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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICA

LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS

GUÍA ACADÉMICA DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE

MECÁNICA DE SUELOS 1

2009 - 2010

REGLAMENTO INTERNO DEL LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS

1. Las prácticas en el laboratorio se realizarán a la hora y día indicados, en los horarios y con los

respectivos profesores. Luego de iniciada la práctica no podrá ingresar ningún estudiante. 2. Se tomará lista al comienzo de la clase y si el profesor o el ayudante de cátedra lo creyeran

pertinente, se tomará lista en el transcurso de la práctica o al final de la misma. Si el estudiante no estuviese presente se le anulará la asistencia y consecuentemente no se receptará el informe correspondiente.

3. Para la ejecución de la práctica, se deberá retirar los equipos previa presentación del carné o

cualquier documento que lo identifique y que sea perteneciente al estudiante del grupo que vaya a retirar el mencionado equipo.

4. Cualquier desperfecto en los equipos que ocurra en el transcurso de la práctica, por defectuosa

utilización del mismo, deberá ser reparado por los integrantes del grupo: en caso de no existir arreglo se devolverá al laboratorio un equipo nuevo, de igual calidad.

5. Una vez terminada la práctica, cada grupo deberá dejar la mesa completamente limpia y

arreglada y los equipos deberán ser devueltos correctamente lavados. El bodeguero comprobará el buen estado del equipo y procederá a la entrega del documento respectivo. Caso contrario quedará detenido el documento y consecuentemente no se enviarán las calificaciones del grupo al profesor correspondiente, hasta cuando se arregle el equipo dañado.

6. El trabajo adicional que se requiera realizar en la práctica (como por ejemplo la medición de

pesos secos), se lo hará al día siguiente de ejecutada la práctica entre las 14:00 y las 15:30 horas. En caso de que no se hagan las mediciones respectivas en el día y horas señaladas, el laboratorio desechará las muestras e indicará al ayudante respectivo el grupo al que pertenecen las muestras para que según su criterio califique o anule el informe respectivo.

7. Los informes de las prácticas se realizarán de la forma como se indica en el anexo

“Presentación del Informe de Práctica” y presentados a los ocho días a partir de la fecha en que se realizó la práctica. En el eventual caso de que el profesor disponga otra fecha de entrega se deberá respetar esta disposición. La hora de entrega será la indicada en el horario como inicio de la práctica.

8. Los informes serán recibidos, única y exclusivamente en la Dirección de este Laboratorio. 9. No se recibirá ningún informe atrasado, salvo que exista autorización escrita del profesor,

previa la justificación correspondiente. 10. Los informes calificados serán devueltos a los ocho días después de ser presentados. 11. En caso de que el estudiante no tenga asistencia a la práctica no tendrá derecho a presentar su

informe, por lo que anulará cualquier informe presentado sin su debida justificación. 12. Para la realización de una práctica no efectuada oportunamente, se dirigirá una solicitud a la

Dirección del Laboratorio, presentando una de las justificaciones establecidas en el reglamento de la Facultad, hasta ocho días después de su ejecución. De acuerdo a las disponibilidades del laboratorio, la Dirección autorizará la realización de la práctica atrasada e indicará el día y la hora respectiva. En caso de que no se disponga de material, equipo o personal en el laboratorio, la Dirección tendrá la facultad de negar la solicitud.

13. Se receptará cualquier reclamo hasta ocho días después de ser devueltos los informes, para lo

cual el estudiante deberá presentar el informe motivo del reclamo; pasado este tiempo no se aceptará ningún reclamo.

I

ANEXO PRESENTACIÓN DEL INFORME DE PRÁCTICAS

1. NORMAS

1.1. Los informes deben presentarse en una carpeta de cartulina, debidamente engrapados. 1.2. La carpeta en el lado inferior derecho debe contener la siguiente información: Título de la

práctica, nombre del estudiante, curso, paralelo, grupo y número del informe.

1.3. Los informes deben presentarse en papel blanco, tamaño regularizado por el INEN, formato A4.

1.4. Los datos y resultados deben presentarse correctamente tabulados.

1.5. Las hojas deben ir numeradas en la parte derecha con dos números: el primero que indica

el número de orden de la hoja y el segundo el número total de hojas del informe.

1.6. Los informes deben ser completos en su contenido.

1.7. Los informes deben presentarse limpios, con ortografía y construcción gramatical correctos.

1.8. Los informes deben incluir obligatoriamente los siguientes puntos que aparecerán como

títulos de párrafos del informe. Cada uno de estos puntos serán calificados de acuerdo al porcentaje que se indica.

