2-II-CFE UNAM

PRUEBAS DE LABORATORIO PARA DETERMINAR PROPIEDADES DE LOS SUELOS

Por Juan Manuel Mayoral Villa1 Miguel Pedro Romo Organista2 Luz Catalina Cardona Giraldo3 Yolanda Alberto Hernndez3 Rosa Elia Vzquez Monroy 3 Jos Antonio Gmez Frausto3 Blanca Rosa Cuenca Alfaro3

Elaborado para: Comisin Federal ElectricidadDICIEMBRE DE 20071 2

Investigador, I de I-UNAM

Investigador y Coordinador de Geotecnia, I de I-UNAM3

Becarios de Posgrado, I de I-UNAM


NDICE CAPTULO B. GEOTECNIA ....................................................... 1CAPTULO B.2. MECNICA DE SUELOS .......................................1CAPTULO B.2.2. PRUEBAS DE LABORATORIO PARA DETERMINAR PROPIEDADES DE LOS SUELOS ............................. 1B.2.2.1. DETERMINACIN DE PROPIEDADES NDICE......................... 1B.2.2.1.1. Contenido de agua ................................................................................... 1 B.2.2.1.2. Granulometra.......................................................................................... 2 B.2.2.1.3. Lmites de consistencia ............................................................................ 8 B.2.2.1.3.1. Lmite lquido ..................................................................................... 9 B.2.2.1.3.2. Lmite plstico .................................................................................. 16 B.2.2.1.3.3. Lmite de contraccin....................................................................... 17 B.2.2.1.3.4. ndices de consistencia..................................................................... 18 B.2.2.1.3.5. Sensitividad....................................................................................... 19 B.2.2.1.3.6. Actividad ........................................................................................... 20 B.2.2.1.4. Densidad de slidos................................................................................ 21 B.2.2.1.5. Pesos volumtricos ................................................................................. 24 B.2.2.1.6. Relaciones volumtricas y gravimtricas............................................. 25 B.2.2.1.7. Clasificacin de suelos segn el S.U.C.S .............................................. 27

B.2.2.2. PRUEBAS PARA IDENTIFICAR SUELOS ESPECIALES ........ 33B.2.2.2.1. Orgnicos................................................................................................ 33 B.2.2.2.2. Expansivos .............................................................................................. 35 B.2.2.2.3. Dispersivos.............................................................................................. 50 B.2.2.2.4. Colapsables ............................................................................................. 55

B.2.2.3. PRUEBAS PARA CLASIFICAR ENROCAMIENTOS................ 60B.2.2.3.1. Granulometra........................................................................................ 60 B.2.2.3.1.1. Equipo............................................................................................... 60 B.2.2.3.1.2. Preparacin de la muestra............................................................... 63 B.2.2.3.1.3. Generalidades del procedimiento experimental.............................. 63 B.2.2.3.1.4. Clculo.............................................................................................. 64 B.2.2.3.2. Abrasin.................................................................................................. 66 B.2.2.3.2.1. Equipo............................................................................................... 66 B.2.2.3.2.2. Preparacin de la muestra............................................................... 69 B.2.2.3.2.3. Generalidades del procedimiento experimental.............................. 69 B.2.2.3.2.4. Clculo.............................................................................................. 69 B.2.2.3.2.5. Precauciones para evitar errores..................................................... 70 B.2.2.3.3. Intemperismo acelerado ........................................................................ 70 B.2.2.3.3.1. Equipo............................................................................................... 70 B.2.2.3.3.2. Preparacin de la muestra............................................................... 71 B.2.2.3.3.3. Generalidades del procedimiento experimental.............................. 72 B.2.2.3.3.4. Clculo.............................................................................................. 73 B.2.2.3.3.5. Precauciones para evitar errores..................................................... 73


B.2.2.3.4. Clasificacin de Marsal ......................................................................... 73

B.2.2.4. COMPACTACIN ............................................................................ 76B.2.2.4.1. Mtodos de compactacin ..................................................................... 79 B.2.2.4.1.1. Por impactos..................................................................................... 79 B.2.2.4.1.2. Proctor estndar............................................................................... 80 B.2.2.4.1.3. Proctor modificada........................................................................... 84 B.2.2.4.1.4. Molde miniatura............................................................................... 84 B.2.2.4.2. Por amasado ........................................................................................... 87 B.2.2.4.3. Por presin esttica (prueba esttica Porter)...................................... 88 B.2.2.4.4. Por vibracin .......................................................................................... 89

