Vías Terrestres : Diseño Geométrico

Introduccion
Rutas
Linea de pendiente
Diseño geometrico en planta
Introduccion
Curvas circulares simples
Curvas espirales
Curvas reversas
Transicion del peralte
Desplazamiento de un vehiculo sobre una curva circular
Velocidad, curvatura, peralte y friccion
Transicion del peralte
Diseño geometrico en perfil
Conceptos
Elementos que integran el alineamiento vertical
Intersecciones
Isletas y canales
Glorietas

Introduccion

La carretera es una faja de terreno con un plano de rodadura especialmente dispuesto para el tránsito adecuado de vehículos y está destinada a comunicar entre si regiones y sitios poblados

El diseño geométrico en planta o alineamiento horizontal, es la proyección sobre un plano horizontal del eje real o espacial de la carretera. En la filosofía del diseño convencional, dicho eje esta constituido por una serie de tramos rectos denominados tangentes, enlazados entre si por curvas horizontales.

Las curvas horizontales que conectan dos secciones tangentes rectas pueden ser de dos tipos : arcos circulares y espirales.

Los estudios para trazado y localización de una carretra cubren 5 etapas:

1. Reconocimiento: Es un examen general del terreno para determinar la ruta o rutas posibles de unión entre los puntos primarios de control que se esñalan al Ingeniero de Vías.

2. Trazado antepreliminar: Se adopta la mejor o mejores ubicaciones de la vía.

3. Trazado preliminar: Se realiza sobre la ruta escogida con aparatos de precisión para el levantamiento topográfico de una zona de terreno en la cual va a proyectarse.

4. Proyecto: Comprende los diseños en planta y en perfil del eje de la vía.

5. Localización: Consiste en las labores necesarias para transferir al terreno el eje de la vía determinado en el proyecto.

Rutas

La RUTA es aquella franja de terreno, de ancho variable, comprendida entre dos puntos obligados extremos y que pasa a lo largo de puntos obligados intermedios, dentro de la cual es factible hacer la localización del trazado de una vía.

Puntos obligados:

Son aquellos sitios extremos o intermedios por los que necesariamente deberá pasar la vía. La identificación de una ruta a través de estos puntos y su paso por otros puntos secundarios, hace que aparezcan varias rutas alternas.

Para todas las rutas alternas es necesario llevar a cabo la selección, que comprende una serie de trabajos preliminares que tienen que ver con acopio de datos (recolección de información básica relacionada con la topografía, la geología, la hidrología, el drenaje y los usos del suelo), estudio de planos, reconocimientos aéreos y terrestres, poligonales de estudio, etc.

Evaluación de la rutas:

La mejor ruta, será aquella que de acuerdo a las condiciones topográficas, geológicas, hidrológicas y de drenaje, ofrezca el menor costo con el mayor índice de utilidad económica, social y estética.

Existen varios métodos de evaluación de rutas entre los que se encuentra el de Bruce que utiliza la siguiente formula matemática:

xo = x + k * Sumatoria y

Donde:
xo = Longitud resistente (m)
x = Longitud total del trazado (m)
Sumatoria y = descivel o suma de desniveles (m)
k = Inverso del coeficiente de fricción.

TIPO DE SUPERFICIE VALOR MEDIO DE k
Tierra 21
Grava o asfalto 35
macadam 32
Concreto 44

Linea de pendiente

La línea de pendiente es aquella línea que, pasando por los puntos obligados del proyecto, conserva la pendiente uniforme especificada y que de coincidir con el eje de la vía, éste no aceptaría cortes ni rellenos, por lo cual también se le conoce como línea de ceros.

TRAZADO DE LA LINEA DE CEROS SOBRE UN PLANO

FIGURA 1

En la figura 1, se supone que los puntos A y B se encuentran sobre dos curvas de nivel sucesivas, entonces la pendiente de la línea recta AB que los une es:

Pendiente de AB = tangente del ángulo = BC / AC

Si se quiere mantener una línea de pendiente uniforme, se despeja AC en la formula, BC es la diferencia de nivel o la equidistancia y la tangente del ángulo es la pendiente de la recta AB, AC sería la distancia horizontal entre curvas sucesivas.

Para trazar la línea de ceros sobre un plano, se prevee que la distancia AC en metros, reducida a la escala del plano, es la distancia con que se debe abrir un compás de puntas secas a apartir del punto inicial, acto seguido se materializan los puntos donde coincide la abertura del compás sobre la curva de nivel inmediatamente superior.

TRAZADO DE LA LINEA DE CEROS EN EL TERRENO

Se lleva marcándola en la dirección requerida, pasando por los puntos de control y por los lugares más adecuados. para tal efecto se emplean miras, jalones y clasímetros nivel Locke o nivel Abney.

DISEÑO GEOMETRICO EN PLANTA

Introduccion

Una carretera es un sistema que logra integrar beneficios, conveniencia, satisfacción y seguridad a sus usuarios, que conserva, aumenta y mejora los recursos naturales de la tierra, el agua y el aire y que colabora con el logro de los objetivos del desarrollo regional, industrial, comercial, residencial, recreacional y de salud pública.
El Diseño geométrico de carreteras es el proceso de correlación entre sus elemntos físicos y las características de operación de los vehículos, mediante el uso de las matemáticas, la física y la geometría. En ese sentido, la carretera que geométricamente definida por el trazado de su eje en planta y en perfil y por el trazado de su sección transversal.

El diseño geométrico en planta , o alinemiento horizontal, es la proyección sobre un plano horizontal del eje real o espacial de la carretera constituido por una serie de tramos rectos llamados tangentes enlazados entre sí por curvas.

Curvas circulares simples

Las curvas circulares simples son arcos de circunferencia de un solo radio, que constituye la proyección horizontal de las curvas reales o espaciales, especialmente al unir dos tangentes consecutivas.

Elementos de una curva circular
-Punto de vértice (PI): Es el punto de intersección de las tangentes.
-Punto de curvatura (PC): Es el punto en donde termina la tangente de entrada e inicia la curva.
-Punto de tangencia (PT): Es el punto en dónde termina la curva y comienza la tangente de salida.
-Angulo de deflexión (D): Es el ángulo central subtendido entre las dos tangentes.
-Tangente (T): Es la distancia del PC al PI o desde el PI al PT.

T = R tan (D/2)

Cuerda larga (CL): Es la distancia recta entre el PC y el PT.

CL = 2R sen (D/2)

Externa (E): Es la distancia desde el PI al punto medio de la curva.

E = T tan (D/4)

Ordenada media (M): Es la distancia desde el punto medio de la curva, al punto medio de la cuerda larga.

M = R [1 - cos (D/2)]

Centro de la curva circular (RP): Es el mismo punto de radio.

Radio de la curva circular (R): Es la distancia del RP al PC o al PT.

R = T / tan(D/2)

Longitud de la curva circular (L): Es la distancia del PC al PT por el arco de la curva.

L = c D /G

D = Delta



Grado de una curva circular (G):
El ángulo específico de una curva, se define como el ángulo en el centro de un arco circular subtendido por una cuerda específica c, ésta es la definición por cuerda. La definición por arco es el grado específico de una curva, que es el ángulo central subtendido por un arco específico.

Sistema arco -grado

R = 180 s / pi G

L = pi R D / 180

Sistema cuerda - grado (es el mas utilizado en carreteras)

G = 2 arcsen ( c / 2 R )

L = c D / G

Existen también curvas circulares compuestas que están formadas por dos o mas curvas circulares, pero su uso es muy limitado, en la grán mayoría de los casos se utilizan en terrenos montañosos cuando se quiere que la carretera quede lo más ajustada posible a la forma del terreno, lo cual reduce el movimiento de tierra. También se pueden utilizar cuando existen limitaciones de libertad en el diseño, como, por ejemplo, en los accesos a puentes, en los pasos a desnivel y en las intersecciones.

Curvas espirales

Las curvas espirales se usan para proporcionar una transición gradual de la curvatura en curvas horizontales. Su uso más común es para conectar tramos rectos de un alineamiento con curvas circulares, disminuyendo así el cambio brusco de dirección que ocurriría en los puntos de tangencia.
En la figura, se aprecia una curva espiral con longitud Le, que conecta la tangente de entrada con una curva circular de radio R. La longitud L, es la longitud de la curva espiral desde su origen a un punto cualquiera P de radio conocido.

Curvas reversas

Existen cuando hay dos curvas circulares con un punto de tangencia común y con centros en lados opuestos de la tangencia común. En general estas están prohibidas por toda clase de especificaciones, y por tanto, se deben evitar en carreteras y ferrocarriles, pues no permite manejar correctamente el peralte en las cercanías del punto de tangencia; además, en ese punto puede haber dificultades en el funcionamiento de los vehículos. Sin embargo, se encuentran frecuentemente en terrenos montañosos y en carreteras urbanas.
Las curvas reversas pueden tener aplicaciones importantes en el diseño de intersecciones, utilizando pequeños radios para ampliación de calzadas, carriles, etc.

Desplazamiento de un vehiculo sobre una curva circular

con el fin de proporcionar seguridad, eficiencia y un diseño balanceado entre los elementos de la vía desde el punto de vista geométrico y físico, es fundamental estudiar la relación existente entre la velocidad y la curvatura.
Cuando un vehículo circula sobre una curva horizontal, actua sobre el una fuerza centrífuga que tiende a desviarlo radialmente hacia afuera de su trayectoría.

