5caminos II - Estudio de Suelos Para Obras Viales

ESTUDIO DE LOS SUELOS PARA OBRAS

VIALESCOMPETENCIAS TÉCNICAS EN ASEGURAMIENTO Y

CONTROL DE CALIDAD EN OBRAS VIALES

NATURALEZA DE LOS SUELOS

COMPETENCIAS TÉCNICAS EN ASEGURAMIENTO Y CONTROL DE CALIDAD EN OBRAS VIALES

El suelo es un material térmico no homogéneo y poroso

cuyas propiedades son influenciadas por los cambios de

humedad y densidad.

Las partículas individuales de los suelos pueden ser de

dos tipos:

Partículas Granulares: Son conjuntos de cristales minerales del cuarzo y feldespatos principalmente; se las puede observar y presentan formas redondeadas y angulares.

Partículas Arcillosas: Son partículas laminares minúsculas que se las puede ver a través de un microscopio.

NATURALEZA DE LOS SUELOS


CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS


• Es el ordenamiento de los diferentes suelos en grupos que tienen propiedades semejantes, el propósito es facilitar las actitudes de un suelo por comparación con otros de la misma clase cuyas propiedades se conocen.

Existen varios sistemas de clasificación de los cuales los más utilizados en el país son:

- Sistema de clasificación de los suelos según AASHTO.

- Sistema de clasificación de los suelos según SUCS.



Ambos métodos se basan en la determinación de la composición granulométrica del suelo y de los límites de Atterberg de la fracción fina de los mismos.

Nota: La clasificación de suelos según la AASHTO se utiliza en vías, y la clasificación de suelos según SUCS se utiliza para cimentaciones.



Esta clasificación se basa en los resultados obtenidos como el límite líquido, índice de plasticidad y material que pasa el tamiz No. 10, 40 y 200.

De acuerdo con este sistema los suelos están clasificados en ocho grupos designados por los símbolos del A-1 al A-8. Los suelos inorgánicos se clasifican en siete grupos que van del A-1 al A-7 y los suelos con elevada proporción de materia orgánica se clasifican como A-8.

CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS SEGÚN AASHTO


Son aquellos que tienen el 35% o menos, del material

fino que pasa por el tamiz Nº 200, estos suelos

forman los grupos A-1, A-2, A-3.

Grupo A-1: Son mezclas de suelos bien gradados, de fragmentos de piedra, grava, arena y material ligante poco plástico. Se incluyen también en este grupo mezclas bien gradadas que no tienen material ligante.


• SUELOS GRANULARES:


Grupo A-1:



Subgrupo A-1a: Son materiales formados por roca o grava, con o sin material ligante.

Subgrupo A-1b: Son materiales formados por arena gruesa bien gradada, con o sin ligante.


Grupo A-2: Comprende una gran variedad de material granular que contiene menos del 35% del material fino, y que no pueden ser clasificados como A-1 y A-3. El grupo A-2 se subdividen en A-2-4, A-2-5, A-2-6 y A-2-7.

Grupo A-3: En este grupo se encuentran incluidas las arenas finas de playa y aquellas con poca cantidad de limo que no tengan plasticidad.




Son suelos limo-arcillosos que tienen más del 35%

que pasa el tamiz Nº 200. A este tipo de suelos les

corresponde los grupos A-4, A-5, A-6, A-7

Grupo A-4: Son suelos limosos poco o nada plásticos, que tiene un 75% o más del material fino que pasa el tamiz Nº 200. Además se incluyen en este grupo las mezclas de limo con grava y arena en un 64%.

Grupo A-5: Son suelos semejantes al grupo A-4, son elásticos y tienen un límite líquido elevado.


• SUELOS FINOS:


Grupo A-6: A este grupo pertenecen las arcillas plásticas. Por lo menos el 75% de estos suelos deben pasar el tamiz Nº 200, pero se incluyen también las mezclas arcillo - arenosas, cuyo porcentaje de arena y grava sea inferior al 64%.

Grupo A-7: Los suelos de este grupo son semejantes a los suelos A-6, pero son elásticos. Sus límites líquidos son elevados, y se subdividen en A-7-5 y A-7-6.

El índice de plasticidad del subgrupo A-7-5, es igual o menor a LL-30, y el índice de plasticidad del subgrupo A-7-6, es mayor que LL-30.


• SUELOS FINOS:


Las características de los diferentes grupos y subgrupos, además del procedimiento de clasificación se presentan en las tablas. 1.1 y 1.2.