B.2.2.5. COMPRESIBILIDAD ....................................................................... 93B.2.2.5.1. Ensaye de consolidacin ........................................................................ 94 B.2.2.5.2. Consolidacin con carga incremental .................................................. 94 B.2.2.5.2.1. Curvas de consolidacin ................................................................ 100 B.2.2.5.2.2. Parmetros de compresibilidad ..................................................... 100 B.2.2.5.2.3. Curva de compresibilidad .............................................................. 103 B.2.2.5.2.4. Esfuerzo de preconsolidacin........................................................ 103 B.2.2.5.3. Consolidacin con velocidad de desplazamiento constante ............. 105 B.2.2.5.4. Factores que afectan la determinacin de 'p ................................... 108 B.2.2.5.5. Prediccin de las curvas de consolidacin de campo........................ 111

B.2.2.6. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE ............................ 113B.2.2.6.1. Pruebas triaxiales de compresin convencionales ............................ 116 B.2.2.6.1.1. Ensaye no consolidado-no drenado (UU) ..................................... 122 B.2.2.6.1.2. Ensaye consolidado-drenado (CD)................................................ 122 B.2.2.6.1.3. Ensaye consolidado- no drenado (CU) ......................................... 123 B.2.2.6.2. Pruebas triaxiales con medicin de presin de poro ........................ 127 B.2.2.6.3. Pruebas triaxiales especiales ............................................................... 130 B.2.2.6.3.1. Pruebas drenadas en arcillas saturadas con 1 constante y 3 disminuyendo ..................................................................................................... 130 B.2.2.6.3.2. Prueba no drenada en suelos parcialmente saturados con 1 constante y 3 disminuyendo............................................................................ 133 B.2.2.6.3.3. Pruebas en las cuales la falla es causada por incremento de la presin de poro................................................................................................... 134 B.2.2.6.3.4. Pruebas de extensin ..................................................................... 136 B.2.2.6.3.5. Consolidacin anisotrpica ........................................................... 139 B.2.2.6.3.6. Medida de la relacin de presin de poro B bajo condiciones de relacin de esfuerzo controlada. ....................................................................... 141 B.2.2.6.3.7. Medida de la relacin de presin de poro B bajo condiciones correspondientes al rpido descenso del nivel de agua.................................... 142 B.2.2.6.3.8. Pruebas de volumen constante ...................................................... 144 B.2.2.6.4. Pruebas con otros equipos................................................................... 145 B.2.2.6.4.1. Ensaye de corte directo .................................................................. 145 B.2.2.6.4.2. Prueba de compresin simple ........................................................ 147

B.2.2.7. ENSAYES DINMICOS................................................................. 149B.2.2.7.1. Propiedades dinmicas de los suelos .................................................. 149


B.2.2.7.1.1. Mdulo de rigidez a deformaciones pequeas .............................. 149 B.2.2.7.1.2. Mdulo de rigidez a deformaciones grandes ................................ 150 B.2.2.7.2. Pruebas de laboratorio para determinar las propiedades dinmicas ................................................................................................................................ 153 B.2.2.7.2.1. Ensayes triaxiales de columna resonante ..................................... 155 B.2.2.7.2.2. Ensayes triaxiales cclicos axiales................................................. 160 B.2.2.7.2.3. Columna torsionante...................................................................... 162 B.2.2.7.2.4. Ensaye de pulsos ultrasnicos ....................................................... 163 B.2.2.7.2.5. Ensaye de elemento piezoelctrico ................................................ 163 B.2.2.7.2.6. Prueba de corte simple directo cclico........................................... 164 B.2.2.7.3. Modelos constitutivos ms comunes................................................... 165 B.2.2.7.3.1. Modelo elstico lineal .................................................................... 165 B.2.2.7.3.2. Modelo elsto-plstico.................................................................... 166 B.2.2.7.3.3. Modelo hiperblico ........................................................................ 167 B.2.2.7.3.4. Modelo de Iwan.............................................................................. 168

B.2.2.8. PRUEBAS DE PERMEABILIDAD ............................................... 170B.2.2.8.1. Factores que afectan la permeabilidad de los suelos ........................ 170 B.2.2.8.2. Flujo unidimensional de agua en suelos saturados ........................... 177 B.2.2.8.2.1. Ley de Poiseuille............................................................................. 178 B.2.2.8.2.2. Ley de Darcy................................................................................... 178 B.2.2.8.3. Determinacin del coeficiente de Permeabilidad .............................. 181 B.2.2.8.3.1. Permemetro de carga constante .................................................. 182 B.2.2.8.3.2. Permemetro de carga variable..................................................... 184

