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Desarrollo de un software para la clasificación de suelosDevelopment of software for the classification of soils

Araceli AGUILAR1, Miguel Á. FIGUERAS1, y Luis E. QUEZADA2

1Profesores del Área de Geotecnia, FI-BUAP, Puebla, Pue. México2Estudiante de la carrera de Ingeniería Civil, FI-BUAP, Puebla, Pue. México

RESUMEN: Una de las rutinas más importantes en la actividad geotécnica es la clasificación del material en el cual desplantaremos cualquier obra civil, sabemos que el método más empleado es el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) descrito en la norma ASTM-D2487, mismo que resulta viable para diseñar un programa en un lenguaje versátil que nos permita considerar todas las posibles combinaciones que generan el símbolo de grupo y posteriormente asignarle su nombre de grupo, de tal manera que se agilice la clasificación de un suelo determinado. Esto le permite al profesor brindar al alumno una herramienta que le facilite la comprensión y análisis de ésta.

ABSTRACT: One of the most important routines in geotechnical activity is the classification of the material which will build any civil works, we know that the most used method is the Unified Soil Classification System (USCS) described in ASTM-D2487 standard, same is feasible to design a program in a versatile language that allows us to consider all possible combinations that generate the group symbol and then assign your group name, so that the classification of a given soil is expedited. This allows the teacher to provide students with a tool that will facilitate the understanding and analysis of this.

1 INTRODUCCIÓN

De acuerdo al Modelo Universitario Minerva (MUM) de la Benemérita Universidad Autónoma (BUAP) y a la misión del Programa Educativo de la carrera de Ingeniería Civil que se imparte en la Facultad de Ingeniería, promover la aplicación innovadora del conocimiento a través de los laboratorios y el empleo de la tecnología, es una prioridad en el proceso enseñanza-aprendizaje. Además entre sus objetivos curriculares, los alumnos deberán "desarrollar sus capacidades y habilidades para que puedan proponer soluciones ya sea manualmente o bien, empleando las herramientas tecnológicas actuales".

En la asignatura de Mecánica de Suelos I con laboratorio, se incluye el tema de Clasificación de suelos, el cual es primordial para el que se inicia en el área de geotecnia.

El objetivo de este trabajo es presentar un software que se desarrolló durante el periodo de verano 2014, éste permite obtener la clasificación de suelos. Su uso nos permitirá analizar y sistematizar el aprendizaje del tema a través de las herramientas computacionales, así como una retroalimentación de los conceptos vistos en clase.

2 SISTEMAS DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS

En campo se encuentra una variedad de suelos que, dependiendo del lugar y de la profundidad en la que

se formaron variaran sus características. Es por ello importante determinar el tipo de suelo para conocer sus principales características y a partir de esta información tomar decisiones adecuadas en el momento del diseño de la obra.

Los suelos con propiedades similares se pueden clasificar en grupos y subgrupos de acuerdo a sus características mecánicas y su comportamiento.

Los sistemas de clasificación se usan como un lenguaje común para describir de forma concreta las características generales de los suelos, las cuales pueden varían de uno a otro. Actualmente son dos los sistemas de clasificación que se emplean en las aplicaciones ingenieriles, donde se requiere de la distribución granulométrica y la plasticidad de los suelos, estos sistemas son el American Association of State Highway Transportation Officials (AASHTO) y el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS).

El sistema más común para la clasificación de suelos empleado en la ingeniería de cimentaciones, es sin duda el SUCS, descrito en la norma ASTM D-2487 Standard Practice for Classification of Soils for Engineering Purposes (Unified Soil Classification System).

2.1 Descripción del SUCSEl Sistema Unificado de Clasificación de Suelos al clasificar un suelo le proporciona un nombre de gru-po que lo describe genéricamente, junto con el sím-

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

2 Título del trabajo

bolo del grupo respectivo. Dicho símbolo de grupo consiste en un prefijo que designa la composición del suelo (grueso o fino) y un sufijo que enfatiza sus propiedades (graduación y plasticidad). En la Tabla 1 se muestran los símbolos de grupo y su significa-ción.

Con la combinación de estos símbolos se pueden obtener diferentes tipos de suelo, en la Tabla 2 se presentan todos los grupos, en la tipología expuesta pueden existir casos fronteras, empleándose una do-ble nomenclatura; por ejemplo, una grava bien gra-

duada que contenga entre un 5% y un 12% de finos no plásticos se clasificará como GW – GM.

