GEOTECNIA I Año Académico 2017-2018 Dr. Lorenzo Borselli Instituto de Geología Fac. De Ingeniería, UASLP lborselli@gmail.com www.lorenzo-borselli.eu
Parte II Clasificación ingenieril de los suelos y de los macizos rocosos
A) Clasificaciones de los Suelos Foto: Hoyos Patiño 2006
Objetivo de las clasificaciones de suelos: Desarrollar una forma sistemática de describir, caracterizar y clasificar los suelos Agrupar suelos de características y propiedades geotécnicas similares. Correlaciones entre categorías de clasificación y propiedades geotécnicas relevantes.
Clasificaciones de los Suelos Hay dos sistemas de clasificación de suelos de uso común para propósitos de ingeniería. 1) el Sistema Unificado de Clasificación del suelo (SUCS o USCS) que se utiliza para casi todos los trabajos de ingeniería geotécnica; 2) el sistema de clasificación AASHTO que se usa por la construcción de carreteras y terraplenes. Ambos sistemas utilizan los resultados del análisis granulométrico y la determinación de los límites de Atterberg para determinar la clasificación del suelo. Las fracciones texturales del suelo son: grava, arena, limo, arcilla. A un suelo que comprende uno o más de estos componentes se le da un nombre descriptivo y una designación que consta de letras o números y letras. Estas letras dependen de las proporciones relativas de los componentes y de las características de plasticidad del suelo.
Clasificación USCS(separación en componente fina y gruesa.) Fracción fina Fracción gruesa Arcilla Limo Arena Grava Bloques Diametro de los granos 0.002 mm 0.075 mm 4.75 mm 75 mm Diametro de los granos Mas finos Mas grueso
El sistema de clasificación USCS o SUCS El Sistema Unificado de Clasificación del suelo (USCS o SUCS) se basa en el sistema de clasificación desarrollado por Casagrande durante la Segunda Guerra Mundial. Con algunas modificaciones fue aprobado conjuntamente por varias agencias de gobierno de los EE.UU. en 1952. Refinamientos adicionales fueron hechas y actualmente está estandarizado como la norma ASTM D 2487-93. Se utiliza en los EE.UU. y gran parte del mundo para trabajos geotécnicos que no sean los caminos y carreteras. los suelos de un sistema unificado se designan por un símbolo de dos letras: el primero considera que el principal componente de la tierra, y la segunda describe informaciónes de la curva granulometrica o características de plasticidad. Por ejemplo: la arena pobremente graduada se denomina SP y arcilla con baja plasticidad es CL.
SUCS UCS: se utilizan los símbolos de cinco letras: G por grava (gravel) S por arena (sand) M por limo (silt) C por arcilla (clay) O por suelos organico (organic soil) P for turba (peat soils) Regla n. 1 Si menor del 50% del suelo pasa la malla No. 200 (0.075 mm), el suelo es de grano grueso, y la primera letra será G o S; Regla. 2 si más del 50% pasa la malla No. 200(0.075 mm), el suelo es de grano fino y la primera letra será M o C Regla n. 3 Arenas y gravas limpias (con menos del 5% que pasa la malla No. 200): se les da una segunda letra P si están mal graduadas o W si bien graduadas. Arenas y gravas, con más de 12% en peso que pasa la malla No. 200: se les da una segunda letra M si son limosas o C, si son arcillosos. Arenas y gravas que tienen entre 5 y 12%: se dan clasificaciones dual como SP-SM. Limos, arcillas y suelos orgánicos se les da la segunda letra H o L para designar a la plasticidad de alta o baja. Las normas específicas para la clasificación se describen detalladamente en la norma ASTM D 2487 (se vea también la sucesiva imagen..)
