UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA Escola Tècnica Superior d’Enginyers de Camins, Canals i Ports
Mecànica del Sòl Tema 1
Identificació bàsica del sòl
Tema 1: Índex • Introducció: naturalesa i composició del sòl • Caracterització del sòl: el sòl com a medi porós multifàsic. Índex i diagrames de fases • Tècniques experimentals d’obtenció de paràmetres • Caracterització de la fase sòlida: granulometria • Consistència del sòl: límits d’Atterberg • Sistema universal de classificació dels sòls
1.1
Introducció: naturalesa i composició del sòl
Sòls i roques • El límit entre una roca alterada i un sòl no està ben definit. Un sòl dur es pot comportar sovint com una roca. • Un sòl es caracteritza perquè es pot disgregar sota l’acció de petits esforços, com ara al diluir-se en aigua
Escales d’observació del sòl Geològica (~100 m)
Geotècnica o d’enginyeria (~10 m) Per exemple, estudiem l’estabilitat del talús
De laboratori (~ 10 cm) Mostres de laboratori típicament de 7x15 cm
Microscòpica (~ 1 μ)
Naturalesa del sòl • Materials que componen el sòl – Partícules sòlides – Aigua • aigua en estat lliure • aigua adsorbida a la superfície de les partícules • vapor d’aigua
– Aire • aire lliure • aire dissolt en aigua
– Sals dissoltes (importants en alguns sòls)
Fases del sòl • Fase sòlida – partícules sòlides – aigua adsorbida
• Fase líquida
FASE GASOSA
FASE LIQUIDA
– aigua lliure – aire dissolt en aigua – sals dissoltes
• Fase gasosa
FASE SÒLIDA
– aire lliure – vapor d’aigua Diagrama de fases
Sòl saturat i sòl no saturat • Sòl saturat: només hi ha dues fases – no hi ha fase gasosa • Sòl no saturat: hi ha les tres fases L
G L
S
S
sat
no-sat
•
•
Si no hi ha fase gasosa, tampoc hi ha tensió superficial (apareix a la frontera entre les fases líquida i gasosa) És més complicat estudiar un sòl amb les tres fases que un sòl sense la fase gasosa, saturat
Partícules sòlides Grava
Sorra
Llim
Argila
∅ > 2 mm ∅ > 4.76 mm (3/16″)
0.06 < ∅ < 2 mm 0.074 < ∅ < 4.76 mm
2 μ < ∅ < 0.06 mm 2 μ < ∅ < 0.074 mm
∅ < 2 μ (UNE) ∅ < 2 μ (ASTM)
Les partícules es veuen a simple vista
Són necessaris medis auxiliars (microscopis) per veure les partícules
No tenen cohesió
Tenen cohesió
―
―
No s’enganxa als dits Textura aspra
S’enganxa als dits Textura suau
s/w : 103 m2/g superfície específica →
s/w : 10-4 m2/g
s/w : 1 m2/g
montmorillonita
s/w : 20 m2/g caolinita
Comportament a nivell microscòpic: contactes mecànics; tensions molt fortes en els contactes, si φ és gran
Comportament a nivell microscòpic: efectes químics, estructura coloidal; efectes fisico-químics
Partícules de sorra
0.42 a 0.48 mm
0.19 a 0.42 mm
Sorra d’Ottawa (Canada)
0.11 a 0.19 mm
Partícules de sorra
Cristalls de feldespat, 0.19 a 0.42 mm
Cristalls de quars, 0.19 a 0.42 mm
Cristalls de dolomita, 0.19 a 0.42 mm
Partícules de sorra
Sorra de platja de Hawaii
Sorra de Venezuela
Sorra de Venezuela, comprimida a 140 MPa
Partícules d’argila
Caolinita
Illita
Composició química • Sorres i graves: provenen de la descomposició mecànica de roques; la seva composició química no influeix en el seu comportament geotècnic • Argiles: tenen una composició diferent de la roca mare – solen ser silicats hidratats. En el seu comportament geotècnic, el més important és: – la seva superfície específica – com es comporten en presència d’aigua (expansió)
Aspectes fisico-químics en argiles • Llims, sorres i graves es pot considerar que són químicament inerts degut a la seva baixa superfície específica • En les argiles, el tamany de la partícula és: L
L
Es representen així:
L L e≈ a 3 100 Caolinita: 1 μ × 1 μ × 0.1 μ
Montmorillonita: 0.1 μ × 0.1 μ × 0.001 μ
Composició i estructura molecular de la fase sòlida dels minerals argilosos • Classificació general dels sòls: – Orgànics • turba – molta matèria vegetal (20% ...) • sòls perillosos en enginyeria ja que son molt compressibles
– Inorgànics • partícules sòlides amorfes – no abunden, més al nord d’Europa • partícules sòlides cristal·lines: – – – – –
sulfats (guix) – no abunden, però són problemàtics òxids hidròxids carbonats silicats – molt abundants, representen més del 90% dels sòls
Composició i estructura molecular de la fase sòlida dels minerals argilosos • Els cristalls de silicats poden tenir – estructura tridimensional: quars, feldespat – estructura bidimensional: filosilicats (argila) – poden tenir una composició química diferent de la roca mare
• A la Terra: – l’anió més abundant és l’oxigen (50%) – els cations més abundants són: • Si4+ (27%); Al3+ (8%); Mg++; Ca++; K+; Na+; ...
