Clasificación de suelos y propiedades índice

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
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e suelos
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Origen de los suelos:
suelos transportados
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Clasificación de
e suelos
suel y propiedades índice
Origen de los suelos:
suelos transportados
5
Depósito deltaico
Depósito fluvio - glaciaico
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e suelos
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Partículas del suelo
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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)
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Clasificación de suelos
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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
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Clasificación de suelos: el rango limos arcillas
9
100 – 50 – 20 m
10 – 2 – 1 m
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e suelos
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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
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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%
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Granulometría por vía seca
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suel y propiedades índice
Curvas granulométricas típicas
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Granulometría por vía seca
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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
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Clasificación de suelos gruesos limpios
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Clasificación de
e suelos
suel y propiedades índice
Ejercicio de clasificación de
suelos gruesos limpios
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Clasificación de
e suelos
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Esfericidad y redondez
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e suelos
suel y propiedades índice
Esfericidad y redondez
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PARÁMETRO
CARENA
TECPLATA
Esfericidad
0.603
0.613
Redondez
0.510
0.630
Regularidad
0.557
0.622
Carena
Tecplata
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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
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Suelos finos
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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
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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 (< 2m)
R#200 (74μm)
0.01
0.001
Φ PART ICULA (mm)
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Límites de Atterberg
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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
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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
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Límite líquido
Hay dos maneras de hacer el ensayo
• Tres puntos y se interpola
• Un punto y se aplica la ecuación
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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
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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
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e suelos
suel y propiedades índice
Índice
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•
•
•
•
•
•
Origen de los suelos y sistema de clasificación
Suelos gruesos
Suelos finos
Carta de clasificación de suelos
Propiedades índice
Fisicoquímica de las arcillas
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Clasificación de
e suelos
suel y propiedades índice
Carta de
clasificación
de suelos
30
Clasificación de
e suelos
suel y propiedades índice
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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
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Clasificación de
e suelos
suel y propiedades índice
Índice
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•
•
•
•
•
•
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
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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
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Ejercicio: Deducción de algunas
relaciones útiles
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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
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Peso específico de las partículas
sólidas
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Clasificación de
e suelos
suel y propiedades índice
Efecto de forma sobre densidad
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e suelos
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Superficie específica
Relación entre superficie de partículas (m2) y su masa (gr)
(Narcilio y Santamarina)
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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
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e suelos
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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
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e suelos
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Índice
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•
•
•
•
•
•
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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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 10m, espesor D/2 a D/10
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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”
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Illita (LL 50 a 80)
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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.
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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
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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