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MECANICA DE SUELOS

Jorge V. Zegarra Pellanne*

ORIGEN DE LOS SUELOS ESTRUCTURA DE LOS SUELOS

EXPLORACION DE SUELOS ENSAYOS DE LABORATORIO HIDRAULICA DE LOS SUELOS ESFUERZOS EN EL SUELO RESISTENCIA AL CORTE DE LOS

SUELOS COMPRESIBILIDAD

YASENTAMIENTOS

Lima, 1999

*Profesor Principal y Jefe del Laboratorio de Mecnica de Suelos del Departamento de Ingenierade la Pontificia Universidad Catlica del Per


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MECANICA DE SUELOS

ORIGEN DE LOS SUELOSSuelos ResidualesSuelos TransportadosSuelos OrgnicosSuelos de Origen Geolgico Secundario

ESTRUCTURA DE LOS SUELOSPropiedades Indice e Ingenieriles de los SuelosTamao de las PartculasSuelos Granulares y CohesivosRelaciones entre Pesos y VolmenesDensidad RelativaConsistenciaPlasticidadSistemas de Clasificacin de SuelosDescripcin de Suelos

EXPLORACION DE SUELOSCalicatasSondeos MecnicosEnsayos in situ

Ensayo de Penetracin Estndar, SPTAuscultacin Dinmica con Cono Tipo PeckEnsayos de Permeabilidad en Sondeos y CalicatasToma de Muestras

ENSAYOS DE LABORATORIOEnsayos de Identificacin de SuelosPermeabilidadEnsayos de ConsolidacinEnsayos de Compresin No ConfinadaCorte Directo

Ensayos TriaxialesEnsayos de Compactacin y CBROtros Ensayos de Laboratorio

HIDRAULICA DE LOS SUELO

ESFUERZOS EN EL SUELO

RESISTENCIA AL CORTE DE LOS SUELOSResistencia Drenada y No DrenadaResistencia Drenada

Resistencia No DrenadaCondiciones de Drenaje en el Diseo


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COMPRESIBILIDAD Y ASENTAMIENTOS

Componentes del AsentamientoAsentamiento por ConsolidacinSuelos Normalmente Consolidados y Preconsolidados

Clculo de la Compresibilidad de una Capa de Suelo


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Proyecto Minera y Medio Ambiente

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MECANICA DE SUELOS

Jorge V. Zegarra Pellanne

ORIGEN DE LOS SUELOS

Los suelos son consecuencia de la descomposicin fsica y qumica de las rocas. Lossuelos se generan por la meteorizacin de las rocas y son removidos por la erosin. Lameteorizacin puede ser mecnica (efectos climticos, exfoliacin, erosin por vientoy lluvia, abrasin, actividad orgnica, etc.) y qumica (oxidacin, solucin,

lixiviacin, hidrlisis, etc.).

Segn cual sea el origen de sus elementos, los suelos se dividen en dos grandesgrupos: suelos cuyo origen se debe, esencialmente al resultado de la descomposicinfsica y qumica de las rocas, y suelos cuyo origen es esencialmente orgnico. Si los

productos de la descomposicin de las rocas se encuentran an en el mismo lugar deorigen, constituyen un suelo residual; en caso contrario, forman un suelo transportado,cualquiera sea el agente de transporte. Adicionalmente se considera a los suelos deorigen geolgico secundario.

En el Cuadro 1, se presenta la clasificacin y algunas caractersticas de los suelos

segn su origen.

Suelos Residuales

Son suelos formados en su ubicacin actual a travs de la meteorizacin de la rocamadre (o basal). Generalmente estos suelos son verdaderos residuos de la rocaoriginal; todos los materiales solubles han sido lixiviados por la continua infiltracinde agua. Naturalmente, la desintegracin qumica disminuye al aumentar la

profundidad; la alteracin de la roca original se vuelve gradualmente menor hasta quefinalmente alcanza la roca inalterada. Algunos suelos residuales son arenosos, pero lasarcillas residuales son ms comunes que las arenas.

Los suelos residuales tienen a caracterizarse por:

presencia de minerales que han meteorizado de la roca madre, partculas que tienden a ser angulares o sub-angulares, grandes fragmentos de roca angulares, que tienden a encontrarse dispersos a travs

de la masa del suelo.


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Cuadro 1.- CLASIFICACION DE LOS SUELOS DE ACUERDO A SU ORIGEN (U.S. Navy, 1986)

CLASIFICACION PROCESO DEFORMACION DEPOSITOS NATURALES

RESIDUALESIntemperismo de la rocabasal sin movimiento departculas.

Un producto del intemperismo completo es unaarcilla cuyo tipo depende principalmente de dichoproceso. Las partculas de grava son el resultado delintemperismo parcial y dependen ms del tipo deroca. Al aumentar la profundidad, suelen ser mscompactos, ms resistentes y menos intemperizados

TRANSPORTADOS

AluvialTransportados y deposi-tados por accin del agua.

Varan de arcillas finas a gravas muy gruesas ybloques. Los suelos usualmente muestran una pronun-ciada estratificacin. Las gravas de los ros son gene-ralmente redondeadas.

ColuvialTransportados por la gra-vedad.

Incluye depsitos de pie de monte. Variedades desdearcilla a bloques. Materiales usualmente heterogneoscon un amplio rango de tamaos de partculas. Laspartculas de grava son generalmente angulares.

Glacial

Transportados y deposi-tados por los glaciares oagua procedente de losglaciares.

Las morrenas glaciales y los depsitos de morrenasusualmente tienen un amplio rango de gradacin,desde arcillas a bloques. El tamao de las partculasen los materiales no lavados disminuye con ladistancia desde el origen del deshielo. La estratifi-cacin en las morrenas y tills, es usualmenteheterognea, pero los depsitos no lavados originansuelos estratificados con limos y arcillas en lagunasglaciares. Las partculas son tpicamente angulares.

ElicoTransportados y deposi-tados por el viento

La gradacin es altamente uniforme, indistintamentede s es estratificado o no. Tpicamente, limo o arenafina pero algunas veces la superficie est cubierta poruna capa simple de grava fina. Los loess tienentpicamente una estructura secundaria de fisurasverticales, grietas y agujeros.

ORGANICOSFormados in situ por elcrecimiento y descompo-sicin de las plantas.

La turba es oscura, fibrosa o amorfa y altamentecompresible. Mezclas de sedimentos finos y materiaorgnica producen limos y arcillas orgnicos.

DEORIGENG

EOLOGIC

O

SECUNDARIO

Volcnico

Depsitos de ceniza y

pmice debidos aerupciones volcnicas.

Partculas de sedimentos con gran cantidad deresiduos volcnicos. Las partculas son muy angularesy alargadas. El intemperismo produce algunas veces

arcillas expansivas y altamente plsticas. Losdepsitos intemperizados y consolidados a vecesforman una capa de roca delgada y fcilmentetrabajable.

Evaporitas

Materiales precipitados oevaporados de solucionescon alto contenido desales

Suelos cementados o rocas ligeramente sedimentarias.Compuesto de oolitas por la precipitacin del calciodel agua de mar y sulfato de calcio de las playas delos lagos con alto contenido de sulfatos en losdesiertos. La evaporita puede formarse como unacorteza dura debajo de la superficie en regionesridas.


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Suelos Transportados

Son suelos formados por la meteorizacin de la roca en un lugar y que se encuentranahora en otro lugar por efecto de diferentes agentes. Estos agentes son los que dan losdiversos nombres a los suelos transportados, as tenemos:

Aluvial: son los suelos transportados y redepositados por accin del agua. Estossuelos presentan por lo general una estratigrafa muy pronunciada, ya que el aguatransporta al suelo seleccionando por la velocidad: a mayor velocidad mayortamao de partculas y viceversa. En las zonas en que los ros son muy estrechosse aprecia que se depositan partculas muy grandes, mientras que en las zonas endonde los ros se ensanchan, se depositan partculas muy finas. Los depsitos delagos son llamados lacustres. Un depsito marino se forma cuando los sedimentos

precipitan en agua salada. Los deltas son sedimentos precipitados en lasdesembocaduras de corrientes en bahas, ocanos y lagos. Los abanicos o conos dedeyeccin son similares a los deltas, pero se encuentran en zonas ridas. Los

depsitos lacustres, marinos y deltaicos tienden a ser relativamente finos, contamaos predominantes del limo y de la arcilla. A veces se encuentra materialorgnico y vetas de arena.

Coluvial: son los suelos transportados por accin de la gravedad. Forman losdepsitos de pie de monte: los materiales han ido rodando por gravedad desde laubicacin donde se encontraba la roca madre hasta la parte inferior de la ladera delcerro en el cual se encontraba sta. Estos depsitos por lo general estn sueltos ycontienen vacos.

Glacial: son los suelos transportados y redepositados por hielo glacial o agua deglaciares. En el Per suelen ubicarse sobre los 3800 m.s.n.m. Las morrenas sondepsitos glaciares no estratificados de arcilla, limo, arena y grava que cubrenaquellas partes de la superficie rocosa que estuvieron bajo los hielos en los

periodos de avance de los glaciares; son depsitos de suelos empujados, queforman cordones o cercos alrededor de la periferia del glacial. El materialtransportado por los glaciares vara desde bolones hasta arcilla, incluyendo todoslos tamaos intermedios. Los suelos de origen glacial son generalmente densos yresistentes debido al peso del hielo que actu sobre ellos. Gran porcentaje de losfragmentos de roca son de forma angular, ms que redondeada. El till, de tamaoms fino que la morrena, es tpico de la zona del lago Titicaca.

Elicos: Son los suelos transportados por el viento. Muchas veces no existe unaestratificacin horizontal y rara vez se distingue. Frecuentemente tienen estructurasecundaria de grietas verticales, juntas y agujeros de races. Los depsitos elicosson primariamente loess y arenas de dunas. Los loess son sedimentos elicosuniformes y cohesivos; el tamao de la mayora de sus partculas oscila entre 0.01y 0.05 mm y su cohesin es debida a la presencia de un cementante que puede serde naturaleza predominantemente calcrea o arcillosa.

Suelos Orgnicos

Los suelos de origen orgnico se han formado casi siempre in situ, ya sea comoconsecuencia de la descomposicin de vegetales (como en el caso de las turbas), ya


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sea por la acumulacin de fragmentos de esqueletos inorgnicos o de conchas deciertos organismos. De all que los suelos de origen orgnico puedan ser tantoorgnicos como inorgnicos. No obstante, la expresin suelo orgnico se aplicageneralmente a suelos transportados, producto de la descomposicin de las rocas, quecontienen cierta cantidad de materia orgnica vegetal descompuesta. Suelen ser de

color oscuro y olor tpico de la materia en descomposicin (olor a podrido). Puedenvariar desde suelos compactos, cuando son suelos orgnicos secos, hasta suelos

blandos.

