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RELACIONES MASA – VOLUMEN

Relaciones Volumétricas y

Gravimétricas, Plasticidad y

Clasificación de los suelos

DEFINICIÓN DE SUELO DE ROCA

Los términos roca y suelo, tal como se usan en

la ingeniería civil, implican una clara distinción entre

dos clases de materiales de cimentación. Se dice que

roca es un agregado natural de granos minerales

unidos por grandes y permanentes fuerzas de

cohesión.

Se considera que suelo es un agregado natural de

granos minerales, con sin componentes orgánicos,

que pueden separarse por medios mecánicos

comunes, tales como la agitación en el agua. En la

práctica, no existe diferencia tan simple entre roca y

suelo. Aun las rocas más rígidas y fuertes pueden

sufrir el proceso de meteorización, y algunos suelos

muy endurecidos pueden presentar resistencias

comparables a las de la roca meteorizada

DESCRIPCIÓN E IDENTIFICACIÓN DE LOS SUELOS

Los términos principales que se usan para descubrir suelos son:1)Grava, 2)Arena, 3)Limo y 4)Arcilla. La mayor parte de los suelos naturales se componen de una mezcla de dos o más de estos elementos, y pueden contener por añadidura, material orgánico parcial o completamente descompuesto.

Tipos principales de suelos

A la mezcla se le da el nombre del elemento

que parezca tener mayor influencia en su

comportamiento, y los otros componentes se usan

como adjetivos. Así, una arcilla limosa tiene

predominantemente las propiedades de la arcilla, pero

contiene una cantidad importante de material

orgánico. A las gravas y a las arenas se les llama

suelos de grano grueso, y a los limos y arcillas suelos

de grano fino.

La distinción radica en que puedan diferenciarse las

partículas a simple vista. Los métodos para describir

los suelos de grano grueso difieren de los que son

apropiados para los de grano fino; por lo tanto, los

procedimientos se explican bajo encabezados

diferentes

Los materiales de los suelos de granos grueso son

fragmentos minerales que pueden identificarse

principalmente tomando como base el tamaño de las

partículas. Las partículas que tienen un tamaño mayor

a 5 mm se clasifican como grava.

Sin embargo, si el diámetro excede de

aproximadamente 200 mm, se aplica usualmente el

nombre de boleo.

Materiales de los suelos de grano grueso

Si los granos son visibles a simple vista, pero tienen

un tamaño igual o menor a 2 mm, el suelo se

describe como arena.

Este nombre se modifica todavía más dividiéndolo en

gruesa, media o fina.

Las fronteras entre estas categorías están

arbitrariamente establecidas. En los Estados Unidos

se ha adoptado la clasificación de las ASTM, cuyos

límites de tamaños se utilizan como norma para fines

técnicos

La forma de las partículas gruesas de un suelo influye en la compacidad y estabilidad del deposito del mismo. Los términos usuales con que se describe la forma de los granos se indica en la fig.

Redondeadas Angulares

El suelo es un material constituido por el esqueleto de

partículas sólidas rodeado por espacios libres (vacíos)

, en general ocupados por agua y aire . Para poder

describir completamente las características de un

depósito de suelo es necesario expresar las distintas

composiciones de sólido, líquido y aire , en términos

de algunas propiedades físicas.

En el suelo se distinguen tres fases :

Sólida: formada por partículas minerales del suelo, incluyendo la capa sólida adsorbida.

Líquida : generalmente agua (específicamente agua libre), aunque pueden existir otros líquidos de menor significación.

Gaseosa: comprende sobre todo el aire, si bien pueden estar presentes otros gases, por ejemplo: vapores de sulfuro, anhídridos carbónicos, etc.

FASES PRINCIPALES DEL SUELO

Correlación entre la relación de vacíos y la porosidadCorrelación entre la relación de vacíos y la porosidad

Esquema de unaEsquema de unamuestra de suelomuestra de suelo

CORRELACION EN SUELOS SATURADOS

CORRELACION EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS

La capa viscosa del agua adsorbida, que presenta

propiedades intermedias entre la fase sólida y la líquida ,

suele incluirse en esta última pues es susceptible de

desaparecer cuando el suelo es sometido a una fuerte

evaporación (secado) .

Algunos suelos contienen, además, materia orgánica

(residuos vegetales parcialmente descompuestos) en

diversas formas y cantidades.

Pese a que la capa adsorbida y el contenido de materia

orgánica son muy importante desde el punto de vista de las

propiedades mecánicas del suelo, no es preciso

considerarlos en la medición de pesos y volúmenes

relativos de las tres fases principales.

Sus influencias se tomarán en cuenta más fácilmente en

etapas posteriores del estudio de ciertas propiedades de

los suelos.

Las fases líquida y gaseosa conforman el Volumen de

Vacíos, mientras que la fase sólida constituye el Volumen

de Sólidos.

Un suelo está totalmente saturado, cuando todos sus

vacíos están ocupados únicamente por agua; en estas

circunstancias consta, como caso particular, de sólo dos

fases: la sólida y la líquida. Muchos suelos bajo la napa,

están saturados.

