DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA

MECANICA DEL
SUELO. CONCEPTOS
Luis Ortuño
Uriel & Asociados
Prof. Asociado UPM
¿POR QUÉ ESTUDIAR EL SUELO?
1.- Es un material
1.más
á de
d la
l estructura
t
t
2.- Es menos
2.resistente
i t t y más
á
heterogéneo (no
manufacturado)
a u actu ado)
3.- Cuando se carga,
3.se deforma e induce
una interacción con
el resto de la
estructura
Luis Ortuño
¿POR QUÉ ESTUDIAR EL SUELO?
El efecto de una construcción se hace
sentir
ti más
á allá
llá de
d sus “límites
“lí it
verticales”
ti l ”
(puede afectar al vecino)
Luis Ortuño
LA COMPLEJA Y VARIADA FORMACIÓN DEL
SUELO
1.- El suelo es un sistema particulado
Tomada de González Vallejo, L. et al (2000)
2.- Tiene una estructura (historia)
3.- Es bi o trifásico
Luis Ortuño
METODOLOGÍA DE ESTUDIO DEL SUELO
1.- Identificación:
‰ Distribución de partículas (tamaños)
‰ Propiedades de retención de agua
‰ Mineralogía
‰ Sustancias químicas: CO3, SO4, M.O, etc.
2.- Estado in situ:
‰ Reparto de sólidos
‰”Reparto”
sólidos, agua y aire (densidad
(densidad,
humedad, saturación, índice de poros….)
3.- Situación
3
Sit
ió del
d l suelo
l en
su entorno
‰ Presiones
i
totales,
l
presiones
i
de
d
agua, presiones intersticiales.
Luis Ortuño
METODOLOGÍA DE ESTUDIO DEL SUELO
4.- Propiedades g
geotécnicas relevantes
‰ Resistencia
‰ Deformabilidad
‰ Permeabilidad
‰ Otras: Expansividad, colapsabilidad, compactabilidad…
5.- Variaciones del estado inicial
(problemas concretos) y respuesta del
suelo
‰ Cimentaciones
‰ Taludes y laderas
‰ Excavaciones, etc
Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
Se trata de estudiar la distribución de fracciones comprendidas entre
tamaños ((diámetros)) significativos
g
,con propiedades
p p
características
EN ISO 1468814688-1
Fracciones de suelo
Suelos muy gruesos
Suelos gruesos
Suelos finos
Subdivisiones
Grandes piedras
Piedras
Guijarros
Grava
Grava gruesa
Grava media
Grava fina
Arena
Arena gruesa
Arena media
Arena fina
Limos
Limos gruesos
Limos medios
Limos finos
Arcillas
Tipos de suelo:
• Granulares o gruesos: gravas y arenas
(visibles a simple vista).
vista) Tamices
• Finos: limos y arcillas (no visibles).
Sedimentación.
Tamaño de partículas (mm)
> 630
630 ‐ 200
200 ‐ 63
63 ‐ 2.0
63 ‐ 20
20 ‐ 6.3
6.3 2.0
2.0 ‐ 0.063
2.0 ‐0.63
0.63 – 0.20
0.63 0.2 – 0.063
0.063 – 0.002
0.063 ‐ 0.020
0.020 – 0.0063
0 0063 0.002
0.0063 –
0 002
< 0.002
•(G) GRAVAS 63 mm > d > 2 mm
•(S) ARENAS: 2 mm> d > 0.063 mm
•(M) LIMOS: 0.063 mm> d > 0.002 mm
•(C) ARCILLAS: < 0.002 mm
Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
¿CÓMO SE NOMBRAN LOS SUELOS ?
Obviamente muchos suelos naturales no son simplemente una arena, una grava o una arcilla,
sino
i que contienen
ti
partículas
tí l d
de di
diversos ttamaños
ñ en proporciones
i
variables.
i bl
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
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
¿CÓMO SE NOMBRAN LOS SUELOS?
De la necesidad de “poner nombre al suelo” nacen las “Clasificaciones
de suelos”. Puestos a elegir una (o a proponer una), lo ideal es que,
siendo ingenieros, las diferentes divisiones correspondan en la medida
de lo p
posible a cambios relevantes en las p
propiedades
p
“ingenieriles”
g
del
suelo, y que además sean fáciles de establecer mediante ensayos
sencillos.
Dos tradiciones básicas: La que establece una frontera en el 50% en peso
del material más fino y la que aboga por una frontera en el 35%. Entre las
primeras está la clasificación de Casagrande,
Casagrande la de la USCS,
USCS etc.
etc La
segunda es la de la BS, el CTE, etc.
