Preguntas y respuestas: Capítulo 1

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1 Preguntas y respuestas: Capítulo 1 Orígenes y ineralogía de suelos Ejercicio 1.1 Describir los principales entornos de deposición y procesos de transporte relevantes a los suelos, y explicar su influencia en la estructura y textura de los suelos. Usar aterial de la sección 1..1 para describir y explicar: 1 procesos de transporte: agua, viento, hielo, agua y hielo. entornos de deposición: el transporte por agua puede ser de flujo veloz o lento, (por ejeplo un río aguas arriba, veloz, o aguas abajo, lento), o reflujo de inundación (probableente lento). El aterial arrastrado por el viento puede ser lavado de la atósfera por la lluvia. El aterial puede ser transportado sobre, dentro, o debajo de un glaciar o una capa de hielo, o por una cobinación de hielo y agua-nieve (posibleente veloz) y tal vez depositado en un lago glaciar (flujo lento). efecto del ecaniso de transporte y del entorno de deposición sobre el taaño de las partículas: Los suelos transportados por viento y agua son ordenados, con partículas ás finas en suspensión, siendo transportadas ayores distancias que las ás gruesas. El aterial fino se deposita donde la velocidad del agua es baja, por ejeplo deltas y depósitos de inundaciones. Las partículas ás gruesas se depositan cuando el río cabia de curso. Las dunas de arena son desplazadas por el viento. Los depósitos de polvo transportados por el viento y lavados por la lluvia, pueden estar ligeraente ceentados con una estructura débil y potencialente inestable (loess). El aterial transportado puraente por hielo tiende a estar enos ordenado, por lo que típicaente tiene un rango uy aplio de taaños de partícula. Si el transporte final o la deposición es por agua, habrá cierto ordenaiento, tal vez en fora vertical ás que horizontal. Por ejeplo, el aterial lavado de la parte superior de un glaciar y depositado en un lago glaciar tendrá una estructura lainada dado que el aterial ás grueso se deposita rápidaente y el fino no. Este patrón se repite por teporadas, a edida que los depósitos se acuulan. efecto sobre la fora de las partículas: Los ateriales transportados por hielo tienden a ser ás angulares, y los transportados por agua ás redondeados. Ejercicio 1.2 Resuir los principales efectos de la ineralogía sobre el taaño de las partículas y las características del suelo. Usar aterial de la sección 1.4 para describir y explicar los efectos de la ineralogía y la estructura quíica sobre: Taaño de las partículas, textura y fora: Los inerales de arcilla tienden a ser ás débiles, lainadas y erosionables por lo que foran partículas pequeñas y aplanadas. Otras características de los suelos: En arcillas, incluye plasticidad, coportaiento coloidal y capacidad de intercabio de cationes que resulta de su alta superficie específica, la iportancia de las fuerzas superficiales, y los efectos quíicos superficiales.

2 Relaciones de fase, peso unitario y cálculo de tensiones efectivas Ejercicio 1. Un ensayo de botella de densidad en una uestra de suelo seco dio los siguientes resultados. Masa de botella de 50 l vacía, g Masa de botella de 50 l + 20 g de partículas de suelo seco, g Masa de botella de 50 l + 20 g de partículas de suelo seco, con vacíos en botella llenos de agua, g Masa de botella de 50 l llena solo con agua, g Calcular la densidad relativa de las partículas del suelo. Una uestra de 1 kg del iso suelo toada del terreno tiene un contenido de agua de 27% y ocupa 0.52 litros. Deterinar el peso unitario, voluen específico y el grado de saturación del suelo en este estado. Calcular el contenido de agua y el peso unitario que el suelo tendría si estuviese saturado bajo el iso voluen específico, y el peso unitario bajo el iso voluen específico con contenido de agua nulo. La densidad relativa de las partículas (G s ) está definida coo la relación entre la densidad de los granos de suelo y la densidad del agua. Para un voluen fijo de suelo, la densidad relativa es igual al cociente entre la asa de suelo seco y la asa de agua que desplaza. La asa de suelo seco está dada por ( 1) g 2 2 La asa de agua desplazada por las partículas de suelo está dada por ( ) ( ) (50.0g) (42.48g) 7. 55g Por lo tanto, la densidad adiensional es Gs [( 4 ( ) ) ( (20.00g) 2.65 )] 7.55g Para la uestra natural de suelo, el peso unitario es igual al peso de la uestra dividido por el voluen total, o sea γ N KN 1kg kg N h El contenido de agua es w w s 0.27 Para la uestra de 1kg w + s 1kg y por lo tanto KN

