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Informe de Ingeniería: “Comparación de la Calidad de Suelos según el Método de SUCS y ASSHTO”/Asesor: Ing. Gustavo Adolfo Aybar Arriola
RESUMEN
Mucha información relacionada con el suelo es irrelevante o escasa
para alguna aplicación que se desee hacer, la intención de este trabajo es
reunir todo aquel material que sea de utilidad práctica, sobre todo para
proyectos pequeños o diseños preliminares, con el fin de predecir el
comportamiento de un suelo.
CAPÍTULO 1: el suelo es el soporte último de todas las obras de
infraestructura, por lo que es necesario estudiar su comportamiento y
presenta los tipos de suelos que existen, suelos granulares, suelos cohesivos
y suelos orgánicos.
CAPÍTULO 2: Los sistemas de clasificación de suelos los dividen en
grupos y subgrupos con base a propiedades ingenieriles comunes tales como
la distribución granulométrica, el límite líquido y el límite plástico. Los dos
sistemas de clasificación que se usan en la actualidad son el sistema AASHTO
(American Association of estate highway and transportation officcials) y el
sistema unificado de clasificación de suelos (también ASTM).
CLASIFICACION UNIFICADA DE SUELOS (SUCS) Este sistema fue
propuesto por Arturo Casagrande.
CAPÍTULO 3.- El objetivo de este capítulo no es otro que conocer más
a fondo las propiedades más importantes del suelo de cara a su aplicación
directa en la construcción de infraestructuras viarias, así como los
procedimientos de ensayo empleados para determinarlas y las clasificaciones
más usuales en la Ingeniería.
Creemos que será también de gran utilidad para orientar sobre pruebas
más precisas y sofisticadas en proyectos de mayor tamaño. El estudio de los
dos sistemas de clasificación permitirá obtener la información más completa
posible.
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Informe de Ingeniería: “Comparación de la Calidad de Suelos según el Método de SUCS y ASSHTO”/Asesor: Ing. Gustavo Adolfo Aybar Arriola
INTRODUCCIÓN
La idea principal, en la elaboración de este trabajo surge a raíz de los
múltiples sistemas que existen en la actualidad, unos basados en propiedades
granulométricas y otros en las propiedades plásticas del suelo, pero todos
enfocados a un mismo objetivo, describir y clasificar los diferentes tipos de
suelos de una manera práctica y eficiente.
En el cuerpo de este trabajo se presentan y discuten los dos sistemas
de clasificación de suelos SUCS y ASSHTO, haciendo énfasis en el provecho
que se puede obtener de ellos al correlacionarlos con diferentes aplicaciones
constructivas.
En este documento se hace una descripción de los dos sistemas de
clasificación más comunes y de gran utilidad para el ingeniero civil, el Método
de SUCS y ASSHTO
Uno de los puntos más importantes a mencionar aparte de los dos diferentes
sistemas de clasificación, es de clasificar al suelo para su mejor uso; asimismo,
relacionarlo con propiedades y características de ensayos de laboratorio y
hacer correlación con los diferentes tipos de suelos que determinan los
procedimientos de clasificación.
Por último se hace una Comparación de la Calidad de Suelos entre los
diferentes sistemas de clasificación con el objetivo de relacionar el tipo de suelo
de un sistema con respecto a otro e implementar las medidas necesarias para
su aplicación.
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Informe de Ingeniería: “Comparación de la Calidad de Suelos según el Método de SUCS y ASSHTO”/Asesor: Ing. Gustavo Adolfo Aybar Arriola
INDICE
RESUMEN----------------------------------------------------------------------------------------1
INTRODUCCION--------------------------------------------------------------------------------2
CAPÍTULO 1: CONCEPTOS BASICOS DE LOS SUELOS -------------------------4
1.1. Origen de los suelos------------------------------------------------------------------5
1.2. Suelos granulares---------------------------------------------------------------------6
1.3. Suelos cohesivos----------------------------------------------------------------------6
1.4. Suelos orgánicos----------------------------------------------------------------------7
CAPÍTULO 2: ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE CLASIFICACION--------------9
2.1. La importancia de clasificar---------------------------------------------------------9
2.2. El sistema unificado SUCS--------------------------------------------------------21
2.3. El sistema AASHTO-----------------------------------------------------------------26
CAPÍTULO 3: SISTEMAS DE CLASIFICACION Y PROPIEDADES DEL
SUELO-------------------------------------------------------------------------------------------34
3.1. Calificación y clasificación con propiedades ingenieriles y utilidad-----34
3.2. Ensayos para determinar las propiedades mecánicas de los suelos---40
3.3. Relación entre diferentes sistemas de clasificación-------------------------66
RECOMENDACIONES----------------------------------------------------------------------72
CONCLUSIONES-----------------------------------------------------------------------------73
GLOSARIO DE TERMINOS----------------------------------------------------------------75
BIBLIOGRAFIA--------------------------------------------------------------------------------77
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CAPÍTULO I
1. CONCEPTOS BASICOS DE LOS SUELOS
Tradicionalmente, el suelo ha sido definido como un “agregado de
partículas minerales, a lo sumo parcialmente cementadas”. Si nos adentramos
en el campo de la ciencia y de la técnica esta definición se difumina, adoptando
una significación distinta dependiendo de la disciplina que lo estudie. Así, para
un ingeniero geotécnico, el suelo es un material natural que, a diferencia de la
roca, presenta una marcada modificación de sus propiedades en presencia de
agua; para el constructor, no es más que todo aquel material que puede ser
excavado sin emplear explosivos.
En cualquier caso, el suelo es el soporte último de todas las obras de
infraestructura, por lo que es necesario estudiar su comportamiento ante la
perturbación que supone cualquier asentamiento antrópico, en nuestro caso
una carretera.
La Geotecnia –más concretamente la Mecánica de Suelos- viene a
demostrarnos que el terreno se comporta como una estructura más, con unas
características físicas propias –densidad, porosidad, módulo de balasto, talud
natural, cohesión o ángulo de rozamiento interno- que le confieren ciertas
propiedades resistentes ante diversas solicitaciones –compresión, cizalla-
reflejadas en magnitudes como la tensión admisible o los asientos máximo y
diferencial.
En función de todas estas variables pueden establecerse
clasificaciones útiles desde el punto de vista constructivo, estableciendo una
tipología de suelos que refleje las características genéricas de cada grupo y su
idoneidad como soporte para los diferentes tipos de construcciones civiles.
El objetivo de este capítulo no es otro que conocer más a fondo las
propiedades más importantes del suelo de cara a su aplicación directa en la
construcción de infraestructuras viarias, así como los procedimientos de
ensayo empleados para determinarlas y las clasificaciones más usuales en
Ingeniería de Carreteras.
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1.1.- ORIGEN DE LOS SUELOS
Los suelos provienen de la alteración –tanto física como química- de
las rocas más superficiales de la corteza terrestre. Este proceso, llamado
meteorización, favorece el transporte de los materiales alterados que se
depositarán posteriormente formando alterita, a partir de la cual y mediante
diversos procesos se consolidará el suelo propiamente dicho.
Aunque posteriormente se establecerán diversas clasificaciones
específicas, pueden diferenciarse en una primera aproximación, diversos tipos
de suelo en función de la naturaleza de la roca madre y del tamaño de las
partículas que lo componen.
Fig. 01 – Clasificación composicional de un suelo
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1.1. SUELOS GRANULARES
Este tipo de suelos está formado por partículas agregadas y sin
cohesión entre ellas dado el gran tamaño de las mismas. Su origen obedece
fundamentalmente a procesos de meteorización física: lajamiento,
termoplástica, hialoclastita o fenómenos de hidratación física.
El tipo de transporte condiciona en buena medida sus características
granulométricas. Así, un suelo de origen eólico presentará un tamaño uniforme
de sus partículas; si el transporte es fluvial, presentará una granulometría
progresiva en función de la energía del medio; por el contrario, en medios
glaciares no existe un patrón granulométrico definido, dándose un amplio
espectro de tamaños de grano.
Las características principales de este tipo de suelos son su buena
capacidad portante y su elevada permeabilidad, lo que permite una rápida
evacuación del agua en presencia de cargas externas. Esta capacidad de
drenaje es proporcional al tamaño de las partículas, o dicho de otro modo, al
volumen de huecos o porosidad del suelo. Es destacable que para un
determinado grado de humedad, las partículas más finas presentan una
cohesión aparente que desaparece al variar el contenido de agua.
Dentro de esta clase de suelos se distinguen dos grandes grupos: el de
las gravas y el de las arenas. El límite entre ambos grupos viene dado por su
granulometría, considerándose arena la fracción de suelo de tamaño inferior a
2 mm. Dentro de esta clasificación pueden establecerse otras subdivisiones.
Las características mecánicas y resistentes de los suelos granulares
vienen en buena parte determinadas por el ángulo de rozamiento interno entre
partículas, así como por su módulo de compresibilidad.
1.2. SUELOS COHESIVOS
A diferencia de los anteriores, esta categoría de suelos se caracteriza
por un tamaño más fino de sus partículas constituyentes (inferior a 0.06 mm.),
lo que les confiere unas propiedades de superficie ciertamente importantes.
Esto se debe a que la superficie específica –relación entre la superficie y el
volumen de un cuerpo- de dichas partículas es más que considerable.
La cohesión es la principal propiedad desde el punto de vista
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mecánico de este tipo de suelos; se define como la fuerza interparticular
producida por el agua de constitución del suelo, siempre y cuando este no esté
saturado. La cohesión es importante desde el punto de vista de la estabilidad
de taludes, ya que aumenta la resistencia de un suelo frente a esfuerzos
cortantes o de cizalla.
Dentro de los suelos cohesivos también puede establecerse una
subdivisión en dos grandes grupos: los limos –de origen físico- formados por
partículas de grano muy fino (entre 0.02 y 0.002 mm) y las arcillas,
compuestas por un agregado de partículas microscópicas procedentes de la
meteorización química de las rocas.
Lo que realmente diferencia a los limos de las arcillas son sus
propiedades plásticas: mientras que los primeros son arcillas finísimas de
comportamiento inerte frente al agua, las arcillas –debido a la forma lajosa de
sus granos y a su reducido tamaño- acentúan los fenómenos de superficie,
causa principal de su comportamiento plástico.
Este tipo de suelos se caracteriza por su baja permeabilidad, al
dificultar el paso del agua por el reducido tamaño de sus poros, y su alta
compresibilidad; tan es así que los suelos arcillosos, limosos e incluso
arenosos como el loess pueden colapsar –comprimirse de forma brusca-
simplemente aumentando su grado de humedad hasta un valor crítico (entre el
85% para arcillas y el 40-60% para arenas y limos), al romperse los débiles
enlaces que unen unas partículas con otras. Esta importante propiedad se
emplea de forma directa en la compactación de suelos.
1.3. SUELOS ORGÁNICOS
Dentro de esta categoría se engloban aquellos suelos formados por la
descomposición de restos de materia orgánica de origen animal o vegetal –
predominando esta última- y que generalmente cubren los primeros metros de
la superficie.
Se caracterizan por su baja capacidad portante, alta compresibilidad y
mala tolerancia del agua, a lo que debe unirse la existencia de procesos
orgánicos que pueden reducir sus propiedades resistentes. Este tipo de suelos
es nefasto para la ubicación de cualquier obra de infraestructura, por lo que
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deben eliminarse mediante operaciones previas de desbroce.
En el caso de existir formaciones más profundas de materia orgánica,
como puede ser el caso de depósitos de turba, es preferible evitar el paso del
camino por ellas.
Cuando esto no sea posible, deberán tomarse precauciones especiales
que garanticen la estabilidad del terreno, estabilizándolo física o químicamente.