Tabla 1. Símbolos de grupo y subgrupo del SUCS.Tipo de suelo Prefijo Subgrupo Sufijo

GravaArenaLimoArcillaOrgánicoTurba

GAMCOPT

Bien graduadoMal graduadoLimosoArcillosoAlta compresibilidadBaja compresibilidad

WPMCHL

Tabla 2. Carta de clasificación de suelos (ASTM, 2006).

Criterios para asignar símbolos y nombres de grupo utilizando pruebas de laboratorioa

Clasificación del sueloSímbolo de grupo Nombre de grupob

Suelos de grano grueso

Más de 50% retenido en la malla no. 200

GravasMás de 50% de la fraccióngruesa retenida en la mallano. 4

Gravas limpiasMenos de 5% finosc

Cu ≥ 4 y 1 ≤ Cc ≤ 3e GW Grava bien graduadaf

Cu < 4 y/o 1 > Cc > 3e GP Grava mal graduadaf

Gravas con finosMás de 12% finosc

Los finos se clasifican como ML o MH GM Grava limosaf, g, h

Los finos se clasifican como CL o CH GC Grava arcillosaf, g, h

Arenas50% o más de la fraccióngruesas pasa la mallano. 4

Arenas limpiasMenos de 5% finosd

Cu ≥ 6 y 1 ≤ Cc ≤ 3e SW Arena bien graduadaf

Cu < 6 y/o 1 > Cc > 3e SP Arena mal graduadaf

Arenas con finosMás de 12% finosd

Los finos se clasifican como ML o MH SM Arena limosaf, g, h

Los finos se clasifican como CL o CH SC Arena arcillosaf, g, h

Suelos de grano fino

50% o más pasa la malla no. 200

Limos y arcillasLímite menor que 50%

Inorgánicos

IP >7 y se encuentra en o arriba de la línea “A”j CL Arcilla de baja compresibilidadk, l, m

IP < 4 y se encuentra debajo de la línea “A” j ML Limos de baja compresibilidadk, l, m

Orgánicoslímitelíquido sec adolímite líquidono sec ado

<0 .75 OL Arcilla orgánica

Limos y arcillasLímite 50% o mayor

InorgánicosIP se encuentra en o arriba de la línea “A” CH Arcilla de alta compresibilidadk, l, m, n

IP se encuentra debajo de la línea “A” MH Limos de alta compresibilidadk, l, m, n

Orgánicoslímite líquido sec adolímite líquidono sec ado

<0 .75 OH Arcilla orgánicak, l, m, p

Limo orgánicok, l, m,

Suelos altamente orgánicos

Principalmente materia orgánica, de color oscuro y olor orgánico PT Turba

aCon base en el material que pasa la malla de 3”bSi la muestra de campo contenía cantos rodados o piedra bola, o ambos, agregue “con cantos rodados o piedra bola, o ambos” al nombre de grupocGravas con 5 a 12% de finos requieren símbolos dobles: grava bien graduada con limo, GW-GM; grava bien graduada con arcilla, GW-GC; grava mal graduada con limo, GP-GM; grava mal graduada con arcilla, GP-GCdArenas con 5 a 12% de finos requieren símbolos dobles: grava bien graduada con limo, SW-SM; grava bien graduada con arcilla, SW-SC; grava mal graduada con limo, SP-SM; grava mal graduada con arcilla, SP-SC

eCu=

D60D10

Cc=(D30 )2

D10⋅D60fSi el suelo contiene ≥ 15% de arena, agregue “con arena” al nombre de grupogSi los finos se clasifican como CL-ML, utilice el símbolo doble GC-GM o SC-SMhSi los finos son orgánicos, agregue “con finos orgánicos” al nombre de grupoiSi el suelo contiene ≥ 15% de grava, agregue “con grava” al nombre de grupojSi los límites de Atterberg se encuentran en el área sombreada, el suelo es una arcilla limosa, CL-MLkSi el suelo contiene 15 a 29% más la malla no. 200, agregue “con arena” o con grava”, lo que predominelSi el suelo contiene ≥ 30% más la malla no. 200, predominantemente arena agregue “arenoso” al nombre de grupomSi el suelo contiene ≥ 30% más la malla no. 200, predominantemente grava agregue “gravoso” al nombre de gruponSi IP ≥ 4 y se encuentra en o arriba de la línea “A”oSi IP < 4 y se encuentra debajo de la línea “A”pSi IP se encuentra en o arriba de la línea “A”qSi IP se encuentra debajo de la línea “A”

Como puede observarse en la Tabla 2, existe una clara distinción entre tres grandes grupos de suelos:

- Suelos de grano grueso (G y S), formados por gravas y arenas con menos del 50% de finos.


