Mecánica de Suelos

1. Mecánica de suelos
aplicada
Semana 01 – Caracterización Geotécnica
Docente: Mg. Raul Ventura Cahuana

2. Logro de la Sesión
Al finalizar la sesión, el estudiante realiza la caracterización geotécnica para
ejecutar el análisis y la propuesta de diseño geotécnico considerando la
relación entre suelo y estructura

3. Utilidad
El estudiante podrá realizar la caracterización geotécnica para ejecutar el
análisis y la propuesta de diseño geotécnico considerando la relación entre
suelo y estructura

4. Ingeniería geotécnica
1 Ingeniería geotécnica
1. Introducción
2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
1. Análisis mecánico del suelo
Análisis de tamiz
Análisis de hidrómetro
2. Tamaño efectivo, coeficiente de uniformidad y coeficiente de gradación
Ejemplo de aplicación 1
Ejemplo de aplicación 2

6. 1 Ingeniería geotécnica
1.1 Introducción
Para propósitos de ingeniería, el suelo se define como el agregado no cementado de granos
minerales y materia orgánica descompuesta (partículas sólidas) con líquido y gas en los
espacios vacíos entre las partículas sólidas. El suelo se utiliza como material de construcción en
diversos proyectos de ingeniería civil y con cimientos estructurales. Por lo tanto, los ingenieros
civiles deben estudiar las propiedades del suelo, tales como el origen, la distribución de tamaño
de grano, la capacidad de drenar el agua, compresión, resistencia al corte y la capacidad de
soporte de carga. La mecánica de suelos es la aplicación de la ciencia física que se ocupa del
estudio de las propiedades físicas del suelo y el comportamiento de las masas de suelos
sometidos a diferentes tipos de fuerzas. La ingeniería de suelos es la aplicación de los
principios de la mecánica de suelos a problemas prácticos. La ingeniería geotécnica es la rama
de la ingeniería civil que enfoca su estudio en las propiedades mecánicas e hidráulicas de suelos
y rocas, tanto en superficie como en el subsuelo, incluyendo la aplicación de los principios de la
mecánica de suelos y mecánica de rocas en el diseño de los cimientos, estructuras de
contención y las estructuras de tierra.

7. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.1 Análisis mecánico de suelo
El análisis mecánico es la determinación de la gama de tamaños de partículas presentes en
un suelo, expresados como un porcentaje del peso seco total (o masa). Generalmente se utilizan
dos métodos para encontrar la distribución de tamaño de partícula de suelo: (1) análisis de
tamiz para tamaños de partículas mayores de 0.075 𝑚𝑚 de diámetro, y (2) análisis de
hidrómetro para tamaños de partículas más pequeñas que 0.075 𝑚𝑚 de diámetro. Los
principios básicos del análisis de tamiz y el análisis de hidrómetro se describen a continuación.
Análisis de tamiz
El análisis de tamiz consiste en agitar la muestra de suelo a través de un conjunto de
tamices que tienen aberturas más pequeñas progresivamente. Los números estándar de tamiz y
los tamaños de las aberturas se dan en la tabla 2.5.
Los tamices utilizados para el análisis de suelos son generalmente de 203 𝑚𝑚 de
diámetro. Para llevar a cabo un análisis granulométrico, uno debe primero secar al horno el
suelo y luego romper todos los grumos en pequeñas partículas. A continuación se agita el suelo
a través de una pila de tamices con aberturas de tamaño decreciente de arriba abajo (se coloca
una charola por debajo de la pila).

8. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.1 Análisis mecánico de suelo

9. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.1 Análisis mecánico de suelo
Figura 2.14 Conjunto de tamices para una prueba en el laboratorio.

10. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.1 Análisis mecánico de suelo
La figura 2.14 muestra un conjunto de tamices en un agitador utilizado para la realización
de la prueba en el laboratorio. El tamiz de tamaño más pequeño que se debe utilizar para este
tipo de prueba es el tamiz núm. 200. Después de agitar el suelo, se determina la masa de suelo
retenido en cada tamiz. Cuando se analizan los suelos cohesivos, romper los terrones en
partículas individuales puede ser difícil. En este caso el suelo se puede mezclar con agua para
formar una suspensión y después lavarse a través de los tamices. Las porciones retenidas en
cada tamiz se recogen por separado y se secan al horno antes de medir la cantidad recogida en
cada tamiz.
Los siguientes son los pasos que sigue el procedimiento de cálculo para un análisis
granulométrico:

11. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.1 Análisis mecánico de suelo
1. A partir de la criba superior se determina la masa de suelo retenido en cada tamiz (es decir, 𝑀1,
𝑀2, …, 𝑀𝑛) y en la bandeja (es decir, 𝑀𝑝).
2. Se determina la masa total del suelo: 𝑀1 + 𝑀2 + ⋯ + 𝑀𝑖 + ⋯ + 𝑀𝑛 + 𝑀𝑝 = σ 𝑀.
3. Se suma la masa acumulada de suelo retenida por encima de cada tamiz. Esto es 𝑀1 + 𝑀2 + ⋯ +
𝑀𝑖.
4. La masa de suelo que pasa el tamiz i-ésimo es σ 𝑀 − 𝑀1 + 𝑀2 + ⋯ + 𝑀𝑖 .
Una vez que se calcula el por ciento más fino para cada tamiz (paso 5), los cálculos se
representan en el papel de gráfico semilogarítmico (figura 2.15) con el por ciento más fino como la
ordenada (escala aritmética) y el tamaño de la abertura del tamiz como la abscisa (escala
logarítmica). Esta trama se conoce como curva de distribución de tamaño de partícula.
5. El porcentaje de suelo que pasa el tamiz i-ésimo (o por ciento más fino) es
σ 𝑀 − 𝑀1 + 𝑀2 + ⋯ + 𝑀𝑖
σ 𝑀
𝐹 = × 100

12. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.1 Análisis mecánico de suelo
Figura 2.15 Curva de distribución de tamaño de partícula.

13. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.1 Análisis mecánico de suelo
Análisis de hidrómetro
El análisis de hidrómetro se basa en el principio de la sedimentación de los granos del
suelo en agua. Cuando una muestra de suelo se dispersa en agua, las partículas se depositan a
diferentes velocidades, en función de su forma, tamaño y peso. Por simplicidad, se supone que
todas las partículas de suelo son esferas y que la velocidad de las partículas del suelo puede ser
expresada por la ley de Stokes, según la cual

14. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.1 Análisis mecánico de suelo

15. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.1 Análisis mecánico de suelo

16. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.1 Análisis mecánico de suelo
Observe que el valor de 𝐾 es una función de 𝐺𝑒 y 𝜂, que son dependientes de la
temperatura de la prueba. La variación de 𝐾 con la temperatura de la prueba y 𝐺𝑒 se muestra en
la tabla 2.6.
En el laboratorio, la prueba de hidrómetro se lleva a cabo en un cilindro de sedimentación
con 50 𝑔 de la muestra secada al horno. El cilindro de sedimentación tiene 457 𝑚𝑚 de altura y
63.5 𝑚𝑚 de diámetro. Está marcado para un volumen de 1000 𝑚𝑙. El hexametafosfato de
sodio se usa generalmente como agente dispersante. El volumen de la suspensión de suelo
dispersa se lleva hasta 1000 𝑚𝑙 mediante la adición de agua destilada.
Cuando se coloca un hidrómetro tipo 152H ASTM (ASTM, 2010) en la suspensión de
suelo (figura 2.16) en un tiempo 𝑡, medido a partir del comienzo de la sedimentación, éste mide
la gravedad específica en las proximidades de su bulbo a una profundidad 𝐿. La gravedad
específica es una función de la cantidad de partículas presentes por unidad de volumen de
suspensión a esa profundidad. También en un tiempo 𝑡 las partículas de suelo en suspensión a
una profundidad 𝐿 tendrán un diámetro menor que 𝐷, tal como se calcula con la ecuación (2.5),
y las partículas más grandes se han asentado fuera de la zona de medición.

17. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.1 Análisis mecánico de suelo
Los hidrómetros están diseñados para dar la cantidad de suelo, en gramos, que aún está en
suspensión. Los indicadores de humedad están calibrados para suelos que tienen una gravedad
específica 𝐺𝑒 de 2.65; para los suelos de otra gravedad específica es necesario hacer
correcciones.

18. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.1 Análisis mecánico de suelo
Figura 2.16 Definición de 𝐿 en una prueba de hidrómetro.

19. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.1 Análisis mecánico de suelo

20. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.1 Análisis mecánico de suelo
Al conocer la cantidad de suelo en suspensión, 𝐿 y 𝑡, se puede calcular el porcentaje de
suelo por el peso más fino de un diámetro dado. Tenga en cuenta que 𝐿 es la profundidad
medida desde la superficie del agua hasta el centro de gravedad del bulbo del hidrómetro en el
que se mide la densidad de la suspensión. El valor de 𝐿 va a cambiar con el tiempo 𝑡 y su
variación con las lecturas del hidrómetro se da en la tabla 2.7. El análisis de hidrómetro es efi
caz para la separación de fracciones del suelo hasta un tamaño de alrededor de 0.5 𝜇.
En muchos casos los resultados del análisis de tamiz y del análisis de hidrómetro para las
fracciones más finas de un suelo dado se combinan en un gráfico, como el que se muestra en la
figura 2.17. Cuando se combinan estos resultados generalmente se produce una discontinuidad
en el intervalo donde se superponen. Esta discontinuidad se debe a que las partículas del suelo
son generalmente de forma irregular. El análisis de tamiz da las dimensiones intermedias de una
partícula; el análisis de hidrómetro da el diámetro de una esfera equivalente que pueda
depositarse al mismo ritmo que la partícula del suelo.

21. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.1 Análisis mecánico de suelo
Los porcentajes de grava, arena, limo, arcilla y partículas de tamaño de arcilla presentes en
un suelo pueden obtenerse a partir de la curva de distribución de tamaño de partícula. De
acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, el suelo de la figura 2.17 tiene los
siguientes porcentajes:
Grava (límites de mayor tamaño a 4.75 𝑚𝑚) = 0%
Arena (límites de 4.75 a 0.075 𝑚𝑚 de tamaño) = por ciento más fino que 4.75 𝑚𝑚 de
diámetro-por ciento más fino que 0.075 mm de diámetro = 100 – 62 = 38%
Limo y arcilla (límites de tamaño menor de 0.075 𝑚𝑚) = 62%

22. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.1 Análisis mecánico de suelo
Figura 2.17 Curva de distribución de tamaño de partícula: análisis de tamiz y de hidrómetro.

23. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.2 Tamaño efectivo, coeficiente de uniformidad y coeficiente de gradación
La curva de distribución de tamaño de partícula (figura 2.18) puede ser utilizada para
comparar diferentes sólidos. A partir de estas curvas pueden determinarse también tres
parámetros básicos de suelos que se usan para clasificar granularmente los suelos. Estos tres
parámetros son:
Figura 2.18 Definición de 𝐷10, 𝐷30 y 𝐷60.

24. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.2 Tamaño efectivo, coeficiente de uniformidad y coeficiente de gradación
1. Tamaño efectivo
2. Coeficiente de uniformidad
3. Coeficiente de gradación
El diámetro en la curva de distribución de tamaño de partícula correspondiente al
10% más fino se define como tamaño efectivo o 𝐷10. El coeficiente de uniformidad está dado
por la relación
donde
𝐶𝑢 = coeficiente de uniformidad
𝐷60 = diámetro correspondiente al 60% más fino en la curva de distribución de tamaño de
partícula

25. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.2 Tamaño efectivo, coeficiente de uniformidad y coeficiente de gradación
El coeficiente de gradación puede ser expresado en la forma
donde
𝐶𝑐 = coeficiente de gradación
𝐷30 = diámetro correspondiente al 30% más fino
La curva de distribución de tamaño de partícula muestra no sólo el rango de tamaño de
partícula presente en el suelo, sino la distribución de varios tamaños de partícula. En la figura
2.19 se muestran tres curvas, la curva I representa un tipo de suelo en el que la mayoría de los
granos son del mismo tamaño. A esto se le denomina suelo pobremente clasificado. La curva II
representa un suelo en el que el tamaño de las partículas está distribuido en un amplio rango,
este tipo de suelo se denomina bien clasificado.

26. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
Figura 2.19 Diferentes tipos de curva de distribución de tamaño de grano de partícula.
2.2 Tamaño efectivo, coeficiente de uniformidad y coeficiente de gradación
Un suelo bien clasificado o gradado tiene un coeficiente de uniformidad mayor que 4 para las
gravas, 6 para las arenas y un coeficiente de gradación entre 1 y 3 para gravas y arenas. Un
suelo puede tener una combinación de dos o más fracciones uniformemente gradadas. La curva
III representa tal suelo que se denomina 𝑏𝑟𝑒𝑐ℎ𝑎 𝑐𝑙𝑎𝑠𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎.

27. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
Solución:
2.2 Tamaño efectivo, coeficiente de uniformidad y coeficiente de gradación
Ejemplo de aplicación 2.1: A continuación se muestran los resultados de un análisis de tamiz:

28. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.2 Tamaño efectivo, coeficiente de uniformidad y coeficiente de gradación
Ejemplo de aplicación 2.1:
a) Puede prepararse la siguiente tabla para obtener el porcentaje de fino.

29. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
2.2 Tamaño efectivo, coeficiente de uniformidad y coeficiente de gradación
Ejemplo de aplicación 2.1:
a) La curva de distribución de tamaño de partícula se muestra en la figura 2.20.
Figura 2.20

30. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
𝑢
𝐷10 0.09
𝐷60 0.41
𝐶 = = = 4.56
d) De la ecuación (2.8),
𝐶𝑐
𝐷2
= 30
=
𝐷60 × 𝐷10
0.185 2
0.41 0.09
= 0.93
2.2 Tamaño efectivo, coeficiente de uniformidad y coeficiente de gradación
Ejemplo de aplicación 2.1:
b) De la figura 2.20.
𝐷60 = 0.41 𝑚𝑚
𝐷30 = 0.185 𝑚𝑚
𝐷10 = 0.09 𝑚𝑚
c) De la ecuación (2.7),

31. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
Solución:
2.2 Tamaño efectivo, coeficiente de uniformidad y coeficiente de gradación
Ejemplo de aplicación 2.2: A continuación se dan los tamaños de grano característicos para un
suelo:

32. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
Figura 2.21
Por lo que,
2.2 Tamaño efectivo, coeficiente de uniformidad y coeficiente de gradación
Ejemplo de aplicación 2.2:
a) La curva de distribución de tamaño de b) De la gráfica mostrada en la figura 2.21,
grano se muestra en la figura 2.21.

33. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
Figura 2.21
Por lo que,
2.2 Tamaño efectivo, coeficiente de uniformidad y coeficiente de gradación
Ejemplo de aplicación 2.2:
a) La curva de distribución de tamaño de c)
grano se muestra en la figura 2.21.

34. 2 Origen de los depósitos del suelo, tamaño de grano y forma
Figura 2.21
Por lo que,
2.2 Tamaño efectivo, coeficiente de uniformidad y coeficiente de gradación
Ejemplo de aplicación 2.2:
a) La curva de distribución de tamaño de d)
grano se muestra en la figura 2.21.

35. SEGÚNLO ILUSTRADO
¿QUÉ APRENDIMOS
EN LASESIÓN 01?
“lluvia de ideas”

36. CONCLUSIONES
• El estudiantelograestablecerla caracterización geotécnica.
• El estudiante se familiariza con el análisis mecánico de suelo, tamaño efectivo, coeficiente
deuniformidad y coeficientede gradación.
• El estudiantedesarrollaejemplosde aplicación.
Caracterización geotécnica

37. REFERENCIAS
• Braja M. Das. FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA. Cuarta edición.
CENGAGE Learning.
• Braja M. Das. FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA DE CIMENTACIONES. Séptima
edición.CENGAGE Learning.
Caracterización geotécnica