2. ORDEN

2.1. Hoja en blanco para calificaciones y observaciones del Profesor o Ayudante de Cátedra. 2.2. Hoja de título que contendrá la siguiente información: Universidad, Facultad, Escuela,

Materia, Nombre de la Práctica, nombre del estudiante, curso, paralelo, grupo, fecha de ejecución, fecha de entrega.

NOTA: Cualquier omisión de uno de estos datos, representará disminución de puntos, inclusive lo mencionado en el numeral 1.1.

2.3. INTRODUCCIÓN: (5%)

Presentar una descripción general de los aspectos relacionados al tema; proveer información necesaria para la comprensión del contenido del informe.

2.4. OBJETIVOS: (5%)

Se deberá indicar el o los objetivos a los cuales se desea llegar con la realización de la práctica.

2.5. REALIZACIÓN Y EQUIPO: (10%)

El alumno en forma breve y concisa debe describir el procedimiento utilizado para la realización de la práctica, además deberá enumerar todo el equipo y material empleado en la ejecución del mismo. NOTA: No incluir instructivos del laboratorio.

2.6. CODIFICACIÓN DE DATOS, DIBUJO DE DIAGRAMAS Y RESULTADOS: (20%)

Deben llenarse correctamente todos los formularios referentes a la práctica, que se hayan entregado en el laboratorio. Los datos numéricos deben ser consistentes en las cifras significativas, guardando uniformidad en sus cifras decimales.

II

Los diagramas se realizarán con los datos obtenidos en el ensayo; estos se consignarán en los respectivos formularios del instructivo y en caso de que se requiera de hojas adicionales, se deberá usar hojas de papel milimetrado y/o semilogarítmico. Los dibujos deben ser hechos a tinta. Las curvas deben ser trazadas con líneas finas y definidas. Cuando existan varias curvas deben identificarse utilizando diferentes trazos o colores. La(s) escala(s) utilizada(s) para graficar los diagramas deben constar en la hoja respectiva. NOTA: Si los datos están mal codificados y por ende los diagramas mal efectuados, este error incidirá en la calificación de las conclusiones.

2.7. FORMULAS Y CÁLCULOS TÍPICOS: (10%)

Se deberá describir en forma clara y precisa cómo se obtuvieron los resultados, incluyendo todas las fórmulas que se usaron para el efecto.

2.8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES: (35%)

El alumno debe tratar en este punto lo referente a: Comentarios sobre la práctica en cuanto a dificultades, mejoras, inexactitudes y

cualquier otro aspecto de la parte mecánica de la misma. Análisis de los resultados, ubicándolos sobre todo como características peculiares o

no de los suelos ensayados; verificando si los valores numéricos obtenidos están en concordancia con el tipo de suelo investigado, para lo cual debe recurrir a los autores especializados, o explicando las posibles causas del error, si hubiera resultados inesperados.

Se deberá dar espacial énfasis a la comparación de los resultados entre sí y con los suelos típicos del país.

NOTA: La opinión de cada estudiante será personal, pues no interesa la opinión colectiva del grupo.

2.9. BIBLIOGRAFÍA Y PRESENTACIÓN: (5%)

Enumerar las diferentes fuentes de consulta que se tuvo para elaborar el informe. Se verificará conceptos extraídos de textos.

CAUSAS PARA LA ANULACIÓN DE UN INFORME 1. Informe presentado por el estudiante sin su respectiva asistencia a la práctica. 2. Ausencia del estudiante antes de haber finalizado la práctica. 3. Copias textuales de otros informes, incluyendo informes de estudiantes pertenecientes al

mismo grupo. 4. Informe no presentado en el plazo establecido, salvo autorización del correspondiente profesor

de la práctica.

III

MECÁNICA DE SUELOS 1

PRÁCTICAS DE LABORATORIO

PRIMER TRIMESTRE PRÁCTICA #1:

TOMA DE MUESTRAS EN EL CAMPO (1 semana) Clases de muestras de acuerdo al objetivo y al método de extracción. Toma de muestras “alteradas”, toma de muestras “inalteradas”. Práctica en el campo. PRÁCTICA #2:

IDENTIFICACIÓN, DESCRIPCIÓN Y DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD EN SUELOS (1 semana) Identificación y descripción detallada de cada una de las muestras de suelo entregadas al grupo. Ensayo de humedad con dos pruebas para cada muestra. Uso de cuatro muestras como mínimo. PRÁCTICA #3:

PESOS ESPECÍFICOS Y RELACIONES FUNDAMENTALES (1 semana) Métodos para determinar el peso y el volumen de diferentes clases de suelos. Determinación en el laboratorio de las relaciones fundamentales: relación de vacíos, porosidad y saturación. Comparación de resultados. Uso de seis muestras: suelos cohesivos de volumen regular y volumen irregular: suelos no cohesivos. PRÁCTICA #4:

PESO ESPECÍFICO DE LOS SÓLIDOS (1 semana) Determinación del volumen por desplazamiento de agua en el picnómetro. Eliminación del aire por ebullición o por vacío. Evaluación de los resultados obtenidos. Uso de una muestra de suelo fino. PRÁCTICA #5:

GRANULOMETRÍA (1 semana) Método seco y método del lavado. Cálculo del peso inicial. Determinación del peso seco inicial. Particularidades del ensayo en suelos. Uso de dos muestras: arena y limo arenoso. PRÁCTICA #6:

LÍMITE LÍQUIDO Y LÍMITE PLÁSTICO (1 semana) Ensayo de límite líquido con cinco puntos como mínimo. Ensayo de límite plástico con tres intentos como mínimo fijación de procedimientos de ensayo. Cálculo de índices de plasticidad. Uso de una muestra: limo arcilloso. PRÁCTICA #7:

LÍMITE DE CONTRACCIÓN (1 semana) Repetición de límite líquido y límite plástico en un suelo. Método de laboratorio para determinar el límite de contracción. Uso de un suelo: de mediana contracción. TOTAL PRIMER TRIMESTRE = SIETE SEMANAS SEGUNDO TRIMESTRE PRÁCTICA #8:

CLASIFICACIÓN SUCS (1 semana) Descripción y empleo de las propiedades utilizables según el procedimiento manual-visual. Dilatancia, tenacidad, dureza seca. Secuencia para llegar a la clasificación. Uso de tres suelos típicos de comportamiento extremo para fijar los procedimientos y los resultados.

IV

PRÁCTICA #9:

CLASIFICACIÓN SUCS (1 semana) Aplicación de los métodos conocidos a siete suelos diferentes y conocimiento de casos particulares. La clasificación como auxiliar en el conocimiento del comportamiento del suelo. PRÁCTICA #10:

ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR (1 semana) Mecanismo de ensayo. Ejecución del ensayo, obtención de N. descripción de muestras. Relación de N con parámetros de resistencia y compresibilidad. Limitaciones del ensayo. PRÁCTICA #11:

PERMEABILIDAD (1 semana) Uso del permeámetro de carga constante en suelos permeables y del permeámetro de carga variable en suelos poco permeables. Determinación del coeficiente de permeabilidad. Inexactitudes del ensayo; arena limpia y arena limosa. PRÁCTICA #12:

COMPACTACIÓN (1 semana) Fundamentos teóricos, métodos de compactación, diferentes ensayos, normas. Usos. Equipos de compactación. Realización del ensayo con un suelo fino. TOTAL SEGUNDO TRIMESTRE = SEIS SEMANAS TERCER TRIMESTRE PRÁCTICA #13:

DENSIDAD DE CAMPO (1 semana) Ensayo con el cono de arena o con el aparato volumétrico, de acuerdo al tipo de suelo. Comparación con los datos del ensayo de compactación. PRÁCTICA #14:

CONSOLIDACIÓN (3 semanas) El ensayo de consolidación; curvas de consolidación, curva de compresibilidad, determinación de parámetros. El ensayo se realiza con cinco estados de carga en una muestra compresible. La última clase de esta práctica será dedicada exclusivamente a cálculos del ensayo y elaboración del informe. PRÁCTICA #15:

ENSAYO DE EXPANSIÓN (1 semana) Ejecución del ensayo en una muestra remoldeada o inalterada de suelo arcilloso. Explicación de los conceptos de hinchamiento libre y presión de expansión. Dibujo de curvas y obtención de parámetros. PRÁCTICA #16:

CORTE DIRECTO (1 semana) Realización del ensayo en una arena suelta. Método y limitaciones. Dibujo de curvas y determinación de parámetros de resistencia. Validez del ensayo. PRÁCTICA #17:

COMPRESIÓN NO CONFINADA (1 semana) Ejecución del ensayo en una muestra remoldeada de suelo arcilloso. Explicación del método y funcionamiento del equipo. Similitud del ensayo de compresión en hormigón. Dibujo de curvas y determinación de parámetros. Concepto de sensibilidad.