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CAPÍTULO II
2. ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE CLASIFICACION
2.1.- LA IMPORTANCIA DE CLASIFICAR
Desde épocas antiguas el hombre se ha preocupado por la clasificación de los suelos, debido a que en el cimienta o construye sus estructuras que lo han llevado a salir adelante. Esta preocupación se origina por la diversidad de tipos de suelos y su comportamiento tan variado de uno con respecto a otro
Para describir los diferentes materiales que aparecen en las exploraciones es necesario contar con una clasificación convencional de los tipos de suelos. El sistema a adoptar debe ser suficientemente detallado para que incluya todos los depósitos naturales, excepto los más raros y, aun así, debe ser razonable, sistemático y conciso.
Este tipo de sistema resulta necesario si se desean obtener conclusiones útiles basadas en los estudios del tipo de material. Al no contar con un sistema de clasificación, las informaciones públicas basadas en el tipo de suelo o las recomendaciones de diseño o construcción pueden resultar confusas y sería muy difícil aplicar la experiencia adquirida a diseños futuros. Además, a menos que se adopte un sistema convencional de nomenclatura, las interpretaciones conflictivas de los términos empleados pueden provocar confusiones conducentes a un proceso de comunicación ineficiente.
Para que resulte adecuado este propósito básico, cualquier sistema de clasificación debe satisfacer las siguientes condiciones:
a) Debe incorporar en forma descriptiva términos breves pero ilustrativos para el usuario.
b) Las clases y subclases deben quedar definidas por parámetros razonables cuya medición cuantitativa sea relativamente fácil.
c) Las clases y subclases deben permitir agrupar los suelos con características que impliquen propiedades de ingeniería similares.
La mayor parte de las clasificaciones dividen a los suelos en tres grupos principales gruesos, finos y orgánicos
Para una mejor aplicación de los sistemas de clasificación de suelos, cabe mencionar algunas propiedades básicas usadas por los diferentes sistemas de clasificación como son la separación por tamaños o granulometría (distinción cuantitativa) y la plasticidad o consistencia (distinción cualitativa).
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ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO
La finalidad de este ensayo no es otra que determinar las proporciones
de los distintos tamaños de grano existentes en el mismo, o dicho de otro
modo, su granulometría.
El tamiz es la herramienta fundamental para efectuar este ensayo; se
trata de un instrumento compuesto por un marco rígido al que se halla sujeta
una malla caracterizada por un espaciamiento uniforme entre hilos denominado
abertura o luz de malla, a través del cual se hace pasar la muestra de suelo a
analizar.
Se emplea una serie normalizada de tamices de malla cuadrada y
abertura decreciente, a través de los cuales se hace pasar una determinada
cantidad de suelo seco, quedando retenida en cada tamiz la parte de suelo
cuyas partículas tengan un tamaño superior a la abertura de dicho tamiz.
Existen diversas series normalizadas de tamices, aunque la más empleada es
la ASTM D-2487/69 americana.
Para determinar la fracción fina de suelo –limos y arcillas- no es posible
efectuar el tamizado, por lo que se empleará el método de sedimentación
(densímetro) descrito en la correspondiente norma.
Una vez realizado el proceso de tamizado y sedimentación, se procede
a pesar las cantidades retenidas en cada uno de los tamices, construyéndose
una gráfica semilogarítmica donde se representa el porcentaje en peso de
muestra retenida (o el que pasa) para cada abertura de tamiz.
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Fig. 01– Curva granulométrica de un suelo
Como aplicación directa de este ensayo, puede establecerse una clasificación genérica de suelos atendiendo a su granulometría:
CLASIFICACIÓN GRANULOMÉTRICA DE LOS SUELOS
TIPO DENOMINACION TAMAÑO (mm)
SUELOS GRANULARES
Bolos y bloques >60
Grava
Gruesa 60 - 20
Media 20 - 6
Fina 2 - 6
Arena
Gruesa 0.6 - 2
Media 0.2 - 0.6
Fina 0.06 - 0.2
SUELOS COHESIVOS
Limo
Grueso 0.02 - 0.06
Medio 0.006 - 0.02
Fino 0.002 - 0.006
Arcilla < 0.002
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Interpretación de los resultados
La interpretación de una curva granulométrica puede proporcionarnos
información acerca del comportamiento del suelo. Si estudiamos la regularidad
de la curva podremos diferenciar dos tipos de granulometrías:
(a) Granulometría discontinua: La curva presenta picos y tramos planos,
que indican que varios tamices sucesivos no retienen material, lo que
evidencia que la variación de tamaños es escasa. En este caso, se
habla de suelos mal graduados. La arena de playa es un claro ejemplo
de este tipo de suelos.
(b) Granulometría continua: La práctica totalidad de los tamices retienen
materia, por lo que la curva adopta una disposición suave y continua. A
este tipo de suelos se les denomina bien graduados. Las zahorras se
engloban dentro de este grupo.
De cara a determinar numéricamente la graduación de un suelo se
emplea el coeficiente de curvatura, definido por la siguiente expresión:
C c=D302
D10 . D60
Donde DX es la abertura del tamiz o diámetro efectivo (mm) por donde
pasa el X% en peso de la totalidad de la muestra de suelo analizada.
En carreteras, es importante que el suelo esté bien graduado para que
al compactarlo, las partículas más finas ocupen los huecos que dejan los áridos
de mayor tamaño, reduciendo de esta forma el número de huecos y
alcanzando una mayor estabilidad y capacidad portante. Un suelo bien
graduado presenta valores de Cc comprendidos entre 1 y 3.
Otro parámetro muy empleado para dar idea del grado de uniformidad
de un suelo es el llamado coeficiente de uniformidad, definido por Hazen
como la relación entre las aberturas de tamices por donde pasan el 60% y el
10% en peso de la totalidad de la muestra analizada:
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CU=D 60
D10
Según este coeficiente, un suelo que arroje valores inferiores a 2 se
considera muy uniforme, mientras que un coeficiente inferior a 5 define un
suelo uniforme.
Fig. 02– Interpretación de la curva granulométrica
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Diferencias entre gravas y arenas
Gravas (> 2 mm) Arenas (entre 0.06 y 2 mm)
− Los granos no se apelmazan
aunque estén húmedos, debido a
la pequeñez de las tensiones
capilares.
− Cuando el gradiente hidráulico es
mayor que uno, se produce en
ellas flujo turbulento.
− Es difícil perforar un túnel en
gravas con agua mediante aire
comprimido, porque la pérdida de
aire es muy alta.
− Los granos se apelmazan si están
húmedos, debido a la importancia
de las tenciones capilares.
− No se suele producir en ellas flujo
turbulento aunque el gradiente
hidráulico sea mayor que 1.
− El aire comprimido es adecuado
para perforar en ellas
Diferencias entre arenas y limos
Arenas (entre 0.06 y 2 mm) Limos (entre 0.002 y 0.06 mm)
− Partículas visibles.
− En general no plásticas.
− Los terrenos secos tienen una
ligera cohesión, pero se reducen a
polvo fácilmente entre los dedos.
− Fácilmente erosionables por el
viento.
− Fácilmente drenadas mediante
bombeo.
− Los asentamientos de las
construcciones realizadas sobre
ellas sueles estar terminados al
acabar la construcción
− Partículas invisibles.
− En general, algo plásticos.
− Los terrones secos tienen una
cohesión apreciable, pero se
pueden reducir a polvo con los
dedos.
− Difícilmente erosionados por el
viento.
− Casi imposible de drenar mediante
bombeo.
− Los asentamientos suelen
continuar después de acabada la
construcción.
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Diferencias entre limos y arcillas
Limos (entre 0.002 y 0.06 mm) arcillas(< 0.002 mm)
− No suelen tener propiedades
coloidales.
− A partir de 0.02mm, y a medida
que aumenta el tamaño de las
partículas, se va haciendo cada
vez mayor la proporción de
minerales no arcillosos.
− Tacto áspero.
− Se secan con relativa rapidez y no
se pegan los dedos.
− Los terrones secos tienen una
cohesión apreciable pero se
pueden reducir a polvo
− Suelen tener propiedades
coloidales.
− Consisten en su mayor parte en
minerales arcillosas.
− Tacto suave
− Se seca lentamente y se pegan a
los dedos
− Los terrones secos se pueden
partir, pero no reducir a polvo con
los dedos
ESTADOS DE CONSISTENCIA
Como se dijo en la presentación, el comportamiento de un suelo está
muy influenciado por la presencia de agua en su seno. Este hecho se acentúa
cuanto menor es el tamaño de las partículas que componen dicho suelo, siendo
especialmente relevante en aquéllos donde predomine el componente arcilloso,
ya que en ellos los fenómenos de interacción superficial se imponen a los de
tipo gravitatorio.
Por ello, resulta muy útil estudiar los límites entre los diversos estados
de consistencia que pueden darse en los suelos coherentes en función de su
grado de humedad: líquido, plástico, semisólido y sólido.
(a) Líquido: La presencia de una cantidad excesiva de agua anula las
fuerzas de atracción interparticular que mantenían unido al suelo –la cohesión-
y lo convierte en una papilla, un líquido viscoso sin capacidad resistente.
(b) Plástico: El suelo es fácilmente moldeable, presentando grandes
deformaciones con la aplicación de esfuerzos pequeños. Su comportamiento
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es plástico, por lo que no recupera su estado inicial una vez cesado el
esfuerzo.
Mecánicamente no es apto para resistir cargas adicionales.
(c) Semisólido: El suelo deja de ser moldeable, pues se quiebra y
resquebraja antes de cambiar de forma. No obstante, no es un sólido puro, ya
que disminuye de volumen si continúa perdiendo agua. Su comportamiento
mecánico es aceptable.
(d) Sólido: En este estado el suelo alcanza la estabilidad, ya que su
volumen no varía con los cambios de humedad. El comportamiento mecánico
es óptimo.
Las humedades correspondientes a los puntos de transición entre cada
uno de estos estados definen los límites líquido (LL), plástico (LP) y de
retracción (LR) respectivamente.
Fig. 03– Estados de consistencia de un suelo
Para realizar esta tarea, existen dos procedimientos de ensayo muy
extendidos los límites de Atterberg y el equivalente de arena si bien el
primero es más preciso que el segundo.
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Límites de Atterberg
Atterberg fue el primero que relacionó el grado de plasticidad de un
suelo con su contenido en agua o humedad, expresado en función del peso
seco de la muestra.
También fue él quien definió los cuatro estados de consistencia de los
suelos vistos anteriormente y determinó los límites entre ellos, observando la
variación de diferentes propiedades físicas y mecánicas.
De los límites anteriormente mencionados, interesa especialmente la
determinación de los umbrales de los estados líquido (límite líquido) y plástico
(límite plástico), ya que éstos presentan una alta deformabilidad del suelo y una
drástica reducción de su capacidad portante. Afinando más todavía, el interés
se centra en determinar el intervalo de humedad para el cual el suelo se
comporta de manera plástica, es decir, su plasticidad.
El límite líquido se determina mediante el método de la cuchara de
Casagrande. El ensayo se basa en la determinación de la cantidad de agua
mínima que puede contener una pasta formada por 100 g. de suelo seco que
haya pasado por el tamiz 0.40 UNE. Para ello, se coloca sobre el mencionado
artefacto y se acciona el mecanismo de éste, contándose el número de golpes
necesario para cerrar un surco –realizado previamente con una espátula
normalizada- en una longitud de 13 mm. El ensayo se dará por válido cuando
se obtengan dos determinaciones, una de entre 15 y 25 golpes, y otra de entre
25 y 35. La humedad correspondiente al límite líquido será la correspondiente a
25 golpes, y se determinará interpolando en una gráfica normalizada las dos
determinaciones obtenidas experimentalmente.
