U2_S2_Composición, comportamiento, identificación y clasificación de suelos

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Docente:
Unidad:
MECÁNICA DE SUELOS
Composición, comportamiento, 
identificación y clasificación de 
suelos
Ing. MSc. Perlita Esaine Barrantes
Logro
Al término de la unidad, el estudiante conocerá e interpretará
adecuadamente las relaciones de pesos y volúmenes, como otras
propiedades y relaciones básicas. Además identificará y
clasificará los suelos según su tamaño y gradación.
Importancia
El conocimiento de las relaciones básicas, como pesos y
volúmenes, caracteriza del suelo en estudio y nos permitirá
profundizar sobre su comportamiento. La determinación de la
gradación del suelo nos permitirá clasificarlo para conocer de
manera general sus propiedades.
Contenido general
• Relaciones volumétricas y gravimétricas de suelos
• Análisis mecánico del suelo
• Plasticidad
• Clasificación de suelos
Relaciones volumétricas y 
gravimétricas de suelos
• Relación de vacíos, porosidad, contenido 
de humedad, grado de saturación, 
compacidad relativa, pesos unitarios y 
específicos.
Relaciones volumétricas y gravimétricas
 Relación de vacíos, 
 Porosidad
 Contenido de humedad
 Grado de saturación
 Compacidad relativa
 Pesos unitarios 
 Pesos específicos.
¿Por qué calculamos las relaciones volumétricas y gravimétricas?
Fases del suelo, Link: https://biologiadelsuelo2015.wordpress.com/fases-del-suelo/
Obtenido de: goo.gl/Yppkie
Fase sólida
(Agregados minerales y 
materia orgánica)
Fase gaseosa
(Poros vacíos)
Fase líquida
(Poros con agua)
Relaciones volumétricas y gravimétricas
Fases del Suelo
Fase Sólida
• Partículas 
orgánicas
• Partículas 
minerales:
• Tamaño
• Color
• Forma
• Textura
• Composición 
química: cargas 
eléctricas y 
capacidad de 
intercambio 
catiónico
Fase Líquida
• Agua libre o 
gravitacional
• Agua capilar 
• Agua adsorbida 
(intercambio 
eléctrico)
Fase Gaseosa
• Aire
• Vapor de agua
• Otros gases
Obtenido de: goo.gl/RRiekC
Relaciones volumétricas y gravimétricas de suelos
𝑽 = 𝑽𝒔 + 𝑽𝒗 W = Ws + Ww
𝑽 = 𝑽𝒔 + 𝑽𝒘 + 𝑽𝒂
Vs: volumen de sólidos del suelo Ws: peso de sólidos del suelo 
Vv: volumen de vacíos Ww: peso del agua
Vw: volumen de agua en los vacíos 
Va: volumen de aire en los vacíos
(a) Elemento de suelo en estado natural; (b) tres fases del elemento de suelo,
Fundamentos de Geotecnia, Braja Das
Relaciones de volumen
• Relación de vacíos:
𝒆 =
𝑽𝒗
𝑽𝒔
(3)
• Porosidad:
𝒏 =
𝑽𝒗
𝑽
(4)
• Grado de saturación: 
Generalmente se expresa como un porcentaje.
𝑺 =
𝑽𝒘
𝑽𝒗
(5)
Podemos expresar “e” en función de “n” :
𝒆 =
𝑽𝒗
𝑽𝒔
=
𝑽𝒗
𝑽−𝑽𝒗
=
𝑽𝒗
𝑽
𝟏−
𝑽𝒗
𝑽
=
𝒏
𝟏−𝒏
(6)
𝒏 =
𝒆
𝟏+𝒆
(7)
Relaciones de peso
• Contenido de humedad (w)
𝒘 =
𝑾𝒘
𝑾𝒔
(8)
• Gravedad Específica de sólidos (Gs)
𝐺𝑠 =
𝛾𝑠
𝛾𝑤
(9)
Donde el 𝛾𝑤 = 9.8 𝑘𝑁/𝑚
3, es el peso específico del agua.
𝐺𝑠= 2.6 a 2.8, valor medio utilizado 𝐺𝑠=2.7.
• Peso específico total (𝜸𝒕)
𝜸𝒕 =
𝑾
𝑽
(10)
Expresando 𝛾𝑡 en términos de 𝑾𝒔, w y V.
𝜸𝒕 =
𝑾
𝑽
=
𝑾𝒔+𝑾𝒘
𝑽
=
𝑾𝒔 𝟏+
𝑾𝒘
𝑾𝒔
𝑽
=
𝑾𝒔 𝟏+𝒘
𝑽
(11)
Relaciones de peso
• El peso específico de las partículas sólidas (𝜸𝒔).
𝜸𝒔 =
𝑾𝒔
𝑽𝒔
(12)
• El peso específico seco (𝜸𝒅), 𝜸𝒅 =
𝑾𝒔
𝑽
(13)
De las ecuación (11) despejamos Ws y sustituimos en ec. (13)
𝜸𝒅 =
𝑾𝒔
𝑽
=
𝑽𝜸𝒕
𝑽(𝟏+𝒘)
=
𝜸𝒕
𝟏+𝑾
(14)
• El peso específico del agua (𝜸𝒘)
𝜸𝒘 =
𝑾𝒘
𝑽𝒘
(15)
• El peso específico del suelo sumergido (𝜸𝒃), 
𝜸𝒃 = 𝜸𝒕 − 𝜸𝒘 (16)
• El peso específico del suelo sumergido saturado (𝜸𝒃), 
𝜸𝒃 = 𝜸𝒕 − 𝜸𝒘 (17)
Compacidad relativa (Dr)
Donde: 
e es la relación de vacíos de un suelo in situ
𝑒𝑚á𝑥, en estado más suelto
𝑒𝑚í𝑛, en estado más compacto
Compara la densidad de un suelo granular respecto a sus 
estados más denso y más suelto, normalmente en porcentaje.
Obtenido de: goo.gl/tvxye7
𝑫𝒓 =
𝒆𝒎á𝒙−𝒆
𝒆𝒎á𝒙−𝒆𝒎í𝒏
(17)
Compacidad relativa
Compacidad relativa 
𝑫𝒓 (%)
Descripción del depósito 
de suelo
0-15 Muy suelto
15-50 Suelto
50-70 Medianamente compacto
70-85 Compacto
85-100 Muy compacto
¿Cuáles son los valores más comunes encontrados en campo?
𝑫𝒓 =
𝜸𝒅−𝜸𝒅(𝒎í𝒏)
𝜸𝒅(𝒎á𝒙)−𝜸𝒅(𝒎í𝒏)
𝜸𝒅(𝒎á𝒙)
𝜸𝒅
(18)
Ej
e
rc
ic
io
d
e 
R
e
la
ci
o
n
e
s 
vo
lu
m
é
tr
ic
as
 y
 