(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 3

- Suelos de grano fino (M y C) formados por suelos con al menos un 50 % de contenido en limos y arcillas.

- Suelos orgánicos (O y PT), constituidos principalmente por materia orgánica.

Los suelos de grano fino se ubican en una gráfica que relaciona el límite líquido con el índice de plasticidad, ésta es conocida como la carta de plasticidad. La información que proporciona es de gran utilidad y es la base para la clasificación de los suelos de grano fino y la fracción fina en los suelos de grano grueso en el SUCS. En esta carta una línea empírica “línea A” separa las arcillas inorgánicas de los limos y de los suelos orgánicos; aunque los limos y los orgánicos comparten las mismas áreas, estos pueden ser fácilmente diferenciables por inspección visual, los orgánicos son de color oscuro, presentan materia orgánica y tienen un olor característico. Los suelos que tienen un límite líquido (LL) mayor del 50% se consideran de alta compresibilidad y los suelos con LL menor al 50% son de baja compresibilidad. En la figura 1 se muestra la carta de plasticidad, en la cual se observan las zonas para los subgrupos que corresponden a los suelos finos de acuerdo a las características de plasticidad.

Figura 1. Carta de plasticidad.

El método del SUCS, requiere información sobre algunas características del suelo a clasificar. Esta información se obtiene a partir de dos pruebas de laboratorio normadas por la ASTM International, las pruebas son el análisis granulométrico y los límites de consistencia (líquido, plástico e índice plástico), los cuales permiten obtener la distribución de tamaños de las partículas del suelo y los contenidos de agua de frontera entre los diferentes estados de consistencia.

3 PROGRAMA PROCLASS20143.1 Características generalesProClass2014 es un programa que permite clasificar el suelo con base en el SUCS. Puede obtener todas

las combinaciones posibles del símbolo de grupo que son definidas por la norma ASTM D-2487, trabaja con el mínimo de datos necesarios. Estos datos son los resultados del análisis granulométrico y límites de consistencia obtenidos del laboratorio. El programa está codificado en lenguaje “Visual Basic” 6.0.

3.2 Requerimientos del sistema e instalaciónPara garantizar el correcto funcionamiento del pro-grama, se recomiendan las siguientes características mínimas:

- Sistema operativo Windows XP o superior- Sistema operativo de 32 o 64 bits- Memoria RAM de 500MB o superiorAntes de la instalación de ProClass2014, se

deben cerrar todas las aplicaciones, para empezar ubicar el directorio donde se encuentre la carpeta “Instalador”, la cual contiene entre otros, el archivo ejecutable setup y dar doble clic en él. Inmediatamente se iniciará la instalación del programa, por default se instala en la carpeta “program files”, si el usuario desea puede cambiar el directorio, especificando la ruta (Figura 2).

Figura 2. Ubicación del archivo ejecutable para la instalación del programa.

3.3 Inicio, conformación y uso del programaPara iniciar el programa ProClass, se debe dar clic en el ícono del programa, localizado en el menú de Inicio o en el directorio donde se instaló. Inmediata-mente aparecerá la ventana que presenta el progra-ma y muestra el logo de nuestra Facultad; nombre, versión y logo del programa; créditos, etc. como se observa en la Figura 3; a continuación se despliega la ventana principal, en la cual se deberá seleccionar el tipo de análisis que se desea (Figura 4).



Figura 3. Ejecución y presentación del programa.

Figura 4. Ventana principal de ProClass.

ProClass permite realizar la clasificación a partir de: a) porcentajes retenidos y b) de masas. En el primer caso se deberá conocer los retenidos de las mallas no. 4 y 200, los límites de consistencia o los coeficientes de graduación; mientras que para el segundo, requerimos las masas retenidas en las mallas y las masas tanto húmedas como secas. Con estos datos, el programa previo a la clasificación realizará el análisis granulométrico (determinación de retenidos, curva granulométrica y coeficientes de graduación), así como la cuantificación de los contenidos de agua, para definir el límite líquido y plástico.