(1) F = W V 2 / g R

F = Fuerza centrífuga desarrollada
W = Peso del vehículo
V = Velocidad del vehículo
g = Aceleración de la gravedad
R = Radio de la curva circular horizontal

Se aprecia con claridad en la expresión anterior como al incrementarse la velocidad con un mismo radio, la fuerza centrífuga es mayor.

La única fuerza que se opone al desplazamiento lateral del vehículo es la Fuerza de Fricción desarrollada entre las llantas y el pavimento, esta fuerza no es lo suficientemente capaz de impedir el desplazamiento lateral del vehículo en la mayoría de los casos, por esto es necesario buscarle un complemento inclinando tranversalmente la calzada. Dicha inclinación se denomina PERALTE.

Si sobre una curva horizontal de radio "R" un vehículo circula a una velocidad constante "V", según la ecuación anterior, el peso "W" y la Fuerza centrífuga "F" son también constantes, pero sus componentes en las direcciones normal y paralela al pavimento varían según la inclinación que tenga la calzada, tal como se aprecia en la figura 1.



Para la situación anterior las componentes normales de las fuerzas "W" y "F" son siempre del mismo sentido y se suman, actuando hacia el pavimento, contribuyendo a la estabilidad del vehículo. En cambio las componentes paralelas de dichas fuerzas son de sentido opuesto y su relación hace variar los efectos que se desarrollan en el vehículo.

Las componentes normales y paralelas de las fuerzas "W" y "F" se definen como:
Wn , Fn : Componentes normales al pavimento
Wp , Fp : Componentes paralelas al pavimento

De esta manera se presentan los siguienes casos:

1. Wp = 0
La calzada es horizontal, es decir que no hay inclinación transversal y "Fp" alcanza su valor máximo "F".

2. Wp = Fp
La fuerza resultante ( F + W ) es perpendicular a la superficie del pavimento, por lo tanto la fuerza centrífuga no es sentida en el vehículo, esta velocidad se denomina velocidad de equilibrio. (Figura 2).



3. Wp < Fp La fuerza resultante ( F + W ) actua en el sentido de la fuerza centrífuga "F", por lo tanto el vehículo tiende a deslizarse hacia el exterior de la curva. Volcamiento en este caso es típico en vehículos livianos. (Figura 3)

4. Wp > Fp
La resultante ( F + W ) actua en sentido contrario de "f", por lo tanto, el vehículo tiende a deslizarse hacia el interior de la curva. Volcamiento es típico en vehículos pesados. (Figura 4).

Velocidad, curvatura, peralte y friccion

Dos fuerzas se oponen al desplazamiento lateral de un vehículo, la componente "Wp" del peso y la fuerza de fricción transversal desarrollada entre las llantas y el pavimento. Para evitar que exista desplazamiento se acostumbra en las curvas darle cierta inclinación transversal a la calzada la cual se denomina peralte "e", que de acuerdo a las figuras anteriores:
(2) e = tan Ø

A la velocidad de equilibrio (figura 2)

Wp = Fp

W sen Ø = F cos Ø

sen Ø / cos Ø = F / W

tan Ø = F / W

Reemplazando las ecuaciones 1 y 2

(3) e = V 2 / g R

Teniendo en cuenta que la gravedad es igual a 9.81 m/seg2 se tiede que:

(4) e = 0.007865 ( V 2 / R )

"V" se expresa en Kilometros / hora y "R" en metros.

Para Wp < Fp (figura 3) Wp < Fp , o lo que es lo mismo Fp - Wp > 0

En la figura 3 se aprecia que la resultante (Fp - Wp) actua hacia la izquierda, por lo que es resistida por una fuerza de fricción transversal "Ff" desarrollada entre las llantas y el pavimento y que actua hacia la derecha.

Fp - Wp = Ff

Se sabe que,

Fuerza Fricción = Fuerza normal (coeficiente de fricción)

Ff = (Fn + Wn) f

f = Coeficiente de fricción transversal

Fp - Wp = (Fn + Wn) f

f = (Fp - Wp) / (Fn + Wn)

En la práctica para valores normales del peralte, la componente "Fn" es muy pequeña y se puede depreciar, entonces reemplazando:

f = (F cos Ø - W sen Ø ) / W cos Ø

f = (F cos Ø / W cos Ø) - (W sen Ø / W cos Ø ) = (F / W) - tan Ø

f = (F / W) - e

Reemplazando la ecuación 1

(5) e + f = ( V 2 / g R )

Convirtiendo unidades

(6) e + f = 0.007865 ( V 2 / R )

Para Wp > Fp (figura 4)

Por homología se tiene que

(7) e - f = 0.007865 ( V 2 / R )

La situación mas común que se presenta es cuando los vehículos van a una velocidad mayor que la de equilibrio, por esto la expresión más usada para efectos de diseño es la ecuación 6.

El radio mínimo "R min", o el máximo grado de curvatura "G máx", es el límite para una velocidad de diseño "V" dada, calculado a partir del peralte máximo "e máx" y el coeficiente de fricción transversal "f máx".

Por lo tanto para una determinada velocidad de diseño y una vez establecidos los valores máximos del peralte y del coeficiente de fricción transversal, el radio mínimo se calcula según la ecuación 6, como:

(8) R min = 0.007865 ( V 2 / (e máx + f máx) )

De esta manera a las curvas que tienen el radio mínimo les coresponde el peralte máximo

Un procedimiento bastante utilizado para calcular el peralte "e" de cualquier curva de radio "R", siendo R > R min, consiste en realizar una repartición inversamente proporcional así:

e máx = 1 / R min
e = 1 / R

De donde:

(9) e = ( R min / R ) e máx

Transicion del peralte

La sección transversal de la calzada sobre un alineamiento recto tiene una inclinación llamada BOMBEO, el cual tiene por objeto facilitar el drenaje o escurrimiento de las aguas lluvias lateralmente hacia las cunetas. El bombeo varía dependiendo de la intensidad de las lluvias en la zona del proyecto del 1% al 4%.
Así mismo la sección transversal de la calzada sobre un alineamiento curvo tendrá una inclinación asociada con el peralte, el cual tiene por objeto, como se vió anteriormente, facilitar el desplazamiento seguro de los vehículos sin peligros de deslizamientos.

Para pasar de una sección transversal con bombeo normal a otra con peralte, es necesario realizar un cambio de inclinación de calzada. Este cambio no puede realizarse bruscamente, sino gradualmente a lo largo de la vía entre este par de secciones. A este tramo de la vía se le llama Transición del peraltado.

Si para el diseño de la vía de las urvas horizopntales se han empleado espirales de transición, la transición del peraltado se efectua conjuntamente con la curvatura. Cuando se dispone unicamente de curvas circulares, se acostumbra realizar una parte de la transición en recta y la otra parte en curva. Se ha determinado empirícamente que la transición del peralte puede introducirse dentro de la curva hasta en un 50%, siempre que por lo menos la tercera parte central de la longitud de la curva quede con el peralte completo.

Para realizar la transición del bombeo al peralte se pueden utilizarse tres procedimientos:

1. Rotando la calzada alrededor de su eje central (es el más conveniente) (figura 5).
2. Rotando la calzada alrededor de su eje interior.
3. Rotando la calzada alrededor de su eje exterior.



Donde:
Lt = Longitud de transición
N = Longitud de aplanamiento
L = Longitud de la curva circular (PC - PT)

La longitud de transición "Lt" se considera desde aquella sección transversal donde el carril exterior esta a nivel o no tiene bombeo, hasta aquella sección donde la calzada tiene todo su peralte "e" completo. N es la longitud necesaria para que el carril exterior pierda su bombeo o se aplane.

Por comodidad, se recomienda que la longitud del tramo donde se realiza la transición del peralte debe ser tal que la pendiente longitudinal de os bordes relativa a la pendiente del eje de la vía no dene ser mayor que un valor "m". En este sentido "M" se define como la máxima diferencia algebraica entre las pendientes longitudinales de los bordes y el eje de la misma.

En la figura 6 aparecen las mitades de las secciones transversales en bombeo y en peralte, lo mismo que el perfil parcial de transición.



En el triángulo B´E´G : B´G / E´G = 1 / m
Pero, B´G = Lt
y E´G = Carril (e), entonces:
Lt = carril (e) / m

En el triángulo A F B : N / A F = 1 / m
Pero A F = Carril (BOMBEO), entonces:
N = carril (bombeo) / m

Conceptos

El diseño geométrico en perfil, o alineamiento vertical, es la proyección del eje real de la vá sobre una superficie vertical paralela al mismo. Dicha proyección mostrará la longitud real del eje de la vía. A este eje tambien se le denomina rasante o sub-rasante

Elementos que integran el alineamiento vertical

Al igual que el diseño en planta, el eje del alineamiento vertical esta constituído por una serie de tramos rectos deniminados tangentes, enlazados entre sí por curvas.

TANGENTES
Las tangentes se caracterizan por su longitud y pendiente y estan limitadas por dos curvas sucesivas. La longitud "Tv" es la distancia medida horizontalmente entre el fin de la curva anterior y l principio de la siguiente. La pendiente "m" de la tangente es la relación entre el desnivel y la distancia horizontal entre dos puntos de la misma.



En la expresión que se aprecia en la figura la pendiente "m" esta expresada en porcentaje.

