CORRELACION DE LOS ENSAYOS DE CORTE DIRECTO Y CBR PARA

ARENAS MAL GRADADAS DEL RIO MAGDALENA SECTOR EL ARENAL

EN EL MUNICIPIO DE BARRANCABERJA

JORGE ELIECER CALDERÓN ACERO.

GILBERTO MIRA LOZANO

UNIVERSIDAD DE SANTANDER

SECCIONAL BUCARAMANGA

ESPECIALIZACIÓN EN GEOTECNIA AMBIENTAL

BUCARAMANGA

2015.

CORRELACION DE LOS ENSAYOS DE CORTE DIRECTO Y CBR PARA

ARENAS MAL GRADADAS DEL RIO MAGDALENA SECTOR EL ARENAL

EN EL MUNICIPIO DE BARRANCABERJA

JORGE ELIECER CALDERÓN ACERO.

GILBERTO MIRA LOZANO

Proyecto de Grado para optar al título de Especialista en Geotecnia

Ambiental

Director: Msc Edwin Valencia

UNIVERSIDAD DE SANTANDER

SECCIONAL BUCARAMANGA

ESPECIALIZACIÓN EN GEOTECNIA AMBIENTAL

BUCARAMANGA

2015.

NOTA DE ACEPTACIÓN.

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Firma del Jurado.

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Firma del Jurado.

BUCARAMANGA MARZO DE 2015

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN. 10

1. OBJETIVOS. 11

1.1. Objetivo General. 11

1.2. Objetivos Específicos. 11

2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. 12

3. ANTECEDENTES. 13

4. METODOLOGIA. 16

5. MARCO TEORICO. 17

5.1. Clasificación de los Suelos. 17

5.1.1 Clasificación de los suelos según su granulometría. 3 17

5.1.1.1 Suelos gruesos. 17

5.1.1.2 Gravas. 18

5.1.1.3 Arenas. 18

5.1.1.4 Suelos finos. 19

5.1.1.5 Limos. 19

5.1.1.6 Arcillas. 19

5.1.2 Sistema Unificado de Clasificación de los Suelos. 20

5.1.3 Propiedades relevantes de los suelos. 22

5.1.4 Clasificación de los suelos según su plasticidad. 23

5.1.4.1 Límites de Atterberg. 23

5.2. Compactación de Suelos.8 24

5.2.1 Ensayo Proctor Modificado.11

26

5.3. Resistencia al Esfuerzo Cortante de los Suelos. 28

5.3.1 Determinación del Esfuerzo de Corte. 29

5.3.2 Ensayo de Corte Directo. 29

5.4. Determinación de la Resistencia al Suelo Mediante Ensayo C.B.R. 33

5.4.1 Condiciones del Ensayo. 33

5.4.2 Ensayo C.B.R. sobre Muestras Compactadas en laboratorio. 34

5.4.3 Métodos de Ensayo de Laboratorio. 36

5.4.4 Método I para C.B.R.20

36

6. RESULTADOS OBTENIDOS. 38

6.1. ANALISIS GRANULOMETRICO PARA LAS MUESTRAS. 38

6.2. LIMITES DE PLASTICIDAD. 40

6.3. PROCTOR MODIFICADO (ENSAYO DE COMPACTACIÓN). 40

6.4. ENSAYO DE CORTE DIRECTO. 41

6.5. ENSAYO DE C.B.R (California Bearing Ratio). 42

7. ANÁLISIS DE RESULTADOS. 44

7.1. Granulometría. 44

7.2. Proctor Modificado 46

7.3. Análisis de tendencias. 48

7.4. Ángulo de fricción interna ( y CBR (%). 48

7.5. Coeficiente (Kn) Vs Densidad Seca. 49

Tabla 11. Coeficiente (K) y Número de golpes. 50

7.6. Coeficiente (Kn) vs Número de golpes. 51

8. CONCLUSIONES. 53

9. OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES. 56

10. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS. 57

LISTA DE TABLAS.

Tabla 1. Resultados obtenidos tesis de grado corte directo y CBR, Estudiantes

Alvarado y Muñoz, 2010. 17

Tabla 2. Resultados obtenidos tesis de grado corte directo y CBR, Estudiantes

Ochoa y Bonilla, 2010. 18

Tabla 3. Sistema de Clasificación finos, USCS, Norma ASTM D 2487. 24 Tabla 4. Sistema de Clasificación gruesos, USCS, Norma ASTM D 2487. 24 Tabla 5. Propiedades típicas de los suelos, norma ASTM D 2487. 25

Tabla 6. Datos granulometría para tipo de suelo seleccionado. 42

Tabla 7. Humedad Óptima y Densidad Máxima de suelo seleccionado. 45

Tabla 8. Resultados Corte Directo con Humedad Optima de 9.5%. 46

Tabla 9. Resultados C.B.R. para Humedad Optima de 9.5%. 48

Tabla 10. Análisis Granulométrico para Material Seleccionado. 51

Tabla 11. Coeficiente (K) y Número de golpes. 55

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Límites de Atterberg. 26

Figura 2. Carta de Plasticidad para Suelos. Mecánica de suelos, Juárez Badillo. . 26 Figura 3. Curva de Compactación.

Figura 4. Curva de Compactación para proctor. 30

Figura 5. Equipo Manual de Corte 33

Figura 6. Esquema del aparato de Corte Directo, Geotecnia LNV, 1993. 34

Figura 7. Aparato Corte Directo 35

Figura 8. Equipo para Determinar C.B.R, (Pinzuar) 39

Figura 9. Curvas Granulométricas de tipo de Suelo Extraído. 43

Figura 10. Granulometría por mallas, D60, D30 y D10 para muestra 1. 49

Figura 11. Granulometría por mallas, D60, D30 y D10 para muestra 2. 50

Figura 12. Granulometría por mallas, D60, D30 y D10 para muestra 3. 50

Figura 13. Curvas Peso Específico Seco y humedad Óptima Promedio de

Ensayo de Proctor Modificado. 52

Figura 14. Coeficiente (K) vs Densidad seca. 56

Figura 15. Coeficiente (K) vs Nº de Golpes. 57

8

RESUMEN GENERAL DE TRABAJO DE GRADO.

TÍTULO: CORRELACION DE LOS ENSAYOS DE CORTE DIRECTO Y CBR PARA ARENAS MAL GRADADAS DEL RIO MAGDALENA SECTOR EL ARENAL EN EL MUNICIPIO DE BARRANCABERJA

AUTOR(ES): JORGE ELIECER CALDERÓN ACERO.

GILBERTO MIRA LOZANO.

ESPECIALIZACIÓN: GEOTECNIA AMBIENTAL

DIRECTOR: MSC EDWIN VALENCIA.

RESUMEN.

Este proyecto de grado, tuvo como propósito realizar una correlación entre los

ensayos de corte directo y CBR (California Bearing Ratio) para arenas mal

gradadas (SP) del Rio Magdalena, sector el arenal en el municipio de

Barrancabermeja.

Después de seleccionar el material, se procedió a tomar muestras para

realizar los ensayos de clasificación de suelos, comprobando que se trataba de

una arena mal gradada(SP), luego se realizaron los ensayos de compactación,

Proctor modificado para determinar la humedad optima de compactación y el

peso específico seco máximo del suelo. Una vez determinada la humedad

optima se realizaron quince (15) ensayos de corte directo y quince (15) de

C.B.R. los resultados de estos ensayos permitieron encontrar tendencias entre

las propiedades físicas de la arena mal gradada estudiada.

Finalmente se establecieron conclusiones, recomendaciones y observaciones

con los resultados de este trabajo de grado.

Palabras Claves: Corte Directo, CBR, Proctor Modificado, Humedad optima, SP.

9

GENERAL ANALYSIS OF THE WORK OF DEGREE.

TITLE: CORRELATION OF DIRECT SHEAR TEST AND CBR FOR BADLY GRADED SANDS OF MAGDALENA RIVER EL ARENAL SECTOR IN THE MUNICIPALITY BARRANCABERMEJA

AUTHOR (IS): JORGE ELIECER CALDERÓN ACERO.

GILBERTO MIRA LOZANO.

.

SPECIALIZATION: ENVIRONMENTAL GEOTECHNICAL

DIRECTOR: MSC. EDWIN VALENCIA.

ABSTRACT.

This project of degree, it had as intention compare the parameters of resistance

to the cut obtained of the tests of direct cut and CBR (California Bearing Ratio)

for sands badly graded (SP) of the Magdalena River, El Arenal Sector in the

municipality Barrancabermeja

After selecting the material, One proceeded to take samples to realize the tests

of classification of soils, Verifying that it was a question of a badly graded sand,

assays were performed after compacting, Proctor modified to determine the

optimum moisture and compaction maximum dry weight of the soil. Once the

optimum moisture were performed (15) direct cut tests and fifteen (30) CBR, the

results of these tests allowed trends found between the physical properties of

the poorly graded sand studied.

Finally settled conclusions, recommendations and observations with the results

of this paper grade.

Keywords: Direct Cut, CBR, Proctor Modified, Optimus Dampness, SP.

10

INTRODUCCIÓN.