Entre estas fases es preciso definir un conjunto de

relaciones que se refieren a sus pesos y volúmenes, las

cuales sirven para establecer la necesaria nomenclatura y

para contar con conceptos mensurables, a través de cuya

variación puedan seguirse los procesos ingenieriles que

afectan a los suelos.

En los laboratorios de Geotecnia puede determinarse

fácilmente el peso de las muestras húmedas, el peso de las

muestras secadas al horno, y el peso específico de los

suelos.

Estas magnitudes no son las únicas cuyo cálculo es

necesario; es preciso obtener relaciones sencillas y

prácticas a fin de poder medir algunas otras magnitudes en

términos de éstas.

Su dominio debe considerarse indispensable para la

aplicación rápida y sencilla de las diversas teorías que

conforman la Geotecnia.

Objetivo:

Conocer mejor las características de las diferencias y relaciones que existen entre pesos y volúmenes, de suelos y agregados. Obtener un concepto básico mediante ensayos y cálculos de las propiedades físicas de los materiales superficiales de la corteza terrestre. Permiten definir cuantitativamente las propiedades de un suelo, sus condiciones y su comportamiento físico y mecánico

El suelo es un material de esqueleto de partículas solidas rodeado por espacios libres en general ocupados por agua y aire para poder describir completamente las características de un deposito de suelo es necesario expresar las distintas composiciones de solido, liquido y aire en términos de algunas propiedades físicas

RELACIONES VOLUMETRICAS Y GRAVIMETRICAS

SUELO

SUELO => como:

Material de soporteMaterial de construcciónElemento activo

Como elemento de construcción

Como elemento activo

Como material soporte

FASES DEL SUELO

FASES DEL SUELO

FASES DEL SUELO

SUELO

PROPIEDADES ÍNDICES

I.RELACIONES VOLUMÉTRICA Y GRAVIMÉTRICASPermiten definir cuantitativamente las propiedades de un suelo, sus condiciones y su comportamiento físico y mecánico.

RELACIONES FUNDAMENTALES:

A.VOLUMÉTRICAS: 1) Relación de vacíos, 2) Porosidad, 3) Grado de saturación, 4) Densidad relativa

B.GRAVIMÉTRICAS: 5) Humedad, 6) Peso especifico relativo de los sólidos o gravedad específica, 7) Peso específico seco, 8) Peso específico húmedo, 9) Peso específico saturado, 10) Peso específico sumergido

1) RELACIÓN DE VACÍOS

Dónde:e : Relación de vacíosVv : Volumen de vacíosVs : Volumen de sólidosRango:0 < e <Valores característicos:Arenas muy compactas con finos: e = 0,25Arcillas altamente compresibles: e = 15

Dónde:

e : Relación de vacíosVv : Volumen de vacíosVs : Volumen de sólidos

Rango:

0 < e <

Valores característicos:

Arenas muy compactas con finos: e = 0.25 Arcillas altamente compresibles: e = 15

e = Vv / Vs ó n / (1- n)

RELACIONES VOLUMETRICAS

Es la relación entre el volumen de vacíos y el de los sólidos. Su valor puede ser e > 1 y alcanzar valores muy altos. En teoría 0 < e ∞

2) POROSIDAD

Dónde:n : Porosidad (en porcentaje)Vv : Volumen de vacíosVT : Volumen total

Rango:

0 < n < 100Algunos valores característicos: Arenas: n = 25 % a 50 %Arcillas: n = 30 % a 90

n (%) = (Vv/VT) x 100 ó e / (1 + e)


Se define como la probabilidad de encontrar vacíos en el volumen total. Por eso 0 < h < 100% (se expresa en %). En un sólido perfecto n = 0; en el suelo n ≠ 0 y n ≠ 100%.

3. GRADO DE SATURACIÓN

Dónde:

S : Grado de saturación (en %)Vw: Volumen de aguaVv : Volumen de vacíos

Rango: 0 % ≤ Sr ≤ 100 %Algunos valores característicos:

Suelo seco: Sr = 0 %Suelo húmedo: 0 % < Sr < 100 %Suelo saturado: Sr = 100 %

S (%) = (Vw / Vv ) x 100


Se define como la probabilidad de encontrar agua en los vacíos del suelo, por lo que 0 ≤ S ≤ 100%. Físicamente en la naturaleza S ≠ 0%, pero admitiendo tal extremo, S = 0% suelo seco y S = 100% suelo saturado.

4. DENSIDAD RELATIVA

Dónde:

Dr : Densidad relativa (en %)emax : Relación de vacíos máxima emin : Relación de vacíos mínima e0: Relación de vacíos natural

Característica:

Si e0= emax => Dr = 0 % Si e0= emin => Dr = 100 %

Dr= (emax – e0) / (emax – emin) * 100

Dr (%) Suelos granulares0 - 15 Arena muy suelta

15 - 35 Arena suelta35 - 65 Arena media65 - 85 Arena compacta

85 - 100 Arena muy compacta

Algunos valores característicos


Este parámetro nos informa si un suelo está cerca o lejos de los valores máximo y mínimo de densidad, que se pueden alcanzar. Además 0 ≤ DR ≤ 1, siendo más resistente el suelo cuando el suelo está compacto y DR ≈ 1 y menor cuando está suelto y DR ≈ 0.

