Geotecnia 1 - Parte II

Transcripción

GEOTECNIA I
Año Académico 2016-2017
Dr. Lorenzo Borselli
Instituto de Geología
Fac. De Ingeniería, UASLP
[email protected]
www.lorenzo-borselli.eu
Parte II
Clasificación ingenieril
de los suelos y de los
macizos rocosos
Versión 1.7 Last update 29-09-2016
Geotecnia I (2016/2017) – Docente: Dr. Lorenzo Borselli
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
Arcilla
Diametro
de los granos
Fracción gruesa
Limo
0.002
mm
Mas finos
Arena
0.075
mm
Grava
4.75
mm
Bloques
75
mm
Diametro
de los granos
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
LLsecado en Horno
 0.75
LLNo secado en Horno
Geotecnia I (2016/2017)
(2014/2015) – 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
LLsecado en Horno
 0.75
LLNo secado en Horno
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
(%)
100
EL coeficiente
de curvatura
Cc

D30 
Cc 
2
60%
50
D60 D10
30%
El coeficiente de
uniformidad Cu
10%
D60
Cu 
D10
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
GRUESOS
FINOS
GRUESOS
FINOS
Ejemplo resuelto 1
Clasificar el suelo de la muestra D que tiene esto valores de propiedad índice :
LL=55, IP=32
% finos <0.075 mm = 72%
28 % fracción gruesa
Fracion gruesa
28% arena
0% grava
Ejemplo 1
LL=55, IP=32
Arriba de linea A
Alta
Baja
plasticidad
plasticidad
OH
( 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
% finos <0.075 mm = 49%
51 % fracción gruesa
Fracción gruesa
45% arena
6% grava
Ejemplo 2
LL=25, IP=10
abajo de línea A
Alta
Baja
plasticidad
plasticidad
OH
( LL )
Clasificación: SC (arena arcillosa con grava, 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
Parámetros del material
• Numero de discontinuidades • Resistencia a la
• Orientación
compresión
• Espaciado
• Modulo de
• Abertura
elasticidad (o
• Rugosidad
deformación)
• Alteración (intemperismo)
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.
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.
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
Familias de discontinuidad:
Ferrer et al. 1999
2
3
Afloramiento con 3
familias principales
de discontinuidad
1
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
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.)
Sugerencia descargar y instalar el software gratis:
Roclab 1.0 – software freeware pera la classificacion GSI
en:
http://www.rocscience.com/products/14
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..)
da Cai et al. (2003)
GSI da volume promedio
de los bloques
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
1m
Granodoriorite
muy alterada
GSI 30
1m
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 calcular la textura de una manera aproximada
Material didáctico audiovisual:
[1] http://www.youtube.com/watch?v=GWZwbVJCNec&NR=1
[2] http://www.youtube.com/watch?v=IOyaBxj767s&feature=related
SUCS clasificación sistema de identificación de campo de fracción dominante
gruesa
SUCS clasificación sistema de identificación de campo de fracción dominante
fina

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