Existen pendientes máximas y mínimas, la pendiente máxima es la mayor pendiente que se permite en el proyecto, su valor queda determinado por el volumen de tránsito futuro y su composición, por el tipo de terreno y por la velocidad de diseño; la pendiente mínima es la menor pendiente que se permite en el proyecto, su valor se fija para facilitar el drenaje superficial longitudinal, pudiendo variar según se trate de un tramo en terraplén o en corte y de acuerdo al tipo de terreno.

CURVAS

Una curva vertical es aquel elemento del diseño en perfil que permite el enlace de dos tangentes verticales consecutivas, tal que a lo largo se su longitud se efectua el cambio gradual de la pendiente de la tangente de entrada a la pendiente de la tangente de salida, de forma que facilite una operación vehícular segura y comfortable, que sea de apariencia agradable y que permta un drenaje adecuado. La curva que mejor se ajusta a estas condiciones es la parábola de eje vertical.

ELEMENTOS GEOMETRICOS DE UNA CURVA VERTICAL PARABOLICA

CURVAS VERTICALES SIMETRICAS

La parábola utilizada para el enlace de dos tangentes verticales consecutivas debe seguir ls siguientes propiedades:

La razón de variación de su pendiente a lo largo de su longitud es una constante.
La proyección horizontal del punto de intersección de las tangentes esta en la mitad de la línea que une las proyecciones horizontales de los puntos de tangencia extremos, donde empieza y termina la curva.
Los elementos verticales de la curva (cotas) varían proporcionalmente con el cuadrado de los elementos horizontales (abscisas).
La pendiente de una curva de la parábola es el promedio de las pendientes de las líneas tangentes a ella en los extermos de la cuerda.
Los principales elementos que caracterizan una parábola son (figura 2):

A = PIV : Punto de intersección vertical.
B = PCV : Principio de la curva vertical.
C = PTV : Principio de tangente vertical.
BC = Lv : Longitud de la curva vertical, medida en proyección horizontal.
CA = Ev : Externa vertical. Es la distancia vertical del PIV a la curva.
CD = f : Flecha vertical.
P (X1,Y1) : Punto sobre la curva de coordenadas (X1,Y1).
Q (X1,Y2) : Punto sobre la tangente de coordenadas (x1,Y2), situado sobre la misma vertical de "P".
QP = y : Correción de pendiente. Desviación vertical respecto a la tengente de un punto sobre la curva "P" a calcular.
BE = x : Distancia vertical entre el PCV y el punto "P" de la curva.
a : Angulo de pendiente de la tangente de entrada.
b : Angulo de pendiente de la tangente de salida.
g : Angulo entre las dos tangentes. Angulo de deflexión vertical.
m = tan a : Pendiente de la tangente de entrada.
n = tan b : Pendiente de la tangente de salida.
i = tan g : Diferencia algebráica entre las pendientes de la tangente de entrada y salida.

Se tiene entonces una parábola de eje vertical coincidiendo con el eje "Y" y el vertice "C" en el origen (0,0), según el sitema de coordenadas "X vs Y". La ecuación general de la parábola es:

Y = k X 2



Hay que tener presente que siempre la Externa va ser igual a la Flecha.

Según la gráfica y deduciendo formulas:

y = Ev ( 2x / Lv )^2

y = ( i / 2 Lv ) x^2

Ev = Lv i / 8

i = m - ( - n )

Intersecciones

Intersecciones sin canalizar
Son las que presentan una superficie amplia, pavimentada y libre que permite los movimientos vehiculares. Estas grandes superficies pavimentadas invitan a los vehículos y peatones a movimientos desordenados y peligrosos dando lugar a confusión, que aumenta los accidentes y disminuye la capacidad de la intersección, así mismo presenta longitudes excesivas para el cruce de peatones y parte de sus áreas pavimentadas no son utilizables.

Intersecciones canalizadas
Son intersecciones a las que se les han adecuado zonas para el encauzamiento del tráfico denominadas comúnmente isletas o canales, con el propósito de mejorar su comportamiento, brindando mayor fluidez y seguridad. Los principales tipos de canalización son:

Intersección tipo T
Es una solución muy simple para un empalme de una carretera secundaria, con una principal. Las trayectorias se cortan en ángulos prácticamente rectos, se mejoran las condiciones de visibilidad y facilita el paso de peatones. En general, las intersecciones tipo T siendo de tres ramas, presentan entre éstas, ángulos mayores de 60º.

Intersección tipo Y
Es aquella que siendo de tres ramales, presenta entre dos de ellos, un ángulo menor de 60º.

Intersección tipo Cruz
Es una intersección de cuatro ramales, cuando el ángulo mínimo entre dos ramales es inferior a 60º.

Isletas y canales

Los conflictos que se producen en una intersección, pueden reducirse en extensión e intensidad con el trazado de isletas.
Una isleta es una zona bien definida, situada entre carriles de circulación y destinada a guiar el movimiento de vehículos o a dar refugio a peatones, no es necesario que tengan presencia física como tales, pueden ser desde una zona delineada con bordillos elevados hasta un área limitada con marcas pintadas sobre el pavimento.

Las isletas se incluyen el trazado de intersecciones canalizadas por uno o más de los siguientes propósitos:

Separación de conflictos.
Control del ángulo de conflicto.
Regulación del tráfico e indicación del uso adecuado de la intersección.
Reducción de áreas excesivamente pavimentadas.
Trazado para favorecer los movimientos de giro principales.
Protección de peatones.
Protección y zona de espera de vehículos que giran o cruzan.
Instalación de señales de tránsito o de semáforos.
Necesidad de puntos de referencia.
Prohibición de determinados movimientos.
Control de velocidad.

Las isletas son generalmente en forma alargada, lágrimas o triangulares y sus dimensiones dependen del trazado particular en cada intersección.

En forma general, las isletas se pueden agrupar en tres clases principales que son:

Isletas divisorias: Sirven para separar sentidos opuestos o iguales de circulación.

Isletas de encauzamiento: trazadas para control y dirección de los movimientos de tránsito, generalmente giros.

Isletas de seguridad: Sirven para proporcionar una zona de refugio a los peatones y para proteger las vías de almacenamiento. Las dimensiones recomendadas para isletas de seguridad son:

Area : 6 a 9 mts2.
Ancho (isleta alargada): 1 metro.
Longitud: 3.5 a 6 metros.
Lado mínimo (isleta triangular): 2.4 a 3 metros.

Glorietas

La glorieta es una intersección que dispone de una isleta central, circular y que permite a los vehículos que penetran a la intersección por cualquiera de los ramales, abandonar la misma por el ramal elegido mediante un giro en el sentido antihorario alrededor de dicha isleta.
La más común es la convencional, la cual es una glorieta que tiene una calzada de una vía, compuesta de secciones de entrecruzamientos, alrededor de una isla central circular, normalmente sin accesos ampliados; pueden ser de tres, cuatro o más accesos. Para que una glorieta sea convencional, el diámetro de la isla central debe ser igual o superior a 25 metros. Las glorietas poco se emplean en carreteras, a no ser en zonas suburbanas o en cercanías a los pueblos

El suelo, material bastante abundante y de uso práctico en el desarrollo de un proyecto de construcción, muchas veces no reúne las propiedades o características para su uso. Por esto, se recurre a realizar sobre él análisis y pruebas, para lograr con certeza la estabilidad en el tiempo.


Toma de muestras.

1 Generalidades

Lo primero que hay que consignar en la obtención de una muestra es que ésta sea representativa del terreno. Un muestreo adecuado y representativo es de primordial importancia, pues tiene el mismo valor que el de los ensayes en sí. A menos que la muestra obtenida sea verdaderamente representativa de los materiales que se pretende usar, cualquier análisis de la muestra solo será aplicable a la propia muestra y no al material del cual procede, de ahí la necesidad de que el muestreo sea efectuado por personal conocedor de su trabajo.

Las muestras pueden ser de dos tipos: alteradas o inalteradas. Se dice que una muestra es alterada cuando no guarda las mismas condiciones que cuando se encontraba en el terreno de donde procede, e inalterada en caso contrario.

La muestra deberá ser identificada fácilmente en laboratorio, por este motivo deberá indicar: nombre del proyecto, ubicación, N° de pozo, horizonte, profundidad, N° de muestra, fecha de obtención, ítem a que pertenece, nombre de la persona que la tomó y si esta contenida en uno o más envases.

2 Obtención de muestras
2.1 Reconocimiento

Todo estudio geotécnico debe iniciarse con un reconocimiento detallado del terreno a cargo de personal experimentado. El objetivo de este reconocimiento es contar con antecedentes geotécnicos previos para programar la exploración.

Mediante la observación de cortes naturales y/o artificiales producto de la erosión o deslizamiento será posible, en general, definir las principales unidades o estratos de suelos superficiales.

Especial importancia debe darse en esta etapa a la delimitación de zonas en las cuales los suelos presentan características similares y a la identificación de zonas vedadas o poco recomendables para emplazar construcciones, tales como zonas de deslizamiento activo, laderas rocosas con fracturamiento según planos paralelos a la superficie de los cortes, zonas pantanosas difíciles de drenar, etc. Este reconocimiento se puede efectuar por vía terrestre o por vía aérea depensiendo de la transitividad del terreno.

El programa de exploración que se elija debe tener suficiente flexibilidad para adaptarse a los imprevistos geotécnicos que se presenten. No existen un método de reconocimiento o exploración que sea de uso universal, para todos los tipos de suelos existentes y para todas las estructuras u obras que se estudian.