Los parámetros de resistencia al esfuerzo cortante de cualquier suelo se

pueden obtener mediante los ensayos de corte directo y triaxial sobre muestras

inalteradas, la toma de muestras inalteradas es muy difícil ya que no tienen

cohesión por tal motivo mediante proyecto de grado se pretende hallar una

correlación entre el ángulo de fricción interno obtenido en el ensayo de corte

directo y la capacidad de soporte adquirida por el ensayo de CBR para una

arena mal gradada (SP).ya que estos dos parámetros son una medida de la

resistencia del suelo.

El material de estudio se extrajo del Rio Magdalena, sector el Arenal del

municpio de Barrancabermeja, con el cual se procedió a realizar los ensayos

para su caracterización.

El número de especímenes a ensayar fueron de treinta (30), y estuvieron

distribuidos de la siguiente forma: quince (15) ensayos para corte directo y

quince (15) ensayos para CBR. A partir de los resultados de dichos ensayos se

establecieron relaciones entre las propiedades físicas del suelo estudiado, en

este caso los resultados obtenidos son válidos para arenas mal gradadas (SP).

11

1. OBJETIVOS.

1.1. Objetivo General.

Correlacionar los ensayos de corte directo y CBR para arenas mal gradadas

del sector el arenal en el municipio de Barrancabermeja.

1.2. Objetivos Específicos.

Definir el suelo con el cual se va a realizar los ensayos de laboratorio.

Realizar ensayos de clasificación para establecer el nombre del suelo.

Estimar la humedad optima y la densidad seca máxima del suelo

escogido mediante ensayos de compactación Proctor modificado.

Realizar ensayos de corte directo sobre muestras compactadas con la

humedad optima con el fin de obtener en ángulo de fricción interna para

el suelo escogido.

Ejecutar los ensayos de CBR para hallar la resistencia de los suelos

escogidos.

Realizar un análisis y una comparación del ángulo de fricción obtenido

en el ensayo corte directo y la capacidad de soporte en el ensayo de

CBR.

12

2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.

Una muestra de suelo sometida a un esfuerzo de corte tiende a producir un

desplazamiento de las partículas entre sí o de una parte de la masa del suelo

con respecto al resto del mismo.

Las arenas son partículas de roca sin cohesión, su estabilidad depende de la

compactación y su resistencia está dada principalmente por la fricción entre sus

partículas.

Los parámetros de resistencia al esfuerzo cortante de un suelo son: la cohesión

y el ángulo de fricción, las arenas mal gradadas no tienen cohesión lo cual

dificulta su extracción, ya que al hincar las formaletas en situ y luego retirarlas

la muestra sale por la parte inferior de dicha formaletas, incluso así esto no

sucediera, en el momento de pasar las muestras de las formaletas a la cámara

del aparato de corte directo esta se desmorona.

Este trabajo pretende establecer una correlación entre el ángulo de fricción

interna de las arenas mal gradadas compactadas con la humedad óptima y

otras propiedades físicas obtenidas en otros ensayos como el C.B.R. Con la

finalidad de que se realice únicamente el ensayo de CBR y con las

correlaciones halladas calcular el ángulo de fricción interna.

13

3. ANTECEDENTES.

Son muy pocos los estudios que se han realizado con las arenas de río en lo

referente a su capacidad de soporte, dado que este tipo de material no permite

tomar muestras inalteradas para la determinación de sus parámetros de

resistencia, por tanto es importante encontrar métodos alternos para hallar su

resistencia al corte, es por eso que con este proyecto se busca hallar una

correlación entre los parámetros obtenidos de los ensayos de corte directo y

CBR para arenas mal gradadas(SP), lo cual permitiría determinar la resistencia

del suelo por medio de pruebas en las cuales el material no se pierda al

desencofrarse, tales como el CBR.

Es necesario aprovechar las características que tienen las arenas mal

gradadas por ejemplo su alta permeabilidad, su moderada facilidad de

tratamiento en obra, su alta resistencia al corte y comprensibilidad lo cual le

permite ser utilizados en diques y terraplenes de suave talud.

Se han realizado diferentes tipos de investigaciones en el área de geotecnia

mostrando con estas el comportamiento de los diferentes parámetros que

adquieren las arenas. Aunque los estudios no son como tal con arenas mal

gradadas si se realiza la correlación entre los dos ensayos. En otros trabajos

de grado se han realizado comparaciones de la permeabilidad de la arena del

Rio Magdalena del cual pudimos comparar la densidad seca del material y el

resultado no varía mucho al encontrado en este trabajo de grado.

En el año 2010 se realizaron cuatro (4) trabajos de grado en los cuales se

correlacionó el ángulo de fricción interna con el C.B.R. tipo I y la resistencia a la

compresión inconfinada para arenas limosas y arenas arcillosas.

A continuación se presentan los resultados de dos (2) de estos trabajos de

grado, en los cuales se correlacionó el ángulo de fricción interna con el C.B.R.

tipo I para suelos arenosos.

14

La primera consistió en hallar la correlación del ángulo de fricción interna y

CBR tipo I para arenas limosas(SM), realizada por los estudiantes Muñoz y

Alvarado1. En la segunda se halló una correlación entre el ángulo de fricción

interna y el CBR para arenas arcillosas (SC), realizada por los estudiantes

Ochoa y Bonilla2.

TITULO AUTORES RESULTADOS OBTENIDOS

CORRELACION DEL ANGULO DE

FRICCION INTERNA Y CBR

TIPO 1 PARA ARENAS

LIMOSAS (SM)1

PAUL ANDRES ALVARADO SALCEDO.

IVAN DARIO MUÑOZ AYALA.

La humedad óptima fue de 12.5% y una densidad seca de máxima de 1.92 gr/cm

3.

El CBR máximo alcanzado en este proyecto fue de 97.3% al cual correspondió un ángulo de fricción de 43º.

Se encontró que la línea de tendencia que mejor relacionaba CBR vs ángulo de fricción interna es un polinomio de grado dos y dicha relación muestra que al aumentar el CBR también aumenta el ángulo de fricción interna. La línea de tendencia fue:

=-.001*C.B.R2+0.319C.B.R+27.35

Estos resultados obtenidos son válidos para únicamente para el tipo de material arena limosa y compactada con humedades de 8.5%, 12.5% y 16.5%.

Tabla 1. Resultados obtenidos tesis de grado corte directo y CBR,

Estudiantes Alvarado y Muñoz, 2010.

____________________

1ALVARADO SALCEDO, Paul Andrés y MUÑOZ AYALA, Iván Dario. Correlación del ángulo de fricción interna y CBR

tipo 1 para arenas limosas (SM): UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA 2010.

15

TITULO AUTORES RESULTADOS OBTENIDOS

CORRELACION ENTRE EL ÁNGULO

DE FRICCION INTERNA Y CBR TIPO

1 PARA ARENAS ARCILLOSAS (SC)

2

CARLOS ANDRES OCHOA OSORIO.

ELKIN YEBRAIL BONILLA GALLO

La humedad óptima fue de 12% y una densidad seca de máxima de 1.84 gr/cm

3.

Los ensayos de corte directo arrojaron un promedio del ángulo de fricción interna de 40.45º para una humedad de 8%, 43.77 para una humedad de 12%, 24.79º para una humedad de 16%.

Los ensayos realizados para CBR tipo 1 arrojaron un promedio de 61.73% para una humedad de 8%, 48.73% para una humedad de 12%, 30.57% para una humedad de 16%.

Se encontró que la línea de tendencia que mejor relacionaba CBR vs ángulo de fricción interna es un polinomio de grado dos cuya ecuación es:

=-0.041*C.B.R

2+4.354C.B.R-69.33

Estos resultados obtenidos son válidos únicamente para el tipo de material arena arcillosa y compactada con humedades de 8%, 12% y 16%.

Tabla 2. Resultados obtenidos tesis de grado corte directo y CBR,

Estudiantes Ochoa y Bonilla, 2010.

____________________

2 BONILLA GALLO, Elkin Yebrail y OCHOA OSORIO, Carlos Andrés. Correlación entre el ángulo de

fricción interna y CBR tipo 1 para arenas arcillosas (SC): UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA 2010.

16

4. METODOLOGIA. La metodología planteada para realizar el presente proyecto fue la siguiente:

Revisión bibliográfica: se realizó una búsqueda sobre las

investigaciones desarrolladas anteriormente, y se definieron cuáles

serían las normas ASTM a utilizar en este proyecto para los ensayos,

tales como granulometría, Proctor modificado, corte directo y CBR.

Extracción del material: el suelo seleccionado para este proyecto fue la

arena del Rio Magdalena, que se extrae en el municipio de

Barrancabermeja sector el Arenal.

Muestreo: el material extraído se sometió a tres (3) ensayos de

granulometría para clasificar el suelo y comprobar que se trataba de una

arena mal gradada (SP). Seguido de tres (3) ensayos de Proctor

modificado, se hizo un promedio para obtener la humedad óptima y la

densidad seca máxima del suelo.

Ensayos de laboratorio: se realizaron quince (15) ensayos de corte

directo, donde cada uno constaba de tres (3) muestras que se extrajeron

de probetas compactadas a 56 golpes, con la humedad óptima para y

densidad seca máxima obtenida.

