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Universidad Autónoma de Campeche Facultad de Ingeniería Ingeniería Civil y Administración

TRABAJO DE INVESTIGACIÓN – ENSAYOS PARA CLASI FICAR SUEL OS Y ROCAS Y DETERMINAR SU CALIDAD Materia: Geotecnia en Edificación

Profesor: Ing. Noe Alberto Montalvo Chi

Semestre y Grupo: 8° “A”

Ciclo Escolar: 2015 – 2016 Fase II

San Francisco de Campeche, Camp., 25 de Enero de 2016

ÍNDICE

I. Introducción……………..………………………….…………………….............. 3

II. Clasificación Geotécnica de Suelos y Rocas………………………….……… 4

III. Pruebas de Laboratorio en Suelos y Rocas…………………...……………… 9

IV.

Referencias Bibliográficas………………………………………….............. 17

I. INTRODUCCIÓN

El siguiente trabajo de investigación tiene como objetivo describir las principales pruebas de laboratorio y ensayos que permiten clasificar a los distintos tipos de suelos y rocas de un terreno natural sobre el cual se puede construir algún edificio o cualquier tipo de obra de Ingeniería Civil. Para empezar, parece conveniente definir lo que es un estudio geotécnico. Un estudio de esta índole es el conjunto de actividades que permiten obtener la información geológica y geotécnica del terreno, necesaria para la ejecución de un proyecto de construcción. El estudio geotécnico se realiza previamente al proyecto de un edificio y tiene como objetivo determinar la naturaleza y propiedades del terreno, necesarios para definir el tipo y condiciones de cimentación. Todo esto, a su vez, incluye los estudios y experimentos que se tengan que realizar al suelo y las rocas de las que está compuesto donde estará asentada dicha edificación. Para estudiar los diferentes factores que entran en juego y para prever y evitar situaciones que se puedan dar, hay que tener en cuenta una serie de actividades:  Estudio del perfil geológico de la parcela y apoyo topográfico.  Definición y realización de campaña geotécnica para la evaluación de terrenos, mediante perforación de sondeos, ensayos de penetración dinámica, ensayos in situ en el interior de sondeos, completándola con la toma de muestras para su ensayo en laboratorio, así como la utilización de técnicas geofísicas.  Caracterización del medio geológico que permita afrontar con garantías y economía el tipo y características de la cimentación y sistemas de contención.  Estudio de posibles suelos contaminados, captación de aguas subterráneas, vertederos, etc.  Diseño y cálculo de cimentaciones superficiales, pilotes, micropilotes, pozos, etc.  Diseño de elementos de contención: muros y pantallas continuas y de pilotes  Diseño de tratamientos especiales: inyecciones de compensación, precargas, estabilización de suelo con cal y cemento, columnas de grava, etc.

A continuación, se realizara una descripción ingenieril acerca de la clasificación geotécnica de los suelos y las rocas, además de los distintos ensayos y pruebas de laboratorio que se hacen para determinar la calidad de las mismas junto con los métodos de exploración de los suelos. 3

II. CLASIFICACIÓN GEOTÉCNICA DE SUELOS Y ROCAS Las características geotécnicas esenciales de los suelos y de las rocas siguen una serie de recomendaciones basadas en los trabajos realizados por la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas y la Sociedad Geológica de Londres, a través de su grupo de trabajo de ingeniería. La clasificación de los suelos toma en cuenta el criterio granulométrico, los límites de Atterberg y el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS), mientras que la clasificación de las rocas se divide en 3 partes: descripción del material rocoso, del macizo rocoso y núcleos de roca. 

Clasificación Geotécnica de los Suelos.-

El parámetro más fácil de medir o determinar las características de un suelo es la granulometría. Se denomina clasificación granulométrica o granulometría, a la medición y graduación que se lleva a cabo de los granos de una formación sedimentaria, de los materiales sedimentarios, así como de los suelos, con fines de análisis, tanto de su origen como de sus propiedades mecánicas, y el cálculo de la abundancia de los correspondientes a cada uno de los tamaños previstos por una escala granulométrica.  Ensayo de Tamizado.El método de determinación granulométrico más sencillo es hacer pasar las partículas por una serie de mallas de distintos anchos de entramado (a modo de coladores) que actúen como filtros de los granos que se llama comúnmente columna de tamices. Pero para una medición más exacta se utiliza un granulómetro láser, cuyo rayo difracta en las partículas para determinar su tamaño. Para su realización se utiliza una serie de tamices con diferentes diámetros que son ensamblados en una columna. En la parte superior, donde se encuentra el tamiz de mayor diámetro, se agrega el material original (suelo o sedimento mezclado) y la columna

de

tamices

se

somete

a

vibración y movimientos rotatorios intensos en una máquina especial. Luego de algunos minutos, se retiran los tamices y se desensamblan, tomando por separado los pesos de material retenido en cada uno de ellos y que, en su suma, deben corresponder al peso total del material que inicialmente se colocó en la columna de tamices.

