GEOTECIA Y CIMIETOS 2º ICCP Curso 2010/11

apuntes de:
GEOTECIA
Y CIMIETOS
2º ICCP
Curso 2010/11
TEMA 1 - Introducción a la mecánica
de rocas
ÍNDICE:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Origen del término geotecnia
Mecánica de suelos y rocas definición
Breve historia de la geotecnia
El método experimental
El estudio de los suelos
Pasos para resolver un problema geotécnico
Introducción al comportamiento del suelo
1. Origen del término geotecnia
La geotecnia como tal aparece en 1913 con la Comisión geotécnica sueca de los ferrocarriles.
Hasta entonces, las cimentaciones se hacían por el método de prueba y error, sin explicación
del método científico.
La etimología del término geotecnia nos permite aproximarnos a su significado original:
geo: tierra, tecnia: arte
geotecnia: arte de la tierra
2. Mecánica de suelos y rocas definición
Hablar de mecánica de suelos y rocas es equivalente a hablar de mecánica del terreno.
Podemos definir geotecnia como la ciencia que estudia las propiedades y el comportamiento
del terreno. Las propiedades es algo inherente al terreno (color,…) y el comportamiento
depende del medio (oxidación, influencia del clima,…)
La geotecnia se basa en estudios tanto empíricos como teóricos.
La importancia de la mecánica de rocas se debe a que, inevitablemente, todo constructor
necesita transmitir cargas al terreno, por lo que éste debe ser bien estudiado
Debido a esto, proyectistas y constructores deben ser capaces de prever el comportamiento a
corto, medio y largo plazo del terreno así como la interacción entre el terreno y lo construido.
3. Breve historia de la geotecnia
Coulomb (S. XVIII) empezó a estudiar la estabilidad de muros y la transmisión de esfuerzos
verticales a horizontales en el terreno. Era ingeniero del rey.
Rankine primeros estudios del empuje de tierras.
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Karl Terzaghi crea la mecánica de suelos. Estudió muchas presas rotas en EE.UU. e intentó
relacionarlas con la geología, pero no encontró relación alguna. Luego intentó relacionar las
roturas con el terreno.
En 1925 publica un libro llamado Erdbaumechanik (“Mecánica de suelos”). Este hombre y esta
publicación suponen un gran espaldarazo al desarrollo de la geotecnia.
En esta publicación se desarrolla un método experimental gracias al que se pudo desarrollar su
teoría. Con ello se podía parametrizar el terreno y, entonces, describir y predecir su
comportamiento. En él se estudia el empuje lateral de tierras, la capacidad portante del
terreno, la teoría de la consolidación, etc.
A partir de este momento hay un gran avance de la geotecnia, gracias a los aportes de
Casagrande, Peck, etc.
4. El método experimental
El laboratorio nos permite trabajar con una realidad a escala: podemos estudiar diversas
propiedades y comportamientos por separado, en un entorno controlado.
Pero los ensayos por sí solos no son suficientes, deben ser comprobados por la OBSERVACIÓN
DIRECTA. Ésta no puede ser sustituida. Hemos de observar las edificaciones de los pueblos
cercanos, veremos si hay edificios antiguos que han aguantado bien el paso del tiempo o si hay
algo en el suelo que nos huele mal, etc.
5. El estudio de los suelos
Suelo es la capa superior de la corteza terrestre no petrificada.
Como hay veces que el límite entre suelo y roca no está claro, podemos decir que suelo es lo
que no es roca.
Diferencias entre suelos y rocas
Muchas veces, dependiendo del uso que vayamos a dar al terreno, diremos que es suelo o
roca, por lo que es algo bastante sujeto a subjetividad.
Otra definición de suelo es aquel terreno que puede ser excavado sin necesidad de acudir a
explosivos (algo también subjetivo, pues depende de la maquinaria disponible en cada
momento y lugar).
Además, las definiciones entre suelo y roca varían de la geología a la geotecnia.
¿Por qué resulta tan complicado el estudio de los suelos?
- No existe una teoría universal que explique su comportamiento, sino un conjunto de
teorías y experiencias. No tenemos una relación lineal o única esfuerzo-deformación.