Y quince (15) ensayos de CBR, el cual estaba compuesto por tres (3)

Probetas, la primera de 56 golpes, la segundo 25 golpes y la tercera de

12 golpes, con la humedad óptima y densidad seca máxima obtenida.

Análisis de datos: se obtuvieron tendencias entre las diferentes

propiedades físicas de las arenas mal gradadas obtenidas en los

ensayos de corte directo y CBR.

Redacción del informe: se realizó un informe detallado de los

parámetros y comparaciones que se buscaban con los objetivos

planteados en este proyecto de grado.

17

5. MARCO TEORICO.

5.1. Clasificación de los Suelos.

La clasificación de suelos es fundamental para determinar condiciones y

cualidades intrínsecas de cada tipo de material.

La medida de las propiedades fundamentales de un suelo, tales como la

permeabilidad, compresibilidad y resistencia puede resultar difícil, caro y

requerir mucho tiempo. Es por eso que puede ser útil dividir los suelos en

grupos con comportamientos semejantes.

La clasificación de suelos consiste en incluir un suelo en un grupo que presenta

un comportamiento semejante y la mayoría de las clasificaciones utilizan

pruebas muy sencillas, de tipo indicativo, para así determinar las características

del suelo y asignarlo a un determinado grupo. Los ensayos principalmente

utilizados son la granulometría y la plasticidad.

5.1.1 Clasificación de los suelos según su granulometría. 3

Existen principalmente dos tipos de suelos, los gruesos y los finos.

Los suelos gruesos son aquellos en que más de la mitad de las partículas son

visibles, comprende los tamaños de gravas y arenas, y la fracción fina los limos

y arcillas.

5.1.1.1 Suelos gruesos.

Los suelos gruesos se encuentran divididos en gravas y arenas, se distinguen

porque en las gravas más de la mitad de la fracción gruesa es retenida por la

malla Nº 4, en cambio para el grupo de las arenas más de la mitad del material

pasa por el tamiz Nº 4. ________________________________

3JUAREZ BADILLO, Eulalio – RICO RODRIGUEZ, Alfonso. Fundamentos de la Mecánica de Suelos, Tomo I. Editorial

Limusa S.A. Grupo Noriega Editores. Tercera edición. 1992. Pag 149-152.

18

En los suelos gruesos el comportamiento mecánico e hidráulico está

principalmente condicionado por su compacidad y por la orientación de sus

partículas, y la constitución mineralógica es secundaria frente a los procesos

mecánicos que le afectan a dicho suelo.

5.1.1.2 Gravas.

Las gravas son acumulaciones sueltas de fragmentos de rocas y que tienen

más de dos milímetros de diámetro. Se encuentran redondeadas debido al

acarreo al cual se les somete y, por lo tanto, sufren desgaste en sus aristas.

Como material suelto suele encontrársele en los lechos, en los márgenes y en

los conos de deyección de los ríos. Las gravas ocupan grandes extensiones,

pero casi siempre se encuentran con mayor o menor proporción de rodados,

arenas, limos y arcillas. Sus partículas varían desde 20 mm hasta 2 mm.

5.1.1.3 Arenas.

La arena es el nombre que se le da a los materiales cuyas partículas varían

entre 2 mm y 0.05 mm de diámetro.

El origen y la existencia de las arenas es similar al de las gravas, las dos

suelen encontrarse juntas en el mismo depósito. La arena de río contiene muy

a menudo proporciones relativamente grandes de grava y arcilla. Las arenas no

se contraen al secarse, no son plásticas, son mucho menos compresibles que

la arcilla y si se aplica una carga en su superficie, se comprimen casi de

manera instantánea.4

_________________

4ING CRESPO VILLALAZ. Carlos. MECANICA DE SUELOS Y CIMENTACIONES, 5 ed. Monterrey, Mexico, Limusa,

NORIEGA Editores, (1976.- 1980). Pag 21 – 23.

19

5.1.1.4 Suelos finos.

El comportamiento mecánico de las arcillas es conforme a su estructura

general y constitución mineralógica en particular.

Por otra parte, los suelos más arcillosos son capaces de adsorber agua hasta

un límite en que se transforman en impermeables. Este hecho es debido,

mayoritariamente, a su capacidad de compactación por compresión, debida al

peso de las capas superiores y a su capacidad de drenaje, debida a la pérdida

de agua por el mismo efecto.

Cuanto menor es el tamaño de las partículas que integran ese suelo, mayor es

la superficie eficaz presentada por dicho suelo. Así mismo, todas las

propiedades físicas consideradas (plasticidad, densidad, etc.) aumentan

rápidamente su intensidad a medida que el tamaño de sus partículas se

aproxima al estado coloidal.

5.1.1.5 Limos.

Los limos son suelos de granos finos con poca o ninguna plasticidad, pudiendo

ser limo orgánico o inorgánico. El diámetro de las partículas de los limos está

comprendido entre 0.05 mm y 0.002mm.

La permeabilidad de los limos orgánicos es muy baja y su compresibilidad muy

alta.

5.1.1.6 Arcillas.

Son partículas sólidas con diámetro menor de 0.002 mm y cuya masa tiene la

propiedad de volverse plástica al ser mezclada con agua. Químicamente es un

silicato de alúmina hidratado, aunque en pocas ocasiones contiene también

silicatos de hierro o de magnesio hidratados. La estructura de estos minerales

es, generalmente, cristalina y complicada y sus átomos están dispuestos en

20

forma laminar. De hecho se puede decir que hay dos tipos clásicos de tales

láminas: uno de ellos del tipo silíceo y el otro del tipo alumínico.

5.1.2 Sistema Unificado de Clasificación de los Suelos.

El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS) deriva de un sistema

desarrollado por A. Casagrande para identificar y agrupar suelos en forma

rápida en obras militares durante la guerra.

Este sistema divide los suelos primero en dos grandes grupos, de granos

gruesos y de granos finos. Los primeros tienen más del 50por ciento en peso

de granos mayores que 0,075 mm (tamiz nº 200); se representan por el

símbolo G si más de la mitad, en peso, de las partículas gruesas son retenidas

en tamiz nº 4 (4,76 mm), y por el símbolo S sí más de la mitad pasa por tamiz

nº 4. 5

A la G o a la S se les agrega una segunda letra que describe la gradación: W,

buena gradación con poco o ningún fino; P, gradación pobre, uniforme o

discontinua con poco o ningún fino; M, que contiene limo o limo y arena; C, que

contiene arcilla o arena y arcilla.

Los suelos finos, con más del 50 por ciento bajo tamiz 200, se dividen en tres

grupos, las arcillas (C), los limos (M) y limos o arcillas orgánicas (O).

Estos símbolos están seguidos por una segunda letra que depende de la

magnitud del límite líquido e indica la compresibilidad relativa: L, si el límite

líquido es menor a 50% y H, si es mayor, todas estas especificaciones se

pueden observar en las tablas 3 y 4 que representan al Sistema de

Clasificación USCS.6

____________________

5NARSILIO, Guillermo y SANTAMARIA, Carlos. Clasificación de Suelo: Fundamento Físico: Instituto Tecnológico de

Georgia, USA. [En Línea]. Pag 2 - 3 [Consultado 23agos. 2012]. Disponible

<http://materias.fi.uba.ar/6408/santamarina.pdf>

6ING. MATUS LAZO, Iváne ING.BLANCO RODRIGUEZ, marvin. Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, 11 de

agosto de 2010. [En Línea]. [Consultado 22 agos. 2012]. Disponible <http://es.scribd.com/doc/41757133/Sistema-

Unificado-de-Clasificacion-de-Suelos>

21

SISTEMA DE CLASIFICACION USCS PARA SUELOS FINOS

Finos (≥ 50% pasa 0.075 mm)

Tipo de Suelos

Símbolo Límite

Líquido (wl) Índice de Plasticidad (IP)

Limos Inorgánicos

ML < 50 < 0.73 (wl - 20) ó < 4

MH > 50 < 0.73 (wl - 20)

Arcillas Inorgánicas

CL < 50 > 0.73 (wl - 20) ó > 7

CH > 50 > 0.73 (wl - 20)

Limos o Arcillas

Orgánicos

OL < 50 wl seco al horno ≤ 75 %

del wl seco al aire ** OH > 50

Altamente Orgánicos

P1 Materia orgánica fibrosa se carboniza,

se quema o se pone incandescente.

Si IP Ξ 0.73 (wl -20) ó si IP entre 4 y 7 E IP > 0.73 (wl -20), usar símbolo doble CL - ML, CH -OH.

** Si tiene olor orgánico debe determinarse adicionalmente wl seco al horno.

En casos dudosos favorecer clasificación más plástica Ej: CH - MH en vez de CL – ML

Si wl = 50; CL -CH ó ML - MH.

Tabla 3. Sistema de Clasificación finos, USCS, Norma ASTM D 2487.