Generalmente se ejecutan pozos distanciados entre 300 a 600 metros, aparte de los que deban ejecutarse en puntos singulares. Pueden realizarse pozos más próximos si lo exige la topografía del área, naturaleza de la depositación o cuando los suelos se presentan en forma errática. Asímismo deben delimitarse las zonas en que se detecten suelos que se consideren inadecuados.

En todo caso, al programar una exploración se deben considerar las siguientes pautas generales:

1. Ubicar puntos de prospección a distancias aproximadamente iguales, para luego densificar la exploración si se estima pertinente.
2. Prospectar aquellos sectores que soportarán rellenos o terraplenes de importancia y aquellos en que la rasante se ubica muy próxima al terreno natural (h < 0.6 m). 
3. Inspeccionar aquellas zonas en que se tienen cortes de importancia, ubicando los puntos de cambio de cortes a terraplén para conocer el material al nivel de la subrasante. 
4. Inspeccionar el subsuelo en aquellos puntos en que se ubican obras de arte y estructuras importantes. 

 Los métodos más usados para los estudios de superficie que conducen al reconocimiento del perfil estratigráfico son: 
2.1.1 Calicatas

Las calicatas permiten la inspección directa del suelo que se desea estudiar y, por lo tanto, es el método de exploración que normalmente entrega la información más confiable y completa. En suelos con grava, la calicata es el único medio de exploración que puede entregar información confiable, y es un medio muy efectivo para exploración y muestreo de suelos de fundación y materiales de construcción a un costo relativamente bajo.

Es necesario registrar la ubicación y elevación de cada pozo, los que son numerados según la ubicación. Si un pozo programado no se ejecuta, es preferible mantener el número del pozo en el registro como "no realizado" en vez de volver a usar el número en otro lugar, para eliminar confusiones.

La profundidad está determinada por las exigencias de la investigación pero es dada, generalmente, por el nivel freático.

La sección mínima recomendada es de 0,80 m por 1,00 m, a fin de permitir una adecuada inspección de las paredes. El material excavado deberá depositarse en la superficie en forma ordenada separado de acuerdo a la profundidad y horizonte correspondiente. Debe desecharse todo el material contaminado con suelos de estratos diferentes. Se dejarán plataformas o escalones de 0,30 a 0,40 metros al cambio de estrato, reduciéndose la excavación. Esto permite una superficie para efectuar la determinación de la densidad del terreno. Se deberá dejar al menos una de las paredes lo menos remoldeada y contaminada posible, de modo que representen fielmente el perfil estratigráfico del pozo. En cada calicata se deberá realizar una descripción visual o registro de estratigrafía comprometida.

A cada calicata se le deberá realizar un registro adecuado que pasará a formar parte del informe respectivo. La descripción visual de los diferentes estratos se presentará en el formato de la figura 5.1 y deberá contener, como mínimo, toda la información que allí se solicita.

Fig. 5.1 Presentación de la estratigrafía según descripción visual en pozos de reconocimiento.

La estratigrafía gráfica debe presentarse mediante la simbología que se muestra en la figura 5.2.

El laboratorista deberá registrar claramente el espesor de cada estrato y efectuar una descripción del mismo mediante identificación visual basado en la pauta que se indica.

Los suelos es posible agruparlos en tres grupos primarios, sin embargo, en la naturaleza se encuentran compuestos, pero es posible discernir el componente predominante y asimilar la muestra a ese grupo.

La principal distinción se hace sobre la base del tamaño. Las partículas individuales visibles forman la fracción gruesa y las demasiado pequeñas para ser individualizadas componen la fracción fina. Los componentes orgánicos del suelo consisten en materia vegetal descompuesta o en proceso de descomposición, lo que le impone al suelo una estructura fibrosa. Pueden ser identificados por sus colores oscuros y el olor distintivo.

• Tamaño: Los suelos gruesos son aquellos en que más de la mitad de las partículas son visibles. En esta estimación se excluyen las partículas gruesas mayores a 80 mm (3"); sin embargo, tal fracción debe ser estimada visualmente y el porcentaje indicado independientemente del material inferior a 80 mm. La fracción gruesa comprende los tamaños de gravas y arenas, y la fracción fina los limos y arcillas.

En caso de suelos mixtos, la muestra se identificará sobre la base de la fracción predominante usando los siguientes adjetivos, según la proporción de la fracción menos representativa; indicios: 0-10%, poco: 10-20%, algo: 20-35%; y abundante: 35-50%.

• Color: Se debe indicar el color predominante.

• Olor: Las muestras recientes de suelos orgánicos tienen un olor distintivo que ayuda a su identificación. El olor puede hacerse manifiesto calentando una muestra húmeda.

• Humedad: En las muestras recientes deberá registrarse la humedad. Los materiales secos necesitan una cantidad considerable de agua para obtener un óptimo de compactación. Los materiales húmedos están cerca del contenido óptimo. Los mojados necesitan secarse para llegar al óptimo, y los saturados son los suelos ubicados bajo un nivel freático.

• Estructura: Si los materiales presentan capas alternadas de varios tipos o colores se denominará estratificado; si las capas o colores son delgados, inferior a 6 mm, será descrito como laminado; fisurado si presenta grietas definidas; lenticular si presenta inclusión de suelos de textura diferente.

• Cementación: Algunos suelos muestran definida evidencia de cementación en estado inalterado. Esto debe destacarse e indicar el grado de cementación, descrito como débil o fuerte. Verificando con ácido clorhídrico si es debida a carbonatos y su intensidad como ninguna, débil o fuerte.

• Densificación: La compacidad o densidad relativa de suelos sin cohesión puede ser descrita como suelta o densa, dependiendo de la dificultad que oponga a la penetración de una cuña de madera.

La consistencia de suelos cohesivos puede ser determinada en sitio o sobre muestras inalteradas de acuerdo con el criterio indicado en Tabla V.1. Los valores de resistencia al corte están basados en correlaciones con penetrómetro de bolsillo usado frecuentemente para estimar la consistencia.

• Clasificación: Se debe indicar además la clasificación probable. Pueden usarse clasificaciones dobles cuando un suelo no pertenece claramente a uno de los grupos, pero tiene fuertes características de ambos grupos. Deben colocarse entre paréntesis para indicar que han sido estimadas.

• Nombre local: El uso de nombres típicos tales como caliche, maicillo, pumicita, cancagua, etc., además de su designación según el sistema de clasificación de suelo, ayuda a identificar sus condiciones naturales.

La descripción de suelos, en especial su clasificación, está basada en examen visual y ensayos manuales, y no debe contener refinamientos que sólo pueden determinarse con equipo de laboratorio, aunque éstos sean contradictorios. Ocasionalmente los suelos son descritos con tal cantidad de detalles que el cuadro presentado es más confuso que esclarecedor; sin embargo, es mejor errar por el lado del exceso de detalles, que pueden seleccionarse, que presentar descripciones incompletas.

En todo caso se estima recomendable utilizar corno pauta las definiciones y recomendaciones contenidas en la norma ASTM D 2488, denominada "Descripción de suelos" (procedimiento Visual- Manual).

Estas descripciones visuales deberán contener como mínimo los siguientes antecedentes:

• Identificación de la calicata mediante un número, especificado su ubicación con respecto al kilometraje del eje o sus coordenadas, nombre las laboratorista y fecha de la inspección.
• Profundidad total.
• Profundidad de la napa de agua, referida al nivel del terreno natural y fecha de observación.
• Profundidad de los diferentes estratos por describir, referidas al nivel del terreno natural.
• Descripción del suelo empleando la terminología que se entrega en la figuras 5.1 y 5.2, según se trate de suelos gruesos o finos, respectivamente.
• Cantidad y tipo de las muestras tomadas en la calicata.
• Observaciones y otras características relevantes.

Desde las paredes y piso de las calicatas se deben obtener las muestras que serán llevadas a laboratorio.

Todas las muestras que se obtengan deberán ser perfectamente identificadas, incluyendo a lo menos los siguientes tópicos: identificación de la calicata; profundidad a la que fue tomada; nombre de la persona que la tomo y fecha de obtención.

Se distinguen dos tipos de muestras que se pueden obtener:

• Muestra perturbadas. 

Se obtienen en general de las paredes de los pozos y comprometen estratos determinados o bien la suma de algunos de ellos, como es el caso de la investigación de yacimientos. Estas muestras deben guardarse en bolsas impermeables y de resistencia adecuada. Cada bolsa debe identificarse clara e indeleblemente.


Muestras en bolsas: 
Las muestras en bolsas se toman con pala, barreta o cualquier otra herramienta de mano conveniente y se colocan en bolsas sin tratar de mantener al suelo en forma inalterada, estas muestras se usan para:

• Análisis granulométrico.
• Ensayos de plasticidad.
• Ensayos de compactación – humedad óptima.
• Ensayos de compactación CBR en laboratorio.

• Muestra sin perturbar. 

Este tipo de muestra se recorta de las paredes de los pozos y compromete estratos bien definidos. Después de cortadas deben revestirse con una capa de parafina sólida aplicada con brocha.

Es conveniente agregar alrededor de un 30% de cera virgen a la parafina sólida con el fin de que la capa protectora sea menos rígida. Si la consistencia de la muestra es relativamente blanda, debe rodearse de grasa y recubrir una vez mas con parafina sólida y cera. Una vez dado el tratamiento anterior, debe colocarse en cajas de madera con aserrín u otro producto que actúe como amortiguador de golpes.