Tabla 1.1 Clasificación de suelos por el método AASHTO

Clasificación generalMaterial granular

(35%, o menos pasa el tamiz Nº 200)

Materiales limo- arcillosos(Más del 35% pasa

el tamiz Nº 200)

Grupos A-1 A-3* A-2 A-4 A-5 A-6 A-7

Porcentaje que pasa el tamiz:Nº 10 (2.00mm)Nº 40 (0.425mm)Nº 200 (0.075mm)

-50 máx.25 máx.

-51 min.10 min.

--

35 máx.

--

36 min.

--

36 min.

--

36 min.

--

36 min.

Características del material que pasa el tamiz Nº 40 (0.425mm):Limite líquido Índice de plasticidad

-6 máx.

-NP

--

40 máx.10 máx.

41 min.10 máx.

40 máx.11 min.

41 min.11 min.

* La colocación de A-3 antes A-2 se hace únicamente por razones de ordenamiento de cantidades.


Tabla 1.2 Clasificación de suelos por el método AASHTO

Clasificación general

Material granular(35%, o menos pasa

el tamiz Nº 200)

Materiales limo- arcillosos(Más del 35% pasa

el tamiz Nº 200)

Grupos A-1

A-3

A-2

A-4 A-5 A-6

A-7

Subgrupo A-1a A-1b A-2-4 A-2-5 A-2-6 A-2-7

A-7-5A-7-6

Porcentaje que pasa el tamiz:Nº 10 (2.00mm)Nº40 (0.425mm)Nº 200 (0.075mm)

50 máx.30 máx.15 máx.

-50 máx.25 máx.

-51 min

10 máx.

--

35 máx.

--

35 máx.

--

35 máx.

--

35 máx.

--

36 min

--

36 min

--

36 min

Características del material que pasa el tamiz Nº 40 (0.425mm):Limite líquido Índice de plasticidad

-6 máx.

-NP

40 máx.10 máx.

41 min10 máx.

40 máx11 min

41 min11 min

40 máx.10 máx.

41 min10 máx.

40 máx.11 min

41 min11 min*

Terreno de fundación Excelente a bueno Excelente a bueno Excelente a bueno Regular a malo

* El índice de plasticidad del subgrupo A-7-5, es igual o menor a LL-30 El índice de plasticidad del subgrupo A-7-6, es mayor que LL-30

La evaluación de los suelos dentro de cada grupo se hace por medio del “índice de grupo”, mismo que se calcula con la siguiente fórmula empírica.

Donde:


IG = Índice de grupo

F =Porcentaje del suelo que pasa por el tamiz Nº 200, expresado como número entero.

LL = Límite líquido.IP = Índice de plasticidad


• Sistema concebido para permitir la identificación de los suelos en el terreno, los agrupa de acuerdo a su comportamiento como material para construcción en función de sus propiedades de granulometría y plasticidad.

• El primer paso para clasificar el suelo consiste en identificar si es altamente orgánico o no. De serlo, se anota las principales características como: textura, olor, etc., y se identifica simplemente como turba (Pt); y, si no lo es, se continúa el proceso con ayuda de pruebas de laboratorio, indicando si el suelo es grueso o fino.

CLASIFICACIÓN UNIFICADA DE SUELOS (SUCS)


Son aquellos suelos que más del 50% de las partículas son retenidas en el tamiz Nº 200. Un suelo grueso será grava, si la mayor parte de la fracción gruesa queda retenida en el tamiz Nº 4 y se considera como arena en el caso contrario.

• SUELOS GRUESOS:


• SUELOS FINOS: Son aquellos suelos que más del 50% de las partículas

pasan el tamiz Nº 200. Para distinguir si la fracción fina es de carácter limoso o arcilloso, se emplea la figura 1.1, conocida como carta de plasticidad de casa grande.


• Fig. 1.1. Carta de plasticidad


MHuOH

MLuOL

CH

CL

LÍMITE LÍQUIDO

ÍND

ICE

PLÁ

STI

CO

El sistema unificado utiliza símbolos para identificar los suelos y determinar su comportamiento como material de construcción. Las letras que se emplean para distinguir los suelos son:


• G - grava• S - arena• M - limo• W - bien gradada• P - pobremente gradada• C - arcilla• O - limos y arcillas orgánicas

• L - baja y media plasticidad• H - alta plasticidad• Pt - turbas o fangos.


