Manual de Ctedras de Mecnica de Suelos I CONTENIDO UNIDAD 1. Desarrollo e historia de la Mecnica de Suelos 1.

1 Forma de trabajo de la geotecnia y la mecnica de suelos. 1.2 Aportes de diversos hombres de ciencia: precursores y contribuyentes modernos de a mecnica de suelos. 1.3 Casos mundiales en los que hizo falta la aplicacin de la mecnica de suelos. 1.4 Ciudades notorias por sus hundimientos. 1.5 Panorama histrico de la mecnica de suelos en la Repblica Dominicana. Cuestionario Unidad 1. Ejercicios resueltos y propuestos Unidad 1. UNIDAD 2. Origen y formacin de los suelos 2.1 Roca y suelo 2.2 Desintegracin mecnica y descomposicin qumica 2.3 Clasificacin de los depsitos por las caractersticas del transporte 2.4 Materiales de designacin particular 2.5 Forma de las partculas 2.6 Estructuras de los suelos 2.7 Aprovechamiento de las informaciones geolgicas y pedolgicas 2.8 Definicin de mecnica de suelos 2.9 El Subsuelo de Santo Domingo 2.10 El Valle del Cibao Cuestionario Unidad 2. UNIDAD 3. Propiedades fsicas fundamentales 3.1 Materia slida, agua, gas y diagrama de fases 3.2 Porosidad 3.3 Relacin de vacos

3.4 Densidad relativa 3.5 Contenido de humedad 3.6 Grado de saturacin 3.7 Preparacin de los especmenes de suelo 3.8 Manejo del diagrama de fases 3.9 Determinacin del peso especfico de partculas slidas por el mtodo del picnmetro 3.10 Peso unitario Cuestionario Unidad 3. Ejercicios resueltos y propuestos Unidad 3. UNIDAD 4. Granulometra UNIDAD 5. Anlisis mecnico por sedimentacin UNIDAD 6. Plasticidad UNIDAD 7. Clasificacin por el Sistema Unificado UNIDAD 8. Exploracin del subsuelo UNIDAD 9. Permeabilidad UNIDAD 10. Comportamiento mecnico de los suelos sumergidos

Manual de Ctedras de Mecnica de Suelos I: Unidad 1: Desarrollo e Historia de la Mecnica de Suelos UNIDAD 1 Desarrollo e Historia de la Mecnica de Suelos 1.1 Forma de trabajo de la geotecnia y la mecnica de suelos Todas las obras de ingeniera civil descansan, de una u otra forma, sobre el suelo, y muchas de ellas, adems, utilizan la tierra como elemento de construccin para terraplenes, diques y rellenos en general; por lo que, en consecuencia, su estabilidad y comportamiento funcional y esttico estarn regidos, entre otros factores, por la conducta del material de asiento situado dentro de las profundidades de influencia de los esfuerzos que se generan, o por la del suelo utilizado para conformar los rellenos. Si se sobrepasan los lmites de la capacidad resistente del suelo, o si an sin llegar a ellos las deformaciones son considerables, se pueden producir esfuerzos secundarios en los miembros estructurales, quizs no tomados en consideracin en el diseo, productores a su vez de deformaciones importantes, fisuras, grietas, alabeo o desplomos que pueden producir, en casos extremos, el colapso de la obra o a su inutilizacin y abandono. En consecuencia, las condiciones del suelo como elemento de sustentacin y construccin y las del cimiento como dispositivo de transicin entre aqul y la supraestructura, han de ser siempre observadas, aunque esto se haga en proyectos pequeos fundados sobre suelos normales a la vista de datos estadsticos y experiencias locales, y en proyectos de mediana a gran importancia o en suelos dudosos, infaliblemente, al travs de una correcta investigacin de mecnica de suelos. Durante los ltimos aos se han estado empleando cada vez ms los vocablos geotcnia y geomecnica para significar la asociacin de las disciplinas que estudian la corteza terrestre desde el inters de la ingeniera civil, concurriendo a este vasto campo ciencias como la geologa con sus diversas ramas y la geofsica con su divisin, la sismologa. A la vista de los tres (3) materiales slidos naturales que ocupan nuestra atencin, podemos dividir la geotcnia en: mecnica de suelos, mecnica de rocas y mecnicas de nieves, noveles especialidades, todas presentadas en orden de aparicin dentro de las cuales la ltima no tiene cabida en nuestro medio subtropical. La ms vieja de las nuevas, la mecnica de suelos, ser motivo de nuestro estudio desde ahora en adelante, no sin antes puntualizar que ella versa sobre un material heterogneo, dismil de partcula a partcula, donde su contenido de humedad que puede ser variable con el tiempo ejerce capital influencia sobre su comportamiento; debiendo aplicarse nuestros conocimientos fsicos-matemticos para evaluar y predecir su comportamiento. Ardua tarea, distinta a la que realizamos en otros materiales de construccin tales como el acero y el hormign, donde las cualidades fsicas son impresas a voluntad, con relativa facilidad. A travs de procesos metalrgicos que ofrecen una amplia gama de productos finales, en el primer caso, y mediante diseos de mezclas en el segundo, todo en armona con las necesidades de un proyecto dado. Sin embargo, esto no ha sido bice para su desarrollo esforzado y acelerado en los ltimos aos, pese a la utilizacin de teoras e hiptesis de complimiento parcial o entre rangos determinados. A los que se encuentren demasiado preocupados por esta situacin les recordamos que aun en el concreto, material artificial de trabajo disciplinado citado anteriormente como caso antagnico al del suelo se aplican leyes como las de Hooke y Navier que presuponen al hormign como un cuerpo perfectamente elstico donde las secciones planas, antes de la deformacin, continan siendo planas durante y despus de la deformacin,

distantes de ser exactas; aceptndose como buenos y vlidos los resultados obtenidos de su aplicacin. 1.2 Aportes de diversos hombres de ciencia: precursores y contribuyentes modernos de la mecnica de suelos. La tierra, uno de los elementos ms abundantes en la Naturaleza, ya sealado por los antiguos como uno de los cuatro (4) bsicos que componen nuestro inmemoriales como material de construccin. En su manejo y utilizacin el anlisis cientfico ha ido reemplazando, gradualmente, a las reglas intuitivas, siendo el estado actual del conocimiento la suma de los aportes de diversos cientficos, fsicos, matemticos e ingenieros, que desde el pretrito fueron forjando, sin saberlo, una nueva ciencia, nutrida por sus investigaciones. Entre estos pioneros cabe destacar los nombres de: Carlos A. de Coulomb (1736-1806) Alexander Collin ( ) Toms Telford (1757-1834) Juan V. Poncelet (1788-1867) Guillermo Rankine (1820-1872) Karl Culmann (1821-1881) O. Mohr (1835-1918) Jos V. Boussinesq (1842-1929) Coulomb, Poncelet, Collin y Rankine aportaron valiosas experiencias en el anlisis de presiones de tierras. Las contribuciones del ingeniero militar francs Coulomb tienen todava vigencia, en friccin, electricidad y magnetismo. Poncelet ofreci en 1840 un mtodo grfico para la determinacin directa de la superficie de falla y las presiones de tierra activa y pasiva. Collin public en 1846 su trabajo "Recherches Exprimentales sur les Glissements Spontans des Terrains Argileux". Guillermo M. Rankine fue un ingeniero y fsico escocs que se distingui, tambin, por sus trabajos en termodinmica. Culmann le dio una solucin grfica a la teora Coulomb - Poncelet, permitiendo la resolucin de problemas complejos de presiones de tierras. Toms Telford fue un ingeniero ingls, constructor de puentes, puertos y canales, primer presidente de la Asociacin Britnica de Ingenieros Civiles, en 1820. Sus investigaciones le llevaron a desarrollar una modalidad de pavimentos. Mohr ide un mtodo grfico para representar esfuerzos normales y tangenciales actuantes en planos inclinados, cuando el material se somete a esfuerzos biaxiales, de til aplicacin en el campo de los suelos. De Boissinesq hemos aprovechado sus ecuaciones para establecer los valores de las componentes verticales de esfuerzos generados por la aplicacin de cargas. Dos (2) nombres no incluidos en la relacin de precursores antiguos y que merecen ser citados son los G. G. Stokes, quien enunci una ley que rige el

descenso de una esfera en un lquido, fundamento del ensayo granulomtrico por sedimentacin y el del fsico francs H. Darcy autor, en 1856, de una ley bsica para el estudio del flujo del agua en los suelos. Entre los principales contribuyentes modernos tenemos a: Karl Terzaghi (1883-1963) A. Atterberg ( ) Wolmar Fellenius (1876-1957) Arturo Casagrande (1902-1981) Laurits Bjerrum (1918-1973) A. W. Skempton (1914- )

Karl Terzaghi, el padre indiscutible de la mecnica de suelos, naci en Praga, Checoslovaquia, y muri en los Estados Unidos de Norteamrica, a los ochenta (80) aos de edad. Trabaj en Austria, Hungra y Rusia, de 1915 a 1911. Fue profesor del Robert College de Constantinopla, de 1915 a 1925. Ense ingeniera de fundaciones en el Instituto Tecnolgico de Massachusetts, entre 1925 a 1929, dedicndose simultneamente a la prctica consultiva en Norte y Centro Amrica. Catedrtico en Viena, de 1929 a 1938, comenz a laborar a partir de este ltimo ao con la Universidad de Harvard. Su obra "Erdbaumechanik", publicada en 1925, en Viena y en idioma alemn, marc el nacimiento de una nueva disciplina. A. Atterberg, sueco, estableci una serie de ensayos para determinar el comportamiento plstico de los suelos cohesivos, de amplia difusin mundial, hoy en da, en cuyos resultados estn basados todos los sistema de clasificacin ideados. Fellenius, trabajando para la Comisin Geotcnica de los Ferrocarriles del Estado Sueco, cre un mtodo para analizar y disear taludes que se designa con su apellido o es denominado "Mtodo Sueco", el cual se ha convertido en el procedimiento indispensable para el estudio de taludes de presas, carreteras o de cualquier otro tipo. Arturo Casagrande, alemn de origen, emigr a los EE.UU. en 1926. Alumno sobresaliente y compaero de Terzaghi, es despus del maestro la figura ms relevante en la mecnica de suelos; siendo notables sus contribuciones en equipos y sistemas al estudio de la plasticidad, consolidacin y clasificacin de los suelos. Organiz junto al Dr. Terzaghi el Primer Congreso de Mecnica de Suelos y Fundaciones, celebrado en la Universidad de Harvard, Cambridge, Massachusetts, en el ao de 1936, habiendo sido presidente de la Sociedad Internacional de Mecnica de Suelos y Cimentaciones. Bjerrum naci y estudi en Dinamarca. Labor en Suiza y en su pas natal, siendo el primer director, en 1951, del Instituto Geotcnico Noruego. De esa poca son sus valiosas investigaciones en torno a la resistencia al corte de los suelos y de modo especial sobre la sensibilidad de las arcillas. Skempton, nacido en Inglaterra, es profesor del colegio Imperial de la Universidad de Londres, donde introdujo la enseanza de la mecnica de suelos. Ha sido presidente de la Sociedad Internacional de Mecnica de Suelos y Fundaciones. Sus contribuciones han discurrido sobre presiones efectivas, capacidad de carga y estabilidad de taludes. Es oportuno sealar que la Sociedad Internacional de Mecnica de Suelos e Ingeniera de Fundaciones, organizada por Terzaghi y con asiento en Londres, tiene como miembros componentes a sociedades nacionales de igual naturaleza constituidas en casi todos los pases de la Tierra. Auspicia cada cuatro (4)

aos, como suceso principal, congresos mundiales que hasta el momento presente han sido celebrados en las ciudades y aos indicados a continuacin: Primero Cambridge 1936 Segundo Rotterdam 1948 Tercero Zurich 1953 Cuarto Londres 1957 Quinto Pars 1961 Sexto Montreal 1965 Sptimo Ciudad de Mxico 1969 Octavo Mosc 1973 Noveno Tokio 1977 Dcimo Estocolmo 1981

De igual modo tienen lugar eventos regionales dentro de los cuales nos tocan directamente los congresos panamericanos. El primero de ellos tuvo lugar en la Ciudad de Mxico 0en el ao 1959. 1.3 Casos mundiales en los que hizo falta la aplicacin de la mecnica de suelos. Dos (2) de las obras de construccin de carcter monumental en el mbito mundial donde se hizo pattica la ausencia de los postulados de la mecnica de suelos moderna son la Torre de Pisa y el canal de Panam. La llamada Torre Inclinada de Pisa fue comenzada por Bonno Pisano en el 1174 y terminada en la segunda mitad del Siglo XIV. Con una altura de cuarenta y cinco (45) metros y un peso total de 14,500 toneladas, su cimentacin anular transmite presiones al subsuelo del orden de 5 Kg/cm. Fundada sobre capas alternadas de arena y arcilla, su inclinacin comenz a producirse desde la poca de su construccin como consecuencia de presiones diferenciales de los suelos afectados, observndose en la actualidad una separacin entre la vertical y el eje longitudinal de la torre de 4.90 m en su parte ms alta. Una estructura parecida construida en Venecia, de 100 m de altura, se desplom en 1902 cuando su inclinacin era de apenas 0.8%. Una nueva torre, existente, fue erigida en el lugar de la antigua, con una cimentacin ms grande. El primer intento por construir un canal artificial que uniese los ocanos Atlntico y Pacfico fue realizado por el Ing. Francs Fernando de Lesseps, en el 1881, quien antes haba llevado a cabo el Canal de Suez. Pero no fue hasta el ao 1914 que el canal de navegacin solucionado por los norteamericanos mediante un sistema de esclusas pudo ser puesto en servicios, despus de lograr el saneamiento de la zona de la fiebre amarilla y la malaria. El costo final de la obra fue de 380 millones de dlares, suma superior a la estimada en el presupuesto. Se excavaron 315 millones de metros cbicos de material, en los 82.5 Km. de longitud del canal, de los cuales 129 millones correspondieron al corte de Gaillard. La construccin de caracteriz por grandes deslizamientos en las formaciones denominadas "culebra" y "cucaracha", estando constituida esta ltima por arenisca arcillosa estructuralmente dbil. Las fallas se siguieron produciendo aos despus de la inauguracin del canal provocando el cierre temporal por perodos ms o menos largos. La estabilidad actual de las laderas del canal plantea un problema de resistencia a largo tiempo, donde las respuestas hay que buscarlas en la asociacin de la geologa y la mecnica de suelos. 1.4 Ciudades notorias por sus hundimientos

A nivel universal hay ciudades grandes y populosas caracterizadas por hundimientos importantes, pudindose citar entre ellas a las siguientes urbes: Ciudad de Mxico Venecia Roma Tokio Shanghi Bangkok Madrs Bombay

Ciudad de Mxico fue fundada por los Aztecas en el ao 1325, en una isla sobre el lago de Texcoco. La parte colonial de ciudad, ubicada encima del fondo del depsito de agua, tiene uno de los subsuelos de cimentacin ms crticos del mundo, constituido por gruesos depsitos de arcillas volcnicas, lacustres, altamente compresibles, habindose perforado hasta 2,000 pies de profundidad sin haber encontrado roca. Presenta contenidos medio de humedad del orden de 200% con valores espordicos de hasta 600%. Existen all capas alternadas de arena de pequeo tamao, consecuencia todo del origen sedimentario del rea. A unos treinta y tres (33) metros de profundidad est localizado un manto de arena densa y espesor de ms o menos cinco (5) metros en la cual est cimentada la Torre Latinoamericana, de cuarenta y tres (43) pisos de altura, uno de los edificios ms elevados construidos en la Amrica hispana. El hundimiento de la ciudad es debido al secado de los antiguos lagos del Valle de Mxico, acrecentado por la extraccin de agua del subsuelo en la medida del crecimiento demogrfico. En la Catedral se llegaron a medir velocidades de hundimiento de hasta cuarenta (40) centmetros anuales, pudiendo observarse en la figura 1.2 un plano de curvas de iguales hundimientos correspondientes a observaciones efectuadas dentro del lapso 1891-1956. En los ltimos tiempos se ha logrado reducir la compresin de los suelos, controlndose la explotacin de los acuferos de la zona urbana, sustituyndose por fuentes alejadas de la metrpoli que aunque subterrneas parecen pertenecer a cuencas hidrulicas independientes. Venecia, construida sobre una serie de lagunas del Mar Adritico, sufre hundimientos estimados en 32 cm durante el presente siglo, mayores que en la centuria pasada. Las inundaciones marinas, las actividades fabriles y la extraccin de agua subterrnea parecen ser las causas ms importantes del deterioro; habiendo preocupacin mundial por detener las anomalas y preservar los grandes tesoros artsticos de la ciudad, considerados patrimonio universal. En el ao de 1973 el parlamento italiano aprob un proyecto de obras de proteccin a la ciudad, con financiamiento extranjero, por 500 millones de dlares. Entre 1955 y 1970 Roma - La Ciudad Eterna - registr un hundimiento total de treinta (30) centmetros. Para explicar el fenmeno se ha dicho que las lluvias han ido elevando paulatinamente el nivel de las aguas subterrneas que reblandecen el suelo al no poder escapar hacia el ro Tber, por estar sus orillas revestidas con hormign. Sobre Tokio, una de las ciudades ms grandes del mundo, se ha dicho que desde la Segunda Guerra Mundial el sector oriental de la gran capital se ha hundido ms de dos (2) metros. Juzgndose que el problema tiene su origen en la explotacin de los mantos acuferos, los japoneses han implantado leyes severas contra el uso de las aguas subterrneas.

Shanghi, la poblacin ms extendida de China, importante puerto y centro industrial - comercial, es otra metrpoli que experimenta problemas de descensos por la extraccin de agua del subsuelo para fines domsticos e industriales. Un informe presentado por el Servicio Geolgico de la ciudad indica que en los 44 aos transcurridos entre 1921 y 1965 el hundimiento fue de 2.63 m. Bangkok, capital de Tailandia, tiene una velocidad de hundimiento de 7 cm/ao. Las ciudades de Madrs y Bombay tambin se estn hundiendo aunque lentamente. En muchas de las supradichas ciudades la explotacin de los depsitos subterrneos de agua, petrleo o gas se indica como causa de los problemas de grandes hundimientos, aunque tambin se ha sustentado la tesis de que los movimientos tectnicos de los bloques o placas que constituyen la corteza terrestre tienen responsabilidad en los fenmenos. 1.5 Panorama histrico de la mecnica de suelos en la Repblica Dominicana. Los pobladores tanos de la Isla de Santo Domingo a fines del Siglo XV, que constituan el grupo cultural ms avanzado de la familia arahuaca, edificaban sus viviendas: bohos y caneyes con postes de madera hincados en la tierra, como estructura principal, en los que cargaban, mediante soleras, maderos menores actuantes como sustentadores de techo; construyendo finalmente las paredes de las casas con caas penetradas en el suelo y tan prximas entre s como posibles, las cuales ataban fuertemente con bejucos. La techumbre se proporcionaba con hojas tejidas de palma u otro rbol. En la figura 1.3 se observa un boho tano tpico. Tan ligera construccin provocaba cargas reducidas al subsuelo por lo que no debieron haber tenido graves problemas de cimentacin. Con el arribo de los conquistadores peninsulares se inicia en La Espaola y en Amrica un proceso de transculturacin que en la ingeniera civil y la arquitectura estar caracterizado por las influencias romanas y rabe, como se observa en la figura 1.4. La mampostera se utiliz como elemento bsico para el levantamiento de muros y murallas, salvndose con bvedas los espacios libres de los templos. En los edificios pblicos y en las casas seoriales los techos se construyeron con vigas de caoba y losetas de barro cocido, con las disposiciones que se suelen llamar techo romano. En Santo Domingo de Guzmn, desarrollada finalmente en el hombro derecho de la ra Ozama, los esfuerzos al subsuelo se incrementaron teniendo que ser asimilados por un manto superior mezcla de arcilla limosa y arena con aglutinantes calcreos, capa de cubrimiento en el sector primigenio de la ciudad del basamento geolgico calizo. Aunque no se han efectuado investigaciones profundas y pormenorizadas de las condiciones de fundacin de los principales monumentos espaoles de Santo Domingo las informaciones disponibles indican que ha habido un comportamiento aceptable del conjunto suelo - estructura y que los serios daos observados en algunas de las seculares iglesias han sido consecuencias de movimientos ssmicos, generadores de tensiones a las cuales es dbilmente resistente la mampostera; salvo, hasta ahora, en el lado norte del templo de Santa Brbara, cimentado sobre suelo arcilloso de condiciones desiguales al material calcreo rocoso que sustenta las partes restantes de la iglesia, habindose originado hundimientos diferenciales que han daado porciones de la secular estructura. Independientemente de la aplicacin de principios y mtodos que de la mecnica de suelos racionalizada venanse empleando en el pas, sobre todo en la seleccin de materiales para carreteras y en el control de ejecucin de terraplenes para las mismas, su estudio riguroso como disciplina independiente

se inici en la antigua Universidad de Santo Domingo dentro del pnsum de la carrera de Ingeniera civil, en el ao 1958. En ninguna de las principales poblaciones de la Repblica Dominicana se han observado hundimientos generales de magnitudes comparables a las que sufren las ciudades enumeradas en la lista del acpite 1.4. Una de las comarcas ms crticas de la nacin en lo que a condiciones geotcnicas concierne es la faja costera noreste donde desemboca al mar el ro Yuna, conocida como Gran Estero. Topogrficamente baja, en ella han sido depositados durante milenios suelos finos que constituyen masas cohesivas, saturadas, de condiciones indispensables para la construccin. El sentido del flujo de agua en muchos de los ros de esta zona est dominado por la accin de las marea, notndose desage de agua dulce en momentos de bajamar y penetraciones de agua salada hacia tierra durante pleamar. Con estas caractersticas la ejecucin de vas terrestres aqu ha sido tradicionalmente problemtica; habindose utilizado, otrora, para soportar rellenos de caminos un "piso de tronco" colocados sobre pantano (corduroy) e inmediatamente antes de los terraplenes. Esta inveterada prctica se observ en todo el pas y se reflej de modalidades mundiales de la poca. En las ciudades de Puerto Plata las manzanas contiguas a los muelles presentan un nivel fretico muy elevado y un subsuelo arcilloso blando que requiere cimentaciones no convencionales para edificaciones que se realizan en el rea. Iguales caractersticas prevalecen en los sectores bajos de la ciudad de San Pedro de Macors. Cuestionario I. Discuta los inconvenientes de los suelos para ser manejados con el rigor de las matemticas. II. De qu forma se reduciran hoy da los riesgos de estabilidad por comportamiento geotcnico al construir obras como la Torre de Pisa? III. Podran presentarse en la actualidad serios problemas de cimentacin en las grandes pirmides de Egipto? IV. Cul es el argumento ms esgrimido para explicar los hundimientos importantes que presentan algunas metrpolis de la Tierra? V. Sera aconsejable proyectar una gran ciudad en la zona del Bajo Yuna?

UNIDAD 2 Origen y formacin de los suelos 2.1 Roca y suelo Los trminos roca y suelo, en las acepciones en que son utilizados por el ingeniero civil y a diferencia del concepto geolgico que supone roca a todos los elementos constitutivos de la corteza terrestre, implican una clara diferencia entre dos tipos de materiales. La roca es considerada como un agregado natural de partculas minerales unidas mediante grandes fuerzas cohesivas. Llamamos roca a todo material que suponga una alta resistencia, y

suelo, contrariamente, a todo elemento natural compuesto de corpsculos minerales separables por medios mecnicos de poca intensidad, como son la agitacin en agua y la presin de los dedos de la mano. Para distinguir un suelo de una roca podemos hacer uso de un vaso de precipitado con agua en el que se introduce la muestra a clasificar y se agita. La desintegracin del material al cabo del tiempo conduce al calificativo de suelo, considerndose roca en el caso de efectos contrarios. Por medio de la compresin podemos establecer una frontera numrica; si el material rompe a menos de 14 Kg/cm se toma como suelo, significndose que tal lmite es arbitrario y que, en ocasiones, muestras que superan en el laboratorio el supradicho esfuerzo son manejadas con los criterios de suelo. En la definicin incluimos el vocablo natural para descartar de este modo cualquier formacin donde haya intervenido la mano del hombre, tales como los productos fabriles o de desecho. En Santo Domingo, en el barrio Jobo Bonito, localizado en el sector de las calles Santom y Juan Isidro Prez, existen cavernas que fueron utilizadas otrora como vertederos municipales de basura. Donde comienza la avenida Teniente Amado Garca y dentro del barrio de La Fuente, se realizaron rellenos con las cenizas sobrantes de la cremacin de basuras por la antigua "incineradora", Tales materiales, por su constitucin heterognea, no pueden ser manejados con el criterio matemtico de la mecnica de suelos, fundamentada, por otra parte, con investigaciones terico - prcticas desarrolladas en materiales naturales. 2.2 Desintegracin mecnica y descomposicin qumica En el gran laboratorio que es la Naturaleza y el proceso continuo de ataque, actan fuerzas que convierten las rocas en corpsculos de menor tamao o suelo. La esencia de los agentes y los fenmenos de cambio, as como su participacin en el trabajo colectivo, son difciles de separar, pudindose, en general, agruparlos en desintegracin mecnica y descomposicin qumica, segn que las transformaciones sean de ndole fsica o qumica. Observamos el macizo rocoso esquematizado en la figura 2.1 sometido a los efectos del sol, agua y viento, cuya labor conjunta denomnase intemperizacin. La accin solar diurna provoca dilataciones volumtricas y esfuerzos internos en las masas de roca, mximas en las superficies expuestas a los rayos seguidas de perodos nocturnos de enfriamiento, gestores, a su vez, de esfuerzos de signos contrario; situaciones de fluctuaciones de calor que tambin ocurren a plazos mayores con los cambios de estacin. La fatiga producida en la roca por los esfuerzos continuados de signos alternos termina por vencer su resistencia, exfolindola; o sea, convirtindola superficialmente en escamas o lminas delgadas a semejanza de las hojas de un libro, nueva forma en la cual la roca es fcilmente arrastrable por los agentes de transporte: agua, viento y gravitacin, ofrecindose nuevas superficies al trabajo devastador. Por exfoliacin se forman los domos de exfoliacin, resultado del desprendimiento gradual de material rocoso perifrico siguiendo superficies curvas a lo largo de fracturas o planos de separacin llamados juntas producindose colinas de aspecto redondeado. Nuestros obreros excavadores, que an compiten con la pistola neumtica, conocen muy bien el principio de friabilidad de la roca con cambios bruscos de temperatura, por lo que hacen fuego sobre ella y luego apagan con agua, provocando su agrietamiento en pos de su corte y remocin con menos esfuerzo muscular. El agua penetra por las hendiduras, resquebrajaduras y fallas de la roca madre, y al pasar del estado lquido al slido con un aumento de volumen del orden del 10%, durante las pocas de temperaturas bajas, se convierte en cuas de hielo o detonantes que hacen saltar la roca en fragmentos. El agua de lluvia en forma de torrente y gobernada por la fuerza de la gravedad, desgasta las superficies rocosas, llevando en s los productos que arranca, los cuales a su vez aumentan

su poder abrasivo. De este modo el agua desempea un papel dual, simultneo, como agente destructivo y de transportacin. El aire en movimiento tiene, igualmente, capacidad demoledora, mxime cuando lleva partculas de polvo y arena que le otorgan cualidades abrasivas. Los agentes fsicos no son capaces de reducir el tamao de las partculas en ms de 0.01mm. La actividad humana participa en el cambio de tamao de grandes masas de materiales naturales a elementos menores, como acontece en los movimientos de tierras que implican la construccin de presas y carreteras, demandando usualmente la excavacin de ingentes volmenes de prstamos. El agricultor con el arado contribuye, tambin, aunque en menor escala, a las operaciones de cambios artificiales en los materiales superficiales de la corteza terrestre cuando ara y remueve los terrenos de cultivo. La descomposicin qumica, que implica fenmenos ms complejos que los correspondientes a los de intemperizacin fsica, conduce a resultados de suelos con caractersticas dismiles a los de los minerales originales, como es el caso de las arcillas derivadas del feldespato, que tienen cualidades distintas a las del material de nacimiento. La intemperizacin qumica se manifiesta, preferentemente, al travs de la oxidacin, carbonatacin y disolucin. En la oxidacin el oxgeno se une, principalmente, a los compuestos frricos, teniendo lugar esta reaccin, con mayor intensidad, en los climas hmedos; sin agua la oxidacin es lenta o nula. La oxidacin va acompaada, usualmente, de aumentos de volumen en los nuevos minerales formados, coadyudando a la desintegracin de los cuerpos originales. La carbonatacin es el proceso de descomposicin que sufren los cristales que contienen calcio, magnesio, sodio o potasio al reaccionar con aguas carbonatadas, formndose carbonatos o bicarbonatos. La disolucin es propia de la caliza y el mrmol que ven destruir su carbonato clcico en soluciones que contengan bixido de carbono. Las superficies expuestas de caliza y yeso resultan corrientemente grabadas o agujereadas por el susodicho fenmeno. El agua meterica disuelve cantidades moderadas de bixido de carbono de la atmsfera y de los materiales orgnicos presentes en la superficie terrestre, produciendo una dbil solucin de cido carbnico que ataca y ablanda a los materiales que contienen carbonatos y silicato. De este modo se pueden reblandecer rocas tan duras como el granito, pudiendo los bloques de cuarzo convertirse en arenas sin cohesin. El agua subterrnea acomete y disuelve a los materiales situados bajo la superficie, unindose, a la accin qumica, un trabajo mecnico por la energa del flujo interno. La labor qumico - mecnica de las aguas subterrneas se denomina carsificacin, del topnimo Karst o Carso, nombre de una altiplanicie calcrea situada al norte de Yugoslavia. El subsuelo nacional est en gran parte constituido por masas calizas donde han tenido lugar fenmenos crsicos, siendo notable por estas peculiaridades Los Haitises , regin situada al sur del valle del Cibao Oriental y la baha de Saman, que llevando el mismo nombre de la Isla, significa en lengua aborigen "tierra alta" segn el parecer de varios investigadores. En la figura 2.2 pueden observarse las formaciones montaosas troncocnicas, remanentes de las disoluciones superficiales tpicas de Los Haitises. La cueva de Santa Ana y las de los Tres Ojos son lugares de recreo en Santo Domingo bien conocidos por grandes espacios causados por las aguas subterrneas. Al Sureste de Sosa, en la costa Norte del pas, se han identificado fenmenos crsticos. La hidrlisis, el hecho por excelencia en la descomposicin qumica que gua a