NDICE DE FIGURASFigura B.2.2.1. Relacin entre la granulometra y la susceptibilidad al agrietamiento (Manual CFE, 1980) 3 Figura B.2.2.2. Grfica para diseo de filtros, (Manual CFE, 1980) 3 Figura B.2.2.3. Relacin de la granulometra con el coeficiente de permeabilidad (Manual CFE, 1980). 4 Figura B.2.2.4. Retenido en cada malla (Flores, 2002) 6 Figura B.2.2.5. Curvas granulomtricas tpicas (Manual CFE, 1980) 7 Figura B.2.2.6. Diferentes estados del suelo 8 Figura B.2.2.7. comportamiento esfuerzo-deformacin, segn su contenido de agua (Holtz & Kovacs, 1981). 9 Figura B.2.2.8. Suelo en la copa de Casagrande (ASTM D 4318 00) 9 Figura B.2.2.9. Curva tpica resultante de la determinacin del lmite lquido (Mendoza, Orozco, 1998) 10 Figura B.2.2.10. Cierre de la ranura despus del nmero de golpes a razn de 2 golpes por segundo (ASTM D 4318 00) 11 Figura B.2.2.11. Cono ingls y sueco (Flores, 2002) 13 Figura B.2.2.12. Cono sueco (Flores, 2002) 13 Figura B.2.2.13. Cono ingls (Flores, 2002) 14


Figura B.2.2.14. Correccin de los contenidos de agua de diferentes suelos, secado en HMO y HC (Mendoza y Orozco, 1998) 16 Figura B.2.2.15. Suelo en el lmite plstico 16 Figura B.2.2.16. Variacin del mdulo de rigidez mximo con el esfuerzo efectivo de consolidacin (Flores y Romo, 2005). 19 Figura B.2.2.17. Relacin del ndice de liquidez y la sensitividad (Manual CFE, 1980) 20 Figura B.2.2.18. Procedimiento auxiliar para la identificacin de los suelos granulares en el laboratorio 31 Figura B.2.2.19. Procedimiento auxiliar para la identificacin de los suelos finos en el laboratorio 32 Figura B.2.2.20. Ejemplos de perfiles de succin. (a) Preconstruccin en temporada seca; (b) preconstruccin en temporada hmeda; (c) postconstruccin por debajo del rea cubierta; (d) postconstruccin por encima del nivel fretico colgado. 38 Figura B.2.2.21. Ejemplos de fracturas en muros debidas a la expansin tipo domo de suelos de cimentacin con expansin y retraccin. 40 Figura B.2.2.22. Comportamiento para el mtodo A 42 Figura B.2.2.23. Comportamiento para el mtodo B 42 Figura B.2.2.24. Comportamiento para el mtodo C 43 Figura B.2.2.25. Grfica tridimensional que ilustra las trayectorias de esfuerzos de la prueba realizada con el mtodo B y su relacin con las variables de esfuerzo para un suelo parcialmente saturado (SMMS, UAQ, 2004). 44 Figura B.2.2.26. Muro zapata perimetral continuo, utilizado en reas donde el suelo tiene de bajo a moderado potencial de expansin (SMMS, UAQ, 2004) 46 Figura B.2.2.27. Bulbo de esfuerzos para una zapata estrecha (SMMS, UAQ, 2004) 47 Figura B.2.2.28. Sistema de cimentacin a base de losas rgidas (SMMS, UAQ, 2004) 47 Figura B.2.2.29. Distorsin de un montculo que se puede desarrollar bajo la losa (SMMS, UAQ, 2004) 48 Figura B.2.2.30. Mtodo de Thornthwaite (SMMS, UAQ, 2004) 49 Figura B.2.2.31. Distorsin de un montculo que se puede desarrollar bajo la losa (SMMS, UAQ, 2004) 50 Figura B.2.2.32. Caractersticas dispersivas y sales disueltas en el agua de poro. 52 Figura B.2.2.33. Correlacin entre ESP y pH con caractersticas dispersivas. 54 Figura B.2.2.34. Proceso de erosin regresiva que conduce a la tubificacin. 55 Figura B.2.2.35. Sifn (sinkhole). 55 Figura B.2.2.36 . Fenmeno de Colapso. 56 Figura B.2.2.37. Incremento de volumen y colapso para un mismo suelo (Jennings y Kenight, 1975). 57 Figura B.2.2.38. Colapso por humedecimiento. 59 Figura B.2.2.39. Cribadora primaria 61 Figura B.2.2.40. Cribadora secundaria 62 Figura B.2.2.41. Curvas granulomtricas de materiales de enrocamiento 64 Figura B.2.2.42. Graduacin del conglomerado silicificado de El Infiernillo 65 Figura B.2.2.43. Graduacin del basalto de San Francisco 65 Figura B.2.2.44. Graduacin de la grava y arena de Pinzandarn 66 Figura B.2.2.45. Mquina de Los ngeles 67 Figura B.2.2.46 Equipo para ensayar gravas a la ruptura 75 Figura B.2.2.47. Rango de variacin de los materiales de enrocamiento 75