⇒el mineral més abundant és SiO2 = quars
Composició i estructura molecular de la fase sòlida dels minerals argilosos • Estructures moleculars: – Silici (Si) – combinacions tetraèdriques – Alumini (Al) – combinacions tetraèdriques i octaèdriques – Altres elements – en general combinacions octaèdriques
Composició i estructura molecular de la fase sòlida dels minerals argilosos • Estructures típiques dels filosilicats: capes superposades de cadenes de tetràedres i/o octàedres: – Tipus 1:1
tetràedres octàedres
tetràedres
– Tipus 2:1
octàedres (amb Al, Fe, Mg, ...) tetràedres
Composició i estructura molecular de la fase sòlida dels minerals argilosos • Una partícula típica d’argila està formada per capes successives (fins a 100, per exemple) d’aquestes estructures elementals • En funció dels elements químics i del tipus d’estructura, tenim diferents minerals
Tetràedre (SiO4)-4
Mg(OH)6-4
GIBBSITA
són neutres elèctricament
BRUCITA
Octàedre Al(OH)6-3
SÍLEX
dues capes: tipus 1:1
brucita + una capa de sílex
Estructura de la serpentina
gibbsita + una capa de sílex
Estructura de la caolinita
tres capes: tipus 2:1
Gibbsita entre dues capes de sílex
Gibbsita entre dues capes de sílex. Substitució isomorfa de Al3+ per Si4+. Equilibri elèctric amb ions K+
Estructura de la pirofilita
Estructura de la moscovita
Capa doble • Les cadenes de silicats no són elèctricament neutres: a la superfície de les partícules es concentren càrregues elèctriques negatives, les quals atrauen cations que, a la vegada, atrauen molècules d’aigua • Aquestes molècules d’aigua formen gairebé part de la partícula: és l’aigua adsorbida HH O
HH O
HH O
CAPA DOBLE
partícula “estricta” O HH
O HH
O HH
partícula “completa”: partícula “estricta” + capa doble
Capa doble • La concentració de cations disminueix a mesura que augmenta la distància a la partícula • La capa doble és la capa que conté un cert percentatge (p.e. el 90%) dels cations atrets per la partícula • El gruix de la capa doble condiciona el comportament i interacció d’una partícula amb les seves veïnes, en funció del balanç de forces d’atracció i repulsió
concentració alta de cations (capa doble gran) concentració baixa de cations (capa doble petita)
forces d’origen elèctric forces de repulsió
concentració de cations
Capa doble capa doble gran capa doble petita
(d)
capa doble gran (d gran) → estructura dispersa
capa doble petita (d petita) → estructura floculada
forces d’atracció
distància a la partícula (d)
distància entre dues partícules
forces de van der Waals augmenten amb l’invers de la distància
suma, capa doble gran suma, capa doble petita
Capa doble • Distància cara–costat de partícules – floculat – no floculat
• Distància entre cares – agregat – dispers
• Les estructures floculades son més resistents i rígides (excepte si tenen molts porus) • Les estructures agregades tenen menys resistència, però són més plàstiques i deformables