la formacin de las arcillas, requiere climas hmedos y calientes como el de la Repblica Dominicana, razn por la cual contamos con grandes depsitos cohesivos. En cambio, en los desiertos, aunque es cierto que predominan temperaturas elevadas, la sequedad atmosfrica impide la formacin de arcillas por hidrlisis, habiendo slo oportunidad para la generacin de materiales granulares originados de modo principal por el estallido de las rocas con los grandes cambios de temperaturas que se producen con el paso del da a la noche. El oasis, dentro de las regiones desrticas, completa con la existencia de agua las condiciones necesarias para la formacin de arcillas. Los tres (3) componentes principales de las arcillas son la caolinita, la montmorilonita y la ilita. El vocablo caolinita se deriva del chino kao-ling, Cerro Alto, nombre de la montaa desde donde, por vez primera, se extrajo caoln para usos alfareros en Europa, con el inters de imitar la calidad milenaria de la cermica oriental. El mineral fue clasificado inicialmente en nuestras procedentes de Montmorillon, pueblo francs. Este componente se caracteriza por su avidez por el agua y notable aumento de volumen en ganancia de sta. El nombre ilita le fue dado a este compuesto por los gelogos del servicio geolgico de Illinois en honor a su estado. La palabra laterita se emplea para designar a muchos suelos arcillosos originados en climas tropicales, de un alto contenido de aluminio hidratado en xido de hierro. La bauxita es una laterita rica en aluminio, donde se ha eliminado la slice de las arcillas. En algunas lateritas la concentracin de hierro es tan elevada que se pueden beneficiar, como es el caso de los yacimientos de ferronquel de las lomas de la Parguera y Caribe, cerca de Bonao. Los seres vivos contribuyen al mecanismo de destruccin - transporte de las rocas, modificador de la corteza terrestre, tomar de aquellas los minerales necesarios para sus actividades biolgicas, como sucede con las sales de fsforo que fijan en sus huesos y llevan luego a otros lugares. As, gusanos, hormigas, roedores y animales mayores, a los que se unen las plantas, participan en la formacin de nuevos materiales que necesariamente no son de menor resistencia o tamao que los de procedencia. Los gusanos y plantas facilitan adicionalmente la introduccin de otros agentes de cambio. A partir del fango calizo de producen grandes masas terrestre por acumulaciones de restos de corales, conchas de moluscos, esponjas y costras precipitadas por plantas acuticas como las algas. Estos desechos, de magnitudes increbles, llegan a formar los atolones y arrecifes. La isla de Santo Domingo o Hait est constituida en gran parte por depsitos coralferos emergidos en un pasado geolgico reciente. El mayor aporte corresponde al de los corales que encuentran en nuestro clima subtropical, mares pocos profundos y calientes, donde se satisfacen las condiciones de hondura tope de 45 grados centgrados favorables para su desarrollo, situndose las nuevas colonias sobre las precedentes muertas. Nuestros modernos arrecifes de coral no son continuos, interrumpindose su crecimiento por el agua fresca de la desembocadura de los ros y los materiales que arrastran. A travs de su ciclo vegetativo las plantas incorporan el subsuelo grandes cantidades de humus, dndole a los materiales superficiales un color subido que va del castao oscuro al negro, llamndoles, entonces, en algunos pases, mantillo; y tierra negra o capa vegetal, en Repblica Dominicana. Este material tiende a depositarse en los lugares bajos y valles, formando los campos labrantos y dejando desprovistos de ellos a las colinas o lugares de pendientes pronunciadas. En Moca, provincia Espaillat, el manto superficial de tierra negra alcanza 0.80 m. sealndose como uno de los suelos ms frtiles del pas y del mundo. La intemperizacin no slo se manifiesta en los materiales naturales, sino tambin contra las obras construidas por el hombre, siendo su preocupacin

preservarla a todo lo largo de su vida til o de diseo. En los puentes metlicos y en los prticos de edificaciones industriales, del mismo material de construccin, la intemperizacin es notable en trminos humanos, advirtindose de igual modo deterioros en las obras y estatuas antiguas. Tarde o temprano habrn de tomarse medidas para proteger los monumentos coloniales de Santo Domingo de la accin devastadora del tiempo, a la cual se suman los efectos crecientes de la actividad humana a tenor de las vibraciones y los gases sobrantes que provoca el trnsito de los vehculos de motor que circulan prximos a los monumentos. 2.3 Clasificacin de los depsitos por las caractersticas de transporte El mtodo de transporte al travs de los agentes viento, agua, hielo y gravitacin, as como la distancia de desplazamiento, condicionan la textura y el tamao de las partculas resultantes, incidiendo en las diferentes clases de depsitos. Para el ingeniero civil, la clasificacin ms importante es la que considera la distancia de transporte, haciendo caso omiso del agente o agentes que intervinieron en la traslacin de los suelos. As designamos por depsitos residuales aquellos que yacen sobre o a corta distancia de la roca de origen, caracterizados por agregados de forma polidrica y aristas vivas, esto es, partculas de forma angulosa o muy angulosa. Cuando el traslado de los corpsculos es prolongado, su rozamiento con las grandes reas recorridas reduce su tamao y pulimenta su superficie ocasionando partculas de formas redondeadas. Estas formaciones, de mayor capacidad que las residuales, son denominadas depsitos transportados. Los territorios boscosos obstaculizan el trabajo de erosin y arrastre de las aguas superficiales, ya que los troncos y races reducen la velocidad del flujo del agua, deteniendo los materiales que carga, razones por las cuales, en apoyo a otras de especies distintas, debe controlarse la denudacin para obviar la fuga de las tierras de cultivo. Los materiales fragmentados, cargados por los elementos de transporte, llegan frecuentemente al fondo de los lagos, ros y mares, donde se adicionan de residuos de fauna y flora, endurecindose y elevndose gradualmente sobre el nivel del mar por movimientos llamados de diastrofismo, con lo que se expone de nuevo al ataque y transporte de las fuerzas de intemperizacin, en ciclos que se repiten indefinidamente. En alusin directa y exclusiva al medio de transporte, podemos apreciar los diferentes tipos de formaciones presentadas a seguida: 1.- Depsitos cueos, transportados y sedimentados por el agua, que cubren grandes reas continentales y de islas como la nuestra, donde el tamao de los materiales acarreados es funcin de la intensidad de la corriente. Cabe distinguir en ellos a los depsitos aluviales o fluviales, lacustres y marinos. Los depsitos fluviales provocados por la accin del agua dulce corriente, pueden, en el caso de torrentes montaosos, mover gravas gruesas y an peascos y bolos, depositando los agregados en orden decreciente de tamaos en la medida en que se reduzca el gradiente o velocidad del flujo y alcanzando el lecho o fondo del cauce primero la arena y luego el limo y la arcilla. En la desembocadura de los ros, la reduccin de la velocidad del agua motiva la formacin de los deltas o abanicos aluviales. Los depsitos lacustres han sido formados en aguas tranquilas estticas de los lagos, por lo comn de suelos finos o arcillosos, uniformes y laminados, donde a veces se observan bandas de color, granulometra y plasticidad diferentes, reflejo de cambios en el historial geolgico de la sedimentacin. Los depsitos marinos se constituyen por los residuos de la vida del mar, la contribucin que hacen los ros o por el trabajo dinmico del oleaje. Las sales presentes en el agua actan como aglutinantes de los materiales depositados.

2.- Depsitos elicos, originados por el viento como medio de transposicin, que levanta agregados de tamaos reducidos para acumularlo en pequeos bancos de arena denominados dunas o mdanos. El loess es un material elico compuesto de partculas uniformes de 50 a 90 % de tamao de limo, con orificios verticales de antiguas races que le otorguen una permeabilidad menor en direccin horizontal que en la vertical; tienen gran volumen de oquedades y reducido peso unitario, mantenindose en cortes verticales, pierden resistencia y rompen, frecuentemente, cuando satura, dada la presencia frecuente de cementantes carbnicos solubles en agua. Los loess abundan en el valle del Mississipi, en las llanuras de Alemania, en el interior de China y en las pampas de Argentina. En China alcanzan alturas de acumulacin de 300 metros, en la provincia de Chens y vecinas, erosionndose fcilmente por el viento y la lluvia al punto que algunos caminos construidos en estos depsitos se han convertido en pasos estrechos y profundos como canales. 3.- Depsitos glaciales, existentes en las regiones septentrionales de Europa, Asia, Canad y en algunas zonas de los Estados Unidos de Norteamrica, se originaron en el Perodo Cuaternario, cuando gigantescas masas de hielo se derritieron y avanzaron liberando grandes cantidades de grava y arena. 2.4 Materiales de designacin particular Turba, residuo orgnico, de color oscuro, resultado de la descomposicin de troncos, ramas, hojas, arbustos, musgos, semillas y otros elementos vegetales, en condiciones de saturacin prevalecientes en zonas tropicales, bajas, en aguas permanentes y avenamiento deficiente, generalmente costeras. De gran porosidad, ligereza y contenido de agua, en las turbas se pueden distinguir por simple inspeccin visual los restos vegetales, poco transformados, que las han originado y siguen todava evolucionando. Son indeseables como material de fundacin en vista del bajo valor de sustentacin y, lo que es an ms crtico, por su alta sensibilidad a la comprensin bajo cargas, debiendo evitarse, dentro de lo posible, utilizar reas de turba para construccin. El doctor Otto Schoenrich dice en su obra "Santo Domingo, un pas futuro: "El Gran Estero, situado al oeste de Snchez, result ser el ms difcil de cruzar que lo que los ingenieros haban calculado. Engull toneladas de roca y miles de libras esterlinas", refirindose a la construccin del ferrocarril La Vega - Snchez por el escocs Alexander Baird, abierto al trfico en 1886. Yacimientos de turba son frecuentes en el litoral noreste de nuestra isla, donde las capas antiguas no fueron nunca sepultadas profundamente o alteradas por los movimientos terrestres, por lo no pudieron alcanzar condiciones de antracita (carbn de piedra), quedndose en estado de lignito. En la zona costera, al este de Snchez, se ha estimado una reserva de lignito extrado y seco de 57 millones de toneladas, con un poder calorfico de 2.300 c/g. Las reservas de turba en un rea explorada del Bajo Yuna, han sido fijadas en el orden de 26 millones de toneladas, con un valor calorfico de 1.750 c/g. La posible explotacin de estos bancos constituye una alteracin energtica de la Repblica Dominicana frente a los altos costos del petrleo y sus derivados. Caliche, material de un alto contenido de carbonato clcico, consistencia trreo-rocosa y color amarillo claro, penetrado en ocasiones por arcilla, ofrece una gama muy amplia de resistencias. Es ampliamente conocido en el pas. Tosca, nombre de significado variable con el sitio, dado a materiales de resistencia media. Entre los dominicanos corresponde a suelos arcillosos endurecidos, tendentes a consistencia de esquisto o pizarra. Ha sido tradicin utilizar los trminos "tierra", "tosca" y "roca" en presupuestos gubernamentales de movimientos de tierra, para calificar y tratar de pagar con justicia los trabajos de corte de materiales en armona con el esfuerzo realizado. Tal sistema ha sido con frecuencia, motivo de polmicas y largas discusiones entre

contratistas de obras e inspectores del Estado, cuando los ltimos sobre el terreno, levantan con la mano un poco de material intemperizado al pie de los taludes y aducen que es "tierra". Situaciones como stas, a las que contribuye un plausible sentido de fiscalizacin, podran evitarse si las clasificaciones se hicieron, exclusivamente, en base a la resistencia al corte que opusieron los diferentes materiales y al uso inevitable de ciertos equipos o mtodos de remocin manejndose, entonces, las partidas de costos en casillas tales como "materiales cortables con tractor ", "materiales slo removibles con el uso de explosivo", etc. 2.5 Forma de las partculas El frotamiento que experimentan la partculas minerales slidas sobre las superficies en que ruedan, por influencia de los agentes de transporte , as como su grado de dureza, condicionan su superficie externa, apareciendo ms o meneo redondeadas en la medida en que han sido pulidas o son blandas. De modo opuesto, cuando los granos no han tenido ocasin de recorrer grandes distancias, sus aristas aparecen bien definidas y "vivas", siendo polidrica su forma externa, motivo por el cual se produce una mejor interaccin o ajuste entre los agregados prximos. La clasificacin de la forma geomtrica de las partculas parte de los adjetivos redondeada y angular, en torno a los cuales se establecen los grados de muy redondeada y subredondeada, y muy angular y subangular. La figura 2.4 explica por s sola los diferentes tipos de formas de partculas. 2.6 Estructura de los suelos As como la forma geomtrica de los corpsculos, descrita antes, se refiere a una cualidad individual de los elementos slidos, la estructura analiza la organizacin o agrupacin de las partculas minerales, vista de conjunto con el agua y el aire que hay entre ellas, siendo sus diferentes clases funcin de la forma de los granos, la naturaleza de las fuerzas actuantes entre ellos y la manera como se form el suelo (vase figura 2.5). La estructura granular o simple es propia de las arenas y gravas, estando regida mayormente, por la gravitacin, sin que existan fuerzas de adherencia entre las partculas. Se caracteriza por el contacto entre los elementos slidos, pudiendo variar la relacin del volumen d los poros al de partculas, dada la posicin relativa de stas. Los conceptos ms importantes sobre los suelos de estructura granular o granulares, son los que miden su grado de densificacin, de los cuales nos ocuparemos en el siguiente captulo. La estructura apanalada recuerda los panales de miel y es propia de las arenas finas y los limos no plsticos sedimentados en aguas tranquilas o aire. Las fuerzas de atraccin entre las partculas son considerables en relacin con las gravitacionales, soportando bien los "arcos de partculas" las cargas esttica, pero perdiendo su estabilidad por impactos o vibraciones. La estructura floculenta es observada en suelos cohesivos de apreciable contenido de agregados coloidales (menores de 0.0002 mm), donde en sus partculas muy pequeas y de forma aplastada estn localizadas fuerzas superficiales electromagnticas que hacen que se muevan unidas en forma de flculos. La energa superficial de electrlitos presentes durante la sedimentacin, siendo el tamao de los poros considerablemente mayor que el de partculas slidas 2.7 Aprovechamiento de las informaciones geolgicas y pedolgicas En ausencia de datos generales geotcnicos de zonas o regiones, a ser utilizados en estimados y anlisis preliminares de las condiciones de cimentacin o disponibilidad de materiales de algn proyecto, pueden aprovecharse los mapas existentes, geolgicos o pedolgicos, correspondientes a las reas de inters. Es frecuente que se disponga, con relativa facilidad, de cartas geolgicas y mosaicos areos que pueden dar una orientacin primera de los suelos para

construccin. Ms recientes y escasos son los mapas que versan sobre pedologa, ciencia que naci como consecuencia del trabajo de analistas rusos que siguiendo las investigaciones de V.V. Dokuchaev /1846-1903), fundamentaron una nueva disciplina en el estudio de la transformacin de la superficie de los depsitos geolgicos en capas u horizontes distinguibles y separables Su aplicacin en agricultura ha permitido la confeccin de mapas agronmicos, en los que se clasifican los suelos con trminos tales como "pedalferes" y "pedocales". La pedologa estudia las caractersticas fsicas y biolgicas de la parte superior de la corteza terrestre, en un espesor de 1.20 a 1.50 m., afectada o influenciada por el clima, los organismos, la topografa, el carcter de la roca madre y el tiempo de intemperizacin. De esta manera se ordenan horizontes de suelos que conforman el perfil estratigrfico. El horizonte ms elevado tiene usualmente una cantidad considerable de material orgnico, originado por la descomposicin de vegetales. El segundo horizonte es el sector donde se acumulan pequeas partculas minerales, siendo estos materiales, corrientemente, de mayor plasticidad que los situados en los horizontes prximos, superior e inferior. Las dos (2) primeras capas u horizontes constituyen el slum para la pedologa, esto es, la zona donde es ms activo el proceso de formacin del suelo. Al slum sigue el tercer horizonte constituido por material original, relativamente inalterado, que puede ser roca madre parcialmente descompuesta, llevada o no a otro lugar distinto al de procedencia. En materiales de reciente deposicin pedolgica tpica. En pedologa las clasificaciones de suelos se establecen por las cualidades geolgicas del material original y algunas caractersticas de agrupacin. Se aprecian el nmero, color, estructura, textura, composicin qumica y disposicin relativa de los horizontes. Todos los suelos que tengan iguales secciones, aun cuando difieren en la textura del horizonte superior, son agrupados en lo que se llama serie de suelos, dndosele, generalmente, el nombre del lugar donde primero se reconocieron. Las caractersticas de suelos - tiles en ingeniera - son deducidas en principio de la textura, plasticidad, espesor y condiciones de avenamiento de los horizontes pedolgicos. Diferentes series de suelos pueden tener cualidades de ingeniera semejantes. Los mapas agronmicos modernos se preparan mediante interpretacin de mosaicos de fotos area, donde los suelos se asocian por sus cualidades de forma de la tierra, color, erosin, superficie de avenamiento, taludes, etc. En las naciones de agricultura tecnificada la disponibilidad de mapas sobre este campo permite al ingeniero civil, identificado con los trminos propios de la pedologa, recabar una primera informacin de suelos para la proyeccin de obras tales como caminos y aeropistas. A partir de un estudio efectuado, en 1967, con el patrocinio de la Unin Panamericana, la Repblica Dominicana dispone de una informacin general de suelos con fines agrcolas, extendida a todo el territorio nacional. Para ofrecer informaciones previas, derivadas del ordenamiento de datos geotcnicos acumulados slo en localidades de importancia donde la industria de la construccin es considerable, se han preparado catlogos para las ciudades de Santiago y Santo Domingo registradores del ordenamiento de capas del subsuelo, ndice fsicos y condiciones de lugar, tales como posicin de nivel fretico, tiles en el diseo racional de cimentaciones. a guisa de orientacin preliminar pueden ser consultados en obras que sern elaboradas finalmente con un estudio de mecnica de suelos o para aquellas que por lo moderado de su costo no dispondrn de una investigacin geotcnica especfica. 2.8 Definicin de mecnica de suelos Con la discusin de los acpites precedentes estamos documentados para definir la mecnica de suelos como la rama especializada de la ingeniera civil, de carcter fundamentalmente fsico, que estudia los materiales perturbados por alguna obra de ingeniera o utilizados como material de construccin para las mismas. En la figura 2.6 se ha representado la seccin transversal de un camino que alcanza a interesar una capa subyacente de arcilla por las presiones que el

terrapln de la va induce, a partir de su rea de asiento o superior del terreno. En el manto de arcilla natural (I) se producirn esfuerzos y deformaciones que podran afectar la firmeza y el servicio del camino, por lo que es necesario predecir su comportamiento y tomar las medidas correctivas de lugar, si fuesen menester, para garantizar su buen funcionamiento dentro del tiempo de servicio de la obra, aplicando los conocimientos que nos brinda la geotecnia. El relleno (II) de la estacin reproducida por el corte transversal de la figura es una estructura derivada de las diferencias altimtrica entre la rasante en ese punto, elegida para satisfacer condiciones geomtricas de transito, y las del terreno all, debiendo, en complemento a su misin de llenar un espacio y dar soporte a los vehculos que transitarn por ella, ser construida con materiales selectos dentro las ofertas econmicas, colocados y acomodados convenientemente. Es necesario adems para estos fines investigar las caractersticas de los materiales sobrantes de los cortes mximos o de bancos potenciales de suministro en las inmediaciones del lugar, controlndose la eficiencia de su acomodacin. Los taludes debern ser diseados considerandos las fuerzas que tienden a su rotura y las que compiten por mantenerlos en pie, en pro de un satisfactorio coeficiente de seguridad. En todas las ocasiones expuestas, la mecnica de suelos ha de proveer las teoras y mtodos necesarios para la feliz realizacin del proyecto, apoyada en conocimiento de geologa, mecnica racional, resistencia de materiales, hidrulicas y otras disciplinas. Las investigaciones geotcnicas pueden ser divididas en tres etapas de carcter desigual: perforacin o grupo de labores predominantemente musculares, en las cuales se obtienen, utilizando equipos y herramientas de horadacin, especmenes de diferentes capas del subsuelo, as como anlisis de laboratorio llevados a trmino en las muestras resultante, para derivar valores, ndices y parmetros en lo tocante a la resistencia al esfuerzo cortante, comprensin, avenamiento de agua, etc., necesarios en la parte final del proceso o diseo que asocia la informacin conseguida en las dos anteriores, para ser dirigidas a la clasificacin de materiales con que construir terraplenes de vas terrestre o aeropistas, diques de contencin de aguas o rellenos para fines diversos. La clasificacin podra practicarse de igual forma en suelos localizados bajo la superficie natural, involucrados en las futuras obras, manejndola con los datos particulares procesados para satisfacer las necesidades de los clculos de capacidad portante, pronstico de hundimientos, empujes de tierras, diseos de pavimentos, anlisis de taludes y otros. Las tres partes en que vimos que puede dividirse una investigacin de suelos han de tratarse con iguales celos y cuidados, no dndosele a ninguna de ellas la supremaca que no tiene sobre las restantes, identificndonos con su rigurosa interaccin disciplinaria, realizada en tal forma que cualquier descuido en una de las tres se reflejar, inexorablemente, en el resultado final. 2.9 El subsuelo de Santo Domingo La capital de la Repblica est situada en la Llanura Costera del Caribe o Llanura Oriental del Caribe, una planicie ubicada en la costa sur del pas , extendida desde Punta Salina hasta el extremo este de la provincia de La Altagracia, con una longitud de 240 Km. Su ancho vara desde 10 Km. en la proximidades de Ban hasta ms de 40 Km. en la zona de Bayaguana, limitndola al norte la Cordillera Central y el Pie Monte de la Cordillera Oriental. Ha sido compuesta por detritus calizos aportados por animales inferiores: corales, foraminferos, moluscos, etc., as como por algas. Estos depsitos calizos, originados en el Pleistoceno, han ido subiendo gradualmente por presin de las placas corticales, presentando actualmente una serie de terraza o escalones que crecen en altura de sur a norte. La ciudad de Santo Domingo tiene elevaciones

tope de ms o menos 55 metros sobre el nivel del mar. La avenida Mirador del Sur corre a la largo de una de estas terrazas. La figura 2.7 corresponde a un perfil altimtrico supuesto segn la direccin norte - sur. En el subsuelo de Santo Domingo, luego de superarse la capa de arcilla orgnica - por lo general delgada - y los mantos arcillosos inorgnicos, plsticos, aadidos ocasionalmente de arena y grava pequea, calcreas, aparecen el basamento calizo, que aflora en ocasiones, presentando una "costra" superior de unos tres o cuatro metros de espesor, de consistencia de roca, para ofrecer sus valores ms atractivos de resistencia. A continuacin el depsito calizo reduce su consistencia trrea rocosa, tornndose permeable y removible a percusin. Cuando el subsuelo de la ciudad se identifica con la disposicin expuesta antes y las edificaciones de cargas normales tienen la infraestructura en la porcin superior de la roca, las condiciones de fundacin son, en lneas generales, aceptables. Deben obviarse, en principio, proyectos arquitectnicos que contemplen stanos para los cuales haya que practicar excavaciones que adems de tener un costo elevado, despojan al terreno de cimentacin de su mejor manto de carga. Las profundidades que alcanzan las perforaciones efectuadas en la ciudad para obtener informacin geotcnica no alcanzan a pasar las acumulaciones calizas, donde tienen que disiparse las presiones estructurales, por lo que es de sumo inters conocer sus generalidades fsicas. El Ozama, con su principal afluente el Isabela, es ro de Santo Domingo, en cuyo estuario, y a partir de sus dos orillas, ha nacido, crecido y desarrollado la poblacin. En los actuales das se manifiesta una tendencia espontnea al aprovechamiento de sus orillas, sobre todo la oriental, ms expedita, en instalaciones industriales, dado el atractivo del curso de agua como va fluvial de los buques cargadores de materia prima y productos terminados. Sus flancos y fondo estn compuestos por gruesas acumulaciones de materiales finos sedimentados en condiciones de baja velocidad de flujo. Ante estas circunstancias, de demanda por una parte, y de crticas situaciones fsicas por la otra, procede la divulgacin de las disposiciones generales del subsuelo en el can o cuenca del ro Ozama, prximo a su desembocadura, para lo cual haremos uso del perfil geotcnico preparado por el ingeniero Kilian de Fries, que sirvi al diseo del puente Francisco del Rosario Snchez, en el eje de la calle Padre Castellanos, figura 2.8. La seccin transversal del vano del ro, en la posicin del puente, indica un ancho de la superficie del agua de unos 160 metros, en condiciones normales, y dos planicies aluviales para una longitud total, en suma, igual a 460 metros. El material que sirve de sostn al curso de agua y sus deposiciones recientes, visible en las laderas, es caliza coralfera. Durante las glaciaciones (perodos glaciales recientes) del hemisferio norte hace unos 9,000 a 10,000 aos segn determinaciones por radio carbono, el nivel de los ocanos terrestres descendi ms de 100 metros en muchos lugares al congelarse gran parte del agua superficial de la tierra, forzando al ro Ozama a horadar cauces profundos en la resistencias de los materiales de asiento, y originando dos valles en las posiciones reproducidas en la figura, separados por un sector relativamente alto que opuso mayor resistencia a la fuerza erosiva del agua, de modo que se produjeron aqu, por seleccin natural, mejores condiciones de cimentacin, aprovechadas por el puente en asunto, al travs de una relocalizacin de sus pilas de forma que una de ellas coincidiese con el montculo submarino de caractersticas ptimas y distancia de alcance mnima. El posterior ascenso del mar, del mismo orden del descenso anterior, permiti la rpida sedimentacin, en los antiguas cauces, de materiales de partculas pequeas llevadas por las aguas: arcillas y limos con arenas finas y residuos orgnicos, que, alcanzando actualmente espesores de alrededor de cincuenta metros, llegan hasta nosotros saturados, blandos y deformables, incapaces de soportar cargas importantes.

La caliza porosa en que est enclavado el ro Ozama facilita la introduccin del agua de lluvia que, circulando de modo interno, flota sobre el agua salobre de la ra, de mayor densidad, brotando en manantiales por las vertientes del can del ro. "La Fuente o bao de Coln", en la orilla derecha del curso de agua es la ms famosa de sextas venas acuferas. en trabajos de perforacin para el primer anteproyecto de un puente sobre el ro Ozama, en la calle Padre Castellanos, se obtuvo agua artesiana que ascendi por tuberas de exploracin introducidas prximas a la orilla izquierda, al cortar la capa arcillosa que cubra el estrato de agua a presin gobernada por un gradiente hidrulica importante. Los vacos crsicos abundantes en el material calcreo de los hombros de la cuenca del ro absorben, aparentemente, los excedentes de agua durante crecientes, no teniendo, en consecuencia, el Ozama, un historial notable de inundaciones. 2.10 El valle del Cibao El valle del Cibao fue un antiguo canal marino, de aguas poco profundas que circulaban entre las actuales bahas de Saman y Manzanillo, en el cual la acumulacin de sedimentos y los levantamientos lo fueron llevando a sus posiciones presentes. En Santiago, la segunda ciudad importante de la nacin, tiene una cota media de 175 metros sobre el nivel del mar. La cuenca sedimentaria, que es el valle, est limitada al norte por los pilares de la Cordillera Septentrional, un sistema montaoso exclusivo de la Repblica Dominicana que le proporciona a la faja intermontaa un trmino casi lineal, acotado al sur por su Cordillera Central, el ms viejo complejo ortogrfico de la isla, y los Montes del Seibo. El valle del Cibao se sumerge al este formando el piso elevado de la baha de Saman, y continua en tierra firme de vecina Repblica de Hait, con el nombre de "Pliane du Nord". Sobre territorio dominicano su longitud es de 230 Km., con un ancho fluctuante de 15 a 40 Km., para darle un aspecto de faja alargada y angosta, comn a todos los valles dominico - haitianos. Sobre la base antigua del valle del Cibao se han situado gruesos depsitos del Terciario, estimados en 10,000 m, entre los cuales predominan en espesor los de Oligoceno Medio. Dos (2) sistemas fluviales corren por la superficie del valle: el ro Yuna, que se desarrolla hacia el oriente sur, y el del Yaque del Norte y sus tributarios, que avanzan hacia el noroeste, habiendo provocado estos ros o torrentes que se precedieron depsitos recientes. Un proceso geolgico, anlogo al que condujo el Valle del Cibao a su estado actual, puede observarse, inconcluso an, en la Hoya de Enriquillo, otro antiguo canal marino de la isla de Santo Domingo que iba desde la baha dominicana de Neiba hasta la haitiana de Puerto Prncipe. En esta banda de unos 100 Km. de largo y 20 Km. de ancho, bordeada al sur por las sierras de Bahoruco y las de Neiba al norte, existen todava acumulaciones de agua en forma de lagos y lagunas que, vistas de este a oeste en el mapa de figura 2.9, son: la laguna del Rincn, el lago Enriquillo, con la isla de Cabritos en su centro, la laguna de Limn, la laguna en Medio, el lago Sumatra o el Fondo y la laguna Gran Caimn, estos dos ltimos en territorio haitiano. El lago Enriquillo, el mayor estanque mediterrneo de todos, ocupa parte de la depresin regional, cambiando la superficie cubierta por l en razn de la cantidad de agua que recibe, variable de tiempo a tiempo. La superficie de sus aguas est localizada a unos 30m. bajo el nivel del mar prximo, no pudiendo llegarles sus aguas a causa de los depsitos acumulados o por el ro Yaque del Sur en el fondo de la baha de Neiba, actuantes como diques. Los ejes longitudinales del valle del Cibao y de

la fosa de hundimiento baha de Puerto Prncipe - baha de Neiba, tiene rumbos norte al oeste muy parecidos , lo que hace pensar que los fenmenos geolgicos que lo originaron e hicieron evolucionar fueron homlogos. Cuestionario I. Enumere las mltiples funciones del agua en la destruccin y traslado de las rocas. II. Porqu no hay desiertos en la Repblica Dominicana? III. Qu condiciones hacen del Brujuelas un ro subterrneo? IV. Qu utilidades tienen en la industria de la construccin los yacimientos aluviales de ros como el Yaque del Norte y Sur, Haina y Nizao? V. Por qu son las arenas de la playa de Boca Chica de color blanco o amarillo claro? VI. De qu modo se impide que la intemperizacin alcance el acero de refuerzo del hormign armado? VII. Porque son desfavorables las condiciones de cimentacin en las orillas de los ros Ozama e Isabela, en Santo Domingo? VIII. Como inciden las disoluciones crsticas en la ingeniera de fundacin? IX. Pregunte al profesor sobre las caractersticas generales del subsuelo de algunas poblaciones dominicanas que no sean las dos ciudades principales del pas. UNIDAD 3 Propiedades fsicas fundamentales En esta unidad comenzaremos a discurrir sobre la fsica de los suelos, tomados como el conjunto de partculas slidas, macro o microscpicas, asociadas con el agua y gases. 3.1 Materia slida, agua, gas y diagrama de fases. Los elementos constituyentes del suelo existen en forma indisciplinada siendo necesario para la aplicacin de la fsica suponerlos fusionados o continuos. De este modo se origina el diagrama de fases, figura 3.1, formado por las tres partes o fases fundamentales del suelo, en pureza de contenido: gaseosa, acuosa y slida. A un lado del dibujo acostumbraremos representar los pesos parciales de los tres elementos componentes Wg, Ww, Ws, de los cuales el primero podr despreciarse por ser muy pequeo en relacin con los dos restantes. El peso total ser la suma de los pesos de agua y slidos (W = Ww + Ws). Al otro lado del diagrama de fases se proporcionarn las casillas correspondientes para alojar los volmenes de gases (Vg), agua (Vw) y partculas slidas (Vs), llamando la atencin sobre el hecho de que el volumen de gas no es necesariamente nulo, pudiendo ser grande en ocasiones. El volumen total (V) ser la adicin de los tres volmenes componentes.