• Las combinaciones de las letras antes mencionadas son las que permiten la clasificación del suelo. Por ejemplo SW designa una arena bien gradada. La identificación de los suelos se facilita con el empleo del diagrama de flujo de la tabla 1.3, que se presenta a continuación:



SUELOS ALTAMENTE

ORGÁNICOSTextura fibrosa, color, olor,

muy alto contenido de agua, partículas de materia vegetal

(tallos, hojas, raíces, etc).

HÁGASE UN EXAMEN VISUAL DEL SUELO PARA

DETERMINAR SI ES ALTAMENTE ORGÁNICO, DE

PARTÍCULAS GRUESAS O FINAS, EN LOS CASOS DE

FRONTERA DETERMÍNESE LA CANTIDAD DE MATERIAL QUE PASA POR EL TAMIZ N° 200.

SUELOS DE PARTÍCULAS GRUESAS

Más del 50% se retiene en el tamiz N° 200.

HÁGASE

GRANULOMETRÍAS

GRAVAS (G)Más del 50% de la fracción gruesa

se retiene en el tamiz N° 4

ARENAS (S)Más del 50% de la fracción gruesa

pasa por el tamiz N° 4

Menos del 5% pasa por el

tamiz N° 200.

Entre el 5% y 12% pasa por

el tamiz N° 200.

Más del 12% pasa por el

tamiz N° 200.

Menos del 5% pasa

por el tamiz N° 200.

Más del 12% pasa

por el tamiz N° 200.

Entre el 5% y 12% pasa por el tamiz

N° 200.

EXAMÍNESE LA CURVA

GRANULO-

MÉTRICA

Casos de frontera que deben tener símbolo doble de acuerdo con las

características de plasticidad y

granulometría.Ejm. GW - GM

Determínese el LL y LP de la fracción que pasa el tamiz N° 40.

EXAMÍNESE LA CURVA GRANULO-

MÉTRICA

Casos de frontera que deben tener símbolo doble de acuerdo con las

características de plasticidad y

granulometría.Ejm. SW - SM

Determínese el LL y LP de la fracción que pasa el

tamiz N° 40.

Biengradada

Malgradada

Biengradada

Malgradada

GW GP GM GM-GC GC SW CH OH MH CL ML-OL ML OL SC SM-SC SP SM

Abajo de la "línea A" con LP menor a 4 en la carta de plasticidad

Arriba de la "línea A" con LP entre 4 y 7 en la carta de plasticidad

Arriba de la "línea A" con LP mayor a 7

en la carta de

plasticidad

Abajo de la "línea A" con LP menor a 4

en la carta de

plasticidad

Arriba de la "línea A" con LP entre 4 y 7 en la carta

de plasticidad

Arriba de la "línea A" con LP mayor a 7

en la carta de

plasticidad

SUELOS DE PARTÍCULAS FINAS

Más del 50% pasa por el tamiz N° 200.

Determínese el LL y LP del material que pasa el tamiz

N° 40.

LLímite líquido menor de 50.

HLímite líquido menor de 50.

Abajo de la "línea A" con LP menor que 4 en la carta

de plasticidad

Arriba de la "línea A" con

LP entre 4 y 7 en la carta de

plasticidad

Abajo de la "línea A" con LP mayor que 7 en la carta de plasticidad

Arriba de la "línea A" en la carta

de plasticidad

Abajo de la "línea A"

en la carta de

plasticidad

Color, olor posiblemente LL y LP sobre el suelo

secado en el horno.

Inorgá-nicos

Orgáni-cos

Inorgá-nicos

Orgá-nicos

Color, olor posiblemente LL y LP sobre el suelo

secado en el horno.

Fuente: Sanchez Sabogal Fernando, Pavimentos, Tomo I , Pág 127.

FASES DE LOS SUELOS Y SUS RELACIONES


Un suelo se encuentra compuesto normalmente por tres

fases:

• Sólida: constituida por partículas minerales.• Líquida: constituida por el agua presente en la masa

del suelo.• Gaseosa: constituida por el aire que se encuentra

dentro de los poros.

La Fig. 1.2 presenta un esquema de una muestra de suelo

con sus tres fases, en la cual se indica la nomenclatura de

los pesos y volúmenes de los diferentes elementos.




V

Vv

Va

Vw

Vs

VOLUMENES

W

O

Ws

PESOS

Ww

AIRE

AGUA

SOLIDOS

V = Volumen total de la masa de suelo

Vs = Volumen de los sólidos

Vw = Volumen del agua

Va = Volumen del aire

Vv =Volumen de vacios o volumen de poros

W = Peso total de la masa de suelo

Ws = Peso de los sólidos

Ww = Peso del agua

Fig. 1.2 Representación esquemática de un suelo parcialmente saturado.