Las muestras sin perturbar deberán tomarse apenas excavadas las calicatas, en especial cuando se trate de suelos cuya estructura se ve afectada por los cambios de humedad. En todo caso, al tomar una muestra no perturbada, debe elegirse la pared de la calicata menos expuesta al sol y debe excavarse el espesor superficial que haya sido afectado por los cambios de humedad.

No deben escatimarse esfuerzos en el embalaje adecuado de las muestras, ya que el grado de perturbación que se le ocasione a una muestra no perturbada es irrecuperable y lleva a resultados erróneos. En las calicatas, es posible realizar ensayes en sitio tales como las pruebas de carga con placas, CBR, permeabilidades, medidas de densidad, etc. Las pruebas de carga pueden realizarse contra el fondo de la perforación o las paredes de la misma.

Cada vez que sea necesario realizar un ensayo en sitio en una calicata, la excavación deberá realizarse considerando este hecho, dado que este tipo de prueba obliga a tomar medidas especiales que determinan la forma de excavación. Es así como la toma de densidades obliga a realizar éstas a medida que la excavación se realiza, o bien es necesario dejar bancos intermedios.

El muestreo es tan importante como el ensaye y se deben tomar las precauciones para obtener muestras que exhiban la naturaleza real y condiciones de los suelos que se representan. Salvo situaciones que exijan determinación de resistencia o consolidación, las muestras necesarias para diseño de superestructura de obras viales serán perturbadas.

Fig 5.3 Obtención de muestras inalteradas

La cantidad de muestras necesarias para análisis Básicos será la indicada en la siguiente tabla.

Tabla V.1 Cantidad de muestra según tipo de ensayo

A cada calicata se le deberá realizar un registro adecuado que pasara a formar parte del análisis respectivo. 
La descripción visual de los diferentes estratos deberá contener, como mínimo:

• Nombre del proyecto
• Sector/tramo
• Nº de pozo
• Ubicación respecto a un eje de referencia
• Cota
• Fecha de la inspección
• Inspector
• Descripción del suelo, etc.

Las muestras se someterán a los análisis de clasificación:

• Granulometría.
• Límites de consistencia: Límite líquido y Límite Plástico.
• Constantes físicas: Densidad de partículas sólidas y Densidad neta.

Una vez realizados estos análisis, con objeto de abreviar los ensayes correspondientes a la determinación del valor de soporte California (CBR) y el de Relación Humedad - Densidad (Proctor), se podrán agrupar las muestras de características similares a una muestra patrón representativa, siempre que cumplan los siguientes requisitos:

• Las muestras correspondan a un mismo sector o zona.
• Tengan la misma clasificación general.
• Pertenezcan a uno de los siguientes rangos de índice de grupo (IG): entre 0 y 2; 3 y 7; 8 y 15; 16 y 25, y sobre 25.
• La comparación de sus granulometrías no presente discrepancias superiores a:

 Tamiz 20 mm = ± 12% ; Tamiz 5 mm = ± 8% ; Tamiz 2 mm = ± 6% ; Tamiz 0.08 mm = ± 4%(si pasa menos de un 35%) ó ± 6% (si pasa más de un 35%).

• El índice de plasticidad no debe discrepar mas de

Si IP < 10 : ± 2 Si 10 < IP < 20 : ± 3 Si IP > 20 : ± 4

El ensaye CBR también puede aplicarse a muestras inalteradas, siempre que se cuide de colocarlas en el molde sin perturbarlas y que además se rellene con parafina sólida u otro material similar el espacio que quede entre las muestras y las paredes del molde. Hay suelos en que este trabajo presenta dificultades insalvables, lo que hace necesario recurrir a la realización de un ensaye de CBR "en sitio". El suelo ensayado no debe contener partículas mayores que el tamiz 20 mm.

Para definir el tamaño de la muestra de suelo que se deberá tomar en terreno destinada a ser ensayada en laboratorio, se deberá tener en cuenta lo que se indica a continuación.

• Ensayos que se han programado ejecutar. 
• Tamaño máximo de las partículas.
• Reutilización de las muestras en ensayes de compactación.

A manera de información se anotan a continuación los tamaños de muestra requerido para diferentes casos:

 Tabla V.2 Tamaños de muestra requerido

Para materiales de empréstito, de acuerdo con su posible utilización, se deberán completar los análisis con los siguientes ensayes:

a) Agregados para Bases y Sub-bases

• Desgaste de Los Ángeles 

b) Áridos para Hormigón

• Finos menores a 0,08 mm
• Impurezas orgánicas del agregado fino
• Partículas deleznables (terrones de arcilla, yeso, mica, etc.).
• Sales solubles
• Desintegración por sulfatos, cuando corresponda.

c) Agregados para mezclas asfálticas y tratamientos superficiales.

• Adherencia con bitúmenes.

El informe geotécnico de yacimientos debe entregar, al menos, la siguiente información:

• Identificación: nombre ubicación y rol de propiedad (croquis con distancias fundamentales).
• Potencialidad del yacimiento.
• Condiciones de explotación, tales como: nivel freático, accesos, escarpes, uso actual del terreno, etc.
• Características índices de los materiales que pueden obtenerse.
• Características y propiedades de los materiales para definir su aptitud, como agregado para hormigón, asfalto, bases, rellenos, etc.
• Limitaciones o condicionantes constructivas que puedan restringir su utilización (p. ej. condiciones de humedad, sobretamaño, etc.).
• Facilidades de energía eléctrica y recursos de agua.

Es conveniente, dentro de cada región o provincia del país, tener un catastro de pozos de materiales y su factibilidad de empleo en los distintos tipos de obras viales.

Para su ubicación tenemos que distinguir dos tipos de materiales:

• Áridos Directos: Son aquellos materiales que para su utilización sólo es necesario realizar las operaciones para su extracción y clasificación, es decir, que se emplean tal como se encuentran en la naturaleza.
• Áridos Indirectos: Son aquellos materiales que además de los dos procesos señalados necesitan otro intermedio, que consiste en su elaboración o chancado, selección, etc., por no ser utilizables con el tamaño que se extraen.

Los Yacimientos proceden de depósitos que pueden ser: Fluviales, Glaciares, Torrenciales. Eólicos y Marinos.

Los depósitos fluviales se encuentran en ríos, zonas inferiores de los valles, cauces de avenidas, estuarios y deltas. Son los depósitos más utilizados dado que tienen, considerando el largo recorrido desde su punto de origen hasta su depósito, granulometrías definidas y homogéneas, formas redondeadas y superficies algo ásperas, lo que le da una primera selección natural. Además son de fácil explotación.

Los depósitos glaciares son más heterogéneos tanto en calidad como en tamaño y granulometría, siendo menos limpios que los fluviales. Se les ubica en pequeñas colinas, denominadas morrenas, que se formaron por arrastre al pie de los glaciares. Son de difícil explotación.

Los depósitos torrenciales se encuentran en los conos de deyección y en zonas áridas, son uniformes y de forma angular, pero en general son depósitos de materiales heterogéneos y mal graduados.

Los depósitos eólicos son productos detríticos de granulometría fina y uniforme (dunas). Suelen ser materiales cuarzosos que han resistido la dura erosión generada por el roce. Son de fácil explotación.

Los depósitos marinos son un importante proveedor de materiales aun cuando quedan limitados por las sales que contienen.

2.1.2 Sondajes en suelo

Este método de exploración debe usarse en aquellos casos en que el reconocimiento del perfil estratigráfico necesario que se deberá estudiar, no pueda ser realizado mediante calicatas, ya sea porque se requiere reconocer el perfil en una profundidad importante, o bien por presencia de agua. En los estudios viales, este tipo de exploración se limita generalmente al estudio de fundaciones de estructuras principales y al estudio de estratos de compresibilidad importantes situados bajo el nivel de la napa.

Los suelos finos, exentos de gravas, pueden ser bien estudiados mediante sondajes. La información que puede obtenerse de sondajes efectuados en suelos con gravas es generalmente incompleta y deficiente, pero en determinados casos resulta ser la única posible de realizar.

TIPOS DE SONDEOS

Los tipos principales de sondeos que se usan en mecánica de suelos para fines de muestreo y reconocimiento del subsuelo, en general, son los siguientes:

A.- MÉTODOS DE EXPLORACIÓN DE CARÁCTER PRELIMINAR.

• Pozos a cielo abierto, con muestreo alterado o inalterado.
• Perforaciones con posteadora, barrenos helicoidales o métodos similares.
• Métodos de lavado
• Métodos de penetración estándar.
• Método de penetración cónica.
• Perforaciones en boleos y gravas (con barretones, etc.)

B.- MÉTODOS DE SONDEO DEFINITIVO.

• Pozos a cielo abierto con muestreo inalterado.
• Métodos con tubo de pared delgada.
• Métodos rotatorios para roca.

C.- MÉTODOS GEOFÍSICOS.

• Sísmico.
• De resistencia eléctrica.
• Magnético y gravimétrico.