Llamaremos volumen de vacos (Vv) a la suma de los volmenes ocupados por los gases y agua. 3.2 Porosidad (n) La medicin del volumen de los poros o vacos del suelo la efectuaremos por medio de los conceptos anlogos porosidad (n) relacin de vaco (e). La porosidad es la relacin por cociente entre el volumen de vacos (volumen combinado de gas y agua) y el volumen total, expresado como por ciento o no. En otras palabra, es la medicin de los huecos o vacos tomando como medida de comparacin al volumen total. n = ( Vv / V ) * 100 A medida que el suelo es ms poroso, n aumenta. Matemticamente, n estar acotada entre 0 y 100%; 0% si n = 0%, el suelo est en un estado de densidad absoluta, no hay vacos. Si n = 100%, el suelo desaparece como tal. En la prctica encontramos una fluctuacin de n entre 20% y 95%. 3.3 Relacin de vacos (e) La relacin de vacos o huecos es la medida del volumen de los vacos con respecto al volumen de las partculas slidas, invariablemente expresado como un nmero. e = Vv / Vs Estos trminos utilizados en la medicin de las oquedades son importantes, ya que nos indicarn si el suelo es poroso o si en cambio, est densificado. La tendencia moderna es medir las oquedades en el suelo mediante la relacin de vacos. Esta preferencia podemos comprenderla mediante el siguiente ejemplo. Supongamos un proyecto de construccin en relleno donde el terrapln provoca una serie de presiones superficiales que se transmiten al subsuelo afectando el estrato sealado en la figura 3.2. En esta capa, tomaremos una muestra cuya compresibilidad vamos a seguir. Si utilizamos la porosidad para medir sus oquedades, tenemos que hay una disminucin en el volumen de vacos y, consecuentemente, en el volumen total, alterndose de este modo tanto el numerador, como el denominador de la razn. En cambio, al aplicar la relacin de vacos, nos encontraremos con un cociente donde el denominador (base de comparacin) no vara, ya que el volumen de partculas slidas es el mismo. No obstante, ser de inters prctico tener una relacin entre ambas medidas. La figura 3.3 ilustra sobre el modo sencillo de llagar a las siguientes igualdades. n = Vv / V = ( e / ( 1 + e ) ) e = Vv /Vs = ( n / ( 1 + n ) ) El valor de e flucta prcticamente entre 0.25 y 15. 3.4 Densidad relativa (Dr) El concepto de densidad relativa es inherente a los materiales granulares, siendo un medio para valuar el grado de acercamiento entre sus partculas o determinar su orden de densificacin. Se debe a Terzaghi, quin lo defini como sigue.

Dr = ( ( eo - e ) / ( eo - e mn ) ) * 100 donde : e : relacin de vacos del material en el estado en que se investiga eo : relacin de vacos del material en su estado mas suelto posible e : relacin de vacos del material en su estado mas denso posible En la frmula anterior, el denominador es una constante para determinado suelo y, por tanto, constituye un buen patrn de referencia. Calificativos de densificacin de la arenas Dr Calificacin 0% - 30%: suelta 30%- 60%: medianamente densa 60%-100%: densa Para lograr el estado ms denso o ms suelto de un material granular, har falta el uso de un recipiente, de volumen y peso conocidos, como los que se utilizan en los laboratorios de concreto. Si el recipiente no hubiese sido aforado an, pudiera determinares su volumen fijando el peso del agua que es capaz de contener y dividindolo entre la seguridad de haber llenado el recipiente a cabalidad. Esto podra ser verificado colocando una placa de cristal sobre el recipiente lleno y observando si no han quedado bolsas de aire en el interior. El estado ms denso se logra cuando existe el mayor acomodamiento posible entre las partculas. Estos es factible si se vierte la arena al recipiente desde una altura conveniente y se vibra el conjunto continuamente. Las necesarias vibraciones para este ensayo son producidas eficientemente por la mesa provista de una plancha y un motor unido a ella, representada en la figura 3.4, a cuya falta podemos utilizar un martillo de goma con el que se golpea la periferia del recipiente. Este proceso se repite varia veces y se toma un promedio de los valores obtenidos. Para obtener la condicin de suelta, la arena se coloca sin cadas de forma tal que no se acomode ni se densifique. En lo dems se sigue el procedimiento anterior y lgicamente obtendremos un peso de arena menor. Ya obtenido el peso del material, puede determinarse la relacin de vacos mediante la resolucin de un diagrama de fases que explicaremos ms adelante en acpite 3.8 de este Manual. 3.5 Contenido de humedad (w) El contenido de humedad de un suelo es la relacin por cociente entre el peso del agua que aloja y el peso de sus partculas slidas, expresado siempre en trminos de porcentajes. Esta propiedad fsica es de sencilla obtencin y de una gran utilidad, pues la resistencia y el comportamiento de los suelos ligados a la construccin estn regidos, en gran parte. por la cantidad de agua que contienen.

En los materiales calcreos de Santo Domingo, el contenido de humedad se encuentra en los alrededores del diez (10) por ciento, pudiendo verse este valor afectado considerablemente por el grado de saturacin del suelo, producto de la inyeccin de agua necesaria en la perforacin cuando se utilizan equipos mecnicos para la obtencin de especmenes de ensayo. En algunas arcillas de Santiago, encontramos contenidos de humedad del orden de 25 por ciento. En materiales orgnicos, como los propios de Gran Estero, se observan contenidos de agua de hasta doscientos por ciento, sin que esta cifra sea sorprendente, ya que en el Japn se han registrado contenidos de humedad de hasta mil quinientos por ciento, lo que indica grandes problemas de suelo debido a que el peso del agua supera en 15 veces al del material slido. En Santo Domingo existen suelos con altos contenidos de humedad en las mrgenes de los ros Ozama e Isabela, donde frecuentemente se registran valores entre 80 y 100% para los suelos arcillosos que all existen. Proceso de laboratorio para la determinacin del contenido de humedad de una muestra Nuestro principal equipo de trabajo consistir de un horno elctrico de temperatura controlable (ver figura 3.5). Una vez tomado el peso en estado natural de la muestra, sta se introduce al horno. All se calentar el espcimen a una temperatura de 105 5 C, producindose la evaporacin del agua y su libre escape a travs de unas ventanillas en la parte superior de nuestro horno. Debemos tener cuidado de no sobrepasar este lmite, pues correramos el riesgo de cremar el suelo con la consiguiente alteracin del cociente para la determinacin del contenido de humedad. Puede utilizarse la cremacin a nuestro favor cuando se desee obtener el contenido de material orgnico de una muestra. El material deber permanecer en el horno por un perodo de 12 horas, razn por la cual se acostumbra iniciar el calentamiento de las muestras al final del da, dejndolas deshidratar durante toda la noche. Para la correcta identificacin de los especmenes, stos se colocan sobre recipientes de peso conocido convenientemente numerados. Esta numeracin y peso debern anotarse en el formulario que se utiliza para la obtencin del contenido de humedad presentado en el ejercicio resuelto 1. Una vez cumplidas las 12 horas de secado de la muestra de tamao normal, precedemos a retirarla y pesarla, obtenindose el peso seco. Ahora bien, es necesario dejar enfriar la muestra para facilitar su manejo. Si las muestras de dejaran refrescar en un medio sin proteccin, su temperatura elevada al salir del horno provocara una absorcin de agua del medio ambiente, alterndose el peso seco real. Por esta razn, deber utilizarse un desecador, aparato no proveniente de la mecnica de suelos adquirido de los laboratorios de fsica y qumica. El desecador es un recipiente con cierre hermtico, lleno parcialmente con un material higroscpico (como el cloruro clcico), que mantiene en condiciones de sequedad absoluta al aire encerrado en l (ver figura 3.6). La gran desventaja de este instrumento, razn por la que no se utiliza con mayor frecuencia, es su poca capacidad, lo que inhabilita al laboratorista de manejar un nmero grande de muestras. El peso del agua ser la diferencia de pesos entre la muestra en estado natural y la seca. Ya contamos con los valores necesarios para la obtencin del contenido de humedad. En caso de que se tuviera mucha prisa en obtener los resultados del ensayo, la muestra pudiera retirarse del horno al cabo de unas cuatro (4) o cinco (5) horas para pesarla. Luego, se introducira de nuevo al horno y se comparara este primer peso con uno obtenido a las seis (6) horas de secado. Si no se advirtiera ninguna diferencia, pudiera utilizarse este valor como peso seco de la muestra. 3.6 Grado de saturacin (Sr)

Se define el de agua y el propiedad de suelo. Tanto medicin del

grado de saturacin como la relacin por cociente entre el volumen volumen de vacos, expresado en trminos de por cientos. Esta termina la cantidad de agua que se encuentra en los vacos del el contenido de humedad como el grado de saturacin son ndices de agua, valores que definen la proporcin de agua en el suelo.

Sr = ( Vw / Vv ) * 100 El grado de saturacin de una muestra estar acotado matemtica y fsicamente entre cero (0) y cien (100) por ciento. Un grado de saturacin de un ciento por ciento corresponder a suelos cuyo volumen de vacos est totalmente ocupado por agua, calificndose este suelo como saturado; situacin difcil de alcanzar en la naturaleza y en los laboratorios, dado que es necesaria la previa eliminacin total de los gases entrampados en los intersticios del suelo, aceptndose como saturados materiales que tienen un Sr algo mayor del 95 por ciento. Un grado de saturacin de cero por ciento indicar la ausencia completa de humedad de un suelo, condicin slo posible en el caso de las muestras recin secadas al horno. Los valores altos del grado de saturacin se producen generalmente por debajo del nivel de las aguas subterrneas que llamamos napa fretica (ver figura 3.7). Tambin se producen valores altos se saturacin superficial por exceso de lluvia. 3.7 Preparacin de especmenes de suelo Obtenida una muestra del subsuelo para poder analizarla debemos llevarla a una forma geomtrica perfecta, dentro de las cuales la ms conveniente es la cilndrica, semi-acabada por los tubos muestreadores. Esto se logra en el laboratorio por medio de una caja de ingletes metlica, muy parecida a la utilizada en ebanistera para realizar cortes con sumo cuidado. La figura 3.8 nos muestra un conjunto de estos utensilios. El orificio circular est normalizado con el dimetro del tomamuestra siendo su relacin altura-dimetro igual dos. Existen cajas de ingletes de diversos tamaos, siendo las ms comunes las de 2-3/4", 1-7/8" y 1-3/8" de dimetro interior. Se coloca la muestra en dicha caja y se corta lo exterior a ella, logrndose as dos (2) bases circulares planas, paralelas entre s y perpendiculares a su eje longitudinal. En algunos casos, ser necesaria que la muestra sea tallada ms corta. Generalmente trabajaremos con la muestra sin alterar su dimetro; sin embargo, ensayos ms sofisticados requieren una reduccin del mismo que se realiza mediante un torno acompaado de un violn (materiales blandos) o de un cuchillo. La figura 3.9 nos ilustra un torno en el proceso de tallado de una muestra cohesiva con la utilizacin de un violn. De esta muestra cilndrica es que vamos a obtener toda la informacin necesaria para el anlisis del estado de procedencia. Muestras granulares En el caso de materiales granulares, lo principal es la seleccin del espcimen, eligindose una cantidad de 1,000 a 3,000 g (y an ms) dependiendo del tamao del grano y de los tipos de ensayos. Para materiales finos, 1,000 gramos es un orden de magnitud usual, pero en materiales gruesos aumenta esta cantidad, ya que un solo grano puede aportar mucho peso. La seleccin de la muestra, en trminos de laboratoristas, se denomina cuarteo y puede realizarse de varias maneras. Una de ellas, y quiz la ms asequible,

consiste en utilizar un pedazo de tela, lona fina o plstico sobre el cual se coloca la totalidad de la muestra que llega al laboratorio (ver figura 3.10). Con una pala se mezcla bien el material tratando de doblarla de forma tal que se formen cuatro partes iguales de las cuales se escoge un cuarto y se guarda el remanente para ensayos posteriores. Si la parte escogida resultare muy grande, se repetir el proceso para elegir una cuarta parte que satisfaga nuestro deseo. Es de aqu que proviene el trmino popular de cuarteo. Otro procedimiento consiste en verter el material en un equipo denominado cuarteador, que se compone de varias canaletas dirigidas en direcciones contrarias por las cuales el material se divide. La figura 3.11 nos muestra un cuarteador en funcin, fraccionando una muestra de arena. Si una de las partes divididas se volviera a pasar, se lograra un cuarta parte de la muestra original. As obtenemos la muestra cuarteada que adems resulta ser representativa, es decir, reveladora de las misma caractersticas del material original. 3.8 Manejo del diagrama de fases El diagrama de fases se haba definido anteriormente como aqul en que habamos convenido fusionar los tres elementos componentes del suelo. Ahora, describiremos el procedimiento para la obtencin de los valores necesarios para su manejo en el caso ms frecuente. Una vez preparada, la muestra es llevada a una balanza con precisin de dcimas de gramo donde ser obtenido su peso en estado natural (W). Si la muestra no se disgrega, se podr pesar directamente sobre el platillo de la balanza; en caso contrario colocaremos el espcimen en un recipiente y luego restaremos el peso de ste. Nuestro siguiente paso ser la obtencin del volumen de la muestra. Para ello idealizamos dos planos en el espacio, perpendiculares entre s, que atraviesan la muestra dividindola. Estos planos podrn ser indicados en la muestra mediante unas hendiduras suaves impresas con un cuchillo (ver figura 3.12). Con la ayuda de un calibrador o pies de rey (ver Figura 3.13), tomaremos tres dimetros segn cada plano; inferior, central y superior. Obtenidos estos seis dimetros, calcularemos una media ponderada dndole el doble de valor a los dimetros centrales, determinndose as el dimetro medio con el cual calcularemos el rea media. Dm = ( Di + 2 * Dc + Ds + Di + 2 * Dc + Ds ) / 8 La altura (H), se podr obtener, tambin por medicin directa y al multiplicarla por el rea media se consigue el volumen del espcimen (V). Ya conocidos el volumen y el peso de la muestra en su estado, procederemos a introducir el espcimen de tamao normal al horno donde permanecer por espacio 12 horas a una temperatura de 105 5C. Cumplido este tiempo, retiraremos la muestra y la llevamos a la balanza. El peso ahora obtenido ser el correspondiente a partculas slidas (Ws), debido a que la muestra ha quedado deshidratada completamente. El peso del agua (Ww) se calcula sencillamente como la diferencia en peso entre la muestra en su estado natural y la muestra seca. Ww = W - Ws De esta forma hemos completado el diagrama de fases en lo referente a pesos.

Para la determinacin de los volmenes, necesitamos el peso especfico de partculas slidas (gs), cuyo valor no se obtiene de forma tan directa. Esta obtencin se tratar en el acpite siguiente, pudiendo ser considerado hasta entonces como un dato suministrado. El peso especfico de partculas slidas se define como la relacin por cociente entre el peso de partculas slidas y su volumen correspondiente. gs = Ws / Vs Por esta razn, conocidos el peso y el peso especfico de partculas slidas, el volumen de slidos se despeja fcilmente: Vs = Ws / gs Valindonos del peso especfico del agua, que consideraremos igual a la unidad despreciando su variacin en funcin de la temperatura y la posicin, podremos determinar el volumen de agua. por esta razn, numricamente hablando, el volumen de agua ser igual a su peso, siempre y cuando se tengan en cuenta las unidades. Vw = Ww La obtencin del volumen de gas se realizar de forma directa, restando al volumen total, los volmenes correspondientes a slidos y agua. Vg = V - Vs - Vw Con slo sumar los volmenes correspondientes a gas y agua, obtenemos el volumen de vacos. Vv = Vg + Vw Obtenidos todos los valores podemos pasar a la determinacin de las razones correspondientes a las propiedades fsicas del suelo que se analiza. No es aconsejable computar ningn valor hasta tanto no se haya desarrollado totalmente el diagrama de fases. 3.9 Determinacin del peso especfico de partculas slidas por el mtodo del picnmetro En el acpite anterior se haba mencionado la necesidad de la obtencin del peso especfico de partculas slidas para el manejo del diagrama de fases. A continuacin explicaremos el mtodo ms utilizado para este fin, cuyo equipo principal ser un matraz aforado (ver figura 3.14), botella de cristal de pequeo espesor de 500 a 1000 Cm3 de capacidad hasta la lnea de calibracin en su cuello y en condiciones particulares de temperatura. Dicho matraz deber identificarse convenientemente mediante un nmero de laboratorio en una zona esmerilada provista para este propsito. La calibracin del matraz: Una vez concluido el proceso que se expondr a continuacin, nuestro matraz de laboratorio quedar convertido en picnmetro. Lo primero es la limpieza cuidadosa del matraz por dentro y fuera para lo cual se prescribe el lavado sucesivo con detergentes, alcohol y ter. Requeriremos la utilizacin de agua destilada para evitar cualquier tipo de perturbacin debida a cambios en la turbidez, contenido en sales o cloro, o por impurezas contenidas en el agua del servicio pblico. El agua destilada se verter en el matraz y seguido comenzaremos el proceso de desaerearla. La manera ms comn de llevar a

cabo esta labor es sumergiendo a medias el matraz en bao de Mara, observndose el desprendimiento de pequeas burbujas a simple vista, el cual puede ser acelerado infiriendo golpes moderados al matraz con el pulgar (ver figura 3.15). La extraccin de las burbujas puede realizarse tambin mediante un aspirador adaptado a una llave de agua, de modo que la intensidad del vaco es determinada por el flujo, teniendo el cuidado de desconectar el dispositivo antes de cerrar la llave para que el vaco en el matraz no provoque la entrada de agua (ver figura 3.16). Ahora nos preocuparemos de enrasar el contenido de agua en el matraz para obtener un volumen constante en todas las mediciones que se harn posteriormente. El proceso de sustraer y adicionar pequeas cantidades de agua a travs de un estrecho cuello se ver facilitado mediante el uso de la pipeta. Si faltara agua para llegar a la lnea de calibracin, se tomara de un recipiente que ha sido expuesto al mismo proceso del matraz. La lnea de calibracin que hemos mencionado no es ms que una hendidura, fcilmente identificable en el cuello del matraz, que nos indicar hasta donde se considera el volumen especificado por el fabricante. El matraz se considerar enrasado cuando la parte inferior del menisco se hace tangente a la lnea de calibracin, siempre cuidando de que no permanezcan gotas de agua adheridas al interior del cuello (ver figura 3.17). Una vez enrasado, llevaremos el matraz a la balanza obtenindose, son una precisin de centsimas de gramo, su peso ms el del agua destilada, convenientemente designado W2. Este peso corresponder a una temperatura que debe ser tomada con una precisin de dcimas de grado. Lgicamente el peso del agua en el matraz ser menor cuanto mayor sea la temperatura, no debiendo excedernos de los 50 para facilitar su manejo. Siguiendo este procedimiento tomaremos varios pesos con sus correspondientes temperaturas y graficaremos la curva que se muestra en la figura 3.18. Ya el matraz se puede considerar como un picnmetro. Para determinar el peso especfico de partculas slidas de cualquier muestra, haremos uso de nuestro picnmetro. Tomaremos alrededor de 50 gramos de la muestra secada al horno y enfriada en el desecador, y la pesamos con una precisin de centsimas de gramo obtenindose Ws. Esta muestra se introduce en el picnmetro por medio de un embudo de papel, luego de haber vertido un poco de agua en el recipiente evitndose as que la muestra se adhiera al fondo. Entonces, completaremos el volumen de agua hasta alcanzar una altura menor en tres o cuatro centmetro que la lnea de calibracin y lo llevamos al bao de Mara para removerle todo el aire contenido en el agua. Este proceso se ver dificultado ahora por la espuma y burbujas producto del contacto d la muestra con el agua. Logrado nuestro propsito y habiendo conseguido el menisco tangente a la lnea de calibracin, secamos el exterior del matraz, limpiamos el interior encima del nivel de agua y obtenemos su peso, anotando la temperatura a la cual se efectu la medicin luego de comprobar su uniformidad en todo el volumen de agua y suelo. Este peso, que corresponde a la suma de los pesos del matraz, del agua destilada y del suelo, lo designaremos W1. Habamos definido el peso especfico de partculas slidas como el cociente de dividir el peso de partculas slidas entre su volumen correspondiente. Observado detenidamente lo que ocurre en nuestro picnmetro, nos daremos cuenta que el volumen de partculas slidas ser el mismo volumen de agua desplazada por las partculas slidas (Vw). Vs = Vw gs = Ws / Vs = Ws / Vw

Este volumen de agua desplazada por las partculas slidas puede ser expresado en funcin del peso del agua con la ayuda del peso especfico del agua (gwt) tomando en cuenta las variaciones de este valor en funcin de la temperatura. Una tabla con los valores correspondientes al peso especfico del agua en funcin de la temperatura se incluye en el apndice de esta unidad. gwt = Ww/Vw --> Vw = Ww / gwt Sustituyendo esta relacin en la ecuacin anterior, obtenemos: gs = ( gwt * Ws ) / Ww Slo nos faltara por determinar el peso del agua desplazada (Ww), para lo cual haremos use del grfico de calibracin del matraz. Observando la figura 3.19 podemos escribir que: Ww = ( W2 + Ws ) - W1 donde: W2: suma de los pesos del matraz y el agua destilada. Ws: Peso de partculas slidas. W1: Peso del matraz + agua destilada + suelo. Este ltimo peso (W1), depender de la temperatura a que se encuentre el matraz durante la medicin. Por esta razn, para obtener el peso W2 a la misma temperatura a la que se tom W1. Sustituyendo la expresin del peso del agua en nuestra ecuacin original, obtendremos la expresin final del peso especfico de partculas slidas. gs = ( ( gwt * Ws ) / ( Ws + W2 ) - W1 ) Cifras normales del peso especfico de partculas slidas (valores aproximados) Suelo gs Arena 2.65g/cm3 Arcillas inorgnicas (2.5 - 2.9)g/cm3, aumentando con la plasticidad. Materiales orgnicos ~ 2.3 g/cm3 Suelos con altos contenido de xidos frrico (limonita) (3.1 - 3.2) g/cm3 Es conveniente hacer ms de una medicin de W1 a diferentes temperaturas, obtenindose as varios valores de gs, con los cuales se obtendr una media aritmtica. Este ensayo es muy sencillo, pero delicado, implicando cualquier pequeo error en la medicin una gran diferencia en los resultados. 3.10 Pesos unitarios El concepto de peso que discutiremos a continuacin, es el mismo que ya conocemos de los estudios de fsica. Un peso unitario es la relacin por cociente entre un peso y un volumen. En mecnica de suelos utilizamos varios tipos de estas relaciones.

Peso unitario natural (guh o g un) es la comparacin del peso total de la muestra con relacin a su volumen total. Se expresa en las siguientes unidades: g/cm3, Kg/dm3 y t/m3, prefirindose esta ltima. guh = W / V Peso unitario seco (gus) es la relacin por cociente entre el peso de las partculas slidas y el volumen total. Se utilizan las mismas unidades que en el peso unitario natural. gus = W / V Este concepto de refiere a la muestra al salir del horno, lo cual es una condicin ideal ya que en la realidad siempre las muestras tienen algo de humedad. Puesto que los especmenes se contraen en el horno, se ha convenido en tomar el volumen inicial de la muestra. Mientras mayor es el peso unitario seco, ms denso es el suelo, de modo que gus es un medio de evaluar el grado de compacidad. Cuestionario 1.- Explique extensamente, la determinacin del peso especfico de partculas slidas: a) Desarrollo de la frmula de trabajo, y, b) Procedimiento de anlisis. II.- Defina o explique brevemente: a) Valores tpicos de pesos especficos de slidos para los diferentes tipos de suelos. b) Razn de preferencia de e sobre n. c) Picnmetro. d) Densidad relativa. e)Peso unitario seco. f) Grado de saturacin. g) Influencia de la temperatura en el anlisis de determinacin del peso especfico de partculas slidas. h) Determinacin de eo en el ensayo de densidad relativa. Ejercicios resueltos Ejercicio nmero 1: Supongamos un proyecto de urbanizacin que se desea construir en la ciudad de Santo Domingo. Para ello se ha convenido en realizar un estudio geotcnico, el cual consta de una serie de perforaciones numeradas U1, U-2, U-3, etc. habindose obtenido una serie de muestras en cada perforacin. Estas muestras han sido adecuadamente transportadas el laboratorio de suelos.