- El comportamiento es multidependiente: presión, tiempo, temperatura, humedad,
entorno,… Estos factores influyen de muy diversas formas al terreno.
- No hay suelos iguales, por lo que es difícil y PELIGROSO extrapolar resultados de un lugar
a otro (también es peligroso interpolar).
1-2
by FMT
- Para acotar y parametrizar las propiedades de un terreno sólo podemos reconocer y
ensayar una ínfima porción del mismo, con lo que tenemos el problema de
representatividad de nuestras muestras.
- Un último problema al que nos enfrentamos es el hecho de que al obtener muestras de
un suelo para su estudio, alteramos su estado original y hemos de sacrificar algunas
propiedades para poder conocer otras.
6. Pasos para resolver un problema geotécnico
1. Definir completamente los requerimientos mecánicos y funcionales de nuestra
actuación (construcción de una estructura, contención de tierras, excavación,
construcción de un talud, etc.).
2. Estudiar las características del terreno en el emplazamiento de trabajo.
3. Analizar el comportamiento tenso-deformacional esperable del terreno y su influencia
a nuestras construcciones.
4. Diseñar un conjunto terreno-estructura armónico (NO SON ELEMENTOS
INDEPENDIENTES ej.: la sismicidad potencial no solo condiciona las características de
una cimentación, sino de toda la estructura).
Normalmente se necesita una previsión aproximada del problema antes de abordarlo a fondo.
7. Introducción al comportamiento del suelo
El comportamiento de los suelos difiere según estos sean sólidos o líquidos.
En general, un suelo tiene naturaleza discontinua y supone un sistema trifase (fracciones
sólida, líquida y gaseosa).
Existe una interacción entre el esqueleto mineral y el agua intersticial. Además, también
habremos de tener en cuenta la circulación del agua a través del terreno.
En el estudio de las deformaciones de un suelo hemos de tener en cuenta, por un lado, las
deformaciones individuales y, por otro, los deslizamientos relativos entre partículas.
1-3
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by FMT
TEMA 2 – Propiedades elementales
de suelos y rocas
La clasificación de los suelos se puede hacer en base a distintos criterios: color, granulometría,
otros. El más habitual es la granulometría, que consiste en el estudio del tamaño de las
partículas del suelo y de la relación entre éstas.
Para expresar el resultado de nuestra clasificación habremos de especificar en base a qué
normativa estamos trabajando (MIT, BS, DIN, ASTM,…).
Según su tamaño, clasificaremos a las partículas de un suelo en:
•
•
•
•
•
Piedras, bloques, bolos
Gravas, gravillas, garbancillo, arrocillo
suelos granulares, incoherentes o gruesos
Arenas
Limos
suelos finos o “cohesivos”
Arcillas
Los suelos gruesos no tienen cohesión entre sus partículas. Las arcillas sí que tienen cohesión
propiamente dicha pero los limos solo en parte.
Piedras, bloques, bolos, mampuestos, escolleras son bloques pétreos grandes, de tamaños
superiores a 60 mm. Los bolos son piedras grandes y redondeadas y los bloques son también
grandes pero rectangulares.
Resultan muy estables mecánicamente, por lo que son idóneos para usarlos en terraplenes,
pedraplenes, diques, escolleras, capas de balasto, muros de contención, estabilización de
taludes (muros de escollera), etc.
FR
E (empuje)
FR
Las gravas se suelen denominar con la letra G (en inglés, gravel) y las arenas con la letra S (en
inglés, sand). En la siguiente tabla se recoge una comparativa de las propiedades de gravas y
arenas:
2-1
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Gravas
֜
G
Arenas
Sus granos no se apelmazan aunque estén
húmedos. Tienen bajas tensiones capilares.
֜
S
Con la humedad, sus granos se apelmazan,
adquieren gran importancia las succiones
capilares y se produce entumecimiento.
meniscos
En las arenas, los meniscos son de dimensiones
comparables a los granos de material. Se
forman en arenas húmedas pero no saturadas.