NUMERO, TIPO Y PROFUNDIDAD DE LOS SONDEOS

El número, tipo y profundidad de los sondeos que deban ejecutarse en un programa de exploración de suelos depende fundamentalmente del tipo de subsuelo y de la importancia de la obra. En ocasiones, se cuenta con estudios anteriores cercanos al lugar, que permite tener una idea siquiera aproximada de las condiciones del subsuelo y este conocimiento permite fijar el programa de exploración con mayor seguridad y eficacia. Otras veces, ese conocimiento apriorístico indispensable sobre las condiciones predominantes en el subsuelo ha de ser adquirido con los sondeos de tipo preliminar. El número de estos sondeos exploratorios será el suficiente para dar precisamente ese conocimiento. En obras chicas posiblemente tales sondeos tendrán carácter definitivo, por lo que es conveniente realizarlos por los procedimientos más informativos, tales como la prueba de penetración estándar, por ejemplo.

Un punto que requiere especial cuidado es la determinación de la profundidad a que debe llevarse la exploración del suelo. Este aspecto fundamental, cuyas repercusiones pueden dejarse sentir en todas las fases del éxito o fracaso de una obra ingenieril, tanto técnicas como económicas, está también principalmente definido por las funciones e importancia de la obra y la naturaleza del subsuelo. En general, los puntos básicos que la mecánica de suelos debe cuidar en un caso dado se refieren a la posibilidad y cálculo de asentamientos y a determinaciones de resistencia de los suelos.

Para fines de cimentación, ha sido frecuente la recomendación práctica de explorar una profundidad comprendida entre 1,5B y 3B, siendo B el ancho de la estructura por cimentar.

Generalmente es suficiente detener la exploración al llegar a la roca basal, si ésta aparece en la profundidad estudiada; sin embargo, en casos especiales se hará necesario continuar el sondeo dentro de la roca por métodos rotatorios; por ejemplo, en cimentaciones de presas sería necesario verificar que la roca no presente condiciones peligrosas desde el punto de vista de infiltraciones de agua.

3 Ensayes directamente "IN SITU"

Para realizar un ensayo en sitio en una calicata, la excavación deberá realizarse considerando este hecho debido a que determinan la forma de excavación. Entre estos tipos de ensayes, que se realizan directamente en terreno, resaltan los siguientes:

• Toma de densidades en sitio, este obliga a ir realizando los ensayos a medida que la excavación avanza, o bien es necesario ir dejando bancos intermedios.

• Ensayes para suelos finos que se realizan con un "penetrómetro de bolsillo" y "veleta". Estos ensayes indican aproximadamente la resistencia a la compresión no confinada y la cohesión respectivamente. Los resultados obtenidos deben considerase como cualitativos y pueden ser correlacionados con valores obtenidos sobre muestras no perturbadas en laboratorio.

3.1 Procedimiento de toma de muestra
3.1.1 Muestras en bolsas.

a. Muestras individuales: Cuando se investigan las condiciones de cimentación, hay que tomar muestras en bolsas de cada tipo diferente de suelo que se encuentre.

b. Muestras compuestas: El propósito de una muestra compuesta es obtener, para la investigación, una representación de todo el suelo del perfil, o el material contenido en un acopio o pila. Las muestras para ensayo se obtienen por cuarteo de muestras compuestas.

c. Muestras para contenido de humedad.

Tamaño: Muestras de hasta un mínimo de 10 g son suficientes para determinar el contenido de humedad natural de un suelo de grano fino. Para suelos gravosos estas muestras deben ser mucho mayores.

Recipientes: Los recipientes usados deben tener cierre hermético, y no necesitan sellado si el ensayo se hace antes de 24 h desde que se toma la muestra. Para el sellado se sugiere: envolver con cinta aislante las partes por donde pudieran escapar la humedad o pintar estas partes con parafina sólida.

3.1.2 Muestras Inalteradas

Para ensayos CBR con muestras inalteradas, un trozo de suelo con dimensión mínima de 7" (18 cm) es suficiente, pudiendo ser la muestra cúbica o cilíndrica. En otros ensayes se puede usar muestras más pequeñas. La superficie superior (S) e inferior (I) debe ser marcadas claramente con las letras respectivas.

En cuanto a herramientas se deben elegir las más adecuada para cada tipo de suelo. Igualmente sucede con aquellos materiales que ayudan en la obtención de muestras inalteradas.

Las muestras sin perturbar deberán tomarse apenas estén excavadas las calicatas, en especial cuando se trate de suelos cuya estructura se ve afectada por los cambios de humedad. En todo caso, al tomar una muestra no perturbada, debe elegirse la pared de la calicata menos expuesta al sol y debe excavarse el espesor superficial que haya sido afectado por los cambios de humedad.

Después de cortadas las muestras deben revestirse en una capa de parafina sólida aplicada con brocha, es conveniente agregar un 30% de cera virgen a la parafina sólida con el fin de que la muestra sea relativamente blanda, debe rodearse de grasa y recubrir una vez mas con parafina sólida y cera. Una vez dado el tratamiento anterior se debe colocar en cajas de madera con aserrín u otro producto que actúe como amortiguador de golpes.

No deben escatimarse esfuerzos en el embalaje adecuado de las muestras, de que el grado de perturbación que se le ocasione a una muestra no perturbada es irrecuperable y conlleva a resultados erróneos.

Trozo- muestra: El tipo más sencillo de muestra inalterada se obtiene cortando un trozo del tamaño deseado, y cubriéndolo para evitar perdidas de humedad y roturas. Este método se puede usar en suelos que no se desformen, rompan o desmoronen cuando se cortan.

Muestras cilíndricas: En suelos blandos de granos finos, se pueden tomar directamente muestras cilíndricas, para el CBR con muestra inalterada o para la determinación de la densidad, usando en anillo toma muestras. Las muestras cilíndricas se pueden obtener también con un tarro de hojalata corriente, un pequeño trozo de tubo o con cualquier otro recipiente metálico. Para otros suelos, es mejor usar un molde que divida en sentido longitudinal.

4.- Principales tipos de suelos

De acuerdo con el origen de sus elementos, los suelos se dividen en dos amplios grupos; suelos cuyo origen se debe a la descomposición física o química de las rocas, o sea de los suelos inorgánicos, y los suelos cuyo origen es principalmente orgánico.

Si en los suelos inorgánicos el producto del intemperismo de las rocas permanece en el sitio donde se formó, da origen a un suelo residual; en caso contrario, forma un suelo transportado, cualquiera que haya sido el agente transportador (por gravedad: talud; por agua: aluviales o lacustres; por viento: eólicos; por glaciares: Depósitos glaciares).

En cuanto a los suelos orgánicos, ellos se forman casi siempre in situ. Muchas veces la cantidad de materia orgánicas, ya sea en forma de humus o de materia no descompuesta o en estado de descomposición, es tan alta con relación a la cantidad de suelo inorgánicos que las propiedades que pudiera derivar de la porción mineral quedan eliminadas. Esto es muy común en las zonas pantanosas en las cuales los restos de vegetación acuática llegan a formar verdaderos depósitos de gran espesor, conocidos con el nombre genérico de turbas. Se caracterizan por su color negro o café oscuro por su poco peso cuando están secos y su gran compresibilidad y porosidad. La turba es el primer paso de la conversión de la materia vegetal en carbón.

A continuación se describen los suelos más comunes con los nombres generalmente utilizados por el profesional, para su identificación.

4.1 Gravas
Las gravas son acumulaciones sueltas de fragmentos de rocas y que tienen mas de dos milímetros de diámetro. Dado el origen, cuando son acarreadas por las aguas las gravas sufren desgaste en sus aristas y son, por lo tanto, redondeadas. Como material suelto suele encontrársele en los lechos, en los márgenes y en los conos de deyección de los ríos, también en muchas depresiones de terrenos rellenadas por el acarreo de los ríos y en muchos otros lugares a los cuales las gravas han sido retransportadas. Las gravas ocupan grandes extensiones, pero casi siempre se encuentran con mayor o menor proporción de cantos rodados, arenas, limos y arcillas. Sus partículas varían desde 7.62 cm (3") hasta 2.0 mm.

La forma de las partículas de las gravas y su relativa frescura mineralógica dependen de la historia de su formación, encontrándose variaciones desde elementos rodados a los poliédricos.

4.2 Arenas
La arena es el nombre que se le da a los materiales de granos finos procedentes de la denudación de las rocas o de su trituración artificial, y cuyas partículas varían entre 2 mm y 0.05 mm de diámetro.

El origen y la existencia de las arenas es análoga a la de las gravas: las dos suelen encontrarse juntas en el mismo depósito. La arena de río contiene muy a menudo proporciones relativamente grandes de grava y arcilla. Las arenas estando limpias no se contraen al secarse, no son plásticas, son mucho menos compresibles que la arcilla y si se aplica una carga en su superficie, se comprimen casi de manera instantánea.

4.3 Limos
Los limos son suelos de granos finos con poca o ninguna plasticidad, pudiendo ser limo inorgánico como el producido en canteras, o limo orgánico como el que suele encontrarse en los ríos, siendo en este último caso de características plásticas. El diámetro de las partículas de los limos esta comprendido entre 0.05 mm y 0.005 mm. Los limos sueltos y saturados son completamente inadecuados para soportar cargas por medio de zapatas. Su color varía desde gris claro a muy oscuro. La permeabilidad de los limos orgánicos es muy baja y su compresibilidad muy alta. Los limos, de no encontrarse en estado denso, a menudo son considerados como suelos pobres para cimentar.