Para los fines de este ejercicio nos ocuparemos de la muestra nmero 3 de la perforacin U-1. "Determinacin del contenido de humedad a muestra de laboratorio" Dato generales: Nm. de muestra: 3 Perforacin: U-1 Proyecto: Urbanizacin Localizacin. Santo Domingo Profundidad: 0.60 a 0.90 m Nm. de golpes: 15+24 = 39 Perforista: A. C. Fecha: 24 de agosto de 1970 Tallamos la muestra remitida al laboratorio y obtenemos los siguientes datos con la ayuda del calibrador o pies de rey. Di : 4.76 cm D'i: 4.72 cm Dc : 4.69 cm D'c: 4.68 cm Ds : 4.68 cm D's: 4.64cm Dm = (D1 +2Dc + Ds + D'1 + 2D'c + D's)/8 = 4.69 cm H= 9.35cm Obtenido el dimetro medio, podemos determinar el rea de la muestra(A): A = ((PHI*Dm)^2) / 4 = 17.29 cm y multiplicando este valor por la altura de la muestra (H) obtenemos el volumen de la muestra : V = A * H = 161.66 cm3 Nuestro siguiente paso ser la determinacin del contenido de humedad (w) de la muestra, para lo cual utilizaremos un formulario que iremos completando a medida que vayamos obteniendo la informacin requerida. La muestra se coloc en un platillo identificado (35) de peso conocido (50.95 g) y se obtuvo el peso de la muestra en estado hmedo sobre el platillo (296.65 g). A continuacin se llev la muestra al horno y luego de completado el proceso de secado, se obtuvo el peso del recipiente ms el suelo seco (247.80 g). Con estos valores puede computarse el contenido de humedad (w). MUESTRA NUMERO 3 PROFUNDIDAD (m) 0.60 - 0.90 RECIPIENTE NUMERO 35 PESO DE RECIPIENTE + SUELO HUMEDO (g) 296.65 PESO DE RECIPIENTE + SUELO SECO (g) 247.80 PESO DE AGUA (g) 48.85 PESO DE RECIPIENTE (g) 50.95 PESO DE SUELO SECO (g) 196.85

PORCENTAJE DE HUMEDAD 25 w = (Ww/Ws) * 100 w = (48.85/196.85) * 100 w = 25 % Ejercicio nmero 2: Determinacin de la densidad relativa. Se va a construir un proyecto de terrapln en el cual se utilizar arena cuya densidad relativa nos proponemos determinar. Tomamos una muestra y la trasladamos al laboratorio. Lo primero es aforar el recipiente que usaremos para realizar las mediciones> W=511 g y V = 5,726 cm3. Luego verteremos la arena en l, de foma tal que consigamos la mayor compactacin posible, repitiendo el proceso cuatro (4) veces. As obtenemos los siguientes valores: W = 10,666 g W = 10,653 g W = 10,735 g W = 10,606 g W promedio = (42,660 g /4) = 10,665 g El peso del material denso se obtiene restndole al W promedio el peso del recipiente : 10,665 g - 511 g = 10,154 g Usando el peso especfico de la arena, dato que nos fue suministrado, gs=2.65 g/cm3, podemos determinar el volumen de material> Vs = W / gs = 10,154 g / 2.65 g/cm3 = 3,831.7 cm3 Volumen de vacos (Vv) = V - Vs = 5,726 cm3 - 3,831 c,m3 = 1,894.3 cm3 Despreciando el peso del agua, tenemos que el volumen de agua ser igual a cero ( ya que numricamente son iguales)/ Vw = 0 Vg = Vv - Vw = 1,894.3 cm3 - 0 = 1,894.3 cm3 Diagrama de Fases para la arena en estado ms denso: Vg=1,894.3 Wg=0 Vv=1,894.3 Vw=0 Ww=0 V=5,726 W=10,154 Vs=3,831.7 Ws=10,154 Nota : Todos los volmenes en centmetros cbicos (cm3) y los pesos en gramos (g). Repetimos los explicado anteriormente para la muestra vertida en su estado ms suelto posible y obtenemos los siguientes resultados : W = 9,263 g W = 9,240 g W = 9,215 g W = 9,137 g W promedio = (36,855 g /4) = 9,214 g

El peso del material suelto se obtiene restndole al W promedio el peso del recipiente : 9,214 g - 511 g = 8,703 g Usando el peso especfico de la arena, dato que nos fue suministrado, gs=2.65 g/cm3, podemos determinar el volumen de material> Vs = W / gs = 8,703 g / 2.65 g/cm3 = 3,284.15 cm3 Volumen de vacos (Vv) = V - Vs = 5,726 cm3 - 3,284.15 cm3 = 2,441.85 cm3 Despreciando el peso del agua, tenemos que el volumen de agua ser igual a cero ( ya que numricamente son iguales)/ Vw = 0 Vg = Vv - Vw = 2,441.85 cm3 - 0 = 2,441.85 cm3 Diagrama de Fases para la arena en estado ms denso: Vg=2,441.85 Wg=0 Vv=2,441.85 Vw=0 Ww=0 V=5,726 W=9,214 Vs=3,284.15 Ws=8,703 Nota : Todos los volmenes en centmetros cbicos (cm3) y los pesos en gramos (g). eo = (Vv/Vs)=2441.85cm3/3284.15cm3)=0.744 La relacin de vacos del material en estado natural fue suministrada : e = 0.71. Por tanto : Dr = ((eo - e) / (eo - e mn)) * 100 = (0.744-0.71)/(0.744-0.494))*100 = 13.6% Ejercicio nmero 3 Ejercicio nmero 4 Ejercicio nmero 5 Ejercicios propuestos 1.- Una muestra correspondiente a un estrato, saturado, de arcilla limosa tiene 309.3 g de peso y 185.1 cm3 de volumen; al ser secada al horno reduce su peso a 197.1 g. Determine su relacin de vacos y peso unitario natural. Respuesta: e = 1.54 Yuh = 1.67 g/cm3 2.- Los integrantes del subgrupo V. promocin 1976, procesaron la muestra nmero 2 de un proyecto de urbanizacin de Santo Domingo, determinndole, tallada, un peso en estado natural igual a 314.6g y un volumen total de 161.01 cm3, pesando el espcimen -despus de secado al horno- 278.1 g. Compute todas las propiedades fsicas fundamentales (w, e, n, Sr, Yuh, Yus) suponiendo un peso especfico de partculas slidas igual a 2.75g/cm3.

Respuesta: W = 13%, e = 0.59, n = 37.19%, Sr = 60.96%, Yuh = 1.95g/cm3, Yus = 1.73 g/cm3 3.- Determine la densidad relativa de una muestra de arena ensayada en un recipiente de 3050 g de peso y 0.1pies3 de volumen, obtenindose los siguientes resultados. Peso del recipiente + material denso = 7782 g 7792 g 7782 g 7932 g Peso del recipiente + material suelto = 7139 g 7145 g 7139 g 7176 g Nota : Asuma peso especfico de partculas slidas igual a 2.65 g/cm3, relacin de vacos igual a 0.78 y desprecie el peso del agua. Respuesta: Dr = 18.7% 4.- Una muestra de arcilla limosa, inorgnica, procedente del subsuelo de un rea ubicada en la calle Independencia de la ciudad de La Vega tiene en estado natural un contenido de humedad igual a 28.5 por ciento y un peso unitario de 1517Kg/cm3 as como un peso especfico de 2.75 g/c3. Resuelva su diagrama de pesos y volmenes, determinando luego su relacin de vacos, grado de saturacin y peso unitario en estado seco. Respuesta: e = 1.33 Sr = 59% Yus = 1.181 g/cm3 5.- Una muestra de arcilla orgnica con restos de vegetales, situada por debajo del lecho del ro Haina, con un volumen de 374.0 cm3 tiene un peso natural de 571.3 g que posteriormente se redujo a 325.5g al ser secada en horno a temperatura de 105C. Compute el peso especfico de partculas slidas, contenido de humedad, relacin de vacos y pesos unitarios en estado hmedo y seco. Respuesta: Ys = 2.54 g/cm3 W = 75.5 % e = 1.92 Yuh = 1.528 Kg/m3 Yus = 870 Kg/m3 6.- Un espcimen de arena tiene en estado natural en peso unitario seco igual a 1580 Kg/m3, habindose determinado en laboratorio pesos unitarios en condicin de contenido de humedad nulo, tambin, iguales a 1510 y 1655 Kg/m3 para los estados ms sueltos y ms compacto, respectivamente. Si el peso especfico de la arena result ser de 2.65 g/cm3 determine su densidad relativa. Tiene un buen grado de compacidad natural? Respuesta: Dr = 50.65 % - medianamente densa 7.- Determine todos los ndices fsicos de un espcimen cilndrico de 7.5 cm. de dimetro y altura de 15.0 cm., que en estado natural pes 1.405 Kg. si al secarse en horno a 105 C su peso se redujo a 1.217 Kg; siendo su peso especfico de partculas slidas igual a 2.75 g/cm3. Qu cantidad de agua tendra que hacerse penetrar en los vacos para saturar la muestra? Respuesta: Sr = 85.4% W = 15.4% Yuh = 2.120 Kg/m3 Yus = 1,836 Kg/m3 e = 0.50 n = 0.3322 cantidad de agua a adicionar 32.13 cm3.

8.- Una muestra de arcilla de 141.7 gramos de peso, desplaza un peso de mercurio igual a 1789.76 g: reduciendo su peso, una vez secada al horno, a 85.6 g. Suponiendo su peso especfico de partculas slidas igual a 2.744 g/cm3, derive sus propiedades fsicas fundamentales. Respuesta: W = 65.5 % Sr = 55.66% Yuh = 1.074 g/cm3 Yus = 0.649 g/cm3 e= 3.23 n = 0. 7636 9.- Se dispone a una muestra de laboratorio de forma cbica cuyas dimensiones son 12.41 cm de largo, 8.18 cm de ancho y 25.01 cm de alto. Si el peso total de la muestra en estado seco es de 4.002 Kg, el contenido de humedad natural de 29.92 por ciento y el peso especfico de slidos de 2.800 t/m3, determine todos sus ndices fsicos, sealando la cantidad de agua necesaria para que la muestra se sature. Respuesta Sr = 82.67% Yuh = 1.938 Kg/m3 Yus = 1.576 Kg/m3 e = 0.78 n = 0.437 cantidad de agua a adicionar 192.31 cm3 10.- Un suelo en estado natural tiene un relacin de vacos igual a 1.23, un grado de saturacin de 67 por ciento y un peso especfico de partculas slidas equivalente a 2.79 g/cm3 a) determine su contenido de humedad y peso unitario en estado natural b) compute la cantidad de agua necesaria para saturar un metro cbico de suelo Respuesta: W = 29.54 % Yuh = 1.621 g/cm3 cantidad de agua necesaria = 0.182 m3 UNIDAD 4 Granulometra 4.1 Clasificacin del M.I.T., Simbolismo grfico Pese a que los diferentes rangos de tamao de las partculas de suelo han sido nombrados con trminos de igual significacin mundial, son muchas las clasificaciones establecidas fundamentadas en lmites arbitrarios y ligeramente desiguales para los tamaos de los corpsculos. De ellas presentaremos el ordenamiento del Instituto Tecnolgico de Massachusetts (M.I.T.), representado a continuacin en la figura 4.1 donde se incluye el simbolismo grfico frecuentemente utilizado en el pas. Clasificaremos como grava a todo elemento granular compuesto por grandes granos minerales, cuyo dimetro sea mayor que 2.0 mm. Si el dimetro del elemento sobrepasase los 75mm., lo llamaramos bolo. De igual forma clasificamos como arena al suelo compuesto de partculas minerales cuyo dimetro vara entre 2.0 y 0.06 mm. Las arenas y las gravas son llamados suelos gruesos. Un suelo cuyo dimetro de partculas estuviera en el entorno comprendido entre 0.06 y 0.002 mm. se considerara un limo y pertenecera a los suelos finos. Su textura se advierte al tacto como la de la harina de trigo. Las arcillas son suelos muy finos cuyo dimetro de partculas es menor de 0.002 mm., siendo cualquier partcula de dimetro menor de 0.002mm. Considerada como coloide. El tamao de las arcillas y los coloides es microscpico. En el principio, durante los comienzos de la investigacin de las propiedades de los suelos, se pens que la distribucin de los diferentes tamaos de las partculas constituyentes de un material era la piedra filosofal de la mecnica de suelos, creyndose as que las propiedades fsico-mecnicas de los suelos

dependan nicamente de su granulometra. En la actualidad, sabemos que su importancia en la determinacin del comportamiento de los materiales es grande, pero no decisiva. La granulometra se define como la distribucin de los diferentes tamaos de las partculas de un suelo, expresado como un porcentaje en relacin con el peso total de la muestra seca. Aprenderemos a utilizarla como un instrumento en la clasificacin de los materiales, ya que la descripcin por tamao tiene especial inters en la seleccin de materiales para rellenos de carreteras y presas, los cuales requieren materiales con graduaciones determinadas. 4.2 Anlisis granulomtrico por tamices Nuestras herramienta principal de trabajo para este proceso es la malla o tamiz. Existen dos escuelas, claramente diferenciables, en cuanto a la forma en s del tamiz: la escuela alemana y la escuela norteamericana. La escuela alemana utiliza una plancha metlica agujereada, mientras que la escuela norteamericana forma la malla con hilos metlicos dispuestos en forma de cuadrcula (vase figura 4.2). No puede afirmarse en ningn momento que una escuela sea superior a la otra en esta aspecto; cada una tiene sus ventajas, como tambin sus desventajas. Las mallas alemanas tienen la bondad de presentar orificios circulares que se asemejan ms a la forma de las partculas que el cuadro de las mallas norteamericanas. Ahora bien, las planchas agujereadas presentan zonas ciegas, donde puede quedar retenido material que de otra manera hubiera pasado, quedando este efecto reducido a un mnimo en las mallas norteamericanas. Ya se utilice una o la otra, siempre debe tenerse la precaucin de no mezclar ambas normas, advertencia que puede ser aplicada a todas las ramas restantes de la ingeniera civil. Dentro de la escuela norteamericana, podemos distinguir dos tipos de tamices: La serie Tyler: en este juego de tamice, cada malla tiene una separacin veces mayor que la del cedazo prximo menor y su designacin numrica corresponde al nmero de aberturas por pulgada lineal. La serie U.S. Standard: a diferencia de la serie anterior, los nmeros que designan a cada tamiz son inversamente proporcionales al tamao de las aberturas. Por ejemplo : un tamiz Nm. 200 tiene aberturas igual a la mitad de las correspondientes a la malla Nm. 100. Cuando las mallas son muy gruesas, usamos para su identificacin la separacin entre hilos. En nuestro laboratorio usaremos la serie U.S. Standard. Estas mallas son fabricadas con mucho rigor en acero inoxidable o bronce y se montan en unos aros del mismo material. En estos aros vamos a tener un rtulo o chapa donde el fabricante imprime el nmero del cedazo y el tamao de la abertura. Existen tamices de forma y tamao diversos que dependen del volumen de la muestra a procesar, siendo el ms utilizado, de ocho pulgadas de dimetro. Dichos cedazos se utilizarn de forma acoplada como se muestra en la figura 4.3, por lo que tienen unas pestaas troqueladas en ambos extremos, de forma tal que pueden ser enchufados entre s para formar una batera de mallas. Como elementos distintos tenemos una tapa en la parte superior y un recipiente con fondo de chapa metlica que sirve de colector y que se designa frecuentemente por el vocablo ingls, "pan". La seleccin de los cedazos se hace en forma ordenada de manera tal que podamos recabar toda la informacin necesaria, la cual ser mayor mientras ms cedazos utilicemos.

4.3 Representacin grfica semi-logaritmica acumulativa Para representar grficamente la distribucin de los diversos tamaos de partculas que contiene una muestra de un material, har falta seguir un proceso de ensayo granulomtrico por cedazos. Nuestro primer paso ser la seleccin de la muestra a ensayar, proceso ya descrito en el acpite 3.7 de este Manual. Esta muestra, luego de determinado su peso, se coloca en su totalidad, seca, en la malla ms gruesa de nuestra batera de tamices y al vibrar el conjunto de mallas, conseguiremos que cada corpsculo se quede en la malla de tamao menor al de su dimetro. Esta vibracin se logra mediante un aparato accionado por una manivela, como el que se muestra en la figura 4.4, o bien mediante el vibrador mecnico mostrado en la figura 4.5 y se continuar hasta lograr que no quede en ninguna malla una partcula de dimetro menor a la de la abertura correspondiente. En cada tamiz, tendremos, pues, la cantidad de elementos cuyo tamao sea inmediatamente superior al del cedazo correspondiente. Conviene aclarar que la labor previa a la realizacin de este ensayo es la limpieza de las mallas con aire a presin o con un cepillo metlico, la cual no es menester que sea muy rigurosa puesto que las partculas que le queden adheridas estarn incluidas en el peso del cedazo. Se pesa cada cedazo con una precisin de dcimas en gramo, registrndose el peso del cedazo vaco. Luego, se determina el peso del cedazo, ms el material retenido en l; con lo que se obtiene el peso del material retenido mediante una simple diferencia de pesos, valor con el cual se determina el porciento de material retenido mediante la siguiente expresin: Por ciento de material retenido = peso de material retenido/peso de material empleado) * 100 Para facilitar los clculos, muchas veces se elige el peso de material seco empleado igual a un mltiplo de cien, ya que si en el denominador de la expresin anterior tenemos 1000 gramos, por ejemplo, el por ciento de material retenido se obtiene con slo dividir el peso de material retenido por diez. Sin embargo, debe cuidarse la no alteracin de la muestra en la bsqueda de la simplicidad de cmputos, sobre todo en el caso de materiales que contengan partculas finas. Tericamente, la suma de los pesos retenidos en cada malla debe ser igual al peso inicial, pero sta se ve afectada por los factores de error. Consideraremos el trabajo aceptable cuando el error por exceso o defecto sea menor de 3%. En el caso de que estemos trabajando con una muestra cuyo peso seco empleado sea de 1000 g y la suma de pesos de material retenido sea de 998g, el trabajo est pragmticamente bien; y la diferencia de 2 g se reparte " a sentimiento " entre los pesos mayores. Con este control de aceptacin del ensayo y con el error distribuido, la suma de los por cientos de material retenido debe resultar igual a 100%. Al hacer el grfico, remate del ensayo, se puede trabajar indistintamente con el porcentaje acumulativo retenido o el porcentaje ms fino, correspondiendo este ltimo al complemento en 100 del material retenido. Con slo observar las grficas representadas en la figura 4.6, podemos obtener una idea cualitativa del tipo de material, ya que los tramos horizontales tienden a representar caresta de tamaos y los tramos verticales, predominio de determinado dimetro de partculas. Por lo tanto, el material mejor graduado sera aquel cuyo grfico granulomtrico fuera una lnea recta desde el lmite superior de la izquierda hasta el lmite inferior de la derecha.

4.4 Parmetros: dimetros efectivos y coeficientes de uniformidad y curvatura Un anlisis cuantitativo del grfico granulomtrico semilogaritmico acumulativo exige el uso de parmetros, tales como: D10: tamao mximo de las partculas que constituyen la porcin 10% ms fina del suelo. Recibe el nombre particular de dimetro efectivo. D30: tamao mximo de las partculas que constituyen la porcin 30% ms fina del suelo. D60: tamao mximo de las partculas que constituyen la porcin 60% ms fina del suelo. Estos dos ltimos parmetros no tienen nombres literales y el de dimetro efectivo fue ideado por Allen Hazen. Su obtencin es muy sencilla: consiste en trazar abcisas por los porcentajes 10,30 y 60 de material pasante hasta intersecar la curva granulomtrica semilogartmica acumulativa. Los dimetros correspondientes a los puntos de interseccin sern, respectivamente, D10, D30 y D60. Estos parmetros servirn para la obtencin de los coeficientes de uniformidad y curvatura que definen cuantitativamente la graduacin de los materiales granulares. El coeficiente de uniformidad (Cu) es la razn por cociente entre D60 y D10. No tiene valores lmites. Cu = D60/D10 Esta idea fue producto de Allen Hazen para clasificar arenas de filtro rpido de acueductos. A medida que D60 se aleja ms de D10, aumenta el coeficiente de uniformidad, lo que significa que mejora la graduacin del material. Si, por el contrario, son muy parecidas, tenemos un material mal graduado cuya grfica tiende a una lnea vertical. De modo que Cu mide la mejor representacin de tamaos. En arenas graduadas: Cu >6, mientras que las gravas bien graduadas son aquellas en las que Cu > 4. Podra ser que entre los puntos D60 y D10 el grfico tuviera algunas sinuosidades, por lo que conviene tener una medida intermedia que es lo que persigue el coeficiente de curvatura (Cc), denominado as porque se est controlando la curvatura o rectitud del grfico en ese intervalo. Cc=(D30^2)/(D10 x D60) La experiencia indica que materiales bien graduados poseen un coeficiente de curvatura fluctuante entre 1 y 3. Lavado por la malla Nm. 200 El tamiz nm. 200 tiende a dificultar el paso de partculas de materiales muy finos, pues stas al agrumarse parecen tener dimetros mayores que los reales. Por esta razn, haremos uso del lavado por la malla nm. 200 que consiste en verter la totalidad de la muestra previamente seleccionada en dicho tamiz y adicionarle agua hasta que se advierta que sta sale clara, sin contener

partculas (vase figura 4.7). Esta agua tiende a lubricar los pequeos granos, evitndose as la formacin de grumos. El material pasante se ir con el agua, perdindose el control de aceptacin del ensayo. Para evitar esto, se pudiera recoger el agua, decantarla y evaporarla obtenindose luego el peso de material pasante; proceso que resultara tedioso por lo que corrientemente adjudicamos al tamiz nm. 200 el error cometido en el ensayo. Clasificaciones literales Los trminos principales para describir en suelo utilizados por el ingeniero civil son grava, arena, limo, y arcilla. La mayora de los materiales en su estado natural son una mezcla de uno o ms de estos constituyentes y muchos contienen materia orgnica en un estado parcial o totalmente descompuesto. A la mezcla se le dar el nombre del elemento constituyente que tenga la mayor influencia sobre su comportamiento y los restantes se indicarn como adjetivos. As, una arcilla limosa tiene predominantemente las propiedades de la arcilla, pero contiene una cantidad, entonces se citan los elementos separados por la conjuncin "y" sin que importe el orden de aparicin. Suele ocurrir que en algunos materiales aparecen constituyentes en muy poca cantidad, casos en los cuales se utiliza el trmino "trazas". Un limo arcilloso con trazas de grava sealar que la cantidad de grava es despreciable. Ejemplo de granulometra por mallas Se desea construir un proyecto de presa en nuestro pas, para el cual se han tomado muestras en diferentes puntos de una mina. Convenimos en elegir, para los fines de este ejemplo, una muestra localizada prxima a un corral. 1.-Se pesa la totalidad de muestra representativa seca con una precisin de dcimas de gramos, obtenindose 1378.5g. Este material se somete a un lavado por la malla nm. 200, en la cual queda retenida una porcin de suelo cuyo peso resulta igual a607.0g. Lgicamente, la diferencia en peso entre el material en estado seco y luego de lavado es el suelo pasante por dicha malla, que se fue con el agua; o sea, que el peso de suelo retenido en el "pan" resulta de 771.5g. 2.- Hacemos pasar la porcin de material retenida en la malla nm. 200 por la batera de cedazos mostrada en la figura 4.3, de la cual tomaremos el nmero que cada tamiz lleva impreso en su rtulo y lo anotaremos en la primera columna del formulario que se presenta a continuacin. Los valores correspondientes a las aberturas del cedazo pueden tomarse de la tabla incluida en el apndice de esta unidad. El paso sucesivo de la muestra de suelo a travs del juego de tamices provoca la retencin de las partculas de tamao inmediato superior al de la abertura. 3.- Habiendo determinado previamente el peso de cada uno de los cedazos seleccionados para el ensayo, procederemos a pesar los cedazos con materiales retenidos no es ms que el peso del cedazo ms material menos el peso del cedazo. Para el colector o "pan" tenemos: 403.7 g. - 403.4 g. = 0.3 g. esta diferencia se debe a errores cometidos en el ensayo, ya que si estamos ensayando material retenido en la malla nm. 200 despus del lavado, no debe caer nada al "pan". Como estos 0.3 g. slo representan un 0.2% del peso de la muestra total, lo que hacemos es que sumamos los 0.3 g. con los 771.5 g. pasante y colocamos 771.8 g. como peso de suelo retenido en el colector. 4.- Se determinan los porcentajes que los pesos de suelo retenido representan respecto al peso de la muestra total. Para el tamiz nm. 3/8, por ejemplo, el porcentaje retenido es:

(141.7/1378.5) x 100 = 10.28% 5.- Los valores tabulados en la penltima columna se determinan mediante la suma acumulativa de los porcentajes retenidos en todas las mallas de mayor tamao. As notamos que para el cedazo nm. 4, el porcentaje acumulativo retenido es de 16,74% , igual a la suma de 0.00%, 10.28% y 6.46%. Si a 100% le vamos sustrayendo los ltimos valores obtenidos, determinaremos los porcentajes ms finos; de modo que el complemento en 100% del porcentaje acumulativo retenido, da el porcentaje de suelo menor al tamao representado por la malla de que se trate. 6.- Completado el formulario descrito, pasamos a la representacin grfica semilogartmica mostrada en la figura 4.8 cuyos puntos se localizan fcilmente por medio de los valores tabulados en la primera y ltima columnas. 4.5 Cantidades de los diferentes rangos de partculas A partir de la representacin grfica semilogartmica acumulativa, es posible determinar las cantidades de los diferentes tamaos de partculas mediante un simple proceso grfico. Por los puntos de interseccin de las ordenadas correspondientes a los valores lmites de la clasificacin M.L.T. y la curva granulomtrica, trazamos rectas horizontales, determinndose en la escala vertical los porcentajes da la amplitud del intervalo en correspondencia con las cantidades de los tamaos de partculas del suelo ensayado. Si escogemos la curva de un material bien graduado representada en la figura 4.6 y realizamos el proceso anterior, obtenemos los siguientes porcentajes para las lneas horizontales de trazos: 100%, 82%, 49%, 23%, y 0%; de modo que los valores buscados son: Cantidad de grava : 100.0% - 82.5% = 17.5 % Cantidad de arena : 82.5% - 49.0% = 33.5 % Cantidad de limo : 49.0% - 23.0% = 26.0 % Cantidad de arcilla : 23.0% 0.0% = 23.0 % Evidentemente la suma de los porcentajes resultantes debe ser igual a 100%. Cedazos de bronce de 8" de dimetro Designaciones U.S.S.-ASTM Tamao o nmero del cedazo Abertura del cedazo milmetros pulgadas Serie Gruesa 4 101.6 4.00 3-1/2" 88.9 3.50 3" 76.2 3.00 2-1/2" 63.5 2.50 2" 50.8 2.00 1-3/4" 44.4 1.75

1-1/2" 38.1 1.50 1-1/4" 31.7 1.25 1" 25.4 1.00 7/8" 22.2 0.875 3/4" 19.1 0.750 5/8" 15.9 0.625 1/2" 12.7 0.500 7/16" 11.1 0.438 3/8" 9.52 0.375 5/16" 7.93 0.312 Serie Fina 3-1/4" 6.35 0.250 3-1/2" 5.66 0.223 4 4.76 0.187 5 4.00 0.157 6 3.36 0.132 7 2.83 0.111 8 2.38 0.0937 10 2.00 0.0787 12 1.68 0.0661 14 1.41 0.0555 16 1.19 0.0469 18 1.00 0.0394 20 0.84 0.0331 25 0.71 0.0280 30 0.59 0.0232 35 0.50 0.0197

40 0.42 0.0165 45 0.35 0.0138 50 0.297 0.0117 60 0.250 0.0098 70 0.210 0.0083 80 0.177 0.0070 100 0.149 0.0059 120 0.125 0.0049 140 0.105 0.0041 170 0.088 0.0035 200 0.074 0.0029 230 0.062 0.0024 270 0.053 0.0021 325 0.044 0.0017 400 0.037 0.0015 Cuestionario 1.-Defina o explique brevemente: a) Curva granulomtrica acumulativa. b)Coeficiente de uniformidad. c)Dimetro efectivo. d)Limo. e)Coeficiente de curvatura. f)Control de errores en la prueba granulomtrica por mallas. Ejercicio resuelto Determine con los siguientes datos de laboratorio incompletos wi coeficiente de uniformidad, el coeficiente de curvatura y los diferentes rangos de partculas. Ejercicio propuesto Supongamos que nos llegue al laboratorio un muestra de arena con la finalidad de determinar si la misma puede usarse como filtro en un proyecto de acueducto. Para ello, precisaremos de un ensayo granulomtrico por mallas que hemos de

computar y graficar con los datos presentados a continuacin. Determine: D10, D30, D60,Cu, Cc. UNIDAD 5 Anlisis mecnico por sedimentacin El mtodo que trataremos establece un procedimiento para la determinacin cuantitativa de la distribucin de los tamaos de partculas en los materiales finos, no posible mediante el ensayo de tamices. El cedazo de menor abertura que se puede utilizar en el laboratorio es el nm. 200, cuyas separaciones entre hilos de 0.074 mm permiten el paso de toda la arcilla y el limo y hasta algo de arena fina, sin que podamos diferenciar sus cantidades presentes en el suelo. Para obviar estas dificultades emplearemos un anlisis basado en la medicin de las velocidades de sedimentacin de una esfera en un medio fluido, estudiadas por el fsico G.G. Stokes en 1850. 5.1 Ley de Stokes Stokes determin que la velocidad de cada de una esfera perfecta en un medio fluido es directamente proporcional a la diferencia de los pesos especficos de la espera y el lquido, y al cuadrado del dimetro de la esfera, e inversamente proporcional a la viscosidad de la masa lquida. Estableciendo as la siguiente expresin analtica: v = (Ys - Yw )/18m) * D donde: V : velocidad de cada de la esfera [ cm/seg] Ys: peso especfico de la esfera que se considera [ g/cm3] Yw: peso especfico del medio fluido [ g/cm3] m : viscosidad del medio fluido [g. seg/cm] D : dimetro de la esfera [cm] De esta frmula, podemos despejar el dimetro de la esfera que se sedimenta: D = (18 - (Ys-Yw)) * v . : D = RAIZ ( (18 - (Ys-Yw)) * v ) Sabemos que la velocidad no es ms que el espacio recorrido en una unidad de tiempo, en consecuencia, si designamos el espacio recorrido por z y el tiempo por t, la frmula se transformara en : D = RAIZ ( (18 - (Ys-Yw)) * (z/t) ) Una ltima sustitucin ser necesaria para emplear la velocidad en poises. 1 poise = (1 dina + 1 seg ) / 1 cm 1 dina = (1 / 980 ) g . : 1 poise = (1 / 980) * (g*seg)/cm) Luego, la expresin anterior para el dimetro de la esfera que sedimenta ser : D = RAIZ ( ((18/980) - ( / (Ys-Yw)) * (z/t) ) Si suponemos esfricas las partculas finas de un suelo, la expresin anterior nos dar el dimetro de ellas en funcin de su velocidad de sedimentacin. Para poder separar los porcentajes de cada tamao de partculas, recurriremos al ensayo por hidrmetro.

