martes, 24 de marzo de 2015

Mecánica de suelos

Publicado por Ciudad Universitaria Virtual de San Isidoro

La mecánica de suelos, también llamada geotecnia, estudia el suelo desde el punto de vista de sus características mecánicas.

Antes de realizar una obra o vía de comunicación, hay que estudiar el suelo para comprobar su estabilidad y propiedades mecánicas.

Su estudio se realiza a partir de ciertos ensayos y de la consulta de mapas geológicos, geotécnicos y pedológicos. Es fundamental tener un conocimiento básico de las características de las propiedades mecánicas del suelo, adquirido a través de los ensayos de identificación, de la clasificación de los suelos y de las pruebas de resistencia mecánica.


Estudio de las características del suelo, su compactación y el desgaste de materiales

Mediante los ensayos de granulometría, plasticidad, índice de grupo y clasificación HBR se estudian las características del suelo. A través de los ensayos CBR y Proctor la compactación del mismo. El desgate de los materiales se comprobará por el ensayo de Los Ángeles.


1. Granulometría

La composición física o textura del suelo se determina por análisis de los tamaños de las partículas o análisis mecánico.

La granulometría es la proporción de partículas que componen un suelo. Para hallar su valor, se hace pasar la tierra por tamices, que van yendo de abertura gruesa a más fina.

Columna de tamices en una máquina de ensayo
Columna de tamices en una máquina de ensayo

Los más utilizados son el nº 4 (4,76 mm), el nº 10 (2 mm), el nº 40 (0,42 mm) y el nº 200 (0,074 mm).

Para partículas de menor tamaño que el tamiz nº 200 se usa la ley de Stokes, que establece que la velocidad de sedimentación de un sólido en un líquido está en proporción al tamaño de las partículas. En el laboratorio se mezcla el material con el agua, se agita y por la velocidad de sedimentación se calcula la granulometría.

El tanto por ciento retenido en cada tamiz es:

r/P x 10 = %
donde,
r = peso a 105 ºC del retenido
P = peso a 105 ºC

El porcentaje que pasa por cada tamiz será:

100 - r/P x 100

Según la clasificación de AASHO (AASHO Road Test), la clasificación de los tamaños es la siguiente:

- Grava: 64 mm - 2 mm

- Arena gruesa: 2 mm - 0,42 mm

- Arena fina: 0,42 mm - 0,074 mm

- Limo: 0,074 mm - 0,005 mm

- Arcilla: 0,005 mm - 0,001 mm

- Coloides: menor de 0,001 mm

Modelo oficial para análisis granulométrico
Modelo oficial para análisis granulométrico (el porcentaje de tamaño inferior en peso es el porcentaje que pasa)
Suelo con elevado porcentaje de finos
Suelo con elevado porcentaje de finos
2. Plasticidad

Es la propiedad de los cuerpos de no recuperar su forma anterior al dejar de actuar una fuerza exterior deformadora. Es lo contrario de elasticidad.

En los suelos, la plasticidad es característica de la arcilla y es la propiedad de un suelo que puede ser deformado continua y permanentemente sin ruptura.

La consistencia, propia de los suelos cohesivos, es la manifestación exterior de las fuerzas de cohesión que exhiben las partículas arcillosas en distintas condiciones de humedad. Puede considerarse como la resistencia ofrecida por el suelo contra las fuerzas exteriores que tienden a deformar o romper sus agregados.

Los límites de consistencia o límites de Atterberg se determinan sobre el material que pasa por el tamiz nº 40 (0,42 mm).

Si en un suelo cohesivo seco (desecado a más de 100 ºC), se va añadiendo agua poco a poco, se irá pasando del estado duro al blando. A este estado se llama límite de retracción (LR o Ws). Es el contenido de humedad, a partir del cual un aumento de humedad no causa una disminución de volumen de la masa del suelo, pero a partir del cual un aumento de humedad causa un aumento de volumen.

Si se sigue añadiendo agua se llega a un estado por debajo del cual se resquebraja al moldear, pero por encima de este se moldea fácilmente, es el límite plástico (LP o Wp). Es el contenido más bajo de humedad con el que se pueden moldear cilindritos de 3,2 mm y 8-10 cm de longitud sin que se rompan del todo (se determina cuando empieza a agrietarse). Por lo tanto, es la humedad del suelo cuando deja de ser plástico.

