Luis Ortuño Uriel & Asociados Prof. Asociado UPM

Transcripción

1 MECANICA DEL SUELO. CONCEPTOS Uriel & Asociados Prof. Asociado UPM

2 POR QUÉ ESTUDIAR EL SUELO? 1.- Es un material más de la estructura t 2.- Es menos resistente t y más heterogéneo (no manufacturado) actu ado) 3.- Cuando se carga, se deforma e induce una interacción con el resto de la estructura

3 POR QUÉ ESTUDIAR EL SUELO? El efecto de una construcción se hace sentir más allá de sus límites verticales (puede afectar al vecino)

4 LA COMPLEJA Y VARIADA FORMACIÓN DEL SUELO 1.- El suelo es un sistema particulado 2.- Tiene una estructura (historia) 3.- Es bi o trifásico Tomada de González Vallejo, L. et al (2000)

5 METODOLOGÍA DE ESTUDIO DEL SUELO 1.- Identificación: Distribución de partículas (tamaños) Propiedades de retención de agua Mineralogía Sustancias químicas: CO 3, SO 4, M.O, etc Estado in situ: Reparto de sólidos, agua y aire (densidad, humedad, saturación, índice de poros.) 3.- Situación ió del suelo en su entorno Presiones totales, presiones de agua, presiones intersticiales.

6 METODOLOGÍA DE ESTUDIO DEL SUELO 4.- Propiedades 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

7 Se trata de estudiar la distribución de fracciones comprendidas entre tamaños (diámetros) significativos,con propiedades p características EN ISO Fracciones de suelo Subdivisiones Tamaño de partículas (mm) Suelos muy gruesos Suelos gruesos Suelos finos Tipos de suelo: Granulares o gruesos: gravas y arenas (visibles a simple vista). Tamices Finos: limos y arcillas (no visibles). Sedimentación. Grandes piedras > 630 Piedras Guijarros Grava Grava gruesa Grava media Grava fina Arena Arena gruesa Arena media Arena fina Limos Limos gruesos Limos medios Limos finos Arcillas < (G) GRAVAS 63 mm > d > 2 mm (S) ARENAS: 2 mm> d > mm (M) LIMOS: mm> d > mm (C) ARCILLAS: < mm

8 CÓMO SE NOMBRAN LOS SUELOS? Obviamente muchos suelos naturales no son simplemente una arena, una grava o una arcilla, sino 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.

9 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 posible a cambios relevantes en las propiedades p ingenieriles 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, la de la USCS, etc. La segunda es la de la BS, el CTE, etc. Ejemplo: Un suelo conel 52% en peso de arena y el resto arcilla sería: - (50%): Una arena arcillosa - (35%): Una arcilla arenosa Lástima, porque de lo que se trata es de que hablemos un mismo idioma

10 Una tradición muy establecida y razonable: La del 35%: Descripción de suelos compuestos BS 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 Suelo predominantemente fino Ejemplo: Arcilla o Limo Descripción adicional % de arena o grava Arenosa/o con grava (no se usa) 0 35 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)

11 Una variante interesante: Canadian Foundation Engineering Manual Nombre principal Nombres Secundario De la tradición del 35% Contenido en Ejemplo peso > 35% y, además, Grava, arena, limo, Nombre ser la fracción arcilla principal 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 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).

12 CÓMO SE OBTIENE LA GRANULOMETRIA? 1.- SUELOS GRUESOS: POR TAMIZADO. Se cuartea el suelo, se deja 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. Es sencillo y barato.

13 SUELOS FINOS: POR SEDIMENTACIÓN Se basan en la Ley de Stokes: La velocidad de caída de una esfera sumergida en un fluido es: v = γ s γ w 2 D 18η γ s peso específico del material de la esfera γ w peso específico del agua η coeficiente de viscosidad del agua D diámetro de la esfera Se mezcla fracción fina (< 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 echa en falta cuando se trata de estudiar arcillas.