5.2 El hidrmetro de Bouyoucos Este aparato, que se observa en la figura 5.1 ser nuestro instrumento principal de trabajo. El hidrmetro est fabricado en cristal y consta de un tallo que contiene una escala numerada y de un bulbo, en cuya parte inferior se encuentra un lastre. El hidrmetro de Bouyoucos no es ms que un densmetro al cual se ha colocado una escala capaz de medir gramos de suelo en suspensin. 5.3 Proceso de laboratorio El material a ensayar se seca rigurosamente y se pesa. Utilizaremos suelo pasante por alguna malla fina ( nm. 200, 100, 80 , 40, etc. ) en pesos no mayores de 60 g para no sobrepasar la capacidad del hidrmetro. La muestra se coloca en un vaso de laboratorio, aadindose a continuacin un agente dispersante que evita la formacin de grumos por las partculas del material. Este proceso ser convenientemente explicado en el prximo acpite. A seguidas, aadimos un poco de agua, agitndose la mezcla resultante para hacerla homognea y se deja en remojo por un mnimo de 18 horas. Nuestro siguiente paso ser lograr la dispersin de las partculas, para lo cual nos valdremos del aparato agitador, mostrado en la figura 5.1, consistente bsicamente, en una batidora de jugos. Consta de un motor elctrico colocado convenientemente, que hace girar un eje vertical diseado para este fin. Al cabo del perodo del remojo, la muestra a mover se coloca en un recipiente de la batidora, eliminando cualquier residuo adherido al vaso con un chorro de agua producido por un frasco lavador como el que se muestra en la figura 5.1. Se aade agua destilada o desmineralizada, si fuera necesario, para que el recipiente se encuentre ms de la mitad lleno. Se batir por un perodo de un minuto. Inmediatamente despus de terminado el proceso de dispersiones, se transfiere la muestra a un cilindro de sedimentacin de cristal con capacidad de1000 ml, aadiendo agua destilada o desmineralizada hasta completar este volumen. Cubriendo el extremo abierto del cilindro de sedimentacin con la palma de la mano, ste se vuelve al derecho y al revs alternadamente 60 veces en un minuto para as lograr la dispersin final. Al cabo del minuto se coloca el cilindro en un lugar apropiado tomndose el tiempo inicial, dando as inicio al ensayo de sedimentacin. Se tomarn lecturas con el hidrmetro al cabo de 0.5, 1, 2, 5,15, 30, 60,120, 360 y 1440 minutos, desde el inicio. Cuando se va a efectuar una lectura del hidrmetro, ste se introduce cuidadosamente en la suspensin con 20 a 25 segundos de anticipacin, no debiendo ser tomada la lectura hasta que el instrumento haya alcanzado su estado de equilibrio. La lectura se efectuar en, la parte ms elevada del menisco formado por la suspensin junto al tallo, ya que no se pueden asegurar mediciones precisas en la parte inferior, al tratarse de lquidos con slidos en suspensin. Tan pronto finaliza una observacin, el hidrmetro se remueve cuidadosamente, de tal forma que no se altere el proceso de sedimentacin. Despus de cada lectura, se mide la temperatura de la suspensin, con precisin de dcimas de grado, insertando un termmetro en el cilindro graduado. 5.4 Correcciones por temperatura, observacin del menisco en su parte ms elevada e influencia del agente dispersante. Las partculas pequeas generalmente estn cargadas de electricidad esttica, por lo que se atraen o repelen entre s, provocando resultados errneos en la medicin. Algunos materiales formarn grumos en forma floculada, aparentando ser partculas de mucho mayor tamao que el real. Por esta razn, se utilizan los

defloculantes. Estos son compuestos qumicos que inhiben la formacin de grumos por las partculas. En su composicin generalmente toma parte el sodio. Algunos defloculantes comnmente utilizados son: Silicato de Sodio, Oxalato de Sodio, Hidrxido de Sodio, Acido clorhdrico diluido, Perxido de Hidrgeno (agua oxigenada), y Metasilicato de Sodio, siendo este ltimo el que hemos preferido en el pas. Los hidrmetros estn graduados por el fabricante para ser ledos en la parte inferior del menisco formado por el lquido sobre el tallo. De esta forma no es posible tomar la lectura adecuadamente cuando se trata de lquidos con slidos en suspensin, por lo que se ha convenido en tomar las lecturas en la parte superior del menisco y luego aplicar una correccin. Al utilizar un agente dispersante en el agua, el peso especfico (Yw) del lquido resultante ser apreciablemente mayor que el del agua destilada. Tambin ocurre que el hidrmetro est calibrado para ser utilizado a una temperatura de 20 C, producindose errores en la medicin al efectuar el ensayo a temperaturas diferentes de sta. Por tanto es necesario determinar, experimentalmente, una correccin que incluya los tres errores hasta ahora mencionados, la cual denominaremos R, y graficaremos en funcin de la temperatura. Las mediciones de estas correcciones se pueden hacer suponiendo que varan linealmente, a dos temperaturas que limiten el rango esperado de variacin de la temperatura durante el ensayo. La figura 5.2 representa un diagrama de correcciones para lecturas de un hidrmetro de laboratorio. En ella se observa la variacin casi lineal de la grfica. En la construccin de la curva anterior se realiz el proceso que explicamos a seguidas. Se preparan 1000 ml de agua y defloculante, colocndose a continuacin en el cilindro de sedimentacin ya mencionado, el cual se introducir entonces en bao de Mara, para conseguir una de las temperaturas elegidas. Cuando la temperatura del lquido se mantenga constante, se introducir el hidrmetro y se tomar la lectura en la parte superior del menisco, luego de un corto intervalo para permitir que el hidrmetro tome la misma temperatura del lquido. La correccin buscada ser la diferencia entre este valor y cero. El hidrmetro puede dar valores negativos durante la calibracin, por lo que posee una escala para tal caso. Luego se vara la temperatura y se toma la correccin correspondiente. Llamando R al sumando de correccin y R1 a la lectura del hidrmetro, la lectura corregida R, ser igual a la suma de los dos valores anteriores. R = R1+ R La expresin que nos dar el porcentaje del suelo que permanece en suspensin ser: P = ( R / Ws ) x 100 Donde: P: porcentaje de suelo que permanece en suspensin al nivel donde el hidrmetro mide la densidad de la suspensin R: lectura corregida del hidrmetro Ws : peso del suelo seco utilizado en el ensayo (generalmente 60 gramos )

El hidrmetro viene calibrado por el fabricante para materiales en suspensin cuyo peso especfico sea de 2.65 g/cm3. Los materiales a ensayar no necesariamente cumplirn con esta caracterstica, por lo se har necesaria la introduccin de un factor de correccin que designaremos por "a". As, la frmula queda transformada en la siguiente: P = ( (R. a) / Ws ) x 100 A continuacin, se presentan en forma tabulada los factores de correccin "a" dependientes de la densidad del medio en suspensin funcin del peso especfico de partculas slidas del material que se ensaya. Ys [g/cm3] a 2.95 0.94 2.90 0.95 2.85 0.96 2.80 0.97 2.75 0.98 2.70 0.99 2.65 1.00 2.60 1.01 2.55 1.03 2.50 1.04 2.45 1.05 2.40 1.07 2.35 1.08 a = ( ((2.65 - 0.9984)/2.65) x (Ys -(Ys-1)) ) Como el material que se utiliza para este ensayo no es, en todos los casos, el ciento por ciento del material total, sino el pasante por alguna malla fina elegida, tendremos que afectar el por ciento resultante de un factor que represente el porcentaje pasante respecto a la totalidad de la muestra. 5.5 Cmputos a partir de valores supuestos El dimetro de las partculas correspondientes a un porcentaje indicado por una lectura del hidrmetro, se calcular utilizando la Ley de Stokes ya estudiada, en el supuesto de que una partcula de este dimetro estaba en la superficie de la suspensin al principio de la sedimentacin, y que sta se haba asentado hasta el nivel donde el hidrmetro est midiendo la densidad de la suspensin. Desde ya estamos incurriendo en un error, pues la Ley de Stokes considera la velocidad de una esfera nica sedimentndose en una masa infinita de fluido. As, los dimetros que se calculan representan los dimetros de esferas que caeran a la misma velocidad que las partculas de suelo. Para utilizar la Ley de Stokes, en nuestro caso, ser necesaria la introduccin de valores ficticios en la frmula para obtener de este modo una expresin del dimetro como funcin exclusiva del tiempo. Ms tarde se emplearn factores que corregirn estos valores arbitrarios. Los valores que utilizaremos ser: = 0.0102 poise Z = 32.5Cm Ys = 2.65 g/cm3 Yw = 0.9984 g/cm3 (correspondiente a una temperatura de 19.4 C.) Luego, la frmula que nos dar el dimetro en funcin del tiempo ser: Dp = RAIZ ( ((18*0.0102)/(980*(2.65-0.9984))) * (32.5/t) ) = f(t) donde Dp : dimetro en centmetros de la partcula que se sedimenta. T: tiempo en segundos que media entre el inicio del proceso de sedimentacin y el instante en que efectuaremos la lectura del hidrmetro. En consecuencia, el dimetro mximo de las partculas de suelo en suspensin, aplicando la Ley de Stokes y hechas las asunciones anteriores, se presentan en forma tabulada en funcin del tiempo transcurrido. tiempo (min.) dimetro mximo de las partculas de suelo (mm) 0.50 0.086 1.00 0.061 2.00 0.043 5.00 0.027 15.00 0.016 30.00 0.011 60.00 0.008 120.00 0.006 360.00 0.003 1440.00 0.002

Las figuras 5.4, 5.5 y 5.6, nos muestran grficas donde estn situados coeficientes de correccin por elevacin del hidrmetro en la suspensin, por variacin en la viscosidad del agua y por variacin en el peso especfico de partculas slidas. A continuacin de detallar la obtencin de dichas curvas. 5.6 Correccin por elevacin del hidrmetro (KL) Este factor servir para corregir el valor arbitrario que se eligi para Z y que vara con la posicin del hidrmetro en la suspensin. El valor de Z es la distancia desde una lectura dada de la escala, hasta el centro de volumen del hidrmetro, el cual se considerar, para fines prcticos, en el mismo lugar que el centro de volumen del bulbo, pues el tallo ejercer poca influencia. En los hidrmetros este punto se encuentra a 0.42 L' es la distancia desde la lectura en la escala que se considera, hasta el extremo inferior del hidrmetro, y cuya determinacin se hace mediante dos cartabones, tal como se muestra en la figura 5.3. Todo coeficiente de correccin deber eliminar el efecto creado por el valor asumido arbitrariamente e introducir el valor real. En nuestro caso, tenemos que el valor asumido fue de 32.5 cm y el valor real de 0.42 L'. Como Z se encuentra bajo un radical, tambin lo estar su factor de correccin. KL = RAIZ ((0.42 * L)/32.5) Si preparamos el grfico del coeficiente de correccin KL en funcin de la lectura del hidrmetro, obtendremos una curva como la que se muestra en la figura 5.4, construida para el hidrmetro Nm. 81533 de nuestro laboratorio. Correccin por el peso especfico de partculas slidas (Kg) Esta correccin ser la que eliminar el error introducido al asumir el peso especfico de partculas slidas igual a 2.65 g/cm3. A diferencia de la correccin anterior, Kg no vara de hidrmetro a hidrmetro, siendo un valor universal. El coeficiente de correccin ser el valor que introduzca el peso especfico real, eliminando el ficticio. El lector puede deducir la determinacin de este factor. Kg = RAIZ ((2.65-.9984)/(Ys-.9984)) Establecidos los valores de variaciones de este coeficiente en funcin del peso especfico de partculas slidas, obtenemos la grfica que se muestra en la figura 5.5. Ser imprescindible que se determine previamente el peso especfico de las partculas slidas del suelo que se ensaya. Entrando con este valor a la grfica, obtenemos de inmediato el valor de la correccin. Correccin por la viscosidad de la suspensin (K) Al calcular el dimetro final como fusin exclusiva del tiempo, asumimos una viscosidad para el agua de 0.0102 poise. Este valor vara en funcin de la temperatura a la que se encuentre el lquida, siendo independiente del hidrmetro de que se trate. El coeficiente tendr la expresin siguiente: Km = RAIZ (m / 0.0102)

Relacionando este coeficiente con la temperatura a la que se realiza el ensayo, obtendremos el diagrama presentado en la figura 5.6. Por lo tanto, para fijar el coeficiente de viscosidad correspondiente a una lectura, entraramos al diagrama con la temperatura a que se realiz la medicin. Con todos los coeficientes ya determinados, el dimetro real de las partculas que an no sedimentan viene dado por la siguiente frmula. Dr = Dp * KL * Kg * K Donde : Dr: dimetro real de las partculas Dp: dimetro provisional KL: correccin por elevacin del hidrmetro Kg : correccin por peso especfico de partculas slidas K: correccin por la viscosidad de la suspensin 5.7 Limitaciones del mtodo de sedimentacin Se acostumbra coordinar los ensayos por mallas e hidrmetro de modo tal que resulte en el grfico granulomtrico una zona de informacin comn por ambos mtodos, siendo frecuente al llevar los resultados al papel semilogartmico, que en la citada zona no se produzca el solapado esperable. Esto sucede as por la diferencia radical en los fundamentos de los mtodos utilizados y por los errores en que se incurre en las mediciones y en la utilizacin de la Ley de Stokes. A continuacin, enumeramos las aberraciones de que adolece este mtodo: 1.- El medio del fluido o suspensin no es infinito, sino, por el contrario, bien limitado e igual a un decmetro cbico. 2.- A pesar del uso de los defloculantes, algunos corpsculos tienden a reunirse, formando grumos o flculos. 3.- Los descensos de las partculas no se efectan en libertad absoluta, sino que lo hacen chocando entre s o con las paredes de la probeta de cristal. 4.- Las partculas de distintos tamaos tienen frecuentemente orgenes mineralgicos diferentes y en consecuencia pesos especficos desiguales, utlizndose un peso especfico medio de partculas slidas 5.- Lo que se mide ciertamente es el dimetro de una partcula equivalente, esfrica, que desciende con igual velocidad que la real. Las partculas de arcilla se alejan mucho de ser esferas perfectas, siendo de forma achatada y con un espesor a veces de hasta cinco veces menor que su dimetro. Ejemplo de anlisis hidromtrico Este es una continuacin del ejemplo de granulometra por mallas explicado en la unidad anterior. La informacin recabada del uso de tamices no se extiende ms all de la malla Nm. 200, por lo que se hace necesario el empleo del anlisis hidromtrico para determinar la graduacin de los materiales finos.

Tomamos un peso (Ws) igual a 50 g de material pasante por la malla nm. 40, cuyo peso especfico de partculas slidas se determin previamente mediante el proceso explicado en el acpite 3.9 de este Manual, resultando ser de 2.81 g/cm3. Para este valor de Ys corresponde un factor de correccin "a" de 0.968. Se determin entonces que un 65.17 por ciento de la muestra total pasaba por la malla nm. 40. Este valor es importante, pues el por ciento de suelo en suspensin para determinado dimetro habr de ser afectado por el factor 0.6517 en la obtencin del por ciento del total de la muestra. La muestra a ensayar se coloca en un "beaker" y se aade a continuacin el agente dispersante que se haya elegido y en la proporcin precisa. Luego se procede a aadir un poco de agua destilada o desmineralizada y a agitar la mezcla resultante. En pos de resultados ptimos, se acostumbra a remojar la muestra durante 18 horas como mnimo, tiempo al cabo del cul se procede a la dispersin de las partculas por medio de un artificio de dispersin como es la batidora que se describi anteriormente. Concluida la dispersin, se pasa la mezcla al cilindro graduado, completndose el volumen prefijado de 1000 ml. Se toma el tiempo inicial y se procede a registrar en la primera columna del formulario que a continuacin se muestra, todos los tiempos de observaciones referidos a nuestra hora de inicio del ensayo , a las 10:24:30. Dicha lectura, efectuada con todas las precauciones ya explicadas en el acpite 5.2, es de 30.6 g/1 de suspensin. Luego, se lee la escala del termmetro que indica una temperatura de 28 C. As se llenan las cuatro primeras columnas del formulario, requirindose para la realizacin del ensayo 24 horas; o sea, que la ltima lectura corresponde a las 10.24 del da siguiente. A continuacin determinamos las correcciones de temperatura R mediante el grfico de la figura 5.2 construido para el hidrmetro nm. 81533 de nuestro laboratorio y las registramos en la columna correspondiente. Los valores tabulados en la columna identificada por lectura corregida del hidrmetro se obtienen sumando algebraicamente la lectura del hidrmetro y la correccin R, y stos pasamos a la determinacin del por ciento de suelo en suspensin ( P ) valindonos de la siguiente expresin: P = ((R * a) / Ws ) x 100 = (R x 0.968)/50) * 100 P = R x 1.936 De esta manera, si multiplicamos la lectura corregida del hidrmetro por 1.936, obtenemos inmediatamente el por ciento de suelo en suspensin. Una ltima transformacin se hace necesaria para expresar el por ciento de suelo en suspensin como por ciento total de la muestra, y consiste en afectar el primero por el factor 0.6517, que representa el porcentaje pasante por la malla 40, respecto al peso total de la coloca en la ltima columna de nuestro formulario. Los valores incluidos en la columna correspondiente al dimetro de los granos, se determinan mediante una aplicacin de la Ley Stokes y se haban tabulado en el acpite 5.3 para los tiempos considerados. Este dimetro "provisional", como la denominamos anteriormente, se ha de afectar de los coeficientes de correccin por elevacin del hidrmetro (KL), el coeficiente de correccin por el peso especfico de partculas slidas (Kg) y por el coeficiente de correccin por la viscosidad de la suspensin . Al multiplicar el dimetro provisional por cada uno de los coeficientes de correccin, obtenemos el dimetro corregido. Con estos valores y el por ciento de muestra que todava permanece sin sedimentar, equiparable con el concepto de "porcentaje pasante por una malla determinada", utilizado en el procedimiento

por tamices, podemos dibujar el grfico de la distribucin de tamaos. Ntese en la grfica la no continuidad del trazo, producto de los errores en que se incurre con la aplicacin de este mtodo. Cuestionario I.- Defina o explique brevemente: a) Hidrmetro. b) Ley de Stokes. c) Realizacin de lecturas en el hidrmetro. II.- Explique el coeficiente de correccin R a las lecturas del hidrmetro, y la determinacin del por ciento de suelo en suspensin. III.- Calcule, por Stokes, el dimetro de partculas correspondiente a cuatro tiempos de lecturas del hidrmetro, utilizando los valores arbitrarios. Indique las operaciones. UNIDAD 6 Plasticidad La plasticidad es un fenmeno inherente a los suelos de partculas muy finas, limos y arcillas, siendo el grado que de ella exhiben factor regente de su comportamiento y clasificacin. Estudiando una muestra de un suelo fino en la platina de un microscopio, se observara algo similar a la figura 6.1 La figura muestra dos partculas slidas, entre las cuales tenemos agua libre. En la periferia de las partculas tiene efecto un fenmeno elctrico superficial, ya que sta posee carga negativa y por tanto, atrae los iones positivos del agua, creando una reaccin en cadena generadora d una banda, una fina pelcula es del orden de 20,000 Kg/cm, comportndose el agua como un slido ( hielo). Debido a estas fuerzas electrostticas, el fenmeno produce una interaccin de las partculas, por lo que tienden a permanecer y moverse unidas. La plasticidad es, pues, una consecuencia directa se estos fenmenos. 6.1 Estados de Consistencia La consistencia de un suelo se define como su resistencia al esfuerzo cortante; es la oposicin que presenta la masa de suelo a que se le deforme. Dependiendo del contenido de humedad de un suelo, puede variar su consistencia. Para nuestra conveniencia se han definido arbitrariamente los cuatro estados de consistencia representado s en la figura 6.2. Una misma masa de suelo puede pasar por dependiendo de su contenido de humedad. humedad decrece de izquierda a derecha. investigaciones en 1911, en el campo de los cuatro estados de consistencia, En la figura anterior se observa que la Atterberg, quien hizo estas la agronoma.

Estado lquido est caracterizado por la condicin del suelo a fluir, es decir, que no mantiene o conserva la forma que se le da. Estado plstico: es aquel en el que el suelo se hace manejable, dcil, moldeable.

Estado slido: caracterizado o sealado por la condicin de que el suelo no reduce ms volumen, aun cuando contine el proceso de evaporacin. Todo esto va acompaado de un cambio en el tono del color, hacia un tinte ms claro. 6.2 Limite de Atterberg Las fronteras entre un estado y otro inmediato tienen que venir definidas por un contenido de humedad. As, observando la figura 6.2, quedan definidos los siguientes lmites: LL : lmite lquido LP: lmite plstico LC: lmite de contraccin Estos lmites se llaman tambin lmites de consistencia y se deben a Atterberg. El contenido de humedad de un suelo no es un elemento constante, sobre todo en suelos superficiales, donde las condiciones climticas provocan una variacin en este sentido. Sin embargo, los lmites de consistencia son independientes del clima y del contenido de humedad que pueda tener una muestra en un momento dado, siendo valores caractersticos para cada suelo. En el lmite lquido, el suelo pierde la facilidad para fluir, conservando ya la forma en que se le abandone. Constituye la posicin intermedia entre los estados lquidos y plstico. Se identifica en el laboratorio como la humedad necesaria para que una hendidura practicada en la muestra y se dimensiones precisas se cierre, en determinada longitud, cuando el espcimen se somete a una manipulacin controlada. Al alcanzar el lmite plstico, definido como la lnea divisoria entre los estados plsticos y semi-slido, el suelo abandona sus cualidades plsticas, desmoronndose cuando se moldea. La prueba correspondiente busca, por tanteos, el contenido de agua que produce la rotura de cilindros en determinado dimetro, cuando estos van disminuyendo sus dimensiones por amasado. El lmite de contraccin separa los estados semi-slido y slido, reconocindose como la humedad se saturacin cuando el espcimen, en rgimen continuo de prdida de humedad. no reduce ms su volumen aun cuando contine su proceso de desecacin. Ningn otro ensayo, por ms complejo que sea, puede decir tanto de los suelos muy finos como los lmites de Atterberg, los cuales, adems son de realizacin sencilla. Condicin general para todos los lmites de consistencia. En los ensayos que se expondrn a continuacin, siempre utilizaremos material pasante por las aberturas de la malla nm. 40, pues se considera que estas son las partculas activas de un suelo. De esta forma estamos incurriendo en un pequeo error, dado que la malla nm. 40 permite el paso de arena fina, adems de las partculas de limo y arcilla. Si se utilizara la malla nm. 200, los resultados seran ms reales, pero dado el gran cmulo de investigaciones realizadas usando la malla nm. 40, seguiremos utilizndola, tambin, a sabiendas del pequeo error de criterio que existe.

6.3 Lmite lquido Procedimiento de laboratorio (convencional) para determinar el lmite lquido Nuestro principal equipo en la realizacin de este ensayo es la Copa de Casagrande, mostrada en la figura 6.3. Este aparato no es del todo origina, pues est basado en la taza de porcelana diseada anteriormente por Atterberg. La Copa de Casagrande consiste en una taza semiesfrica de cobre que se halla acoplada a una base de goma endurecida. Tanto la semiesfera como la base de goma se encuentran reglamentadas por una serie de normas que rigen el volumen de la copa y el mdulo de elasticidad de la base de goma endurecida. Este equipo posee una manivela que, al accionarla, producir cadas sucesivas de la semiesfera sobre la base desde una altura especfica de un centmetro. La velocidad con que se accione la manivela determinar en nmero de golpes por unidad de tiempo que sufrir la copa. Esta velocidad de operacin se ha fijado en dos golpes/seg. Con el uso, la semiesfera pierde la posicin correcta, pudiendo verificarse y corregirse. El lugar donde se produce el choque de la copa contra la goma se reconoce fcilmente y en este lugar comprobaremos si la altura de cada es del centmetro reglamentario. Para ello introduciremos el ranurador (mostrado junto a la copa en la figura 6.3) entre la base y el punto brillante donde la copa golpea. El procedimiento del ensayo es de una gran sencillez en su aplicacin. En un vaso de porcelana colocamos una parte del material pasante por la malla nm. 40. A esta le adicionamos agua hasta convertir la masa en una papilla o muestra homognea, efecto logrado mediante el uso de la esptula. Con todo rigor, debera dejarse esta papilla en reposo durante 24 horas, logrndose as una homogeneidad casi absoluta, pero esto no suele realizarse. Esta papilla se coloca seguidamente en la Copa de Casagrande, mediante camadas sucesivas con el cuidado de que no queden vacos y se consiga la mayor densidad posible. Con el ranurador se trazar una hendidura en la muestra dentro de la Copa, que la dividir en dos mitades claramente. De inmediato empezamos a accionar la manivela producindose el golpeo de la Copa sobre la base de goma endurecida a la velocidad acordada. Las dos mitades de la muestra comenzarn a deformarse y a unirse, tendiendo a cerrar la ranura. Contaremos mentalmente el nmero de golpes necesarios para lograr el contacto longitudinal en media pulgada (1/2"). La muestra tendr una humedad de lmite lquido cuando haga contacto longitudinal en 1/2", exactamente al alcanzar 25 golpes, trabajando con la Copa de Casagrande en la forma establecida. Grfico de flujo (curva de escurrimiento) En un recipiente pequeo procederemos a tomar una muestra del material ensayado de la zona de cierre de la hendidura, la cual se pesar y se llevar al horno con el objeto de determinar su contenido de humedad. Este proceso se repetir con muestras de distintos contenidos de humedad. Generalmente son suficientes 5 determinaciones, cuyos resultados se grafican sobre papel semi-logartmico, tomando la escala logartmica para el contenido de humedad (ver figura 6.4). La recta determinada por los puntos graficados se conoce como lnea de flujo, y mediante ella se interpolar el valor del lmite lquido, definido como el contenido de humedad correspondiente a 25 golpes. Es necesario notar que la determinacin del lmite lquido ser ms precisa cuanto ms cercano estn los puntos obtenidos a los 25 golpes.

Mtodo rpido del Cuerpo de Ingenieros del Ejrcito Norteamericano Este mtodo fue desarrollado por una oficina de investigaciones hidrulicas y geotcnicas. Parte de la consideracin de que todos los suelos tienden a presentar lneas de flujo con igual inclinacin. Por tanto, conocida la pendiente de la lnea de flujo y un slo punto perteneciente a esa recta, queda definida la recta completa y, consecuentemente, el lmite lquido. El punto que habremos de conocer se determina utilizando el mtodo convencional. Mediante este mtodo rpido se logra una reduccin considerable en el tiempo respecto al mtodo convencional. De esta forma, el lmite lquido queda definido por la siguiente ecuacin: LL = wn (N/25)^0.121 Donde: N: nmero de golpes registrado, que deber variar necesariamente entre 20 y 30. wn: contenido de humedad para N golpes. En el apndice de esta unidad se encuentran tabulados valores de (N/25)121 en funcin de N, con el objeto de acelerar el procedimiento matemtico, aunque con el desarrollo de las calculadoras modernas su utilidad es cuestionable. Mtodo del cono ruso para la determinacin del lmite lquido El mtodo del cono ruso se basa en la resistencia a la penetracin de los suelos al alcanzar el lmite lquido. El cono de penetracin es el elemento a utilizar para determinar el esfuerzo cortante, el cual tiene una lnea graduada a 1 cm de la punta del cono. Es esta lnea la que indicar la penetracin exacta en una muestra de suelo que se encuentre en su lmite lquido. El cono mantiene su verticalidad gracias a dos esferas balanceadoras de acero unidas al cono mediante barras metlicas de 3 mm de dimetro. El cono se hace penetrar en la muestra que se halla contenida en una cpsula de cristal, la cual a su vez, descansa sobre una base de madera. Las normas indican las dimensiones y los pesos de los distintos componentes del dispositivo, esquematizado en la figura 6.5. Si la humedad que hemos dado a la muestra de suelo es la correspondiente al lmite lquido, entonces el cono penetrar en la muestra, quedando la lnea graduada en la superficie del suelo. El uso del cono ruso se limitar a la verificacin de, si en una muestra de suelo, su contenido de humedad se encuentra en, sobre o por debajo del lmite lquido, pero no constituye un dispositivo prctico para la determinacin en s de este valor, ya que se invierte mucho tiempo obteniendo por aproximaciones el contenido de humedad de la muestra, aumentndolo y disminuyndolo sucesivamente hasta lograr que coincida exactamente con el lmite lquido. 6.4 Limite plstico El lmite plstico se haba definido anteriormente como la frontera divisoria entre los estados plstico y semi-slido. En esencia, el siguiente procedimiento tiene la finalidad de cuantificar en una determinada muestra de suelo el contenido de humedad en el que se pierden sus propiedades plsticas, agrietndose cuando se moldea. Para nuestro propsito necesitaremos una placa cuadrada de vidrio con una cara esmerilada, de 15 cm de lado aproximadamente. La

superficie lisa del cristal constituir nuestro plano de trabajo y la esmerilada se colocar en contacto con la meseta del laboratorio para evitar que la placa se deslice (vase figura 6.6) Utilizando material pasante por la malla nm. 40, se hace mezcla de suelo y agua con una consistencia tal que la mezcla no se adhiera al cristal ni lo ensucie. El ensayo consistir en rolar el material sobre el cristal hasta hacer de l un cilindro. El lmite plstico se define como el contenido de agua en el cual los cilindros de suelo amasado se agrietan y rompen al alcanzar un dimetro de 3mm (1/8") Si el cilindro se agrieta antes de alcanzar el dimetro sealado, es signo de falta de humedad. De igual manera, si el cilindro se puede rolar hasta un dimetro menor del sealado, es signo de excesiva humedad. As, por tanteos sucesivos, encontramos la consistencia buscada. Luego de ensayar un volumen de muestra aceptable, los cilindros amasados son llevados a dos recipientes tapados para evitar prdidas de humedad, y pasamos a determinar el contenido de humedad de la muestra que hay en ambos recipientes. Tericamente el valor deber ser igual en ambos, pero siempre existen pequeas diferencias por lo que utilizaremos el promedio de ambos valores como el lmite plstico de dicho suelo. 6.5 Lmite de contraccin El lmite de contraccin es la frontera entre los estados semi-slido y slido, quedando definido como el contenido de agua mnimo para el cual el suelo no retrae su volumen aun cuando pierda o se evapore agua. Observando la grfica de volumen del suelo en funcin de su contenido de humedad, en la figura 6.2 al inicio de este captulo, observamos que todo suelo llega a un punto donde su volumen no decrece aun cuando el contenido de humedad siga disminuyendo. Es este punto, el contenido de humedad que deseamos cuantificar. Equipo y proceso de laboratorio El recipiente moneda: es un recipiente cilndrico pequeo de 1 cm de altura y 4.5 cm de dimetro, fabricado en porcelana o en acero nquel (vase figura 6.7). Su volumen es aproximadamente igual a 15 cm3, pero debe determinarse cuidadosamente. Para ello llenamos el recipiente con mercurio y luego lo tapamos con una placa de cristal con el objeto de comprobar que el recipiente haya sido llenado a cabalidad. De no ser as apareceran burbujas adheridas al plano inferior de la placa de cristal. El mercurio se vierte entonces en una probeta calibrada para conocer su volumen. El menisco de este metal lquido es cncavo hacia abajo y se tomar la lectura a la mitad de l. Esta medicin carece de precisin por lo que se prefiere pesar el volumen de mercurio contenido en el recipiente moneda y mediante el peso especfico del mercurio (13.56 g/cm3), conocer el volumen del recipiente. Una vez calibrado el recipiente moneda, daremos inicio a la determinacin del lmite de contraccin. Preparamos, una masa de suelo y agua cuyo contenido de humedad sea mayor al del lmite lquido de la muestra, lo cual puede comprobarse fcilmente mediante la copa de Casagrande o el cono ruso. Esta humedad inicial se designar como w1. Observando la figura 6.8, advertimos de inmediato que LC = wi - DW, El contenido de humedad inicial (wi) se determina fcilmente. Se toma el recipiente moneda y se engrasa, evitndose as que la pastilla de suelo se adhiera al molde. Seguido se toma el peso del recipiente vaco. El molde se llena mediante camadas sucesivas, cuidando de que no haya aire entrampado. Enrasado el recipiente, se lleva a la balanza y luego al horno. Al da

