercicios de clasificación de suelos finos 27 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Índice 28 • • • • • • Origen de los suelos y sistema de clasificación Suelos gruesos Suelos finos Carta de clasificación de suelos Propiedades índice Fisicoquímica de las arcillas 29 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Carta de clasificación de suelos 30 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice 31 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice 32 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice 33 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Ejercicios de clasificación de suelos 1: P#4=100%, P#200=95%, LL=38, LP=28 2: P#4=100%, P#200=25%, LL=27, LP=13, Cu=4.3, Cc=1.1 3: P3”=95%, P#4=50%, P#200=8%, LL=27, LP=13, Cu=5.9, Cc=1.7 4: P#4=90%, P#200=3%, Cu=2.3, Cc=1.7 34 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Índice 35 • • • • • • Origen de los suelos y sistema de clasificación Suelos gruesos Suelos finos Carta de clasificación de suelos Propiedades índice Fisicoquímica de las arcillas Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Propiedades índice 36 Las propiedades índice caracterizan el estado de un suelo (definen cómo el suelo “está”) Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Diagrama de fases 37 Para definir las propiedades índice se recurre al diagrama de fases Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Diagrama de fases 38 Para definir las propiedades índice se recurre al diagrama de fases – Humedad = Ww / Ws – Peso unitario = W / V – Peso unitario d = Ws / V seco – Relación de e = Vv / Vs vacíos – Porosidad n = Vv / V – Grado de Sr = Vw / Vv saturación Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Ejercicio: Deducción de algunas relaciones útiles 39 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Propiedades índice que “no cambian” 40 Algunas propiedades índice no cambian cuando cambia la humedad o la densidad del material • Peso específico de las partículas sólidas (γs) depende de los minerales constitutivos • Para suelos gruesos, la relación de vacíos máxima y mínima (emax y emin) depende de la granulometría y forma de partículas • Para suelos finos, los límites de Atterberg (LL, LP) y la superficie específica (Se) dependen de los minerales de arcilla presentes Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Peso específico de las partículas sólidas 41 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Efecto de forma sobre densidad 42 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Superficie específica Relación entre superficie de partículas (m2) y su masa (gr) (Narcilio y Santamarina) 43 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Propiedades índice derivadas Son números adimensionales que permiten agrupar a suelos de comportamiento similar • Suelos gruesos – Densidad relativa • Suelos finos – Consistencia relativa – Índice de liquidez 44 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Ejercicios 45 • Arcilla – Humedad natural – Peso unitario y cálculo de peso unitario seco – Límites y Clasificación – Fabricación de muestra con Cr = 0.2 y Cr = 0.8 • Arena – Granulometría y Clasificación – Medición de emin y emax – Fabricación de muestra con Dr = 0.2 y Dr = 0.8 • Práctica de laboratorio: clasificación y prop. índice Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Índice 46 • • • • • • Origen de los suelos y sistema de clasificación Suelos gruesos Suelos finos Carta de clasificación de suelos Propiedades índice Fisicoquímica de las arcillas Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Fundamentos físicos de la clasificación de suelos 47 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Química de las arcillas 48 Los procesos físicos de meteorización de rocas pueden generar gravas, arenas y limos Sólo los procesos químicos generan arcillas Las unidades fundamentales de las arcillas son cristales planos, fundamentalmente silicatos de Al, Fe, Mg Dos configuraciones atómicas posibles, tetraedro y octaedro, forman los distintos minerales de arcilla Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Configuraciones atómicas 49 Dos configuraciones atómicas posibles, tetraedro y octaedro, forman los distintos minerales de arcilla Los octaedros se ubican entre dos capas de tetraedros Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Fuerzas superficiales 50 Las caras de las partículas de arcilla tienen carga negativa debido a: • Enlaces rotos de los bordes • Sustitución de átomos por otros de menor valencia (Si por Al, Al por Mg o Fe) Cuanto más chicas son las partículas (mayor superficie específica), las fuerzas eléctricas aumentan en relación al peso Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Cationes de cambio 51 Las cargas negativas de las caras atraen cationes • Los cationes no se distribuyen uniformemente en la fase líquida • La concentración es mayor cerca de la partícula “Doble capa difusa (DDL)” = capa negativa de arcilla y capa positiva de cationes de densidad decreciente Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Agua adsorbida 52 Moléculas de agua se adhieren a la superficie negativa de la arcilla, por puente de hidrógeno El espesor de la capa adsorbida de 10Å a 100Å (1 Å = 10-10 m = 10-4 mm) Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Agua adsorbida 53 Densidad del agua 1.4 g/cm3 contra la partícula de arcilla Moléculas de agua adsorbida no están en estado sólido, se mueven fácilmente paralelo a la arcilla pero no se alejan o acercan Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Caolinita (LL < 50) 54 Una capa de octaedros y una de tetraedros conforman una “hoja” Una partícula es un “bloque” de “hojas” Se forma una unión débil por puente de hidrógeno entre dos “hojas” La sustitución de Si o Al es muy escasa, la fórmula es Si4O10Al4(OH)8 No tiene carga neta (negativa o positiva) Díametro partícula hasta 10m, espesor D/2 a D/10 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Montmorilonita (LL > 200) 55 Dos capas de tetraedros encierran una de octaedros Algunos Si(4+) sustituidos por Al(3+) y otros Al(3+) de los octaedros sustituidos por Mg o Fe (2+) Por lo tanto, las “hojas” tienen carga negativa La unión débil entre tetraedros es mucho más débil que en la caolinita por lo que puede ingresar agua Las caras negativas atraen cationes que son fácilmente sustituibles: cationes de cambio Espesor D/100 a D/1000, puede llegar a 20 “hojas” Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Illita (LL 50 a 80) 56 Similar a la montmorilonita pero los cationes son Potasio y no son intercambiables No admite la entrada de agua entre las “hojas” Espesor D/10 a D/50 Es el mineral de arcilla más abundante En las rocas hay más K que Na pero en el agua de mar hay mucho más Na que K. Las montmorilonitas antiguas se fueron convirtiendo en illitas fijando K y puede ser ésta la explicación. Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Haloysita (LL cambia cuando se seca a estufa) Similar a la caolinita pero se interponen moléculas de agua en la unión entre dos “hojas” En una de las caras, las distancias se acortan y la hoja se enrolla [Si4O10Al4(OH)8]4H2O Si se seca a estufa, el tubo colapsa 57 Clasificación de e suelos suel y propiedades índice Bibliografía 58 Básica • Jiménez Salas y otros. Geotecnia y Cimientos I. Ed. Rueda • Olivella, S. Problemas resueltos. Geotecnia. Mecánica de Suelos. UPC, 2003. • Juárez Badillo y otros. Mecánica de Suelos. Ed. Limusa Complementaria • Mitchell, J. Fundamentals of soil behavior. 3ª Ed. Wiley. • Terzaghi, Peck y Mesri. Soil Mechanics in Engineering Practice. 3ª Ed. Wiley • Fredlund. Soil Mechanics for Unsaturated Soils. Wiley