En ambos casos el programa calcula el porcentaje de finos (F) y dependiendo del valor de éste, solicitará los datos necesarios para clasificar el suelo. Cabe mencionar que si el porcentaje de finos es significante para la clasificación, el programa

preguntará si el suelo contiene materia orgánica para clasificarlo como un suelo orgánico.

3.3.1Opción: A partir de porcentajes retenidosPara clasificar el suelo conociendo los porcentajes retenidos, deberá dar clic en el botón “A partir de porcentajes retenidos”, la ventana que aparece en esta selección (Figura 5a), contiene tres solapas, en la primera ‘Porcentajes retenidos’ el programa requerirá los valores de los porcentajes retenidos en las mallas No. 4 y 200 (R 4 y R 200), después de introducir los valores y dar clic en el botón “Continuar”, se activará la segunda solapa que de acuerdo al porcentaje de finos, será el encabezando de ésta, presentándose los siguientes casos:- Si F < 5%, se activa la solapa ‘Graduación’ (Figura 5b) y pedirá sólo el coeficiente de uniformidad (Cu) y coeficiente de curvatura (Cc).- Si F > 12%, la solapa activada será ‘Límites de consistencia’ (Figura 5c) para introducir el límite líquido (LL) y límite plástico (LP).- Si 5% ≤ F ≤ 12%, la solapa será ´Graduación y consistencia´ y se deberán introducir Cu, Cc, LL y LP (Figura 5d).

Al terminar de ingresar los datos de acuerdo al caso que se presente, dar clic en el botón “Continuar”, el programa mostrará en la tercera solapa ´Clasificación SUCS´, la clasificación del suelo con el símbolo y nombre de grupo, además nos dará un resumen de las características del suelo (fracciones de grava, arena y finos; características de graduación y/o consistencia según el tipo de suelo).

Una vez terminada la clasificación, el programa permite realizar un nuevo análisis o regresar al menú principal.

3.3.2Opción: A partir masasPara clasificar el suelo a partir de las masas parcialmente retenidas, masas húmedas y secas, dar clic en el botón “A partir de masa”, esta selección mostrará una ventana para realizar el análisis granulométrico del suelo, la cual contiene tres solapas, en la primera ‘Masa de la Muestra’ se deberá indicar la masa total de la muestra en gramos (figura 6a) y al dar clic en el botón “Continuar”, pasará a la solapa ‘Masas Retenidas’, donde se introducirá la masa retenida en cada malla (Figura 6b). En caso de que en alguna malla no se haya retenido material, se deberá teclear 0 (cero). Al dar clic en el botón “Continuar”, aparecerá la siguiente solapa que de acuerdo al porcentaje de finos, será el encabezando de ésta, presentándose alguno de los siguientes casos:- Si F < 5%, se activa la ventana Curva de distribución granulométrica (Figura 6c), en la cual para ver el trazo la curva granulométrica del suelo, deberá dar clic en el botón “Graficar”, y leer los



diámetros 10, 30 y 60, introducirlos en los espacios respectivos, y al momento de dar clic en “Continuar” se activa la solapa ‘Graduación’ en la cual aparecen los valores calculados para el Cu y Cc (Figura 5d).- Si F > 12%, la ventana activada será Límites de consistencia (Figura 6e), la cual contiene tres solapas ‘límite líquido’, ‘límite plástico’, ‘carta de plasticidad’, en las dos primeras se elegirá el número de prueba realizadas en laboratorio, a partir de éste se despliega una tabla con los espacios necesarios para introducir las masas húmedas y secas; número de golpes del ensaye de Casagrande, con estos datos el programa calculará contenidos de agua, los cuales podrá observar al momento de hacer clic en el botón “Calcular W”. Al dar clic en el botón “Continuar” se activa la solapa ‘Carta de plasticidad’, en la cual en la parte inferior se muestran los valores calculados para el límite líquido, plástico y el índice plástico, el usuario podrá ver la carta de plasticidad en la cual se ubica el suelo de acuerdo a los valores calculados (Figura 6f).- Si 5% ≤ F ≤ 12%, aparece la ventara Límites de consistencia y coeficientes de graduación, la cual contiene cuatro solapas: ‘limite líquido’, ‘limite plástico’, ‘carta de plasticidad’, ‘coeficientes de graduación’; en cada una de ellas hay que introducir los valores de manera similar a los casos anteriores para definir las características necesarias para la clasificación (Figura 6g).