5. HUMEDAD

Dónde:

w : Humedad en porcentajeWw: Peso de aguaWs : Peso de sólidos

Rango:0 % ≤ w

Algunos valores característicos: Arenas: w = 12 % a 36 % (Sr = 100 %)Arcillas: w = 12 % a 325 % (Sr = 100 %)

w (%) = (Ww / Ws) x 100

RELACIONES GRAVIMETRICAS

Es la relación, en %, del peso del agua del espécimen, al peso de los sólidos.

6) GRAVEDAD ESPECÍFICA DE LOS SÓLIDOS

Dónde:

Gs : Gravedad específicaγs: Peso específico de los sólidosγ0: Peso específico del agua

Algunos valores característicos:

Arenas: Gs = 2,65Arcillas: Gs = 2,7 a 2,9Suelos con materia orgánica: Gs < 2,65

= Ws / (Vs x γ0)


La gravedad específica es la relación del peso unitario de un cuerpo referida a la densidad del agua, en condiciones de laboratorio y por lo tanto a su peso unitario

PESO UNITARIO TOTAL HÚMEDO

Dónde:

γt: Peso unitario totalWt: Peso totalVt : Volumen total

Depende de:

Peso de los granos individualesCantidad total de partículas presentes (función de e)Cantidad de agua existente en los vacíos (función de w)

Características: 0 % < Sr < 100 %

γt = Wt / Vt


Se define al peso específico relativo como la relación entre el peso específico de una sustancia y el peso específico del agua destilada a 4º C sujeta a una atmósfera de presión.0ال : Peso específico del agua destilada, a 4º C. y a la

presión atmosférica correspondiente al nivel del mar. 1,000 = 0ال gr/ cm³

w : Peso específico del agua en condiciones reales الde trabajo, su valor difiere un poco del 0ال , en la práctica se toma igual que 0ال . s : Peso específico del suelo, también llamado peso الvolumétrico de los sólidos.

PESOS ESPECÍFICOS

PESO ESPECIFICO RELATIVO DE SÓLIDOS SS

Es la Gravedad específica de los sólidos

7. PESO ESPECIFICO SECO

Donde:

d : Peso específico seco الWs: Peso de sólidosVt : Volumen total o de masa

d = Ws / Vtال


9. PESO ESPECIFICO SATURADO


Dónde:

sat: Peso unitario saturado الWs: Peso de sólidosWw: Peso del aguaVt : Volumen total

sat = (Ws + Ww) / Vt ال

PESO UNITARIO SUMERGIDO ال’

Haciendo una sumatoria de fuerzas verticales:Σ 0 = الPsat = 0 ال - a ال + sالaال – sat ال = s الaال – sat. 13 ال = s الRecordar que:w . 1 . 12 ال = w . h . A ال = sat ال

Por lo tanto:+ w . 13ال– sat . 13 ال = s الEl Peso específico sumergido será = ال s / Vol

ال’ = ال = sum ال sat - w ال


Esto supone considerar el suelo saturado y sumergido. Al sumergirse, según Arquímedes, el suelo experimenta un empuje, hacia arriba, igual al peso del agua desalojada.

Ejercicio

Una muestra de arcilla Una muestra de arcilla saturada pesa 1,526 gr.saturada pesa 1,526 gr.

Después de secada al Después de secada al horno su peso es de horno su peso es de 1,053 gr.. Si el S1,053 gr.. Si el SS(Gs) vale 2.70, calcule vale 2.70, calcule ee, , nn, , ωω, , الالm y y الالd..

Ejercicio

m = W = Wm / V / Vm = 1,526 / 863 = 1.78 gr. / cm3 = 1,526 / 863 = 1.78 gr. / cm3الال

e = Ve = VV / V / VS = 473 / 390 = 1.21 = 473 / 390 = 1.21

d = 1,053 / 863 = 1.22 gr. / cm = 1,053 / 863 = 1.22 gr. / cm3 الال

n = Vn = VV / V / Vm = 473 / (473 + 390 ) = 0.55 = 473 / (473 + 390 ) = 0.55

ωω = 473 / 1,053 = 0.45; = 473 / 1,053 = 0.45; ωω = 45 % = 45 %

Problema

EN UNA MUESTRA DEEN UNA MUESTRA DESUELO PARCIALMENTESUELO PARCIALMENTESATURADO SE CONOCE:SATURADO SE CONOCE:

VVmm = 50 cm3 = 50 cm3

WWm = 95 g. = 95 g.

WWs = 75 g. = 75 g.

SSs = 2.68 = 2.68

ENCUENTRE :ENCUENTRE :W,W, e,e, n, Gn, Gw, , ץץ m (en Kg./ m3 ),

y

d (en Kg. / m(en Kg. / m3 ) )ץץ

SUELOS TOTALMENTE SATURADOS

Contenido de agua o humedad del Contenido de agua o humedad del suelosuelo

ωω ( % ) = ( W ( % ) = ( Wωω / W / WSS ) x 100 ) x 100ωω = e = e ץץo / S / SS ץץo

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