SISTEMA DE CLASIFICACIÓN USCS PARA SUELOS GRUESOS

Gruesos ( < 50% pasa por 0.075 mm)

Tipo de Suelo

Símbolo % retenido 4.76 mm

% Pasa 0.075 mm

CU CC ** IP

Gravas

GW > 50 % de material

retenido en 0.075 mm

< 5

> 4 1 a 3

GP £ 6 < 1 ó >

3

GM > 12

< 0.73 (wl-20) ó < 4

GC > 0.73 (wl-20) ó > 7

Arenas

SW < 50 % de material

retenido en 0.075 mm

< 5

> 6 1 a 3

SP £ 6 < 1 ó >

3

SM > 12

< 0.73 (wl-20) ó < 4

SC > 0.73 (wl-20) ó > 7

* Entre 5 y 12 % usar símbolo doble como GW - GC, GP - GM, SW - SM, SP - SC.

** Si IP Ξ 0.73 (wl -20) ó si IP entre 4 y 7, E IP > 0.73 (wl - 20), usar símbolo doble: GM - GC, SM -SC.

En casos dudosos favorecer clasificación menos plástica Ej: GW - GM en vez de GW -GC.

Tabla4. Sistema de Clasificación gruesos, USCS. ASTM D 2487.

22

5.1.3 Propiedades relevantes de los suelos.

Denominaciones típicas de los grupos de suelos

Símbolo del grupo

PROPIEDADES MAS IMPORTANTES DEL SUELO

Permeabilidad en estado compactado

Resistencia al corte en estado compacto

Comprensibilidad en estado compacto

facilidad de tratamiento de obra

Gravas bien gradadas, mezclas de grava y arenas con pocos finos o sin ellos

GW Permeable Excelente Despreciable Excelente

Gravas mal gradadas. Mezclas de arena y grava con pocos finos o sin ellos.

GP Muy permeable Buena Despreciable Buena

Gravas limosas mal gradadas, mezclas de gravas, arenas y limo.

GM Semipermeable a

impermeable Buena Despreciable Buena

Gravas arcillosas, mezclas mal gradadas de gravas, arena y arcilla.

GS Impermeable Buena a regular Muy baja Buena

Arenas bien gradadas, arenas con grava con pocos finos y sin ellos.

SW Permeable Excelente Despreciable Excelente

Arenas mal gradadas, arenas con grava con pocos finos y sin ellos.

SP Permeable Buena Muy baja Regular

Arenas limosas, mezclas de arena y limo mal gradadas.

SM Semipermeable a

impermeable Buena Baja Regular

Arenas arcillosas, mezclas de arena y arcilla mal gradadas.

SC Impermeable Buena a regular Baja Buena

Limos inorgánicos y arenas muy finas polvo de roca, arenas finas arcillosas o limosas con ligera plasticidad.

ML Semipermeable a

impermeable Regular Media Regular

Arcillas inorgánicas de baja a media plasticidad, arcillas con grava, arcillas arenosas, arcillas limosas, arcillas magras.

CL Impermeable Regular Media Buena a regular

Limos orgánicos y arcillas limosas orgánicas de baja plasticidad.

OL Semipermeable a

impermeable Deficiente Media Regular

Limos inorgánicos, suelos finos arenosos o limosos con mica o diatomeas, limos elásticos.

MH Semipermeable a

impermeable Regular a deficiente Elevada Deficiente

Arcillas inorgánicas de elevada plasticidad, arcillas grasas.

CH Impermeable Deficiente Elevada Deficiente

Arcillas orgánicas de plasticidad media alta.

OH Impermeable Deficiente Elevada Deficiente

Turba y otros suelos inorgánicos.

Pt X X X X

Tabla 5. Propiedades típicas de los suelos, USCS, norma ASTM D 2487.

Fuente: Mecánica de Suelos. William Lambe –Robert V. Whitman, Pag 49.

23

5.1.4 Clasificación de los suelos según su plasticidad.

Propiedad intrínseca de un suelo fino, el cual es capaz de soportar

deformaciones rápidas, sin rebote elástico, sin variación volumétrica apreciable

y sin desmoronarse ni agrietarse.

La plasticidad no es una propiedad permanente de las arcillas, depende de su

contenido de agua, pasando gradualmente del estado sólido al estado plástico

y finalmente al estado líquido. El contenido de agua con que se produce al

cambio a cada estado varía de un suelo a otro.

5.1.4.1 Límites de Atterberg.

Para medir la plasticidad de las arcillas se han desarrollado varios criterios, de

los cuales los límites de humedad o límites de Atterberg son los más utilizados,

y se usan en la identificación y clasificación de un suelo tal como se muestra en

la figura 1 y 2.

Según su contenido de agua en orden decreciente un suelo puede encontrarse

en los siguientes estados de consistencia:

1.- Estado líquido, con las propiedades y apariencias de una suspensión.

2.- Estado Plástico, en que el suelo se comporta plásticamente.

3.- Estado semisólido, en el que el suelo tiene la apariencia de un sólido, pero

aún disminuye de volumen al estar sujeto a secado.

4.- Estado sólido, el volumen del suelo no varía con el secado.7

Figura 1. Límites de Atterberg. Fuente: Mecánica de suelos. Margarita

Polanco de Hurtado. Universidad del Cauca. Pag 76.

______________ 7LAMBE, T. William. MECANICA DE SUELOS: Suelos con agua-Régimen estático o flujo establecido. 2 ed.

México: Editorial Limusa S.A, 1996. 323p

24

Figura 2. Carta de Plasticidad para Suelos. Mecánica de suelos, Juárez Badillo. Tomo I. Editorial Limusa. Pag 152.

5.2. Compactación de Suelos.8

La compactación es un procedimiento importante que se realiza con el fin de

aplicar energía al suelo para eliminar espacios vacíos y disminuir la capacidad

de deformación, de esta manera, se aumentan su capacidad de soporte,

densidad, resistencia, peso específico seco y estabilidad entre otras

propiedades.

Por tanto es un proceso artificial, donde se obliga a las partículas a estar en

contacto unas sobre las otras, mediante una reducción del índice de vacíos, de

forma mecánica, para mejorar sus propiedades ingenieriles.

En la compactación el agua juega un papel importante, especialmente en

suelos finos. Existe un contenido de humedad óptima para suelos finos, en el

que el proceso de compactación dará un peso máximo de suelo por unidad de

volumen, es decir un peso específico seco máximo.

______________

8 JUAREZ BADILLO, Eulalio – RICO RODRIGUEZ, Alfonso. Fundamentos de la Mecánica de Suelos, Tomo I. Editorial

Limusa S.A. Grupo Noriega Editores. Tercera edición. 1992. Pag 575-576.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Ind

ice

de

Pla

stic

idad

Límite Líquido

Carta de Plasticidad

ML

CL

OL

CH

OH

MH CL - ML

25

Para bajos contenidos de humedad, el agua está en forma capilar produciendo

compresiones entre las partículas constituyentes del suelo, lo cual tiende a la

formación de grumos desintegrables que dificultan la compactación.

Figura 3. Curva de Compactación. Fuente: Eulalio Juárez Badillo-Alfonso

Rico Rodríguez, Mecánica de Suelos, Tomo I, III Ed. Pag 579.

El aumento del contenido de humedad hace disminuir la tensión capilar en

agua, haciendo que la misma energía de compactación produzca mejores

resultados. Si hay presencia importante de agua en los vacíos, esto dificulta el

desplazamiento de las partículas del suelo produciendo disminución de la

eficiencia de la compactación.9

La compactación consiste en un proceso repetitivo, cuyo objetivo es conseguir

una densidad específica para una relación óptima de agua, al fin de garantizar

las características mecánicas necesarias del suelo.

_________________________

9TERZAGUI. Karl. MECANICA DE SUELOS. 2 ed. Caracas, Venezuela, Editorial El Ateneo, 1986.

Peso

Esp

ecif

ico

Alc

an

za

do

Humedad de Moldeo

Elevada Energía de Compactación.

Pequeña Energía de Compactación.

dmax

Wop

dmax

Wop

26

En primer lugar se lanza sobre el suelo natural existente, generalmente en

camadas sucesivas, un terreno con granulometría adecuada; a seguir se

modifica su humedad por medio de aeración o de adición de agua y,

finalmente, se le transmite energía de compactación por el medio de golpes o

de presión. Para esto se utilizan diversos tipos de máquinas, generalmente

rodillos lisos, neumáticos, pie de cabra, vibratorios, etc., en función del tipo de

suelo y, muchas veces, de su accesibilidad.

La eficiencia de cualquier equipo de compactación depende de varios factores

y para analizar la influencia particular de cada uno, se requiere procesos

estandarizados de laboratorio.10

Los beneficios que se obtienen con este proceso son:

Aumenta la capacidad de soporte de carga.

Impide el hundimiento del suelo.

Reduce el escurrimiento de agua.

Reduce el esponjamiento y contracción del suelo.

Impide los daños de las heladas.

5.2.1 Ensayo Proctor Modificado.11

Ralph. R. Proctor encontró que aplicando a un suelo una cierta energía para

compactarlo, el peso unitario obtenido varía con el contenido de agua según

una curva como la de la Figura.5, en la cual se puede observar que existe un

contenido de agua con el cual se obtiene el peso unitario máximo del suelo

seco a esa energía de compactación.

A la abscisa y ordenada de ese punto máximo les denominó contenido óptimo

de agua, w0 y peso unitario máximo del suelo seco γdmáx, respectivamente.