siguiente, con el peso seco, puede determinarse el contenido de humedad inicial que se buscaba. Nuestro problema consistir en determinar la cantidad de agua que debe perder la muestra para pasar del contenido de humedad inicial al lmite de contraccin. Debemos determinar esta variacin en el contenido de humedad (w), y para ello partiremos de la frmula del contenido de humedad. w = ( Ww / Ws ) x 100 Una variacin en el contenido de humedad vendra dada por una variacin en el peso del agua en la muestra por tanto: Dw = ( DWw / Ws ) x 100 Si consideramos el peso especfico del agua a 1 g/cm3, manteniendo las unidades correspondiente, la variacin en el peso del agua es numricamente igual a la variacin en el volumen del agua. Luego: Dw = ( DVw / Ws ) x 100 En el proceso del secado el volumen de pastilla se encoge, debido al decremento en el volumen del agua. Este fenmeno sucede hasta llegar al lmite de contraccin, a partir del cual el volumen de la pastilla permanece inalterable. De esta manera, la variacin en el volumen de la pastilla. As obtenemos: Dw = ( DV / Ws ) x 100 Nos restara cuantificar la variacin en el volumen de la pastilla (DV). Esta variacin de volumen ser igual al volumen inicial de la pastilla de suelo (que es el mismo volumen del molde que la contiene y que ya ha sido computado mediante el mercurio) disminuido en el volumen final de la pastilla de suelo, luego de secada al horno. DV = Vi - Vf De esta forma queda determinada la frmula para hallar el lmite de contraccin: LC = wi - ((Vi - Vf)/Ws) 100 donde Ws es el peso de la pastilla seca y Vf es el volumen final de la pastilla seca cuya determinacin se realiza mediante un procedimiento caracterstico. Determinacin del volumen final de la pastilla de suelo (Vf). Para obtener el volumen final de la pastilla seca, determinaremos el peso del volumen de mercurio que desaloja la pastilla al ser sumergida en l. Tomamos un recipiente cualquiera de cristal y lo llenamos de mercurio. Para verificar si el recipiente est lleno a cabalidad, se enrasa con una placa de plstico provista de tres alfileres que posteriormente servirn para hundir la pastilla de suelo. Terminado este proceso se sumerge la pastilla en el mercurio, sosteniendo la muestra con los alfileres de la placa como se muestra en la figura 6.9. La pastilla desalojar un volumen de mercurio igual a su propio volumen. Recogiendo

este volumen desalojado en un recipiente y pesndolo, podemos determinar, mediante su peso especfico, el volumen final de la pastilla. Figura 6.9 Determinacin del volumen final de la pastilla de suelo 6.6 Indice plstico (IP) El ndice plstico se define como la diferencia entre el lmite lquido y el lmite plstico para un suelo dado. IP = LL - LP Esta diferencia cuantifica la amplitud o extensin del estado plstico de un suelo, como se ilustra en la figura 6.10 Figura 6.10 extensin del estado plstico de un suelo (ndice plstico) 6.7 Consistencia Relativa (Cr) La consistencia relativa en los suelos finos es el homlogo de la densidad relativa en los suelos granulares. Est definida por la siguiente expresin: Cr = (LL - w) / (LL - LP) = (LL - w) / IP donde w es el contenido de humedad del suelo en su estado natural. Observando la frmula de la consistencia relativa, vemos que se obtienen los siguientes resultados para distintos valores de w: Cuando W >LL Cr < 0 W= LL Cr = 0 W= LP Cr = 1 W< LP Cr > 1 La consistencia relativa es un parmetro de los suelos finos que nos permite evaluar las condiciones de soporte y mantenimiento de proyectos. El siguiente ejemplo servir para ilustrar el uso de la consistencia relativa. Supongamos que se desea realizar el dragado de un canal marino para el proyecto de un puerto (vase figura 6.11). Antes de empezar la ejecucin de la obra, el contratista requerir de los servicios de un ingeniero de suelos, quien proceder a extraer muestras del lecho submarino. A estas muestras que supondremos confiables, se les determinar su contenido de humedad en estado natural (W), el lmite lquido (LL) y el lmite plstico (LP). Aplicando la frmula de la consistencia relativa, si se obtuviera un valor negativo, este nos indicara que el contenido de humedad natural est por encima del lmite lquido y que, por tanto, el suelo no conservara la forma propia, escurrindose e imposibilitando el corte y por tanto la ejecucin de la obra. Figura 6.11 Idealizacin del corte para un canal marino en el proyecto de un puerto. 6.8 carta de Plasticidad de Casagrande La carta de plasticidad elaborada por el profesor Arturo Casagrande es un elemento bsico en la identificacin y clasificacin de los suelos. La labor que realiz Casagrande fue llevar a un grfico una cantidad de muestras con slo dos parmetros, el lmite lquido y el ndice plstico. Observ que los materiales homlogos se agrupaban, existiendo as posiciones y fronteras para los distintos tipos de suelo.

Observando la figura 6.12 que nos muestra la carta de plasticidad, vemos que hay seis zonas claramente diferenciables. Estas zonas se encuentran delimitadas por tres lneas denominadas A, B, y C. La lnea A se define por la ecuacin IP = 0.73* (LL-20) . Los suelos en correspondencia con puntos que se encuentran por encima de la lnea A, se clasificarn como arcillas inorgnicas. De manera anloga, los suelos inorgnicos que correspondan a puntos que se encuentran por debajo de la lnea A se clasificarn como limos. Las lneas B y C se encuentran paralelas al eje de las ordenadas en los puntos 30 y 50 % del eje de la abcisas, respectivamente. Estas rectas dividen la carta en tres franjas verticales correspondientes de izquierda a derecha a materiales de baja, mediana y alta plasticidad. Las zonas II y III indicadas en la carta que se muestra, tienen el inconveniente de que clasifican tambin limos orgnicos y arcillas orgnicas respectivamente. Afortunadamente los materiales los materiales orgnicos son fcilmente identificables por su color oscuro, estructura esponjosa y a veces olor caracterstico. De esta manera, quedan definidas las zonas de la forma siguiente: I: Limo inorgnico de baja plasticidad II: Limo inorgnico de mediana plasticidad o limo orgnico III: Limo inorgnico de alta plasticidad o arcilla orgnica IV: Arcilla inorgnica de baja plasticidad V: Arcilla inorgnica de mediana plasticidad VI: Arcilla inorgnica de alta plasticidad En algunos textos se emplea la palabra compresibilidad en vez de plasticidad en las clasificaciones, ya que lo que es plstico, en principio, tambin es comprensible. 6.9 Ensayo de Contraccin Lineal (CL) La gran simplicidad de este ensayo compensar su falta de precisin. Para la determinacin de la contraccin, haremos uso de un recipiente en forma de barra, fabricado de latn como el que se muestra en la figura 6.13. Este recipiente prismtico mide 12 cm de largo, 1.5 cm de ancho y 1.5 cm de altura, encontrndose correctamente identificado mediante un nmero en alto relieve. Despus de haberse engrasado el molde, colocaremos en el recipiente una muestra del suelo a ensayar a una humedad aproximada a su lmite lquido en camadas sucesivas, evitndose las oquedades y vacos. El recipiente se coloca en un lugar seco por dos o tres das para obtener una disminucin gradual en el contenido de humedad y luego se lleva a secar completamente en el horno. En caso de que no se hiciera de esta manera, se correr el riesgo de que se agrietara la muestra por la contraccin brusca que resulta. Figura 6.13 Recipiente prismtico para el ensayo de contraccin lineal La contraccin lineal se define como el porcentaje de variacin en la longitud de una muestra de suelo al disminuir su contenido de humedad desde el lmite lquido hasta el lmite de contraccin, respecto de su longitud original. Su frmula es la siguiente: CL = ((Li - Lf)/Li) * 100 donde: Li : longitud inicial de la barra de suelo hmeda Lf : longitud final de la barra de suelo seca

La longitud inicial de la barra de suelo hmeda se obtiene fcilmente, siendo sta la longitud del recipiente que la contiene. Luego de seca, se podr medir la longitud final de la barra con la ayuda de un calibrador o pies de rey, sin extraer la barra del recipiente, evitndose as que se fracture. Sin embargo, ocurrir generalmente que la barra de suelo seca se comba o pandea dadas las contracciones desiguales hacindose necesario tomar un promedio de las longitudes de ambas caras, inferior y superior, de la barra. Para medir estas longitudes curvas, nos valemos de un papel, el cual se har seguir las deformaciones de la barra y que, una vez rectificado, se determinar su longitud normalmente con el calibrador. 6.10 Contraccin volumtrica (CV) La contraccin volumtrica es un dato que nos indica el porcentaje en prdida de volumen de un material al pasar su contenido de humedad de una frontera a otra. Una de estas fronteras ser el lmite de contraccin por ser la ms significativa y la otra podr ser elegida siguiendo varios criterios. Para nuestros fines, usaremos el lmite lquido, quedando as definida la contraccin volumtrica por la siguiente frmula: CV = ((VLL - VLC)/VLL) * 100 donde: CV : contraccin volumtrica VLL : volumen del suelo en el lmite lquido VLC : volumen del suelo en el lmite de contraccin. Este ensayo se realiza juntamente con la determinacin del lmite de contraccin expuesta en el acpite 6.5 de este captulo. As, refirindonos al recipiente moneda, el volumen de suelo en el lmite de contraccin ser el volumen de la pastilla seca ya determinado. Slo nos restara determinar el volumen del suelo en el lmite lquido. La figura 6.14 indica que el volumen en el lmite lquido es igual al volumen inicial de la pastilla, ya determinado, disminuido en una variacin de volumen que habremos de cuantificar. As podemos escribir la siguiente frmula: VLL = Vi - DV Esta variacin de volumen la despejaremos utilizando el mismo anlisis que se us al determinar la variacin en el contenido de humedad para la obtencin del lmite de contraccin. En el acpite 6.5 llegamos a la conclusin siguiente: DW = ( DV / Ws ) *100 Despejando de esta frmula la variacin en el volumen, obtenemos: DV = ( DW* Ws ) / 100 La variacin en el contenido de humedad que habremos de utilizar es la que existe entre el contenido de humedad inicial (wi) y el lmite lquido (LL). Sustituyendo se obtiene: DV = ( wi - LL) * Ws ) / 100 Con esta ecuacin podemos obtener el volumen del suelo en el lmite lquido y, por consiguiente, la contraccin volumtrica. VLL = Vi - ( ( wi -LL ) / 100 ) * Ws

VLL = [ [Vi - ( ( wi - LL)/100 ). Ws - Vf ] / [ Vi - ( ( wi - LL )/100 ) * Ws] ] * 100 Relacin entre la contraccin lineal y la contraccin volumtrica La figura 6.15 nos ilustra la prdida de longitud ( ) de los lados de un cubo de arista unitaria, al pasar su contenido de humedad del lmite lquido al lmite de contraccin. Asumiremos que el acortamiento en las aristas es el mismo en las tres direcciones. De esta manera la contraccin volumtrica quedar como sigue: Figura 6.15 Prdida de longitud en los lados de un cubo de arista unitaria, al pasar su contenido de humedad del lmite lquido al lmite de contraccin. CV = (0.1^3 - (1-D)^3 ) / 1^3) * 100 La contraccin lineal se define en este caso de la forma siguiente: CL = (D/1) * 100 Si despejamos de esta ltima frmula la variacin en la longitud ( ) , obtendremos: D = CL/100 Sustituyendo esta expresin en la frmula de la contraccin volumtrica obtendremos una relacin entre la contraccin lineal y la volumtrica: CV = [ 1 -(1-((CL/100)^3) ] x 100 100 De esta expresin, podemos deducir otra que nos d la contraccin lineal en funcin de la volumtrica : (CV/100) = 1 - (1 - ((CL/100)^3) 1-(CV/100) = (1 - ((CL/100)^3) RAIZ3(1-(CV/100)) = (1 - (CL/100) (CL/100) = 1 - RAIZ3(1-(CV/100)) (CL = [ 1 - RAIZ3(1-(CV/100)) ] * 100 Con esta frmula obtenemos la contraccin lineal de una forma ms precisa que con el ensayo de la barra. Apndice Mtodo simplificado del cuerpo de ingenieros del ejrcito norteamericano LL = Wn ( N ) 0.121 25 donde: LL : Lmite lquido Wn : contenido de humedad a N golpes N : nmero de golpes obtenidos utilizndose la Copa de Casagrande segn el procedimiento convencional (entre 20 y 30)

Tabla N ( N/25 ) 0.121 20 0.974 21 0.979 22 0.985 23 0.990 24 0.995 25 1.000 26 1.005 27 1.009 28 1.014 29 1.018 30 1.022 Cuestionario 1.- Defina o explique brevemente: a) Consistencia relativa. b)Lmite de contraccin y expresin matemtica para su determinacin. c)Indice plstico. Su interpretacin. d)Contraccin lineal por el mtodo de la barra. e)Carta de plasticidad de Casagrande. f)Lmite lquido. g)Anlisis de contraccin volumtrica. h)Lmite plstico. i)Sistema rpido del ejrcito norteamericano para el lmite lquido. j)Contraccin lineal deducida de la contraccin volumtrica. k)Estado de consistencia semi-slida. II.- Explique, de modo general, los estados y lmites de consistencia, sin referir los procesos de laboratorio inherentes. III.- Explique, extensamente, el proceso de laboratorio para determinar el lmite de contraccin. IV.- Determine la expresin de volumen al lmite lquido. IV.- Determine la expresin del volumen al lmite lquido en la contraccin volumtrica. V.- Prepare el grfico contraccin volumtrica - contraccin lineal de los suelos. VI.- Exprese sus impresiones del uso del cono ruso. VII.- Si Ud. fuese escultor, a qu estado de consistencia llevara el barro de moldear? Ejercicios resueltos Ejercicio nmero 1: Para el proyecto de reconstruccin de la carretera de Cotu se desean realizar los ensayos de plasticidad a diferentes muestras de suelo, de las cuales seleccionaremos para los fines de este ejercicio, la identificada con el nmero, recuperada de una profundidad de 1.80 a 2.10 m. 1.- Determinacin del lmite lquido: a) dibuje la curva de flujo en el grfico incluido en el formulario suministrado, determinando el lmite lquido por el mtodo del ejrcito norteamericano. Compare resultados. 2.-Determine la resistencia en su estado seco, utilizando los especmenes secos en el horno. 3.-Halle los valores correspondientes al lmite plstico, ndice plstico y contraccin lineal (mtodo de la barra). 4.-Determinacin del lmite de contraccin, contraccin volumtrica, contraccin lineal a partir de la volumtrica.

5.- Clasifique el material analizado por la Carta de Plasticidad de Casagrande. abulemos los valores como sigue : ensayo nmero de contenido de (N )0.121 lmite lquido nmero golpes (N) humedad (Wn) 25 ( LL) 3 27 43.08% 1.0094 43.48% 5 25 43.51% 1.0000 43.51% Si comparamos los resultados obtenidos, nmero de golpes est comprendido entre mtodo muy confiable ya que los valores de 0.5% del valor hallado por el mtodo tomando slo aquellos valores donde el 20 y 30, podemos aseverar que este es un de LL en estos ensayos difieren en menos clsico.

Clasificacin por la Carta de Plasticidad de Casagrande: Graficando el punto cuyas coordenadas son LL = 43.30 % e IP = 23.52, notamos que el material analizado cae en la zona V correspondiente a arcillas inorgnicas de baja plasticidad. Ejercicio nmero 2: Utilizando la carta de plasticidad de Casagrande, mostrada en el acpite 6.8 de este Manual, clasifique los siguientes especmenes: muestra nmero LL IP naturaleza clasificacin 1 85 50 inorgnica CH 2 33 22 inorgnica CL 3 40 10 orgnica OL 4 20 5 inorgnica CL- ML 5 70 25 orgnica OH Ejercicio propuesto 1.- Dibuje una carta de plasticidad de Casagrande y utilizndola clasifique las muestras cuyas caractersticas de laboratorio se ofrecen a continuacin: espcimen LL% LP% color 1 63 22 Castao 2 84 67 Negro 3 37 32 Castao 4 28 19 Castao 5 25 21 Castao Respuesta: CH, OH, ML, CL, CL-ML UNIDAD 7 Clasificacin por el Sistema Unificado 7.1 Composicin del sistema unificado de clasificacin El Sistema de Clasificacin Unificado de Casagrande es el de mayor aceptacin mundial y se ha ido consolidando. Fue ideado por el Dr. A. Casagrande en la Universidad de Harvard, en 1942, quien originalmente lo cre como un sistema de clasificacin de materiales para aeropuertos. Rpidamente, el Cuerpo de Ingenieros del Ejrcito Norteamericano lo adopt y le hizo algunas modificaciones para generalizarlo y as poder utilizarlo en cualquier proyecto o programa de trabajo. Una primera clasificacin divide a los suelos en dos grandes fracciones. Esta se basa en la cantidad de material que pasa por la malla Nmero 200. Si se retiene ms de la mitad del material en esta malla, se trata de un suelo de partculas gruesas, y si pasa ms de la mitad del material, lo clasificaremos como suelo de partculas finas. La clasificacin de un suelo grueso, en arena o grava, depende de la cantidad de material que pasa por la malla nmero 4.

Si ms de la mitad de la fraccin gruesa pasa por la malla nmero 4, se trata de una arena; en caso contrario, ser una grava. Si el porcentaje de finos que pasa por la malla nmero 200 es menor del 5%, los suelos gruesos vendrn designados por su buena o mala graduacin. Se considera que un suelo est bien graduado cuando los espacios dejados por los granos grandes son ocupados por los ms finos. Si el porcentaje de finos que pasa por la malla nmero 200 en los suelos gruesos fuera mayor de un 12%, stos se clasificaran de acuerdo con el contenido y naturaleza del material fino que los acompaa, ya sea limo o arcilla. Cuando la fraccin que pasa por la malla nmero 200 est comprendida en el intervalo de 5 a 12%, se tratara de un caso de frontera que requerira la utilizacin de smbolos dobles. La clasificacin de los suelos de partculas finas se har en base a la carta de plasticidad, tratada en el acpite 6.8 de este Manual. El descubrimiento principal que revel la investigacin de A. Casagrande fue que, en la representacin de los suelos en una carta como funcin solamente del lmite lquido y del ndice plstico, los suelos de partculas finas se agrupan en determinada forma, de manera que en cada zona de la carta se sitan suelos con caractersticas similares. Existen materiales altamente orgnicos cuya clasificacin se hace aparte de las anteriores. Tal es el caso de las turbas, ya definidas en el acpite 2.4 A continuacin se presenta el sistema unificado de clasificacin de suelos, en el cual la sismologa utilizada es la siguiente: G : grava (proviene del vocablo ingls gravel) S : arena (proviene del vocablo ingls sand) C : arcilla (proviene del vocablo ingls clay) M : limo (proviene de los vocablos suecos mo y mjla) O : suelos orgnicos (proviene del vocablo ingls organic) W : bien graduado (proviene del trmino ingls well graded) P : mal graduado (proviene del trmino ingls poorly graded) L : baja a mediana plasticidad (proviene del vocablo ingls low) H : alta plasticidad (proviene del vocablo ingles high) Pt : suelos altamente orgnicos (proviene del vocablo ingls peat, turba) 7.2 Datos de laboratorio o campo requeridos en el sistema unificado La tabla general en la que presentamos resumidamente el Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos, revela en conjunto que criterios de clasificacin en el laboratorio dependen exclusivamente de los ensayos granulo mtricos por tamices y de los inherentes a la plasticidad.

En el acpite anterior establecimos el porcentaje de suelos finos pasantes por la malla nmero 200 para que los suelos gruesos sean subclasificados acorde a su buena o mala graduacin, la cual viene cuantificada mediante los parmetros de coeficiente de uniformidad y curvatura. Para las gravas bien graduadas, esto significa que el coeficiente de uniformidad debe ser mayor que cuatro y, para las arenas, mayor que seis. En ambos casos, el coeficiente de curvatura debe fluctuar entre 1 y 3. Si estos requisitos de graduacin no se cumplen calificaremos el material como mal graduado. Puesto que suelos gruesos tambin se califican conforme a la naturaleza del material fino que los acompaa, si ste por aparece en un porcentaje mayor de 12 por ciento, el criterio de identificacin parte de los lmites de consistencia de Atterberg, sobre todo los lmites plstico y lquido, elementos de la carta de plasticidad de Casagrande, por lo que constituyen la base de clasificacin de los suelos finos. Como los criterios de clasificacin de suelos dependen de la caractersticas de granulometra y plasticidad, el sistema unificado ofrece la bondad d establecer bases simples para la identificacin de suelos en el campo, a los cuales podemos recurrir en los casos de que no se dispone de equipo de laboratorio. A continuacin se detallarn una serie de criterios para lograr esta identificacin sin necesidad de los artificios del laboratorio. Procedimientos de identificacin para suelos gruesos en el campo Los suelos que se compone de partculas gruesas, se identifican visualmente. Se extiende la muestra seca de suelos sobre una superficie lisa y se juzga en forma aproximada su graduacin, composicin mineralgica, el tamao de sus partculas y su forma. Para realizar esta identificacin se requiere de una gran experiencia, obtenida solamente de la comparacin de los resultados estimados con los obtenidos posteriormente en el laboratorio. Procedimientos de identificacin para suelos finos o fracciones finas de suelos en el campo Estos procedimientos se ejecutan con la fraccin que pasa la malla nmero 40 (aproximadamente 0.5 mm.). Para fines de clasificacin en el campo si no se usa la malla, simplemente se quitan a mano las partculas gruesas que interfieren con las pruebas. Dilatancia (reaccin al agitado) Despus de quitar las partculas mayores que la malla nmero 40, preprese una pastilla de suelo hmedo aproximadamente igual a 10 centmetros cbicos; si es necesario adase suficiente agua para dejar el suelo suave pero no pegajoso. Colquese la pastilla en la palma de la mano y agtese horizontalmente, golpeando vigorosamente contra la otra mano varias veces. Una reaccin positiva consiste en la aparicin de agua en la superficie de la pastilla, la cual cambia adquiriendo una consistencia de hgado y se vuelve lustrosa. Cuando la pastilla se aprieta entre los dedos el agua y el lustre desaparecen de la superficie, la pastilla se vuelve tiesa y finalmente se agrieta o se desmorona. La rapidez de la aparicin del agua durante el agitado y de su desaparicin durante el apretado sirve para identificar el carcter de los finos en un suelo. Las arenas limpias muy finas dan la reaccin ms rpida y distinta, mientras que las arcillas plsticas no tienen reaccin. Los limos inorgnicos, tales como el tpico polvo de roca, dan una reaccin rpida moderada.

Resistencia en estado seco (caractersticas al rompimiento) Despus de eliminar las partculas mayores que la malla nmero 40, moldese una pastilla de suelo hasta alcanzar una consistencia masilla, aadiendo agua si es necesario. Djese secar la pastilla completamente en un horno, al sol o al aire y prubese su resistencia rompindola y desmoronndola entre los dedos. Esta resistencia es una medida del carcter y cantidad de la fraccin coloidal que contiene el suelo. La resistencia en estado seco aumenta con la plasticidad. Una alta resistencia en seco es caracterstica de las arcillas del grupo CH. Un limo inorgnico tpico posee solamente una ligera resistencia. Las arenas finas limosas y los limos tiene aproximadamente la misma ligera resistencia, pero pueden distinguirse por el tacto al pulverizar el espcimen seco. La arena fina se siente granular, mientras que el limo tpico da la sensacin suave de la harina. Tenacidad (consistencia cerca del lmite plstico) Despus de eliminar las partculas mayores que la malla nmero 40, moldese un espcimen de aproximadamente diez centmetros cbicos hasta alcanzar la consistencia de masilla. Si el suelo est muy seco debe agregarse agua, pero si est pegajoso debe extenderse el espcimen formando una capa delgada que permita algo de prdida de humedad por evaporacin. Posteriormente el espcimen se amasa a mano sobre una superficie lisa o entre las palmas hasta hacer un cilindro de 3 mm de dimetro aproximadamente, se amasa y se vuelve a rolar varias veces. Durante estas operaciones el contenido de humedad se reduce gradualmente y el espcimen llega a ponerse tieso, pierde finalmente su plasticidad y se desmorona cuando se alcanza el lmite plstico. Despus de que el rollo se ha desmoronado, los pedazos deben juntarse continuando el amasado ligeramente entre los dedos hasta que la masa se desmorone nuevamente. La potencialidad de la fraccin coloidal arcillosa de un suelo se identifica por la mayor o menor tenacidad del rollito al acercarse al lmite plstico y por la rigidez de la muestra al romperse finalmente entre los dedos. La debilidad del rollito en el lmite plstico y la prdida rpida de la coherencia de la muestra al rebasar este lmite indican la presencia de arcilla inorgnica de baja plasticidad o de materiales tales como arcilla del tipo caoln y arcilla orgnicas que caen debajo de la "Lnea A". Las arcillas altamente orgnicas se sienten muy dbiles y esponjosas al tacto en el lmite plstico. 7.3 Bondad del sistema y alcance internacional de aplicacin Partiendo de la infinita variedad con que los suelos se presentan en la naturaleza, el sistema unificado representa un intento sistemtico de clasificacin completa desarrollado para satisfacer la necesidad de un lenguaje universal en la mecnica de suelos. Este sistema se caracteriza por la uniformidad de trminos y smbolos, permitiendo as el intercambio regional e internacional de informacin entre ingenieros de suelos y el consiguiente enriquecimiento de sus conocimientos al poder compartir sus experiencias. Desde un principio, la mecnica de suelos desarroll sistema de clasificacin, los cuales asentaron sus bases en caractersticas puramente granulomtricas. Sin embargo, el Sistema Unificado se basa en las propiedades mecnicas de los suelos, que son los fundamentos de la base de la ingeniera, ofreciendo la ventaja de que los tamices seleccionados coinciden con los normalmente empleados en cualquier ensayo granulomtrico. Otra de las razones que justifican su gran

utilizacin es que ofrece criterios simples que pueden ser manejados con informacin exclusiva de campo. Cuestionario 1.-Defina o explique brevemente: a) Turba. b) Suelos GP. c) Grupo CH en el sistema unificado. d) Diferencia entre CL y CH. II.- Explique los datos necesarios para clasificar un suelo por el sistema unificado. III.- Refiera los casos en los que se utilizan dobles en el sistema unificado de Casagrande. Ejercicio resuelto: Ejercicio nmero 1: Utilizando la carta de plasticidad de Casagrande, mostrada en el acpite anterior 6.8 de este Manual, clasifique los siguientes especmenes: Muestra nmero LL IP naturaleza clasificacin 1 85 50 inorgnica CH 2 33 22 inorgnica CL 3 40 10 orgnica LO 4 20 5 inorgnica CL - ML 5 70 25 orgnica OH Ejercicio propuesto 1.- Dibuje una carta de plasticidad de Casagrande y utilizndola, clasifique las muestras cuyas caractersticas de laboratorio se ofrecen a continuacin: espcimen LL% LP% color 1 63 22 Castao 2 84 67 Negro 3 37 32 Castao 4 28 19 Castao 5 25 21 Castao Respuesta: CH, OH, ML, CL - ML Ejercicio resuelto: Clasifique por el Sistema Unificado de Casagrande, las siguientes muestras, cuyos datos de laboratorio se ofrecen a continuacin: Nmero porcentaje pasante por malla nmero 200 porcentaje pasante por malla nmero 4 naturaleza de los finos Cu Cc lmite lquido lmite plstico resitencia en estado seco Clasificacin SUC 1 94 100 inorgnica - - 36 21 alta CL