Figura B.2.2.48. Principio de compactacin de suelos 76 Figura B.2.2.49. Curvas esfuerzo-deformacin tpicas de los suelos compactados 77 Figura B.2.2.50. Curvas tpicas de expansin y compresibilidad de los suelos compactados 77 Figura B.2.2.51. Coeficientes de permeabilidad de suelos compactados en el laboratorio y en el campo. 78 Figura B.2.2.52. Efecto del tipo de compactacin 79 Figura B.2.2.53. Efecto de la energa de compactacin 80 Figura B.2.2.54. Dimensiones y partes del molde tipo Proctor 81 Figura B.2.2.55. Secuencia de apisonado 82 Figura B.2.2.56. Relacin entre los lmites de consistencia y el contenido de agua ptimo (Prueba Proctor estndar) 83 Figura B.2.2.57. Curva tpica de un ensaye de compactacin 83 Figura B.2.2.58. Dimensiones del molde de 3.60 cm de dimetro interno y los pisones utilizados. 84 Figura B.2.2.59. Molde con extensin y pisn 85 Figura B.2.2.60. Curvas de compactacin con diferentes energas 86 Figura B.2.2.61. Variacin del grado de saturacin con el contenido de agua 87 Figura B.2.2.62. Cambio de volumen por efecto de esfuerzos cortantes cclicos 92 Figura B.2.2.63. Asentamiento provocado por la disminucin de volumen 93 Figura B.2.2.64. Equipo para el ensaye de consolidacin 95 Figura B.2.2.65. Odmetro con carga incremental 96 Figura B.2.2.66. Relacin emprica entre el esfuerzo efectivo de preconsolidacin y los lmites de consistencia 98 99 Figura B.2.2.67. Definicin de Cc , Cr , C s y ' p Figura B.2.2.68. Curva tpica de consolidacin 101 Figura B.2.2.69. Diagrama de fase 103 Figura B.2.2.70. Curva tpica de compresibilidad en escala aritmtica 103 Figura B.2.2.71. Curva tpica de compresibilidad en escala semi-logartmica 105 Figura B.2.2.72. Esquema idealizado de una prueba tipo VCD 107 Figura B.2.2.73. Efecto de la alteracin, durante el muestreo 109 110 Figura B.2.2.74. Efecto de la relacin de incremento de carga, LIR Figura B.2.2.75. Efecto de la duracin de la carga en la curva de compresibilidad 111 Figura B.2.2.76. Procedimiento para obtener la curva de compresin virgen de campo para suelos normalmente consolidados 112 Figura B.2.2.77. Procedimiento para obtener la curva de compresin virgen de campo para suelos normalmente consolidados 112 Figura B.2.2.78. Condiciones de carga y esfuerzos impuestos en algunos ensayes de laboratorio utilizados para medir la resistencia del suelo (P.J. Sabatini et al, 2002). 114 Figura B.2.2.79. Ejemplos de ensayes utilizados para determinar la resistencia a lo largo de la superficie de falla en terraplenes y cimentaciones someras (Biscontin, 2001). 115 Figura B.2.2.80. Criterios de falla idealizados para suelos 116 Figura B.2.2.81. (a) Diagrama esquemtico del aparato triaxial. (b) Condicin de esfuerzos asumido en la cmara triaxial 118 Figura B.2.2.82. Envolvente tpica de un ensaye triaxial, tipo UU 120 Figura B.2.2.83. Envolvente tpica de un ensaye triaxial tipo CD 120