3 1.27 s 1kg s kg w kg El voluen de agua es w kg v w ρ w kg 1 l El voluen de sólidos es s kg v s ρ s kg l El voluen específico v está definido coo la relación v v t s 0.52 l l l l El grado de saturación es el voluen de agua dividido el voluen de vacíos S r l % 0.52l 0.297l Si el suelo estuviese copletaente saturado, el voluen de agua sería 0.52l 0.297l 0. 22l y el contenido de agua w sat 0.22kg 28.2% kg La asa total de la uestra de 0.52 litros sería 0.22kg kg kg y su peso unitario γ N kg kg sat kn N 19.06kN/ Si el suelo estuviese seco pero tuviese el iso voluen específico, su asa sería igual a la asa de los sólidos, y el peso unitario sería γ d N kn kg kg N kn Ejercicio 1.4 Un edificio de oficinas con un estacionaiento subterráneo adyacente va a ser construido en un lugar donde existe una capa de 4 de arena y grava (γ 18 kn/ ) y otra por debajo, de 6 de arcilla saturada (γ 20 kn/ ). El nivel de agua llega hasta el plano que divide las gravas y arenas de la arcilla. Las presiones neutras son hidrostáticas. Las fundaciones del edificio de oficinas ejercerán una sobrecarga de 90

4 kpa en la superficie de las gravas y arenas. Las fundaciones del estacionaiento ejercerán una sobrecarga de 40 kpa en la superficie de la arcilla, habiendo sido reovidas por excavación las gravas y arenas. Calcular las tensiones totales verticales iniciales y finales, presión neutra y tensiones efectivas, a la profundidad edia de la capa de arcilla, (a) debajo del edificio de oficinas; y (b) debajo del estacionaiento. Toar el peso unitario del agua coo 9.81 kn/. Inicialente, el estado tensional es el iso en abos lugares. La tensión vertical total es kn kn σ v kPa La presión neutra es kn u kPa La tensión vertical efectiva σ ' v σ v u 12kPa 29.4kPa kPa (a) Debajo del edificio de oficinas, la tensión vertical total tiene un increento de 90 kpa: σ v 12 kpa+ 90kPa σv 222kPa La presión neutra no varía u 29. 4kPa La tensión vertical efectiva σ ' v σv u 222kPa 29.4kPa σ' v kPa (b) Debajo del estacionaiento, la tensión vertical total está dada por: σ 4 v kn 40kPa+ 20 σ v 100kPa La tensión vertical efectiva σ ' v σv u 100kPa 29.4kPa σ ' v 70. 6kPa Ejercicio 1.5 Para el experiento del cilindro de edición descrito en el texto, ejeplo 1. (p. 2), calcular (a) la tensión efectiva vertical en la base de la coluna de arena en estado suelto, seco; (b) la presión neutra y la tensión efectiva vertical en la base de la coluna en estado suelto, saturado; (c) la presión neutra y la tensión efectiva vertical en la base de la coluna en estado denso, saturado; y (d) la presión neutra y la tensión efectiva vertical en la superficie de la arena, en estado denso, saturado. Toar coo peso unitario del agua 9.81 kn/ Datos del ejeplo 1.: Voluen inicial de arena: Var 1200 c Diáetro del cilindro: D 6c Peso total de arena: W s 2kg Estado suelto, seco: γ h 16.5kN /