____________ 10

I.N.V. E – 142 – 07, Relaciones de Humedad – Masa Seca en los Suelos, ESPECIFICACIONES

GENERALES DE CONSTRUCCIÖN DE CARRETERAS Y NORMAS DE ENSAYO PARA MATERIALES

DE CARRETERAS, Instituto Nacional de Vías (INVIAS), [consultado 29 agos 2012].

27

Figura 4. Curva de Compactación para Proctor. Crespo Villalaz Carlos,

Mecánica de suelos y Cimentaciones, 5 Ed, Pag 100.

Este ensayo se emplea para determinar la relación entre la humedad y el peso

unitario de los suelos compactados. Para esta prueba se usa el mismo cilindro

Proctor, con la condición de que no tengan excesivo porcentaje de finos, pues

la prueba Proctor está limitada a los suelos que pasen totalmente por la malla

No 4, o que tengan un retenido máximo del 10 % en esta malla, pero que pase

(dicho retenido) totalmente por la malla 3/8”. Cuando el material tenga retenido

en la malla 3/8” deberá determinarse la humedad óptima y el peso volumétrico

seco máximo con la prueba de Proctor estándar.

El ensayo consiste en compactar una porción de suelo en un cilindro con

volumen conocido, haciéndose variar la humedad para obtener el punto de

compactación máxima en el cual se obtiene la humedad óptima de

compactación. El ensayo puede ser realizado en tres niveles de energía de

compactación, conforme las especificaciones de la obra: normal, intermedia y

modificada. El material se compacta en 5 capas con un martillo de 4.5 kg y

cayendo de una altura de 46 cm proporcionando 56 golpes por capa.

_______________

11 BOWLES, Joseph E. 1980. Manual de Laboratorio de Suelos de Ingeniería Civil. Bogotá, Colombia.

Editorial Mc GRAW-HILL LATINOAMERICA, Pag 80-86

PES

O U

NIT

AR

IO D

EL S

UEL

O S

ECO

(g

r/cm

3)

CONTENIDO DE AGUA (%)

Peso unitario máximo del

suelo seco, gdmax.

Curva de saturación

teorica para gs= 2.65 gr/cm3

Contenido óptimo de agua, Wo.

28

5.3. Resistencia al Esfuerzo Cortante de los Suelos.

Llamamos rozamiento a la fuerza que tiende a oponerse al deslizamiento de un

sólido sobre otro. Esta fuerza es máxima al momento de iniciarse el

movimiento, para disminuir una vez iniciado.

Si la presión aplicada a la superficie de contacto entre los dos cuerpos es nula,

el rozamiento es pequeño, y se llama “rozamiento bajo presión nula”. Es debido

a la adhesión entre los dos cuerpos, fenómeno distinto del que se produce

cuando existe una presión importante de las superficies entre sí.

Cuando se habla de rozamiento, se entiende que es el aumento experimentado

en la fuerza que se opone al movimiento, al producirse una presión entre las

superficies de contacto.12

Dentro de los límites, los suelos se comportan bajo la acción de las cargas

Como materiales elásticos, aunque en algunos casos se producen

deformaciones mayores que las normales, teniéndose que recurrir entonces a

los cálculos que tengan en cuenta la plasticidad del suelo.

Una muestra de suelo sometida a un esfuerzo de corte tiende a producir un

desplazamiento de las partículas entre sí o de una parte de la masa del suelo

con respecto al resto del mismo.13

El rozamiento así definido es proporcional a la presión (Ley de Coulomb). Para

presiones muy bajas, esta proporcionalidad es poco aproximada, pero se

admite.

La resistencia al corte del suelo se da por la ecuación de Coulomb:

c + Pi * (tanEcua. 1.

_______________

12JIMENEZ SALAS. José A. MECANICA DEL SUELOS Y SUS APLICACIONES A LA INGENIERIA.

Madrid, España, Editorial DOSSAT, 1954.

29

Dónde:

= Resistencia al corte del suelo, en Kg/cm2.

c = Cohesión del suelo, en kg/cm2.

Pi = presión intergranular, en Kg/cm2.

= Ángulo de fricción interna del suelo, constante.

En general, los suelos poseen al mismo tiempo cohesión y fricción interna.

5.3.1 Determinación del Esfuerzo de Corte.

La cohesión de un suelo y su ángulo de fricción interna, componentes del

esfuerzo de corte del mismo, pueden obtenerse de diferentes maneras, entre

estas se encuentra el ensayo de corte directo ideado por Arthur Casagrande.

5.3.2 Ensayo de Corte Directo.

La forma más antigua de prueba de corte sobre un suelo es la de corte directo,

utilizada primeramente por coulomb en 1776, pero el aparato empleado en esta

prueba es el ideado por Casagrande.

El ensayo de corte directo es adecuado para determinar de forma rápida las

propiedades de resistencia de los materiales drenados y consolidados. Debido

a que las trayectorias de drenaje a través de las muestras son cortas, y permite

que el exceso de presión en los poros sea disipado más rápido que en otros

ensayos drenados, el ensayo se aplica para todo tipo de suelos inalterados,

remoldeados y compactados, pero hay una limitación para el tamaño máximo

de partículas presentes en la muestra.14 En la Figura 6 máquina de corte

directo.

____________________

13ING CRESPO VILLALAZ. Carlos. MECANICA DE SUELOS Y CIMENTACIONES, 5 ed. Monterrey,

México, Limusa, NORIEGA Editores, (1976.- 1980).

30

Figura 5. Equipo Corte Directo. Fuente: propia.

Se usa el aparato de corte directo, siendo el más típico una caja de sección

cuadrada o circular dividida horizontalmente en dos mitades. Dentro de ella se

coloca la muestra de suelo con piedras porosas en ambos extremos, se aplica

una carga vertical de confinamiento (Pv) y luego una carga horizontal (PH)

creciente que origina el desplazamiento de la mitad móvil de la caja originando

el corte de la muestra. 15 en la Figura 7 se puede apreciar el aparato de corte

directo.

____________________ 14

I.N.V. E – 154 – 07, Determinación de la resistencia al corte, método de corte directo, ESPECIFICACIONES GENERALES DE CONSTRUCCIÖN DE CARRETERAS Y NORMAS DE ENSAYO PARA MATERIALES DE CARRETERAS, Instituto Nacional de Vías (INVIAS), [consultado 22 agos 2012].

31

Figura 6. Esquema del aparato de Corte Directo, Geotecnia LNV, 1993.

Entonces el aparato de corte directo consta de una semicaja inferior y otra

superior, móviles una respecto de la otra, entre las que se coloca la muestra de

suelo, la cual evita el contacto de las dos semicajas.

Las semicajas están provistas de unas chapas dentadas para asegurar una

buena adherencia con la muestra.

La semicaja superior consta de un marco y de una tapadera que actúa de

pistón para aplicar fuerzas verticales mediante pesos colocados en el aparato.

La disposición de comparadores entre el pistón y el marco permiten medir las

variaciones de altura. En la Figura 8 se puede apreciar el aparato de corte

directo.

En el ensayo se comienza por aplicar una carga vertical de compresión (P),

leyéndose las deformaciones verticales con el cuadrante correspondiente.

______________

15ING CRESPO VILLALAZ. Carlos. MECANICA DE SUELOS Y CIMENTACIONES, 5 ed. Monterrey,

México, Limusa, NORIEGA Editores, (1976.- 1980).

32

A continuación, se introducen esfuerzos horizontales (Q), según el plano de

separación de las dos armaduras, que debe coincidir sensiblemente con el

plano horizontal, y se anotan las deformaciones horizontales producidas.

Puesto que la muestra rompe por el plano horizontal, las tensiones en dicho

plano proporcionan un punto de la curva de resistencia.16

Figura 7. Aparato Corte Directo, Fuente: Propia.

Un ensayo de corte directo consta de tres (3) especímenes que contienen la

muestra densa (compactada con ensayo Proctor modificado), se aplica un

esfuerzo a cada probeta, así: primera 0.5 Kg/cm2, segunda 1.0 Kg/cm2, y

tercera 2.0 Kg/cm2, obteniendo varios puntos de rotura, sobre los que se ajusta

una recta cuya pendiente y ordenada en el origen representan el ángulo de

rozamiento.

____________________ 16

ENSAYO DE CORTE DIRECTO PARA UNA ARENA DENSA Y SUELTA. [En Línea]. [Consultado 25agos. 2012]. Disponible en <http://www.upct.es/~orientap/caminos/corte.pdf>.

33

5.4. Determinación de la Resistencia al Suelo Mediante Ensayo C.B.R.

La capacidad de soporte del suelo, comúnmente conocida como C.B.R.

(California Bearing Ratio), es una prueba que mide la resistencia al corte

(esfuerzo cortante) de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad

controladas.

Se aplica para la evaluación de la calidad relativa de suelos de sub rasante,

algunos materiales de sub bases y bases granulares, que contengan solamente

una pequeña cantidad de material que pasa por el tamiz de 50 mm, y que es

retenido en el tamiz de 20 mm. Se recomienda que la fracción no exceda del

20%, Este ensayo puede realizarse tanto en laboratorio como en terreno.