Primera letra Segunda letra Símbolos que se usan en el sistema SUCS
Indice plastico (IP) Baja plasticidad Alta plasticidad OH ( LL ) Suelos finos Carta de Casagrande con y características de plasticidad Limos, arcillas y suelos orgánicos se les da la segunda letra H o L para indicar la plasticidad alta (H) o baja (L) dependiendo si el valor de LL es >=50% o <50%
Grafico de clasificación de suelos finos (en ingles)
Grafico de clasificación de suelos finos - ORGANICOS (en ingles) Se indican como Suelos orgánicos de grano fino en el USCS cuando el límite líquido LL del suelo secado en horno (24h a 105 C) es inferior al 75 por ciento del límite líquido del suelo no secado en horno LL LL secado en Horno No secado en Horno 0.75 Geotecnia I (2014/2015) (2017/2018) Docente: Dr. Lorenzo Borselli
Grafo de clasificación de suelos finos y orgánicos Se indican como Suelos orgánicos de grano fino en el USCS cuando el límite líquido LL del suelo secado en horno (24h a 105 C) es inferior al 75 por ciento del límite líquido del suelo no secado en horno LL LL secado en Horno No secado en Horno 0.75
Suelos gruesos : menor del 50% de suelo pasa la malla No. 200 (0.075 mm) Distribución cumulada % en masa pasante a dato tamizado d en mm (%) EL coeficiente de curvatura Cc 100 Cc D D 60 30 D 2 10 60% 30% 50 El coeficiente de uniformidad Cu 10% Cu D D 60 10 0 D10 D30 D60 Log d (in mm)
Ejemplo de distribución granulométrica de suelos gruesos Como Ejercicio: calcular Cc y Cu de los diferentes suelos.
Grafico de clasificación de suelos gruesos (en ingles)
Grafico de clasificación de suelos gruesos
FINOS GRUESOS
FINOS GRUESOS
Ejemplo resuelto 1 Clasificar el suelo de la muestra D que tiene estos valores de propiedad índice : LL=55, IP=32
Indice plastico (IP) Ejemplo 1 LL=55, IP=32 Arriba de linea A % finos <0.075 mm = 72% 28 % fracción gruesa Baja Alta plasticidad plasticidad OH Fracion gruesa 28% arena 0% grava ( LL ) Clasificación: CH (arcilla densa arenosa, con alta plasticidad)
Ejemplo resuelto 2 Clasificar el suelo de la muestra A que tiene esto valores de propiedad índice : LL=25, IP=10
Indice plastico (IP) Ejemplo 2 LL=25, IP=10 abajo de línea A % finos <0.075 mm = 48% 52 % fracción gruesa Baja Alta plasticidad plasticidad OH Fracción gruesa 46% arena 6% grava ( LL ) Clasificación: SC (arena arcillosa, con baja plasticidad)
Muestra 1 (LL= 22 ; IP=8) Muestra 2 (LL= 28 ; IP 15) Ejercicio propuesto 1 Clasificar e suelo de las muestras 1 y 2
Muestra 3 (LL= 45 ; IP 20) Ejercicio propuesto 2 Clasificar el suelo de la muestra 3 Sugerencia: para ejercicios adicionales.. estudiar y ver ejercicios en el capitulo 3 (Holtz & Kovacs 1997) (en las sección 3.1 y 3.2 y ejemplo 3.1 y ejercicio 3.4)
B) Clasificaciones de los macizos rocosos
Propiedades que influyen en el comportamiento mecánico de un macizo rocoso: Parámetros discontinuidades Numero de discontinuidades Orientación Espaciado Abertura Rugosidad Alteración (intemperismo) Parámetros del material Resistencia a la compresión Modulo de elasticidad (o deformación) Condiciones en alrededor Flujo de agua y presión de agua Presión geostatica en sitio (stress) Da: http://lmrwww.epfl.ch/en/.../rock.../ens_080312_en_jz_notes_chapter_6.pdf
Distribución de tamaño de bloques en un macizo rocoso Discontinuidades y términos técnicos González de Vallejo, L. I., Ferrer, M., Ortuño, L., & Oteo, C. A. R. L. O. S. (2002). Ingeniería geológica.