Si existen filtraciones con gradiente
hidráulico >1 a través de ellas, el flujo es
turbulento. Esto es importante porque un
flujo turbulento puede descalzar la base de
un pilar de un puente dejándolo sin apoyos
suficientes y haciendo peligrar los
cimientos.
No se produce flujo turbulento aunque el
gradiente hidráulico sea >1.
Resulta difícil perforar un túnel en gravas
con aire comprimido, pues se producen
elevadas pérdidas de aire.
El aire comprimido resulta adecuado para
perforar arenas. En gravas el aire a presión
se escapará por los grandes huecos entre
partículas pero en arenas, al estar las partículas más juntas, éstas serán empujadas
con eficacia.
Presentan una elevada resistencia a la
erosión y a la tubificación (erosión
regresiva).
Tiene baja resistencia a la erosión y a la
tubificación, tanto eólica como hidráulica.
coronación
espaldón
EROSIÓN DE
UN TALUD
núcleo
Si tenemos un flujo de agua circulando por el espaldón de un talud, éste va a provocar
presiones en el mismo. Esta presión se verá contrarrestada en el caso de las gravas (alto peso
alto rozamiento entre partículas) pero no en el caso de las arenas (poco peso), que serán
susceptibles de ser arrastradas.
A continuación recogemos una lista de similitudes entre gravas y arenas:
2-2
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-
-
-
Son permeables y, por tanto,
se pueden drenar por bombeo.
Cuando se ejecuta una cimentación sobre ellas, los asientos se estabilizan al terminar
la construcción. Se van estabilizando con la evolución de la obra pero una vez acabada
ésta no siguen asentando.
Son fáciles de compactar. Al compactar un suelo lo reducimos de volumen, las
partículas se juntan y aumenta el rozamiento entre ellas. Solo los suelos granulares son
compactables.
No resultan susceptibles a heladas. Los ciclos hielo-deshielo no afectan a la morfología
y a la capacidad portante de los suelos granulares.
Los suelos granulares bien graduados son menos permeables y más estables
mecánicamente que los uniformes. Elegiremos un tipo u otro de suelo dependiendo de
si buscamos un suelo permeable o impermeable.
SUELO UNIFORME
SUELO GRADUADO
2-3
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Ahora vamos a comparar los limos con lar arenas. Los limos sueles representarse con la letra M
(en sueco, Moo, en inglés es silt).
Limos
֜
M
Arenas
֜
S
Sus partículas son “invisibles”.
Sus partículas son “visibles”.
Resultan algo “plásticos”. No son perfectamente moldeables pero si les damos una
forma, la mantendrán aproximadamente.
No son suelos plásticos.
Son suelos bastante impermeables.
Son suelos bastante permeables.
Los asientos suelen continuar después de
acabar la construcción.
Los asientos se estabilizan al terminar la
construcción.
Son susceptibles a las heladas. Los limos no
son adecuados en zonas que sufren heladas, pues al variar el hielo de volumen puede provocar fisuras en las cimentaciones.
Son poco susceptibles a las heladas.
Son difícilmente erosionables por el viento,
debido a que las partículas se unen entre
ellas.
Son fácilmente erosionables por el viento.
Es casi imposible drenarlos por bombeo.
Fácilmente drenables por bombeo.
Más características de los limos:
Son susceptibles al flujo de agua a través de ellos. Debido a esto pueden sufrir erosión hidráulica y regresiva (tubificación).
Tienden a fluir cuando están saturados y, por lo tanto, son inestables al aumentar su humedad.
Pueden dar lugar a colapsos (asientos dramáticos que se producen rápidamente).
Cuando se encuentran en forma de terrones secos presentan una ligera cohesión, pero se
pueden reducir a polvo fácilmente con los dedos (al estar en contacto con la piel, se suelen
secar relativamente).
Colapso de los limos:
Los limos depositados en una zona pueden estar “pegados” con sales. Estas sales podrían
disolverse y eliminar la capacidad portante del suelo, produciendo el colapso de la estructura.
Cohesión:
Es la capacidad de un suelo de resistir tensiones tangenciales. Crece al disminuir la humedad.
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Las partículas de arcilla se comportan como pequeños electroimanes que se atraen entre ellas.