Las turbas son agregados fibrosos de fragmentos macro y microscpicos de materiaorgnica descompuesta. Son muy compresibles. En las turbas no se defineestratificacin.

Suelos de Origen Geolgico Secundario

En este grupo se distinguen los originados por las erupciones volcnicas y aquellos

con alto contenido de sales:

Las cenizas y pmices son depositadas por accin volcnica, frecuentementeasociadas con flujos de lava y lodo o quiz mezcladas con sedimentos novolcnicos. La intemperizacin y redepositacin producen arcillas altamente

plsticas.

Las evaporitas son materiales precipitados o evaporados de soluciones con altocontenido salino. Incluye algunas variedades como la oolita precipitada de calcio enagua marina o evaporitas formadas en lagos de playa bajo condiciones ridas.


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ESTRUCTURA DE LOS SUELOS

El suelo es un material particular con respecto a otros materiales de ingeniera. Elsuelo es el ensamblaje de partculas individuales, no es un continuo. Las propiedadesingenieriles de los suelos, como resistencia y compresibilidad, estn determinadas por

el arreglo de estas partculas y la interaccin entre ellas antes que por sus propiedadesinternas.

Otra importante caracterstica que diferencia a los suelos de otros materiales es quecontienen las tres fases de la materia: slido, lquido y gas simultneamente. La

porcin slida (las partculas) incluyen uno o ms de los siguientes materiales:fragmentos y minerales de roca, minerales arcillosos, materia orgnica, materialescementantes, etc.

Los lquidos y gases llenan los vacos entre las partculas slidas. El componentelquido usual es el agua, que algunas veces contiene compuestos en solucin,

provenientes de fuentes naturales o artificiales. Similarmente, el componente gaseosousualmente es el aire, pero puede contener otros compuestos como el metano. Porsimplicidad nos referiremos a estos compuestos como agua y aire.

Propiedades Indice e Ingenieriles de los Suelos

Las propiedades de los suelos se dividen en dos grandes grupos: propiedades ndice ypropiedades ingenieriles.

Las propiedades ndice permiten dar nombre a los suelos, con el fin de uniformizar elnombre y descripcin que distintas personas dan a un suelo determinado. Sirventambin para adherirlas a alguna teora inherente a las propiedades ingenieriles. Por lotanto, sirven para poner nombre al suelo, decidir cuales son las propiedadesingenieriles relevantes y establecer correlaciones de tendencia de las propiedadesingenieriles. Las propiedades ndice se subdividen en fsicas y qumicas. En el Cuadro11 se presentan una relacin de las propiedades ndice de los suelos, as como losmtodos de ensayo de laboratorio y aplicaciones ms importantes.

Las propiedades ingenieriles se refieren al comportamiento de los suelos frente asolicitaciones externas y definen las caractersticas de los suelos de inters eningeniera civil, como material de cimentacin o de construccin. A su vez se

subdividen en hidrulicas, mecnicas y de compactacin. El Cuadro 12, es anlogo alCuadro 11, pero se refiere a las propiedades ingenieriles.

Tamao de las Partculas

Dadas las caractersticas particulares de los suelos, es importante considerar el tamaode las partculas y su efecto en el comportamiento de los suelos. Existen diversoscriterios de clasificacin de los suelos por su tamao, siendo uno de los ms usados el

publicado por la ASTM (American Society for Testing and Materials), que se muestraen el Cuadro 2. Los smbolos y fracciones empleados en dicho cuadro estn deacuerdo con el Sistema Unificado de Clasificacin que se desarrolla posteriormente.


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Cuadro 2.- COMPONENTES Y FRACCIONES DEL SUELO (Lambe y Whitman, 1972)

FRACCION DELSUELO GRANULOMETRIA YDESCRIPCION DEFINICION DE LASPROPIEDADES

FRACC

IONESGRUESAS

BloquesRedondeados a angulares, formados por rocasduras de gran tamao y dimetro mediosuperior a 300 mm.

Los bloques y bolones son elementos muy establesutilizados para terraplenes, balastos y para estabilizartaludes (enrocamientos). Debido a su tamao y peso supresencia en los depsitos naturales de suelo tiende amejorar la estabilidad de las cimentaciones. Laangularidad de las partculas aumenta la estabilidad.

BolonesRedondeados a angulares, procedentes derocas duras; dimetro medio inferior a 300mm pero superior a 75 mm.

Grava(G)

Redondeada a angular, procedente de rocasduras; pasa por el tamiz de 3" (75 mm) esretenida por el tamiz N 4 (4.75 mm)

La grava y la arena tienen esencialmente las mismaspropiedades ingenieriles aunque en grados diferentes. Eltamiz N 4 (4.75 mm) es una divisin arbitraria y nocorresponde a un cambio apreciable de propiedades.Son fciles de compactar, resultan poco afectadas por lahumedad y no estn sujetas a la accin de la helada. Lasgravas suelen ser ms estables frente al flujo de agua yms resistentes a la erosin y a la tubificacin que lasarenas. Las arenas y gravas bien graduadas songeneralmente menos permeables y ms estables queaquellas deficientemente graduadas (granulometrauniforme). La irregularidad de las partculas haceaumentar ligeramente la estabilidad. La arena finauniforme tiene caractersticas prximas a un limo: esdecir, disminuye su permeabilidad y reduce suestabilidad al aumentar la humedad.

Gruesa Entre los tamices 3" a 3/4" (75 a 19 mm)

Fina Entre los tamices 3/4" a N 4 (19 a 4.75 mm)

Arena(S)

Redondeada a angular, procedente de rocasduras; pasa por el tamiz N 4 (4.75 mm) y esretenida por el tamiz N 200 (75 m)

Gruesa Entre los tamices N 4 a 10 (4.75 a 2 mm)

MediaEntre los tamices N 10 a 40 (2 mm a 425m)

Fina Entre los tamices N 40 a 200 (425 a 75 m)

FRACCIONESFINAS

Limo (M)

Partculas que pasan por el tamiz N 200 (75m). Identificables por su comportamiento: esdecir, ligeramente plsticas o sin plasticidad

cualquiera que sea la humedad y con escasa onula resistencia al secarse al aire.

El limo es inestable por su propia naturaleza, particular-mente cuando aumenta la humedad, con tendencia afluir cuando est saturado. Es relativamenteimpermeable, difcil de compactar, muy susceptible a laaccin de la helada, fcilmente erosionable, y sujeto a la

tubificacin y ebullicin. Los granos de forma cbicareducen la compresibilidad; los granos lajosos, como lamica, diatomeas, etc., aumentan la compresibilidad, danlugar a un limo "elstico".

Arcilla (C)

Partculas que pasan por el tamiz N 200 (75m). Identificables por su comportamiento: esdecir, puede conseguirse que presentenpropiedades de plasticidad dentro de unaamplia gama de humedades y poseanconsiderable resistencia al secarse al aire.

La caracterstica que diferencia a la arcilla, es lacohesin o resistencia cohesiva, que aumenta aldisminuir la humedad. La permeabilidad de la arcilla esmuy baja, es difcil de compactar en estado hmedo eimposible de drenar por mtodos ordinarios;compactada es resistente a la erosin y tubificacin, noes susceptible a hinchamientos por efecto de la helada.Est sometida a expansin y retraccin con lasvariaciones de la humedad. Las propiedades dependenno slo del tamao y forma (partculas laminadas,lajosas), sino tambin por su composicin mineral, es

decir, el tipo de material arcilloso y el medio qumico ola capacidad de intercambio inico. En general, elmineral arcilloso montmorillonita tiene el mayor efectosobre las propiedades, siendo este efecto mnimo en elcaso de la ilita y la caolinita.

MATERIAORGNICA (O)

Materia orgnica de diversos tamaos y en di-versas fases de descomposicin.

La presencia de materia orgnica, incluso en cantidadesmoderadas, hace aumentar la compresibilidad y reducela estabilidad de las fracciones finas del suelo. Puededescomponerse creando vacos y haciendo variar laspropiedades de un suelo por alteracin qumica, por locual los suelos orgnicos no son adecuados para usosingenieriles.


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8

10

60

D

DCu ( 1 )

1060

230

DD

DCc ( 2 )

Suelos Granulares y Cohesivos

Por sus propiedades, los suelos suelen dividirse en dos grandes grupos: granulares ycohesivos. Los suelos granulares tienen partculas mayores que los cohesivos. En lossuelos granulares dominan las fuerzas de gravedad, y en los cohesivos las fuerzaselctricas de atraccin superficial entre partculas. Las partculas granulares son mas omenos equidimensionales. En los cohesivos son achatadas y alargadas. Estascaractersticas tienen un efecto significativo en el comportamiento del suelo.

Los suelos granulares son aquellos que tienen las partculas separadas unas de otras.Se distinguen las gravas, de 4.75 (tamiz ASTM #4) a 75 mm; arenas, de 75 m (tamizASTM #200) a 4.75 mm, limos no plsticos (menos de 75 m) y combinaciones deestos materiales. La nica fuente de resistencia al corte de estos materiales es lafriccin y el agarre mecnico entre las partculas, que se incrementa al aumentar la

presin de confinamiento. Las gravas y arenas, y en menor grado los limos noplsticos, tienen un alto coeficiente de permeabilidad. Si se saturan y se producencambios de volumen, el agua puede ser rpidamente expulsada de los vacos. Estacaracterstica tiene un efecto significativo en su comportamiento.

Los suelos cohesivos tienen sus partculas unidas entre s e incluyen a las arcillas,limos plsticos y otros tipos de suelos con un contenido significativo de arcilla. Estossuelos tienen resistencia al corte independientemente de la presin aplicada, e inclusosin confinamiento. Los suelos cohesivos tienen un bajo coeficiente de permeabilidad.

Muchas arcillas preconsolidadas contienen fisuras, que tienen un efecto significativoen las propiedades ingenieriles. La resistencia al corte a lo largo de las fisuras esmenor que la del suelo intacto, por lo que su posicin, orientacin y espaciamientoinfluye en el comportamiento de la masa de suelo.

Relaciones entre Pesos y Volmenes

Dado que los suelos tienen tres fases, es necesario desarrollar algunas metodologaspara relacionarlas, definir algunas relaciones entre ellas y procedimientos de ensayopara cuantificarlas. En la Figura 2, se presenta un diagrama que describe lasproporciones relativas de slidos, agua y aire, denominado Diagrama de Fases.

