UNIVERSIDAD AUTONOMA TOMAS FRAS CARRERA DE INGENIERA CIVIL FACULTAD DE INGENIERA

UNIVERSIDAD AUTONOMA TOMAS FRAS CARRERA DE INGENIERA CIVIL FACULTAD DE INGENIERA!CLCULO PRECISIN Y SIMETRA!ADELANTE INGENIERADocente : M.Sc. Ing. Germn Lizarazu Pantoja

TEMA No. 9 PROPIEDADES INGENIERILES DEL SUELO

9.1.- GENERALIDADESEn los captulos precedentes, se estudiaron las propiedades ndice de los suelos. stas propiedades que reflejan las caractersticas generales de un suelo dado, sirven para indicar hasta qu punto los suelos de diferente origen pueden ser similares o no, y para su posterior aplicacin.Se ha indicado que la mecnica de suelos prctica est basada principalmente en la experiencia; pero, al mismo tiempo debe reconocerse que ha existido, en gran medida, el aporte de la ciencia aplicada, q1ue nos permita revelar las relaciones existentes entre los fenmenos y sus causas.Para determinar estas relaciones, ha sido necesario investigar las propiedades fsicas de los suelos, igual queen construcciones fue necesario investigar las propiedades del acero y del hormign. En la mayora de los casos prcticos, se considera que un acero o un hormign estn suficientemente descritos cuando se conocen su resistencia y su mdulo de elasticidad.En el caso de los suelos el problema es mucho ms complicado y a veces es necesario conocer otras propiedades.Dentro de las ms importantes, podemos sealar a:La capilaridadLa permeabilidadLa compresibilidadLa resistencia a la roturaLa resistencia a la fluencia lentaLas tensiones Las deformaciones, etc. ; las que estudiaremos ms adelante.9.2.- CARACTERSTICAS DE ESTAS PROPIEDADES

La humedad en los suelos y en las rocas porosas se presenta en dos formas: a) Como la pelcula de agua que cubre las partculas o granos de suelo. b) Como agua libre que ocupa total o parcialmente los vacios.En el primer caso, se dice que el suelo est saturado si el agua ocupa la totalidad de los poros; por lo tanto, la humedad es continua.En el segundo caso, si el agua ocupa parcialmente los poros, la humedad es discontinua y forma cuas de agua entre los granos de suelo, fig. 58.La superficie de separacin entre el aire y el agua, en los poros, se encuentra desequilibrado por la atraccin molecular, dando lugar a la Tensin superficial que es una fuerza que acta paralelamente a la superficie del agua y en toda direccin.

Fig. 58

En la construccin de autopistas, carreteras, calles y pistas de aterrizaje, es importante tomar en cuenta el agua capilar existente en el terreno de fundacin que queda encima de una napa fretica.La presin del agua capilar en los vacios del suelo, que servir de fundacin para cualquier construccin a realizarse, es negativa e inferior a la presin atmosfrica; sin embargo, las presiones capilares actuando entre las partculas de un suelo, aumentan su resistencia. Resistencia que desaparece a medida que el suelo se seca o el agua comienza a drenar, ocasionando asentamientos excesivos y con la consiguiente falla del suelo.9.3.- FENMENOS DE LA TENSIN SUPERFICIALEntre los fenmenos de la tensin superficial, podemos indicar algunas manifestaciones en los suelos:1. S se hace una excavacin en la tierra, se encontrar que el suelo est saturado mucho ms antes de alcanzar el nivel fretico, esto se debe a que por capilaridad el agua se eleva en los vacios del suelo saturando la muestra.2. S una muestra de arcilla saturada se seca, su volumen se reduce. La tensin superficial actuando en los poros del suelo, comprime la estructura del mismo y hace que su volumen se reduzca.3. Una muestra de suelo seco absorber agua rpidamente y a menudo se desintegrar, la tensin superficial es parcialmente responsable de este fenmeno.4. La arena seca se escurre de la mano cuando se trata de formar una bola de arena, pero si est hmeda, se pegarn los granos y ser ms fcil formar la bola de arena. La tensin de la pelcula de humedad, entre los granos, es responsable de sta resistencia que ha adquirido la arena con la humedad.9.4.- TENSIN CAPILARLa tensin capilar se puede representar como una fuerza en la superficie de separacin entre el aire y el agua, que acta paralelamente a la superficie del agua, su magnitud es: T = 0.075 gr/cm (- 0.005 Lb/pie) a 21 C, y aumenta o disminuye segn disminuya o aumente la temperatura (en mecnica de suelos, las tensiones tienen signo negativo).La atraccin del agua por las partculas de suelo o por el vidrio limpio, es de igual o mayor magnitud que la tensin superficial; por lo tanto, existe una tendencia a que la superficie de separacin se extienda a lo largo de cualesquiera de estos materiales slidos.Debido a que la fuerza de gravedad se opone a que la superficie sea horizontal en cualquier tubo capilar, se forma lo que se llama menisco, producindose esfuerzos de tensin en el agua.A este esfuerzo se le llama tensin capilar y se puede calcular en un tubo cilndrico, Fig. 59.