El C.B.R. se obtiene como un porcentaje del esfuerzo requerido para hacer

penetrar un pistón a una profundidad de 0.1 pulgadas en una muestra de suelo

y el esfuerzo requerido para hacer penetrar el mismo pistón, la misma

profundidad de 0.1 pulgadas, en una muestra patrón de muestra triturada.17

5.4.1 Condiciones del Ensayo.

La relación de soporte del suelo se puede ver afectada por causas naturales o

mecánicas, en el momento de manipulación de las especímenes, es importante

conocer que sus propiedades físicas pueden variar según el control que se

brinde en el ensayo.

____________________ 17

TUPIA, Carlos y ALVA, Jorge, EVALUACION DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE DEL TERRENO POR MEDIO DE UN EQUIPO DE PENETRACIÓN DINAMICA. XI Congreso Ibero-Latinoamericano del Asfalto, Nov. 2001.

34

El criterio para la preparación de especímenes de prueba de materiales auto

cementantes (y otros), los cuales ganan resistencia con el tiempo, se debe

basar en una evaluación de ingeniería geotécnica.

El material Debe curarse apropiadamente hasta que se pueda medir relaciones

de soporte representativas de las condiciones de servicio a largo plazo, de

acuerdo con el criterio del Ingeniero.18

La relación C.B.R. generalmente se determina para 0.1” y 0.2” de penetración,

o sea para un esfuerzo de 1000 y 1500 libras de pulgada cuadrada. Con el fin

de duplicar en el laboratorio la condición más critica que se presenta en el

terreno, las muestras para el ensayo C.B.R. se sumergen en agua hasta

obtener su saturación.

Estos ensayos se pueden efectuar también sobre muestras inalteradas

obtenidas en el terreno y sobre suelos in situ.

5.4.2 Ensayo C.B.R. sobre Muestras Compactadas en laboratorio.

El equipo a utilizar para realizar el ensayo es el siguiente:

Prensa - Debe tener una capacidad suficiente para penetrar el pistón en

el espécimen a una velocidad de 1.27 mm/min (0.05”/min) y hasta una

profundidad de 12.7 mm (0.5”). Figura 9.

Moldes – De metal, cilíndricos, provisto con su collarín y placa base.

____________________ 18

I.N.V. E – 148 – 07, Relación de Soporte del Suelo en el Laboratorio, ESPECIFICACIONES GENERALES DE CONSTRUCCIÖN DE CARRETERAS Y NORMAS DE ENSAYO PARA MATERIALES DE CARRETERAS, Instituto Nacional de Vías (INVIAS), [consultado 23 agos 2012].

35

Disco Espaciador o Falso Fondo – De forma circular, metálica, se inserta

como fondo falso en el molde metálico para compactar.

Martillo de Compactación (pisón) – 10 libras de peso y 18” de caída.

Aparato Medidor de Expansión – Un trípode cuyas patas puedan

apoyarse en el borde del molde, que lleve sujeto en el centro un dial

(Defomímetros), cuyo vástago coincida con el de la placa.

Sobrecargas metálicas – Se utilizan Dos (2) de cinco (5) libras de peso

cada una.

Defomímetros– Dos (2) diales, se acoplan en la prensa para medir la

penetración del pistón en la muestra.

Papel Filtro– se coloca antes de compactar, uno en el falso fondo y otro

en la parte superior de la muestra ya compactada.

Balanza– Una de veinte (20) Kg de capacidad y otra de 1000 gr para

llevar al horno.

Horno– Termostáticamente controlado.

Tanque – Con capacidad suficiente para la inmersión de los moldes en

agua.

36

Figura 8. Equipo para Determinar C.B.R,. Fuente: Pinzuar.

5.4.3 Métodos de Ensayo de Laboratorio.

Existen tres métodos para las muestras de laboratorio, según el tipo de suelo:

Método I – Para suelos con gravas, arenas o suelos con cohesión baja o

nula.

Método II – Para suelos con plasticidad baja o media, que no posean

expansivos.

Método III: Para suelos expansivos.19

5.4.4 Método I para C.B.R.20 Debe haberse determinado la densidad máxima y la humedad óptima de suelo

mediante el ensayo de Proctor Modificado. La muestra mínima para llevar a

cabo un ensayo de Proctor Modificado es de 35 kg de material. Si la muestra

está excesivamente húmeda, se dejará secar al aire, o en estufa, a temperatura

inferior a 60ºC.

___________________

19 BONILLA GALLO, Elkin Yebrail y OCHOA OSORIO, Carlos Andrés. Correlación entre el ángulo de fricción interna y

CBR tipo 1 para arenas arcillosas (SC): UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA 2010.

37

Se pasa la muestra por el tamiz ¾” (20 mm) y se determina el porcentaje de

masa retenida. Si éste es superior al 10%, se sustituye la parte retenida por

material de tamaño de entre 20 y 5 mm (tamiz Nº 4, preferiblemente). En el

caso de que la fracción de material retenida por el tamiz de ¾” (20 mm) supere

el 30% de la muestra o existan partículas de tamaño superior a 50 mm (tamiz

de 2”), el ensayo no es adecuado para este tipo de suelo.

Una vez preparada la muestra y determinada su humedad, se aplica la

cantidad de agua necesaria hasta llegar a la óptima. En un molde de

dimensiones normalizadas, se introduce la muestra de suelo en cinco capas del

mismo espesor, compactándose cada una de ellas con 56 golpes con el

martillo de compactación de 10 libras (4,535 kg) de peso, que cae libremente a

una altura de 18” (457.2 mm).Se repite el proceso con otros dos moldes

compactándolos con 25 y 12 golpes respectivamente para cada una de las

cinco capas.

Enrasados los moldes, una vez ya girados y extraída la base, se coloca,

encima de la probeta, una sobrecarga anular de 2,25 kg y se lleva el conjunto a

la prensa.

La prensa se compone de un pistón metálico de 49,6 mm de diámetro y un

sistema de medida de deformación. Se aplica la carga sobre el pistón a una

velocidad de penetración uniforme de 1,2 mm/min. Se anotan las lecturas de

carga correspondientes a los valores de penetración en pulgadas: 0.005,0.025,

0.050, 0,075, 0,100, 0,150, 0.200, 0.250, 0.300, 0.400, 0.500.

Una vez acabada la operación, se retira el molde de la prensa, se desmonta y

se extrae, de la zona próxima a la penetración, se toma una muestra pequeña

para determinar la humedad final del suelo fallado.

Finalmente se procesan los datos y se representan las densidades secas en el

eje de las ordenadas y sus respectivos índices C.B.R, en el de las abscisas.

____________________ 20

I.N.V. E – 148 – 07, Relación de Soporte del Suelo en el Laboratorio, ESPECIFICACIONES GENERALES DE CONSTRUCCIÖN DE CARRETERAS Y NORMAS DE ENSAYO PARA MATERIALES DE CARRETERAS, Instituto Nacional de Vías (INVIAS), [consultado 23 agos 2012].

38

6. RESULTADOS OBTENIDOS.

En este capítulo se incluyen los resultados promedio obtenidos a partir de los

ensayos realizados, para lo cual se muestran ciertas gráficas que indican el

comportamiento de los diferentes especímenes de las pruebas.

De igual forma, se presenta para cada caso la descripción de cómo se llevó a

cabo el ensayo, y si es necesario los requisitos que deben satisfacer cada uno

de los materiales involucrados, de manera que se puedan fundamentar las

conclusiones finales de esta investigación.

6.1. ANALISIS GRANULOMETRICO PARA LAS MUESTRAS.

Las muestras de suelo se tomaron del Rio Magdalena sector el arenal del

Municipio de Barrancabermeja. El material seleccionado se llevó al laboratorio

y se dividió en cuatro partes de las cuales se tomaron tres y con cada una de

ellas se realizó una prueba.

Inicialmente se dejaron secar las muestras 24 horas, para al día siguiente

realizar el lavado del suelo por el tamiz No 200 y posteriormente estando seco,

realizar el cribado y finalmente clasificarlo según El Sistema Unificado de

Clasificación de Suelos (USCS).

De acuerdo, con los ensayos de granulometría por tamizado con lavado por el

tamiz Nº 200, realizados en el laboratorio, se obtuvo la siguiente información:

Muestra 1. Muestra 2. Muestra 3. PROMEDIO

% Gravas. 6,46 1,07 1,13 2,89

% Arenas. 89,48 95,59 96,36 93,81

% Finos 4,06 3,34 2,51 3,30

Tabla 6. Datos granulometría para tipo de suelo seleccionado.

39

Figura 9. Curvas Granulométricas de tipo de Suelo Estudiado.

En la tabla 6, se presentan los resultados obtenidos para la prueba de

granulometría, o sea, los porcentajes de gravas, arenas y finos de las tres

muestras con las que se determinó el tipo de suelo, dando como resultado, que

el mayor porcentaje retenido se encuentra en las arenas. La figura 10 muestra

las curvas granulométricas obtenidas de los tres ensayos, lo cual permite dar

una visión objetiva de la distribución de tamaños de la granulometría de la

arena utilizada para realizar los ensayos de Corte directo y C.B.R.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,010,1110

% P

asa

Diametro particula (mm)

Granulometría por Mallas

Muestra 1

Muestra 2

Muestra 3

40

6.2. LIMITES DE PLASTICIDAD.

Los límites de Atterberg para el material estudiado (Arena mal gradada), no se

requieren por el tipo de suelo, y porque el porcentaje de finos es inferior al 5%,

por tanto no hay plasticidad, ni cohesión.