Cada una de las fases tiene un peso (W), un volumen (V) y un peso especfico ()querelaciona estas dos magnitudes. Se usan los subndices Spara los slidos, Wpara elagua y A para el aire. Al conjunto de agua y aire se le denomina vacos (V). Seconocen:

A0 y

W1 gr/cm.

En el Cuadro 3 se definen las relaciones entre pesos y volmenes ms empleadas enMecnica de Suelos. Las relaciones entre volmenes as como las relaciones entre


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pesos son adimensionales, y por ende independientes del sistema de unidadesempleado.

VOLMENES PESOS

VTVV

VA Aire A0 WA 0

WTVW AGUA W WW

VS SOLIDOS S WS

Figura 2.- Diagrama de Fases

Cuadro 3.- RELACIONES VOLUMETRICAS - GRAVIMETRICAS

Parmetro Smbolo Definicin Rango Tpico

Relaciones entre

Volmenes

Porosidad nt

v

V

Vn ( 3 ) 0.09 a 0.6

Relacin de

Vacose

s

v

V

Ve ( 4 ) 0.1 a 1.5

Grado de

SaturacinS (%)

v

w

V

VS ( 5 ) 0 a 100%

Relaciones entre

Pesos

Contenido de

Humedad (%)

s

w

W

W ( 6 ) 0 a 70%

Relaciones entrePesos y

Volmenes

Peso Especfico de

Slidos

s

s

ss

V

W ( 7 ) 2.6 a 2.8 gr/cm

Peso EspecficoRelativo de Slidos

GSw

ssG

( 8 ) 2.6 a 2.8

Peso Especfico del

Suelo

t

t

V

W ( 9 ) 1.4 a 2.3 gr/cm

Estados Lmite

Peso Especfico del

Suelo Seco

d

t

sd

V

W ( 10 ) 0.9 a 2.2 gr/cm

Peso Especfico del

Suelo Saturado

sat

t

wvssat

V

VW

( 11 ) 1.4 a 2.4 gr/cm

Peso Especfico delSuelo Sumergido

wsat ' ( 12 ) 0.4 a 1.4 gr/cm


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El peso especfico relativo de los slidos, Gs (specific gravity en ingls) esadimensional e independiente del sistema de unidades; en aquellos sistemas deunidades en que

W= 1, Gscoincide numricamente con S; en el sistema britnico,

por ejemplo, W

= 62.4 lb/pie.

En la bibliografa se pueden encontrar innumerables ecuaciones que relacionan estaspropiedades ndice, sin embargo siempre es posible definir todas las relaciones a partirde tres independientes (o dos en el caso de suelos secos o saturados). Se puededemostrar que conociendo tres de las relaciones anteriores, es posible calcular todaslas dems.

En el laboratorio tpicamente se determinan los valores de , Gsy . La informacinusual es el valor de Gs, as como los pesos inicial y seco de un espcimen de volumenconocido (WT, WS, VT). Este procedimiento es posible slo si se puede determinar elvolumen de una muestra inalterada del suelo (VT); esto es muy difcil o imposible dedeterminar en el caso de arenas y gravas limpias. Una referencia importante, parasuelos saturados es la informacin mostrada en el Cuadro 4, calculada asumiendo Gs= 2.65 para suelos arenosos y Gs= 2.70 para las arcillas.

Cuadro 4.- PROPIEDADES INDICE DE SUELOS TIPICOS (Terzaghi, Peck y Mesri, 1996)

Descripcin del suelo n e

d sat

Arena mal graduada, suelta

Arena mal graduada, densaArena bien graduada, sueltaArena bien graduada, densaMorrena glaciar con partculasde todo tamaoArcilla glacial blandaArcilla glacial resistenteArcilla blanda ligeramente orgnicaArcilla blanda muy orgnicaBentonita blanda

46

344030

205537667584

0.85

0.510.670.43

0.251.200.601.903.005.20

32

192516

9452270

110194

1.43

1.751.591.86

2.12--------------------

1.89

2.091.992.16

2.321.772.071.581.431.27

Densidad Relativa

La densidad relativa es un parmetro adimensional que relaciona el peso especficodel suelo in situ con los pesos especficos en los estados ms suelto y ms denso enque dicho suelo puede existir. Es el parmetro ms importante que se correlaciona conla resistencia al corte y la compresibilidad de los suelos granulares. Se basa en larelacin de vacos del suelo en tres estados: natural (e), ms denso posible (emin) yms suelto posible (emax):

1 Contenido de humedad (en porcentaje) cuando el suelo est saturado.


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(%)minmax

maxr

ee

eeD

( 13 )

Los valores de emin y emax son determinados a partir de ensayos estndar delaboratorio. Dado que en estos ensayos se suele medir directamente el peso especficodel suelo seco, es ms conveniente reemplazar la relacin de vacos en funcin del

peso especfico del suelo seco, obtenindose:

(%)d

maxd

mindmaxd

mindd

rD

Sin embargo, para determinar el valor de e dse tienen los problemas mencionados

para el caso de arenas y gravas limpias, en las que generalmente no se dispone demuestras inalteradas que permitan determinar el volumen. Por lo tanto, los valores de

Dr se obtienen a partir de correlaciones con ensayos de campo, como el EnsayoEstndar de Penetracin (SPT por sus siglas en ingls); as se tiene que para unaprofundidad de 7.5 m, la relacin es la mostrada en el Cuadro 5.

Cuadro 5.- DENSIDAD RELATIVA DE SUELOS GRANULARES

Densidad Relativa Dr N (SPT)Muy suelto 85 > 50

Tericamente Dr debe variar entre 0 y 100%, correspondiendo a los estados mssuelto y ms denso posibles, respectivamente; sin embargo, si bien es poco usual, es

posible encontrar valores de Dr fuera de este rango, ya que las definiciones de losestados ms suelto y ms denso posibles corresponden a ensayos de laboratorioarbitrarios.

La densidad relativa se aplica slo a suelos granulares, con menos de 15% de finos.Suele ser un excelente indicador de las propiedades de este tipo de suelos y esusualmente empleada en la mayora de los mtodos de anlisis. Sin embargo, otrasconsideraciones como historia de esfuerzos, composicin mineralgica, distribucingranulomtrica, angularidad y fbrica (la configuracin de las partculas) tambinafectan las propiedades ingenieriles.

Consistencia

La consistencia es una medida de la resistencia de un suelo cohesivo. Se mide por lafuerza necesaria para deformar al suelo en estado inalterado y con su humedad

natural. Para cada estado de consistencia, existe un rango de valores de la resistencia ala compresin no confinada y del valor Ndel SPT. Los diferentes trminos que se


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utilizan para describir la consistencia de un suelo, los correspondientes valores deresistencia a la compresin no confinada y nmero de golpes Ndel SPT, se muestranen el Cuadro 6.

Cuadro 6.- CONSISTENCIA DE SUELOS COHESIVOS

Consistencia qu (kg/cm2) N (SPT)

Muy blando 0.00-0.25 0-2

Blando 0.25-0.50 2-4

Medianamente Compacto 0.50-1.00 4-8

Compacto 1.00-2.00 8-15

Muy Compacto 2.00-4.00 15-30

Duro >4.00 >30

Plasticidad

El contenido de humedad, , es un importante indicador de las propiedades de lossuelos, especialmente los cohesivos. Por ejemplo, las arcillas con una baja humedadson ms resistentes y menos compresibles que aquellas con un alto contenido dehumedad.

Los suelos cohesivos al ser amasados dentro de un cierto rango de contenido dehumedad, adoptan una consistencia caracterstica, que desde pocas antiguas se ha

denominado plstica. Estos suelos han sido llamados arcillas, originalmente, por loshombres dedicados a la cermica; la palabra pas a la Mecnica de Suelos, en pocasms recientes, con idntico significado. Posteriormente se encontr que exista unarelacin especfica entre la plasticidad y las propiedades fsico-qumicasdeterminantes de los suelos cohesivos.

Al tratar de definir en trminos simples la plasticidad de un suelo, no resulta suficientedecir que un suelo plstico puede deformarse y remoldearse sin agrietamiento, puesuna arena fina y hmeda tiene esas caractersticas cuando la deformacin se producelentamente y, sin embargo, no es plstica en un sentido ingenieril de la palabra; hayentre el comportamiento de la arcilla y la arena en cuestin una importante diferencia:el volumen de la arcilla permanece constante durante la deformacin en estadosaturado, mientras que el de la arena vara, adems, la arena se desmorona endeformacin rpida.

Podemos definir la plasticidad como la propiedad de un material para soportardeformaciones rpidas, sin rebote elstico, sin variacin volumtrica apreciable y sindesmoronarse ni agrietarse.

Para medir la plasticidad de las arcillas se han desarrollado diferentes criterios, siendoel de A. Atterberg el universalmente aceptado. Atterberg not que la plasticidad no es

una propiedad permanente de las arcillas, sino circunstancial y dependiente de sucontenido de humedad; y que para ser expresada adecuadamente, se deben indicar los


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contenidos de humedad mximo y mnimo que definen este estado. Segn sucontenido de humedad, en orden decreciente, un suelo susceptible de ser plstico

puede estar en cualquiera de los siguientes estados de consistencia, definidos porAtterberg:

Estado lquido: con las propiedades y apariencia de una suspensin.

Estado semi-lquido: con las propiedades de un fluido viscoso. No puede seramasado porque fluye.

Estado plstico: en el que el suelo se comporta plsticamente. Puede ser amasadosin fluir ni agrietarse.

Estado semi-slido: en el que el suelo tiene la apariencia de un slido, pero sedeforma con facilidad. Se agrieta al amasarlo.

Estado slido: En el que el suelo es un slido difcil de deformar. En los cuatroestados anteriores el suelo se encuentra saturado y disminuye de volumen al perderagua. En el estado slido el suelo ya no se encuentra saturado y su volumen novara con el secado.

Estos estados de consistencia son fases generales por las que pasa el suelo al irsesecando, y no existen criterios estrictos para distinguir sus fronteras. Elestablecimiento de stas ha de hacerse en forma puramente convencional. Atterbergestableci las primeras convenciones para ello, bajo el nombre de lmites deconsistencia. Los lmites propuestos por Atterberg son2:

Lmite lquido (LL): es el contenido de humedad por debajo del cual el suelo secomporta como un material plstico. Es el lmite entre los estados semi-lquido y

plstico. Lmite plstico (LP): es el contenido de humedad por debajo del cual se puede

considerar al suelo como material semi-slido (se agrieta al amasarlo). Es el lmiteentre los estados plstico y semi-slido.