Si se sigue añadiendo agua hasta el punto que ya no se puede moldear, el material fluye, es una pasta, se ha llegado al límite líquido (LL o Wl). Es el contenido de humedad con el que, al dar 25 golpes a la cápsula de forma de casquete esférico y dimensiones normalizadas (Cuchara de Casagrande) que contiene la muestra, se cierra en una longitud aproximada de media pulgada el canalillo de seccion trapezoidal, de 2 mm de solera y 9,5 mm de altura, abierto en la muestra con una espátula de diseño normalizado, siguiendo un meridiano.

Esquema de Atterberg (límites de Atterberg)
Esquema de Atterberg (límites de Atterberg)

El índice plástico (IP) es una representación numérica del entorno de humedad, en el cual el suelo conserva sus propiedades plásticas. Es el punto en el que el suelo puede experimentar importante cambios de forma que haya una completar reordenación de partículas, pero sin cambio apreciable de volumen.

IP = LL - LP

El límite líquido (LL) da idea de las propiedades plásticas de la arcilla (calidad de la misma), las cuales dependen de la constitución mineralógica y de la superficie específica de los cristales.

El índice plástico (IP) indica la proporción de arcilla en el suelo. La bentonita alcanza LL hasta de 500 %, aumentado de volumen 10 veces. Por el contrario, la arena fina carece de plasticidad por lo que tendría IP = 0.

El índice de consistencia (R) será:

R = (w-LP) / IP

siendo w la humedad natural del suelo.


Clasificación de los suelos por sus índices de consistencia:

Suelo
Grado de plasticidad
Límites de consistencia
LL
LP
IP
Límites
del IP
Arena
Sin plasticidad
20
20
0
0
Limo
Baja plasticidad
25
20
5
<7
Arcilla limosa
Media plasticidad
40
25
15
7-17
Limo arcillosa
Arcilla
Alta plasticidad
70
40
30
>17

Según Burmister:

- IP = 0, Sin plasticidad
- IP = 1-5, ligera plasticidad
- IP = 5-10, baja plasticidad
- IP = 10-20, media plasticidad
- IP = 20-40, alta plasticidad
- IP 40, muy alta plasticidad

- Vídeo: Alfonso Basterra. Determinación del límite líquido de un suelo por el método de Casagrande


3. Índice de grupo

El índice de viene dado por la siguiente expresión empírica:

IG = 0,2a + 0,005ac + 0,01bd

donde,

a = Porcentaje que excede de 35, sin pasar de 75, que atraviesa el tamiz 200 (varía de 0 a 40)

b = Porcentaje que excede de 15, sin pasar de 55, que atraviesa el tamiz 200 (varía de 0 a 40)

c = Parte de LL que excede de 40, sin pasar de 60 (varía de 0 a 20)

d = Parte de IP que excede de 10, sin pasar de 30 (varía de 0 a 20)

En condiciones de campo medias (drenaje y densidad), la calidad de la tierra como material para explanación es inversamente proporcional al valor IG, así:

- IG = 0     Material excelente para explanación (fundación)

- IG = 20    Material muy pobre para explanación

El IG se utiliza para determinar empíricamente el espesor del firme


4. Clasificación de suelos HBR

HBR viene de Highway Board Research, Consejo de Investigación de Carreteras. Es una clasificación de suelos basada en el análisis granulométrico del mismo y el conocimiento de los límites de Atterberg.

La única condición que debe cumplir un material para ser limo-arcilloso es que más del 35 % pase por el tamiz 200. Esto se interpreta como que el material grueso ya no está en contacto entre sí, es decir que si idealmente pudiéramos extraer los finos del material, sin que se movieran los gruesos, estos quedarían separados unos de otros.

Por tanto, los suelos son clasificados de mejor a peor según crece el porcentaje de materiales, del cual depende muy estrechamente la resistencia, la deformación y la sensibilidad al agua y al hielo.

Los suelos se clasifican en dos grandes clases generales. La primera comprende los materiales granulares con una proporción no superior al 35 % de finos pasantes por el tamiz nº 200 y se subdivide en los grupos A-1, A-2 y A-3. La segunda comprende los suelos limo-arcillosos con una proporción superior al 35 % de finos pasantes por el tamiz nº 200, subdividiéndose en los grupos A-4, A-5, A-6 y A-7.

Conforme aumenta el subíndice de la letra A, va creciendo la cohesión, los fenómenos elásticos y el hinchamiento, es decir el IG, con las peores condiciones para usar el material para cimiento o subrasante de un camino.

Materiales granulares (la proporción pasante por el tamiz nº 200 es inferior o igual al 35 %):

Grupo A-1

Mezclas bien graduadas de grava (o piedra machacada), arena gruesa, arena fina y materiales limo-arcillosos ligeramente plásticos. Incluye materiales gruesos (piedras, grava y arena gruesa), desprovistos de finos ligantes. Comprende los siguientes subgrupos:

- A-1-a: Predominantemente grava o piedra machacada, con o sin elementos finos bien graduados.