• RELACIONES DE IMPORTANCIA EN LA INGENIERÍA DE PAVIMENTOS:

1. Contenido de agua o humedad del suelo.

2. Relación de vacíos.




3. Porosidad

4. Grado de saturación




5. Contenido de Aire

6. Peso unitario total o densidad húmeda del suelo.




7. Peso unitario seco o densidad seca del suelo.

8. Peso unitario de las partículas sólidas.




9. Peso específico relativo de los sólidos o gravedad específica

0, es el peso unitario o densidad del agua.



PROPIEDADESFÍSICO-

MECÁNICAS DE LOS SUELOS


• Las propiedades físico - mecánicas son las características usadas para la selección de los materiales, para las especificaciones de construcción y para el control de calidad.

• Para conocer las propiedades físico - mecánicas de los suelos en un proyecto, es necesario tomar muestras para posteriormente determinar sus propiedades en el laboratorio.

PROPIEDADES FÍSICO-MECÁNICAS DE LOS SUELOS


Este ensayo consiste en determinar la cantidad de agua presente en una cantidad dada de suelo en términos de su peso en seco. (ASTM D 2216, AASHTO T 265).

ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS SUELOS

a) DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD:


ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS SUELOSb) DETERMINACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO:

El límite líquido (LL) es el contenido de humedad que tiene un suelo al momento de pasar de estado plástico a un estado semilíquido. (ASTM D 4318, AASHTO T 89).


ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS SUELOSb) DETERMINACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO:

El estado líquido se define como la condición en la que la resistencia al corte del suelo es tan baja que un ligero esfuerzo lo hace fluir.



c) ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO:

La granulometría de partículas se determina por un análisis de tamices efectuado sobre las muestras de agregado. (ASTM D 422, AASHTO T 88).

Consiste en hacer pasar la muestra por una serie de tamices de diferentes aberturas, (MOP – 001 – F – 2002.).




La granulometría se determina al calcular el peso retenido en cada tamiz, después de haber efectuado el análisis de tamices. Luego se resta el peso retenido en cada tamiz del peso total de la muestra.

Un suelo conforme su granulometría se clasifica así:

• Agregado grueso.• Agregado fino.• Relleno mineral.• Polvo mineral:




• Agregado grueso: Material retenido en el tamiz de 4.75 mm (No. 4).

• Agregado fino: Material que pasa por el tamiz de 4.75 mm (No. 4).

• Relleno mineral: Fracciones de agregado fino que pasa el tamiz de 0.60 mm ( No. 30).

• Polvo mineral: Fracciones de agregado fino que pasa el tamiz de 0.075 mm (No. 200)



d) DETERMINACIÓN DEL LÍMITE PLÁSTICO:

El límite plástico (LP) es la frontera entre el estado plástico y el semisólido de un suelo. En este estado el suelo puede ser deformado rápidamente o moldeado sin recuperación elástica, existen cambios de volumen, agrietamiento o desmoronamiento. (ASTM D 4318, AASHTO T 90).



d) DETERMINACIÓN DEL LÍMITE PLÁSTICO:

Con los valores de LL y LP determinamos el índice de plasticidad (IP) que se define como la diferencia entre estos dos límites.



e) ENSAYOS DE COMPACTACIÓN:

Se llama compactación al proceso de aplicación de carga sobre una mezcla de suelo con su consecuente reducción de volumen y aumento de densidad, es conveniente la compactación de un suelo ya que reduce su compresibilidad, incrementa su resistencia al esfuerzo cortante y lo hace más impermeable.

- Para suelos gruesos ASTM D 1557, AASHTO T 180. - Para suelos finos ASTM D 698, AASHTO T 99.




Densidad seca máxima: Es el peso seco máximo, obtenido cuando el material se mezcla con diferentes porcentajes de agua y se compacta de una manera normal preestablecida de acuerdo al método utilizado.




Óptimo contenido de humedad: Es el porcentaje de agua con el cual se obtiene la densidad seca máxima para el esfuerzo de compactación especificado.


• Los ensayos de resistencia miden la capacidad actual de los materiales para resistir deformaciones. Existen diferentes métodos para medir la resistencia de los suelos de la subrasante que se han sometido a cargas dinámicas de tránsito:

- Relación de valor soporte California (CBR)

- Valor de Resistencia Hveem (Valor R)

- Ensayo de plato de Carga (Valor K)

- Penetración dinámica con cono (PR)

- Modulo resiliente (Mr)

ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS PROPIEDADES MECÁNICAS

DE LOS SUELOS


El índice de california es una media de la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo, bajo condiciones de densidad y humedad cuidadosamente controladas.