Lmite de contraccin (LC): es el contenido de humedad por debajo del cual no seproduce reduccin adicional de volumen o contraccin en el suelo al perderhumedad. Es el lmite entre los estados semi-slido y slido.

En conjunto son conocidos como los lmites de Atterberg.

La Figura 3 muestra las descripciones cualitativas de los cambios en consistencia deun suelo cohesivo al cambiar su contenido de humedad. Los suelos cohesivos secos

son duros, mientras que los hmedos son suaves y flexibles. Dado que los cambios enla consistencia son graduales, los lmites de Atterberg definen las fronteras entre losdiversos estados de un modo si bien arbitrario, estandarizado. Los resultados de losensayos son expresados en trminos del contenido de humedad omitiendo el signo de

porcentaje.

Comparando los lmites de Atterberg con el contenido de humedad de un suelo, elingeniero puede tener una idea cualitativa de su consistencia.

2Atterberg tambin propuso los lmites de cohesin y de pegajosidad, sin aplicacin en la ingenieracivil.


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Los lmites lquido y plstico son ensayos fundamentales para la adecuadaclasificacin de los suelos. Otro parmetro basado en los lmites de Atterberg es elndice de plasticidad (IP)

LPLLIP ( 14 )

Figura 3.- Lmites de Atterberg

El ndice de plasticidad indica el rango de humedad en el que el suelo se encuentra enestado plstico. Los suelos limosos tienenIPbajo, lo que significa que aadiendo una

pequea cantidad de agua, el suelo pasa del estado semislido al lquido. Las arcillastienen un mayor IP, por lo que requieren que se les aada ms agua para obtener elmismo cambio en consistencia. El ndice de plasticidad mide indirectamente laintensidad de las fuerzas de atraccin entre las partculas del suelo; cuanto ms

intensas son estas fuerzas, mayor es la cantidad de agua (aumento de volumen)necesaria para que estas fuerzas se hagan nulas y el suelo pase a ser un fluido viscoso(semi-lquido).

Con los datos del lmite lquido e ndice de plasticidad de un suelo, se clasifica el tipode suelo que constituye su fraccin fina. Para ello uno de los procedimientos mssencillos es el grfico de plasticidad de Casagrande, representado en la Figura 4. Eneste grfico, las abscisas representan el lmite lquido y las ordenadas el ndice de

plasticidad. El grfico est dividido en cuatro partes por una recta verticalcorrespondiente a un lmite lquido de 50 y por una recta inclinada, llamada la lneaAde Casagrande, salvo en la parte inferior, donde esta lnea se convierte en una banda

horizontal que se extiende entre los ndices de plasticidad 4 y 7. La lnea A es unlmite que separa las arcillas inorgnicas que quedan en su parte superior de los limosinorgnicos y los suelos con materia orgnica que generalmente quedan por debajo dela lnea A. En la banda con IP entre 4 y 7, se superponen los suelos arcillosos ylimosos.

Sistemas de Clasificacin de Suelos

Dada la gran variedad de suelos, es muy importante tener mtodos estandarizados declasificacin, que suelen basarse en la granulometra del suelo y los lmites deAtterberg. De todos estos, el ms importante y universalmente aceptado es el Sistema


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Unificado de Clasificacin de Suelos (SUCS). En el Cuadro 7 se presenta este sistemade clasificacin.

Figura 4.- Carta de Plasticidad de Casagrande (ASTM, 1998)

Los procedimientos de clasificacin contemplan el caso de suelos de doble smbolo.Los smbolos de los suelos se basan en la siguiente nomenclatura:

G (gravel): Grava

S (sand): Arena

M (mo o mjla): Limo C (clay): Arcilla O (organic): Orgnico Pt (peat): Turba W (well graded): Bien graduado (para suelos granulares) P (poorly graded): Mal graduado (para suelos granulares) L (low compresibility): Baja compresibilidad (para suelos finos) H (high compresibility): Alta compresibilidad (para suelos finos)

En los Cuadros 8 y 9, se presentan algunas propiedades mecnicas de los suelos

compactados de acuerdo a su clasificacin.


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Cuadro 7.- SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIN DE SUELOS (ASTM, 1998


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Descripcin de Suelos

En el Anexo, se presenta un procedimiento para la descripcin de suelos en el campo,elaborado por la empresa Woodward-Clyde.

Se recomienda describir y clasificar los suelos de acuerdo a las caractersticassiguientes y el orden indicado:

Nombre por fracciones constituyentes Caractersticas del suelo

- Suelos granulares (gravas y arenas)Tamao de partculasAngularidad (slo para gravas)GradacinContenido de finosDensidad relativa

-

Suelos finos (limos y arcillas)PlasticidadConsistencia

Grado de saturacin Color Olor Otras caractersticas importantes Smbolo de Sistema Unificado

Existen procedimientos tpicos de identificacin para suelos finos o fracciones finasde suelos en el campo, que se hacen con la fraccin que pasa la malla #40. Estos

procedimientos son la dilatancia, la resistencia en estado seco y la tenacidad:

Dilatancia (reaccin al agitado): despus de quitar las partculas mayores que eltamiz # 40, se prepara una pastilla de suelo hmedo, de 10 cm3aproximadamente;si es necesario, se aade agua, a fin de dejar el suelo suave pero no pegajoso. Secoloca la pastilla en la palma de la mano, y se agita horizontalmente, golpeandovigorosamente contra la otra mano varias veces. Una reaccin positiva consiste enla aparicin de agua en la superficie de la pastilla, la cual cambia adquiriendo unaconsistencia de hgado y se vuelve lustrosa. Cuando la pastilla se aprieta entre losdedos, el agua y el lustre desaparecen de la superficie, la pastilla se vuelve tiesa y

finalmente se agrieta o se desmorona. La rapidez de la aparicin del agua duranteel agitado y su desaparicin durante el apretado sirve para identificar el carcter delos finos en un suelo. Las arenas limpias muy finas dan la reaccin ms rpida ydistintiva, mientras que las arcillas plsticas no tienen reaccin. Los limos inorg-nicos dan una reaccin rpida moderada.

Resistencia en estado seco (caractersticas al rompimiento): despus de eliminarlas partculas mayores que el tamiz #40, se moldea una pastilla de suelo hastaalcanzar una consistencia de masilla aadiendo agua si es necesario. Se deja secarla pastilla completamente en un horno, al sol o al aire y se prueba su resistenciarompindola y desmoronndola entre los dedos. Esta resistencia es una medida del

carcter y cantidad de la fraccin coloidal que contiene el suelo. La resistencia enestado seco aumenta con la plasticidad. Una alta resistencia en seco es


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caracterstica de las arcillas del grupo CH. Un limo inorgnico tpico posee sola-mente muy ligera resistencia, pero puede distinguirse por el tacto al pulverizar elespcimen seco. La arena fina se siente granular, mientras que el limo tpico da lasensacin suave de la harina.

Tenacidad (consistencia cerca del lmite plstico): despus de eliminar laspartculas mayores que el tamiz #40, se moldea un espcimen de 10 cm3, hastaalcanzar la consistencia de masilla. Si el suelo est muy seco debe agregarse agua,

pero si est pegajoso debe extenderse el espcimen formando una capa delgadaque permita algo de prdida de humedad por evaporacin. Posteriormente elespcimen se rola a mano sobre una superficie lisa o entre las palmas, hasta hacerun rollito de 3 mm de dimetro aproximadamente, se amasa y se vuelve a rolarvarias veces. Durante estas operaciones el contenido de humedad se reducegradualmente por evaporacin y el espcimen llega a ponerse tieso, pierde fi-nalmente su plasticidad y se desmorona cuando se alcanza el lmite plstico.Despus de que el rollo se ha desmoronado, los pedazos deben juntarse,

continuando el amasado ligeramente entre los dedos hasta que la masa sedesmorona nuevamente. La potencialidad de la fraccin coloidal arcillosa de unsuelo se identifica por la mayor o menor tenacidad del rollito al acercarse al lmite

plstico y por la rigidez de la muestra al romperse finalmente entre los dedos. Ladebilidad del rollito en el lmite plstico y la prdida rpida de la cohesin de lamuestra al rebasar este lmite, indican la presencia de arcilla inorgnica de baja

plasticidad y arcillas orgnicas que caen debajo de la lnea A. Las arcillas alta-mente orgnicas se sienten muy dbiles y esponjosas al tacto en el lmite plstico.


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EXPLORACION DE SUELOS

En cualquier Estudio de Mecnica de Suelos es fundamental la etapa de exploracin.Luego de recolectar informacin topogrfica, geolgica, geomorfolgica, geofsica,etc., se procede a efectuar una primera estimacin de las caractersticas del suelo que

se espera encontrar y de la cimentacin que deber utilizarse. En muchos casos elxito del programa de exploracin depende de esta previsin inicial, ya que slo enfuncin de ella se pueden elegir acertadamente el nmero y profundidad de sondajes,el equipo a utilizar, etc.

A partir de lo anterior, y de la estimacin de las caractersticas del suelo y del tipo decimentacin, debe elaborarse un programa de investigacin adecuado para el

problema especfico en estudio, el cual deber incluir:

Nmero, ubicacin y profundidad de los sondajes Equipo y personal a utilizar Tipo de sondajes

Tipo y secuencia de muestras a obtener Tipo y nmero de ensayos in situ y de laboratorio a ejecutar

La ejecucin del trabajo de campo consiste en la ejecucin de los sondajes, obtencinde muestras, realizacin de ensayos in situ y registro de los perfiles estratigrficosencontrados en base a la clasificacin visual de las muestras. Esta etapa se considerala ms importante de un estudio de suelos, ya que los errores u omisiones que ocurran

pueden ser indetectables o imposibles de subsanar.

Al iniciar la exploracin de campo, es necesario verificar si la evaluacin previa delsuelo fue correcta, ya que en caso contrario el programa de investigacin podra serinadecuado y requerir modificacin.

Antes de concluir la exploracin de campo, es indispensable decidir el tipo decimentacin que se utilizar, ya que ello condiciona la profundidad definitiva de lossondajes, el tipo de muestras, etc. Esta decisin implica la necesidad de evaluar las

propiedades mecnicas de los suelos dentro de rangos no muy amplios, en base a laclasificacin visual de las muestras y ensayos in situ.

El dilema aparente, originado por ser la profundidad de exploracin y el tipo de

muestras funcin del tipo de cimentacin que se adoptar, y a su vez el tipo de cimen-tacin funcin de las propiedades mecnicas de las muestras obtenidas, se resuelvesimplemente mediante una buena clasificacin visual.