6.3. PROCTOR MODIFICADO (ENSAYO DE COMPACTACIÓN).

Una vez realizada la clasificación granulométrica de la cual se obtuvo una

arena mal gradada (SP), se tamizaron aproximadamente 15 kilos del material

seleccionado, pasándolo por el tamiz Nº 4, descartando el material grueso

retenido sobre dicho tamiz, luego se realizaron tres (3) ensayos de Proctor

modificado, variando el contenido de humedad del suelo, obteniendo un primer

punto de humedad baja, un segundo punto de humedad alta y un tercer punto

con una humedad cercana a la óptima. Finalmente se determinó la humedad

óptima y densidad seca máxima de compactación del suelo.

Los resultados obtenidos en estas las pruebas son los siguientes:

Muestra Nº Humedad óptima (%) Densidad Máxima (gr/cm3)

1 9,00 2,00

2 9,10 1,99

3 9,00 2,091

Promedio 9,00 2,00

Tabla 7. Humedad Óptima y Densidad Máxima de suelo seleccionado

En la tabla 7 se puede observar que la Wopt promedio es de 9.5% y el gd max

es de 2.02 gr/cm3

41

6.4. ENSAYO DE CORTE DIRECTO.

Una vez determinada la humedad óptima con el ensayo de compactación

proctor modificado, se realizaron 15 ensayos de corte directo con dicha

humedad, la cual fue de 9,0%, en total estos ensayos suman 45 especímenes

de acuerdo a la carga aplicada que iba desde 0.5, 1.0 y 2.0 Kg/cm2. Los

resultados se muestran a continuación:

Ensayo Nº. Humedad (%) Densidad Húmeda

(gr /cm3) (°)

Densidad Seca (gr/cm

3)

1 36,93 1,9 41,7 1,39

2 9,32 1,844 38,5 1,69

3 8,83 1,84 40,5 1,69

4 8,96 1,86 37,3 1,71

5 9,38 1,78 38,2 1,63

6 8,93 1,93 37,3 1,77

7 9,19 1,83 39,0 1,68

8 9,12 1,95 38,0 1,79

9 9,06 1,98 37,4 1,82

10 9,06 1,97 38,1 1,81

11 8,93 1,93 37,9 1,77

12 8,98 1,84 38,3 1,69

13 8,92 1,86 38,5 1,71

14 9,09 1,86 38,1 1,71

15 9,04 1,86 38,5 1,71

Promedio. 9,07 1,88 38,49 1,70

Desv. Estándar. 7,20 0,06 1,18 0,10

Coef.Variación. 1,70 3,08 3,08 6,01

42

Tabla 8. Resultados Corte Directo con Humedad Optima de 9.0%*

En la tabla 8 se observan los coeficientes de variación hallados para cada

variable determinada en los ensayos, el rango generado por los datos se

encuentra entre 1.70% a 6,01%, lo cual es conveniente, porque muestra que

los datos obtenidos son confiables para esta investigación. Basándonos según

la ciencia estadística, los datos son muy homogéneos y prácticamente

perfectos, porque el coeficiente de variación se encuentra entre 0% a 11%.

Es importante resaltar que si el coeficiente de variación se excede del 16%, los

datos ya no son confiables, pues presentan mucha dispersión, en tal caso es

recomendable volver a repetir la muestra y si el coeficiente de variación no

supera el 16% no es necesario realizar más ensayos porque la distribución del

muestreo o frecuencia relativa tienden a estabilizarse, lo cual indica que la

distribución es normal. El Angulo de fricción promedio obtenido es de 38.49°,

este valor se comparara con el que se determine en el ensayo de C.B.R.

6.5. ENSAYO DE C.B.R (California Bearing Ratio).

Determinada la humedad óptima como un 9.0% y la densidad seca máxima de

2,0 gr/cm3 del ensayo de Proctor modificado, se procedió a realizar 15 ensayos

de C.B.R, que en total suman 45 especímenes los cuales están distribuidos

entre 56, 25,12 golpes por capa. Se aclara que el CBR en cada ensayo se

escogió con el 100% de la densidad seca máxima obtenida en el ensayo

Proctor modificado. A continuación los resultados:

En la tabla 9, se observa que el C.B.R. promedio es de 33.47%, para el caso

de este ensayo el rango de los coeficientes de variación se encuentra entre

1.48% a 6,75%, lo cual indica que los datos son confiables porque el

coeficiente de variación no es superior a 16%. Para el C.B.R. se determinó la

densidad seca de 12, 25, y 56 golpes para hacer una comparación entre estos

*Los cálculos y Gráficos detallados de cada ensayo se encuentran en el anexo E

43

con un Kn. el cuál es la relación entre el ángulo de fricción y el promedio de la

densidad seca.

Muestra Nº Humedad

(%) C.B.R.

(%)

gd 56 Golpes (gr/cm3)

gd 25 Golpes

(gr/cm3)

gd 12 Golpes

(gr/cm3)

1 9,33 35,20 1,98 1,93 1,86

2 8,91 31,00 2,01 1,95 1,9

3 9,02 31,00 2,07 1,91 1,8

4 8,95 31,30 2,16 1,99 1,82

5 8,93 32,10 2,24 1,93 1,73

6 9 32,10 2,14 1,82 1,62

7 9,36 30,40 2,32 1,92 1,71

8 9,13 36,30 2,05 1,76 1,61

9 8,99 34,80 2,11 1,76 1,62

10 8,94 38,10 2,25 1,74 1,69

11 9 30,40 2,16 1,76 1,58

12 8,99 30,80 2,06 1,76 1,58

13 9,01 32,10 2,11 1,82 1,58

14 9,03 38,10 2,18 1,7 1,64

15 9,02 38,40 2,09 1,76 1,54

Promedio 9,04 33,47 2,13 1,83 1,69

Des. Estándar. 0,13 3,03 0,09 0,09 0,11

Coef. Variación. 1,48 9,05 4,37 5,13 6,75

Tabla 9. Resultados C.B.R. para Humedad Optima de 9.0%.†

†Los cálculos y Gráficos detallados de cada ensayo se encuentran en el anexo D.

44

7. ANÁLISIS DE RESULTADOS.

A continuación se presenta el análisis de los resultados obtenidos en este

trabajo de grado.

7.1. Granulometría.

Primero se determinó el porcentaje de gravas, arenas y finos, luego se hallaron

los coeficientes de uniformidad y coeficiente de curvatura con el D60, D30 y

D10, obtenidos de la curva granulométrica. A continuación se muestran cada

una de las curvas granulométricas para las tres muestras que se tomaron para

la clasificación del suelo:

Figura 12. Granulometría por mallas, D60, D30 y D10 para muestra 1.

45

Figura 13. Granulometría por mallas, D60, D30 y D10 para muestra 2.

Figura 14. Granulometría por mallas, D60, D30 y D10 para muestra 3.

La figuras 12, 13 y 14, muestran las curvas granulométricas y la forma como

se obtuvieron los D60 D30 D10 para así hallar los coeficientes de curvatura y

coeficiente de uniformidad. La tabla 10 muestra los parámetros de gradación

obtenidos para las 3 muestras y su respectivo promedio para cada una de

estas.

46

%

Gravas. %

Arenas. %

Finos. D60 D30 D10 Cu Cc

Muestra 1. 8,38 88,63 2,99 0,22 0,55 0,8 3,54 1,72

Muestra 2. 9,2 87,46 3,34 0,22 0,47 1,1 5 0,91

Muestra 3. 9,68 87,02 3,3 0,2 0,48 1,24 6,2 0,93

PROMEDIO 9,09 87,70 3,21 0,21 0,50 1,05 4,91 1,19

TABLA 10. Análisis Granulométrico para Material Seleccionado.

Según el USCS, en el análisis granulométrico para determinar el tipo de suelo

se selecciona el que presente la mayor distribución de tamaño de partículas de

suelo.

Analizando los tres tipos de suelos, donde se halla el mayor porcentaje

promedio, es en las arenas, con un 87,70%.Por lo cual se establece que este

es el tipo de suelo para esta investigación.

Posteriormente se determina la gradación para arenas, en la cual el coeficiente

de uniformidad, debe ser mayor a 6 y el coeficiente de curvatura debe estar en

el rango de 1 a 3.Sino se encuentra en estos rangos se dice que presenta una

mala gradación.

Para las muestras de este estudio, se hallaron los coeficientes anteriormente

mencionados, el promedio calculado fue de 4.91 y 1.19, respectivamente. Se

comprueba de este modo que finalmente el tipo de suelo es una arena mal

gradada (SP).

7.2. Proctor Modificado

47

Una vez terminados los ensayos de proctor modificado, se hallaron el peso

específico seco y la humedad para cada uno de los especímenes, estos datos

se graficaron para obtener la densidad seca máxima y la humedad optima del

suelo. A continuación se muestran las tres curvas de compactación.

FIGURA 15. Curvas Peso Específico Seco y humedad Óptima Promedio de

Ensayo de Proctor Modificado.