- A-1-b: Predominantemente arena gruesa, con o sin material fino bien graduado.


Grupo A-2

Comprende aquellos suelos granulares no incluidos en los grupos A-1 o A-3, a causa del contenido de finos y de las características de plasticidad.

Se subdivide en cuatro grupos: A-2-4, A-2-5, A-2-6 y A-2-7, que tienen, respectivamente, las mismas características de plasticidad que los cuatro últimos grupos de la clasificación, de los que se distinguen únicamente por el contenido de material pasante por el tamiz 200.


Grupo A-3

Arenas finas de playa o de duna sin finos limosos o arcillosos. Comprende también los depósitos fluviales de arenas finas pobremente graduadas y con cantidades limitadas de arena gruesa y de grava.

Materiales limo-arcillosos ( proporción pasante por tamiz nº 200 superior a 35 %): esta clase comprende cuatro grupos de suelos:A-4, A-5, A-6 y A-7, que se distinguen entre sí por las características de plasticidad que presenta el material pasante por el tamiz nº 40:

- Si IP es igual o inferior a 10 y LL es inferior o igual a 40: A-4

- Si IP es igual o inferior a 10 y LL es superior a 40: A-5

- Si IP es superior a 10 y LL es inferior o igual a 40: A-6

- Si IP es superior a 10 y LL es superior a 40: A-7


Grupo A-4

Suelos limosos no plásticos o con plasticidad moderada, generalmente con un contenido no inferior al 75 % de finos pasantes por el tamiz nº 200. Incluye también suelos limosos con un retenido en el tamiz nº 200, inferior al 65 %. La disminución del porcentaje de material grueso se manifiesta por el aumento de IG entre 1 y 8.


Grupo A-5

Suelos limo-arcillosos generalmente portadores de micas o diatomeas descompuestas a las deben su carácter elástico, que se manifiesta por el elevado LL. El IG varía entre 1 y 12 y su crecimiento indica el efecto combinado del aumento del LL de la disminución del material retenido en el tamiz nº 200.


Grupo A-6

Suelos arcillosos plásticos, generalmente con un contenido no inferior al 75 % de material pasante por el tamiz nº 200. Incluye también suelos arcillosos con un retenido en el tamiz nº 200 inferior al 65 %. Generalmente presentan notables cambios de volumen al pasar del estado seco al saturado y viceversa. El IG puede variar entre 1 y 10 y su crecimiento se debe al efecto combinado del aumento del IP y de la disminución del retenido en el tamiz nº 200.


Grupo A-7

Suelos limo-arcillosos semejantes a los del grupo A-6, excepto por el elevdo LL que se parecen al grupo A-5, pudiendo presentar tanto características elásticas como notables cambios de volumen. El IG varía entre 1 y 20, creciendo según aumentan el LL y el IP y según disminuye el retenido en el tamiz nº 200.

Comprende los dos subgrupos siguientes:

- A-7-5: IP igual o inferior a 30 y LP igual o superior a 30

- A-7-6: IP superior a 30 y LP inferior o igual a 30.

Por último estarían los suelos A-B, terrenos caracterizados por un elevado porcentaje de materia orgánica, inviables, ya que no soportan carga.

Los suelos A-1 a A-2-5 van de excelentes a buenos y los suelos A-2-6 a A-7 van de buenos a pobres.


La compactación del suelo

La compactación del suelo es un proceso por el que mediante la aplicación de cargas dinámicas las partículas del suelo se reorganizan y acoplan disminuyendo el volumen de poros del suelo. De esta manera se aumenta el rozamiento interno y se disminuye la probabilidad de cambios en el contenido de humedad.

El proceso de compactación va acompañado solamente de la expulsión de aire y no debe confundirse con el de consolidación que consiste en la disminución gradual del volumen de huecos y por tanto del aumento de densidad bajo la acción de cargas estáticas que actúan durante un tiempo prolongado, como por ejemplo, un terraplén bajo su propio peso o el suelo bajo la presión de una estrutura.

Efectos de la compactación:

1) Aumenta la densidad seca del suelo, y por lo tanto su capacidad portante porque:

2) Eleva la resistencia al corte del suelo.

3) Disminuye la tendencia del suelo a experimentar deformaciones permanentes bajo cargas repetidas.

4) Reduce notoriamente la permeabilidad del suelo, lo que aumenta su estabilidad frente a los cambios de humedad y de temperatura.