El límite plástico se determina de una manera si cabe más
rocambolesca: se define como la menor humedad de un suelo que permite
realizar con él cilindros de 3 mm. de diámetro sin que se desmoronen,
realizándose dos determinaciones y hallando la media. Este ensayo se realiza
con 200 g. de muestra seca y filtrada a través del tamiz 0.40 UNE, como en el
caso anterior.
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A la diferencia entre ambos límites se denomina índice de plasticidad (IP), y
da una idea del grado de plasticidad que presenta el suelo; un suelo muy
plástico tendrá un alto índice de plasticidad:
Fig. 04 – Cuchara de Casagrande
IP = LL – LP
En la siguiente tabla se muestran los rangos de valores más frecuentes
de todos estos parámetros en diferentes tipos de suelos:
VALORES TÍPICOS DE CONSISTENCIA DEL SUELO
PARAMETROTIPO DE SUELO
Arena Limo Arcilla
LL Límite liquido 15 - 20 30- 40 40 - 150
LP Límite plástico 16 - 20 20 - 25 25 - 50
LRLímite de retracción
12 - 18 14 - 25 8 - 35
IPÍndice de plasticidad
0 - 3 10 - 15 10 -100
El índice de plasticidad permite clasificar bastante bien un suelo. Un IP
grande corresponde a un suelo muy arcilloso. Por el contrario, un IP pequeño
es característico de un suelo poco arcilloso. Sobre todo esto se puede dar la
clasificación siguiente:
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Índice de plasticidad Característica
IP > 20 Suelos muy arcillosos
20 > IP > 40 Suelos arcillosos
10 > IP > 4 Suelos poco arcilloso
IP = 0 Suelos exentos de arcilla
Se debe tener en cuenta que, en un suelo el contenido de arcilla, es el
elemento más peligroso de una carretera, debido sobre todo a su gran
sensibilidad al agua.
Equivalente de arena
El ensayo del equivalente de arena permite una rápida determinación
del contenido en finos de un suelo, dándonos además una idea de su
plasticidad.
Para realizarlo, se separa la fracción arenosa del suelo mediante el
tamiz de 5 mm. de la serie UNE (#4 de la serie ASTM) y se introduce un
volumen de 90 cm3 de la misma en una probeta cilíndrica de 32 mm. de
diámetro y 430 mm. de longitud, graduada de 2 en 2 mm. A continuación se
introducirá una espesa disolución de trabajo formada por cloruro cálcico,
glicerina y formaldehído diluidos en agua destilada, dejando reposar la mezcla
durante 10 minutos. Seguidamente, el conjunto se agitará de forma
normalizada –90 ciclos en 30 segundos, con un recorrido de unos 20 cm.- para
conseguir una mezcla íntima. Posteriormente, se dejará reposar durante un
tiempo de 20 minutos.
Una vez transcurrido este tiempo, se podrá observar mediante simple
contacto visual la existencia de dos horizontes, uno de ellos correspondiente a
la fracción arenosa del suelo y otro por encima del anterior, relativo a la
proporción de finos existente en la muestra.
El equivalente de arena del suelo vendrá dado por la siguiente expresión:
E . A .= AA+B
x100
siendo A la lectura sobre la probeta del horizonte de arena
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B la lectura referente al horizonte de finos
Este ensayo tiene la ventaja de que es más rápido que el anterior y ofrece
resultados similares aunque incomprensiblemente menos precisos, por lo
menos a tenor del subjetivo procedimiento de ensayo empleado en aquél.
Equivalente de arena Característica
si EA > 40 El suelo no es plástico, es de arena
si 40 > EA > 20 El suelo es poco plástico y no heladizo
si EA < 20 El suelo es plástico y arcilloso
Fig.05 – Ensayo del equivalente de arena
2.2.- EL SISTEMA UNIFICADO SUCS
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La determinación y cuantificación de las diferentes propiedades de un
suelo, efectuadas mediante los ensayos, tienen como objetivo último el
establecimiento de una división sistemática de los diferentes tipos de suelos
existentes atendiendo a la similitud de sus caracteres físicos y sus propiedades
geomecánicas.
Una adecuada y rigurosa clasificación permite al tener una primera idea
acerca del comportamiento que cabe esperar de un suelo como cimiento del
firme, a partir de propiedades de sencilla determinación; normalmente, suele
ser suficiente conocer la granulometría y plasticidad de un suelo para predecir
su comportamiento mecánico. Además, facilita la comunicación e intercambio
de ideas entre profesionales del sector, dado su carácter universal.
De las múltiples clasificaciones existentes, la que sin duda es la más
racional y completa –clasificación de Casagrande modificada- y otras de
aplicación más directa en Ingeniería de Carreteras, como son la empleada por
la AASHTO.
CLASIFICACIÓN GENERAL DE CASAGRANDE MODIFICADA
Fue A. Casagrande quien en 1.942 ideó este sistema genérico de
clasificación de suelos, que fue empleado por el Cuerpo de Ingenieros del
ejército de los EE.UU. para la construcción de pistas de aterrizaje durante la II
Guerra Mundial.
Diez años más tarde, y vista la gran utilidad de este sistema en
Ingeniería Civil, fue ligeramente modificado por el Bureau of Reclamation,
naciendo el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS); este sistema
fue adoptado por la ASTM (American Society of Testing Materials) como parte
de sus métodos normalizados.
Dicha clasificación se vale de unos símbolos de grupo, consistentes en
un prefijo que designa la composición del suelo y un sufijo que matiza sus
propiedades. En el siguiente esquema se muestran dichos símbolos y su
significación:
Símbolos de grupo (SUCS)
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TIPO DE SUELO PREFIJO SUBGRUPO SUFIJO
Grava G Bien graduado W
Arena S Pobremente graduado P
Limo M Limoso M
Arcilla C Arcilloso C
Orgánico O Limite liquido alto (>50) L
Turba Pt Limite liquido bajo (>50) H
En función de estos símbolos, pueden establecerse diferentes
combinaciones que definen uno y otro tipo de suelo:
Tipología de suelos (SUCS)
SIMBOLO Características generales
GWGRAVAS
(>50 % en tamiz #4 ASTM)
Limpias (Finos <5%)
Bien graduadas
GP Pobremente graduadas
GM Con finos (Finos>12%)
Componente limoso
GC Componente arcilloso
SWARENAS
(<50 % en tamiz #4 ASTM)
Limpias (Finos <5%)
Bien graduadas
SP Pobremente graduadas
SM Con finos (Finos>12%)
Componente limoso
SC Componente arcilloso
MLLIMOS
Baja plasticidad (LL < 50)
MH Alta plasticidad (LL>50)
CLARCILLAS
Baja plasticidad (LL < 50)
CH Alta plasticidad (LL>50)
OL SUELOS ORGANICOS
Baja plasticidad (LL < 50)OH Alta plasticidad (LL>50)
Pt TURBA Suelos altamente orgánicos
Como puede deducirse de la anterior tabla, existe una clara distinción
entre tres grandes grupos de suelos:
a. Suelos de grano grueso (G y S): Formados por gravas y arenas con
menos del 50% de contenido en finos, empleando el tamiz 0.080
UNE (#200 ASTM).
22
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b. Suelos de grano fino (M y C): Formados por suelos con al menos un
50% de contenido en limos y arcillas.
c. Suelos orgánicos (O, Pt): Constituidos fundamentalmente por
materia orgánica. Son inservibles como terreno de cimentación.
Asimismo, dentro de la tipología expuesta pueden existir casos
intermedios, empleándose una doble nomenclatura; por ejemplo, una grava
bien graduada que contenga entre un 5 y un 12% de finos se clasificará como
GW-GM.
Tras un estudio experimental de diferentes muestras de suelos de
grano fino, Casagrande consigue ubicarlos en un diagrama que relaciona el
límite líquido (LL) con el índice de plasticidad (IP). En este diagrama, conocido
como la carta de Casagrande de los suelos cohesivos, destacan dos grandes
líneas que actúan a modo de límites:
Línea A: IP = 0.73 · (LL-20)
Línea B: LL = 50
23
Informe de Ingeniería: “Comparación de la Calidad de Suelos según el Método de SUCS y ASSHTO”/Asesor: Ing. Gustavo Adolfo Aybar Arriola
Fig.05 – Carta de Casagrande para los suelos cohesivos
24
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DIVISIONES MAYORESSÍMBOLO
DESCRIPCIÓNSUCS GRAFICO
SU
EL
OS
GR
AN
UL
AR
ES
GRAVA Y SUELOS
GRAVOSOS
GW GRAVA BIEN GRADUADA
GP GRAVA MAL GRADUADA
GM GRAVA LIMOSA
GC GRAVA ARCILLOSA
ARENA Y SUELOS
ARENOSOS
SW ARENA BIEN GRADUADA
SP ARENA MAL GRADUADA
SM ARENA LIMOSA
SC ARENA ARCILLOSA
SU
EL
OS
FIN
OS
LIMOS Y ARCILLAS
(LL<50)
MLLIMO INORGÁNICO DE BAJA PLASTICIDAD
CLARCILLA INORGÁNICA DE BAJA PLASTICIDAD
OLLIMO ORGÁNICO O ARCILLA ORGÁNICA DE BAJA PLASTICIDAD
LIMOS Y ARCILLAS
(LL>50)
MHLIMO INORGÁNICO DE ALTA PLASTICIDAD
CHARCILLA INORGÁNICA DE ALTA PLASTICIDAD
OHLIMO ORGÁNICO O ARCILLA ORGÁNICA DE ALTA PLASTICIDAD
SUELOS ALTAMENTE ORGÁNICOS
PtTURBA Y OTROS SUELOS ALTAMENTE ORGÁNICOS
Simbología de Suelos (Referencial)
25
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2.3.- EL SISTEMA AASTHO
La clasificación de Casagrande tiene un carácter genérico, empleándose
para todo tipo de obras de ingeniería dada su gran versatilidad y sencillez. Sin
embargo, esta clasificación puede quedarse corta a la hora de estudiar
determinadas propiedades específicas que debe tener un suelo para ser
considerado apto en carreteras.
Por ello, existen una serie de clasificaciones específicas para suelos
empleados en construcción de infraestructuras viarias; de hecho, la práctica
totalidad de los países desarrollados tienen la suya. En este apartado
dedicaremos especial atención a las más empleadas en nuestro entorno: la
clasificación de la AASHTO.
Clasificación de la AASHTO
Ha sido en Estados Unidos donde se han desarrollado la mayor parte
de clasificaciones empíricas de suelos. Una de las más populares en carreteras
es la empleada por la American Asociation of State Highway and
Transportation Officials (AASHTO), y que fue originalmente desarrollada por los
ilustres geotécnicos Terzaghi y Hogentogler para el Bureau of Public Roads
norteamericano.
Inspirada en el modelo de Casagrande, considera siete grupos básicos
de suelos, numerados desde el A-1 hasta el A-7. A su vez, algunos de estos
grupos presentan subdivisiones; así, el A-1 y el A-7 tienen dos subgrupos y el
A-2, cuatro.
Además todos estos grupos se dividen en las tres categorías
fundamentales:
Granulares:
Estos suelos conforman los grupos A-1, A-2 y A-3, esto suelos
son retenidos en 35% o más en la malla #200.
Limo-Arcilla:
Estos suelos conforman los grupos A-4, A-5, A-6 y A-7, esto
cumpliendo que el más del 35% del material sea pasante de la malla #200.26
Informe de Ingeniería: “Comparación de la Calidad de Suelos según el Método de SUCS y ASSHTO”/Asesor: Ing. Gustavo Adolfo Aybar Arriola
Orgánicos:
Turbas, material altamente orgánico
Además la AASHTO, según el tamaño de las partículas y algunas de
las propiedades físico-mecánicas de las partículas caracteriza los suelos
de la siguiente forma:
Suelos Granulares:
Grupo A - 1. Suelos bien graduados de tamaños gruesos y finos, con
poco aglomerante plástico.