2 14 16 inorgnica - 1 31 6 ligera GM 3 8 57 inorgnica 81.4 2.2 66 42 muy alta SW - SC 4 3 31 - 20.7 2.9 - - - GW 5 90 100 orgnica - - 65 18 alta OH Ejercicio propuesto : Clasifique por el Sistema Unificado de Casagrande, las siguientes muestras: Nmero porcentaje pasante por malla nmero 200 porcentaje pasante por malla nmero 4 naturaleza de los finos Cu Cc lmite lquido lmite plstico resitencia en estado seco Clasificacin SUC 1 88 97 inorgnica - - 71 46 muy alta 2 4 85 - 9.3 4.7 - - 3 4 34 inorgnica13.1 2.2 - - 4 90 100 inorgnica- - 56 33 muy alta 5 36 62 inorgnica41.1 4.1 - - 6 99 100 orgnica- - 72 21 media 7 16 61 inorgnica4.1 5.2 46 28 alta 8 84 95 inorgnica- - 35 18 media UNIDAD 8 Exploracin del subsuelo En el acpite 2.8 de este Manual de Ctedras, habamos visto las etapas en que se dividen las investigaciones geotcnicas: perforacin, anlisis, cmputos y diseo; y el informe. estas fases de la exploracin del subsuelo forman una ecuacin de economa en la construccin. Para el ingeniero civil, el factor econmico debe ocupar un lugar primordial en sus construcciones. En general, es aceptable invertir del 1 a 3 % del monto total de la obra en estudio geotcnicos. Como en la primera parte de la exploracin predomina el esfuerzo muscular, se acostumbra a delegar en personal tcnico, pero no profesional y esto puede crear problemas en la investigacin. Debe recordarse que la bondad de un estudio geotcnico no ser mejor que la calidad de las labores de perforacin y muestreo. El ingeniero de suelos debe tener la garanta de que las muestras hayan sido tomadas correctamente, por lo que tendr que visitar con periodicidad el lugar de la exploracin y chequear o supervisar las labores y operaciones de muestreo. Esta unidad describir las tcnicas y los instrumentos para el muestreo y las formas en que se aplican a las investigaciones para el propsito de la

construccin. Los mtodos y el material desarrollado aqu son procedimientos de uso normal y tienen aceptacin general entre los ingenieros de suelo. Sin embargo, pocas especificaciones gozan de aceptacin mundial dad la gran amplitud de condiciones que se presentan en la exploracin del subsuelo, y, en parte, debido a que la mecnica de suelos es una ciencia relativamente nueva. 8.1 Muestras alteradas y muestras inalteradas Las muestras de suelo han de ser representativas, esto es, que los especmenes han de reflejar, en forma rigurosa, las cualidades de la gran masa de suelo de procedencia. De acuerdo al tipo de muestra, podemos clasificarlas en dos grandes grupos: 1- los especmenes o muestras inalteradas 2-los especmenes o muestras alteradas La muestra inalterada ser aquella que "prcticamente no ha sufrido modificaciones ni cambios en su naturaleza. el trmino inalterado es relativo, ya que ninguna muestra puede considerarse como enteramente libre de perturbacin. En la mecnica de suelos se aplica el trmino a muestras que han sido obtenidas en una forma tal que su estructura fsica y sus propiedades permanecen inalteradas con relacin a su estado en la masa de suelo de procedencia. Por esta razn no es aceptable la distorsin o contaminacin de la muestra. La estructura del suelo, su contenido de humedad, y la configuracin han de ser preservados. Hasta ahora no se han desarrollado mtodos que permitan la extraccin de especmenes sin alteracin alguna. Son ejemplo de muestras inalteradas las muestras cbicas y las de tomamuestras de pared fina. A diferencia de las anteriores, los especmenes o muestras alteradas sern aquellas que encierran perturbaciones notorias. Los especmenes de tomamuestras partidos y las muestras de zapapico y pala pertenecen a esta clasificacin. 8.2 Excavaciones a cielo abierto Se realiza este proceso con el fin de obtener muestras cbicas con un mnimo de alteracin. No se requieren equipos especializados para esta labor, bastando un pico y una pala. Estudiado el proyecto para el que se realiza el estudio geotcnico, se determinan los puntos ms desfavorables, es decir, aquellos que soportarn la mayor carga y se localizan sobre el terreno, refirindolos topogrficamente. La excavacin se efectuar en estos puntos crticos en un rectngulo de 1.50 x 2.00, metros, dimensiones para que un tcnico pueda trabajar con relativa holgura ( ver figura 8.1 ). Mediante el pico y la pala se van extrayendo material uniformemente del rea del rectngulo de trabajo, hasta haber rebasado la capa vegetal o mantillo a los 60 90 cm de profundidad. Nos preparamos para obtener la primera muestra: sobre el piso de la excavacin se marca un cuadro de 20 a 30 cm de lado y con precaucin se van rebajando los alrededores, tallando el cuadro hasta lograr de l un cubo de suelo. Para que no se pierda la orientacin relativa del cubo en el terreno, se coloca un rtulo en su parte superior. Debe protegerse el espcimen para que ste no pierda humedad. Esto se logra revistiendo la muestra con un material sellador compuesto de partes iguales de parafina, cera de abejas y brea, unidos por calentamiento. Con una brocha se procede a aplicar capas sucesivas del aislador resultante hasta lograr un grosor aceptable. Ya estamos en condiciones de extraer el cubo de la excavacin, para lo cual nos resta suelo en forma de cono como se muestra en la figura anterior. Luego, la cara inferior se alisa y se reviste para evitar prdidas de humedad por all. Las muestras se transportarn al laboratorio con sumo cuidado para evitar alteraciones por golpes y movimientos bruscos. Por esta razn, se transportan en cajones de madera con un elemento amortiguador como es el serrn de madera, el papel o las hojas de pltano.

Figura 8.1 Excavacin a cielo abierto. Muestra cbica Pudiera pensarse que con todas estas precauciones no ocurre perturbacin alguna, pero el cambio proviene del hecho de que al quitar el suelo suprayacente de la muestra, sta pierde su confinamiento disminuyendo sobre ella la presin. Con estos efectos el material se expande, incurrindose por tanto en una alteracin. Este proceso de excavacin slo es posible en materiales arcillosos, pudindose tomara muestras sucesivas hasta una profundidad de 4 5 metros. 8.3 Tubos muestreadores de pared fina y partido Otro sistema de extraccin de muestras se basa en tubos muestreadores, los cuales pueden ser de dos tipos: el tomamuestra de pared fina, tambin llamado tubo "Shelby" y el tomamuestra partido. Su eleccin depender de la naturaleza del suelo. Tomamauestra de pared fina (tubo "Shelby") El trmino "Shelby" no es caracterstico de la mecnica de suelos; se usa para indicar que un tubo no tiene costuras, es decir, que no se advierte ninguna soldadura a su largo. Los tomamuestras de pared fina, como el que se muestra en la figura 8.2, poseen un dimetro exterior de 2 a 5 pulgadas (50.8 a 127 mm) y se construyen en materiales anticorrosivos de resistencia adecuada, con un espesor en sus paredes igual a 1/16". La longitud del tubo es de 5 a 10 veces el dimetro para penetracin en materiales arenoso, y de 10 a 15 veces en el caso de materiales arcillosos. El tubo deber permanecer circular y suave, sin abolladuras, mellas o rayados, limpio y libre de xidos y suelo. La punta se hace biselada, formando un borde cortante para facilitar la penetracin. La cabeza del tomamuestra de pared fina es un dispositivo que permite su unin a una barra o asta de perforacin. La cabeza posee dos orificios para escape de agua de 9.1 mm de dimetro mnimo y una vlvula de retencin que cumple un doble propsito: Permitir el ascenso del agua fretica o de lavado por tubera de perforacin, cuando el tomamuestra baja, e impedir su paso en caso contrario para obviar la expulsin del espcimen. El tubo se hinca en el terreno a presin esttica, de forma rpida y velocidad constante. Para esto se hincan unas anclas ( enormes sacacorchos o tirabuzones), dndoles vueltas en el lugar de la perforacin; sobre ellas se monta un cruceta en la que se apoya el gato hidrulico que produce la presin necesaria para la hinca ( vase la figura 8.3). Tomamuestra partido (tipo Raymond) Este tubo maestreado se construye con los dimetros mostrados en la figura 8.4. El tubo del dispositivo se encuentra dividido en dos mitades longitudinalmente para facilitar la extraccin del espcimen de suelo del tomamuestra, proviniendo su nombre de esta caracterstica. El zapato que aparece indicado en la figura, es de acero de alta resistencia y se repara o reemplaza cuando se hace necesario. La cabeza de fijacin posee cuatros orificios circulares de salida y contiene una vlvula esfrica para los mismos fines que en el tomamuestra de pared fina. En caso de que se utilizara otro dimetro diferente de 50.8 mm dicho valor se deber anotar en todas las hojas de registro de penetracin. Nunca deber tomarse una longitud de muestra mayor de la capacidad del tubo para no alterar el espcimen por compresin. Al utilizarse un tomamuestra "Shelby", la perturbacin que se produce a la muestra no es notoria; sin embargo, el tomamuestra partido posee un espesor de paredes tal, que al desplazarse en el terreno producir una alteracin de

consideracin en la muestra. Por esta razn, al utilizar el tomamuestra partido, no de hinca con todas las precauciones a presin estticas, pues de todas maneras resultar una muestra alterada; se opta por hincarlo a percusin, de manera ms rpida y sencilla. Generalmente se usa en materiales arenosos. Relacin de reas (Ar) M. J. Hvorslev, investigador norteamericano, estudi en 1948 procedimientos de muestreo con tubos de pared fina y observ que el grado de perturbacin producido por el tomamuestra dependa del procedimiento utilizado en su hinca. Descubri que era ms favorable hincar el tomamuestra ejerciendo una presin continua, de forma rpida y velocidad constante, que con los mtodos dinmicos, a percusin. Hincando el tubo a presin esttica, el grado de alteracin dependa de lo que l llam relacin de reas (Ar), que no es ms que la relacin por cociente entre el rea transversal del tubo del tomamuestra y el rea interior de l, expresado como un porcentaje. La figura 8.5 muestra las reas consideradas. As tenemos: Ar = (Ae - Ai)/Ai)x 100 donde: Ae: rea exterior del tubo del tomamuestra Ai : rea interior del tubo del tomamuestra Expresando las reas como funcin de sus respectivos dimetros, la expresin se transforma en: Ar = ((De - Di)/Di) x 100 donde: De: dimetro exterior del tubo Di : dimetro interior del tubo Figura 8.4 Tomamuestra partido Figura 8.5 Relacin de reas de un tomamuestra partido normal La relacin de reas de un tomamuestra partido de dimensiones normales es de 112%, mientras que para producir especmenes inalterados HVorlslev establece que este valor no debe exceder de un 10%. A medida que la relacin de reas es menor, las paredes del tomamuestra sern ms delgadas y habr una menor alteracin. Retenedores de muestras Antes de continuar con los procedimientos y tcnicas de hincar el tomamuestra, resulta informativo discutir tres tipos de retenedores de muestras que pueden resultar de suma utilidad en materiales no cohesivos. La figura 8.6 ilustra la vlvula de trampa, el retenedor de flejes y el retenedor de muestras patentado "Lad". Estos retenedores pueden ser utilizados en cualquiera de los tomamuestras explicados anteriormente. Se insertan dentro del tomamuestra, entre el zapato y el tubo, para facilitar la recuperacin de materiales sueltos o que fluyen. El retenedor "Lad" puede utilizarse incluso en arenas en ebullicin. 8.4 Equipo manual de perforacin La perforacin se realiza con el fin de recabar informacin del subsuelo. Se logra hincando, de manera disciplinada, un tomamuestra en el terreno. El equipo requerido es porttil y la accin que causa la insercin del tomamuestra en el suelo se debe nicamente a esfuerzo muscular.

Utilizaremos el tomamuestra de pared fina enroscado a una barra o asta de perforacin que contiene en su extremo opuesto una gua y un sufridor (vase figura 8.7). Un martillo, cuyo peso de 16kg resulta ser la cuarta parte del peso del martillo usado en el ensayo normal de penetracin que se explicar posteriormente, se coloca en la gua y ser el elemento generador de la energa controlada necesaria para la hinca del tomamuestra. Sobre la gua se marcar, de forma visible una indicacin a 75 cm del sufridor que sealar la altura de cada del martillo. Sobre la barra de perforacin se marcan tramos de 15cm a partir de la punta del tomamuestras, necesarios para el registro de la perforacin. Sosteniendo el conjunto en forma vertical, se inicia la perforacin levantando la masa manualmente hasta la seal, permitiendo luego su cada libre, cuidando de que no haya prdida de energa por rozamiento con la gua (vase figura 8.8). El proceso de levantar y soltar el martinete se contina en forma sistemtica, registrndose mentalmente el nmero de golpes inferidos contra el sufridor. Figura 8.7 Perforacin con equipo porttil Se observar con cada golpe del martillo, la penetracin del tomamuestra en el terreno y se anotar en un formulario, como el que se muestra en la figura 8.9, el nmero de golpes necesarios para hacer penetrar los primeros 15 cm del tomamuestra (indicados visiblemente). Este proceso contina hasta lograr una penetracin de 30 cm, registrndose tambin el nmero de golpes para lograr la insercin de los segundos 15 cm. Nos preparamos para extraer nuestra primera muestra. El primer paso ser separar el espcimen de la perforacin produciendo un movimiento de giro en la barra con ayuda de llaves inglesas como se muestra en la figura 8.10. Entonces procedemos a sacar el asta con el tomamuestra. El tubo "Shelby" estar adherido a las paredes del barreno por lo que su extraccin suele dificultarse, sobre todo a profundidades grandes. La manera ms expedita se logra mediante la aplicacin de una palanca con una llave inglesa unida al asta, haciendo apoyo sobre un trozo de madera. El tomamuestra se desenrosca de la barra de perforacin y pasamos a sacar la muestra de suelo del tubo, valindonos de un aparato como el mostrado en la figura 8.11, que se acciona de forma manual. Figura 8.8 Estudiantes de la UNPHU realizando una perforacin con equipo manual Consiste principalmente en un gato que acciona un mbolo, que se introduce en el tubo " Shelby", forzando la muestra de suelo a salir. Esta muestra, de apariencia cilndrica, se colocar en un frasco de cristal cerrado hermticamente para evitar prdidas de humedad. El frasco se identifica correctamente con rtulo que se adhiere a su exterior, y que representamos en la figura 8.12. Los frascos contenedores de muestras se van colocando en cajones de madera para su posterior transporte al laboratorio. Figura 8.9 Formulario para registro de perforacin Figura 8.10 Separacin del espcimen de la perforacin Para tomar la muestra siguiente, ser necesario limpiar de escombros la perforacin hasta la profundidad donde se dej la muestra anterior. Para ello nos valdremos de un aparato llamado cuchara de postear, cuyo nombre no es propio de la mecnica de suelos, que se utiliza en algunos pases para la insercin de postes para cercas. La cuchara de postear que se muestra en la figura 8.13, consta de dos aspas en posicin vertical, con una ligera curvatura en su parte inferior . La aspas se unen a una barra en cuyo extremo contrario se encuentra

una cruceta de madera que servir para que dos operarios puedan imprimir un movimiento giratorio a la cuchara provocando as la limpieza del orificio Figura 8.11 Extraccin del espcimen de suelo del tomamuestra de pared fina. Este proceso se repite sucesivamente, aadiendo secciones de barra de perforacin se fuera necesario, obteniendo muestras tras muestras hasta alcanzar una profundidad de 7.00 m, a partir de la cual se dificulta el proceso. El resultado de este procedimiento es una serie de muestras del subsuelo cuya alteracin, aunque mayor que la que se producira hincando el tomamuestra a presin esttica, es de poca consideracin relativamente. LABORATORIO DE INGENIERIA INVESTIGACION PERFORACION S - 1 PROYECTO Supermercado LOCALIZACION Avenida J. P. Duarte, Santiago NUMERO DE MUESTRA 12 PROFUNDIDAD 3.60- 3.90 m NUMERO DE GOLPES 19 + 22 = 41 FECHA 29- sept. - 77 PERFORISTA J.P Figura 8.12 8.5 Mquina perforadora de percusin y rotacin La mquina perforadora es un equipo ampliamente utilizado en la extraccin de muestras del subsuelo, ya sea de estratos de roca o suelo. Un equipo de perforacin es similar a otro en su diseo, pero sus diferencias generalmente van acordes con las ideas de cada fabricante en particular. La figura 8.14 nos muestras un arreglo esquemtico de una perforadora de percusin y rotacin, de uso comn, con todos los elementos esenciales sealados para su correcta identificacin. Para tener un smil sobre su tamao, puede pensarse en un "jeep". Estas mquinas no son autopropulsables, por lo que su desplazamiento se realiza en remolques o se montan sobre camiones y se mueven con gras. Figura 8.13 Cuchara de postear El tipo de base que se utilice depender principalmente de la clase de terreno donde la perforacin se est realizando y de la lgica envuelta en el transporte de la perforadora al lugar donde trabajar y su movilidad una vez en ese lugar. Esta base deber ser slida en su construccin para prevenir que se pierda la alineacin de la perforacin y siempre deber nivelarse antes de dar inicio a la labor de horadacin. Esto se logra accionando unos gatos, indicados en la figura, hasta levantar la perforadora y dejarla horizontal. Sobre la base de la perforadora, como elemento principal, encontramos un motor Otto o Diesel generador de la potencia necesaria para accionar las diversas partes del equipo. El mandril es un elemento que transforma la potencia suministrada por el motor en un movimiento de rotacin que se transmitir a un asta y a un tomamuestra para la extraccin de especmenes de roca. El montacargas o "winche" ser el responsable de proveer la fuerza necesaria para izar el martinete, 75 cm sobre el sufridor, por medio de una gruesa soga que pasa por una polea al extremo del tripis. El montacargas se utiliza en los casos de perforacin a percusin para la extraccin de muestras de suelo. Dependiendo de la perforacin, se usarn diversos tipos de astas o barras de perforacin: tipo EW, a utilizarse en equipo porttil, y los tipos AW., BW y NW para equipo mecnico. En el apndice de esta unidad se muestra una tabla de tamaos comerciales de barras de perforacin.

Camisas o tubos de revestimiento para entibar el agujero A medida que se avanza en profundidad con la perforacin, llegar un momento en que las paredes de sta no soportarn el empuje del suelo y se procede a entibar la perforacin con tubos de revestimientos de acero de alta resistencia para encamisar el agujero. El tubo de revestimiento se hincar a percusin en el terreno, con la precaucin de slo recubrir lo que ya fue perforado, y nunca ms, so pena de alterar las muestras sucesivas en su estructura. Figura 8.14 Representacin de una perforadora de rotacin-percusin, en plena labor de horadacin del subsuelo. El revestimiento ir descendiendo al terreno poco a poco, unindose longitudes de tuberas unas a otras, hasta alcanzar la profundidad deseada. Observando la figura 8.15, vemos los dos tipos de uniones para tubos de revestimiento: a tope y unin externa. De stas, la primera es ms conveniente por no ofrecer ningn obstculo a la penetracin en el suelo, mientras que la segunda ofrece una mayor fortaleza y facilidad de reparacin. Figura 8.15 Tipos de uniones de tubos de revestimiento Para facilitar la penetracin del revestimiento suele adaptrsele una cofia con un bisel en su parte inferior (vase figura 8.16). Los tubos de revestimiento se deben hincar vigorosamente al terreno utilizando un martillo de 300 a 400 libras de peso. Figura 8.16 Entibamiento del barreno Lavado del barreno Una vez llevado el revestimiento hasta la profundidad debida, pasamos a la extraccin del material suelto que ha quedado dentro de la camisa. Este proceso se lograr inyectando chorros de agua al barreno para que la presin del agua disuelva el suelo y fuerce el material a salir a la superficie. Como se ilustra en la figura 8.17, una bomba impulsa el agua a travs de un tubo de goma que se conecta a las barras de perforacin, construidas huecas para este fin. La barra termina en su extremo inferior en un pico de lavado, productor de los chorros de limpieza, apropiado para las labores de corte. A medida que la presin de agua remueve el material, se va girando el asta de perforacin para desprender el suelo con mayor facilidad, el cual sale al exterior a travs de la camisa. Se necesita la longitud de camisa hincada para registrarla en el formulario de la figura 8.8 y marcarla en el asta de lavado no pretendemos sobrepasar el lmite de perforacin. Debe aprovecharse el lavado para obtener informacin sobre un cambio de material, ya que esto se refleja en la variacin de color del agua. Finalizando el lavado del barreno, se reinicia el proceso de perforacin. El tubo de revestimiento habr quedado lleno de agua, la cual pasar a travs de la vlvula del tomamuestra sin ofrecerle resistencia. Deben rechazarse los primeros 15 cm de suelo obtenidos pues estarn muy afectados por el lavado. An as siempre se producir una alteracin en las muestras sucesivas por lo que ha de evitarse el lavado al mximo. Es por esta razn que para pequeas profundidades se prefiere el equipo de perforacin manual, explicado anteriormente, pues no introduce agua en ninguna etapa de la extraccin del espcimen, dando como resultado una muestra de menor alteracin.

Figura 8.17 Lavado del barreno Perforacin en roca Si al perforar con el tomamuestra partido, advirtisemos que se requiere de 50 golpes del martinete para producir una penetracin de 15 o menos centmetros, estamos ante la presencia de roca en el subsuelo. Algunos autores varan en este sentido, prescribiendo nmeros diversos de golpes, pero la prctica local es no rebasar los 50 golpes con el tomamuestra partido en el ensayo normal de penetracin. Otras veces, al alcanzar un estrato determinado, el perforista notar el "rebote" o rechazo del martillo sobre el sufridor, lo cual seala un estrato de roca que el operario puede reconocer de inmediato. El sistema de perforacin cambiar entonces de percusin a rotacin, emplendose el mandril para imprimir el movimiento giratorio necesario. El mandril se desliza hidrulicamente sobre el agujero de la perforacin hasta coincidir exactamente. El corte en la roca se logra mediante una broca al final del tomamuestra, con incrustaciones en diamante o carburo de tungsteno. La friccin que generan estos materiales contra la roca produce una temperatura capaz de ablandar el metal de la broca por lo que ser imprescindible el uso de agua como sistema de enfriamiento de la broca. Tomamuestra de rotacin El proceso de recuperar una muestra de roca con broca con incrustaciones de diamante fue introducido por el ingeniero suizo Leschot, en 1863. Como se ha visto, el mtodo se fundamenta principalmente en el corte de un anillo con una broca incrustada de un material muy duro (diamante o carburo de tungsteno) en sus bordes, lubricndola y enfrindola con agua inyectada a travs de la barra de perforacin por accin de una bomba, y recuperando la muestra en un tubo hueco. Se rotan los instrumentos bajo una presin controlada, subiendo y bajndolos mediante el montacargas del equipo de perforacin. Estas brocas se clasifican en el mercado de acuerdo a tamaos tales como BWG y NWG. Una tabla conteniendo los tamaos comerciales de broca se presenta en el apndice de esta unidad. Los tomamuestras que se utilizan en este proceso pueden se de dos tipos principalmente: de pared sencilla y de pared doble. El tomamuestra de pared sencilla es el ms simple de los tubos muestreadores en roca y adems, el menos costoso. Ser la mejor eleccin cuando se trate de formaciones de roca slida, donde una buena recuperacin es relativamente simple. Tambin es de utilidad al penetrar mantos de roca por encima del estrato de inters o donde un alto porcentaje de recuperacin no es necesario. Como se observa en la figura 8.18, el agua fluye a travs de la cabeza del tomamuestra, pasa alrededor de la muestra y hacia afuera por la broca. Como puede haberse intuido, el gran inconveniente del tomamuestra de pared simple es que al entrar la muestra en contacto directo con el agua, sta puede provocar la cada del espcimen cuando se iza el conjunto. Por esta razn fue que se desarrollaron los tomamuestras de doble pared. Mostrado en la figura 8.19, aparece el tomamuestra de doble pared. Puede observarse que este tubo muestreador est equipado con un tubo interno rgidamente unido a la cabeza del tomamuestra y hacia abajo entre el espacio dejado por los dos tubos. Nunca hay contacto entre la muestra y el fluido, excepto en el rea de la broca. Este tomamuestra es de una gran utilidad en el caso de materiales que tienden a deslavarse o disolverse con facilidad.

Para mejorar la recuperacin de las muestras de roca, puede emplearse un dispositivo llamado entrampador . Esta pieza de forma tronco-cnica tiene el papel de dificultar la salida de la muestra una vez ha entrado en el tubo muestreador . Otro recurso para mejorar la recuperacin de las muestras de roca consiste en apagar la bomba de agua por unos instantes antes de izar el conjunto. De esta forma se origina un "tapn" de roca que impide la salida del espcimen. Dados los problemas que se han planteado, se recomienda que los especmenes no excedan de 30 60 cm de longitud. Recuperacin (R) Ya se ha utilizado en repetidas ocasiones el trmino recuperacin sin que lo hayamos presentado formalmente. La recuperacin no es ms que la relacin por cociente entre la longitud de la muestra recuperada y la longitud total perforada, expresada como un porcentaje. Figura 8.18 Tomamuestra de rotacin de pared sencilla. Figura 8.19 Tomamuestra de rotacin de doble pared. (longitud de muestra recuperada/longitud perforada)*100 Nunca se logra el 100% de recuperacin. De una longitud perforada de 50 cm por ejemplo, no es extrao recuperar tan slo 20 cm. En la preocupacin de lograr un alto valor de recuperacin, entran muchos conceptos tales como: el estado de la broca, la presin a la que se perfora, el tipo de tomamuestra que se utiliza, etc.. Como regla general, debe tenerse presente que la mejor recuperacin indicar una muestra ms representativa y por lo tanto, ms confiable. 8.6 Ensayo normal de penetracin Este mtodo, presentado por Terzaghi y Peck, describe un procedimiento para el empleo del tomamuestra partido en la obtencin de especmenes alterados de suelo para su identificacin y dems ensayos de laboratorio, as como para obtener una medida de la resistencia del suelo a la penetracin del tubo muestreador. La prueba consiste en hacer penetrar el tomamuestra partido unido a una barra de perforacin, a golpes producidos por un martillo de 64Kg (140 libras) de peso, cayendo desde una altura de 75 cm (2.5 pies), computando el nmero de golpes (N) necesarios para hacer penetrar el tomamuestra 30 cm. Deber tenerse especial cuidado para asegurar que la energa del martillo al caer no sea reducida por friccin entre ste y la gua. En cada avance de 30 cm, se extrae el tomamuestra, obtenindose la muestra correspondiente a la profundidad a la que se horadaba. Es el procedimiento que rinde los mejores resultados en la prctica y proporciona ms informacin til en torno al subsuelo. Adems de permitir conocer el comportamiento mecnico de los mantos, nos proporciona muestras alteradas representativas del suelo en estudio. A diferencia del ensayo normal con equipo porttil ya explicado, la elevacin del martinete se lograr mecnicamente mediante un cable sostenido por una polea y accionado por un "winche". En el acpite anterior vimos el uso de las mquinas perforadoras a percusin. El registro de los datos requiere el mismo formulario ya mostrado en la figura 8.9. Para comparar los resultados obtenidos del equipo manual con los del ensayo normal de penetracin, el nmero de golpes obtenidos

con el primero se divide por cuatro, pues el martillo pesa cuatro veces menos que en el caso del ensayo normal. 8.7 Auscultaciones Este es un mtodo de exploracin del subsuelo cuyo propsito no es la recuperacin de especmenes, sino la obtencin de informacin referente a la resistencia de un suelo al esfuerzo cortante. Se utiliza generalmente para exploracin de estratos del subsuelo con una estructura errtica. El mtodo consiste en la introduccin a percusin de una punta cnica al suelo unida a una barra maciza, bajo el golpeo controlado de un martillo. Registrndose el nmero de golpes para lograr la penetracin de una longitud dada (15 30 cm) puede determinarse, a un costo moderado, la variacin de la resistencia a la penetracin que ofrece el subsuelo. Las herramientas de auscultacin son muchas, entre las cuales la ms conocida es el cono holands, mostrado en la figura 8.2, que no es ms que un cono de 60 grados de alta resistencia unido a la parte inferior de una barra maciza de perforacin. La extraccin de los instrumentos se dificulta por la forma en s del cono, por lo que suelen utilizarse diversos tipos de gatos. Debe preferirse la penetracin esttica. Figura 8.20 Auscultaciones. El cono holands. 8.8 Nivel fretico La medicin del nivel fretico o altura de las aguas subterrneas es de gran importancia en la mecnica de suelos. La posicin de la napa fretica o acufero en un momento dado rige el comportamiento de los suelos en forma decisiva. Terzaghi define el nivel de la napa fretica como el lugar geomtrico de los niveles que alcanza la superficie del agua en pozos de observacin en libre comunicacin con los vacos del suelo "in situ". El suelo se halla completamente saturado por debajo del nivel de la napa fretica y tambin lo estar a cierta distancia sobre ella por el conocido fenmeno de la capilaridad, en caso de arcillas. Terminada una exploracin geotcnica, los agujeros dejados por las perforaciones pueden ser utilizados como pozos de observacin en la determinacin del nivel fretico con la precaucin de retirar el revestimiento si lo hubiera, y de esperar un tiempo razonable para que el nivel de las aguas tome su posicin natural. Si el barreno se efectu con equipo manual, ocho horas de espera son suficientes, mientras que para perforaciones con equipo mecnico se prescriben 24 horas. La medicin se efecta de forma directa: con un hilo y una plomada puede medirse la separacin entre la napa y la superficie del terreno. Tambin suele utilizarse una barra seca para este fin. Existen mtodos ms sofisticados basados en el cierre de un circuito elctrico al entrar en contacto con el agua de la napa, aunque no han probado ser tan efectivos como los sencillos mtodos de medicin directa; radicando su desventaja en el hecho de que el cierre del circuito puede producirse en contacto con materiales saturados y dar as una informacin falsa sobre la posicin de la napa fretica. 8.9 Secciones estratigrficas Al hacer un estudio geotcnico para algn proyecto especfico, las perforaciones se localizan en los puntos en que su informacin sea de mayor utilidad. Suelen situarse los barrenos sobre el terreno en los lugares correspondientes a los muros y columnas que soportarn la mayor carga de la construccin, elegidos de

modo a reproducir las caractersticas inherentes a toda la zona de edificacin. Estas perforaciones, dispuestas generalmente de forma alineada, nos servirn para construir un perfil o seccin de los estratos del subsuelo, para su empleo en el diseo racional de los cimientos y en las modalidades constructivas que requiere el conjunto suelo-proyecto. Se prepara un formulario para cada perforacin donde se colocan, en funcin de la profundidad, todas las propiedades de los suelos determinadas por los ensayos que se realizan en el campo y en el laboratorio. Este tipo de formulario se presenta en la figura 8.21, correspondiente al registro de perforacin presentado en la figura 8.9 de este captulo. Relacionando las muestras con caractersticas similares, se obtienen mantos o estratos del subsuelo que se pueden representar grficamente. As, se define estrato como toda capa de suelo de caractersticas y propiedades fsicas definidas; o bien, toda capa de suelo en que sus puntos poseen propiedades homlogas. En cierto modo, la seccin estratigrfica del subsuelo es un resumen grfico del estudio geotcnico realizado. Para el diseo de la supraestructura del proyecto, se tomarn los valores promedios de las propiedades encontradas para cada estrato. El especialista en suelo, tambin acostumbra trazar grficas con los valores significativos del terreno en funcin de la profundidad. Con estas curvas puede observarse mucho mejor el cambio en las caractersticas d ellos distintos estratos que configuran el subsuelo de cimentacin. La figura 8.22 muestra las grficas de algunas propiedades fsicas de la perforacin que se analiza. Figura 8.22 Grfica de algunas propiedades fsicas de la perforacin que se analiza. Si los elementos naturales que constituyen el subsuelo forman capas con una disposicin y espesor casi constante, nos referimos a su estratigrafa como uniforme; en caso contrario, si las capas no siguen un orden regular, se habla de estratigrafa errtica. La diferencia entre ambos tipos de estratigrafa puede observarse en la figura 8.23 Figura 8.23 Ejemplos se secciones estratigrficas A P E N D I C E En arena se han establecido los siguientes enlaces: N Densidad relativa 0-4 Muy suelta 4-10 Suelta 10-30 Medianamente densa 30-50 Densa >50 Muy densa Cuestionario