Figura B.2.2.84. Resultados de ensaye triaxial a compresin tipo CU 121 Figura B.2.2.85. Trayectoria de esfuerzos positiva en cortante no drenado 121 Figura B.2.2.86. Algunos ejemplos de anlisis consolidado-drenado para arcillas 123 Figura B.2.2.87. Evolventes tpicas de un ensaye triaxial, tipo CU: (a) Envolvente de falla por esfuerzo total, (b) Envolvente de falla por esfuerzo efectivo 124 Figura B.2.2.88. Algunos ejemplos de anlisis consolidado-no drenado para arcillas 125 Figura B.2.2.89. Requerimientos esenciales para un panel de presin de poro 128 Figura B.2.2.90. Bloque de montaje para transductor de presin 129 Figura B.2.2.91. Ubicacin del transductor de presin para la medida de la presin de poro. 129 Figura B.2.2.92. Prueba drenada con 1 constante y 3 disminuyendo. Grficas de esfuerzo desviador y cambio de volumen vs deformacin para una arcilla normalmente consolidada. 132 Figura B.2.2.93. Prueba drenada con 1 constante y 3 disminuyendo. Grficas de esfuerzo desviador y cambio de volumen vs deformacin para una arcilla altamente preconsolidada. 132 Figura B.2.2.94. Prueba drenada con 1 constante y 3 disminuyendo: tasa constante de deformacin. Grficas de la relacin tpica del cambio de 3 entre el cambio de deflexin del anillo de prueba vs la deformacin. 134 Figura B.2.2.95. Esquema del aparato para pruebas en la cuales la falla es causada por el incremento de la presin de poro. 135 Figura B.2.2.96. Prueba en arena suelta saturada en la cual la falla es causada por un incremento de la presin de poro: (a) Esfuerzos efectivos principales mayor y menor, relacin de esfuerzos efectivos y (b) Grfica de cambio de volumen vs deformacin. 135 Figura B.2.2.97. Cabezal de carga para pruebas de extensin en muestras de 1.25 cm de dimetro (pisn de 1.27 cm (1/2 pulgada) de dimetro) 136 Figura B.2.2.98. Cabezal de carga para pruebas de extensin en muestras de 3.75 cm de dimetro (pisn de 3.81 cm (1 pulgada)) 137 Figura B.2.2.99.Cabezal de carga para pruebas de extensin en muestras de 10.16 cm (4 pulgadas) de dimetro. 137 Figura B.2.2.100. Prueba de extensin drenada en una arcilla normalmente consolidada. 138 Grficas de esfuerzo axial y cambio de volumen vs deformacin ( 1 = 2 =210 kPa). Figura B.2.2.101. Prueba de extensin consolidada-no drenada en una arcilla normalmente consolidada. Grficas de esfuerzo axial y presin de poro vs deformacin ( 1 = 2 =210 kPa). 139 Figura B.2.2.102. Consolidacin anisotrpica a tasa constante de deformacin con relacin de esfuerzos principales constantes. Grfica de la relacin tpica entre la presin de la celda y la deflexin del anillo de prueba vs deformacin. 140 Figura B.2.2.103. Consolidacin con factor de seguridad constante. (a) Envolvente de Mohr para la falla y envolvente a ser seguida en la prueba con factor de seguridad, F , constante. (b) Relacin entre ( 1 3 ) y '3 para factor de seguridad constante. 142 Figura B.2.2.104. Medida de la relacin de presin de poro B, bajo condiciones correspondientes al descenso del nivel del agua. (a) Cambios en el nivel de agua en un talud aguas arriba, (b) Cambios en esfuerzo total y presin de poro en el aparato triaxial. 144