Subgrupo A - 1 - a. Materiales que predominan en este subgrupo
son fracciones de rocas o gravas, con o sin un ligante de suelo bien
graduado.
Subgrupo A - 1 - b. En esta clasificación predominan las arenas con o
sin un buen aglomerante.
Los suelos A - 1 son los mejores graduados según la clasificación
AASHTO debido a sus componentes y a las propiedades que poseen
sus partículas.
Grupo A - 2. En esta clasificación se encuentran una gran diversidad de
materiales granulares que son los límites para algunos grupos, estos
suelos no se pueden ubicar dentro de los Grupos A - 1 y A - 3 debido a
las propiedades que poseen; el contenido de finos y el índice de plasticidad
son los referentes para su clasificación.
Subgrupo A - 2 - 4 y A - 2 – 5 . Estos suelos están compuestos de
bastante agregados y con muchos limos.
Subgrupo A - 2 - 6 y A - 2 – 7. Al contrario de los subgrupos
anteriores estos poseen materiales granulares y gran cantidad de
arcillas.
Según la AASHTO estos suelos están por debajo del tipo A - 1, que
27
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pueden ser utilizados como carpeta de rodaje en caminos terciarios, pero va a
depender del aglomerante.
Grupo A - 3. En este grupo se encuentran las arenas de playas, arenas
de desiertos y mezclas aluviales de arena fina mal graduada con
cantidades de arcilla gruesa y grava.
Suelos Limo - Arcillosos.
Grupo A - 4. estos suelos es muy común de encontrarse ya que
mayormente poseen cantidades de limos con porcentajes muy ligeros de
material grueso y arcillas coloidales.
Grupo A - 5. Estos suelos son muy parecidos a los del grupo A - 4 con
la diferencia de que estos tienden a ser muy elásticos e inestables aun en
estados secos, además poseen porcentajes de diatomáceo o micáceo.
Grupo A - 6. Suelos muy común de encontrarse en el medio, en donde
su composición predomina la arcillas con porcentajes muy ligeros
de gruesos en estado plástico; su capacidad de carga es muy buena, pero
debido a que se refiere a un predominante de arcillas cuando absorbe agua
se expande y va perdiendo la capacidad de soporte de carga, además
cuando esta con un contenido de agua por debajo del optimo no debe de
compactarse.
Grupo A - 7. En estos materiales son muy parecidos al del grupo A - 6
a diferencia que son arcilla altamente plásticas con presencias de limos,
turbas y materia orgánica, los cuales la vuelven muy elásticas e inestable a
la vez.
Subgrupo A - 7 – 5. Suelos con Índice de plasticidad moderado con
relación a su Limite Liquido el cual los vuelve altamente elásticos
y expansivos.
Subgrupo A - 7 – 6. Estos suelos son altamente expansivos con un
Índice de plasticidad alto en relación a su Limite Liquido.28
Informe de Ingeniería: “Comparación de la Calidad de Suelos según el Método de SUCS y ASSHTO”/Asesor: Ing. Gustavo Adolfo Aybar Arriola
Suelo Orgánico:
Son suelos altamente compresibles y baja resistencia al corte, dichos
suelos no son adecuados en obras de terraplenes y subrasantes, es decir que
este material debe ser desalojado de las obras en las que se requiere un
suelo estable. La clasificación de estos suelos es a partir de una inspección
visual.
Su color es negro o pardo oscuro, con olor a material descompuesto
debido a materiales orgánicos que posee en descomposición.
Los únicos ensayos necesarios para encuadrar un suelo dentro de un
grupo u otro son el análisis granulométrico y los límites de Atterberg. Si
queremos determinar su posición relativa dentro del grupo, es necesario
introducir el concepto de índice de grupo (IG), expresado como un número
entero con un valor comprendido entre 0 y 20 en función del porcentaje de
suelo que pasa a través del tamiz #200 ASTM (0.080 UNE):
IG = 0.2 ⋅ a + 0.005 ⋅ a ⋅ c + 0.01 ⋅ b ⋅ dDónde:
a es el porcentaje en exceso sobre 35, de suelo que pasa por dicho tamiz, sin
pasar de 75. Se expresa como un número entero de valor entre 0 y 40.
b es el porcentaje en exceso sobre 15, de suelo que atraviesa el tamiz, sin
superar un valor de 55. Es un número entero que oscila entre 0 y 40.
c es el exceso de límite líquido (LL) sobre 40, y nunca superior a 60. Se
expresa como un número entero comprendido entre 0 y 20.
d es el exceso de índice de plasticidad (IP) sobre 10, nunca superior a 30. Es
también un número entero positivo comprendido entre 0 y 20.
Índice de grupo.- Es un índice adoptado por AASHTO de uso corriente para
clasificar suelos, está basado en gran parte en los límites de Atterberg. El
índice de grupo de un suelo se define mediante la fórmula:
29
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IG = 0.2 (a) + 0.005 (ac) + 0.01 (bd)
Dónde:
a = F-35 (F = Fracción del porcentaje que pasa el tamiz Nº 200 -74 micras). Expresado por un número entero positivo comprendido entre 1 y 40.
b = F-15 (F = Fracción del porcentaje que pasa el tamiz Nº 200 -74 micras).Expresado por un número entero positivo comprendido entre 1 y 40.
c = LL – 40 (LL = límite líquido). Expresado por un número entero comprendido entre 0 y 20.
d = IP-10 (IP = índice plástico). Expresado por un número entero comprendido entre 0 y 20 o más.
El índice de grupo es un valor entero positivo, comprendido entre 0 y
20 o más. Cuando el IG calculado es negativo, se reporta como cero. Un índice
cero significa un suelo muy bueno y un índice igual o mayor a 20, un suelo no
utilizable para carreteras.
30
Índice de grupo Suelo de subrasante
IG > 9 Muy pobre
IG está entre 4 a 9 pobre
IG está entre 2 a 4 regular
IG está entre 1 − 2 bueno
IG está entre 0 − 1 Muy bueno
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En la página siguiente se muestra la tabla de clasificación de suelos
AASHTO, en la que se recogen todas las características exigibles a cada grupo
–y subgrupo, en el caso de que exista- de suelo.
Clasificación AAHSTO
31
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SISTEMA DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS AASHTO
32
Clasificación Materiales granulares Materiales limoso arcilloso
general (35% o menos pasa por el tamiz Nº 200 (más del 35% pasa el tamiz Nº 200)A-1 A -2 A-7
Grupo: A-1-a A-1-b A-3 A-2-4 A-2-5 A-2-6 A-2-7 A-4 A-5 A-6 A-7-5A-7-6
Porcentaje que pasa:Nº 10 (2mm) 50 máx. - - - -
Nº 40 (0,425mm) 30 máx. 50 máx. 51 mín. - -
Nº 200 (0,075mm) 15 máx. 25 máx. 10 máx. 35 máx. 36 mín.Características de la
fracción que pasa porel tamiz Nº 40
Límite líquido - - 40 máx. 41 mín. 40 máx.41
mín.40
máx.41
mín.40
máx.41 mín.
Índice de plasticidad 6 máx. NP (1) 10 máx. 10 máx. 11 mín.11
mín.10
máx.10
máx.11
mín. 11 mín.Constituyentes Fragmentos de
Arena fina Grava y arena arcillosa o limosaSuelos limosos
Suelos arcillososprincipales
roca, grava y arena
CaracterísticasExcelente a bueno Pobre a malo
como subgrado(1): No plástico
(2): El índice de plasticidad del subgrupo A-7-5 es igual o menor al LL menos 30
El índice de plasticidad del subgrupo A-7-6 es mayor que LL menos 30
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Cuadro: signos convencionales para perfil de calicatas
SUELOS
A − 1 - a A − 5
A − 1 - b A − 6
A − 3 A − 7 − 5
A − 2 − 4 A − 7 − 6
A − 2 − 5 MATERIA ORGANICA
A − 2 − 6 ROCA SANA
A − 2 − 7ROCA
DESINTEGRADA
A − 4
33
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CAPÍTULO III
3.- SISTEMAS DE CLASIFICACIÓN Y PROPIEDADES DEL SUELO
3.1.- CALIFICACIÓN Y CLASIFICACIÓN
Aunque los sistemas de clasificación basados en el criterio de Casagrande separan a los suelos de acuerdo con sus propiedades de ingeniería, no interpretar estrictamente un uso particular; es decir, la clasificación de un suelo no resulta tan evidente cuando este se desea emplear para algún tipo de obra. Sim embargo, las tablas sirven en este sentido como una valiosa ayuda.
Una vez que el suelo se haya clasificado, la consulta de estas tablas resulta inmediata y es muy fácil dar una calificación del suelo de acuerdo con su conveniencia para ser utilizado en determinada constructiva o como componente sustancial de una obra.
Propiedades importantes de ingeniería
Nombres típicos de los
grupos de suelos
Símbolo de grupo
Permeabilidad cuando esta compactada
Resistencia al esfuerzo cortante,
compactada y saturada
Comprensibilidad cuando esta compactada y
saturada
Trabajabilidad como
material de construcción
Gravas bien graduadas, mezclas de gravas y arenas, sin finos o con muy pocos
GW Permeable excelente Despreciable Excelente
Gravas pobremente graduadas, mezclas de gravas y arenas, sin finos o con muy pocos
GP Muy permeable
Buena Despreciable Buena
Gravas limosas mezclas de gravas, arenas y limos pobremente graduadas
GMSemipermeab
le impermeable
Buena Despreciable Buena
Gravas arcillosas, mezclas de grava, arena y arcilla
GC ImpermeableBuena a
aceptable Muy baja Buena
34
Informe de Ingeniería: “Comparación de la Calidad de Suelos según el Método de SUCS y ASSHTO”/Asesor: Ing. Gustavo Adolfo Aybar Arriola
pobremente graduadasArenas bien graduadas, arenas gravosas, sin finos o con muy pocos
SW Permeable Excelente Despreciable Excelente
Arenas pobremente graduadas, arenas gravosas, sin finos o con muy pocos
SP Permeable Buena Muy baja Aceptable
Arenas limosas, mezclas de arenas y limos pobremente graduados
SMSemipermeab
le impermeable
Buena Baja Aceptable
Arenas arcillosas, mezclas de arenas arcillas pobremente graduadas
SC Impermeable Buena a aceptable
Baja Buena
Limos inorgánicos y arenas muy finas, arena limosas o arcillosas con poca plasticidad
MLSemipermeab
le impermeable
Aceptable Media Aceptable
Arcillas inorgánicas de baja o mediana plasticidad, arcillas gravosas, arcillas arenosas, arcillas limosas
CL Impermeable Aceptable Media Buena a aceptable
Limos inorgánicos, arenas finas o suelos limosos, limos elásticos
OLSemipermeab
le impermeable
Pobre Media Aceptable
Limos inorgánicos, arenas finas o suelos limosos, limos elásticos
MHSemipermeab
le impermeable
Aceptable a pobre
Alta Pobre
Arcillas inorgánicos de alta plasticidad,
CH Impermeable Pobre Alta Pobre
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arcillas gravosasArcillas orgánicas de mediana a alta plasticidad
OH Impermeable Pobre Alta Pobre
Turbas y otros suelos altamente orgánicos
Pt ------- ------- ------- -------
Principales propiedades y utilización:
Como este sistema se lleva utilizando de forma generalizada en muchos países y durante muchos años, a partir de la denominación del suelo ya se pueden saber de forma cualitativa sus principales propiedades y las obras en las que se pueden utilizar, como se puede observar en las dos páginas siguientes.