Fig 1. Columna de tamices sobre la máquina de ensayo.

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Se denomina material bien clasificado o bien graduado a aquel en el cual todas las dimensiones de los granos están igualmente representados, mientras que un material mal graduado es aquel en el cual predominan uno o varios diámetros. Existe una clasificación decimal debida al científico sueco Albert Atterberg, expresada en la siguiente tabla:

Esta clasificación es aceptable para suelos gruesos. Pero a partir de que un suelo tiene una cierta proporción de material fino (limo y arcillas) sus propiedades dependen de la composición química y mineralógica de la parte fina. Los límites de Atterberg son aquellos de conocimiento universal relativos a propiedades índices de los suelos que corresponden a 4 diferentes estados y que toman en cuenta el contenido de agua para pasar de un estado a otro: estado sólido sin contracción y con contracción; estado plástico y estado líquido. Estos límites son: 1. Límite líquido (LI): corresponde al contenido de agua que permite una separación de las

partículas cuando el suelo pasa de un estado plástico a un estado líquido. Para la determinación de este límite se utiliza la cuchara de Arthur Casagrande. 2. Límite plástico (Lp): corresponde al contenido de agua suficiente que permite una cierta libertad de desplazamiento de las partículas pero demasiado débil para alejarlas. Se da cuando el suelo pasa de un estado semisólido a un estado plástico.

3. Límite de retracción o contracción (Lc): Cuando el suelo pasa de un estado semisólido a un estado sólido y se contrae al perder humedad.

En las siguientes tablas, se resume el sistema unificado de clasificación de suelos (SUCS) y los criterios de clasificación en el laboratorio.

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7



Clasificación Geotécnica de las Rocas.-

Las rocas son agregados naturales (sistemas homogéneos) que se presentan en nuestro planeta en masas de grandes dimensiones. Están formadas por uno o más minerales o mineraloides. Los diferentes tipos de rocas se pueden dividir, según su origen, en tres grandes grupos: 

ÍGNEAS: formadas a partir del enfriamiento de rocas fundidas (magmas). Los magmas pueden enfriar de manera rápida en la superficie de la Tierra mediante la actividad volcánica o cristalizar lentamente en el interior, originando grandes masas de rocas llamadas plutónicas. Cuando cristalizan en grietas de la corteza forman las rocas ígneas filonianas.



METAMÓRFICAS: formadas a partir de otras rocas que, sin llegar a fundirse, han estado sometidas a grandes presiones y temperaturas y se han transformado.



SEDIMENTARIAS: formadas en zonas superficiales de la corteza terrestre a partir de materiales que se depositan formando capas o estratos. Son detríticas si se originan a partir de trozos de otras rocas. Químicas y orgánicas si se forman a partir de precipitación de compuestos químicos o acumulación de restos de seres vivos.