Capa doble • La capa doble disminueix si augmenta – la concentració de cations (sals) – la valència del catió – la temperatura
• La capa doble disminueix si disminueix – la constant dielèctrica del medi – el pH – el tamany del catió
Capa doble 1/2
1 K • Tamany de la capa doble: d ; v n0
– K = constant que depèn de la constant dielèctrica del medi, la temperatura, etc. – v = valència del catió – n0 = concentració
• Catió Na+ – d gran • Catió Ca++ – d petita
Silicats d’estructura laminar
Silicats d’estructura laminar
MICROFOTOGRAFIES DEL SÒL DEL CAMPUS NORD
MICROFOTOGRAFIES DEL SÒL DEL CAMPUS NORD
MICROFOTOGRAFIES DEL SÒL DEL CAMPUS NORD
1.2
Caracterització del sòl El sòl com a medi porós multifàsic Índex i diagrames de fases
Paràmetres d’identificació del sòl volums Vp Vh
pesos
Va
AIRE
Vw
AIGUA
Vs
SÒL
Ww
Ws
• Aproximem un medi discret per un medi continu • Diagrama de fases: – Gas (aire) – Líquid (aigua) – Sòlid (partícules)
• Va+Vw = Vp (Vh) • Vp+Vs = Vt • Ww+Ws = Wt
Paràmetres d’identificació del sòl Vp Vt Vs
Vp Vt Vs
• Porositat:
n
Vp Vt
adimensional
0 n 1
• Índex de porus: 0e
e
Vp Vs adimensional
més variabilitat
Paràmetres d’identificació del sòl • Relació entre porositat i índex de porus Vp
Vp
1 1 e n Vt V p Vs 1 Vs 1 1 1 e e Vp n e 1 n
• Valors (extrems teòrics amb esferes): emax = 0.92
emin = 0.35
Paràmetres d’identificació del sòl • En realitat, e depèn de la granulometria, de si el material és més o menys fi, de la uniformitat, … Tipus de sòl Sorra neta Llim Argila tova Turba
emax 0.9 1.1 2.3 25
emin 0.2 0.4 0.6 2
• En general, si e > 1 el sòl és molt deformable
Paràmetres d’identificació del sòl • Densitat relativa:
emax e Dr emax emin
dens (100%)
solt (0%)
– 0 ≤ Dr ≤ 1 (ó en %) – És difícil de determinar, ja que emax i emin són difícils de trobar
Paràmetres d’identificació del sòl • Grau de saturació:
Va Vp Vw
Ww Ws
Vs
Va Vp Vw
Vs
Ww Ws
Vw Sr Vp
– 0 ≤ Sr ≤ 1 (ó en %) – Per argiles, en general Sr > 0.8 – Per sorres, 0 ≤ Sr ≤ 1
Ww • Humitat: w W s – – – –
0 ≤ w ≤ ∞ (ó en %) Per sorra saturada: 20~30% Per argila saturada: 25~60% Per turba: 100~3000%
Paràmetres d’identificació del sòl Pesos específics – es donen en kN/m3
• Pes específic natural Vp
Wt n Vt
Ww
Vt
Wt Vs
Ws
Paràmetres d’identificació del sòl Pesos específics – es donen en kN/m3
Vp
Ww
Vt
Wt Vs
• Pes específic de les partícules sòlides Ws s Vs
Ws
Argiles: 27 kN/m3
– – – –
Caolinita: 26.3 kN/m3 Illita: 27.8 kN/m3 Quars: 26.3 kN/m3 Turba: 11~27 kN/m3
Paràmetres d’identificació del sòl Pesos específics – es donen en kN/m3
• Pes específic sec Vp
Ws d Vt
Ww
Vt
Wt Vs
Ws
– Sorra: 14 ~ 18 kN/m3 – Argila: 8 ~ 20 kN/m3
Paràmetres d’identificació del sòl Pesos específics – es donen en kN/m3
• Pes específic saturat Vp
sat
Ww
Vt
Wt Vs
ATENCIÓ!!