Si hay agua entre las partículas, estas fuerzas disminuyen.
A continuación haremos una comparativa entre arcillas, que representaremos con la letra C
(en inglés, clay), y limos:
Arcillas
֜
C
Limos
Suelen tener propiedades coloidales.
֜
M
No suelen tener propiedades coloidales.
Coloide: partícula cuyo comportamiento está controlado por fuerzas de tipo superficial. En suelos
granulares y limosos dominan las fuerzas de masa, no así en los arcillosos.
El comportamiento coloidal se debe a la actividad electroquímica en la superficie de las partículas.
Las arcillas tienen una elevada superficie específica (por unidad de volumen).
Están compuestas en su mayor parte por
minerales arcillosos.
Pueden estar compuestas por minerales no
arcillosos (tanto más cuanto mayor sea el
tamaño de partículas).
Compactadas son estables frente a los
flujos de agua.
Son susceptibles a flujos de agua.
Se secan lentamente y se pegan a los
dedos.
Se suelen secar relativamente rápido y no
se pegan a los dedos.
Los terrones secos se pueden partir pero
no reducir a polvo con los dedos.
Los terrones secos pueden reducirse a
polvo con los dedos.
De tacto suave.
Su tacto es más áspero.
Más características de las arcillas:
No son susceptibles a las heladas. Esto es debido a que el agua en su interior no se encuentra
libre, sino que está ligada electrostáticamente a las partículas.
Sufren procesos de expansión y retracción con los cambios de humedad. Las arcillas, al recibir
agua, se hinchan y, al evaporarse ésta, la arcillas se retraen y reducen su volumen.
Resultan difícilmente compactables (compactación: disminución de huecos del suelo, aumento
de la densidad). Para que una arcilla disminuya de volumen ha de perder agua. Para conseguir
este efecto hemos de aplicar presión de forma prolongada.
Las arcillas son muy impermeables, aunque no infinitamente impermeables, pues con tiempo
conseguiríamos pasar agua a través de ella, pero no son aptas para pozos ni se pueden drenar.
Para que un suelo se considere como depósito arcilloso, debe tener un contenido de arcillas
mayor a un 35% aproximadamente (podría considerarse así incluyo con un 65% de gravas).
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La meteorización mecánica puede llegar a generar minerales redondeados de hasta 10 μm de
diámetro. Para conseguir partículas más pequeñas, la naturaleza recurre a la meteorización
química.
Así, la composición de un suelo arcilloso será diferente según la fracción que contemplemos:
2 – 0,2 μm pueden aparecer los mismos minerales que en la fracción gruesa del suelo.
< 0,2 μm los minerales serán, en la mayor parte, arcillosos.
Materia orgánica en un suelo
Para confirmar la existencia de materia orgánica (M.O.) en el terreno, echamos agua oxigenada
y, si existe, se producirá efervescencia.
La M.O. suele presentar colores oscuros y parduzcos y olores desagradables (dependiendo de
su composición).
Tiene una compresibilidad muy alta, por lo que nunca debe consistir el apoyo de una
cimentación. La presencia de M.O. en un suelo sobre el que vayamos a cimentar implica cierta
peligrosidad.
La M.O. tiende a descomponerse y, al hacerlo, se descompone químicamente y además
provoca vacíos, lo que hace aumentar los huecos y, por lo tanto, disminuir la resistencia.
Debido a esto, es buena costumbre eliminar la zona superficial del terreno sobre el que
vayamos a trabajar al suponer ésta una capa vegetal.
Otros tipos de suelo:
Loes sedimentos eólicos de tamaño de limo. Se sedimentan de forma suelta, con una cierta
cementación en los contactos. Si se saturan o sumergen, la cementación se destruye y se
puede producir colapso.
Gredas arcillas muy plásticas.
Tosca suelos con fuerte componente calcárea, de naturaleza muy compacta.
Tierra de diatomeas depósitos de tierra de sílice muy fino (blanco) compuestos total o
parcialmente por residuos de diatomeas (algas).