Los principales ensayos para medir la compactación del suelo son el CBR y el Proctor


5. Ensayo de compactación CBR

CBR viene de California Bearing Ratio o valor soporte de California. Es uno de los métodos más usados para el cálculo del espesor de los firmes flexibles.

El valor CBR se calcula en un laboratorio, mediante la carga necesaria para hacer entrar un pistón en una muestra de suelo, a velocidad constante de 1,27 mm/minuto a una profundidad de 0,1 y 0,2 pulgadas.

La muestra de tierra de la explanación se compacta en un molde cilíndrico de 15,24 cm de diámetro y 12,7 cm de altura. La humedad de compactación es la máxima que probablemente tendrá la explanación una vez que el camino esté en servicio. La probeta compactada, y en ciertos casos después de sumergida en agua durante cuatro días, se somete a la prueba de carga con el pistón de Stanton, que en esencia es un penetrómetro de sección circular, de 4,96 cm de diámetro con una velocidad uniforme de 1,27 mm/minuto.

La prueba de penetración dura 10 minutos y cada 2 minutos o sea cada 2,54 mm de penetración, hasta llegar a 12,5 mm de penetración máxima, se lee la carga que actúa sobre el pistón. Esta carga, dividida por el área del pistón (3 pulgadas cuadradas), da la presión a la que está sometida la probeta.

Aparato para la determinación del CBR
Aparato para la determinación del CBR

- Vídeo: Freddy J. Sánchez-Leal. Instrucciones para hacer el ensayo CBR
- Vídeo: Javierfloresartista. C.B.R. de laboratorio


6. Ensayo de compactación Proctor

El ensayo de compactación Proctor es uno de los procedimientos de estudio de la compactación de un terreno más utilizados. Determina la compactación máxima de un terreno en relación con su grado de humedad..

Existen dos tipos de ensayo Proctor normalizados: el Ensayo Proctor Normal, y el Ensayo Proctor Modificado. Ambos se diferencian por la distinta energía utilizada, siendo en el Proctor modificado mayor el mayor peso del pistón y mayor altura de caída.

En 1933, con ocasión de la construcción de una presa de tierra, el ingeniero nortemericano Proctor demostró que, para cada suelo:

a) Existe una relación definida entre la humedad del suelo y la densidad seca que se puede alcanzar con un determinado procedimiento y trabajo de compactación.

b) Para un cierto trabajo de compactación aplicado al suelo existe un contenido de agua denominado "humedad óptima" con el cual el suelo alcanza la máxima densidad seca.

Esta relación entre la humedad y la densidad de compactación se representa por una curva, denominada curva Proctor, en memoria de su descubridor, que presenta un máximo, cuyas coordenadas son la humedad óptima (abcisa) y la densidad seca máxima (ordenada).

La traza de la curva, en general de orden hiperbólico, es distinta para cada clase de suelo, y depende fundamentalmente de la forma de las partículas y de su distribución por tamaños.


Recorriendo la curva desde el comienzo de su rama seca se observa que con un esfuerzo de compactación constante, al aumentar la humedad crece la densidad seca, lo cual se debe a que el agua desaloja el aire de los poros y rodea a las partículas más dinas de una película de agua adsorbida que facilita su desplazamiento hacia los huecos que quedan hacia las partículas (este efecto es menos perceptible en los suelos granulares debido a su superficie específica más baja). Al llegar la humedad a un cierto punto (humedad óptima), en el que el agua llena la casi totalidad del volumen de los poros (entre el 90 % y el 95 %), se alcanza la densidad seca máxima para el esfuerzo de compactación aplicado. Si continua creciendo la humedad sobre la óptima ya no se produce expulsión de aire y las partículas se van separando entre sí por la presión del agua instersticial que ocupa los espacios donde aquellas estaban colocadas; de este modo la densidad seca va disminuyendo. La rama húmeda de la curva se aproxima cada vez más a la curva de saturación dada por la ecuación siguiente para S = 100:

S = grado de saturación (0-100)

Generalmente la densidad máxima del ensayo Proctor estándar se sitúa sobre la curva de saturación para S entre 90 % y 95 %. Cuando el suelo se compacta de tal manera que todos los poros quedan llenos de agua, es decir no existe aire en la masa del suelo, entonces el suelo se denomina saturado, su densidad seca máxima es la máxima posible con ese suelo, y su obtiene haciendo S = 100 en la ecuación anterior.