Gran parte de la informacin obtenida durante la exploracin de campo esabsolutamente definitiva, por ejemplo la profundidad de la napa fretica, la secuenciay espesor de los estratos. Cualquier error u omisin que se cometa ya sea por falta deexperiencia o por el uso de equipos o tcnicas inadecuadas, es imposible de corregir

posteriormente.

Es importante sealar que todos los trabajos de exploracin de campo deben ser

referenciados topogrficamente, tanto en planta como en cota, ya que en los proyectosde ingeniera se utilizan cotas para la construccin.


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A continuacin se describen brevemente los principales mtodos de exploracin yensayos in situ utilizados en Mecnica de Suelos.

Calicatas

La forma ms rpida, directa y econmica de reconocer la zona ms superficial delterreno es la excavacin a cielo abierto de zanjas o calicatas. Es posible tomarmuestras inalteradas en el fondo y paredes de estas excavaciones. Hay que tener

presente que los accidentes en este tipo de prospecciones son frecuentes y peligrosos.

Para documentar la ejecucin de estas excavaciones se recomienda dibujar un croquisen planta reflejando su situacin e indicando sus coordenadas, hacer una descripcinde los materiales excavados y de los que aparecen en las paredes y el fondo de laexcavacin con la ayuda de dibujos y fotografas adecuados, sealar la situacin delnivel fretico y anotar la relacin de muestras tomadas y otras determinaciones que se

hayan podido realizar.

Sondeos Mecnicos

El reconocimiento de suelos mediante sondeos es, en trminos generales, el mtodoms directo para conocer el terreno en profundidad ya que permite la recuperacin detestigos, la toma de muestras para ensayos de laboratorio, la realizacin de ensayosin situ y la instalacin de equipos de observacin tales como piezmetros,inclinmetros, etc. Los sondeos deben realizarse en puntos seleccionados donde tengamayor inters la informacin que se pueda obtener y, adems, aprovechar suejecucin para obtener de ellos la mxima informacin.

La herramienta ms sencilla para hacer un sondeo en el terreno es el barreno. En laFigura 5, se ilustran dos variedades de barrenos manuales. La profundidadrecomendable es hasta 10 metros. Adems, hay barrenos porttiles impulsadosmecnicamente, en dimetros que varan de 7.5 a 30.5 cm o ms. Estos se usan confrecuencia para hacer agujeros ms profundos en suelos que tengan suficientecohesin que evite que se derrumben las paredes al extraer el material.

Figura 5.- Barrenos Manuales (Peck, Hanson y Thornburn, 1987)


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Un procedimiento sencillo para hacer sondeos relativamente profundos en losdepsitos de suelo es el de lavado. En la Figura 6 se muestra el equipo mnimorequerido. A medida que progresa la perforacin, se observan el color y la aparienciageneral del agua que sale de la misma; cuando se nota un cambio, se para la inyecciny se toma una muestra utilizando un muestreador de tubo (ensayo SPT o muestra

inalterada). Se recomiendan para dimetros menores a 100 mm. No se recomienda laejecucin de perforaciones por lavado cuando sea preciso determinar el contenido definos de muestras de estratos de suelos no cohesivos, o en suelos cuyas propiedades

pueden variar sustancialmente al entrar en contacto con agua.

Figura 6.- Equipo para hacer Sondeos por Lavado (Peck, Hanson y Thornburn, 1987)

La perforacin rotativa consiste de una sarta de perforacin ubicada al final de lasbarras, constituida por una broca cortante anular, una corona de desgaste paraaumentar ligeramente el dimetro y evitar que se traben las barras (reaming shell) yun tubo porta testigo (core barrel). Esta sarta penetra en el fondo de la perforacin

por rotacin y presin, mientras se inyecta un fluido para lubricar y enfriar la broca.El testigo del material perforado se aloja en el tubo porta testigo. En estas

perforaciones el fluido circulante puede ser agua o lodo de perforacin, usualmentebentonita. Si se van a efectuar ensayos de permeabilidad, no debe usarse lodo comofluido de perforacin. Los ms empleados son las de broca de diamante, habiendo

brocas de carburo de tungsteno y sondeos con zapata aserrada.

Ensayos in situ

La determinacin de las caractersticas del terreno mediante ensayos in situ ofreceuna ventaja clara sobre la determinacin de caractersticas en laboratorio. El terreno esensayado, en el primer caso, sin extraer muestras que sufren alteracin. Esto no essiempre cierto ya que existen situaciones (ensayos de rellenos, por ejemplo) en los

que la conservacin de las condiciones naturales no es de inters. Tambin puedenexistir situaciones singulares en las que los ensayos "in situ se han de realizar en


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condiciones ms lejanas de aqullas de inters que las que se pueden simular enlaboratorio, o casos en que interesa modificar en el laboratorio el contenido dehumedad de las muestras a ensayar.

En trminos generales se recomienda, siempre que sea aplicable, determinar el mayor

nmero de parmetros geotcnicos mediante ensayos in situ, especialmente losrelativos a la resistencia al corte, la compresibilidad y la permeabilidad. Los ensayosde laboratorio permitirn despus ampliar esas caractersticas a rangos de presiones yambientes diferentes a los de los ensayos in situ y que pudieran ser de inters dentrode los objetivos del estudio.

Ensayo de Penetracin Estndar, SPT

El ensayo de penetracin estndar, SPT, es el ms comn dentro de los ensayos insitu; en la geotecnia actual, es el ensayo ms empleado para investigar la densidadrelativa de depsitos de arena en profundidad.

El ensayo se realiza dentro de un sondeo cuyas paredes o son estables o estnsoportadas por el revestimiento adecuado. Una vez alcanzada la profundidad donde hade realizarse el ensayo y estando el fondo limpio, se procede a hincar, en el fondo, unmuestreador de tubo con la punta biselada (cuchara SPT) de dimetro exterior igual a51 mm (2 pulgadas) y de dimetro interior igual a 38.1 mm (1.5 pulgadas). La hinchase realiza mediante golpes con un martillo en la cabeza de las barras. El martillo es de63.5 kg (140 lb) y se deja caer libremente desde 76 cm (30 pulgadas) de altura sobrela cabeza de las barras. Las Figuras 7 y 8 muestran diversos detalles del ensayo SPT yel muestreador.

Figura 7.- Muestreador SPT (Coduto, 1994)

Para depsitos de gravas, y para evitar la rotura de la cuchara, se utilizan puntascnicas ciegas de igual dimetro exterior.

Durante la hinca se cuentan los nmeros de golpes necesarios para avanzar tres tramosde 15 cm (6 pulgadas). La hincha se detiene cuando el avance total es de 45 cm. Elnmero de golpes necesario para avanzar la hinca los dos ltimos tramos de 15 cm esel valor N del SPT.


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Al extraer la cuchara, una vez realizado el ensayo, se puede obtener una muestra,alterada por la hinca, del terreno atravesado.

Figura 8.- Ejecucin de Ensayo SPT (Coduto, 1994)

El ensayo est normalizado (Norma ASTM D-1586) y su ejecucin debe sercuidadosa, de manera que el resultado pueda ser interpretado en el contexto de la granexperiencia existente. En particular, se advierte que pueden ser motivo de errorimportante, entre otros, los siguientes hechos:

sifonamiento del fondo del sondeo por desequilibrio entre el nivel de agua externoy el nivel de agua en el sondeo;

mala limpieza del fondo antes de iniciar el ensayo; peso del martillo diferente de 63.5 kg;

defecto en la medida de la altura de cada del martillo;

rozamiento en la cada del martillo (cada no libre); golpeo excntrico sobre las barras; mal estado de la cuchara (biseles romos o daados); uniones flojas entre las barras; sondeo de dimetro excesivo; revestimiento muy por encima o muy por debajo del nivel de ensayo; barras ms pesadas que el estndar.

En los Cuadros 5 y 6 se presentaron importantes relaciones entre el valorNdel SPT yla densidad relativa de suelos granulares y la resistencia a la compresin no confinada

de suelos cohesivos, respectivamente.


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Auscultacin Dinmica con Cono Tipo Peck

El ensayo de auscultacin con cono dinmico consiste en la introduccin en formacontinua de una punta cnica tipo Peck. El equipo que se emplea para introducir la

punta cnica en el suelo es el mismo que el empleado en el Ensayo de Penetracin

Estndar (SPT), en el que se reemplaza la cuchara estndar por un cono de 6.35 cm(2.5 pulgadas) de dimetro y 60de ngulo en la punta (Figura 9). Este cono se hincaen forma continua en el terreno. El registro de la auscultacin se efecta contando elnmero de golpes para introducir la punta cnica cada 15 cm. El resultado se presentaen forma grfica indicando el nmero de golpes por cada 30 cm de penetracin.

Figura 9.- Cono Tipo Peck (Sencico, 1997)

El cono tipo Peck debe calibrarse previamente con respecto al Ensayo de PenetracinEstndar con la finalidad de obtener el parmetro a usar para obtener N:

nCN ( 15 )

donde,N : nmero de golpes por 30 cm de penetracin en el SPT,Cn: nmero de golpes por 30 cm de penetracin con el cono tipo Peck,

: coeficiente de correlacin.

Las auscultaciones dinmicas son ensayos que requieren investigacin adicional desuelos para su interpretacin y no sustituyen al SPT. El uso del cono de Peck serecomienda hasta 8 metros de profundidad. En ningn caso se debe superar los 10metros. El ensayo se encuentra normalizado en el Per (NTE E 050).

Ensayos de Permeabilidad en Sondeos y Calicatas

El control de las prdidas de agua en calicatas cuyo interior se haya saturadopreviamente o en sondeos llenos de agua hasta niveles superiores al nivel fretico del

entorno (ensayo Lefranc) o en sondeos obturados con presin forzada (ensayoLugeon), permiten una estimacin aproximada de la permeabilidad del terreno.


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La permeabilidad obtenida de estos ensayos puede utilizarse en el anlisis cualitativode las condiciones de drenaje de un determinado problema o para clculo defiltraciones. Si la permeabilidad resultase ser un parmetro crtico de proyecto,entonces puede tambin determinarse mediante ensayos de bombeo especficamente

pensados para el anlisis del problema concreto.

Toma de Muestras

La toma de muestras es una de las actividades ms importantes de un estudio demecnica de suelos. Por ese motivo debe estar planificada antes de comenzar lostrabajos de campo. Las muestras pueden tomarse de sondeos, de calicatas o de lugaresespecificados donde no se haya hecho una perforacin o excavacin previa.