gr
av
im
é
tr
ic
as
EJERCICIO 1
Expresar el peso específico (𝜸), el peso específico seco (𝜸𝒅) y el Grado de Saturación (S), en
función de la relación de vacíos (e), el contenido de humedad (w) y la gravedad específica
(𝑮𝒔), para lo cual deberá considerar que el volumen de los sólidos (𝑉𝑠) es 1, como se muestra
en la figura.
“ Fundamentos de Geotecnia”, Braja Das
Ej
e
rc
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R
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n
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 y
 
gr
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tr
ic
as
Solución
1. Primeramente, obtenemos los volúmenes. 
De la condición inicial 𝑉𝑠 = 1, 
De la ec. (3) 𝑒 =
𝑉𝑣
𝑉𝑠
= 𝑉𝑣 luego 𝑉𝑣 = 𝑒 … representamos en la gráfica
2. Obtenemos los pesos:
De la ec. (9):
𝐺𝑠 =
𝛾𝑠
𝛾𝑤
=
(
𝑊𝑠
𝑉𝑠
)
𝛾𝑤
=
𝑊𝑠
𝛾𝑤
, despejando 𝑊𝑠 = 𝐺𝑠𝛾𝑤 (20) …representamos en la gráfica
Sustituyendo la ec. anterior (20), en la ec. (8) 
𝑤 =
𝑊𝑤
𝑊𝑠
=
𝑊𝑤
𝐺𝑠𝛾𝑤
, despejando 𝑊𝑤 = 𝑤𝐺𝑠𝛾𝑤 (21) ... representamos en la gráfica
Sustituimos la ec. (21), en la expresión del 𝛾𝑤 (15) y despejamos Vw: 
𝛾𝑤 =
𝑊𝑤
𝑉𝑤
, 𝑉𝑤 =
𝑊𝑤
𝛾𝑤
𝑉𝑤 =
𝑤𝐺𝑠𝛾𝑤
𝛾𝑤
= 𝑤𝐺𝑠 … representamos en la gráfica
Ej
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R
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as
 y
 
