mecanica del suelo-modulo-i-preliminar

MECANICA DEL MECANICA DEL SUELO. CONCEPTOSSUELO. CONCEPTOS

Luis OrtuñoUriel & AsociadosProf. Asociado UPM

¿POR QUÉ ESTUDIAR EL SUELO?¿POR QUÉ ESTUDIAR EL SUELO?

1.1.-- Es un material Es un material á d l t tá d l t tmás de la estructuramás de la estructura

2.2.-- Es menos Es menos i t t á i t t á resistente y más resistente y más

heterogéneo (no heterogéneo (no manufacturado)manufacturado)a u actu ado)a u actu ado)

3.3.-- Cuando se carga, Cuando se carga, se deforma e induce se deforma e induce una interacción con una interacción con el resto de la el resto de la estructuraestructuraestructuraestructura

Luis Ortuño

¿POR QUÉ ESTUDIAR EL SUELO?¿POR QUÉ ESTUDIAR EL SUELO?

El efecto de una construcción se haceti á llá d “lí it ti l ”sentir más allá de sus “límites verticales”

(puede afectar al vecino)

Luis Ortuño

LA COMPLEJA Y VARIADA FORMACIÓN DEL LA COMPLEJA Y VARIADA FORMACIÓN DEL SUELOSUELO

1.- El suelo es un sistema particulado Tomada de González Vallejo, L. et al (2000)

Luis Ortuño

2.- Tiene una estructura (historia)

3.- Es bi o trifásico

METODOLOGÍAMETODOLOGÍA DEDE ESTUDIOESTUDIO DELDEL SUELOSUELO

1.- Identificación:Distribución de partículas (tamaños)

Propiedades de retención de agua

Mineralogía

Sustancias químicas: CO3, SO4, M.O, etc.3 4

2.- Estado in situ:”Reparto” de sólidos agua y aire (densidad Reparto de sólidos, agua y aire (densidad,

humedad, saturación, índice de poros….)

3 Sit ió d l l 3.- Situación del suelo en su entorno

i l i d

Luis Ortuño

Presiones totales, presiones de agua, presiones intersticiales.

METODOLOGÍAMETODOLOGÍA DEDE ESTUDIOESTUDIO DELDEL SUELOSUELO

4.- Propiedades geotécnicas relevantesgResistencia

Deformabilidad

Permeabilidad

Otras: Expansividad, colapsabilidad, compactabilidad…

5.- Variaciones del estado inicial (problemas concretos) y respuesta del (problemas concretos) y respuesta del suelo

CimentacionesCimentaciones

Taludes y laderas

Excavaciones, etc

Luis Ortuño

Excavaciones, etc

DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍADISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA

Se trata de estudiar la distribución de fracciones comprendidas entre tamaños (diámetros) significativos ,con propiedades características( ) g p pEN ISO 14688EN ISO 14688--11

Fracciones de suelo Subdivisiones Tamaño de partículas (mm)

Suelos muy gruesosGrandes piedras > 630Piedras 630 ‐ 200Guijarros 200 ‐ 63Grava 63 ‐ 2.0Grava gruesa 63 ‐ 20

Suelos gruesos

Grava media 20 ‐ 6.3Grava fina 6.3 2.0Arena 2.0 ‐ 0.063Arena gruesa 2.0 ‐0.63Arena media 0.63 – 0.20Arena media 0.63 0.20Arena fina 0.2 – 0.063

Suelos finos

Limos 0.063 – 0.002Limos gruesos 0.063 ‐ 0.020Limos medios 0.020 – 0.0063Limos finos 0 0063 0 002

Tipos de suelo:• Granulares o gruesos: gravas y arenas (visibles a simple vista) Tamices

Limos finos 0.0063 – 0.002Arcillas < 0.002

•(G) GRAVAS 63 mm > d > 2 mm

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(visibles a simple vista). Tamices• Finos: limos y arcillas (no visibles). Sedimentación.

•(S) ARENAS: 2 mm> d > 0.063 mm•(M) LIMOS: 0.063 mm> d > 0.002 mm•(C) ARCILLAS: < 0.002 mm


¿CÓMO SE NOMBRAN LOS SUELOS ?Obviamente muchos suelos naturales no son simplemente una arena, una grava o una arcilla, i ti tí l d di t ñ i i blsino que contienen partículas de diversos tamaños en proporciones variables.

Interesa conocer cómo se distribuyen los tamaños de partícula de los suelos que hemos de investigar para nuestros problemas de ingeniería, dado que es razonable pensar que un suelo compuesto por gravas, por ejemplo, no se comportará igual que uno constituido por limos.