Distribución de tamaño de bloques en un macizo rocoso Discontinuidades y escala de medición Ferrer et al. 1999 Ferrer et al. 1999 Las frecuencia de discontinuidad tienes una grande efecto en la características mecánica y hidráulica de un macizo rocoso FERRER, Mercedes; DE VALLEJO, Luis I. González (ed.). Manual de campo para la descripción y caracterización de macizos rocosos en afloramientos. Instituto Tecnológico Geominero de España, 1999. González de Vallejo, L. I., Ferrer, M., Ortuño, L., & Oteo, C. A. R. L. O. S. (2002). Ingeniería geológica.
Distribución de tamaño de bloques en un macizo rocoso Unas de las características mas importante es la medición de frecuencia de la discontinuidad y esto está relacionados inmediatamente a la dimensión de bloque de rocas intacta. Generalmente hay varias familias de discontinuidades: Ferrer et al. 1999
Distribución de tamaño de bloques en un macizo rocoso Familias de discontinuidad: Ferrer et al. 1999 2 3 Afloramiento con 3 familias principales de discontinuidad 1 González de Vallejo, L. I., Ferrer, M., Ortuño, L., & Oteo, C. A. R. L. O. S. (2002). Ingeniería geológica.
Modelo de clasificaciones que vamos a tratar: RMR (rock mass rating, Beniawski (1989) GSI (Geological Strenght Index, Hoek 1994, 2002, 2006) Modelo RMR RMR= suma de puntuación de 5 factores que son los parámetros base la clasificación : Resistencia a compresión simple de la roca intacta RQD Espaciado de las discontinuidades Condición de las discontinuidades (continuidad, rugosidad y alteración) Condiciones de agua subterránea Orientación de las discontinuidades Nota bien: La suma de estos factores es entre 0 y 100
Clasificacion final RMR y propriedades mecanicas promedia
Tablas de clasificación RMR (en ingles) Da: http://lmrwww.epfl.ch/en/.../rock.../ens_08031 2_EN_JZ_Notes_Chapter_6.pdf
Dos ejemplos de aplicación
Ferrer et al. 1999 Ferrer et al. 1999 RMR Ejemplo 1
RMR Ejemplo 2 Ferrer et al. 1999 Ferrer et al. 1999
Ferrer et al. 1999 Ferrer et al. 1999 RMR Ejemplo 3
Correlación. simplificada El RMR está correlacionado empíricamente con el módulo de deformación del macizo rocoso - Em: Em = 10 (RMR 10) / 40
Correlación estadística mas precisa El RMR está correlacionado empíricamente con el módulo de deformación del macizo rocoso Em (roca intacta y discontinuidad ) Por RMR>55 (de media a alta calidad En este caso se considera el modulo de elasticidad de la roca intacta http://en.wikipedia.org/wiki/rock_mass_rating
Ejercicio propuesto 3: calcular el índice RMR usando las tablas RMR de clasificación: Resistencia a compresión simple = 65 MPa RQD=41% Espaciado promedio discontinuidad =0.05 m Discontinuidad continuas y abertura 1-5 mm Discontinuidad Muy rugosa Relleno blando Discontinuidad. Muy alterada Flujo de agua 50 l/min Sugerencia: para ejercicios adicionales.. estudiar y ver ejemplos en el capitulo 12 (Hudson & Harrison 1997) (en las secciones 12.1 y 12.4) Y Hunt (2007), capitulo 1 (secciones 1.2.6 y 1.2.7)
Clasificación GSI (Hoek, 1994; Hoek et al. 1995;Hoek et al. 2002) El GSI es un sistema para la estimación de las propiedades geomecánicas del macizo rocoso a partir de observaciones geológicas de campo. Las observaciones de campo miran a la apariencia del macizo a nivel de estructura y a nivel de condición de la superficies de discontinuidad. A nivel de estructura se tiene en cuenta el nivel de alteración que sufren las rocas, la discontinuidades, la alteración y así la resistencia a la compresión uniaxial (UCS). Para las condiciones de la superficie, se tiene en cuenta si esta ésta alterada. Si considera también si he sufrido disturbo mecánico (excavación mecánica, acción de explosivos etc.) Pagina web con software para la clasificación GSI: ORMAS 1.0 - http://www.roozbehgm.com/codes/ormas/ormas.html
