Propiedades básicas de suelos

Tema 2
Propiedades básicas de suelos
2.1 Materiales y fases
1. Fase sólida
• Partículas de minerales
2. Fase líquida
• Agua adsorbida o libre
• Otro tipo de líquido
3. Fase gaseosa
• Aire
• Gases
Marcel Hürlimann
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Propiedades para la identificación
n=
Porosidad:
e=
Índice de poros:
e=
Vp
Vs
=
Vp
Vt − V p
Vp
Vt
Vp
Vs
=
n
1− n
Ww
Ws
Humedad:
w=
Grado de saturación:
Vw
Sr =
Vp
Peso específico:
Peso específico de las partículas sólidas:
Peso específico natural:
Peso específico saturado (Sr = 1):
Peso específico seco (Sr = 0):
γs =
Ws
Vs
Wt
γn =
Vt
W ( sat.)
γ sat = t
Vt
Wt (sec o)
γd =
Vt
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Agrupación de las partículas en suelos granulares:
Depende de:
•
Tamaño de las partículas
Uniformidad / gradación
•
Forma (redondeamiento)
•
material
Índice de poros Porosidad Peso específico
[-]
[%]
seco [kN/m3]
emin
nmax
nmin γd min γd max
emax
Arena limpia
uniforme
Arena limosa
1.0
0.4
50
29
13.3
18.9
0.90
0.30
47
23
13.9
20.3
Limo inorgánico
1.1
0.4
52
29
12.8
18.9
Compacidad relativa o
Índice de densidad:
Dr =
emax − e
× 100%
emax − emin
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2.2 Clasificación de suelos
Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (Casagrande)
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Granulometría
Tamaño de clastos:
•
•
•
•
•
•
Bloque: 256 mm < Φ
Canto: 64 mm < Φ < 256 mm
Grava:
2 mm < Φ < 64 mm
Arena: 0.074 mm < Φ < 2 mm
Limo: 0.002 mm < Φ < 0.074 mm
Arcilla:
Φ < 0.002 mm
Curva granulométrica:
A: suelo casi uniformemente gradado (mal gradado)
B: suelo bien gradado
C: suelo “gap graded” con un vacío
Coeficiente de uniformidad:
Cu = D60/D10
20 < Cu
: suelo bien gradado
20 < Cu < 5 : suelo con granulometría poco uniforme
Cu < 5 : suelo con granulometría uniforme
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Límites de Atterberg
Un suelo de grano fino solamente puede existir en cuatro
estados de consistencia según su humedad
Índice de plasticidad:
IP = wl - wp
• Los limites de Atterberg están relacionados con la cantidad
de agua adsorbida sobre la superficie de las partículas.
• El área de la superficie de las partículas aumenta si el tamaño
de las partículas disminuye
¾ Límites están relacionados con el tamaño de partículas!
Actividad de una arcilla:
Índice de plasticidad (IP)
% en peso de la fracción arcillosa
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Clasificación mediante la plasticidad (Casagrande)
La separación entre limos y arcillas está definida por la
línea ‘A’ (establecida empíricamente)
Línea ‘A’: IP = 0.73 ⋅ (wl – 20)
Los diferentes materiales (con sus abreviaturas):
Fracción fina (1ª letra = tamaño del grano, 2ª letra = plasticidad):
•
•
•
•
•
•
ML: limo de baja plasticidad.
CL: arcilla de baja plasticidad
OL: suelo orgánico de baja plasticidad
MH: limo de alta plasticidad
CH: arcilla de alta plasticidad
OH: suelo orgánico de alta plasticidad
Fracción gruesa (1ª letra = tamaño del grano, 2ª letra = gradación):
•
•
•
•
Además:
GW: grava bien gradada
GP: grava mal gradada
SW: arena bien gradada
SP: arena mal gradada
GM: grava limosa
SM: arena limosa
GC: grava arcillosa
SC: arena arcillosa
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2.3 Comportamiento mecánico de suelos
Tensión ↔ Deformación
σ
ε
Tipos de tensión
Compresión (σ)
Tracción (σ)
Corte o cizalla (τ)
Principales tipos de deformación
Elástica (reversible como goma)
Plástica (irreversible)
Comportamiento de los suelos
Resistencia a compresión:
• Frágil: rotura del material con una deformación pequeña
(ε < 3 - 5 %)
Dúctil: material se deforma considerablemente antes de
romper (ε = 5 – 10 %)
Rotura dúctil
Tensión
•
Rotura frágil
Deformación
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Concepto de tensiones efectivas
Tensiones totales: σ
Presiones del fluido de poros (intersticiales): u , pw
Tensiones efectivas:
σ‘ = σ - u = σ - pw
Compresibilidad - Consolidación
Resultados de ensayos edométricos:
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Resistencia a la tensión de cizalla
Ensayo de corte directo (esquema del aparato):
σn
τ
τ
σn
Resultados del ensayo de corte directo:
Î La envolvente de Mohr
Î La Ley de Mohr-Coulomb
τ = c’ + σ‘ tg φ’
‘
c’ cohesión del material
φ‘ ángulo de fricción interna
Cohesión:
- cementación
- adhesión entre las partículas
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2.4 Flujo de agua en los suelos
Altura piezométrica: h
Q=v⋅A
Q: caudal [cm3/s]
v: velocidad [cm/s]
A: área [cm2]
Ley de Darcy:
v = k ⋅ i = k ⋅ ∆h/L
k: coeficiente de permeabilidad [cm/s]
i: gradiente hidráulico [-]
Permeabilidades de materiales típicos:
material
k [cm/s]
Gravas
>1
Arenas gruesas
1 – 10-1
-2
-3
Arenas finas
10 – 10
Limos, arcillas meteorizadas
10-4 – 10-7
Arcillas no meteorizadas
10-7 – 10-9
Notas
Se puede drenar
mediante bombeo
Drenaje muy escaso
Prácticamente
impermeables
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