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Granulometría de un suelo. Curvas granulométricas
Una curva granulométrica es una representación gráfica que indica el porcentaje de partículas
de cada tamaño respecto al conjunto. Se suele representar en escala logarítmica y es de la
forma:
100
80
60
40
20
0
100
10
1
0,1
0,01
Para definir la curva para tamaños de partículas mayores a 2 mm, lavamos y secamos la
muestra y, a continuación tamizamos.
Para definir el tramo comprendido entre 2 mm y 0,08 mm, introducimos la muestra en una
solución dispersante (usualmente hexametafosfato, similar al Calgonit del lavavajillas), secamos y
luego tamizamos.
En el caso de partículas de diámetro inferior a 0,08 mm, estudiamos su granulometría
mediante un proceso de sedimentación basado en la Ley de Stokes.
La Ley de Stokes dice que la velocidad de descenso de una esfera en un fluido es:
‫=ݒ‬
ߛ௦ − ߛ௪
∙ ‫ܦ‬ଶ
18ߟ
en la que cada término significa:
‫ ݒ‬velocidad (cm s-2)
ߛ௦ peso específico de la esfera (p cm-3)
ߛ௪ peso específico del fluido, normalmente agua (p cm-3)
D diámetro de la esfera (cm)
η viscosidad dinámica del fluido (p s cm-2)
Introducimos nuestra muestra de estudio (< 0,08 mm) en una probeta con una disolución de
un fluido. Nos aseguramos de que se reparte homogéneamente en él y dejamos decantar.
Podemos parametrizar esta decantación siguiendo dos métodos:
Método de Robinson o de la pipeta: se extrae a una cierta profundidad muestras de suelo en
suspensión en distintos intervalos de tiempo y se mide la concentración de partículas en ellas.
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Método del densímetro: introducimos un densímetro en la probeta de ensayo. Según el
principio de Arquímedes, el densímetro experimentará un empuje hacia arriba igual que el
peso del volumen de líquido desalojado. Al ir disminuyendo la concentración de la disolución
según van sedimentando las partículas del suelo, también disminuye el empuje y el densímetro
se hunde más.
La Ley de Stokes tiene una serie de limitaciones que recogemos a continuación:
-
La ley se refiere a esferas. Puesto que las partículas no serán perfectamente
redondeadas, obtendremos “diámetros equivalentes”.
Es muy complicado calcular el peso específico de las partículas sólidas (y, además, éste
difiere para cada especie mineralógica de la muestra).
Para diámetros > 0,05 mm el régimen de movimientos del fluido no es laminar, hay
turbulencias y la ley no es válida.
Para tamaños < 0,002 mm la ley tampoco es válida pues se producen movimientos brownianos
(las partículas no descienden por su peso, que es muy pequeño, e interaccionan unas con
otras).
Tipos de curvas granulométricas
Suelo uniforme con
muchos gruesos
Suelo uniforme con
muchos finos
Suelo sin partículas de
tamaño intermedio
Los suelos del tercer tipo no aparecen en la naturaleza, se deberán a la intervención humana.
Suelo uniforme: hay un escalón entre dos
tramos horizontales y no muy inclinados.
Casi todas las partículas serán del tamaño
en el que se encuentra el escalón.
Suelo bien graduado: tiene una curva
granulométrica de variación de pendiente
suave, cóncava o convexa. Las partículas
pequeñas ocuparán los huecos de las
grandes.
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Coeficientes:
Diámetro efectivo: D10. Es el valor de un suelo tal que el 10% de sus partículas tiene un tamaño
menor. Es una buena forma de conocer la permeabilidad del suelo.
஽
Coeficiente de uniformidad: ‫ܥ‬௨ = లబ . Nos da una idea de la pendiente de la curva
஽
భబ
granulométrica. A mayor uniformidad del suelo, menor Cu. Es siempre >1. Cuando Cu<3
diremos que el suelo es uniforme y cuando Cu>3 diremos que el suelo es graduado.
Coeficiente de curvatura: ‫ܥ‬௖ =
஽యబ మ
஽భబ ∙஽లబ
. Este coeficiente nos habla de la relación entre las
pendientes de la curva y si ésta es uniforme a quebrada.
En general, diremos que un suelo es bien graduado si Cu>3 y 1<Cc<3 y, si una de estas dos
condiciones no se cumple diremos que es un suelo uniforme.