Luis Ortuño


¿CÓMO SE NOMBRAN LOS SUELOS?¿CÓMO SE NOMBRAN LOS SUELOS?De la necesidad de “poner nombre al suelo” nacen las “Clasificacionesde suelos”. Puestos a elegir una (o a proponer una), lo ideal es que,siendo ingenieros, las diferentes divisiones correspondan en la medidade lo posible a cambios relevantes en las propiedades “ingenieriles” delp p p gsuelo, y que además sean fáciles de establecer mediante ensayossencillos.

Dos tradiciones básicas: La que establece una frontera en el 50% en pesodel material más fino y la que aboga por una frontera en el 35%. Entre lasprimeras está la clasificación de Casagrande la de la USCS etc Laprimeras está la clasificación de Casagrande, la de la USCS, etc. Lasegunda es la de la BS, el CTE, etc.

Ej l U l l 52% d l t ill íEjemplo: Un suelo con el 52% en peso de arena y el resto arcilla sería:- (50%): Una arena arcillosa- (35%): Una arcilla arenosa

Luis OrtuñoLástima, porque de lo que se trata es de que “hablemos un mismoidioma”


Descripción de suelos compuestos BS5930 1999Descripción de suelos compuestos BS5930 1999

Una tradición muy establecida y razonable: La del 35%:

Suelo predominantemente grueso o granular

Ejemplo: Arena o Grava

Descripción adicional % de arcilla o limoAlgo limosa o algo arcillosa 0 – 5Limosa o arcillosa 5 – 10Muy limosa o muy arcillosa 10 – 35

Suelo predominantemente fino

Ejemplo: Arcilla o LimoDescripción adicional % de arena o grava

A / 35 65Arenosa/o con grava 35 – 65(no se usa) 0 – 35

Ejemplos: 40% arena 36% arcilla 24% limo: Arcilla arenosa (con algo de limo)

Luis Ortuño

Ejemplos: 40% arena, 36% arcilla, 24% limo: Arcilla arenosa (con algo de limo)30% arcilla, 45% limo, 18% arena, 7% grava Limo muy arcilloso con algo de

arena y grava (a falta de plasticidad)


Una variante interesante: Canadian Una variante interesante: Canadian FoundationFoundation EngineeringEngineering ManualManual

De la tradición del 35%De la tradición del 35%

EjemploContenido en

peso> 35% y además

Nombre principal

NombreGrava, arena, limo,

arcilla

> 35% y, además, ser la fracción

principal“y” “y grava” “y arena” < 35%

Nombres Secundario

y y grava , y arena … < 35%

adjetivo “arenoso”, “arcillosa”, … 20% ‐ 35%

“con “con arena”… 10% ‐ 20%“con indicios

de”“con indicios de

arcilla”…1% ‐ 10%

Ejemplos:

• 40% arena, 36% arcilla, 24% limo ………..Arenas y arcillas limosas

Luis Ortuño

•30% arcilla, 45% limo, 18% arena, 7% grava…Limo arcilloso con arena e indicios de grava (aunque el mismo manual indica que este suelo se comportará más bien como una arcilla).


¿CÓMO SE OBTIENE LA GRANULOMETRIA?1.- SUELOS GRUESOS: POR TAMIZADO.

Se cuartea el suelo, se deja secar y , j yse tamiza. Se pesa la parte de suelo retenida en cada tamiz. Se calcula el % en peso que resulta ser menor que

Luis OrtuñoEste ensayo se hace siempresiempre. Es sencillo y barato.cada apertura de tamiz.


SUELOS FINOS: POR SEDIMENTACIÓN

Se basan en la Ley de Stokes: yLa velocidad de caída de una esfera sumergida en un fluido es:

2ws Dγγ − 2ws Dη18γγv =

γγs peso específico del material de la esfera

γw peso específico del agua

η coeficiente de viscosidad del aguaη coeficiente de viscosidad del agua

D diámetro de la esfera

Se mezcla fracción fina (< 0.063 mm) con una solución de agua y dispersante. Se agita la probeta. Se introduce un densímetro y se va midiendo su descenso con el tiempo.

Este ensayo no es muy frecuente y es algo más costoso Frecuentemente se

Luis Ortuño

Este ensayo no es muy frecuente y es algo más costoso. Frecuentemente se echa en falta cuando se trata de estudiar arcillas.


REPRESENTACIÓN: CURVAS GRANULOMÉTRICAS

Ejemplos:1.- Arena con gravas

•(G) GRAVAS 63 mm > d > 2 mm•(S) ARENAS: 2 mm> d > 0.063 mm

Luis Ortuño

g2.- Arena gruesa3.- Arcilla limosa

•(M) LIMOS: 0.063 mm> d > 0.002 mm•(C) ARCILLAS: < 0.002 mm


CONCEPTOS, DEFINICIONES Y PARÁMETROS ADICIONALES:CONCEPTOS, DEFINICIONES Y PARÁMETROS ADICIONALES:

1.- Di: Es el tamaño de partícula para el cual el (i%) en peso del suelo es menor que él. 1. Di: Es el tamaño de partícula para el cual el (i%) en peso del suelo es menor que él. Cuando se trata de D10 se llama “diámetro eficaz”.