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III. PRUEBAS DE LABORATORIO EN SUELOS Y ROCAS



Pruebas de Laboratorio en los Suelos.-

Las características físicas de los suelos pueden medirse por medio de pruebas de laboratorio con muestras extraídas de los sondeos o pozos de ensayo. Los resultados de los ensayos de resistencia a cizalladura pueden usarse para calcular la máxima capacidad de carga de los suelos o la estabilidad de laderas en excavaciones de cimentación y en malecones o terraplenes. Además, los ensayos del laboratorio proporcionan datos para calcular la cantidad de agua que habrá de bombearse en las excavaciones, y permiten clasificar los suelos para predecir su comportamiento bajo diferentes cargas de cimentación. Además de las pruebas antes descritas como la de los límites de Atterberg y el ensayo de tamizado, los ensayos de mecánica de los suelos que conciernen al técnico en cimentaciones son:  Pruebas visuales.Las pruebas visuales llevadas a cabo en el laboratorio son para apreciar color, textura y consistencia de las muestras alteradas o sin alterar, recibidas del lugar investigado.  Contenido natural de humedad.Comparando los resultados y relacionándoles con los límites líquido y plástico de los correspondientes tipos de suelo, es posible organizar el programa de ensayos de resistencia a cizalladura y asegurarse de que los ensayos en los suelos más blandos (determinados por el contenido de humedad más elevado) no sean omitidos. Si se deciden hacer los ensayos de resistencia a cizalladura con todas las muestras inalteradas recibidas, entonces no hay necesidad de efectuar previamente las determinaciones del contenido de humedad. Generalmente, no tiene objeto hacer ensayos del contenido de humedad con muestras alteradas, debido a que los resultados pueden no ser representativos del estado de los suelos in situ, a causa del procedimiento de sondeo.  Ensayo de compresión no confinada.Es la expresión más sencilla del ensayo a cizalladura y en Gran Bretaña se efectúa directamente con muestras de 3.75 cm extraídas de muestras del mismo diámetro, o con probetas de 3.75 cm de diámetro extraídas de muestras de mayor diámetro. En suelos que contengan trozos de grava, el ensayo de compresión no confinada puede efectuarse directamente con probetas de 10 cm de diámetro obtenidas de muestras de igual diámetro. Este tipo de ensayo no puede efectuarse en suelos sin cohesión o en arcillas y limos demasiado blandos para permanecer en la maquina sin aplastarse antes de que la carga sea aplicada. En caso de suelos frágiles o agrietados, los resultados son menores que la verdadera resistencia in situ de estos suelos. 9

 Ensayo de cizalladura por medio de aspa.Esta prueba es más factible en el terreno que en el laboratorio, aunque en el laboratorio tiene una aplicación útil cuando se han obtenido muestras inalteradas satisfactorias de limos y de arcillas muy blandas.  Ensayo de consolidación.Este ensayo proporciona datos que se utilizan para calcular la magnitud y velocidad de consolidación del suelo bajo los cimientos y consiste en encerrar la muestra en un anillo metálico aplicándole una carga en una sola dirección. El aparato utilizado se conoce como edómetro. De los resultados se obtiene el coeficiente de consolidación ( C v ¿ que permite calcular la velocidad de asentamiento de toda la estructura. Los datos de carga-asentamiento obtenidos se usan para dibujar curvas de la proporción presión-vacío, a partir de los cuales se establece el coeficiente de compresibilidad de volumen ( mv ¿ . Dichos resultados se emplean para calcular la magnitud del asentamiento bajo una carga dada.

Los ensayos de consolidación están restringidos a los limos y arcillas, debido a que las teorías en que se basan los cálculos de asentamiento están limitadas a suelos de granos finos de estos tipos.  Ensayo de permeabilidad.Los ensayos de permeabilidad pueden realizarse en el laboratorio con muestras inalteradas de limos y arcillas, o arenas y gravas que son compactadas en moldes cilíndricos hasta alcanzar una densidad igual a la que poseen en su estado natural. Los 2 tipos de ensayo de permeabilidad de

uso

más

corriente

son:

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1. Carga constante: el permeámetro de carga constante es utilizado cada vez que tenemos que medir permeabilidad de los suelos granulares (suelos con razonable cantidad de arena y grava), los cuales presentan valores de permeabilidad elevados. 2.

Carga variable: usado para suelos de mediana a baja permeabilidad, como limos y arcillas. En el ensayo de permeabilidad de carga variable, se miden los valores de “h” obtenidos para diversos valores de tiempo transcurrido desde el inicio del ensayo. Los valores de la

temperatura son anotados cuando se efectiviza cada medida.

Permeámetro de carga constante

Permeámetro de carga variable

 Análisis químicos.Los análisis químicos del suelo y del agua freática se utilizan para fijar la posibilidad de deterioro de estructuras de cimentaciones de hormigón y acero. En el caso de estructuras de acero, tales como los pilotajes de acero laminado, es suficiente determinar el pH (medida de la acidez o alcalinidad de una disolución) y el contenido de cloruro de cal del suelo y del agua del terreno. Para estructuras de hormigón, lo único que se suele calcular es el contenido de sulfatos; aunque si se sospecha de un elevado contenido de materias orgánicas, es aconsejable determinar también el porcentaje de materia orgánica y el factor pH.