Figura B.2.2.105. (a) Diagrama esquemtico de la seccin transversal del aparato de corte directo; (b) Resultados de ensayes tpicos (arena densa); y (c) Diagrama de Mohr para especmenes a la misma compasidad relativa. 146 Figura B.2.2.106. Curvas tpicas de ensayes de compresin simple 148 Figura B.2.2.107. Mdulos de rigidez normalizados para arcillas de la ciudad de Mxico (Romo, 1990). 150 Figura B.2.2.108. Amortiguamientos para arcillas de la ciudad de Mxico (Romo, 1990)151 Figura B.2.2.109. Curvas de mdulo de rigidez dinmico normalizado para arcillas 151 Figura B.2.2.110. Curvas de mdulo de rigidez dinmico normalizado para arenas 152 Figura B.2.2.111. Curvas de mdulo de rigidez dinmico normalizado para arenas 152 Figura B.2.2.112. Curvas de amortiguamiento para arcillas 152 Figura B.2.2.113. Curvas de amortiguamiento para arenas 153 Figura B.2.2.114. Curvas de amortiguamiento para gravas 153 Figura B.2.2.115. Cmara triaxial de columna resonante 155 Figura B.2.2.116. Esquema del equipo de columna resonante. 156 Figura B.2.2.117. Ubicacin de la probeta, sistema mvil, bobinas, sensor de desplazamientos y acelermetro 156 Figura B.2.2.118. Fuerza de torsin aplicada y distorsiones que presenta la probeta durante la etapa de ensaye. 157 Figura B.2.2.119. Curvas de respuesta bajo vibracin forzada (Flores et al., 2002) 158 Figura B.2.2.120. Clculo de parmetros 158 Figura B.2.2.121. Cmara triaxial cclica tpica 160 Figura B.2.2.122. Representacin esquemtica de configuracin del ensaye triaxial cclico 161 Figura B.2.2.123. Esquema de los ciclos de histresis generados por el equipo triaxial cclico 162 Figura B.2.2.124. Representacin esquemtica del aparato triaxial cclico torsional hueco. 163 Figura B.2.2.125. Aparato de corte simple cclico. Espcimen de suelo contenido dentro de la membrana reforzada (Airey y Word, 1987). 164 Figura B.2.2.126. Representacin de la relacin esfuerzo-deformacin para el modelo elstico. 165 Figura B.2.2.127. Representacin del comportamiento esfuerzo-deformacin cclico para el modelo elasto-plstico lineal. 166 Figura B.2.2.128. Distribucin de anisotrpica de deformaciones, de acuerdo con la inclinacin del talud. 167 Figura B.2.2.129. Representacin del comportamiento esfuerzo-deformacin para el modelo hiperblico. 168 Figura B.2.2.130. Modelo reolgico de Iwan 169 Figura B.2.2.131. Representacin de la curva esqueleto para el Modelo de Iwan. 169 Figura B.2.2.132.Forma de las partculas de un suelo grueso 171 Figura B.2.2.133. Relacin entre el coeficiente de permeabilidad y la relacin de vacos 173 Figura B.2.2.134. Efecto de una burbuja sobre el flujo del agua por el suelo 174 Figura B.2.2.135. Relacin entre el grado de saturacin y el coeficiente de permeabilidad 174 Figura B.2.2.136. Influencia de capas muy permeables en el coeficiente de permeabilidad 175


Figura B.2.2.137. Zona I flujo laminar; zona II de transicin y zona III de flujo turbulento 176 Figura B.2.2.138. Relacin entre la viscosidad dinmica del agua y la temperatura. 177 Figura B.2.2.139. Trayectorias de flujo en el suelo 178 Figura B.2.2.140. Dominio de validez de la Ley de Darcy; el rgimen de flujo cambia a turbulento fuera de l. 180 Figura B.2.2.141. Posibles variaciones de la Ley de Darcy a pequeos gradientes. 180 Figura B.2.2.142. Permemetro de carga constante 184 Figura B.2.2.143. Permemetro de carga variable 185

NDICE DE TABLASTabla B.2.2.1. Mallas y sus tamaos para el cribado 5 Tabla B.2.2.2. Factores para obtener Lmite Lquido del volumen de agua y nmero de impactos que causan cierre de ranura (ASTM D 4318 00) 12 Tabla B.2.2.3. Principales caractersticas de los conos usados actualmente (Mendoza y Orozco,) 13 Tabla B.2.2.4. Relacin entre los probables cambios de volumen en un suelo y los lmites de consistencia (Manual CFE, 1980). 21 Tabla B.2.2.5. Valores tpicos de la densidad de slidos 22 Tabla B.2.2.6. Tamao de muestra requerida para la determinacin de la densidad de slidos de acuerdo al tipo de suelo 22 23 Tabla B.2.2.7. Valores del coeficiente de correccin por temperatura ( k ) Tabla B.2.2.8. Valores tpicos del peso volumtrico seco y natural para diferentes suelos 24 Tabla B.2.2.9. Nomenclatura 25 Tabla B.2.2.10. Relaciones volumtrico-gravimtricas (Manual CFE) 26 Tabla B.2.2.11. Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos (S.U.C.S) incluyendo identificacin y descripcin 28 Tabla B.2.2.12. Propiedades mecnicas de acuerdo al tipo de suelo 29 Tabla B.2.2.13. Propiedades mecnicas de acuerdo al tipo de suelo (continua) 30 Tabla B.2.2.14. Clasificacin de las propiedades de suelos orgnicos y turba (Landva et al., 1983). 34 Tabla B.2.2.15. Expansibilidad intrnseca y expansibilidad potencial de minerales de arcilla (Olsen y Mesri, 1970). 36 Tabla B.2.2.16. Ejemplos de las causas de expansin de la cimentacin por cambios en la humedad del suelo. 39 Tabla B.2.2.17 Aproximaciones tericas desarrolladas por diferentes autores 48 Tabla B.2.2.18. Gnesis de suelos dispersivos y sdicos. 53 Tabla B.2.2.19. Juego de cribas 60 Tabla B.2.2.20. Hornos para el secado del material 62 Tabla B.2.2.21. Juego de tamices 63 Tabla B.2.2.22. Composicin de la muestra de prueba y cargas abrasivas (para granos de tamao pequeo) 67