Las muestras pueden ser alteradas, esto es, que hayan sido deformadas o que despusde tomadas tengan otra densidad o humedad distintas de las originales, o inalteradas,esto es, en las que las dimensiones, humedad y densidad (y por lo tanto la resistencia,la deformabilidad y la permeabilidad) sean lo ms prximas posibles a las originales.En cualquier caso, las muestras han de ser representativas del suelo que se quiereensayar. En ese sentido deben evitarse siempre los lavados o segregaciones de lasmuestras salvo que ese aspecto, por alguna razn singular, no tenga importancia en el

problema en estudio.

Las muestras alteradas pueden tomarse manualmente, con pico y pala, conexcavadoras mecnicas o proceder de testigos de sondeos. Pueden transportarse ensacos o bolsas.

Las muestras inalteradas pueden tomarse con tomamuestras especficos (hincandotubos de pared delgada), de paredes o del fondo de calicatas (en bloque). Debenempaquetarse, transportarse y conservarse en el laboratorio hasta su ensayo de maneraque no sufran alteracin.

La toma de muestras ms usual de los reconocimientos geotcnicos se realiza ensondeos mediante tomamuestras especficos adaptados al tipo de terreno. En elCuadro 10 se resume informacin relativa a los tomamuestras ms usuales.

La toma de muestras inalteradas o poco alteradas de suelos granulares limpios no esposible por procedimientos convencionales.

La toma de muestras debe quedar documentada indicando, para cada muestra o grupode muestras, su procedencia (sondeo, calicata u otro punto de coordenadas conocidas),su profundidad, la posicin del nivel fretico en el lugar donde se tom la muestra, ascomo cualquier observacin que se considere oportuna.

Ya que las muestras se toman para hacer ensayos de laboratorio, su nmero yubicacin slo deben definirse tras considerar los ensayos que resulten necesarios paraanalizar los problemas objeto del estudio.


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Cuadro 10.-PROCEDIMIENTOS HABITUALES DE TOMA DE MUESTRAS ENPROFUNDIDAD

Procedimiento Tipo de Terreno Calidad de la Muestra

TUBOS TOMAMUESTRAS HINCADOSEn el fondo de los sondeos se puedenintroducir tubos de pared delgada (Shelby)que alteran poco el terreno que queda alojadoen su interior.Existen distintos procedimientos segn lossuelos sean blandos (tomamuestras hincados apresin o por vibracin, vibracore, y condistintos sistemas de retencin del testigo) o apercusin cuando el terreno es de compacidadmedia e incluso alta

Suelos cohesivos deconsistencia muyblanda amedianamentecompacta y algunossuelos granulares consuficientes finos y nomuy densos

Poco alterada

TUBOS PORTAMUESTRASEn los sondeos mecnicos realizados a

rotacin se aloja un tubo en el interior delelemento inferior de la perforacin queprotege parcialmente la muestra a tomar delos efectos de rotacin

Suelos cohesivos deconsistencia dura a

muy dura y rocas.

Algo Alterada

TESTIGOS DE PERFORACIONEn los sondeos perforados con corona huecase puede obtener en suelos duros el ncleo deterreno no destruido durante el avance.

Suelos cohesivos deconsistencia dura omuy dura y rocas

Algo alterada a muyalterada

CUCHARA SPTLa hinca del tubo que conforma la cucharaSPT permite en buen nmero de suelosobtener una muestra del terreno atravesado

durante su hinca

Suelos cohesivos nomuy compactos ysuelos granulares singravas no muy

densos y con algunosfinos

Muy alterada


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ENSAYOS DE LABORATORIO

Los ensayos de laboratorio constituyen una herramienta fundamental para el estudiode las propiedades ndice e ingenieriles de los suelos.

Siempre que se haga un ensayo de laboratorio debe quedar constancia clara del origende la muestra sobre la que se ha hecho, la fecha en que fue obtenida, debe constatarsesi la muestra est total o parcialmente alterada o si se considera inalterada. Debedejarse constancia de la forma en que fue embalada, transportada y conservada en ellaboratorio hasta su ensayo, as como los procedimientos con los que se hicieron losensayos de laboratorio.

Ensayos de Identificacin de Suelos

Dentro de este grupo de ensayos de laboratorio se consideran incluidos:

Ensayo granulomtrico por tamizado y por sedimentacin.

Ensayos de lmites de Atterberg Determinacin del peso especfico relativo de los slidos Anlisis qumico del suelo: contenido de sulfatos, carbonatos, sales solubles

totales y materia orgnica Anlisis qumico del agua intersticial. Peso especfico del suelo Contenido de humedad natural

Los cinco primeros ensayos se pueden realizar con muestras alteradas o inalteradas.En cualquier caso, exigen desmenuzar previamente la muestra. Los dos primeros

ensayos (granulometra y lmites de Atterberg) permiten clasificar los suelos.

Los ensayos de peso especfico y contenido de humedad natural permiten conocer lasdos variables ms importantes del suelo en su estado natural. Su determinacin debehacerse, sin embargo, en muestras inalteradas o poco alteradas.

En el Cuadro 11, se presenta una relacin de estos ensayos.

Permeabilidad

La determinacin del coeficiente de permeabilidad se puede hacer en laboratoriomediante permemetros de carga constante o de carga variable. Frecuentemente, losensayos en los suelos ms permeables se ejecutan a carga variable en moldes rgidos yen los menos permeables se realizan a carga constante (alta presin) en celdastriaxiales. Las condiciones de ensayo tales como tamao de las muestras, forma de

preparacin, gradientes hidrulicos, etc., deben especificarse debidamente ya que noexiste una normativa claramente establecida para este tipo de ensayos. La

permeabilidad de los suelos cohesivos tambin puede calcularse de los ensayos deconsolidacin.

En el Cuadro 12 se muestra informacin sobre este ensayo y otros para la

determinacin de las propiedades ingenieriles de los suelos.


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Cuadro 11- ENSAYOS DE LABORATORIO- PROPIEDADES INDICE

ENSAYO METODO APLICACION

FISICAS

Clasificacin Visual

Descripcin visual de lascaractersticas del suelo, talescomo: tamao de las partculas,gradacin, consistencia, plastici-dad, textura, color, grado desaturacin, etc.

Primer paso antes de laprogramacin de los ensayos delaboratorio.

Contenido de Humedad

Determinacin de la prdida depeso de una muestra de suelo luegode secada en un horno por 24 horasa 110C.

Se usa en muchos ensayos

Peso Especfico de los Slidos

Determinacin del peso especficode los slidos de un sueloempleando un picnmetro,tomando especiales precaucionestales como la eliminacin de lasburbujas de aire.

Usado en la determinacin de lascaractersticas de un suelo.

Granulometra

Tamizado

Separacin de los tamaos de unsuelo por medio de mallasestndar. Los resultados seexpresan como porcentajeacumulado de material que pasacada malla

Clasificacin de suelos.Estimacin de la susceptibilidad deun suelo a la accin de la helada.

Sedimentacin

El suelo es mezclado con aguadestilada y defloculante. Sedetermina el cambio de densidadde la suspensin con el tiempo y secalcula el dimetro equivalenteempleando la Ley de Stokes.

Se emplea para la seleccin demateriales para la estabilizacin decarreteras, diseo de represas, etc.

Plasticidad

Lmite Lquido

Contenido de humedad de una

muestra de suelo (expresada comoporcentaje de suelo seco) a unaconsistencia tal que las dosporciones de suelo separados en lacuchara de la mquina de lmitelquido, se toquen 12.7 mm luegode 25 golpes.

Clasificacin de suelos.Estos ensayos proporcionan unarpida estimacin de algunaspropiedades de los suelosarcillosos.

Lmite PlsticoContenido de humedad de un suelocuando al rolar un cilindro serompe a 3.2 mm de dimetro.

Lmite deContraccin

Contenido de humedad al cual unsuelo saturado deja de contraersecuando se est secando. El peso,volumen y humedad correspondena una pastilla de suelo. El volumen

se obtiene por desplazamiento deun lquido como el mercurio

Estimacin de los efectos sobre lacimentacin de una estructuracuando el contenido de humedadpuede variar luego de la

construccin.

Densidad Mxima y Mnima

La densidad mxima se obtienepor compactacin del suelo en undepsito de volumen conocido. Lamnima se obtiene colocando elsuelo en la forma ms sueltaposible en el mismo volumen

Determinacin de la densidadrelativa de suelos granulares, paracomparar resultados de ensayoscon los estados naturales del suelo.

QUIMICAS Materia Orgnica

Destruccin de la materia orgnicapor agentes oxidantes y medida dela prdida en peso.

Clasificacin de suelos orgnicos.Preparacin de los suelosorgnicos para la sedimentacin.

SulfatosPrecipitacin de los sulfatosmediante sulfato de bario y medidadel precipitado en peso.

Grado de ataque del suelo o delagua al concreto por agresividad delos sulfatos.


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Ensayos de Consolidacin

Los ensayos de consolidacin estn especialmente indicados para estudiar losasentamientos de suelos arcillosos saturados.

Estos ensayos suelen realizarse incrementando la carga vertical en escalones, demanera que cada nueva carga duplica la compresin vertical existente en el escalnanterior. El ensayo suele alcanzar cargas verticales mximas de 10 kg/cm, aunque es

posible especificar cargas mayores si el problema que se requiere analizar lo requiere.El ensayo incluye tambin el control de deformaciones durante la descarga. Serecomienda mantener cada carga por un mnimo de 24 horas.

Los ensayos de consolidacin suelen realizarse con probetas saturadas aunque esposible, en casos especiales, hacerlos con humedad menor o saturarlos despus dehaber colocado cierta sobrecarga. El mismo equipo de consolidacin se usa tambin

para medir la presin de hinchamiento de arcillas no saturadas.

Ensayos de Compresin No Confinada

Estn indicados para ensayar muestras de suelos cohesivos inalterados, as comosuelos cohesivos recompactados. De su resultado se obtiene una idea precisa de laresistencia al corte del suelo en condiciones de saturacin similares a las del ensayo.El resultado puede ser poco preciso en arcillas fisuradas. Siempre que se haga esteensayo se debe determinar para cada probeta, la humedad y la densidad antes delensayo.

Corte Directo

Se utiliza para estimar la resistencia al corte de suelos cohesivos y granulares. Ensuelos cohesivos puede realizarse en muestras inalteradas o recompactadas. En arenasslo puede efectuarse en muestras recompactadas.

El ensayo de corte directo puede realizarse con las probetas semisaturadas, tal comoest la muestra de las que proceda, o con una saturacin adicional provocada en elequipo de ensayo.