La figura 15, muestra las humedades y pesos específicos secos de los tres

ensayos que se realizaron, para cada curva se halló una línea de tendencia

polinómica en la cual se puede apreciar que el ajuste de los datos a la

tendencia es bueno, con un R2 de 1.

Se observa que la humedad optima de cada uno de los ensayos varía entre

8,9% y 9.1%, y la densidad seca máxima entre 1,99/cm3 y 2.01gr/cm3. En

promedio se halló que la densidad máxima seca es de 2.0 gr/cm3 y la humedad

óptima es de 9.0 %.

1,81

1,83

1,85

1,87

1,89

1,91

1,93

1,95

1,97

1,99

2,01

2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00

De

nsi

dad

Se

ca (

gr/c

m3)

Humedad (%)

48

Los datos anteriormente obtenidos fueron los parámetros utilizados para

realizar los ensayos de comparación de la resistencia la corte en este proyecto

de grado, los cuales fueron Corte directo y C.B.R tipo I.

7.3. Análisis de tendencias.

Una vez obtenidos los resultados de los ensayos de corte directo y CBR tipo 1,

estos se analizaron con el fin de encontrar tendencias existentes entre las

diferentes propiedades físicas de los ensayos.

Las tendencias analizadas fueron los siguientes:

Ángulo de fricción interna ( y CBR (%).

Coeficiente (Kn) vs Densidad seca (gr/cm3).

Coeficiente (Kn) vs N° de golpes.

7.4. Ángulo de fricción interna ( y CBR (%).

Se determinó la relación entre el ángulo de fricción interna y el C.B.R, con el fin

de hallar un coeficiente (KCBR) que servirá para conocer el valor del ángulo de

fricción interna, solo con realizar el ensayo de C.B.R.

La ecuación planteada es =KCBR*CBR, en donde es el promedio del ángulo de

fricción interna obtenido de los ensayos de corte directo. El CBR tomado es el

49

promedio de los ensayos obtenidos de este; KCBR será la relación entre el

ángulo de fricción (y CBR.

El coeficiente (KCBR) calculado es de 1.15 el cual se halló con los datos de los

ensayos realizados que fueron: ángulo de fricción interna = 38.49°; CBR =

33,47%.

El objetivo de hallar el coeficiente es que en el momento de realizar un ensayo

de CBR solo basta multiplicarlo por el coeficiente (KCBR) y así obtener el ángulo

de fricción interna () por lo cual no sería necesario de realizar el ensayo de

corte directo*, pues debido a que el material tratado es una arena mal gradada

la cual no tiene cohesión, la realización de este ensayo puede ser dispendiosa

a la hora de desencofrar las muestras sobre la caja del aparato de corte

directo.

7.5. Coeficiente (Kn) Vs Densidad Seca.

El objetivo de hallar el valor de Kn, es hallar el ángulo de fricción interna de la

arena (SP) en función de la densidad de la misma.

Para el análisis de esta tendencia tomamos como un referente la fórmula:

*La ecuación solo es válida para arenas mal gradadas (SP) con una humedad óptima entre el 8,5% y 9,5% y un peso específico seco máximo cercano a 2,0 gr/cm

3.

50

Siendo es el promedio del ángulo de fricción obtenido de los ensayos de

corte directo, n el número de golpes por capa de los CBR (12. 25, 56 golpes),

gd como el promedio de la densidad seca para cada número de golpes y Kn es

la relación entre el ángulo de fricción y el promedio de la densidad seca.

= K12*gd12

= 38,49

Donde gd12(gr/cm3)= 1,69

K12 =( / gd12)

K12 (cm3/gr)= 22,84

= K25*gd25

= 38,49

Donde gd25(gr/cm3)= 1,83

K25 =(/gd25)

K25 (cm3/gr)= 20,99

= K56*gd56

= 38,49

Donde gd56(gr/cm3)= 2,13

K56 =(/gd56)

K56 (cm3/gr)= 18,08

Tabla 11. Coeficiente (K) y Número de golpes.

La tabla 11 muestra cada uno de los valores que se calcularon de los

coeficientes (Kn) respecto a las densidades secas de los datos de CBR para

cada uno de sus golpes por capa (12. 25. 56).

51

Figura 16. Coeficiente (Kn) vs Densidad seca.

La figura 16 muestra la variación del coeficiente Kn vs la densidad seca para los

Números de golpes por capa de los ensayos CBR, el cual genera una ecuación

de tendencia lineal y = -287,41x2+1129,9x-1084,5 la cual se adapta a las

variables estudiadas.

7.6. Coeficiente (Kn) vs Número de golpes.

La figura 17 muestra la variación del coeficiente Kn, tomado de la tabla No 11

con el número de golpes por capas de la prueba C.B.R.

y = -287,41x2 + 1129,9x - 1084,5 R² = 1

0

5

10

15

20

25

30

1,75 1,8 1,85 1,9 1,95 2 2,05 2,1

Kn

Densida Seca (gr/cm3)

Kn vs Densidad Seca

52

Figura 17. Coeficiente (Kn) vs Nº de Golpes.

La importancia de la figura 17 radica en que se puede obtener el coeficiente Kn

con un número de golpes por capa bajo (por ejemplo 12). Una vez obtenido el

valor de Kn, este se multiplica por la densidad de la arena compactada por el

número de golpes por capa escogido y de esta forma se obtiene un valor

aproximado del ángulo de fricción interna de la arena mal gradada (SP).

y = -3,096ln(x) + 30,677 R² = 0,99

18

18,5

19

19,5

20

20,5

21

21,5

22

22,5

23

0 10 20 30 40 50 60

K

Nº Golpes

K vs Nº Golpes

53

8. CONCLUSIONES.

Al material escogido se le realizaron tres (3) pruebas de granulometría

por tamizado, con lavado por la malla # 200 y se encontró que según el

Sistema Unificado de Clasificación del suelo (USCS), el nombre del suelo

corresponde a una arena mal gradada (SP).

Una vez clasificado el suelo, se realizaron tres (3) pruebas de

compactación tipo Proctor modificado para determinar la densidad máxima

seca y la humedad óptima. corte, las Según estos ensayos, los valores de la

densidad seca máxima y la humedad óptima fueron de 2.0 gr/cm3 y 9.0%,

respectivamente.

Conocidos el peso específico seco máximo y la humedad óptima de la

arena mal gradada estudiada se realizaron quince (15) ensayos de corte

directo sobre probetas compactadas con la humedad óptima, obteniendo un

ángulo de fricción interna promedio de 38,49º, la humedad optima promedio de

9.0%, densidad húmeda promedio de 1.88 gr/cm3 y densidad seca promedio

1.73 gr/cm3 y una cohesión nula. La cohesión se despreció, porque las arenas

mal gradadas no poseen cohesión, aunque arrojaba valores muy pequeños,

dando en promedio 0.035 kg/cm2.

Además de los ensayos de corte directo, se realizaron quince (15)

pruebas de C.B.R. tipo I, para obtener la relación de soporte de california, la

cual fue de 33,47 %, la humedad optima promedio fue de 9.04% y la densidad

seca promedio para 56, 25 y 12 golpes fue de 2.13 gr/cm3, 1.83 gr/cm3 y 1.69

gr/cm3 respectivamente.

54

Para las arenas mal gradadas estudiadas se obtuvo una relación entre el

ángulo de fricción interna () y el CBR (%) por medio de un coeficiente KCBR

con la ecuación No 4.

El valor obtenido en este trabajo de dicho coeficiente KCBR fue de 1.15 el cual

servirá para la obtener del ángulo de fricción interna con solo multiplicarlo por el

valor del CBR.

También se obtuvo un coeficiente Kn, que relaciona el ángulo de fricción

interna del material con el peso específico seco obtenido para el número de

golpes por capa determinado. La relación obtenida es la siguiente:

Cada una de las ecuaciones obtenidas son válidas únicamente para las

arenas mal gradadas (SP) estudiadas con una humedad óptima entre el 8,5% y

9,5% y un peso específico seco máximo cercano a 2 gr/cm3.

A parte de obtener una relación directa entre el ángulo de fricción interna

y el valor de C.B.R, también se obtuvo una forma de calcular el valor de dicho

ángulo en función del número de golpes por capa y la densidad

correspondiente a dicho número de golpes. la secuencia es la siguiente:

primero se estima el valor del peso específico seco correspondiente al número

de golpes por capa usado y luego se calcula el valor de Kn para dicho número

de golpes, finalmente se multiplican estos dos valores para obtener el ángulo

de fricción interna.

55

El objetivo principal de obtener las relaciones presentadas en este

trabajo de investigación es la de estimar el valor del ángulo de fricción interna

de las arenas estudiadas a partir de variables halladas en el ensayo de C.B.R.

tipo I, sin necesidad de hacer el ensayo de corte directo, ya que para este tipo

de materiales granulares sin cohesión es muy difícil desencofrar las muestras

de las formaletas sin que estas se desmoronen.

56

9. OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES.

Se recomiendan realizar más ensayos para bajar el coeficiente de variación, aunque en el presente estudio los valores estuvieron tolerables, con más datos el error disminuye.

Al realizar los ensayos los especímenes se deben ensayar lo más rápido posible, esto con el fin de que la humedad no varíe entre estas y pueda alterar los resultados.

57

10. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.

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