Su objeto es simular las condiciones de saturación a las cuales van a estar sometidos los suelos como la subrasante de una carretera, obteniendo de esta forma las condiciones más críticas a las que va a estar sometido el suelo por acción de cargas vehiculares.

a) VALOR SOPORTE CALIFORNIA (CBR):


DE LOS SUELOS


El equipo y procedimiento para la realización de este ensayo se describen en las siguientes normas:

- CBR de campo ASTM D

4429.

- CBR de laboratorio ASTM D

1883, AASHTO T 193.

a) VALOR SOPORTE CALIFORNIA (CBR):


DE LOS SUELOS


Esta prueba es generalmente aplicada para el diseño de pavimentos rígidos, pero en la actualidad también se lo usa para pavimentos flexibles, (AASHTO T 222).

Se lo utiliza para evaluar la capacidad portante de las subrasante, las bases y en ocasiones los pavimentos completos.

b) ENSAYO DE PLATO DE CARGA, VALOR K


DE LOS SUELOS


Donde:

K = Módulo de reacción del suelo

p = Presión aplicada al suelo.

∆ = Deformación producida en el suelo.

b) ENSAYO DE PLATO DE CARGA, VALOR K


DE LOS SUELOS


c) MÓDULO DE RESILIENCIA: El objetivo de este ensayo es analizar las propiedades

que tienen los materiales de comportarse bajo cargas dinámicas como las ruedas de tránsito, (AASHTO T 294).

Este ensayo no es destructivo de la muestra ya que estos no fallan durante el análisis. Dichas muestras son de forma cilíndrica y se colocan en una cámara triaxial (figura 1.5), la cual permite ejercer presiones de confinamiento a la muestra.


DE LOS SUELOS

c) MÓDULO DE RESILIENCIA:

El módulo de resiliencia se define como el cociente entre el esfuerzo desviador aplicado y la deformación unitaria elástica en cada ciclo de carga.

Donde:

v = Esfuerzo vertical3 = Presión de confinamientod = Esfuerzo desviadoraxial = Deformación recuperable


DE LOS SUELOS



El comportamiento esfuerzo - deformación de un

suelo puede ser de dos tipos: resiliente y plástico.

Las deformaciones resilientes o elásticas son de recuperación instantánea, y

Las deformaciones plásticas son aquellas que

permanecen en el pavimento después de cesar la causa deformadora.


DE LOS SUELOS




DE LOS SUELOS



Durante pruebas de carga repetida se observa que después de un cierto número de ciclos de carga, el módulo llega a ser aproximadamente constante y la respuesta del suelo puede asumirse como elástica.


DE LOS SUELOS



Al módulo que permanece constante se le llama módulo de resiliencia (Fig.1.6). Así entonces, el concepto de módulo de resiliencia está ligado invariablemente a un proceso de carga repetida.


DE LOS SUELOS



Cuando no sea posible efectuar los ensayos por no tener los

equipos de laboratorio, se acude a los ensayos tradicionales

de resistencia (CBR y plato de carga), utilizando las

siguientes correlaciones:

Euheukelon y Klomp, han encontrado una relación entre el Mr medido en el campo y el CBR de laboratorio para la misma densidad.

CBR ≤ 10


DE LOS SUELOS


RELACIONES ENTRE LAS DIVERSAS MEDIDAS DE RESISTENCIA DE LOS

SUELOS DE SUBRASANTE• Para facilitar el trabajo de los diseñadores y en vista de

que la mayoría de los laboratorios no poseen los elementos necesarios para efectuar cualquier prueba de resistencia, se han establecido relaciones empíricas entre las diversas medidas de resistencia, las cuales se muestran en la tabla 1.4

• Mediante estas relaciones es posible determinar el valor aproximado de resistencia de un suelo, expresado en términos de algún ensayo, en función de otro calculado por medio de una prueba diferente.


Clasificación Unificada

CH

OH

OL

MH

ML

CL

SM

SP

SC

GC

SW

GM

GP GW

Clasificación AASHTO

A-5A-4

A-6

A-7-5, A-7-6

A-2-6, A-2-7A-3

A-1-bA-2-4, A-2-5

A-1-a

Módulo de reacción de la subrasante k (Kg/cm3)

Valor Soporte (psi)

CBR (%)

Módulo de reacción de la subrasante k (Mpa/m3)

Tabla 1.4: Correlación aproximada entre la clasificación de los suelos y CBR:

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