14 REPRESENTACIÓN: CURVAS GRANULOMÉTRICAS (G) GRAVAS 63 mm > d > 2 mm (S) ARENAS: 2 mm> d > mm (M) LIMOS: mm> d > mm (C) ARCILLAS: < mm Ejemplos: 1.- Arena con gravas 2.- Arena gruesa 3.- Arcilla limosa

15 CONCEPTOS, DEFINICIONES Y PARÁMETROS ADICIONALES: 1.- D i : Es el tamaño de partícula para el cual el (i%) en peso del suelo es menor que él. Cuando se trata de D 10 se llama diámetro eficaz. 2.- Coeficiente de uniformidad. 60 C u = 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, D 60 y D 10 no diferirán mucho, el coeficiente C u 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. 2 D Coeficiente de curvatura c c = Ayuda en la interpretación de cómo está graduado un suelo, dando información sobre el equilibrio entre los diversos tamaños. D D 10 D 60

16 Ejemplos: 1.- Arena con gravas. Suelo bien graduado. Cu=25; Cc=1 ( con todos los tamaños intermedios ) 2.- Arena fina uniforme. Cu=1,2, (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 en la fracción de arena fina 4.- Con falta de tamaños intermedios (casi sin arena)

17 DISTRIBUCIÓN DE PARTÍCULAS. GRANULOMETRÍA CLASIFICACIÓN DE SUELOS USCS

18 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

19 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!!).

20 CONCEPTOS, DEFINICIONES Y PARÁMETROS ADICIONALES: INDICE DE LAJAS: % en peso de partículas cuya dimensión mínima es inferior a 3/5 la dimensiónió media INDICE DE AGUJAS: % en peso de partículas cuya dimensión máxima (longitud) es superior a 9/5 la dimensión media

21 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).

22 Ejemplo de representación del huso: Zahorra artificial ZA-25 (PG-3) Y ADEMÁS: INDICE DE LAJAS < 35

23 GRANULOMETRÍA PARA SUBBALASTO PGP-2008 (ADIF) Y ADEMÁS: El coeficiente de uniformidad C u = D 60 /D 10, será mayor o igual que 14 (C u 14). El coeficiente de curvatura Cc = D 302 /(D 10 xd 60 ), estará comprendido entre 1,0 y 3,0 (1,0 Cc 3,0).

24 MÁS APLICACIONES. ESTIMACIÓN DE LA 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)=100d 2 10 ) y, mejor aún, de su combinación con la densidad relativa (el grado de empaquetamiento o estibación de los granos del suelo. (Ver más adelante). Tomadas de Sowers, J.P. (2007)

25 MÁS APLICACIONES. CONTROL DE LA EROSIÓN INTERNA. 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.

26 MÁS APLICACIONES. CONTROL DE LA EROSIÓN INTERNA. CONDICIONES DE FILTRO EJEMPLO: BUREAU OF RECLAMATION (PRESAS) ARRASTRE: PERMEABILIDAD: D 15 < 5 d 85 D15 a < < d 15 b Suelo a b Uniforme d 60 /d 10 = 3 a No uniforme, granos redondeados No uniforme, granos angulares 6 18 FORMARELATIVADELASCURVAS: Aproximadamente paralelas y D c < 50 < d Suelo c d Uniforme d 60 /d 10 = 3 a No uniforme, granos redondeados d 50 No uniforme, granos angulares 9 30

27 TETON DAM (EROSIÓN INTERNA) El 5de Junio de 1976 a las 8:30 se observaron dos fisuras en la margen derecha de la presa. A las 10:0000 se abrió otra grieta cerca de la coronación. Se intentaron sellar las grietas con bulldozers pero el proceso se aceleró. Los obreros huyeron de la zona cuando una nueva gran grieta se abrió ycreó un agujero que se tragó las máquinas. A las 11:57 la presa se rompió, arrojando toda el agua embalsada aguas abajo.

28 TETON DAM (EROSIÓN INTERNA) 1977.

29 TETON DAM (EROSIÓN INTERNA) 1977.

30 PRESA DE PUENTES (LORCA) Finalizada en El mayor embalse de España en esa época. Se pensaba cimentar la presa en roca 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 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 pie de la presa,. Hubo varias explosiones, y se abrió un gran hueco (17 x 33 m). En una hora desembalsó casi 30 Hm 3. Hubo al menos 600 muertos.