4.4 Arcillas
Se da el nombre de arcilla a las partículas sólidas con diámetro menor de 0.005 mm y cuya masa tiene la propiedad de volverse plástica al ser mezclada con agua. Químicamente es un silicato de alúmina hidratado, aunque en pocas ocasiones contiene también silicatos de hierro o de magnesio hidratados. La estructura de estos minerales es, generalmente, cristalina y complicada y sus átomos están dispuestos en forma laminar. De hecho se puede decir que hay dos tipos clásicos de tales láminas: uno de ellos del tipo siliceo y el otro del tipo alumínico.

El tipo silice se encuentra formada por un átomo de silice rodeado de cuatro átomos de oxigeno. La unión entre partículas se lleva a cabo mediante un mismo átomo de oxigeno. Algunas entidades consideran como arcillas a las partículas menores a 0.002 mm.

El tipo alumínico esta formada por un átomo de aluminio rodeado de seis átomos de oxigeno y de oxigeno e hidrogeno.

4.5 Caliche
El término caliche se aplica a ciertos estratos de suelo cuyos granos se encuentran cementados por carbonatos calcáreos. Parece ser que para la formación de los caliches es necesario un clima semiárido. La marga es una arcilla con carbonato de calcio, más homogénea que el caliche y generalmente muy compacta y de color verdoso.

4.6 Loess
Los loess son sedimentos eólicos uniformes y cohesivos. Esa cohesión que poseen es debida a un cementante del tipo calcáreo y cuyo color es generalmente castaño claro. El diámetro de las partículas de los loess esta comprendido entre 0.01 mm y 0.05 mm. Los loess se distinguen porque presentan agujeros verticales que han sido dejados por raíces extinguidas. Los loess modificados son aquellos que han perdido sus características debido a procesos geológicos secundarios, tales como inmersión temporaria, erosión y formación de nuevos depósitos. Los loess son colapsables, aunque disminuye dicha tendencia al incrementársele su peso volumétrico.

4.7 Diatomita
Las diatomitas o tierras diatomaceas son depósitos de polvo silícico, generalmente de color blanco, compuesto total o parcialmente por residuos de diatomeas. Las diatomeas son algas unicelulares microscópicas de origen marino o de agua dulce, presentando las paredes de sus células características silícicas.

4.8 Gumbo
Es un suelo arcilloso fino, generalmente libre de arena y que parece cera a la vista; es pegajoso, muy plástico y esponjoso. Es un material difícil de trabajar.

4.9 Teapete
Es un material pulvurento, de color café compuesto de arcilla, limo y arena en proporciones variables, con un cementante que puede ser la misma arcilla o el carbonato de calcio. La mayoría de las veces el origen deriva de la descomposición y alteración, por intemperismo, de cenizas volcánicas basálticas. También suelen encontrarse lentes de piedra pómez dentro del teapete.

4.10. Suelos cohesivos y no cohesivos
Una característica que hace muy distintivos a diferentes tipos de suelos es la cohesión. Debido a ella los suelos se clasifican en "cohesivos" y " no cohesivos".

Los suelos cohesivos poseen la propiedad de la atracción intermolecular, como las arcillas. Los suelos no cohesivos son los formados por partículas de roca sin ninguna cementación, como la arena y la grava.

5.- Identificación de los suelos

El problema de la identificación de los suelos es de importancia fundamental; identificar un suelo es, en rigor, encasillarlo en un sistema previo de clasificación. En el caso de este trabajo es colocarlo dentro del sistema unificado de clasificación de suelos.

La identificación permite conocer las propiedades mecánicas e hidráulicas del suelo, atribuyéndole las del grupo en que se sitúe, naturalmente la experiencia juega un papel importante en la utilidad que se le pueda sacar de la clasificación.

En el sistema unificado hay criterios para la identificación de suelos en el laboratorio; estos son del tipo granulométrico y de características de plasticidad.

Además, y esta es la ventaja del sistema, se ofrecen criterios para identificación en el campo, es decir, en aquellos casos en el que no se disponga de equipos de laboratorios para efectuar las pruebas necesarias para una identificación estricta. Estos criterios, simples y expeditos se detallan a continuación.

5.1 Identificación de suelos gruesos (Tabla V.4)

Los materiales constituidos por partículas gruesas se identifican prácticamente en forma visual. Extendiendo una muestra seca del suelo sobre una superficie plana puede juzgarse, en forma aproximada, de su graduación, tamaño de partículas, forma y composición mineralógica.

Para distinguir las gravas de las arenas pude utilizarse un tamaño de ½ cm equivalente a la malla 4, y para la estimación del contenido de finos basta considerar que las partículas de tamaño correspondiente a la malla 200 son las más pequeñas y pueden distinguirse a simple vista.

En lo referente a la graduación del material de tenerse bastante experiencia en el examen visual, pues se comparan los materiales mal graduados de los bien graduados, obtenidos en laboratorio

En algunos casos es importante determinar la integridad de las partículas constituyentes del suelo, en cuyo caso se realiza un examen cuidadoso. Las partículas de origen ígneo se identifican fácilmente, las partículas intemperizadas se reconocen por las decoloraciones y la relativa facilidad en que se desintegran.

 Tabla V.4 Terminología para la descripción de suelos gruesos

5.2 Identificación de suelos finos (Tabla V.5)

Una de las ventajas de este sistema es la identificación de suelos finos con algo de experiencia. El mejor modo de adquirir esta experiencia sigue siendo el aprendizaje al lado de quien ya lo posea.

Las principales bases de criterio para identificar suelos finos en el campo son la investigación de las características de dilatancia, de tenacidad, y de resistencia en estado seco. El color y el olor del suelo pueden ayudar, especialmente en suelos orgánicos.

El conjunto de pruebas se efectúa en una muestra previamente cribada por la malla 40, en ausencia de ella, previamente sometido a un proceso manual equivalente.

5.2.1 Dilatancia

En esta prueba, una pastilla en el contenido de agua necesario para que el suelo adquiera una consistencia suave, pero no pegajosa, se agita alternativamente en la palma de la mano, golpeándola contra la otra mano, manteniéndola apretada entre los dedos.

Un suelo fino, no plástico, adquiere con el anterior tratamiento, una apariencia de hígado, mostrando agua libre en su superficie, mientras se le agita, en tanto que al ser apretado entre los dedos, el agua superficial desaparece y la muestra se endurece, hasta que, finalmente empieza a desmoronarse como un material frágil, al aumentar la presión. Si el contenido de agua de la pastilla es el adecuado, un nuevo agitado hará que los fragmentos, producto del desmoronamiento vuelvan a constituirse.

Cambia su consistencia y con la que el agua aparece y desaparece define la intensidad de la reacción e indica el carácter de los finos del suelo.

5.2.2. Tenacidad

La prueba se realiza sobre un espécimen de consistencia suave, similar a la masilla. Este espécimen sé rola hasta formar un rollito de unos 3 mm. De diámetro aproximado, que se amasa y vuelve a rolar varias veces. Se observa como aumenta la rigidez del rollito a medida que el suelo se acerca al limite plástico. Sobrepasado el limite plástico, los fragmentos en que se parta el rollito se juntan de nuevo y amasan ligeramente entre los dedos, hasta el desmoronamiento final.

5.2.3 Resistencia en estado seco

La resistencia de una muestra de suelo, previamente secado, al romperse bajo presiones ejercidas por los dedos, es un índice del carácter de su fracción coloidal. Los limos exentos de plasticidad, no presentan ninguna resistencia en estado seco y sus muestras se desmoronan con muy poca presión digital. Las arcillas tienen mediana y alta resistencia al desmoronamiento por presión digital.

5.2.4 Color 

En exploraciones de campo el color es un dato útil para diferenciar diferentes estratos y para identificar tipos de suelo, cuando se posea la experiencia necesaria. Como datos se tiene que por ejemplo: el color negro indica la presencia de materia orgánica, los colores claros y brillosos son propios de suelos inorgánicos.

5.2.5 Olor

Los suelos orgánicos tienen por lo general un olor distintivo, que puede usarse para identificación; el olor es particularmente intenso si el suelo esta húmedo, y disminuye con la exposición al aire, aumentando por el contrario, con el calentamiento de la muestra húmeda.

6 Sistemas de Clasificación de suelos

Un Sistema de Clasificación de los Suelos es una agrupación de éstos con características semejantes. El propósito es estimar en forma fácil las propiedades de un suelo por comparación con otros del mismo tipo, cuyas características se conocen. Son tantas las propiedades y combinaciones en los suelos y múltiples los intereses ingenieriles, que las clasificaciones están orientadas al campo de ingeniería para el cual se desarrollaron, por consiguiente, sólo se explicarán las clasificaciones empleadas en obras viales.

6.1 Sistema AASHTO

El Departamento de Caminos Públicos de USA (Bureau of Public Roads) introdujo en 1929 uno de los primeros sistemas de clasificación, para evaluar los suelos sobre los cuales se construían las carreteras. En 1945 fue modificado y a partir de entonces se le conoce como Sistema AASHO y recientemente AASHTO.

Este sistema describe un procedimiento para clasificar suelos en siete grupos, basado en las determinaciones de laboratorio de granulometría, límite líquido e índice de plasticidad. La evaluación en cada grupo se hace mediante un "índice de grupo", el cual se calcula por la fórmula empírica:

IG = (F - 35) (0,2 + 0.005 (Wl - 40)) + 0,01 (F - 15) (IP - 10).

En que:

F = Porcentaje que pasa por 0.08 mm, expresado en números enteros basado solamente en el material que pasa por 80 mm.
Wl = Límite Líquido.
IP = Índice de Plasticidad.