Descripción cualitativa de agregados según su densidad o
consistencia
Materiales granulares:
Sueltos
Medios o semidensos
Densos
densidad creciente
Materiales cohesivos:
Blandos (fangos)
Medios
Compactos
Duros o firmes
cohesión (o consistencia) creciente
Propiedades elementales
Son propiedades mecánicas que estudiamos mediante ensayos de identificación. Estos ensayos
no calculan directamente las características resistentes de un suelo (propiedades mecánicas),
sino que calculamos otros parámetros con los que podemos acercarnos al conocimiento de
estas características.
En estos ensayos identificamos, por un lado, las propiedades de los granos: forma, tamaño,
granulometría, mineralogía, etc.
Por otro lado identificamos las propiedades de los agregados o conjuntos de partículas. Estas
propiedades son: densidad (γ) de materiales granulares, grado de compactación, consistencia y
límites de Atterberg para materiales cohesivos, etc.
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El suelo es un sistema trifase que, de forma simplificada, podemos representar de la siguiente
forma:
Fase gaseosa
Fase líquida
Fase sólida
Denotamos el volumen y la masa o peso de cada fase con las letras Vi y Wi respectivamente
seguidas del subíndice correspondiente (g, w o s). Al volumen y peso del conjunto los
denotamos V y W, sin subíndices.
A efectos geotécnicos, consideramos que el aire no pesa: Wg=0.
Al volumen conjunto de las fases líquida y gaseosa lo denominamos volumen de huecos:
Vh=Vg+Vw.
Para este sistema trifase definimos las siguientes propiedades elementales:
•
•
•
•
•
Peso específico de las partículas o densidad de las partículas sólidas:
ܹ௦
ߛ௦ =
ܸ௦
Densidad, densidad aparente o densidad natural:
ܹ
ߛ=
ܸ
Densidad seca (del inglés, dry):
ܹ௦
ߛௗ =
ܸ
Densidad saturada:
ܹ௛௦ + ܹ௦
ߛ௦௔௧ =
ܸ
ܹ௛௦ = ܸ௛ ∙ ߛ௪ , peso de los huecos saturados
Densidad de la fase líquida:
ߛ௪ =
•
ܹ௪
ܸ௪
Densidad sumergida:
ߛ ᇱ = ߛ௦௨௠ = ߛ௦௔௧ − ߛ௪
Es importante en el estudio de suelos bajo el nivel freático.
•
Humedad: cantidad de agua relativa a la masa del sólido (no a la masa del sólido por lo
que puede tomar valores superiores a 100%)
ܹ=
ܹ௪
∙ 100
ܹ௦
Así queda expresa en %, pero también se puede dar en tanto por 1.
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•
•
•
Saturación (grado de): porcentaje de huecos llenos de agua.
ܸ௪
ܵ=
∙ 100
ܸ௛
Índice de poros:
ܸ௛
݁=
ܸ௦
Porosidad:
ܸ௛
݊=
ܸ
Teniendo en cuenta que V= ܸ௛ + ܸ௦ , podemos establecer las siguientes relaciones
entre estas dos magnitudes:
݁=
݊
1−݊
݊=
݁
1+݁
Para calcular estas propiedades podemos recurrir a diversos ensayos de laboratorio.
Estudiamos a continuación la forma de obtener los valores de ߛ௦ , ߛ, ߛௗ y ܹ.
Aparte de en el laboratorio, podemos calcular ߛ, ߛௗ y ܹ in situ recurriendo a ensayos con
métodos nucleares.
La ߛ se calcula con radiaciones gamma de energía.
La ܹ podemos obtenerla con neutrones de alta energía.
Y, por último, la ߛௗ la calcularíamos relacionando las dos magnitudes anteriores.
Podemos establecer las siguientes relaciones entre las magnitudes estudiadas:
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TEMA 3 – Propiedades de la arcillas.
Límites. Clasificación de suelos
Plasticidad
Definición: en geotecnia, la plasticidad es la capacidad de un suelo de deformarse rápidamente
sin cambio de volumen, sin rotura por agrietamiento y sin recuperación elástica al cesar la
carga.