Símbolo Permeabilidad Resistencia Compresibilidad Facilidad
GW Permeable Excelente Despreciable Excelente
GP Muy permeable Buena Despreciable Buena
GMSemipermeable a
impermeableBuena Despreciable Buena
GC ImpermeableBuena a regular
Muy baja Buena
SW Permeable Excelente Despreciable Excelente
SP Permeable Buena Muy baja Regular
SMSemipermeable a
impermeableBuena Baja Regular
SC ImpermeableBuena a regular
Baja Buena
Símbolo Permeabilidad Resistencia Compresibilidad Facilidad
MLSemipermeable a
impermeableRegular Media Regular
CL Impermeable Regular MediaBuena a regular
OLSemipermeable a
impermeableDeficiente Media Regular
MHSemipermeable a
impermeableRegular a deficiente
Elevada Deficiente
CH Impermeable Deficiente Elevada Deficiente
OH Impermeable Deficiente Elevada Deficiente
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Presas de tierra Cimentaciones Carreteras
Símbolo Homogéneas Núcleo Con flujo Sin flujo Terraplenes Capas
GW - - - 1 1 3
GP - - - 3 3 -
GM 2 4 1 4 4 5
GC 1 1 2 6 5 1
SW - - - 2 2 4
SP - - - 5 6 -
SM 4 5 3 7 8 6
SC 3 2 4 8 7 2
ML 6 6 6 9 10 -
CL 5 3 5 10 9 7
OL 8 8 7 11 11 -
MH 9 9 8 12 12 -
CH 7 7 9 13 13 -
OM 10 10 10 14 14 -
Esta tabla presenta el grado de adecuación de cada tipo de suelo para
diferentes obras (los números pequeños indican una óptima utilización).
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Grupo VALORACIÓN ATRIBUTOS APTITUDES SEGÚN USOSGW +++ ++ +++ +++ Mantos de presas, terraplenes, erosión de canales.GP ++ +++ ++ +++ Mantos de presas y erosión de canales.GM ++ - ++ +++ Cimentaciones con flujo de agua.GC ++ -- + ++ Núcleos de presas, revestimientos de canales.SW +++ ++ +++ +++ Terraplenes y cimentación con poco flujo.SP m ++ ++ ++ Diques y terraplenes de suave talud.SM m - ++ + Cimentación con flujo, presas homogéneas.SC ++ -- + + Revestimiento de canales, capas de pavimentoML m - m m Inaceptable en pavimentos, licuable.CL + -- m m Revestimiento de canales, pero es erosionable.OL m - -- m No recomendable, máximo si hay agua.MH -- - - --- Inaceptable en cimentaciones o bases (hinchable)CH -- -- -- --- Inaceptable en cimentación (hinchable)OH -- -- -- --- Inaceptable en cimentaciones o terraplenes.
CARA
CTER
ISTI
CAS
FUN
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ENTA
LES
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lidad
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nto
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lidad
Res
iste
ncia
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Com
pres
ibili
dad
Sobresaliente +++Muy Alto ++
Alto +Moderado mDeficiente -
Bajo --Muy bajo ---
Tabla 5.2 Características y uso de los suelos (Grupo del SUCS)
39
Informe de Ingeniería: “Comparación de la Calidad de Suelos según el Método de SUCS y ASSHTO”/Asesor: Ing. Gustavo Adolfo Aybar Arriola
Gru
pos
Sue
los
Per
me
abili
dad
elas
ticid
ad
Ca
mbi
o de
V
olum
en
Ca
pila
rida
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Bas
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e
pavi
me
ntos
Sub
ba
ses
Ter
rapl
én
Valoración escala
A-1 -- --- -- - ++ ++ ++ +++ Sobresaliente
A-2 - ++ + m - m + ++ Muy alto
A-3 + - -- - + + + + Alto
A-4 - + + +++ - - + m Moderado
A-5 - m ++ +++ - - -- - Deficiente
A-6 --- - ++ ++ -- -- - -- Bajo
A-7 -- m ++ ++ -- -- -- --- Muy bajo
Tabla 5.3 Características de suelos –según la AASHTO–
40
Informe de Ingeniería: “Comparación de la Calidad de Suelos según el Método de SUCS y ASSHTO”/Asesor: Ing. Gustavo Adolfo Aybar Arriola
3.2.-ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS SUELOS
Los ensayos de resistencia miden la capacidad actual de los materiales
para resistir deformaciones. Existen diferentes métodos para medir la
resistencia de los suelos de la subrasante que se han sometido a cargas
dinámicas de tránsito:
- Relación de valor soporte California (CBR)
- Ensayo de plato de Carga (Valor K)
- Permeabilidad (k)
41
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C.B.R. (California Bearing Ratio)
1.- Origen
Este método fue propuesto en 1929 por los ingenieros T. E. Stanton y
O. J. Porter del departamento de carreteras de California. Desde esa fecha
tanto en Europa como en América, el método CBR se ha generalizado y es una
forma de clasificación de un suelo para ser utilizado como sub- rasante o
material de base en la construcción de carreteras.
Durante la segunda guerra mundial, el cuerpo de ingenieros de los
Estados Unidos adoptó este ensayo para utilizarlo en la construcción de
aeropuertos.
2.- Definición de CBR
El CBR de un suelo es la carga unitaria correspondiente a 0.1” ó 0.2”
de penetración, expresada en por ciento en su respectivo valor estándar.
También se dice que mide la resistencia al corte de un suelo bajo
condiciones de humedad y densidad controlada. El ensayo permite obtener un
número de la relación de soporte, que no es constante para un suelo dado sino
que se aplica solo al estado en el cual se encontraba el suelo durante el
ensayo.
Fig 1. El asumido mecanismo de falla del suelo generado por el pistón de
19.4 cm2 en el Ensayo C.B.R. La condición de frontera es un problema.
42
Informe de Ingeniería: “Comparación de la Calidad de Suelos según el Método de SUCS y ASSHTO”/Asesor: Ing. Gustavo Adolfo Aybar Arriola
3.-Definición de número CBR
El número CBR (o simplemente CBR), se obtiene de la relación de la
carga unitaria (lbs/pulg2.) necesaria para lograr una cierta profundidad de
penetración del pistón de penetración (19.4 cm2) dentro de la muestra
compactada de suelo a un contenido de humedad y densidad dadas con
respecto a la carga unitaria patrón (lbs/pulg2.) requerida para obtener la misma
profundidad de penetración en una muestra estándar de material triturado.
Los ensayos de CBR se hacen usualmente sobre muestras
compactadas al contenido de humedad óptimo para un suelo específico,
determinado utilizando el ensayo de compactación estándar o modificada del
experimento.
Proctor Estándar ASTM D 698
A B C
Peso martillo (lb) 5.5 5.5 5.5
Diám. molde (pulg) 4 4 6
No. de capas 3 3 3
No. golpes/capa 25 25 56
Proctor Modificado ASTM D 1557
A B C
Peso martillo (lb) 10 10 10
Diám. molde (pulg) 4 4 6
No. de capas 5 5 5
No. golpes/capa 25 25 5
CBR - ASTM D 4429- 93
Diam. Del molde ( pulg) 6
Martillo (lb) 10
No. de capas 5
No. Golpes / capa 10 25 56
El método CBR comprende los 3 ensayos siguientes:
43
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- Determinación de la densidad y humedad.
- Determinación de las propiedades expansivas del material.
- Determinación de la resistencia a la penetración.
El comportamiento de los suelos varía de acuerdo a su grado de
alteración (inalterado y alterado) y a su granulometría y características físicas
(granulares, finos, poco plásticos).
El método a seguir para determinar el CBR será diferente en cada caso
A. Determinación del CBR de suelos perturbados y remoldados:
1. Gravas y arenas sin cohesión.
2. Suelos cohesivos, poco plásticos y poco o nada expansivo.
3. Suelos cohesivos y expansivos.
B. Determinación del CBR de suelos inalterados.
C. Determinación del CBR in situ.
4.0.- Determinación del CBR de Suelos Remoldados ASTM D 1883
4.1.- Equipo
Para la Compactación
- Molde de diám.= 6”, altura de 7” a 8” y un collarín de 2”.
- Disco espaciador de acero diám. 5 15/16” y alt. 2.5”
- Pisón Peso 10 lb. y altura de caída 18”.
- Trípode y extensómetro con aprox. 0.001”.
- Pesas de plomo anular de 5 lbs c/u (2 pesas).
Para la Prueba de Penetración
- Pistón sección circular Diám. = 2 pulg.
- Aparato para aplicar la carga: Prensa hidráulica. V= 0.05 pulg/min.
Con anillo calibrado.
- Equipo misceláneo: balanza, horno, tamices, papel filtro, tanques para
inmersión de muestra a saturar, cronómetro, extensómetros, etc.
44
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Fig. 2. Equipo empleado para las pruebas de compactación e hinchamiento.
Foto 1. El equipo CBR para realizar, el tamizado, humedecimiento, la mezcla
de suelo y la compactación.
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4.2.- Preparación del material
a) Secar el material al aire o calentándolo a 60° C.
b) Desmenuzar los terrones existentes y tener cuidado de no romper
las partículas individuales de la muestra.
c) La muestra deberá tamizarse por la malla ¾ “y la No. 4. La fracción
retenida en el tamiz ¾” deberá descartarse y reemplazarse en igual
proporción por el material comprendido entre los tamices ¾” y No. 4.
Luego se mezcla bien.
d) Se determina el contenido de humedad de la muestra así preparada.
Cantidad de material
Para cada determinación de densidad (un punto de la curva de
compactación), se necesitan 5 k de material. Para la curva con 6 puntos se
necesitará 30 k de material.
Cada muestra se utiliza una sola vez.
4.3.- Determinación de la densidad y humedad
Preparar una muestra que tenga la misma densidad y humedad que se
proyecta alcanzar en el sitio donde se construirá el pavimento. Procedimiento:
a) En el molde cilíndrico se coloca el disco espaciador y papel filtro
grueso 6”.
b) La muestra se humedece añadiendo una cantidad de agua
calculada. Se mezcla uniformemente. La humedad entre dos
muestras debe variar en 2%.
c) La muestra se divide en 5 partes. Se compacta en 5 capas con 10,
25 y 56 golpes / capa. La briqueta compactada deberá tener un
espesor de 5”.
d) Se quita el collarín, se enrasa la parte superior del molde, se
volteará el molde y se quitará la base del molde perforada y el disco
espaciador.
e) Se pesará el molde con la muestra, se determinará la densidad y la
humedad de la muestra.
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Humedad de mezclado
Es un factor importante en suelos finos y debe controlarse
debidamente.
El contenido de humedad de la muestra amasada que se va a
compactar, deberá ser igual al correspondiente a la densidad que se desea
obtener, se ha comprobado que si esta humedad de mezclado varía en
±0.5% de la que se desea obtener, los CBR variarán apreciablemente aun
cuando se obtenga una densidad aproximadamente igual a la densidad
deseada.
4.4.- Determinación de la expansión del material
a) Determinada la densidad y humedad se coloca el papel filtro
sobre la superficie enrasada, un plato metálico perforado y se
volteará el molde.
b) Sobre la superficie libre de la muestra se colocará papel filtro y se
montará el plato con el vástago graduable. Luego sobre el plato se
colocará varias pesas de plomo. La sobrecarga mínima será de 10
lbs.
c) Colocado el vástago y las pesas, se colocará el molde dentro de un
tanque o depósito lleno con agua.
d) Se monta el trípode con un extensómetro y se toma una lectura
inicial y se tomará cada 24 horas.
e) Al cabo de las 96 horas o antes si el material es arenoso se anota la
lectura final para calcular el hinchamiento. Se calcula el % de
hinchamiento que es la lectura final menos la lectura inicial
dividido entre la altura inicial de la muestra multiplicado por 100.
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Fig. 3. Disposición de las diferentes piezas, durante la ejecución de los
ensayos de hinchamiento y penetración.