gr
av
im
é
tr
ic
as
… Continuación
Determinamos 𝛾𝑡, sustituyendo las ecs. (20) y (21) en la ec. (10) :
𝜸𝒕 =
𝑊
𝑉
=
𝑊𝑤+𝑊𝑠
𝑉
=
𝑤𝐺𝑠𝛾𝑤+𝐺𝑠𝛾𝑤
1+𝑒
=
𝑮𝒔𝜸𝒘(𝒘+𝟏)
𝟏+𝒆
(22)
Determinamos 𝛾𝑑, sustituyendo la ec. (20) en la ec. (13):
𝜸𝒅 =
𝑊𝑠
𝑉
=
𝑮𝒔𝜸𝒘
𝟏+𝒆
(23)
Finalmente sustituimos las ecuaciones anteriores en la expresión (5)
𝑆 =
𝑉𝑤
𝑉𝑣
=
𝑤𝐺𝑠
e
La relación anterior es una expresión muy usada, de la forma: 
𝑺𝒆 = 𝒘𝑮𝒔 (24)
Ej
e
rc
ic
io
d
e 
R
e
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o
n
e
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ic
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 y
 
gr
av
im
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tr
ic
as
EJERCICIO 2
Calcular el peso específico saturado (𝛾𝑠𝑎𝑡) en función del Grado de
Saturación (S), gravedad específica (𝐺𝑠), la relación de vacíos (e) y el
peso específico del agua (𝛾𝑤). Considerar que el volumen de los sólidos
(𝑉𝑠) es 1.
“ Fundamentos de Geotecnia”, Braja Das
Ej
e
rc
ic
io
 d
e 
R
e
la
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o
n
e
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vo
lu
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tr
ic
as
 y
 
gr
av
im
é
tr
ic
as
Solución Ejercicio 2
Como 𝑉𝑠=1, luego como 𝑒 =
𝑉𝑣
𝑉𝑠
= 𝑉𝑣, entonces 𝑉𝑣 = 𝑒 y 𝑉𝑣= 𝑉𝑤 por ser saturado. 
Luego V = 1+ e … representamos en la gráfica,
Obtenemos 𝑊𝑤 de la ec. (15):
𝛾𝑤 =
𝑊𝑤
𝑉𝑤
=
𝑊𝑤
𝑒
, despejando 𝑊𝑤 = 𝑒𝛾𝑤 ...representamos en la gráfica
Sustituyendo la ec. (20) y 𝑊𝑤 en para hallar el 𝛾𝑠𝑎𝑡
𝛾𝑠𝑎𝑡 =
𝑊
𝑉
=
𝑊𝑤 +𝑊𝑠
𝑉
=
𝑒𝛾𝑤 + 𝐺𝑠𝛾𝑤
1 + 𝑒
𝛾𝑠𝑎𝑡 =
𝐺𝑠+𝑒 𝛾𝑤
1+𝑒
(25)
“ Fundamentos de Geotecnia”, Braja Das
Análisis mecánico del suelo
• Análisis granulométrico. 
• Representación gráfica de la 
distribución granulométrica. 
• Tamaño efectivo
• Coeficiente de uniformidad
• Coeficiente de curvatura.
Análisis mecánico
Tamizado
Granulometría
por hidrometría
Curva
Granulométrica
Comprende el Tamizado y Sedimentación de un suelo en suspensión. Ambos se llevan a 
un gráfico llamado curva granulométrica. 
Análisis granulométrico del suelo
P
O
R
C
EN
TA
JE
 Q
U
E 
PA
SA
 (
%
)
TAMAÑO DE PARTÍCULAS 
(MM)
Curva granulométrica
¿Qué podemos deducir de las curvas granulométricas 
presentadas?
¿Cuáles suelos son ...?
Uniformes ...(B)
Gruesos ...(A), (B) y fino (C)
Bien gradado (A y C) y mal gradado (B)
D60 = diámetro en mm que corresponde al 60% más fino
D30 = diámetro en mm que corresponde al 30% más fino
D10 = diámetro en mm que corresponde al 10% más fino
“ Fundamentos de Geotecnia”, Braja
Diámetro efectivo 
(D10) 
•D10 = diámetro 
correspondiente 
al 10% de finos
Coeficiente de 
uniformidad (Cu) 
• Cu = D60 / D10 
• Cu < 3 = 
uniforme
Coeficiente de 
curvatura (Cc) 
• Cc = (D30 )
2 / 
(D60*D10) 
• Cc = 1 – 3 suelo 
bien gradado
Curva granulométrica
Suelo bien gradado
Suelo de gradación 
uniforme
Suelo de gradación abierta
Curva granulométrica
¿Qué indican Cu y Cc de los suelos A y B ?
Coef. Suelo B
D60 0,30
D30 0,16
D10 0,10
Cu 3,16 S. Uniforme 
Cc 0,90 S. poco gradado
Gracias
Docente: Ing. MSc. Perlita Esaine Barrantes