2.- Coeficiente de uniformidad. 60DC =10

u DC =

Sirve para medir y calificar el grado de distribución de tamaños de las partículas de un suelo. Por ejemplo, si todas las partículas son muy similares en tamaño, D60 y D10 no suelo. Por ejemplo, si todas las partículas son muy similares en tamaño, D60 y D10 no diferirán mucho, el coeficiente Cu será pequeño y el suelo se dice que es “uniforme” o “mal graduado”.

Por el contrario, si el suelo tiene abundancia de tamaños intermedios entre el máximo y el Por el contrario, si el suelo tiene abundancia de tamaños intermedios entre el máximo y el mínimo, D60 y D10 diferirán sustancialmente, el coeficiente Cu será grande y el suelo se dice que esta “bien graduado”.

230D

3.- Coeficiente de curvatura6010

30

·DDDcc =

Ayuda en la interpretación de cómo está graduado un suelo dando información sobre el

Luis Ortuño

Ayuda en la interpretación de cómo está graduado un suelo, dando información sobre el equilibrio entre los diversos tamaños.


Ejemplos:Ejemplos:1.- Arena con gravas. Suelo bien graduado. Cu=25; Cc=1 (“con todos los tamaños intermedios”)

f f C2.- Arena fina uniforme. . Cu=1,2, (casi todas las partículas iguales)3.- Arcilla limosa (bien graduada)

Otros adjetivos:1.- Bien graduado2.- Uniforme en la fracción gruesa de arenas3 U if l f ió d fi3.- Uniforme en la fracción de arena fina4.- Con falta de tamaños intermedios (casi sin arena)

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CLASIFICACIÓN DE SUELOS USCS

Luis Ortuño


CLASIFICACIÓN UCSC. SUELOS GRANULARES

Luis OrtuñoTamiz Nº 4 = 4,76 mm; Tamiz Nº 40 =0,42 mm; Tamiz Nº 200 = 0,074 mm



4.- LA FORMA DE LAS PARTÍCULAS TAMBIÉN PUEDE SER RELEVANTE:Partículas redondeadas, angulosas, subredondeadas, subangulosas, lajosas,etc. Todos estos términos son habituales y familiares

( Y se pueden medir !!!!)(……….. Y se pueden medir !!!!)

Luis OrtuñoKrumbein y Sloss (1955) (!Ojo a la “esfericidad”, traducida como “forma” en G&CI!!).



INDICE DE LAJAS: % en peso de partículas cuya dimensión mínima es inferior3/5 l di ió dia 3/5 la dimensión media

INDICE DE AGUJAS: % en peso de partículas cuya dimensión máxima(longitud) es superior a 9/5 la dimensión media( g ) p /

Luis Ortuño


APLICACIONES “A LA VIDA REAL”:En muchas ocasiones las obras requieren el empleo de suelos, que frecuentemente se extienden y compactan por tongadas (terraplenes de carretera, de ferrocarril, presas de extienden y compactan por tongadas (terraplenes de carretera, de ferrocarril, presas de materiales sueltos, rellenos de trasdós de muros, etc). Dependiendo del cada caso, es habitual que los Pliegos de Condiciones exijan ciertos husos granulométricos. Algunos ejemplos:

GRANULOMETRÍA PARA ZAHORRA EN CAPAS DE FIRME DE CARRETERAS (PG 3)GRANULOMETRÍA PARA ZAHORRA EN CAPAS DE FIRME DE CARRETERAS (PG-3).

Luis Ortuño


Ejemplo de representación del huso: Zahorra artificial ZA-25 (PG-3)

Luis Ortuño

Y ADEMÁS:INDICE DE LAJAS < 35


GRANULOMETRÍA PARA SUBBALASTO PGP-2008 (ADIF)

Y ADEMÁS:El coeficiente de uniformidad C = D /D será mayor o igual que 14 (C 14)

Luis Ortuño

El coeficiente de uniformidad Cu = D60/D10, será mayor o igual que 14 (Cu ≥ 14).El coeficiente de curvatura Cc = D30

2/ (D10 x D 60), estará comprendido entre 1,0 y 3,0(1,0 ≤ Cc ≤ 3,0).