Del ensayo se puede obtener una estimacin aproximada de la resistencia al corte y de

la deformabilidad del suelo. Las condiciones de deformacin son tan pocohomogneas en la caja de corte que no se debe esperar precisin en los parmetrosresistentes. Por ese motivo su utilizacin slo es aconsejable cuando no existe la

posibilidad de hacer ensayos triaxiales o cuando la precisin requerida es mnima.

Ensayos Triaxiales

Este ensayo est especialmente indicado para conocer la resistencia y ladeformabilidad del suelo ante distintos niveles de confinamiento. Se puede realizarcon muestras de cualquier tipo de suelo, ya sean alteradas, inalteradas orecompactadas. Es difcil, sin embargo, preparar probetas de suelos granulares.


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El ensayo se puede hacer con probetas de distinto tamao. Usualmente se ensayanprobetas cilndricas de altura aproximadamente igual al doble del dimetro. Eldimetro usual mnimo es 35 mm y es posible ensayar en el Per probetas de hasta150 mm de dimetro. Evidentemente la eleccin del tamao de la probeta depende dela granulometra (tamao mximo) del suelo.

Cuadro 12- ENSAYOS DE LABORATORIO- PROPIEDADES INGENIERILES

ENSAYO METODO APLICACION

HIDRAU-

LICAS

Permeabilidad

Determinacin del flujo y de laprdida de carga cuando el aguapasa a travs del suelo. Seemplean dos sistemas: cargaconstante y carga variable.

Clculo del flujo de agua a travsdel suelo

MECANICAS

Compresibilidad

ConsolidacinUnidimensional

Observacin del cambio devolumen en una muestra de suelosujeta a incrementos de presinvertical. La muestra de suelo tienealrededor de 6 cm de dimetro y 2cm de altura.

Permite evaluar los asentamientosque se producirn al aplicar unacarga al suelo.Determinacin de lapermeabilidad.

ConsolidacinTriaxial

Determinacin del cambio delvolumen por medio de la cantidadde agua expulsada por una muestrade suelo colocada en una celdatriaxial.

Resistenciaal Corte

CompresinNo Confinada

Compresin de una muestra desuelo a contenido natural dehumedad, con una velocidad dedeformacin de 0.5% a 2% porminuto.

Determinacin de los parmetrosde resistencia al corte del suelo, de

presiones admisibles de cimenta-ciones, diseo de taludes, clculode presiones de suelo, etc.Compresin

Triaxial

Compresin de una muestra desuelo dentro de una celda quepermite aplicar presiones deconfinamiento. La velocidaddepende del tipo de ensayo.

Corte DirectoCorte de una muestra de sueloconfinada dentro de una caja quepuede ser redonda o cuadrada.

Determinacin rpida de laresistencia al corte de un suelo.

Veleta

Determinacin de la resistencia alcorte mediante la medida de laresistencia que opone el suelo algiro de una veleta introducida enl.

COMPACTACION

Proctor (Estndar y Modificado)

El suelo es compactado en

cilindros mediante golpes de unmartillo de un peso determinadoque cae de una altura estndar. Elsuelo se compacta a varioscontenidos de humedad.

Estimacin y control decompactacin de suelos paradiques, carreteras, aeropuertos, etc.

Relacin de Soporte California (CBR)

Determinacin de la cargarequerida para que un pistncircular penetre 1/2" en unamuestra de suelo a velocidadconstante. La carga es expresadacomo un porcentaje de la cargaestndar.

Diseo de pavimentos paracarreteras y aeropuertos.


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El ensayo suele hacerse con o sin consolidacin previa y rompiendo la muestra con eldrenaje abierto o cerrado. Son tpicos los ensayos:

UU (unconsolidated, undrained): sin consolidacin previa y rotura sin drenaje CU (consolidated, undrained): con consolidacin previa y rotura sin drenaje

CD (consolidated, drained): con consolidacin previa y rotura con drenaje

El ensayo tipo CU, se puede hacer con o sin medida de las presiones intersticiales dela probeta (presin de poros).

Los ensayos se suelen realizar con probetas saturadas previamente con unacontrapresin, aunque el ensayo UU puede hacerse con probetas no saturadas.

En cada ensayo triaxial se suelen romper tres probetas, cada una de ellas sometida auna presin de celda o confinamiento (3) superior en 0.5, 1 y 2 ( 1, 2 y 4, porejemplo) kg/cm a la contrapresin de saturacin. Es posible y aconsejable indicar

otras presiones de ensayo que puedan ser ms adecuadas al problema que se investiga.La primera etapa del ensayo consiste en aplicar la presin de confinamiento.

Durante la segunda etapa, de aplicacin de la carga vertical ( ) o de rotura, se tomandatos de esfuerzo-deformacin. El conocimiento de esos datos de deformacin esesencial para deducir la deformabilidad del suelo.

De la interpretacin de ensayos triaxiales se obtienen los parmetros de resistencia alcorte y deformacin del suelo en condiciones no drenadas (ensayos UU) o drenadas(ensayos CU con medida de presin de poros o ensayos CD).

En el Cuadro 13, se resumen las caractersticas de los tres tipos de ensayos triaxiales.

Se adjunta un Anexo del Laboratorio de Mecnica de Suelos de la PontificiaUniversidad Catlica del Per, con informacin adicional sobre ensayos triaxiales.

Cuadro 13.- ENSAYOS TRIAXIALES

TIPO DE ENSAYO PRIMERA ETAPA SEGUNDA ETAPA

ConsolidadoDrenado (CD)

Aplicar 3Permitir drenaje completo (u

a= 0)

Aplicar lentamentePermitir drenaje completo (u

d= 0)

En la falla, uf= 0

Consolidado NoDrenado(CU)

Aplicar 3Permitir drenaje completo (ua= 0)

Aplicar No permitir drenaje (ud0)En la falla, uf= ud (f)

No Consolidado NoDrenado(UU)

Aplicar 3No permitir drenaje (ua0)

Aplicar No permitir drenaje (ud0)En la falla, uf= ua+ ud (f)


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Ensayos de Compactacin y CBR

Los ensayos de compactacin estn indicados para el estudio del efecto de la humedaden la densidad mxima que puede alcanzarse al compactar un suelo. Los ensayos decompactacin se realizan con muestras de cualquier tipo de suelo hasta gravas que

puedan tener 25 mm (1) de tamao mximo.

Los ensayos ms tradicionales son el Proctor Estndar y el Proctor Modificado. Elsegundo se realiza compactando con energas mayores y por eso suele alcanzardensidades ms altas (5 a 15% mayores que las correspondientes al Proctor Estndar).El resultado de estos ensayos es especialmente aplicable al control de calidad decompactacin de rellenos.

El ensayo de Relacin Soporte de California (CBR por sus iniciales en ingls),permite determinar la capacidad portante de suelos, para su uso en el diseo depavimentos.

Otros Ensayos de Laboratorio

Los ensayos mencionados en los apartados anteriores estn muy lejos de ser unarelacin completa de los ensayos posibles. Existe una gran variedad de ensayos,menos comunes, que pueden ser de gran inters en el estudio de determinados

problemas especficos.

Entre otros ensayos de suelos, cabe citar:

Determinacin de la relacin succin-humedad en procesos de humectacin ysecado de suelos.

Determinacin de la presin de hinchamiento y de la expansin libre de suelosexpansivos.

Ensayos de dispersabilidad (o dipersividad) mediante anlisis qumico de loscationes del agua de adsorcin de arcillas. Ensayos de dispersabilidad pin-hole.Ensayo de dispersin mediante doble densmetro.

Ensayos de compresin brasileos (medida indirecta de la resistencia a traccin) Ensayos de veleta (vane test) de laboratorio. Ensayos de compresin en la clula Rowe (consolidmetro de 25 cm de dimetro).

Cada vez con mayor frecuencia se realizan ensayos de laboratorio especiales(muestras de gran tamao, prototipos ensayados en mquinas centrfugas, modelosreducidos, etc.) que son de gran inters pero que se escapan del mbito de estas notas.


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HIDRAULICA DE LOS SUELOS

Los vacos presentes entre las partculas del suelo, permiten el flujo de agua a travsde ellos. Es importante conocer cuanta agua puede fluir a travs de un suelo porunidad de tiempo. Este conocimiento es requerido para el diseo de presas de tierra,

para determinar la filtracin bajo estructuras hidrulicas y durante la construccin decimentaciones. En 1856, Darcy propuso la siguiente ecuacin (ver Figura 10) paracalcular la velocidad de flujo de agua a travs de un suelo:

ikv ( 16 )

donde, v : velocidad,k : coeficiente de permeabilidad del suelo,i : gradiente hidrulico.

Figura 10.- Definicin de la Ley de Darcy (Das, 1984)

El gradiente hidrulico ise define como:

L

hi ( 17 )

donde, h : diferencia de carga piezomtrica entre las secciones A y B,L : distancia entre las secciones A y B (perpendiculares a la direccin del

flujo).

El valor del coeficiente de permeabilidad de los suelos vara mucho. En el laboratoriopuede determinarse por los ensayos de carga constante o variable. En el Cuadro 14 sepresentan los coeficientes de permeabilidad y las condiciones de drenaje para diversostipos de suelos. En suelos granulares, el valor depende de la relacin de vacos. Hazen

plantea la siguiente relacin para arenas uniformes sueltas:

2101DCk ( 18 )

donde, C1es una constante que vara entre 100 y 150 (1/cm seg).


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ESFUERZOS EN EL SUELO

Los esfuerzos en los suelos son el resultado de las fuerzas de gravedad que actansobre la masa de suelo y la accin de las cargas externas. Es usual que en un suelo se

presenten esfuerzos normales y cortantes, que se representan por y

respectivamente. Dado que la resistencia a la traccin de los suelos es muy pequea,los esfuerzos normales son usualmente de compresin, y a estos se les considera como

positivos en Mecnica de Suelos.

Los esfuerzos de compresin vertical desarrollados en un suelo son el resultado de supropio peso, similar a las presiones que se desarrollan en el agua, ms el efecto decargas externas. El esfuerzo debido al peso propio es cero en la superficie y seincrementa con la profundidad a una tasa igual al peso especfico del material. A estosesfuerzos se les conoce como geoestticos. Es importante sealar que en suelos losesfuerzos se definen como un promedio con relacin al rea total (slidos y vacos).