Ws
w = 10 kN/m3
Ws V p w Vt
– Sorra: 19 ~ 22 kN/m3 – Argila: 16 ~ 22 kN/m3
• Pes específic submergit sat w
Relacions entre paràmetres volums Va
•
pesos
•
AIRE
•
Vp Vw
AIGUA
Ww
Vt
Wt
•
•
Vs
SÒL
Ws
Dada coneguda: γw=10 kN/m3 Un volum de referència conegut (p.e., Vt) Podem conèixer dos volums, per exemple (Vp,Vw), (Va, Vw), ... Pels pesos, és suficient amb γs, ja que γw és coneguda Tres paràmetres independents: – w, γ s, γ nat – que es poden determinar be al laboratori
Relacions entre paràmetres volums
pesos n(1-Sr)
n
n=
Vp
nSrγ w
nSr
Vt=1 1-n
(1-n)γ s
Vt (= 1)
Per tant,
nS r w w(1 n) s
w(1 n) s Sr n w
Ws (1 n) s d (1 n) s Altres Vt 1 relacions: Wt nat (1 n) s (1 w) nS r w (1 n) s Vt
w(1-n)γ s
per definició W w= w Ws
Relacions entre paràmetres volums
pesos e(1-Sr)
e
e=
Vp
eSrγ w
eSr
1+e
Wγ s
per definició W w= w Ws
γs
Vs=1
Vs (= 1)
Per tant,
eS r w w s
Sr
w s e w
1.3
Tècniques experimentals d’obtenció de paràmetres
Tècniques de laboratori • Determinació de la humitat per assecat en estufa (UNE 103300-1993)
es pesa la mostra:
Wt = W w + W s
assecat en estufa a 110ºC
w=
Ww Wt - Ws = Ws Ws
es pesa la mostra seca:
Ws
Tècniques de laboratori • Determinació del pes específic de les partícules sòlides (UNE 103302-1994) • Es coneix el pes sec de la mostra (Ws) • Amb un picnòmetre es determina el volum de les partícules sòlides (Vs) • El pes específic de les partícules serà: W s = s Vs
Tècniques de laboratori • Determinació del pes específic natural del sòl (UNE 103301-1994)
balança hidrostàtica
parafina mostra natural
mostra natural
Wt
W1 = Wt + Wpar
Vt = ?
V1 = Vt + Vpar
W par = W1 - Wt Vt = V1 - Vpar =
Vpar =
W par
par
W1 - W2 W1 - Wt w par
=
W1 - Wt par
nat =
Wt Vt
W2 = W1 – V1·γw
Tècniques de camp En obra, és necessari disposar de resultats en poc temps: ∀ γs és dóna per conegut • per obtenir la humitat, w: – es determina el pes d’una mostra de sòl, Wt – després la mostra es crema amb alcohol i es torna a pesar, obtenint el pes sec, Ws – amb aquestes dues dades, la humitat w es determina com en el laboratori:
Ww Wt - Ws w= = Ws Ws
Tècniques de camp • per obtenir el pes específic natural, γnat: – es fa un forat en el sòl i es determina el pes del material que s’ha excavat, Wt – el forat s’omple, fins a la superfície original, amb una sorra normalitzada, mitjançant un aparell que permet mesurar el volum necessari, que serà el volum de sòl excavat, Vt – amb aquestes dues dades, el pes específic natural es calcula com en el laboratori:
nat
Wt = Vt
• amb aquestes tècniques es poden obtenir els valors dels paràmetres en tan sols una hora
1.4
Caracterització de la fase sòlida: granulometria
Assaig de garbellat Tamany
Graves
∅ > 2.0 mm (4.76 mm)
Sorres gruixudes
0.6 < ∅ < 2.0 mm
mitjanes
0.2 < ∅ < 0.6 mm
fines
0.06 < ∅ < 0.2 mm
Llims gruixuts
Argiles
0.02 < ∅ < 0.06 mm
mitjans
0.002 < ∅ < 0.02 mm
fins
∅<2μ …
sedimentació
Classificació
garbells ASTM
• Es tracta de determinar la distribució per tamany de les partícules del sòl:
Assaig de garbellat Garbell tipus alemany (DIN)
Garbell tipus americà (ASTM) i espanyol (UNE) Garbelladora mecànica
UNE 103101-1995
Assaig de garbellat Garbell
mm
″
4
101.6
4
3-1/2"
88.9
3.5
3"
76.2
3
2-1/2"
63.5
2.5
2"
50.8
2
1-3/4"
44.4
1.75
1-1/2"
38.1
1.5
1-1/4"
31.7
1.25
1"
25.4
1
7/8"
22.2
0.875
3/4"
19.1
0.750
5/8"
15.9
0.625
1/2"
12.7
0.500
7/16"
11.1
0.438
3/8"
9.52
0.375
5/16"
7.93
0.312
sèrie gruixuda ASTM
Assaig de garbellat Garbell
mm
″
Garbell
mm
″
1/4″
6.35
0.250
# 40
0.42
0.0165
1/2″
5.66
0.223
# 45
0.35
0.0138
#4