Tabla B.2.2.23. Composicin de la muestra de prueba y cargas abrasivas (para granos de gran tamao) 68 Tabla B.2.2.24. Juego de mallas para obtener la graduacin de la muestra de prueba 68 Tabla B.2.2.25. Juego de tamices empleado en la prueba 70 Tabla B.2.2.26. Tamao de la muestra 72 Tabla B.2.2.27. Cantidad de reactivo empleado para preparar la solucin de la prueba 72 Tabla B.2.2.28. Clasificacin de enrocamientos 74 Tabla B.2.2.29. Mtodo de compactacin segn el tipo de suelo. 79 Tabla B.2.2.30. Energa de compactacin para ensayes tipo Proctor 80 Tabla B.2.2.31. Caractersticas de compactacin 85 Tabla B.2.2.32. Resumen de pruebas triaxiales en arcillas saturadas (Das, Braja Principios de ingeniera de cimentaciones) 126 Tabla B.2.2.33. Pruebas de laboratorio para determinar parmetros dinmicos en suelos 154 Tabla B.2.2.34. Ensayes de laboratorio para medir el coeficiente de permeabilidad del suelo 170 Tabla B.2.2.35. Pruebas de permeabilidad factibles de acuerdo al tipo de suelo 182 Tabla B.2.2.36. Valores del coeficiente de permeabilidad para diferentes suelos 186 Tabla B.2.2.37. Valores del coeficiente de permeabilidad para diferentes suelos (continua) 187


CAPTULO B. GEOTECNIACAPTULO B.2. MECNICA DE SUELOSCAPTULO B.2.2. PRUEBAS DE LABORATORIO DETERMINAR PROPIEDADES DE LOS SUELOS PARA

Las muestras alteradas e inalteradas obtenidas durante los trabajos de exploracin geotcnica sern enviadas al laboratorio para obtener los parmetros de diseo geotcnico, incluyendo propiedades ndice, propiedades mecnicas en condiciones estticas y dinmicas y propiedades hidrulicas. Trabajos realizados por diferentes investigadores demuestran que las propiedades ndice tienen gran influencia en la variacin de las propiedades mecnicas, hidrulicas y de compresibilidad de los suelos. Esto implica que se debe hacer un correcto manejo de las muestras inalteradas y determinar las propiedades ndice y mecnicas siguiendo las normas establecidas, con el fin de caracterizar adecuadamente los materiales. En ste captulo se detallan algunos de los aspectos ms relevantes a tomar en cuenta cuando se trabaja con los suelos para su caracterizacin.

B.2.2.1. DETERMINACIN DE PROPIEDADES NDICEPara clasificar los suelos de acuerdo al sistema Internacional de Clasificacin de Suelos (SUCS) y determinar sus relaciones volumtricas y gravimtricas es necesario determinar una serie de parmetros del suelo denominados propiedades ndice. La obtencin de stas propiedades permite clasificar el suelo y en ocasiones inferir cualitativamente el comportamiento mecnico del material. B.2.2.1.1. Contenido de agua La cantidad de agua en peso que posee una muestra de suelo con respecto a su peso seco, expresada en porcentaje, se denomina contenido de agua. El contenido de agua natural de un suelo es el que se obtiene al ejecutar la prueba con muestras que han sido debidamente protegidas, para evitar prdidas de humedad por secado. Generalidades del procedimiento experimental El procedimiento para determinar el contenido de agua consiste en secar la muestra previamente pesada ( wh ) dentro de un horno controlado a temperatura constante de 110 5C hasta que alcance la condicin de peso constante. Sin embargo, no es prctico medir varios pesos para determinar si ya se logr dicha condicin, por lo que usualmente se asume que despus de poner a secar el suelo por un periodo de 18 a 20 hr, la muestra estar en un estado de peso constante, se sacan stas del horno y se colocan en desecadores, los cuales deben estar tapados para que el suelo no absorba la humedad ambiente. Al finalizar ste proceso se pesa la muestra, con el fin de obtener el peso seco del material ( Ws ). Es importante resaltar que en el caso particular que se tengan suelos con un alto contenido de yeso o suelos orgnicos la temperatura del horno de secado se debe bajar a 60 5C con el fin de evitar la prdida de agua molecular. Los errores ms frecuentes en la determinacin del contenido de agua son los derivados de una variacin importante de la temperatura dentro del horno, debido a un control deficiente. La experiencia indica que el mtodo 1