Ejemplo:
Ej
l Un
U suelo
l con ell 52% en peso de
d arena y ell resto
t arcilla
ill sería:
í
- (50%): Una arena arcillosa
- (35%): Una arcilla arenosa
Lástima, porque de lo que se trata es de que “hablemos un mismo
Luis Ortuño
idioma”
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
Una tradición muy establecida y razonable: La del 35%:
Descripción de suelos compuestos BS5930 1999
Suelo predominantemente grueso o granular
Ejemplo: Arena o Grava
Descripción adicional
% de arcilla o limo
Algo limosa o algo arcillosa
0 – 5
Limosa o arcillosa
5 – 10
Muy limosa o muy arcillosa
10 – 35
Suelo predominantemente fino
Ejemplo: Arcilla o Limo
Descripción adicional
A
Arenosa/o
/ con grava
(no se usa)
Ejemplos:
40% arena
arena, 36% arcilla
arcilla, 24% limo:
30% arcilla, 45% limo, 18% arena, 7% grava
% de arena o grava
35 65
35 –
0 – 35
Arcilla arenosa (con algo de limo)
Limo muy arcilloso con algo de
arena y grava (a falta de
plasticidad)
Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
Una variante interesante: Canadian Foundation Engineering Manual
De la tradición del 35%
Nombre
Grava, arena, limo, arcilla
“y”
y
“yy grava
grava”, “yy arena
arena”…
Contenido en peso
> 35% y además
> 35% y, además, ser la fracción principal
< 35%
< 35%
adjetivo
“arenoso”, “arcillosa”, …
20% ‐ 35%
“con “con indicios de”
“con arena”…
“con indicios de arcilla”…
10% ‐ 20%
Ejemplo
Nombre principal
Nombres Secundario
1% ‐ 10%
Ejemplos:
• 40% arena, 36% arcilla, 24% limo ………..Arenas y arcillas limosas
•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).
Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
¿CÓMO SE OBTIENE LA GRANULOMETRIA?
1.- SUELOS GRUESOS: POR TAMIZADO.
Se cuartea el suelo,, se deja
j secar y
se tamiza. Se pesa la parte de suelo
retenida en cada tamiz. Se calcula el
% en peso que resulta ser menor que
cada apertura de tamiz.
Este ensayo se hace siempre.
siempre Es sencillo y barato. Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
SUELOS FINOS: POR SEDIMENTACIÓN
Se basan en la Ley
y de Stokes:
La velocidad de caída de una esfera sumergida en un fluido es:
γs − γ w 2
v=
D
18η
γs peso específico del material de la esfera
γw peso específico del agua
η 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
costoso. Frecuentemente se
echa en falta cuando se trata de estudiar arcillas.
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DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
REPRESENTACIÓN: CURVAS GRANULOMÉTRICAS
•(G) GRAVAS 63 mm > d > 2 mm
•(S) ARENAS: 2 mm> d > 0.063 mm
•(M) LIMOS: 0.063 mm> d > 0.002 mm
•(C) ARCILLAS: < 0.002 mm
Ejemplos:
gravas
1.- Arena con g
2.- Arena gruesa
3.- Arcilla limosa
Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
CONCEPTOS, DEFINICIONES Y PARÁMETROS ADICIONALES:
1.
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.
D60
Cu =
D10
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
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
mínimo, D60 y D10 diferirán sustancialmente, el coeficiente Cu será grande y el suelo se
dice que esta “bien graduado”.
3.- Coeficiente de curvatura
D302
cc =
D10 ·D60
Ayuda en la interpretación de cómo está graduado un suelo
suelo, dando información sobre el
equilibrio entre los diversos tamaños.
Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
Ejemplos:
1.- Arena con gravas. Suelo bien graduado.
Cu=25; Cc=1 (“con todos los tamaños
intermedios”)
2.- Arena fina
f
uniforme.
f
. Cu=1,2,
C
(casi todas las partículas iguales)
3.- Arcilla limosa (bien graduada)
Otros adjetivos:
1.- Bien graduado
2.- Uniforme en la fracción gruesa de arenas
3 Uniforme
3.U if
en lla fracción
f
ió de
d arena fina
fi
4.- Con falta de tamaños intermedios (casi sin
arena)
Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
CLASIFICACIÓN DE SUELOS USCS
Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
CLASIFICACIÓN UCSC. SUELOS GRANULARES
Tamiz Nº 4 = 4,76 mm; Tamiz Nº 40 =0,42 mm; Tamiz Nº 200 = 0,074 mm
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DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
CONCEPTOS, DEFINICIONES Y PARÁMETROS ADICIONALES:
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 !!!!)