4.76
0.187
# 50
0.297
0.0117
#5
4.00
0.157
# 60
0.250
0.0098
#6
3.36
0.132
# 70
0.210
0.0083
#7
2.83
0.111
# 80
0.177
0.0070
#8
2.38
0.0937
# 100
0.149
0.0059
# 10
2.00
0.0787
# 120
0.125
0.0049
# 12
1.68
0.0661
# 140
0.105
0.0041
# 14
1.41
0.0555
# 170
0.088
0.0035
# 16
1.19
0.0469
# 200
0.074
0.0029
# 18
1.00
0.0394
# 230
0.062
0.0024
# 20
0.84
0.0331
# 270
0.053
0.0021
# 25
0.71
0.0280
# 325
0.044
0.0017
# 30
0.59
0.0232
# 400
0.037
0.0015
# 35
0.50
0.0197
sèrie fina ASTM
Assaig de garbellat
Assaig de sedimentació • Es tracta de determinar la distribució per tamany de les partícules fines del sòl (les que passen pel garbell # 200) UNE 103102-1995 • Es fa servir la llei d’Stokes: la velocitat de sedimentació d’una partícula esfèrica en un medi líquid és
s w 2 v D 18 • on D = diàmetre de la partícula i η = 0.001009 N·s/m2 és la viscositat del fluid • v és constant si 0.02 μ ≤ ∅ ≤ 0.05 mm
Assaig de sedimentació v = 0.1 mm/s
z
• A una profunditat z, y després d’un temps t d’haver iniciat el procés de sedimentació, ja no existiran partícules que tinguin un diàmetre superior al corresponent a las partícules que tinguin una velocitat de caiguda z/t.
Assaig de sedimentació • El diàmetre D de las partícules que es troben en el temps t a una profunditat z serà com a màxim de:
18 z D s w t • La quantitat de partícules de tamany inferior a D serà la mateixa que hi havia inicialment a aquesta profunditat, donat que en anar caient, les partícules de tamany inferior són reposades per les que cauen d’altures superiors
Assaig de sedimentació • El percentatge N∅≤D, en pes, de partícules de diàmetre inferior a D respecte al total es pot trobar com la relació entre el pes (concentració) C(z,t) de les partícules a la profunditat z al cap d’un temps t, i el pes (concentració) C(z,0) que existia en el moment inicial en aquest punt:
C ( z, t ) N D (%) 100 C ( z , 0) • La forma d’obtenir la concentració de partícules a una determinada profunditat i temps consisteix en extraure una mostra de la suspensió en aquest punt mitjnaçant una pipeta, i obtenir el pes de les partícules sòlides després d’evaporar l’aigua en el forn
Assaig de sedimentació • Limitacions: – El moviment de les partícules dins del fluid ha de ser laminar, el que implica velocitats de sedimentació corresponents a diàmetres inferiors a 0.05 mm – La forma de les partícules (sobretot les argiles) no és esfèrica – per tant el que es pot obtenir és el diàmetre de l’esfera que te la mateixa velocitat de sedimentació que la de la partícula irregular – La llei és vàlida per a la caiguda lliure d’una sola esfera – per tant la concentració de partícules en el fluid ha de ser baixa (a la pràctica sol ser de 50 g/l) – Les partícules de diàmetre inferior a 2 μm estaran influïdes pel moviment brownià – És necessari assegurar que totes les partícules estiguin en estat dispers (separades) i no formant agregats de tamany superior: cal afegir dispersants; d’altra banda, en argiles, la capa doble dificulta la definició del diàmetre real de la partícula – La presència de sals solubles dins la matriu sòlida pot provocar distorsions en els resultats
Assaig de sedimentació
Corbes granulomètriques
Corbes granulomètriques
Corbes granulomètriques
D60
D30
D10
Corbes granulomètriques • Coeficient d’uniformitat:
D60 CU D10 – Sorra uniforme: CU < 6 – Grava uniforme: CC < 4 – Uniforme ≡ mal graduada
1 CU material únic
màxima heterogeneïtat
Corbes granulomètriques • Coeficient de corbatura: 2 30
D CC D10 D60 – Habitualment: 1 < CC < 3