Las arcillas no siempre son plásticas, depende de su humedad. Las arcillas serán plásticas
cuando tengan una humedad suficiente.
La plasticidad es una propiedad coloidal, debida a las fuerzas superficiales entre partículas.
Está relacionada con el tipo de mineral arcilloso y con la cantidad del mismo (proporción en el
suelo).
El acero se deforma plásticamente aumentado de volumen. Un suelo se agrieta cuando las
fuerzas entre partículas no son suficientes para mantenerlas juntas. Las arcillas son plásticas.
Para cuantificar la plasticidad en el laboratorio podemos utilizar dos métodos: los límites de
Atterberg (para suelos con apreciable plasticidad) y el equivalente de arena.
Equivalente de arena
Es un método sencillo pero aproximando. No nos permite determinar directamente la
plasticidad. Nos permite determinar cuánta arcilla hay en un suelo y, a partir de ahí, diremos
que el suelo tiene una u otra plasticidad. No tiene tanta precisión como los límites de
Atterberg pero nos permite operar sobre suelos poco plásticos o sobre suelos que casi no
tienen arcilla.
El equivalente de arena (EA) lo empleamos en suelos de una naturaleza bastante granular
(áridos) o en aquellos que tienen pocos finos. Estos suelos suelen ser suelos artificiales: áridos
para hormigón, mezclas bituminosas, suelo-cemento, zahorras, etc. Con este ensayo sabremos
cuántos finos nos están contaminando la fracción gruesa.
Cuando tenemos una arcilla o un limo muy poco plástico, es muy poco deformable y nos
cuesta diferenciarlo de una arena. Usaremos este ensayo para determinar su presencia.
Para realizar este ensayo, introducimos una muestra de nuestro suelo en una solución
dispersante (agua + hexametafosfato) y, todo ello, en una probeta. Agitamos la probeta para
asegurarnos la dispersión de las partículas del suelo en la disolución. Dejamos decantar y, por
la Ley de Stokes, las partículas decantarán según su peso. Así, tendremos decantadas las
arenas en la parte inferior de la probeta y, encima de éstas, decantarán los finos. Anotamos la
lectura de arena y la lectura de arcilla, como se indica en el dibujo:
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lectura de arcilla
lectura de arena
El equivalente de arena será:
‫(ܣܧ‬%) =
‫ܽ݊݁ݎܽ ݁݀ ܽݎݑݐܿ݁ܮ‬
× 100
‫݈݈ܽ݅ܿݎܽ ݁݀ ܽݎݑݐܿ݁ܮ‬
Si multiplicamos al numerador y al denominador por el área de la sección de la probeta,
estaremos calculando la relación entre el volumen de arena y el volumen del total del suelo. El
EA nos dice cuánta arena, en porcentaje, hay en nuestro suelo.
Cuando EA = 100, no habrá arcilla en nuestra muestra y, cuando EA = 0, no habrá arena en la
muestra. Cuanto mayor sea el EA, menor será la contaminación por finos.
Límites de Atterberg
Deben su nombre a un químico sueco. Son medidas límite de humedad que nos permiten
establecer las diferencias de comportamiento en las arcillas. Son hitos con los que podemos
definir con precisión el comportamiento de una arcilla.
Estos límites son de aplicación cuando el suelo, en apariencia, es plástico. Cuanto más plástico,
más eficiente es este ensayo.
Estos límites son: límite líquido (wL), límite plástico (wP) y límite de retracción (wR o wS). Los dos
primeros nos permiten obtener bastante información sobre las propiedades de un suelo, el
último no tiene mucho interés.
Podemos representar estos límites de un suelo y los estados en los que éste se encontraría en
función de la humedad:
ΔV=0
sólido frágil
(*1)
Arcilla
seca
sólido plástico
(*3)
(*2)
Límite de
retracción
(ωR o ωS)
líquido viscoso
Límite
plástico
(ωP)
líquido perfecto
(*4)
Límite
líquido
(ωL)
(*5)
Límite de
viscosidad
ω
A continuación se describen las características del suelo en cada uno de estos tramos:
3-2
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(*1)
en este tramo no se producen variaciones de volumen en el suelo.