Después de haber ingresado los datos de acuerdo al caso que se presente, y dar clic en el botón “Continuar”, se mostrará la solapa ´Clasificación SUCS´, la cual presenta la clasificación del suelo con su respectivo símbolo y nombre de grupo, además de resumir las características del suelo: porcentaje de grava, arena y finos; coeficientes de graduación y/o límites de consistencia según el tipo de suelo (Figura 6i).

Una vez terminada la clasificación, el programa permite realizar un nuevo análisis o regresar al menú principal.

4 EJEMPLOSSe realizaron varias corridas del programa para evaluar su funcionalidad, a continuación se presentan dos ejemplos con la finalidad de mostrar la entrada de datos que solicita el programa y los resultados que genera para llegar a la clasificación del suelo.

Figura 5. Ingreso de datos al programa según el tipo de suelo, en la opción “a partir de porcentajes retenidos”.

Figura 6. Ingreso de datos al programa según el tipo de suelo, con la opción “a partir de masas”.

4.1 Ejemplo 1. Suelo grueso, sin finosPara este ejemplo se seleccionó la opción “a partir de porcentajes retenidos”. Los datos conocidos se muestran en la Tabla 3.

Tabla 3. Datos para ingresar al programa.

SueloPorcentaje retenido

LL LP Cu CuNo. 4 No. 200

1 23.5 97.3 - - 8.77 1.42Los valores iniciales que se deberán introducir

son los porcentajes retenidos en las mallas no. 4 y 200. Como se tiene que R 200 es el 97.3%, el porcentaje de finos es el 2.7% (que es menor del 5%), lo que significa que el material es de grano grueso (grava o arena) limpio de finos, por lo que



será suficiente para el programa que se le indique sólo las características de graduación (Cu y Cc), con estos datos el programa determina las fracciones de grava y arena, para asignar el símbolo de grupo después de revisar los criterios que se cumplen de acuerdo a la Tabla 2. En la figura 7 se presentan las ventanas en las cuales se observan los datos de entrada y salida.

Figura 7. Ventanas de ProClass que muestran el ingreso de datos y la clasificación del suelo del ejemplo 1.

4.2 Ejemplo 2. Suelo con doble símboloPara este ejemplo se seleccionó la opción “a partir de masas”. Los datos que se deberán introducir son los resultados obtenidos del laboratorio de las pruebas de granulometría y límites de consistencia. La masa de la muestra ensayada fue de 3050 g, los retenidos en cada malla que se introdujeron se muestran en la Figura 8. El programa calculó las fracciones de grava del 87.91%, arena del 5.52% y fino del 6.57%, como el porcentaje de finos está entre el 5 y 12%, por lo que le asignará un doble símbolo; será necesario indicar las masas secas y húmedas (Figura 9) para que el programa calcule los límites de consistencia, a partir de la curva de distribución se leen los valores de diámetros 10, 30 y

60 (Figura 10) para que el programa defina el Cc y Cu. Finalmente con los datos anteriormente calculados, después de revisar criterios, presenta la clasificación (Figura 11).

Figura 8. Ventana de ProClass que muestran el ingreso de las masas retenidas en las mallas.

Figura 9. Ventana de ProClass que muestra el ingreso de la masa húmeda y seca para calcular contenidos de agua para definir el límite líquido y plástico.



Figura 10. Ventana de ProClass que muestra la curva de distribución granulométrica y lectura de los diámetros para el cálculo de coeficientes de graduación.

Figura 11. Ventana de ProClass que muestra la clasificación del suelo.

CONCLUSIONES

ProClass es un programa que permite clasificar a los suelos de acuerdo al Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, el cual pretende ser una herramienta de gran utilidad en el proceso enseñanza – aprendizaje para el estudiante en la asignatura de Mecánica de suelos I.

El ambiente del programa es muy accesible, lo que permite su rápido y fácil manejo para que el alumno genere sus propias conclusiones en cuanto a la clasificación de suelos.

REFERENCIAS

ASTM D4318. “Standard Test Methods for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity Index of Soils”

ASTM D422–63. “Standard Test Method for Particle-Size Analysis of Soils”

ASTM D2487–06. “Standard Practice for Classification of Soils for Engineering Purposes (Unified Soil Classification System)”

Das, B. M. (2002). “Soil mechanics laboratory manual”. United States of America: New York Oxford

Das, B. M. (2006). “Principles of geotechnical engineering”. Fifth edition


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