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

Pruebas de Laboratorio en las Rocas.-

Las propiedades mecánicas más importantes de las rocas que son directamente aplicables dentro del diseño ingenieril son: 1. Deformabilidad: cuando sometemos una muestra de roca a una carga, esta tiende a cambiar de forma, de volumen o las dos cosas simultáneamente. Dicha deformación se produce cuando un material está sujeto a un esfuerzo provocado por fuerzas de superficie externas, por fuerzas gravitatorias o por otras causas. 2. Resistencia: un material rocoso puede ser sometido a 3 clases de esfuerzo: de compresión (que tiende a disminuir el volumen del material); de tensión (tiene a crear fracturas en el material) y cortantes (que tienden a desplazar unas partes de la roca). La roca puede presentar resistencia a la compresión y resistencia al esfuerzo cortante; la resistencia a la tensión puede despreciarse. 3. Permeabilidad: propiedad de algunos materiales de permitir el paso de fluidos a través de ellos sin modificar su estructura interna.

En la siguiente tabla se han agrupado los procedimientos para obtener las propiedades mecánicas de las rocas tanto en el laboratorio como en el campo.

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 Resistencia.1. Compresión simple: consiste en aplicar a los especímenes de roca, cargas axiales sin confinamiento. Los especímenes son generalmente cilindros de 2.5 a 7.5 cm de diámetro y una altura igual a dos veces el diámetro.

2. Compresión triaxial: simulan el estado de esfuerzos en que se encontraba la roca en el campo. El estado de esfuerzos es factible de representar con los esfuerzos normales principales, los cuales son ortogonales entre sí. En los ensayes triaxiales, los esfuerzos principales laterales permanecen constantes durante la prueba.

3. Tensión directa o axial: los ensayes de tensión en especímenes de roca se derivan de las pruebas desarrolladas para probar cilindros de concreto. La resistencia a la tensión es la propiedad mecánica de la roca más sensible a la dimensión del espécimen. 4. Tensión indirecta o prueba brasileña: esta prueba es más común que la de tensión axial. Consiste en someter a compresión diametral a un espécimen cilíndrico, produciéndose así esfuerzos de tensión y de compresión. 5. Prueba puntual: genera esfuerzos a la tensión pero no da valores de resistencia a la tensión. La ventaja de esta prueba es que no hay que pulir las caras del espécimen. 6. Flexión: consiste en someter a un espécimen de roca apoyado simplemente en sus dos extremos, a una cara en el punto medio del claro. Cuando los esfuerzos son más altos que la resistencia a la tensión de la roca, el espécimen falla. Los valores de la resistencia a la tensión obtenida de pruebas de flexión son siempre mayores que los alcanzados en pruebas de tensión directa. 14

7. Ensayos de corte: la resistencia al corte es una propiedad tanto de la roca intacta como de las juntas o planos de debilidad de los macizos rocosos. Generalmente, estos ensayos consisten en provocar una falla por corte a través de la roca intacta en un plano seleccionado previamente o a través de un plano de debilidad preexistente. La muestra se prepara con una ranura o cementándola en un molde.

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

Deformabilidad.8. Módulo de Elasticidad Estático (E) y Relación de Poisson (v): estas son dimensiones que se miden sobre las muestras de roca durante las pruebas de compresión simple (no confinadas). Las deformaciones son medidas en la dirección de la carga y en la dirección perpendicular a ella.

Cuando se traza una gráfica esfuerzo-deformación en dirección paralela a la aplicación de la carga, se observa que la deformación raramente varía linealmente con la carga y generalmente se describe una curva de donde es posible obtener 3 tipos de módulos de deformabilidad: el módulo inicial (Ei), el módulo tangente (Et) y el módulo secante (Es). La relación de Poisson se obtiene dividiendo a la deformación longitudinal entre la deformación transversal, cuyo valor usual varia generalmente entre 0.2 y 0.3.

9. Consolidación y expansión: tienen por objetivo principal la determinación de los parámetros mecánicos, que rigen la magnitud y velocidad de los asentamientos producidos por una carga; aunque estas pruebas se emplean fundamentalmente en suelos finos, es posible obtener información útil en el caso de lutitas suaves.

IV. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 

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RUIZ, MARIANO y GONZÁLEZ, SILVIA; “Geología aplicada a la Ingeniería Civil”. México, 2001. Editorial Limusa.

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TOMLINSON, M.; “Cimentaciones. Diseño y Construcción”. 1996. Editorial Trillas.



http://pendientedemigracion.ucm.es/info/diciex/programas/lasrocas/tiposderocas/principal1.html

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http://fisica.laguia2000.com/complementos-matematicos/mecanica-de-suelosdeterminacion-de-la-permeabilidad



http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lic/sanchez_r_se/capitulo4.pdf

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