(*2)
el agua va a provocar que la arcilla se expanda. El suelo empieza a comportarse como
un sólido. Hay fuerzas de cohesión.
(*3)
la arcilla es moldeable. Se producen deformaciones suaves. El suelo cumple las tres
condiciones de plasticidad (ver primera línea del tema).
(*5)
tenemos una suspensión. Las partículas son independientes unas de otras.
Límite líquido (wL): se determina con la Cuchara de Casagrande. Éste es un procedimiento en el
que empleamos una cuchara de bronce de dimensiones fijadas y en el que procedemos de la
siguiente forma:
-
Amasamos la muestra con una cierta humedad. Tomaremos una muestra por encima
del wL y otra por debajo.
Llenamos una parte de la cuchara con la muestra.
Realizamos un canal dividiendo en dos la muestra con un acanalador.
Comenzamos a rotar la manivela, provocando el golpeo en la base de la cuchara.
Contamos los golpes que son necesarios para que el surco se cierre 13 mm.
Si hemos necesitado exactamente 25 golpes, la humedad del suelo ensayado será w = wL. En
general, realizamos el ensayo con dos muestras de humedades distintas, una que necesita
entre 15 y 20 golpes para cerrar el surco y otra que necesite entre 30 y 35. De esta forma
obtenemos dos valores, que interpolaremos para calcular el valor de humedad buscado.
Si tenemos un suelo con un wL muy alto, el suelo será muy compresible (sometido a mucha
carga durante un tiempo prolongado, reducirá notablemente su volumen), bastante
impermeable y los cambios de humedad provocarán en el variaciones de volumen apreciables.
Límite plástico (wP): humedad por debajo de la cual es suelo comienza a perder cohesión por
falta de humedad. Pasa de ser un sólido plástico a un sólido frágil. Este límite se calcula en el
laboratorio por el siguiente procedimiento de ensayo:
-
Se amasa la muestra con una humedad por encima del límite plástico esperable.
Se forma un pequeño cilindro con nuestro suelo, haciendo que ruede entre las manos
y una superficie lisa.
Si al llegar a un diámetro de 3 mm el cilindro se rompe, entonces la muestra se
encuentra en el límite plástico.
Si la muestra no se agrieta al alcanzar este diámetro significa que todavía es
moldeable, por lo que se vuelve a repetir la operación tantas veces como sea
necesario. Según amasamos la muestra, vamos extrayendo agua de la muestra
progresivamente.
Definimos el índice de plasticidad como la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico:
‫ܫ‬௉ = ‫ݓ‬௅ − ‫ݓ‬௉
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Es el intervalo de humedades en el que el suelo tiene consistencia plástica.
Al disminuir el tamaño de las partículas de una especie mineralógica, aumentan ‫ݓ‬௅ , ‫ݓ‬௉ y ‫ܫ‬௉ .
En la carta de Casagrande:
línea A: ‫ܫ‬௉ = 0,73 (‫ݓ‬௅ − 20)
*suelos afines de mismo origen geológico.
El índice de fluidez nos permite conocer la influencia de la humedad en la resistencia al corte
de un suelo amasado. Se define como:
‫ܫ‬ி =
‫ݓ‬−‫ݓ‬
‫ܫ‬௉
No tiene ningún significado físico, simplemente establece una relación entre el índice de
fluidez y la resistencia al corte de un suelo amasado. No obstante, este índice es más
cualitativo que cuantitativo, no debe utilizarse para hacer cálculos mecánicos ni para diseñar.
Cuando w = wL, el índice de fluidez valdrá IF = 1 y, cuando w = wP, el índice de fluidez valdrá
IF = 0. Este índice nos dice si estamos más cerca del límite líquido o del límite plástico.
El límite de retracción, wS, es muy caro de obtener y tiene poco interés. En este límite, los
poros todavía están llenos de agua y se define como:
‫ݓ‬ௌ = ‫ݓ‬௜ ∙
(ܸ௜ − ܸௗ ) ∙ ߛ௪
∙ 100
‫ܫ‬௉
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