Fig.59

S llamamos a: = ngulo de contacto entre el menisco y el tubo d = Dimetro del tubo F = Fuerza total que se desarrolla en el permetro del menisco (suponiendo que la presin atmosfrica es cero)Luego: F = d T cos Tambin: A = Seccin transversal del tubo A = d / 4Luego, el esfuerzo capilar U ser igual a: U = F / A = 4 T cos / d ( U = negativo)9.4.1.- RADIO DEL MENISCOLa relacin entre la tensin capilar y el radio del menisco, rm, se halla geomtricamente, de la Fig. 59. d/2 = rm cos luego: d = 2 rm cos reemplazando en: U = 4 T cos / 2 rm cos = U = 2 T / rm

De lo que se deduce que el agua en contacto con el aire, slo depende del radio del menisco y es inversamente proporcional a l.9.4.2.- TENSIN MXIMALa tensin mxima ocurre cuando el radio del menisco sea mnimo; es decir, cuando la superficie del menisco sea tangente a la partcula del suelo, en cuyo caso ser: = 0 luego cos 0 = 1En un tubo cilndrico, el valor mnimo de rm es igual al radio del tubo.La mxima tensin ser: U mx. = 4 T x 1 / d U mx. = 4 T / d9.4.3.- TENSIN LMITEEn los tubos de gran dimetro, el agua no puede resistir verdaderos esfuerzos de tensin.Tan pronto como la presin desciende a la presin de vapor del agua (a 20 es igual a -1.012 Kg/cm2 manomtrica y + 0.0235 Kg/cm2 absoluta), se forma una burbuja de vapor de agua que se expansiona cuando la presin tiene tendencia a ser ms baja.Sin embargo, en los tubos de dimetro pequeo, el radio de la mayor burbuja es igual al radio del tubo y por lo tanto, el agua puede resistir un esfuerzo limitado solamente por la presin de vapor del agua que la denominaremos Uv y el esfuerzo lmite a U, luego: U = Uv + Umx

S Umx (esfuerzo negativo) es mayor que la presin de vapor en la burbuja, el valor de Umx ser negativo, lo que indica verdaderos esfuerzos de tensin en el agua.Nota.- Uv se expresar en presin manomtrica o absoluta lo mismo que Umx . Ver Fig. 60.

La Fig. 60 IndicaLa tensin su-perficial del aguaen Dinas/cm, adiferentes gradosde temperatura.

9.5.- TENSIN CAPILAR EN LOS SUELOSLas intercomunicaciones entre los vacios o poros del suelo forman tubos capilares irregulares, pero definidos, Fig. 61.La tensin mxima que puede desarrollarse variar de un punto a otro, dependiendo del dimetro del poro y del grado de saturacin.En un suelo No Cohesivo, el dimetro efectivo del poro es: poro = D10 /5poro = 1/5 D10

Fig.61

S un suelo est saturado, la superficie aire agua desaparece y: T = 0Cuando un suelo saturado se expone al aire, aparecen tensiones capilares debido a la evaporacin del agua, produciendo meniscos en la superficie y como los esfuerzos de traccin del agua se producen en la superficie aire agua; de acuerdo a las leyes de la hidrosttica, tenemos:

u = w . z ( z = positivo hacia abajo)

Luego, por debajo del menisco la tensin decrece o, lo que es lo mismo, la presin aumenta.La Fig. 62, nos muestra la ascensin capilar en un tubo.Al nivel del agua subterrneo existe una superficie libre, donde la presin del agua (U) es cero; debajo de ste nivel fretico, la presin aumenta de acuerdo a la ltima ecuacin. Por encima del nivel fretico la presin disminuye tal como se ve en la Fig. .La altura, hc, sobre la superficie de presin cero (nivelFig. 62

fretico o superficie libre), a la cual se puede elevar el agua, se halla igualando las expresiones de la presin hidrosttica y la tensin capilar mxima. hc = z u = Umx. Umx = 4T / d w. hc = 4T / d hc = 4T / w. dEsta altura capilar en suelos saturados vara desde unos pocos centmetros en arenas hasta 30 metros en algunas arcillas. 9.6.- CAPILARIDAD PASIVASe denomina as a la capilaridad que ha sido medida aplicando una fuerza de succin para destruir la tensin superficial del agua.Los capilarmetros de Beskow, as como el que se indica en la Fig. 63, mide la capilaridad pasiva de un suelo.Esta fuerza de succin, generalmente medida en columna de agua o de mercurio, es la que correspondera a la altura del agua capilar en los suelos.La capilaridad pasiva reproduce ms fielmente el fenmeno de la capilaridad in situ, pero su determinacin en laboratorio toma bastante tiempo.Fig. 63

9.7.- FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CAPILARIDADLa capilaridad de los suelos es una funcin de muchas variables y , por lo tanto, es un fenmeno complejo.La altura capilar y la velocidad del movimiento capilar, estn influidos por los siguientes factores:a) Tensin superficial del agua.b) Tiempoc) Evaporacind) Temperaturae) Contenido de humedad del suelof) Densidad de su masag) Tamao de sus partculasPor lo que los experimentos llevados a cabo en laboratorios, slo tendrn un valor limitado.9.8.- Ejemplos