MÁSMÁS APLICACIONESAPLICACIONES …….. ESTIMACIÓNESTIMACIÓN DEDE LALA PERMEABILIDADPERMEABILIDAD..Esto es muy intuitivo: partículas grandes → huecos grandes → permeable (y viceversa)

Para arenas se pueden obtener órdenes de magnitud de la permeabilidad) a partir de lagranulometría (para material uniforme, Hazen: k(cm/s)=100D2

10 ) y, mejor aún, de sucombinación con la “densidad relativa” (el grado de empaquetamiento o estibación de losgranos del suelo (Ver más adelante)granos del suelo. (Ver más adelante).

Luis OrtuñoTomadas de Sowers, J.P. (2007)


MÁSMÁS APLICACIONESAPLICACIONES …….. CONTROLCONTROL DEDE LALA “EROSIÓN“EROSIÓN INTERNA”INTERNA”.. CONDICIONESCONDICIONES DEDEFILTROFILTRO..

Esto es también intuitivo: Se trata de permitir el flujo pero evitar arrastres. Para ello seinterponen “capas filtro”. Obviamente ha de haber una cierta relación entre los tamaños delos suelos contiguos.

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MÁSMÁS APLICACIONESAPLICACIONES …….. CONTROLCONTROL DEDE LALA “EROSIÓN“EROSIÓN INTERNA”INTERNA”.. CONDICIONESCONDICIONES DEDE FILTROFILTRO

515 <D

EJEMPLOEJEMPLO:: BUREAUBUREAU OFOF RECLAMATIONRECLAMATION (PRESAS)(PRESAS)

ARRASTRE:

D

585

<d

Suelo a b

Uniforme d60/d10= 3 a 4 5 40

ARRASTRE:

bdDa <<15

15 Uniforme d60/d10 3 a 4 5 40

No uniforme, granos redondeados 12 40

No uniforme, granos angulares 6 18

PERMEABILIDAD:

FORMA RELATIVA DE LAS CURVAS:

Aproximadamente paralelas yAproximadamente paralelas y

dDc << 50

Suelo c d

Uniforme d60/d10= 3 a 4 5 10

No uniforme granos redondeados 12 58

Luis Ortuño

d50No uniforme, granos redondeados 12 58

No uniforme, granos angulares 9 30


TETONTETON DAMDAM (EROSIÓN(EROSIÓN INTERNA)INTERNA) 19761976..

ElEl 55 dede JunioJunio dede 19761976 aa laslas 88::3030 sese observaronobservaron dosdos fisurasfisuras enen lala margenmargenggderechaderecha dede lala presapresa.. AA laslas 1010::0000 sese abrióabrió otraotra grietagrieta cercacerca dede lalacoronacióncoronación.. SeSe intentaronintentaron sellarsellar laslas grietasgrietas concon bulldozersbulldozers peropero elelprocesoproceso sese aceleróaceleró LosLos obrerosobreros huyeronhuyeron dede lala zonazona cuandocuando unauna nuevanuevaprocesoproceso sese aceleróaceleró.. LosLos obrerosobreros huyeronhuyeron dede lala zonazona cuandocuando unauna nuevanuevagrangran grietagrieta sese abrióabrió yy creócreó unun agujeroagujero queque sese tragótragó laslas máquinasmáquinas..

AA laslas 1111::5757 lala presapresa sese rompiórompió arrojandoarrojando todatoda elel aguaagua embalsadaembalsada aguasaguasAA laslas 1111::5757 lala presapresa sese rompió,rompió, arrojandoarrojando todatoda elel aguaagua embalsadaembalsada aguasaguasabajoabajo..

Luis Ortuño


TETONTETON DAMDAM (EROSIÓN(EROSIÓN INTERNA)INTERNA) 19771977..

Luis Ortuño


PRESA DE PUENTES (LORCA)

Finalizada en 1791. El mayor embalse de España en esa época.Se pensaba cimentar la presa en roca competente pero al comenzar laSe pensaba cimentar la presa en roca competente, pero al comenzar laexcavación, la falta de medios y la idea de que la roca estaría bastanteprofunda hicieron cambiar el proyecto. En los estribos, la presa terminóapoyado en roca, pero en la parte central se pilotó atravesando una capa dearenas (pilotes de 6 70 m encepados en 2 50 m de hormigón)

El 30 de Abril de 1802, tras dos días de intensas lluvias que llegaron a llenar casi totalmente el embalse(47 m), se produjo la rotura. A las 2:30 el agua salía abundantemente con color “rojo intenso” por el piede la presa Hubo “varias explosiones” y se abrió un gran hueco (17 x 33 m) En una hora desembalsó

arenas (pilotes de 6,70 m encepados en 2,50 m de hormigón).

de la presa,. Hubo varias explosiones , y se abrió un gran hueco (17 x 33 m). En una hora desembalsócasi 30 Hm3. Hubo al menos 600 muertos.

Luis Ortuño

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