5 Estado suelto, saturado: γ h kn / Voluen de arena densificada: V ar 110 c (a) En estado suelto, seco, la tensión total vertical esta dada por el peso unitario húedo de la arena ultiplicado por la profundidad h, que se calcula esta coo V 1200c h c 2 A 28.27c Por lo tanto, kn σ v kPa La presión neutra es nula por tratarse de arena seca, por lo tanto σ ' v σv 6. 94kPa Alternativaente, el peso total de arena es 2kg kn / kg kN distribuido sobre un área A π (0.06 ) Por lo tanto, la tensión total es σ v kN kPa (b) En estado suelto, saturado, la presión neutra es u kN / kPa La tensión total vertical es σ v 19.99kN / kPa Entonces, la tensión efectiva vertical es σ ' v σv u 8.486kPa 4.164kPa 4. 22kPa (c) En estado denso, saturado, los pesos de agua y granos de suelo sobre la base no cabian. Por ende, la presión neutra, la tensión efectiva y la total no varían. u kPa σ ' v 4. 22kPa (d) El nivel de agua en la coluna no cabia: al densificar la arena, se asienta en el agua. La nueva altura h está dada por su voluen, 110 c, dividido la sección transversal del cilindro. queda h' c. La profundidad de agua sobre la nueva superficie de la uestra es c c c La presión neutra en la superficie es u 9.81kN / kPa La tensión efectiva en la superficie de la arena es nula. 5

6 Análisis de taaño de partículas y filtros de suelos Ejercicio 1.6 Un taizado hecho en una uestra de 294 g dio los siguientes resultados: Taaño taiz, Masa retenida, g Un ensayo de sedientación en los 117 g de suelo depositados en el fondo de la pila de taices dio: Taaño, µ < % de la uestra Graficar la curva granuloétrica y clasificar el suelo usando el sistea dado en la tabla 1.5 (p. 41). Deterinar el taaño de partícula D 10, el coeficiente de uniforidad C u y la graduación del suelo. Priero, notar que la asa retenida en los taices es 152 g, que junto con los 117 g alacenados en el fondo sua 269 g. Faltan 25 g, lo que se puede atribuir a pérdidas en los taices. Toar coo asa total de la uestra 269 g. El porcentaje en asa de la uestra que pasa cada taiz está dado por la asa total de la uestra (269 g) enos la acuulación de asa retenida en los taices ayores. Taaño del taiz, Masa retenida, g Acuulación de asa retenida, g Masa que pasa, g Porcentaje que pasa La inforación del ensayo de sedientación está parcialente procesada, con la asa de suelo en cada rango expresada coo porcentaje de los 117 g recolectados en el fondo. La fracción de la uestra del fondo enor que un cierto taaño está dada por 100% enos el porcentaje acuulado en los rangos ayores. Para convertir a porcentaje de la uestra total, se debe ultiplicar por 117 g y dividir por 269 g. Taaño, µ % enor que este taaño % respecto del total, enor que este taaño La curva granuloétrica está graficada en la figura 1.6, usando los datos escritos en negrita. 6

7 De la curva D D (.5µ ) 0.52 Por lo tanto: D U D (148.6) Figura 1.6: Curva granuloétrica El suelo está copuesto aproxiadaente por 40% de lio, 50% de arena y 10% de grava fina: esto es un lio arenoso, según el sistea dado en la tabla 1.5. El suelo está al graduado. Ejercicio 1.7 Un taizado hecho en una uestra de 411g dio los siguientes resultados: Taaño del taiz, Masa retenida, g Un ensayo de sedientación en los 121 g de suelo depositados en el fondo de la pila de taices dio: Taaño, µ < % de la uestra 24 4 Graficar la curva granuloétrica y clasificar el suelo usando el sistea dado en la tabla 1.5 (p. 41). Dibujar una curva apropiada para un filtro que separe este suelo de una tubería de drenado con perforaciones de, sobre la curva granuloétrica. La asa retenida total es 278 g, que junto con los 121 g suan 99 g. Faltan 12 g, lo que se puede atribuir a perdidas en los taices. Toar coo asa total de la uestra 99 g. El porcentaje en asa de la uestra que pasa cada taiz está dado por la 7

8 asa total de la uestra (99 g) enos la acuulación de asa retenida en los taices ayores. Taaño del taiz, Masa retenida, g Acuulación de asa retenida, g Masa que pasa, g Porcentaje que pasa La inforación del ensayo de sedientación está parcialente procesada, con la asa de suelo en cada rango expresada coo porcentaje de los 121 g recolectados en el fondo. La fracción de la uestra del fondo enor que un cierto taaño está dada por la sua de los porcentajes en ese taaño y en los enores. Para convertir a porcentaje de la uestra total, se debe ultiplicar por 121 g y dividir por 99 g. Taaño, µ % enor que este taaño % respecto del total, enor que este taaño Figura 1.7: Curva granuloétrica para suelo natural y un filtro apropiado La curva granuloétrica está graficada en la figura 1.7, usando los datos escritos en negrita. Leyendo de la curva granuloétrica, el suelo está copuesto aproxiadaente por 10% de arcilla, 20% de lio, 60% de arena y 10% de grava fina: esto significa que el suelo es una arena arcillosa, uy liosa. De la curva 8