Los especímenes son saturados por 96 horas, con una sobrecarga
igual peso del pavimento que se utilizará en el campo pero en ningún caso será
menor que 4.50 k. Es necesario durante este periodo tomar registros de
expansión cada 24 horas y al final de la saturación tomar el porcentaje de
expansión que es:
E (%)= Expansión
Altura de la muestra x100
Las especificaciones establecen que los materiales de préstamo para:
Sub base deben tener expansiones menores de 2%
Base “ “ “ 1%
Como dato informativo observar el hinchamiento versus el CBR:
Suelo con hinchamiento 3% o más, generalmente tienen CBR < 9 %
Suelo con hinchamiento 2% como máximo tienen CBR > 15%
Suelos con hinchamiento < 1% tienen generalmente CBR > 30%.
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Drenaje
Después de saturada la muestra, se saca del cilindro y
cuidadosamente se drena durante 15 minutos el agua libre que queda. Como
para drenar bien el agua es necesario voltear el cilindro sujétese bien el disco y
las pesas metálicas al hacer esta operación. Luego remuévase el disco, las
pesas y el papel filtro, pésese la muestra.
4.5.- Determinación de la resistencia a la penetración
a).-Si no es necesario sumergir la muestra en agua, se colocará sobre
ella la pesa anular y se montarán las pesas de plomo, de tal modo
que se obtenga una sobrecarga semejante a la del pavimento a
construirse. Pasar a c) y d).
b).-Si la muestra ha sido sumergida en agua para medir su expansión,
y después que haya sido drenada, se colocará la pesa anular y
encima de las pesas de plomo que tenía la muestra cuando estaba
sumergida en agua; o sea que la sobrecarga para la prueba de
penetración deberá ser prácticamente igual a la sobrecarga que
tenía durante el ensayo de hinchamiento.
c).- El molde con la muestra y la sobrecarga, se coloca debajo de la
prensa y se asienta el pistón sobre la muestra, aplicando una carga
de 10 lbs.
d).-Una vez asentado el pistón, se coloca en cero el extensómetro que
mide la penetración y el dial del extensómetro también se coloca en
cero.
e).-Se hinca el pistón en incrementos de 0.025” a la velocidad de 0.05”/
minuto y se leen las cargas totales que ha sido necesario aplicar
hasta hincar el pistón 0.50 pulgada.
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f).- Una vez hincado el pistón hasta 0.50 pulgada, se suelta la carga
lentamente; se retira el molde de la prensa y se quitan las pesas y la
base metálica perforada.
g).- Finalmente se determina el contenido de humedad de la muestra.
Para el control de campo, bastará determinar el contenido de
humedad correspondiente a la parte superior de la muestra pero en
el laboratorio se recomienda tomar el promedio de los diferentes
contenidos de humedad (parte superior e inferior de la muestra).
Foto 2. El equipo Manual de CBR.
La muestra está instalada, el
anillo y su dial de deformaciones,
el dial para medir las
deformaciones y el pistón de 19.4
cm2 de área transversal.
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Foto 3. El marco de carga,
el anillo y el dial de
deformaciones.
Foto 4. La muestra instalada, las
columnas del marco, el pistón y el
dial de deformaciones.
Foto 5. La manijuela del
equipo para correr el ensayo.
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Foto 6. El extractor de la muestra de
los moldes. La palanca del gato y el marco
del equipo.
5.- Cálculo del CBR
Las lecturas tomadas, tanto de las penetraciones como de las
cargas, se representan gráficamente en un sistema de coordenadas como se
indica en la Fig. 4.
Si la curva esfuerzo - penetración que se obtiene es semejante a
la del ensayo No. 1 de la Fig. 4, los valores anotados serán los que se tomen
en cuenta para el cálculo de CBR.
En cambio, si las curvas son semejantes a las correspondientes a los
No. 2 y 3, las curvas deberán ser corregidas trazando tangentes en la
forma indicada en la Fig. 4. Los puntos A y B, donde dichas tangentes
cortan el eje de abscisas, serán los nuevos ceros de las curvas.
Las cargas unitarias y penetraciones se determinaran a partir de
estos ceros. Si analizamos la curva del ensayo No. 3 tendremos que le
esfuerzo correspondiente a la penetración corregida de 0.1” será de 300
lb/pulg2 en lugar de 120 lb/pulg2, que es la correspondiente a la lectura inicial
sin corregir de 0.1”.
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Fig. 4. Curvas que relacionan la hinca del pistón con las presiones aplicadas.
CBR = Cargaunitariadel ensayo
Cargaunitaria patrón x100(%)
CBR = El número CBR es un porcentaje de la carga unitaria patrón.
En la práctica, el símbolo de % se quita y la relación se presenta
simplemente por el número entero.
Para determinar el CBR se toma como material de comparación la
piedra triturada que sería el 100%, es decir CBR = 100%.La resistencia a la
penetración que presenta a la hinca del pistón es la siguiente:
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Penetración Carga Unitaria Patrón
mm pulg Mpa Psi k/cm2
2.5 0.10 6.9 1,000 70
5.0 0.20 0.3 1,500 105
7.5 0.30 13.0 1,900 133
10.0 0.40 16.0 2,300 161
12.7 0.50 18.0 2,600 182
Si los CBR para 0.1” y 0.2” son semejantes se recomienda usar en los
cálculos, el CB correspondiente a 0.2”.
Si el CBR correspondiente a 0.2” es muy superior al CBR
correspondiente al 0.1”, deberá repetirse el ensayo.
Fig. 5. Curvas esfuerzo – penetración para diferentes tipos de suelos
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1A. Suelos gravosos y arenosos
Estos suelos en la clasificación unificada, corresponden a los siguientes
grupos: GW, GP, SW y SP.
- Son suelos generalmente de Ip < 2 y de compactación rápida en el
campo.
- En general el CBR casi no vería apreciablemente con los cambios de
humedad.
- El CBR se puede determinar sin saturar la muestra.
- El CBR que se adopte podrá ser el que corresponde a su máxima
densidad o si se sigue un criterio más conservador, el menor de los CBR
obtenidos.
- El CBR de estos suelos granulares es generalmente mayor de 20%.
1B. Suelos cohesivos, plásticos, poco o nada expansivos
Estos suelos son los más comunes y pertenecen a la siguiente clasificación
unificada: GM, GC, SM, SC, CL, ML, OL.
A
- Se aplica a condiciones climatéricas normales y a aquellos suelos cuyo
CBR no varíe apreciablemente con el contenido de humedad.
- No requiere estricto control de la humedad cuando se compacta en el
campo.
B
- Se aplica a condiciones climatéricas desfavorable y a aquellos suelos
que son muy sensibles a cambios de humedad.
- Se requiere un mayor control de la humedad en el campo.
Procedimiento I
A) Se determinará una curva compactación a 56 golpes.
B) Se preparan 3 muestras (56, 25, 10) a humedad óptima ± 0.5%.
C) Cada muestra se satura y se anota la expansión.
D) Después de las 96 horas se corre el ensayo.
E) El CBR de diseño será aquel correspondiente a la densidad que se
especifique.55
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Fig. 6. Determinación del CBR para suelos poco “sensibles” a
cambios pequeños de humedad (Procedimiento I).
Procedimiento II
A) Se recomienda realizar 3 curvas de compactación cada una de ellas a
56, 25, 10 golpes/capa.
B) Se saturan por 96 horas, se determina el hinchamiento y se drena.
C) Se determina el CBR de cada muestra.
D) Las curvas correspondientes a los contenidos de humedad,
densidades y valores corregidos de los CBR se representan como en la
Fig 7.
E) En la Fig. 8A, se determina la zona densidad humedad, de acuerdo a
la clase de obra y a las normas a seguirse.
F) El CBR de diseño se seleccionará de las curvas CBR - Densidad, CBR
Humedad, representadas en las Fig 8B, y 8C.
G) Generalmente la densidad que se selecciona para determinar el CBR
es la correspondiente al 95% de la MDS.
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Fig. 7. Relación entre el esfuerzo de compactación por unidad de
volumen y la densidad máxima.
Fig. 8. Familia de curvas que relacionan los CBR “corregidos”
con los contenidos de humedad y densidades.
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1C Suelos cohesivos, plásticos y expansivos
Estos suelos pertenecen a la clasificación unificada: MH, CH y OH.
- El método que se sigue es semejante al Procedimiento II.
- Seleccionar cuidadosamente las humedades y densidades.
- No siempre la humedad óptima y la densidad máxima es la más
adecuada.
- Muchas veces el hinchamiento de estos suelos es menor cuando se
compacta a densidades y con humedades distintas a la densidad máxima
y humedad óptima.
- El CBR a usar es aquel en que el suelo presente menor hinchamiento.
- Para facilitar la selección del CBR de diseño, es recomendable es
recomendable representar gráficamente los % de hinchamiento vs. Los
contenido de humedad en los diferentes estados de compactación.
- La comparación de las curvas que relacionan los hinchamientos, CBR y
densidades con las humedades de compactación permitirá establecer los
límites de humedad y densidad apropiados, facilitando así la selección del
CBR de diseño.
6.- Valores referenciales de CBR, usos y suelos.
SISTEMA DE CLASIFICACIÓN
No. CBRClasificación
generalUsos Unificado AASHTO
0 – 3 Muy pobre Sub rasante OH,CH,MH,OL A5, A6,A7
3 – 7Muy pobre a
regularSub rasante OH,CH,MH,OL A4,A5,A6,A7
7 – 20 Regular Sub base OL,CL,ML,SC,SM,SP A2,A4,A6,A7
20 - 50 Bueno Sub base y baseGM,GC,SW,SM,SP,G
PA-1b,A2-5, A-3,A2-6
> 50 Excelente Base GW, GM A1a,A2-4,A-3
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Ante la imposibilidad en ocasiones de hacer los ensayos para
determinar el CBR de la sub-rasante, se propone hacer el cálculo mediante la
correlación entre la clasificación de los suelos propuesta por AASHTO (EE.UU)
para los suelos de la capa de coronación de la sub-rasante, de la sub base y la
base. Las magnitudes de los CBR a emplear en el diseño se determinan
correlacionando los valores del cuadro.
Como se aprecia en el cuadro, los suelos granulares: A-1, A-2 y A-3
poseen como mínimo valores de CBR del 9% hasta el máximo de 100% y los
suelos finos (limosos y arcillosos: A-4, A-5, A-6 y A-7) alcanzan valores
pequeños de ese importante indicador de resistencia (desde menos de 2% y
hasta 30%).
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ENSAYO DE CARGA DIRECTA SOBRE PLACA
(MÓDULO DE REACCIÓN DE LA SUBRASANTE)
INTRODUCCION
Con el fin de estimar adecuadamente los esfuerzos máximos a que
estarán sometidos elementos estructurales en contacto continuo con materiales
térreos, tales como pavimentos, cimientos, traviesas de ferrocarril, etc., se
requiere conocer la deformabilidad de la estructura térrea, ante la acción de las
cargas impuestas.
CONCEPTO DEL MODULO DE REACCION DE SUBRASANTE (k)
El módulo de reacción de subrasante k, se define como:
k = σ / δ, en donde:
σ = esfuerzo normal, δ = deformación en la dirección de σ.
El objetivo de este parámetro es el de reemplazar una masa de suelo por
resortes elásticos equivalentes, con una constante k por unidad de área, lo que
realmente es una conveniencia matemática que facilita los cálculos de
esfuerzos y deformaciones en las interfaces estructura suelo, puesto que las
deformaciones se hacen directamente proporcionales a los esfuerzos
aplicados.
El concepto fue introducido por Winkler, y posteriormente desarrollado,
discutido y usado por la profesión. Dado que, este parámetro no es una
propiedad intrínseca del suelo, hay múltiples modelos para su evaluación y no
es posible determinarlo unívocamente con ensayos normalizados.