Se informa en números enteros y si es negativo se informa igual a 0.

El grupo de clasificación, incluyendo el índice de grupo, se usa para determinar la calidad relativa de suelos de terraplenes, material de subrasante, subbases y bases. Disponiendo de los resultados de los ensayes requeridos, proceda en la Tabla V.6 de izquierda a derecha y el grupo correcto se encontrará por eliminación. El primer grupo desde la izquierda que satisface los datos de ensaye es la clasificación correcta. Todos los valores límites son enteros, si alguno de los datos es decimal, se debe aproximar al entero más cercano.

El valor del índice de grupo debe ir siempre en paréntesis después del símbolo del grupo, como: A-2-6 (3); A-7-5 ( 17), etc.

Este método define:

• Grava: material que pasa por 80 mm y es retenido en tamiz de 2
• Arena gruesa: material comprendido entre 2 mm y 0.5 mm 
• Arena fina: material comprendido entre 0,5 y 0,08 mm. 
• Limo arcilla: material que pasa por tamiz 0,08 mm.

El término material granular se aplica a aquellos con 35% o menos bajo tamiz 0,08 mm; limoso a los materiales finos que tienen un índice de plasticidad de 10 o menor; y arcilloso se aplica a los materiales finos que tienen índice de plasticidad 11 o mayor. Materiales limo arcilla contienen más del 35% bajo tamiz 0,08 mm.

Cuando se calcula índices de grupo de los subgrupos A-2-6 y A-2-7, use solamente el término del índice de plasticidad de la fórmula.

Cuando el suelo es NP o cuando el límite líquido no puede ser determinado, el índice de grupo se debe considerar (0).

Si un suelo es altamente orgánico (turba) puede ser clasificado como A-8 sólo con una inspección visual, sin considerar el porcentaje bajo 0,08 mm, límite líquido e índice de plasticidad. Generalmente es de color oscuro, fibroso y olor putrefacto.

 Tabla V.6 Sistema de Clasificación AASHTO

6.2 Sistema unificado de clasificación de suelos USCS

El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS) deriva de un sistema desarrollado por A. Casagrande para identificar y agrupar suelos en forma rápida en obras militares durante la guerra.

Este sistema divide los suelos primero en dos grandes grupos, de granos gruesos y de granos finos. Los primeros tienen más del 50 por ciento en peso de granos mayores que 0,08 mm; se representan por el símbolo G si más de la mitad, en peso, de las partículas gruesas son retenidas en tamiz 5 mm, y por el símbolo S sí más de la mitad pasa por tamiz 5 mm.

A la G o a la S se les agrega una segunda letra que describe la graduación: W, buena graduación con poco o ningún fino; P, graduación pobre, uniforme o discontinua con poco o ningún fino; M, que contiene limo o limo y arena; C, que contiene arcilla o arena y arcilla.

Los suelos finos, con más del 50 por ciento bajo tamiz 0,08 mm, se dividen en tres grupos, las arcillas (C), los limos (M) y limos o arcillas orgánicos (O).

Estos símbolos están seguidos por una segunda letra que depende de la magnitud del límite líquido e indica la compresibilidad relativa: L, si el límite líquido es menor a 50 y H, si es mayor.

Para mayor comprensión describiremos el procedimiento de clasificación:

6.2.1 Procedimiento de Clasificación de Suelos de granos gruesos (más de 50% retenido en 0,08 mm)

Una vez efectuados los ensayes de clasificación, determine la distribución acumulativa de los tamaños de las partículas y clasifique la muestra como grava (G), si el 50%, o más de la fracción gruesa (> 0,08 mm) es retenida en tamiz 5 mm, y clasifíquela como arena (S), si más del 50% de la fracción gruesa (> 0,08 mm) pasa por tamiz 5 mm.

Si menos del 5% en peso de la muestra pasa por tamiz 0,08 mm, calcule:

Cu = D60/D10 y Cc = (D30)^2/D10*D60

Clasifique la muestra como grava bien graduada (GW), o arena bien graduada (SW), si C" es mayor que 4 para las gravas y mayor que 6 para las arenas, y CL está comprendido entre 1 y 3.

Clasifique la muestra como grava pobremente graduada (GP), o arena pobremente graduada (SP), si no se satisfacen simultáneamente los criterios de C" y CL para bien graduada.

Si más que el 12%, en peso, de la muestra de ensaye pasa por 0,08 mm, analice los valores del límite líquido (wL) e índice de plasticidad (IP) mediante la línea "A" de la carta de plasticidad).

Clasifique la muestra como grava limosa (GM), o arena limosa (SM), si los resultados de los límites de consistencia muestran que los finos son limosos, es decir, si al dibujar wL versus IP, este punto cae bajo la línea "A" o el IP es menor que 4.

Clasifique la muestra como grava arcillosa (GC), o arena arcillosa (SC), si los finos son arcillosos, es decir, si al dibujar el w, versus IP, cae sobre la línea "A" y el IP es mayor que 7.

Si el punto del límite líquido versus índice de plasticidad cae prácticamente en la línea "A" o está sobre esta línea, pero el índice de plasticidad está comprendido entre 4 y 7, dé clasificación doble tal como GM-GC o SM-SC.

Si pasa por tamiz 0,08 mm del 5 al 12% de la muestra, el suelo llevará clasificación doble, basada en los criterios de graduación y límites de consistencia, tales como GW-GC o SP-SM. En casos dudosos, la regla es favorecer a la clasificación de menos plasticidad. Por ejemplo una grava con 10% de finos, un C" de 20, C~ de 2,0 y un índice de plasticidad de 6, será clasificado como GW-GM en vez de GW-CG.

6.2.2 Procedimiento de clasificación de suelos de granos finos (50% o más pasa por 0,08 mm)

Clasifique el suelo como una arcilla inorgánica (C), si al dibujar el punto del límite líquido versus índice de plasticidad, éste cae sobre la línea "A" y el índice de plasticidad es mayor que 7.
Si el límite líquido es menor que 50 y el punto wL versus IP cae sobre la línea "A" y el IP es mayor que 7, clasifíquela como arcilla inorgánica de baja a media plasticidad (CL), y como arcilla de alta plasticidad (CH) si el Limite Líquido es mayor que 50 y el punto wL versus IP cae sobre la línea A (Carta de plasticidad fig. 5.12). En caso que el límite líquido exceda a 100 o el IP exceda a 60, expanda la carta de plasticidad manteniendo las mismas escalas y pendiente de la línea "A".

 Fig. 5.12 Carta de Plasticidad

Clasifique el suelo como limo inorgánico (M), si al dibujar el punto wL versus IP cae bajo la línea "A" o el IP es menor que 4, a menos que se sospeche que hay materia orgánica presente en cantidades suficientes como para influir en las propiedades del suelo (suelo de color oscuro y olor orgánico cuando está húmedo y tibio), en cuyo caso se debe efectuar un segundo límite líquido con la muestra de ensaye secada al horno a una temperatura de 110 ± 5°C durante 24 horas. Se clasifica como limo o arcilla orgánicos (O), si el límite líquido después del secado al horno, es menor que 75% del límite líquido de la muestra original determinado antes del secado.

Clasifique el suelo como limo inorgánico de baja plasticidad (ML), o como limo o limo arcilla orgánicos de baja plasticidad (OL), si el límite líquido es menor que 50 y al dibujar wL versus IP cae bajo la línea "A" o el IP es menor a 4.

Clasifique el suelo como limo inorgánico de media a alta plasticidad (MH), o como una arcilla u limo arcilla orgánico de media a alta plasticidad (OH), sí el wL. Es mayor que 50 y el punto dibujado de wL versus IP cae bajo la línea "A" o el IP es menor a 4.

Con el fin de indicar sus características de borde, algunos suelos de grano fino deben clasificarse mediante simbología doble. Si el punto dibujado del wL versus IP cae prácticamente en la línea "A" o sobre la línea "A" donde el Índice de Plasticidad tiene un rango de 4 a 7, el suelo debe tener clasificación doble tales como CL-ML o CH-OH. Si el punto dibujado de wL versus IP cae prácticamente en la línea del límite líquido igual a 50, el suelo deberá tener clasificación doble tales como CL-CH o ML-MH.

En casos dudosos la regla de clasificación favorece al más plástico. Por ejemplo, un suelo fino con un w~ = 50 y un índice de plasticidad de 22 se deberá clasificar como CH-MH en lugar de CL-ML.

Este sistema fue adoptado por el U.S. Army Corps of Engineers en 1942 y en 1947 le introdujo algunos límites para evitar doble clasificación. En 1952, el Cuerpo de Ingenieros en conjunto con el Bureau of Reclamation y asesorados por el Dr. Casagrande efectuaron las últimas modificaciones.

Basados en observaciones de terreno y ensayes de Laboratorio de materiales de base para caminos y aeropuertos, el Cuerpo de Ingenieros subdividió los grupos GM y SM en dos grupos, designados por los sufijos "d" y "u", que han sido escogidos para representar a materiales que son convenientes o no, respectivamente, para ser empleados en bases de caminos y aeropuertos. Símbolos típicos son GM, y SM.

Se emplea el sufijo "d" cuando el límite líquido es menor o igual a 25 y el índice de plasticidad menor o igual a 5.

 Tabla V.7 Sistema de Clasificación USCS (a)

 Tabla V.8 Sistema de clasificación USCS (b)

Fuente: http://www.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorio/Pag1.htm