9 D D 15s 85s La curva del filtro está graficada de acuerdo a las siguientes reglas (p. 7): A) D D D 15f f 6 B) D15 f > 4D15 D15 f > C) D f 6µ 5 > D) D f ~ abertura 10 E) D D D ~ 60 f ~ 10f 60 f 9 Aplicando cierto grado de juicio para explicar el aplio rango de taaños de partículas presentes en el suelo natural, y recordando lo enunciado por Preene et al (2000), que en suelos variables, la ecuación 1.18 debe ser aplicada al suelo as fino y la 1.19 al ás grueso, una curva granuloétrica apropiada para el filtro aparece en la figura 1.7. Ensayos de índice y clasificación Ejercicio 1.8 Los siguientes resultados fueron obtenidos en una serie de ensayos de penetración de cono, utilizando un cono estándar de 80 g y 0º. Masa de la copa vacía, g Masa de la copa + uestra húeda, g Masa de la copa + uestra seca, g Penetración de cono d, Deterinar la huedad ω de cada uestra. Graficar ω-d en escala seilogarítica, y estiar el líite líquido ω L. Calcular el índice de plasticidad I p y clasificar el suelo usando la carta dada en la figura 1.15 (p. 44), sabiendo que este tiene un líite plásticoω P 22%. La huedad es la asa de agua dividida por la asa de sólidos ( s + w + c) ( s + c) ω ( + ) s c c Masa de la copa vacía, g ( c ) Masa de la copa + uestra húeda, g ( s + w + c ) Masa de la copa + uestra seca, g ( s + c ) s / w, % Penetración de cono d, Log[d]

10 La figura 1.8 representa ω-log[d]. El líite líquido corresponde a una penetración de 20, por ejeplo Ln [ d] Leyendo del gráfico ωl 65% El índice de plasticidad I p ωl ωp 65% 22% 4%. Ubicando el punto ω 65%; I 4% L p en la carta de plasticidad (p. 44), el suelo puede ser clasificado coo arcilla de alta plasticidad (CH). Copactación Ejercicio 1.9 Figura 1.8: Relación entre huedad y Ln[d] Los siguientes resultados fueron obtenidos de un ensayo de copactación Proctor noral (2.5 kg): Masa de la copa vacía, ( c ) g Masa de la copa + uestra húeda, ( c + s + w ) g Masa de la copa + uestra seca, ( c + s ) g Peso unitario húedo, kg/

11 Deterinar gráficaente: (i) el peso unitario seco áxio, (ii) la huedad óptia y (iii) el peso unitario húedo para la huedad óptia. Sabiendo que la densidad relativa es G s 2.65, calcular: (iv) el voluen específico, (v) el grado de saturación para el peso unitario seco áxio. Es necesario graficar la huedad ω en función del peso específico seco γ d, donde ω y w / ρ ρ /( 1+ ω) d h s La huedad de cada uestra es calculada coo en el ejeplo E1.1: ω ( + + ) ( + ) w ( + ) ( ) c s w c s s c s c Masa de la copa vacía, g Masa de la copa + uestra húeda, g Masa de la copa + uestra seca, g ω, % Peso unitario húedo, kg/ Peso unitario seco, kg/ Figura 1.9: Relación entre huedad y peso unitario seco Del gráfico (fig. 1.9), el peso unitario seco áxio ρ dax kg/ 1770 la huedad óptia (en ρ d áx. ) 11

12 ϖ opt 14% el peso unitario húedo para la huedad óptia ρ h 1770kg/ kg/ El voluen específico v puede ser calculado con la ecuación 1.8 γ [ Gs(1 + w) / v] γ w v Gs(1 + w)( γ v 2.65 (1.14) (1000 / 2018) La relación de vacíos es e v El grado de saturación es S r w / γ ) wg. / e w. G /( v 1) % s s 12