Esquema de la prueba de placa
K (psi/in) = carga unitaria por placa / deflexión de la placa
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El módulo de reacción de la subrasante (k) de un suelo se define como
la relación entre presión aplicada mediante un plato o disco, de sección
dada, a la subrasante y la penetración o deflexión resultante (AASHTO
T-222 y ASTM D-1195)
El k mide la resistencia (o capacidad soporte del material de subrasante
a ser comprimido bajo la acción de las cargas transmitidas al suelo
Para su determinación debe aplicarse una presión con el plato de carga
similar a la que le transmitirá el pavimento en servicio:
En general se aplican 10psi (0.7kg/cm2)
El valor k depende además de diámetro del palto:
La deflexión generalmente aumenta cuando el tamaño del plato
disminuye (para presión cte.
Para pavimentos rígidos se adopta un diámetro de 30” (76cm)
Para la correspondencia de los resultados en pavimentos rígidos con la
teoría desarrollada por Westergaard el valor k determinado con el
ensayo del plato debe ser establecido para una deflexión de 0.05”
(1.25mm)
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Valores recomendados de CBR y K
para varios tipos de suelos
Clasificación AASTHO
DescripciónClasificación
Unificada SUCS
Densidad seca kg/m3
CBR %
K pci
Suelos Granulares
A-1-a bien graduado
Grava Arena gruesa
GW 2000-2240 60-80 300-450
A-1-a bien graduado GP 1920-2080 35-60 300-400
A-1-b SW 1760-2080 20-40 200-400A-3 Arena fina SP 1680-1920 15-25 150-300
Suelos A-2 (suelos con alto contenido de finos)
A-2-4 gravoso Grava limosoGM 2080-2320 40-80 300-500
A-2-5 gravoso Grava areno limoso
A-2-4 arenoso Arena limosoSM 1920-2160 20-40 300-400
A-2-5 arenoso Arena gravo limoso
A-2-6 gravoso Grava arcillosaGC 1920-2240 20-40 200-450
A-2-7 gravosoGrava areno
arcillosaA-2-6 arenoso Arena arcillosa
SC 1680-2080 10-200 150-350A-2-7 arenoso
Arena gravoarcillosa
Suelos Finos
A-4Limo, Mezcla
limo/arena/grava ML, OL1440-1680 1600-2000
4-800 5-150
25-165* 40-200*
A-5 Limo mezclado MH 1280-1600 4-800 25-190*A-6 Arcilla plástica CL 1600-2000 5-150 25-255*
A-7-5Arcilla elástica
moderada CL, OL 1440-2000 4-150 25-215*
A-7-6Arcilla elástica
elevada CH,OH 1280-1760 3-500 40-220*
Estos rangos de K aplican para estratos homogéneos de suelo de por lo menos 3 metros de espesor. Si un estrato de suelo de menos de 3 metros existe sobre un suelo más blando, el valor de K deberá corresponder al del suelo blando inferior y se podrá considerar el incremento de K debido al estrato superior. Si por el contrario existiera un estrato de roca el valor de K deberá ser ajustado.* El valor de K de los suelos finos depende en gran medida del grado de saturación,
por lo que se recomienda realizar una corrección de por este efecto.
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Correlación de k con lasPropiedades del Suelo
Tipo de suelo Densidad(g/cc)
CBR (%) k ( kg/cc)
A-1-a, bien gradada 2.10 − 2.35 60 − 80 8.3 − 12.5
A-1-a, pob. gradada 2.02 − 2.18 35 − 60 8.3 − 11.1
A-2-4 ó 5, gravosa 2.18 − 2.44 40 − 80 8.3 − 13.8
A-2-4 ó 5, arenosa 2.02 − 2.27 20 − 40 8.3 − 11.1
A-3 1.76 − 2.02 15 − 25 4.2 − 8.3
A-4, limo 1.51 − 1.76 4 − 8 0.7 − 4.6
A-5, limo 1.34 − 1.68 5 − 15 1.1 − 6.1
A-5-6, arcilla plástica 1.68 − 2.10 5 − 15 0.7 − 7.1
A-7-5, arcilla mod. plást. 1.51 − 2.10 4 − 15 0.7 − 6.0
A-7-6, arcilla alta plást. 1.34 − 1.85 3 − 5 1.1 − 6.1
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PERMEABILIDAD: es la facilidad o dificultad que ofrece un suelo al paso del
agua; se mide a través del coeficiente de permeabilidad, como una constante
que tiene dimensiones de velocidad, y expresa la capacidad hidráulica de un
suelo respecto al agua en su travesía por la masa del suelo; el grado de
permeabilidad varía según el tipo de suelo.
Un suelo o roca es permeable cuando contiene vacíos o fracturas
continuas; los vacíos existen en todos los suelos incluyendo las arcillas más
compactas.
La forma de los granos es importante especialmente en los suelos más
gruesos. El grado de saturación y el aire atrapado en los poros reduce el área
en la sección transversal y puede llegar hasta obstruir el paso del agua.
La permeabilidad de los suelos depende de varios factores: la
viscosidad del fluido, distribución del tamaño de los poros, distribución
granulométrica, relación de vacíos, rugosidad de las partículas minerales y
grado de saturación del suelo. En los suelos arcillosos la estructura juega un
papel importante en la permeabilidad. Otros factores mayores que afectan la
permeabilidad de las arcillas son: la concentración iónica y el espesor de las
capas del agua adheridas a las partículas de arcilla.
El valor del coeficiente de permeabilidad “k”, varía ampliamente para
diferentes suelos; como se muestra en la tabla 1.2; se dan algunos valores
típicos para suelos saturados. La permeabilidad del suelo no saturado es
menor y crece rápidamente con el grado de saturación.
COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD “K”
TIPO DE SUELO k (cm/seg)
Grava limpia 100 − 1
Arena gruesa 1.0 − 0.01
Arena fina 0.01 − 0.001
Arcilla limosa 0.001 − 0.00001
Arcilla 0.000001
Braja M. Das, 2001.
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Valores de permeabilidad típicos para diferentes tipos de suelos
VALORES DE PERMEABILIDAD MAS EMPLEADOS PARA LOS DIFERNETES TIPO DE SUELOS
VALORES REPRESENTATIVOS DE APROXIMACION DE LOS DIFERENTES TIPOS DE SUELOS CON RESPECTO A SU PERMEABILIDAD
m/s
cm/s
ft/s
Grupos típicosde suelo:
GC GM SM SW GW
CH SC SM-SC SP GP MH
MC-CL
Tipos
de suelos:
Arcillas
homogéneas
debajo de
Limos , arenas finas,
arenas limosas,
arcillas estratificadas
Arenas limpias, arena y
grava mezcladas
Gravas
limpias
zonas de
desgaste o
Arcillas fisuradas e
intemperizadas y arcillas 65
10−11 10−1010−9
10−8 10−7 10−6 10−5 10−410−3 10−2 10−1 1
10−9 10−810−7
10−6 10−5 10−4 10−3 10−210−1 1 10 100
10−10 10−9 10−8 10−710−6 10−5
10−4 10−310−2
10−1 1
Permeabilidad: Impermeabilidad Muy baja permeabilidad
baja permeabilidad
Mediana permeabilidad
Alta permeabilidad
Condiciones de drenaje:
Impermeabilidad Pobre Buena
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intemperizadas modificadas por la vegetación
NOTA: La Flecha adyacente a las clases de grupo indica que la permeabilidad puede alcanzar valores
mayores a los típicamente presentados
La permeabilidad por su parte también se relaciona con el tipo de suelo. El
rango de valores característicos encontrados se da en la tabla de arriba, la
cual se elaboró a partir de una información originalmente por Casagrande y
Fadum (1940). Superpuestos a la tabla se muestran los valores típicos de
suelos compactados (prueba AASTHO, martillo de 4.5 kg), clasificados según
el Sistema Unificado.
Rango de valores de k (cm/seg)
Ensayos de permeabilidad en materiales de baja de permeabilidad compactada
(Jorge E. Alva Hurtado)
66
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3.4.- RELACION ENTRE LOS DOS DIFERENTES SISTEMAS DE CLASIFICACION
La tabla siguiente muestra una correlación entre los sistemas Unificado (asumido también por la ASTM). Debido a que los dos sistemas comparten un origen común, es posible hallar correspondencias entre los grupos de suelos con un razonable grado de confianza. Sin embargo, diferencias de orden mínimo entre los sistemas pueden significar la posibilidad de que se presenten ambigüedades, tal como se explica en las notas adjuntas
Las bases totalmente del sistema AASTHO dan por resultado que no exista una equivalencia directa entre él y los grupos del Sistema Unificado. Estos se muestra en las tablas las cuales presentan correspondencias entre los sistemas AASTHO y Unificado.
Determinadas las características de los suelos, según los acápites anteriores, se podrá estimar con suficiente aproximación el comportamiento de los suelos, especialmente con el conocimiento de la granulometría, plasticidad e índice de grupo y luego clasificar los suelos.
La clasificación de los suelos se efectuará bajo el sistema mostrado en el cuadro. Esta clasificación permite predecir el comportamiento aproximado de los suelos, que contribuirá a delimitar los sectores homogéneos desde el punto de vista geotécnico.
A continuación se presenta una correlación de los dos sistemas de clasificación más difundido, AASHTO y ASTM (SUCS):
Clasificación de suelos AASHTO
Clasificación de suelos ASTM (SUCS)
A-1-a GW,GP,GM,SW,SP,SM
A-1-b GM,GP,SM,SP
A− 2 GM,GC,SM,SC
A− 3 SP
A− 4 CL,ML
A− 5 ML,MH,CH
A− 6 CL,CH
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A− 7 OH,MH,CH
Grupos de suelos comparables en el Sistema AASTHO
Grupo de suelos en el Sistema
UnificadoMás probable Posible
Posible pero improbable
GW A-a-1A-2-4, A-2-5, A-2-6, A-2-7
GP A-a-2 A-1-bA-3, A-2-4, A-2-5,
A-2-6, A-2-7
GMA-1-b, A-2-4, A-2-5, A-2-7
A-2-6A-4, A-5, A-6
A-7-5, A-7-6, A-1-a
GC A-2-6, A-2-7 A-2-4, A-6A-4, A-7-5,
A-7-6
SW A-1-b A-1-aA-3, A-2-4,A-2-5,
A-2-6,A-2-7
SP A-3, A-1-b A-1-aA-2-4,A-2-5, A-2-6,A-2-8
SMA-1-b, A-2-4, A-2-5, A-2-7
SC A-2-6, A-2-7A-2-4, A-6, A-4, A-7-6
A-7-5
ML A-4, A-5 A-6, A-7-5
CL A-6, A-7-6 A-4
OL A-4, A-5A-6, A-7-5,
A-7-6
MH A-7-5, A-5 A-7-6
CH A-7-6 A-7-5
OH A-7-5, A-5 A-7-6
Pt
Comparación de grupos de suelos dados por los sistemas Unificado y AASHTO
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Comparación de grupos de suelos entre el SUCS
Grupo de suelos en el Sistema
AASHTOMás probable Posible Posible pero improbable
A-a-1 GW, GP SW,SP GM,SM
A-1-b SW,SP,GM,SM GP
A-3 SP SW,GP
A-2-4 GM,SM GC,SC GW,GP,SW,SP
A-2-5 GM,SM GW,GP,SW,SP
A-2-6 GC,SC GM,SC GW,GP,SW,SP
A-2-7 GM,GC,SM,SC GW,GP,SW,SP
A-4 ML,OL CL,SM,SC GM,GC
A-5 OH,MH,ML,OL SM,GM
A-6 CL ML,OL,SC GC,GM,SM
A-7-5 OH,MH,ML ML,OL,CH GM,SM,GC,SC
A-7-6 CH,CL ML,OL,SC OH,MH,GC,GM,SM
Comparación de grupos de suelos dados por los sistemas AASHTO y Unificado
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Debido a que el Valor Relativo de Soporte de un suelo (VRS) mide el desempeño de este como subrasante, la lógica sugiere una correlación entre los valores de VRS y las clases de suelo. Al respecto, la oficina de Investigación en Carreteras de los Estados Unidos (USHRB, por sus siglas en inglés) presenta este tipo de correspondencia en la figura para los dos sistemas de clasificación estudiados en este trabajo.