descrito para secar las muestras pequeas de 10 a 200 g es adecuado para trabajos rutinarios de laboratorio, e inclusive para muestras de 1000 g o ms. El contenido de agua natural puede alcanzar valores de 1200 a 1400% en arcillas japonesas de 400 a 500 % en arcillas del valle de Mxico y en otras arcillas se obtienen valores menores a 100 % . El valor del contenido de agua se calcula aplicando la siguiente ecuacin:w(%) = Wh W s W 100% = w (100 ) Ws WS(B.2.2.1)

B.2.2.1.2. Granulometra La distribucin granulomtrica de un suelo es la distribucin cuantitativa del tamao de las partculas que lo forman. sta determinacin se hace por cribado a travs de mallas para las partculas mayores de 0.074 mm y por sedimentacin, usando el hidrmetro, para las partculas menores (mtodo de anlisis combinado). La curva granulomtrica de los suelos granulares se define en funcin de los coeficientes de curvatura y uniformidad, y dependiendo de sus valores la muestra de suelo granular se clasifica como bien o mal graduada, y el porcentaje de partculas menores de 0.074 mm (malla 200) permite agruparla como suelo limpio o con fraccin fina. La distribucin granulomtrica de un suelo sirve para evaluar su comportamiento mecnico, para el anlisis de susceptibilidad a densificarse y a perder resistencia cuando se sometan a cargas dinmicas, para el anlisis del posible agrietamiento de terraplenes, para encontrar el porcentaje de partculas de arcilla de un suelo que se correlaciona a su vez con la actividad de ste, para evaluar la tendencia a la tubificacin, para disear filtros, etc. Por ejemplo, se han establecido que las arenas susceptibles a la licuacin son las que tienen las siguientes caractersticas (necesarias pero no suficientes); un dimetro efectivo del suelo, D10 < 0-1 mm; un coeficiente deuniformidad, C u < 5; una porosidad, n > 44% y una compacidad relativa, C r < 0.4 0.5. Igualmente, se han determinado relaciones empricas entre las caractersticas granulomtricas de los suelos que constituyen un terrapln (dependiendo de la deformabilidad de su cimentacin) y la susceptibilidad al agrietamiento como se muestra en la Figura B.2.2.1. Por otra parte la tendencia de los suelos a la tubificacin vara con su granulometra y la plasticidad; sin embargo, para suelos finos del tipo de arcillas y de gravas, dichas correlaciones de la parte fina son demasiado conservadoras, puesto que stos presentan una resistencia inherente a la tubificacin. En el caso del diseo de filtros se siguen las siguientes reglas que aunque son conservadoras en la mayora de los casos pueden ser aceptables:

-

El D15 del filtro (i.e. el tamao de la abertura de la malla por la cual pasa el 15% de las partculas del material del filtro) debe ser por lo menos igual a 5 veces el tamao D15 del suelo por proteger y no debe ser mayor de 5 veces el tamao D85 del mismo (Figura B.2.2.2). Cuando el suelo por proteger contiene un alto porcentaje de grava, el filtro debe disearse con base en la porcin de suelo de tamao inferior a 2.5 cm. Los filtros no deben contener ms de 5% de finos de tamao inferior a 0.07 mm, y dichos finos no deben ser plsticos.

-

2


La granulometra est asociada, adicionalmente, a correlaciones empricas, tales como la ecuacin de Hazen, la cual relaciona el dimetro por el cual pasa el 10% del material, D10 y el coeficiente de permeabilidad de los suelos granulares, como se presenta a continuacin:k = 100 D102

(B.2.2.2)

Los coeficientes de permeabilidad en funcin del dimetro efectivo se presentan en la Figura B.2.2.3 los cuales se debern emplear como parmetros conservadores y aproximados exclusivamente con fines de prediseo en las obras. Los valores finales debern ser obtenidos en el laboratorio o en el campo, empleando los mtodos expuestos en B. 2.2.8 y B. 2.1.1 de ayuda de diseo.100

Porcentaje que pasa

50

Intervalo peligroso de granulometra

0 0.002

0.005

0.01

0.02

0.04

0.074

0.149

0.297

0.590

1.19

Dimetro de las partculas, en mm

Figura B.2.2.1. Relacin entre la granulometra y la susceptibilidad al agrietamiento (Manual CFE, 1980)100 d85(suelo) 0.055 80 d15(filtro) d (filtro)

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