Krumbein y Sloss (1955) (!Ojo a la “esfericidad”, traducida como
“forma” en G&CI!!).
Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
CONCEPTOS, DEFINICIONES Y PARÁMETROS ADICIONALES:
INDICE DE LAJAS: % en peso de partículas cuya dimensión mínima es inferior
a 3/5 la
l dimensión
di
ió media
di
INDICE DE AGUJAS: % en peso de partículas cuya dimensión máxima
(longitud)
(
g
) es superior
p
a 9/5
/ la dimensión media
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DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
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
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).
(PG 3)
Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
Ejemplo de representación del huso: Zahorra artificial ZA-25 (PG-3)
Y ADEMÁS:
INDICE DE LAJAS < 35
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DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
GRANULOMETRÍA PARA SUBBALASTO PGP-2008 (ADIF)
Y ADEMÁS:
El coeficiente de uniformidad Cu = D60/D10, será mayor o igual que 14 (Cu ≥ 14).
14)
2
El coeficiente de curvatura Cc = D30 / (D10 x D 60), estará comprendido entre 1,0 y 3,0
(1,0 ≤ Cc ≤ 3,0).
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DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
MÁS APLICACIONES …. ESTIMACIÓN DE LA PERMEABILIDAD
PERMEABILIDAD..
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 la
granulometría (para material uniforme, Hazen: k(cm/s)=100D210 ) y, mejor aún, de su
combinación con la “densidad relativa” (el grado de empaquetamiento o estibación de los
granos del suelo.
suelo (Ver más adelante).
adelante)
Tomadas de Sowers, J.P. (2007)
Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
MÁS APLICACIONES …. CONTROL DE LA “EROSIÓN INTERNA”
INTERNA”..
FILTRO..
FILTRO
CONDICIONES DE
Esto es también intuitivo: Se trata de permitir el flujo pero evitar arrastres. Para ello se
interponen “capas filtro”. Obviamente ha de haber una cierta relación entre los tamaños de
los suelos contiguos.
Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
MÁS APLICACIONES …. CONTROL DE LA “EROSIÓN INTERNA”
INTERNA”.. CONDICIONES DE FILTRO
EJEMPLO:: BUREAU OF RECLAMATION (PRESAS)
EJEMPLO
ARRASTRE:
D15
<5
d 85
PERMEABILIDAD:
D15
a<
<b
d15
Suelo
a
b
5
40
12
40
6
18
Uniforme d60/d10= 3 a 4
No uniforme, granos redondeados
No uniforme, granos angulares
FORMA RELATIVA DE LAS CURVAS:
Aproximadamente paralelas y
Suelo
D50
c<
<d
d 50
Uniforme d60/d10= 3 a 4
No uniforme,
uniforme granos redondeados
No uniforme, granos angulares
c
d
5
10
12
58
9
30
Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
TETON DAM (EROSIÓN INTERNA) 1976
1976..
El 5 de Junio de 1976 a las 8:30 se observaron dos fisuras en la margen
g
derecha de la presa
presa.. A las 10
10::00 se abrió otra grieta cerca de la
coronación.. Se intentaron sellar las grietas con bulldozers pero el
coronación
proceso se aceleró
aceleró.. Los obreros huyeron de la zona cuando una nueva
gran grieta se abrió y creó un agujero que se tragó las máquinas
máquinas..
A las 11
11::57 la presa se rompió,
rompió arrojando toda el agua embalsada aguas
abajo..
abajo
Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
TETON DAM (EROSIÓN INTERNA) 1977
1977..
Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
TETON DAM (EROSIÓN INTERNA) 1977
1977..
Luis Ortuño
DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA
PRESA DE PUENTES (LORCA)
Finalizada en 1791. El mayor embalse de España en esa época.
Se pensaba cimentar la presa en roca competente,
competente pero al comenzar la
excavación, la falta de medios y la idea de que la roca estaría bastante
profunda hicieron cambiar el proyecto. En los estribos, la presa terminó
apoyado en roca, pero en la parte central se pilotó atravesando una capa de
arenas (pilotes de 6,70
6 70 m encepados en 2,50
2 50 m de hormigón).
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 pie
de la presa,.
presa Hubo “varias
varias explosiones
explosiones”, y se abrió un gran hueco (17 x 33 m).
m) En una hora desembalsó
3
casi 30 Hm . Hubo al menos 600 muertos.
Luis Ortuño