1.- Defina o explique someramente: a) Caractersticas del ensayo normal de penetracin. Norma y ejecucin. b) Tomamuestra partido. c) Tubo "Shelby". d) Excavacin a cielo abierto. Muestras cbicas. e) Seccin estratigrfica. f) Relacin de reas en los tubos muestreadores. g) Obtencin de especmenes en roca. h) Obtencin de informacin geotcnica mediante auscultaciones. II.- Determine la relacin de reas de los siguientes tomamuestras y su habilidad para producir especmenes inalterados: a) Tomamuestra partido, dimetro exterior = 2-0" y dimetro interior = 1-3/8" b) Tomamuestra de pared delgada, dimetro exterior = 2-0" y dimetro interior = 17/8". c) Tomamuestra de pared fina, dimetro exterior = 3-0" y dimetro interior = 2-7/8". UNIDAD 9 Permeabilidad En el estudio de las propiedades hidrulicas del suelo, nos referiremos al movimiento del agua libre entre las partculas, cuya magnitud depende de la permeabilidad del material. Se define un material permeable como aquel que tiene vacos continuos. Siguiendo este concepto, todos los suelos y materiales constructivos, excluyendo los metlicos, son permeables. La circulacin de agua importancia en facilidad o dificultad con que se realizan muchas operaciones de construccin y, por consiguiente, influye decisivamente en el costo. El general distinguiremos dos tipos de flujo: laminar y turbulento. El flujo laminar es aquel en el cual las partculas de agua se mueven o desplazan sin interferencias, o sea, que las partculas no chocan entre s. Es caracterstico de los limos y las arcillas, pero puede ocurrir en las arenas bajo ciertas condiciones hidrulicas. Un flujo se definir como turbulento cuando las lneas de flujo de juntan debido al choque de las partculas de agua que se mueven indisciplinadamente. Es propio de las gravas. La figura 9.1 muestra la distincin entre los dos tipos de flujo. Ntese que las lneas de flujo laminar estn contenidas en un plano, mientras que las trayectorias en el flujo turbulento son volumtricas. 9.1 Movimiento del agua libre El escurrimiento del agua a travs de un material permeable se realiza siguiendo aproximadamente las lneas de filtracin. En la figura 9.2 se ilustran los principios hidrulicos de la filtracin lineal, denominada as porque las lneas de filtracin son rectas y paralelas. Los tubos piezomtricos instalados en los puntos A1 y A2, extremos de una lnea de filtracin, indican el nivel a que el agua asciende. Hay una prdida de energa ( convertida en calor y sonido) debido a la friccin de las partculas de agua dentro de los poros del suelo que genera la sobrepresin hidrosttica. Es sta el elemento motor que provoca el movimiento del agua a travs de la masa de suelo. Figura 9.1 Distincin entre el flujo laminar y el turbulento. Definamos los siguientes trminos: Altura de posicin o potencial: es la distancia medida desde un plano de referencia arbitrario. Dado por Z1 y Z2.

Presin piezomtrica: es la presin que provoca que el nivel del agua se eleve en el tubo. Carga hidrulica: es la prdida de altura h obtenida por la diferencia de alturas totales h1 y h2. Sobrepresin hidrosttica: es la prdida de energa determinable por el producto h * Y, donde Yw es el peso especfico del agua (g/cm3) y h la carga hidrulica. Figura 9.2 Diagrama que muestra el escurrimiento lineal del agua a travs de un elemento de suelo. Principio de Bernoulli. "En un punto de un lquido, la energa total es igual a la suma de las energas de posicin o potencial, piezomtrica o de presin, y de velocidad". En suelos, podemos despreciar el aporte o contribucin de la energa de velocidad por ser pequea en relacin con los restantes gradientes de presin (Ip) Gradiente de presin (ip) La relacin de la sobrepresin hidrosttica por unidad de longitud del suelo en el que se produce la cada de presin se llama gradiente de presin. Tiene unidades de peso especfico. Analticamente puede escribirse como: ip = (h . Yw) / L Gradiente hidrulico (i) El gradiente hidrulico del flujo se determina por la expresin: i = ip / Yw Sustituyendo ip por su equivalente, dado anteriormente, se obtiene un valor adimensional: i = h/L En el sistema mtrico decimal ip e i son numricamente iguales, diferencindose en que ip se expresa en g/cm3 mientras que i no tiene dimensin. Sin embargo, ambos miden la accin motora que impulsa la filtracin de agua. 9.2 Ley de Darcy Una antigua frmula emprica mide la cantidad de agua que circula en la unidad de tiempo a travs de una superficie unitaria normal a las lneas de filtracin, expresada como: K: permeabilidad de un material poroso, funcin exclusiva de las caractersticas del suelo (cm) N: viscosidad del lquido que circula (g . seg /cm) ip: gradiente de presin (g/cm3) v: velocidad de agua a travs de la seccin total del suelo.

La consideracin de la seccin total del suelo es irreal ya que el flujo de agua se efecta a travs de los vacos del suelo, como se esquematiza en la figura 9.3. Figura 9.3 Seccin total del suelo. Area total = rea "ciega" + rea de poros. Reemplazando en la frmula precedente el gradiente de presin por el gradiente hidrulico tenemos: Ip = i . Yw v = (K/h) * i * Yw Como K, h y Yw son valores constantes los vamos a reunir del siguiente modo: k = ((K*Yw)/h) Sustituyendo en la ecuacin anterior, donde k es el coeficiente de permeabilidad al cual le corresponden unidades de velocidad (cm/seg), nos queda: v = k . i Ley de Darcy Limitaciones de la Ley de Darcy El flujo debe ser laminar, lo que implica que la Ley de Darcy slo es aplicable en materiales finos y en algunos casos de arenas cuyas condiciones sean: i < 0.4 en arenas densas i < 0.2 en arenas sueltas La turbulencia no es congruente con la Ley de Darcy, por lo que no es aplicable a gravas. Por otra parte, la Ley de Darcy supone que la forma y volumen de los poros por donde circula el agua son independientes de la presin y del tiempo. 9.3 Coeficiente de permeabilidad (k) Se define el coeficiente de permeabilidad como la velocidad que adquiere el agua que fluye cuando el gradiente hidrulico es la unidad. En la frmula de Darcy, para i = 1 se tiene: V = i . k = k (cm/seg) Para llegar a la expresin simplificada de Darcy, asumimos que los factores del coeficiente de permeabilidad eran constantes, lo cual es vlido slo en los casos de filtracin de agua a poca profundidad, donde la temperatura vara muy poco y el peso especfico y la viscosidad del agua son prcticamente constante. De modo que el coeficiente de permeabilidad no es un valor absoluto, sino que depende de la temperatura del agua. Relacin entre el coeficiente de permeabilidad y la temperatura

Partimos de la frmula del coeficiente de permeabilidad y la relacionamos con la misma expresin de k para un temperatura cualquiera que designaremos con el subndice k = (K/h)* Yw k1 = (K/h1)* Yw1 k / k1 = [(K/h)* Yw] / [(K/h1)* Yw1] Como el peso especfico del agua tiene un rango de variacin muy limitada en comparacin con el de la viscosidad, podemos considerar su cociente igual a 1 y escribir: k / k1 = h/h1 La expresin obtenida nos indica que el coeficiente de permeabilidad es inversamente proporcional a la viscosidad del lquido. Se ha acordado reportar el coeficiente de permeabilidad, obtenido en el laboratorio, a una temperatura de 20 C, razn por la cual determinaremos dicho coeficiente a la temperatura ambiental y luego lo compartiremos a 20C mediante la siguiente relacin: k20C = k * (h/h20C) Los valores de n/n20C en funcin de la temperatura se obtienen fcilmente de la grfica representada en la figura 9.4 Medios directos para obtener el coeficiente de permeabilidad del suelo En los problemas relativos al flujo de lquidos en general la determinacin correcta del coeficiente de permeabilidad es un dato de importancia primordial. Existen diversos procesos en la obtencin de la permeabilidad de los suelos: unos de prueba "in situ" o en el lugar y otros de laboratorio. En el presente Manual slo explicaremos los que se realizan en el laboratorio, que requieren la utilizacin de aparatos denominados permemetros, diseados a base de una carga hidrulica, la cual les da nombre. La naturaleza del subsuelo a ensayar es la que determinar el tipo de permemetro a utilizarse. Figura 9.4 Relacin entre temperatura y viscosidad del agua. 9.4 Permemetro de carga constante Est destinado a materiales de alta permeabilidad, como son los suelos granulares (arena, grava, o combinacin de ellas). La figura 9.5 muestra un elemento de suelo de rea transversal A y longitud L confinado entre un tubo transparente y dos piedras porosas artificiales que no deben ofrecer mayor dificultad al paso del agua que la muestra. Se somete el suelo a una carga hidrulica constante h, valindose de una fuente que suministra el agua de consumo y de un conducto o vertedero que elimina el excedente. Figura 9.5 Esquema del permemetro de carga constante Es conveniente aclarar que el agua que usemos debe "desaerearse" y dejarle circular el tiempo suficiente por espcimen hasta notar, a travs del cuerpo principal transparente del equipo, que no hay burbujas de aire. Cuando stas desaparezcan, estamos en condicin de hacer las mediciones. Con un cronmetro

listo, se empieza a verter agua y a un tiempo arbitrario medimos el volumen de agua o descarga en la probeta, manteniendo fijos los niveles de agua. As tendremos como datos, el tiempo y el volumen de agua pasante, con los cuales de determina el caudal : Q = V/t. Sabemos que: Q = A * v Aplicando la Ley de Darcy: Q = A * k * i Sustituyendo: Q = A*k*(h/L) De esta expresin puede despejarse el coeficiente de permeabilidad: k = (Q*L) / (A*h) donde: Q : caudal ( cm3/seg) L : longitud del espcimen (cm) A : rea de la seccin transversal de la muestra (cm) h : carga hidrulica que se establece por eleccin y tiene que mantenerse constante durante el ensayo (cm). Comprobando dimensionalmente la expresin obtenida de k, se tiene una unidad de velocidad como habamos discutido anteriormente: [ (cm3/seg)*cm ] / [ (cm*cm) ] = cm/seg 9.5 Permemetro de carga decreciente Es utilizable en materiales predominantemente finos como son los suelos arcillosos. En la figura 9.6 se ilustra una muestra de suelo limitada por dos piedras porosas de permeabilidad mayor que la de la muestra y del mismo dimetro. En la parte superior tiene un receptculo al cual se le ha acoplado un delgado tubo transparente de rea transversal a. Para saturar el espcimen, vertemos agua dejndola pasar a travs de una vlvula. El agua empieza a ascender hasta cierto nivel h1 del tubo piezomtrico, alcanzado el cual se cierra la vlvula. Conviene enfatizar que para que el experimento tenga xito, la muestra debe estar completamente saturada y el agua desaereada, proceso que requiere a veces mucho tiempo (das, hasta semanas) en materiales arcillosos. Aun cuando cesa el suministro de agua contina su salida por el orificio de descarga, lo cual provoca el descenso del nivel en el tubo. El agua sobrante se recoge en una bandeja provista de un derrame. Dado que la descarga de agua es mnima, no vamos a medir el volumen de agua como en el mtodo anterior, sino que determinaremos el tiempo transcurrido en descender el nivel de agua en el tubo transparente de h1 a h2. Por la ley de continuidad, podemos establecer que el gasto a travs del tubo piezomtrico es igual al gasto a travs de la muestra de suelo. Esto puede escribirse como sigue: Qa = QA

Considerando un tiempo dt, el descenso de agua en el tubo ser dh y el gasto a su travs podr expresarse: - a*dh/dt) = A*v Aplicando la ley de Darcy: -a*(dh/dt) = A*k*i -a*(dh/dt) = A*k*(h/l) -(dh/dt) = [((A*k)/(a.L)] * dt Integrando en ambos trminos: h2 t - -(dh/h = [((A*k)/(a.L)] * dt h1 0 h2 t -[ln h] = [((A*k)/(a.L)] * ( t) h1 0 Figura 9.6 Esquema del permemetro de carga decreciente. Despejando el coeficiente de permeabilidad (k), obtenemos: k = [(a* L)/(A*t)] In h1 Como In x / log10 x = 2.3025, tenemos la expresin final del coeficiente de permeabilidad k: k = [(2.3* a* L)/(A*t)] log 10 (h1/h2) donde: a: rea del tubo vertical piezomtrico A: rea de la muestra L: longitud de la muestra h1:carga hidrulica al inicio del ensayo h2:carga hidrulica a un tiempo cualquiera t: tiempo requerido para que la carga hidrulica pase de h1 a h2. 9.6 Factores que influyen en la permeabilidad Los principales factores, tanto caractersticos del suelo como del lquido que circula, influyentes en la permeabilidad son: 1.- Forma y tamao de la partculas 2.- Relacin de vacos del suelo 3.- Grado de saturacin del suelo 4.- Cantidad de gases disueltos en el lquido, ya que el aire dificulta la filtracin 5.- Propiedades, sobre todo la viscosidad, del lquido que fluye. En nuestro caso, trataremos con agua cuya viscosidad es funcin de la temperatura, como analizamos en el acpite 9.3 La siguiente tabla suministra valores de k para distintos tipos de suelos: VALORES RELATIVOS DE PERMEABILIDAD (Segn Terzaghi y Peck) Permeabilidad relativa valores de k Suelo tpico (cm/seg) Muy permeable Mayor que 1x10-1 Grava gruesa Moderadamente permeable 1x10-11x10-3 Arena, arena fina Poco permeable 1x10-3- 1x10-5 Arena limosa, arena sucia Muy poco permeable 1x10-5- 1x10-7 Limo, arenisca fina Impermeable Menor que 1x10-7 Arcilla Cuestionario

1.- Defina o explique someramente: a) Ley de Darcy b) Permemetro de carga variable c) Coeficiente de permeabilidad. Concepto matemtico. d) Relacin entre k y n. e) Determinacin de la expresin para encontrar el coeficiente de permeabilidad en el ensayo de carga constante. II.- Explique el fenmeno de permeabilidad en los suelos. Ejercicios resueltos Ejercicio nmero 1: En el proyecto de construccin de un dique de presa, la seleccin los diferentes materiales que han de usarse es de gran importancia. Uno de los criterios que se sigue es el de permeabilidad, por lo que ensayamos dos tipos de materiales cuyos resultados aparecen tabulados en los formularios que presentamos a seguidas. Ejercicio nmero 2: Determine el caudal por metro lineal de espesor perpendicular al plano del papel, que pasa por un estrato de arena limosa de un espesor medio de 5.0 m y coeficiente de permeabilidad igual a 0.004 cm/seg, sometido a flujo laminar, si las elevaciones piezomtricas en los puntos A y B son de 100.0 y 90.0 m, respectivamente, todo segn condiciones reproducidas en la figura siguiente: Q = A* v = A * k * i = a * k * h L Q = (5.0 x 1.00)*(0.004/100)*(10.0/400) = 0.000005 m3/seg Q = 5cm3/seg Ejercicio nmero 3:En un estrato de arcilla limosa se han instalado dos tubos piezomtricos, en igual nmero de puntos separados 25.00m entre s, ascendiendo el agua a las elevaciones o cotas 18.70 y 12.40 m, dentro de los tubos. Una muestra del estrato en asunto, de 150 cm de rea y 12 cm de altura, fue colocada en un permemetro de carga variable, con un tubo vertical de 9 cm de seccin transversal; observndose que para pasar de un altura de carga de 70 cm a otra de 30 cm, fueron necesarias 3 hora, a una temperatura de 20C. Determine la velocidad del flujo de agua dentro del estrato, en cm/da. Determinacin de k: k = [(2.3*L*a)/(A.t)] log (h1/h2) h1 = 70 cm h2 = 30 cm A =150cm L = 12cm a = 9 cm t = 3 horas = 10,800 seg k = [(2.3*12*9)/(150-10,800)] * log (70/30) k = 248.4/1,620,000) * log 2.3333 k = 0.0000564 cm/seg Determinacin de v: v = k x i = k x (h/L) L k = 5.64 x 10 - 5 cm/seg h = (18.70 - 12.40 ) m L = 25.0m v = 5.64*10 -5*[(18.70-12.40)/25] v = 1.42 x 10 -5 cm/seg x 86,400seg/da

v = 1.23 cm/da Ejercicios propuestos 1.- Se construy un permemetro con un tanque de gasolina vaco, de un dimetro de 0.56 m, mantenindose una altura de carga constante e igual a 1.00m, si la longitud de muestra fue de 0.80 m y en 5 segundo se recogieron 89 cm3 de agua, determnese el coeficiente de permeabilidad del material analizado a la temperatura del anlisis. Repuesta: k = 5.78 x 10 -3 cm/seg 2.- En un permemetro de carga hidrulica constante se ensay una muestra de arena de 20 cm de altura y 15 cm de dimetro, bajo una carga hidrulica de 40cm, por un perodo de 15 segundos. La cantidad de agua escurrida fue de 50 cc. Calclese el coeficiente de permeabilidad para la temperatura den ensayo. Repuesta: k = 9.43 x 10 -3 cm/seg 3.- En un permemetro de carga decreciente a una temperatura de 20C, se ensay una muestra de 15 cm de dimetro y 10 cm de altura, extrada de un estrato de arcilla inorgnica con trazas de limo, Se requirieron 2.5 horas para que el nivel del agua descendiera de 80 cm a 40 cm en un tubo vertical de 2 cm de seccin transversal. Determine el coeficiente de permeabilidad del material en asunto. Respuesta: k = 8.7 x 10 -6 cm/seg UNIDAD 10 Comportamiento mecnico de los suelos sumergidos Supongamos que tenemos un receptculo transparente, esquematizado en la figura 10.1, en cuya parte inferior de halla contenido un suelo saturado cualquiera. El nivel del agua alcanza una altura H por encima de la superficie del suelo. Imaginemos un plano de observacin A - A, distante en una longitud z del lmite superior del suelo. Notaremos que en el tubo piezomtrico subir agua hasta el nivel del lquido contenido en el receptculo, dado que no hay filtracin o flujo. _ 10.1 Presin efectiva o intergranular (p) Se define la presin efectiva, como aquella que acta de partcula a partcula slida, tendiendo a producir reducciones en la relacin de vacos del suelo. La figura 10.1 muestra la seccin transversal de una muestra de suelo colocada en el fondo de un recipiente. Aplicando en su superficie una carga por unidad de rea, se tiene una disminucin de la relacin de vacos que produce tambin un cambio de las propiedades mecnicas del suelo. De modo que la presin efectiva motiva la compresin de los suelos, y por ende, el hundimiento de los cimientos. Se origina exclusivamente en la parte slida del suelo y no se puede medir directamente, sino que se determina en base a u relacin con las presiones neutra y total. Presin neutra o de poros (u) Es producida por la carga hidrulica, actuando con la misma intensidad tanto en el agua como en el elemento slido.

Figura 10.1 Dispositivo experimental conteniendo un elemento de suelo sumergido Se expresa mediante la relacin u = h*Yw Donde: h: altura piezomtrica Yw: peso especfico del agua, igual a 1 g/cm3 A diferencia de la presin efectiva, la presin debida al peso del agua no influye apreciablemente en la relacin d de vacos, ni en ninguna otra propiedad mecnica del suelo. A este hecho se debe su nombre. Si la presin neutra se iguala a la presin atmosfrica, entonces la primera se anula. 10.2 Relaciones con la presin total (p) La presin normal total actuante en un punto cualquiera de una seccin dada a travs de un suelo saturado, se deriva de la accin pura y simple de peso, por lo que est constituida de dos partes: presin efectiva y presin neutra o de poros. _ p = p + u En vista de que la presin total se debe a la accin gravitacional, es invariable; independientemente de los cambios que se produzcan en la carga hidrulica. Es decir, que las presiones efectiva y neutra pueden intercambiarse, pero mantenindose siempre la presin total constante. Lo anteriormente expuesto supone que en un estudio geotcnico de un suelo saturado intervienen los criterios conjuntos de las tres intensidades de presin relacionadas por la expresin p = p + u, conocida como la ecuacin fundamental de la mecnica de suelos. Expresin de la presin efectiva _ p = p - u En el plano A -A se tiene: _ p = z . Ysat + H Yw - h * Yw _ p = z. Ysat + H . Yw - (H+ z) Yw _ p= z * Y + H * Yw - H * Yw - z*Yw _ p = z (Ysat - Yw) _ p = z. Yw 10.3 Peso unitario del suelo sumergido

El valor Y' obtenido en la expresin de la presin efectiva lo denominaremos peso unitario del suelo sumergido y lo definiremos como la diferencia entre el peso unitario del suelo saturado y el peso especfico del agua Yw = 1g/cm3. Y' = Ysat - Yw Este nuevo concepto nos ser de gran utilidad en el clculo de las presiones contra muros de contencin, estabilidad de taludes, etc. 10.4 Variaciones de las presiones efectivas y neutras por cambios en la carga hidrulica Imaginemos el receptculo transparente de la figura 10.1 al cual le introduciremos una fuente de alimentacin de agua y un derrame, de forma tal que garanticemos un nivel constante. Se producir la filtracin de agua o flujo induciendo una carga hidrulica mediante una copa unida a un tubo flexible para que sta se pueda cambiar de posicin verticalmente. En la posicin A, indicada en la figura 10.2, no hay flujo; consecuentemente, en el plano de traza A-A, la expresin de la presin efectiva es vlida: p = z . Y'. Si ascendemos o descendemos la copa, convertida en un motor hidrulico, a los niveles B o C, fluye el agua porque hay gradiente generado por la sobrepresin hidrosttica. Hay un aumento o decremento de la presin neutra, segn el caso, por lo que necesitamos evaluar la sobrepresin. Figura 10.2 Dispositivo empleado para variar la carga hidrulica y su influencia en las presiones efectivas y neutra. En B y C Du = h*Yw, donde h=i*z por definicin de gradiente hidrulico . : Du = i * z * Yw Caso C La copa est por debajo del nivel original, por lo que hay una disminucin de la presin neutra, por ende, un aumento en la presin efectiva en la misma magnitud. _ p = z *Y+Du _ p = z *Y+ i * z * Yw _ p = z (Y+ i* Yw) Caso B Al estar la copa levantada a una altura h sobre el nivel A, hay un aumento de la presin neutra compatible con la disminucin en la presin efectiva. Por tanto, la presin efectiva a la profundidad z puede expresarse como sigue: _ p = z *Y-Du _ p = z *Y- i * z * Yw _ p = z (Y- i* Yw) 10.5 Gradiente hidrulico crtico ( ic) y ebullicin de la arenas El valor que alcanza el gradiente hidrulico cuando la presin efectiva se anula en todo punto de la masa de suelo, representa el gradiente hidrulico crtico. Sustituyendo P = 0 en la expresin de la presin efectiva para el caso B, tenemos:

0 = z (Y- i* Yw) Y = i * Yw ic = Y/Yw Esto ocurre en la naturaleza con un ascenso del nivel fretico en la magnitud tal que el peso del suelo sumergido se iguala a la presin neutra o de poros. Si analizamos el fenmeno que ocurre en el aparato esquematizado en la figura 10.2 cuando la copa est levantada sobre el nivel original, notaremos que siempre que el gradiente hidrulico es menor del valor crtico, el caudal de descarga aumenta de acuerdo con la Ley de Darcy ( acpite 9.2), directamente proporcional a los valores de i y k. En el instante en que i alcanza el valor de ic, la descarga aumenta repentinamente y se observa una variacin brusca en las posiciones relativas de la partculas del suelo ensayado, que se mueven violentamente sin control alguno provocando una reduccin permanente en el peso unitario del suelo. Este fenmeno producido por la condicin hidrulica i = ic se conoce como ebullicin de las arenas, tembladeras o arenas movedizas. Siempre que el nivel fretico asciende a un nivel tal que el gradiente hidrulico supera el valor crtico ic, la arena empieza a bullir debido a la desaparicin de la accin de partcula a partcula que la mantena en una posicin fija (vase figura 10.3). Puesto que muchas veces se ha considerado que las arenas movedizas constituyen un tipo de arena, es conveniente aclarar que la ebullicin se puede producir en cualquier tipo de arenas, independientemente de su granulometra, por las condiciones hidrulicas ya definidas. Figura 10.3 Ebullicin de las arenas 10.6 Casos mundiales de desastres por descensos de los niveles de agua o hidrocarburos en el subsuelo Si el nivel fretico de una zona desciende por cualquier fenmeno, el aumento en la presin efectiva, cuantificado en el caso C acpite 10.4, acerca a las partculas y reduce el volumen de la masa de suelo, provocando compresibilidad que precipita un fenmeno natural de hundimiento del suelo. Por esto, debemos evitar las explotaciones de las aguas subterrneas en las cercanas de edificaciones. En Ciudad Mxico, la napa fretica ha descendido como resultado de un procedimiento natural acrecentado por la extraccin de agua subterrnea, quedando en la ciudad algunos tubos de succin de antiguas bombas como testigos del hundimiento. Ntese la magnitud de los descensos en la figura 10.4. Esta advertencia es vlida tambin para las perforaciones de pozos petrolferos. Investigaciones realizadas en una base militar en Long Beach, California, revelaron que sta se asent por compresibilidad, producto del descenso de la napa petrolfera. Figura 10.4 Hundimiento en antiguo tubo de pozo para extraccin de agua. Lugar cercano al monumento de la Revolucin, Ciudad de Mxico. Cuestionario I.- Defina o explique brevemente: a) Presiones efectiva, neutra y total. b)Gradiente hidrulico crtico. c)Peso unitario sumergido. d)Consecuencias del descenso del nivel fritico. e)Expresin de la presin efectiva en el caso de suelo saturado sin flujo de agua. II.- Determine el valor de la presin efectiva en el caso de suelo saturado sin flujo de agua.

Ejercicios resueltos Ejercicio nmero 1: Un estrato sumergido de arcilla tiene un espesor de 15m. El contenido medio de humedad de las muestras tomadas del estratos es de 54% y el peso especfico de sus partculas slida es de 2.78 g/cm3. Se desea saber cul es la presin vertical efectiva en el fondo del estrato, originada por el peso del mismo. Z=15 m w = 54% Ys = 2.78 g/cm3 _ p = ? Elijo ws = 1g w=(Ww/Ws)*100 . : Ww=0.54*1= 0.54 g Ys=(Ws/Vs) . : Vs= 1 / 2.78 = 0.360 cm3 Diagrama de fases Vg=0 Wg=0 Vv=054 Ww=0.54 V=0.90 W=1.54 Vs=0.36 Ws=1.00 Nota : Todos los volmenes son en centmetros cbicos (cm3) y los pesos en gramos (g) Y sat = 1.54 g / 0.9 cm3 = 1.711 g/cm3 = 1.711 t/m3 _ p= Y*z= (1.711-1)*15 = 10.67 t/m = 1.067 Kg/cm Ejercicio nmero 2: Compute la presin efectiva en el plano Z-Z. _ p= Y*z donde Y = Ysat-Yw _ p I = 1.00(1801) + (2.10-1.00) (1750-1000) = 2,626 Kg/m _ p II= 5.40(1905-1000) = 4,887 Kg/m _ p III= 4.30(1775-1000) = 3,332.5 Kg/m _ p IV 5.10(1804-1000) = 4,100.4 Kg/m _ p V= 2.20(1740-1000) = 1,628 Kg/m pV =16,573.9 Kg/m Ejercicios propuestos 1.- En la estratigrafa del ejercicio anterior qu nuevo valor adquirira la presin efectiva si la napa fretica descendiese 7.00 m a contar de la superficie del terreno? Respuesta: _ p = 22.312 t/m 2.- Evale la presin efectiva sobre el plano A-A marcado en la figura.

Respuesta _ p = 5.2 t/m 3.- En la seccin estratigrfica mostrada a continuacin, el nivel del agua estaba originalmente en la superficie del terreno. Por descenso de ste a una profundidad de 6.10m, el grado de saturacin de la arena por encima del nuevo nivel de agua decreci a un 20%. Compute la presin efectiva vertical en la mitad del estrato de arcilla, antes y despus del descenso. Respuesta: 21.28t/m y 25.89 t/m