El esfuerzo vertical en un suelo puede ser expresado en trminos de esfuerzo total oefectivo. Si slo se consideran los esfuerzos geoestticos, el esfuerzo vertical total(v) en un punto se define como el peso total de una columna de suelo, incluida el

agua en sus poros, dividida entre el rea total de dicha columna:

h

h

A

WTv

hV

W

T

T

v

hv ( 19 )

Si hay varios estratos de suelo, es necesario expresarlo como una sumatoria:

Figura 11.- Esfuerzo Total en un Suelo


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iiv h ( 20 )

donde, v : esfuerzo vertical total en un punto del suelo,i : peso especfico del estrato de suelo i,

hi : espesor del estrato de suelo i.

Esa expresin es anloga al procedimiento para calcular la presin hidrosttica,excepto por el hecho que el peso especfico del suelo puede variar con la profundidad.

El esfuerzo vertical efectivo (v) se define como el peso neto de la columna de suelobajo agua dividida por el rea total. El peso neto del suelo es igual al peso de laspartculas slidas menos la prdida de peso de dichas partculas debido a la inmersinbajo el agua (principio de Arqumedes):

A

VW WSSv

'

A

WVWW WWSWSv

)()('

A

VVW WWWSTv

)('

A

VVW WWSTv

)('

WTT

vA

V

h

h

A

W '

WT

T

Tv

A

Vh

V

W '

hh Wv '

hWv )('

uvv ' ( 21 )

donde, vse puede calcular con la ecuacin 19 20 y la presin de poros, u:

WWzu ( 22 )

donde, u : presin neutra o de poros en el agua,w : peso unitario volumtrico del agua,

zw : profundidad del punto bajo la napa fretica.

Igual que para el esfuerzo total, si hay varios estratos de suelo, es necesario efectuar


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una sumatoria.

Los esfuerzos efectivos son importantes, pues son los que controlan elcomportamiento del suelo. Por ejemplo, la componente friccionante de la resistenciaal corte de un suelo, depende de las fuerzas normales que actan entre las partculas,

que es funcin de los esfuerzos efectivos, no de los totales. Una forma alternativa decalcular los esfuerzos efectivos, es usar la ecuacin 20 con el peso unitariovolumtrico del suelo sumergido, :

iiv h' ( 23 )


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RESISTENCIA AL CORTE DE LOS SUELOS

En Mecnica de Suelos, la resistencia crtica de un suelo es su resistencia al corte.Esto se debe a que la resistencia a la traccin es muy pequea (y casi universalmenteaceptada como cero) y porque la aplicacin de cargas de compresin suelen causar

una falla en corte, no en compresin. Se consideran dos fuentes de resistencia al corte:

Resistencia por friccin: similar a los problemas clsicos de friccin dedeslizamiento de Fsica. La fuerza que resiste el deslizamiento es igual a la fuerzanormal multiplicada por el coeficiente de friccin, . La resistencia al corte esdirectamente proporcional a la fuerza normal aplicada que acta entre las

partculas; es decir, esta componente de la resistencia al corte es directamenteproporcional al esfuerzo efectivo, .

Resistencia por cohesin: en las arcillas las partculas individuales se adhierenentre s. Esta es otra fuente de resistencia al corte, que es independiente de lafuerza normal.

En numerosos cuerpos slidos, la relacin entre los esfuerzos tangencial (cortante) ynormal que producen la rotura siguen una curva del tipo indicado en la Figura 12,llamada envolvente de Mohr. Los crculos mostrados, corresponden a ensayostriaxiales en los que los esfuerzos principales menor (3) e intermedio (2) soniguales, y en el que se ha producido la falla al alcanzar el esfuerzo principal mayor(1). Para obtener la envolvente de falla, se repite el ensayo anterior con diferentesvalores de 3, encontrando los correspondientes valores de 1. La falla se producecuando alguna combinacin de esfuerzos se ubica en la envolvente de Mohr. Este

planteamiento puede hacerse con esfuerzos totales o efectivos.

Figura 12.- Crculo de Mohr y Envolvente de Mohr

El criterio anterior se simplifica si se considera una envolvente recta, obtenindose laecuacin de Mohr-Coulomb:


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tancs ( 24 )

La resistencia al corte de un suelo y la envolvente de Mohr pueden expresarse entrminos de tensiones totales o efectivas, dependiendo de las condiciones de drenajedel problema analizado, como se muestra en la Figura 13. La cohesinc(interseccin

de la envolvente de falla con el eje vertical) es el valor de la resistencia al corte para

V= 0. La resistencia friccionante es la pendiente de la lnea y es expresada como el

ngulo de friccin interna ,tanreemplaza al coeficiente de rozamiento, . Cuandose usan tensiones totales, a estos parmetros se les denomina c y ; si se usantensiones efectivas se les denominac y .

Figura 13.- Ecuacin de Mohr-Coulomb

Los valores de cy dependen de muchos factores. La ecuacin de Mohr-Coulombimplcitamente considera la mayora de stos cuando se emplean muestras inalteradasy se simulan las condiciones de drenaje del terreno en el laboratorio.

Resistencia Drenada y No Drenada

Un aspecto fundamental de la resistencia al corte de los suelos, es la condicin de

drenaje. Para explicar esta importante condicin, consideremos una zapata cimentadasobre diferentes tipos de suelo.

Consideremos que la zapata est cimentada sobre una arena saturada. Inicialmente lacargaPes cero y las magnitudes de v, u, vysen un punto bajo la zapata, tienen elcomportamiento mostrado en la Figura 14. Cuando se aplica la carga, el esfuerzo totalen el suelo se incrementa en v. Esto hace que el conjunto suelo-agua se comprima y

parte del agua sea expulsada. Como las arenas tienen un elevado coeficiente depermeabilidad, el agua se mueve rpida y fcilmente. Consecuentemente, vaumentacon Py v. Esta es una condicin drenada, y es importante porque la resistencia alcortesaumenta al aumentarP, y esta mayor resistencia permitir resistir los esfuerzos

generados porP, y por ende es menos probable que se produzca una falla por corte.


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Consideremos la misma zapata, pero sobre una arcilla saturada. Como en el casoanterior, al aplicar P se produce un incremento en los esfuerzos totales v. Sinembargo las arcillas tienen un coeficiente de permeabilidad muy inferior, y el drenajeno se produce rpidamente. El agua es esencialmente incompresible en comparacincon el esqueleto slido, entonces v es inicialmente soportado por el agua(es decir,

u= v). Este incremento en la presin de agua u, es conocido como el exceso depresin de poros o sobre presin de poros, ue. Consecuentemente, la presin de porosuse incrementa en ue= v, y vno cambia:

Condicin Drenada Condicin No Drenada

Figura 14.- Variacin de los Esfuerzos y Resistencia al Corte


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Antes de aplicar la carga:

uvv '

inmediatamente despus de la aplicacin de la carga:

)()(' evvv uu

)()(' vvvv u

uvv '

El exceso de presin de poros induce un gradiente hidrulico en el suelo y parte delagua es eventualmente expulsada. Esto lleva a que el suelo consolide y gradualmentevse transfiera a los slidos. Consecuentemente, el exceso de presin de poros se

disipa lentamente y eventualmente el esfuerzo efectivo v se incrementa en v,

como se muestra en la Figura 14. Se puede observar que la resistencia al corte seincrementa mucho ms lentamente que en condiciones drenadas; hay un perododondePya alcanz su mximo valor, perosno ha aumentado significativamente.

Resistencia Drenada

En condiciones drenadas, un incremento en genera rpidamente un incremento eny en la resistencia al corte s. Para la mayora de los suelos granulares, es mejordespreciar cualquier resistencia por cohesin que pueda aparecer de los ensayos decampo o laboratorio y evaluar slo la resistencia por friccin. La Figura 15 muestravalores tpicos de para diferentes clasificaciones de suelos y densidad relativa.

Se puede emplear la siguiente ecuacin para estimar la densidad relativa,Dr.:

(%)24.2832

924

vv

r

ND

( 25 )

en la que vrepresenta la presin efectiva vertical, y N es el resultado del SPT.

A pesar que la mayora de anlisis en suelos cohesivos usan la resistencia no drenada,en algunos casos se usa la resistencia drenada. Si el suelo est saturado y es

normalmente consolidado, la cohesinc, drenada, es cero. El valor de drenado estrelacionado con el ndice de plasticidad:

)ln094.08.0(arcsen IP ( 26 )


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Figura 15.- Valores Tpicos de para Suelos Granulares (U.S. Navy, 1986)

Resistencia No Drenada

En condiciones no drenadas, los esfuerzos efectivos no se incrementan de inmediato,siguiendo la aplicacin de la carga. Adicionalmente, si se presentan esfuerzoscortantes excesivos, se pueden presentar excesos en la presin de poros. Sin embargo,es ms conveniente expresar la resistencia en trminos desu(el subndice u, se refierea la condicin de no drenado) en vez de c y . Los valores de su medidos en ellaboratorio o en el campo, pueden implcitamente considerar cualquier exceso de

presin de poros.

Para anlisis que requieren cy , se considera c= suy = 0. A pesar que sues unparmetro muy empleado, no es realmente una propiedad del material, y su magnituddepende de la velocidad de deformacin, estado de esfuerzos, y otros factores.

Condiciones de Drenaje en el Diseo

Las condiciones drenadas y no drenadas se presentan igualmente en casos reales.Estas condiciones varan con el tipo de suelo y proyecto; citaremos el caso decimentaciones:

Gravas y arenas limpias: la permeabilidad de estos suelos permite drenaje msrpido que la tasa a la cual el suelo es cargado. Por tanto, las condiciones

drenadas prevalecen.


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Arcillas saturadas: la permeabilidad de estos suelos es muy pequea y muy pocode la presin de poros puede disiparse durante la carga. Por lo tanto, lascondiciones no drenadas prevalecen inmediatamente despus de la aplicacin delas cargas, mientras que las condiciones drenadas se presentan mucho tiempodespus.

Suelos intermedios (mezclas de arena, arcilla y limo): estos suelos tienen unapermeabilidad intermedia y lo ms probable es que drenen parcialmente durante laaplicacin de las cargas. Dado que las condiciones de esfuerzos bajo lacimentacin son tales que el suelo se comprime y se desarrolla un exceso de

presin de poros, es conservador asumir que prevalecen las condiciones nodrenadas inmediatamente despus de la aplicacin de las cargas. Sin embargo, estaes un rea en que se requiere el adecuado juicio del ingeniero.


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COMPRESIBILIDAD Y ASENTAMIENTOS

Una de las ms importantes propiedades mecnicas de los suelos es sucompresibilidad, esto es, el cambio de volumen del suelo debido a cambios en losesfuerzos normales. Por ejemplo, si una zapata es construida y luego cargada, los

es

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