El ensayo de compactación se realiza utilizando varias muestras de un mismo suelo que contienen humedades distintas y que se compactan con un mismo procedimiento y aplicando un mismo trabajo. Las humedades se llevan como abcisas y las densidades secas correspondientes como ordenadas. Uniendo los puntos con una curva contínua se obtiene la curva representativa de la relación humedad-densidad de forma hiperbólica y con el máximo ya indicado. Con objeto de determinar mejor el curso de la curva se procura obtener como mínimo 2 puntos antes y 2 puntos después del máximo.

Las coordenadas del punto máximo representan, como se ha dicho, la humedad óptima y la densidad máxima correspondientes al suelo ensayado y al trabajo de compactación aplicado.

Si el método de compactación se modifica aumentando el esfuerzo de compactación, la curva humedad-densidad se desplaza por encima y ligeramente hacia la izquierda de la anterior, de manera que en la nueva situación presenta una densidad seca máxima mayor y una humedad óptima menor. Variando la energía se obtiene una familia de curvas asintóticas en su rama húmeda a la curva de saturación para S = 100.

La prueba Proctor está limitada a los suelos que pasen totalmente por la malla nº 4, o que tengan retenido un máximo del 10 % en esta malla.

En la práctica caminera se utilizan dos ensayos de compactación normalizados: el ensayo Proctor (o AASHO estándar) y el ensayo Proctor modificado (AASHO modificado). Existe una gran diferencia entre el trabajo de compactación específico estándar (57,2 kgm/l) y el modificado (245,9 kgm/l) para un aumento de densidad relativamente pequeño.

El grado de compactación de un terreno se expresa en porcentaje respecto al ensayo Proctor; es decir, una compactación del 85% de Proctor Normal quiere decir que se alcanza el 85% de la máxima densidad posible para ese terreno.

La relación (en porcentaje) entre la densidad in situ que se obtiene en obra y la densidad seca máxima especificada por ensayo de laboratorio. En la práctica de caminos se suele especificar grados de compactación de 90 % a 95 % en la explanación y del 95 % al 100 % en el firme.


- Vídeo: Vídeos cortos construcción ingeniería. Ensayo Proctor modificado
- Vídeo: Jacinto Gámez. Ensayo de compactación Proctor normal


7. Ensayo de desgaste de Los Ángeles

La maquina de Los Ángeles está formada por un tambor cilíndrico de acero que gira en posición horizontal, que está provisto de una abertura para introducir la muestra que se desea estudiar y un entrepaño para conseguir el volteo del material.

La forma de hacer el ensayo es introducir en la máquina de Los Ángeles una muestra de árido limpio y lavado, con una de las granulometrías indicadas por la norma, y una carga abrasiva que se compone de esferas de fundición o de acero, cuyo peso total depende de la granulometría elegida. Una vez introducidas la muestra y la carga abrasiva en el interior del tambor, se hace girar a una velocidad constante y durante un número determinado de vueltas, tras lo cual se separa la muestra por el tamiz 1,6 UNE (1,6 mm), lavando y secando en estufa la parte de la muestra retenida en él.

El resultado del ensayo es la diferencia entre el peso original de la muestra y su peso al final del ensayo, expresada en tanto por ciento del peso inicial. Este valor numérico se denomina coeficiente de desgaste Los Ángeles.

De una forma general, se puede decir que coeficientes superiores a 50 corresponden a áridos de mala calidad, no aptos para la construcción de capas de firme. Coeficientes inferiores a 20 corresponden a áridos con resistencia al desgaste suficiente para cualquier posible aplicación, y en particular, para capas de rodadura bituminosas que hayan de soportar tráfico pesado.

- Vídeo: Iozz del Carpio Cast. Ensayo de abrasión con máquina de Los Ángeles


Para saber más y ampliar conocimientos

- Lectura: Apuntes de Geotecnia con énfasis en laderas. Consistencia del suelo
- Lectura: Escuela de Ingeniería en Construcción-UCPV. Análisis granulométrico
- Lectura: González, E. y Alloza, A.M. Ensayos para determinar las propiedades mecánicas y físicas de los áridos: métodos para la determinación de la resistencia a la fragmentación. Determinación de la resistencia a la fragmentación por el método de Ensayo de los Ángeles
- Lectura: J. Bartolomé - UNIZAR. Laboratorio de geotecnia (documento doc)
- Lectura: Llamazares Gómez, Olegario. Métodos empíricos para la determinación del espesor de firmes flexibles
- Lectura: Wikipedia. Curva granulométrica
- Lectura: Wikipedia. Ensayo de compactación Proctor
- Lectura: Wikipedia. Límites de Atterberg
- Lectura: Wikivia. Ensayo de desgaste Los Ángeles
- Vídeo: ULL. Ensayos de suelos


Electrificación y vías rurales

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