Parametro GSI Ferrer et al. 1999 Ferrer et al. 1999
Parametro GSI por formaciones geologicas en facies de flysh ( Facies turbiditica con estratos alternos ad es. de arenisca y lutite..) Pagina web con software para la clasificación GSI: ORMAS 1.0 - http://www.roozbehgm.com/codes/ormas/ormas.html
da Russo. (2009) GSI da volume promedio Vb de los bloques Y index Jc
da Russo. (2009) GSI da volume promedio Vb de los bloques Y index Jc Jc JR * JL JA
da Cai & Kaiser (2006)
Ferrer et al. 1999 Ferrer et al. 1999
Ferrer et al. 1999 Ferrer et al. 1999
Ferrer et al. 1999 Ferrer et al. 1999
Modulo de deformación a nivel de macizo rocoso según las varias clasificaciones
Motozintla CHIAPAS Mexico, 2003 1 m Granodoriorite muy alterada GSI 30
1 m Contacto tectonico graniti /micascisti Breccia di falla GSI = 15
Tonalite roca ignea muy resistente Pero muy fracturada GSI= 45
Block and ash flow deposit Volcan Tacanà Chiapas : Depositos volcanoclastico Matriz fina cementada bloques GSI=?? GSI= 45
C) Identificación de suelos en campo
Método determinación rápida del contenido de arena, arcilla y limo del suelo Material necesario: Un puñado de tierra seca. Un poco de agua. Forma de hacerlo: a) Toma la cantidad de tierra que cabe en el puño y desmenúzala con un cuchillo o espátula b) Añade muy poco a poco agua, amasándola simultáneamente con la espátula o cuchillo, hasta llegar al punto de adherencia o pegasidad, (no debe tener exceso de agua) c) Con las manos intenta hacer un churro de 3 milímetros de diámetro. Si esto no es posible la muestra contiene mas de del 80% de arena, no es plástica ni se pega cuando está húmeda. d) Si se han conseguido hacer el cilindro de 3 mm, intenta reducir su diámetro a un 1 mm de diámetro. Si es imposible crear el de 1 mm la muestra tiene entre un 65 y un 80% de arena. e) Si se puede crear el cilindro de 1 mm, intenta formar un circulo con el cilindro de 3 mmm y 10 centímetros de longitud. Si el aparecen grietas en la superficie del circulo, la muestra tiene entre un 40 y un 65% de arena. f) Si se puede crear un anillo de 3 mm es posible, intenta formar un anillo con el de 1 mm. Si el anillo se agrieta, la muestra tiene un mas limo que arcilla en caso contrario mas arcilla que limo g) Si dejamos secar el anillo, en los de arcilla el circulo es mas duro y consistente, y al romperlo no se tiende a disgregarse, cosa que si ocurre con los que tienen predominancia de limo Si predomina el limo, es untuosa. Al humedecerla no es plástica y cuando se seca no se endurece tanto como la arcilla. La arcilla en seco forma agregados muy duros que no se rompen entre el pulgar y el índice. Cuando está húmeda es muy plástica, adherente entre los dedos.
Método para evaluar la textura de un suelo de una manera aproximada: Material didáctico audiovisual: [1] http://www.youtube.com/watch?v=gwzwbvjcnec&nr=1 [2] https://www.youtube.com/watch?v=fufealblglk
SUCS clasificación sistema de identificación de campo de fracción dominante gruesa
SUCS clasificación sistema de identificación de campo de fracción dominante fina