Relaciones aproximadas entre los valores de VRS y las diferentes clases de suelos
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SUCS AASTHO
PROCEDIMIENTO DE IDENTIFICACIÓN EN LA FRACCIÓN QUE PASA LA MALLA N° 40
SÍMBOLOS DEL
GRUPO
SÍMBOLOS DEL
GRUPONOMBRES TÍPICOS
GRAVAS LIMPIAS
Amplia gama en los tamaños de las partículas y cantidades apreciables de todos
los tamaños intermediosGW A-1-a
Gravas bien graduadas, mezclas de grava y arena con poco o nada de fino
Predominio de un tamaño o un tipo de tamaños, con ausencia de algunos tamaños
intermediosGP A-1-a
Gravas mal graduadas, mezclas de grava y arena con poco o nada de fino
GRAVAS CON FINOS
Fracción fina poco o nada plástica (para identificación véase grupo ML abajo) GM A-1-b
Gravas limosas, mezclas de grava, arena y limo
Fracción fina plástica (para identificación véase grupo CL abajo) GC A-1-b
Gravas arcillosas, mezclas de grava, arena y arcilla
ARENAS LIMPIAS
Amplia gama en los tamaños de las particular y cantidades apreciables de todos
los tamaños intermediosSW A-1-b
Arenas bien graduadas, arenas con grava, con poco o nada de finos
Predominio de un tamaño o un tipo de tamaños, con ausencia de algunos tamaños
intermediosSP A-1-b/A-3
Arenas mal graduadas, arenas con grava, con poco o nada de finos
ARENAS CON FINOS
Fracción fina poco o nada plástica (para identificación véase grupo ML abajo) SM A-2-4/A-2-5 Arenas limosas, mezclas de arena y limo
Fracción fina plástica (para identificación véase grupo CL abajo) SC A-2-6/A-2-7 Arenas limosas, mezclas de arena y arcilla
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PROCEDIMIENTO DE IDENTIFICACIÓN EN LA FRACCIÓN QUE PASA LA MALLA N° 40
SÍMBOLOS DEL
GRUPO
SÍMBOLOS DEL
GRUPONOMBRES TÍPICOS
LIMOS Y ARCILLAS
(limite liquido mayor a 50)
RESISTENCIA EN
ESTADO SECO
DILATANCIA
TENACIDAD
ML A-4Limos inorgánicos, polvo de roca, limos
arenosos o arcillosos ligeramente plásticos
Nula o ligeraRápida o
lentaNula CL A-6
Arcillas inorgánicas de baja a media plasticidad, arcillas con grava, arcillas
arenosas, arcillas limosas.
Media a altaNula a muy
lentaMedia OL A-4
Limos inorgánicos y arcillas limosas orgánicas de baja plasticidad
LIMOS Y ARCILLAS
(limite liquido menor a 50)
Ligera a media Lenta Ligera MH A-5Limos inorgánicos, limos micáceos o
diatomáceos, limos elásticos
Ligera a media Lenta a nulaLigera a media
CH A-7-6Arcillas inorgánicas de alta plasticidad,
arcillas francas
Alta a muy alta Nula Alta OH A-7-5Arcillas inorgánicas de media a alta
plasticidad, limos orgánicos de media plasticidad
SUELOS Media a alta Nula a muy Ligera a PT A-8 Turba y otros suelos altamente orgánicos
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ORGANICOS
lenta media
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RECOMENDACIONES
Se recomienda utilizar el Sistema SUCS para cimentaciones porque da un mejor aporte para las propiedades mecánicas de los suelos
Se recomienda utilizar el Sistema AASTHO para vías terrestres
Para determina el CBR de cada muestra, se recomienda realizar 3 curvas de compactación cada una de ellas a 56, 25, 10 golpes/capa. Que luego se saturan por 96 horas, se determina el hinchamiento y se drena.
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CONCLUSIONES
En el cuerpo de este trabajo se presentan y discuten los dos sistemas
de clasificación de suelos SUCS y ASSHTO, haciendo énfasis en el provecho
que se puede obtener de ellos al correlacionarlos con diferentes aplicaciones
constructivas.
Los métodos que emplean las ideas de Casagrande no solo se basa
únicamente en granulometrías, sino que considera límites de consistencia
como las propiedades de plasticidad y comprensibilidad; Además de que es el
único que ha estandarizado los procedimientos e implementado instrumentos
para clasificar suelos y esto se demuestra, ya que son los más empleados en el
mundo.
Los dos sistemas ampliamente utilizadas en la práctica de la ingeniería
de cimentaciones; Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS o
Unificado), y el empleo para la construcción de carreteras (AASTHO, American
Asociation of State Highway and Transportation Officials;) el primero está
basado en los procedimientos propuestos por Casagrande y el segundo fue el
resultado de una amplia modificación efectuada en 1945 al sistema de
Caminos Públicos, llevada a cabo por un comité de ingenieros pertenecientes
al Buró de Investigaciones de Carreteras estadounidenses; en 1966, la
metodología fue adoptada por la AASTHO, conocida en aquel entonces
simplemente como AASHO.
Se dan correspondencia entre los dos sistemas; aunque, debido a las
bases totalmente diferentes en las que se apoyó el sistema AASTHO, las
relaciones encontradas son más inciertas que dada con el sistema Unificado.
El propósito de una clasificación es relacionar los suelos con diferentes
situaciones constructivas, con el fin de avaluar su efectividad ante diversas
solicitaciones externas; sin embargo, los sistemas de clasificación basados en
las ideas de Casagrande no se extienden más allá de una separación de
tamaños y consistencias sin especificar el grado de utilidad del suelo como
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terreno de cimentación, bordo de retención de aguas, revestimientos de
canales; rasantes de caminos, etc.
En este trabajo complementamos la información básica dada por los
sistemas de clasificación tipo Casagrande mediante la clasificación del suelo,
obtenida está de acuerdo con su conveniencia a ser empleado en alguna
aplicación como las mencionadas en párrafo anterior.
Una vez clasificado el suelo, es posible también correlacionarlo con
propiedades importantes cuya obtención en laboratorio sea tardada o costosa.
Específicamente, proporcionamos aquí las correspondencias existentes entre
valores recomendados de CBR y K para varios tipos de suelos y valores
relativos de soporte para diferentes tipos de suelos, también damos los rangos
de permeabilidad.
En relación con lo anterior creemos que la utilidad está seriamente
limitada en situaciones definitivas y delicadas, ya que las correlaciones solo
representan valores aproximados cuyo verdadero provecho debe restringirse
solo a la etapa del anteproyecto o bien, los datos obtenidos deben verse como
ordenes de magnitud esperada, que necesariamente tendrán que verificarse
con pruebas reales.
Las relaciones entre los dos diferentes sistemas de clasificación
pueden servirnos también para interpretar y aprovechar las conclusiones
obtenidas por otros investigadores, quienes en el desarrollo de sus trabajos
hayan definido el suelo de acuerdo con un sistema que no sea el que
comúnmente empleamos.
Si se emplean las ideas y procedimientos de clasificación de los dos
sistemas diferentes estaremos en la posibilidad de dar una información más
completa sobre el mismo suelo.
Ocasionalmente desearemos investigar las propiedades de un suelo
bajo un sistema, el cual lo clasificara de acuerdo con los criterios que le son
propios.
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GLOSARIO Y ABREVIATURAS
Análisis Granulométrico.- Es una prueba para determinar cuantitativamente la distribución de los diferentes tamaños de partículas del suelo.
AASHTO.- Asociación Americana de Vías Estatales y Oficiales de Transporte
CBR (California Bearing Ratio).- Norma AASHTO T193 – 63, es una medida de la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo, bajo condiciones de densidad y humedad cuidadosamente controladas. Se usa en el diseño de pavimentos flexibles. El CBR, expresa en porcentaje como, la razón de la carga unitaria que se requiere para introducir un pistón dentro del suelo, a la carga unitaria requerida para introducir el mismo pistón a la misma profundidad en una muestra tipo de piedra partida.
Correlación.- en probabilidad y estadística, la correlación indica la fuerza y la dirección lineal entre dos variables aleatorias. Se considera que dos variables cuantitativas están correlacionadas cuando los valores de una de ellas varían sistemáticamente con respecto a los valores homónimos de la otra.
Coeficiente de permeabilidad, k (LT-1).-velocidad de descarga de agua en condiciones de flujo laminar a través de un área transversal unitaria de un medio poroso bajo un gradiente hidráulico unitario y en condiciones estándar de temperatura (normalmente 20° C°). El coeficiente de permeabilidad depende de las condiciones de saturación del terreno y estrictamente es una función de la succión que, a su vez, es función de la saturación del material. El coeficiente de permeabilidad, k, es diferente a la permeabilidad del medio, K, y en su determinación debe tomarse en cuenta la viscosidad, η, el peso unitario del fluido, γ, a más de la permeabilidad del medio, K, de acuerdo con la ecuación:
k = γ K/η
Curva granulométrica.- Representación gráfica de la distribución
granulométrica de un suelo.
Índice de plasticidad.- Es la diferencia numérica entre el límite líquido y el límite plástico e indica el grado de contenido de humedad en el cual un suelo permanece en estado plástico antes de cambiar al estado líquido.
Límite líquido.- El límite líquido es el mayor contenido de humedad que puede tener un suelo sin pasar del estado plástico al líquido. El estado líquido se define como la condición en la que la resistencia al corte del suelo es tan baja que un ligero esfuerzo lo hace fluir.
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Límite plástico.- Límite plástico se define como la mínima cantidad de humedad con la cual el suelo se vuelve a la condición de plasticidad. En este estado, el suelo puede ser deformado rápidamente o moldeado sin recuperación elástica, cambio de volumen, agrietamiento o desmoronamiento.
SUCS.- Sistema Unificado de Clasificación de Suelos
Suelos granulares.- Son aquellos que tienen el 35% o menos del material fino que pasa por el tamiz Nº 200.
BIBLIOGRAFÍA
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Informe de Ingeniería: “Comparación de la Calidad de Suelos según el Método de SUCS y ASSHTO”/Asesor: Ing. Gustavo Adolfo Aybar Arriola
- Bowles, Joseph E. (1981), “Manual de Laboratorio de Suelos en
Ingeniería Civil”. Mc Graw-Hill Book Company.
- Das, Braja M. (2001), “Principios de Ingeniería de Cimentaciones”,
International Thomson Editores.
- Lambe, T. W. (1951), “Soil Testing for Engineers”, John Wiley and
Son, New York.
- Universidad Nacional de Ingeniería – FIC ( ), “Laboratorio de
Mecánica de Suelos”.
- Vivar Romero, Germán (1990-1991), “Diseño y Construcción de
Pavimentos”, Ediciones CIP.
- Crespo Villalaz, C. (2000) Vías de Comunicación. Editorial Limusa,
México.
- Luis Bañón Blázquez, José F. Beviá García Manual de Carreteras
(tomo 2).
- Suplemento de la Guía AASTHO – Parte II – 1998.
- Manual de Diseño de Carreteras Pavimentadas de Bajo Volumen de
Tránsito
- Diseño De Pavimentos M.Sc. José Rafael Menéndez Acurio.
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