Corbes granulomètriques CU = 3.9 CC = 0.9 1 2
1 i 2 tenen el mateix CU = 2.9
CU = 7.1 CC = 4.3
CU = 5.2 CC = 2.9
Sòls segons granulometria
Sòls segons granulometria
1.5
Consistència del sòl: límits d’Atterberg
Consistència • En funció del seu contingut d’aigua (humitat), el sòl es pot trobar en diferents estats: – líquid – plàstic – semi-sòlid – sòlid
més humitat
més consistència
Límits d’Atterberg • Els “límits d’Atterberg” són els valors de la humitat que limiten les consistències líquida, plàstica, semi-sòlida i sòlida (proposats per l’enginyer suec Albert Atterberg, 1911 i generalitzats per Arthur Casagrande, 1932)
sòlida
límit de retracció
límit plàstic
límit líquid
wR
wP
wL
semi-sòlida w = wR
w = wP
plàstica
líquida w = wL
humitat, w
Límits d’Atterberg • Límit líquid (UNE 103103-1994) – Consisteix en determinar la humitat per a la qual un solc fet en un sòl situat sobre una zona d’un casquet esfèric (cullera de Casagrande) es tanca en una longitud donada quan es donen 25 cops sobre la base de la cullera cullera
eines per a fer el solc
maneta
Límits d’Atterberg • Límit líquid (UNE 103103-1994) – Els resultats venen condicionats per: • tipus d’eina utilitzada per a fer el solc • tipus de material de la base de la cullera • velocitat en que es donen els cops
– Alternativa: definir el límit líquid com la humitat per a la qual un con estàndard penetra en una mostra de sòl una longitud normalitzada
Límits d’Atterberg • Límit plàstic (103104-1993) – Consisteix en determinar la humitat que fa que apareguin fissures en el sòl quan es fa rodar entre la mà i una superfície plana i llisa formant un cilindre d’uns 3 mm de diàmetre – La repetibilitat de l’assaig és bona, millor que la del límit líquid
Límits d’Atterberg • Límit de retracció – Consisteix en la determinació de la humitat del sòl a partir de la qual el seu volum deixa de disminuir de manera espontània com a conseqüència de la pèrdua d’humitat, partint d’una mostra fabricada amb una quantitat d’aigua corresponent al seu límit líquid – Molt menys usat que els altres dos límits
volum total
Límits d’Atterberg en aquest tram el sòl està saturat, però l’aigua està traccionada
assecat
humitat, w wR no saturat
wP
wL
saturat
Índex derivats IP wL wP wL w IC Índex de consistència IP w wP IF Índex de fluïdesa IP IP Activitat A % 2
• Índex de plasticitat • • •
Gràfic de plasticitat de Casagrande
Gràfic de plasticitat de Casagrande • Línia “A”: IP = 0.73(wL–20) – Tots els sòls afins d’una mateixa formació geològica es troben situats en una franja relativament estreta que te un pendent mitjà igual al de la línia “A”
• Valors alts del límit líquid estan relacionats amb deformabilitats (compressibilitats) altes • H = high wL; L = low wL
Gràfic de plasticitat de Casagrande • Els sòls que contenen gran quantitat de partícules de la fracció argilosa (∅ < 2μ) estan situats pel damunt de la línia “A”, mentre que els llims i els sòls orgànics (que presenten fenòmens de plasticitat molt menys acusats) estan per sota de la línia “A”
1.6
Sistema universal de classificació dels sòls
Classificació dels sòls • Primer nivell – fracció gruixuda (retinguda pel garbell 200) • graves (G), sorres (S)
– fracció fina (passa pel garbell 200) • llims (M), argiles (C), sòls amb contingut orgànic (O)
• Segon nivell – fracció gruixuda, segons granulometria (W,P) i contingut de fins (M,C) – fracció fina, segons límit líquid (L,H)
Classificació – fracció gruixuda
Classificació – fracció fina
Classificació universal