V

PRÁCTICA #18: ENSAYO TRIAXIAL (1 semana) Explicación del mecanismo y formas de realizar el ensayo. Ejecución del ensayo en una muestra “cohesiva-friccionante”. Dibujo de curvas y determinación de parámetros de resistencia. TOTAL TERCER TRIMESTRE = SIETE SEMANAS

VI

SÍMBOLOS, UNIDADES Y TÉRMINOS BÁSICOS

SÍMBOLO UNIDAD TERMINO av cm.s2/Kg Coeficiente de compresibilidad B m Ancho de la cimentación Cc 1 Índice de compresión Cr 1 Índice de recompresión Cs 1 Índice de esponjamiento CU 1 Coeficiente de uniformidad CV cm2/s Coeficiente de consolidación c Kg/cm2 Cohesión cc 1 Coeficiente de curvatura cu Kg/cm2 Cohesión aparente D mm Diámetro de la partícula

D10, D30, D60 mm Diámetro de las partículas que corresponden al 10, 30 y 60% que pasan, en la curva granulométrica

Ee Kg.cm/cm3 Energía específica E Kg/cm2 Módulo de elasticidad del suelo e 1 Relación de vacíos

Gc % Grado de Compactación h cm Carga hidráulica Ic 1 Índice de consistencia If 1 Índice de flujo IG 1 Índice de grupo IL 1 Índice de liquidez IP % Índice de plasticidad IT 1 Índice de tenacidad i 1 Gradiente hidráulico k Cm/s Coeficiente de permeabilidad Ls % Contracción lineal mv cm.s2/Kg Coeficiente de variación volumétrica N - Número de golpes S. P. T. n % Porosidad P Kg Carga Axial Q m3/s Caudal o descarga q Kg/cm2 Esfuerzo axial aplicado qu Kg/cm2 Esfuerzo máximo de falla a la compresión no

confinada Rc 1 Relación de contracción Ss 1 Peso unitario relativo de las partículas sólidas Sr % Grado de Saturación T Kg Fuerza de corte V cm3 Volumen total del suelo Va cm3 Volumen del aire Vs % Contracción volumétrica Vi cm3 Volumen inicial Vf cm3 Volumen final Vs cm3 Volumen de sólidos Vv cm3 Volumen de vacíos Vw cm3 Volumen de agua v cm/s Velocidad de descarga W g Peso total del suelo Wa g Peso del aire (considerado nulo) Ws g Peso de las partículas sólidas Ww g Peso del agua w % Contenido de agua o humedad wN % Contenido natural de agua wC % Límite de contracción wL % Límite líquido wp % Límite plástico

VII

w0 % Contenido óptimo de agua γ0 g/cm3 Peso unitario del agua destilada 4ºC de

temperatura γa g/cm3 Peso unitario del aire

γw g/cm3 Peso unitario del agua

γ g/cm3 Peso unitario de la masa de suelo

γd g/cm3 Peso unitario del suelo seco

γdmax g/cm3 Peso unitario máximo del suelo seco

γs g/cm3 Peso unitario de las partículas sólidas

ε 1 Deformación lineal unitaria, coeficiente térmico de expansión volumétrica

η g.s/cm2 Viscosidad dinámica del agua ∆σ Kg/cm2 Esfuerzo desviador ∆σf Kg/cm2 Esfuerzo desviador de falla σ Kg/cm2 Esfuerzo normal

σ1, σ2, σ3 Kg/cm2 Esfuerzos principales σ’p Kg/cm2 Presión de preconsolidación τ Kg/cm2 Esfuerzo cortante τ f Kg/cm2 Resistencia al esfuerzo cortante τ max Kg/cm2 Resistencia máxima al esfuerzo cortante

ø º Ángulo de fricción interna

VIII

ÍNDICE PÁGINA

CAPITULO 1 OBTENCIÓN DE MUESTRAS DE SUELO 1 1.1. Introducción 1 1.2. Tipos de muestras y sus usos 1 1.3. Obtención de muestras alteradas 1 1.4. Proceso de cuarteo 3 1.5. Obtención de muestras inalteradas 6 1.6. Identificación de las muestras 11 CAPITULO 2 RELACIONES FUNDAMENTALES DE LOS SUELOS 13 2.1. Introducción 13 2.2. Contenido de agua o humedad 15 2.3. Peso unitario de los suelos 19 2.4. Determinación de las relaciones fundamentales 24 2.5. Peso unitario de las partículas sólidas 28 CAPITULO 3 GRANULOMETRÍA DE LOS SUELOS 36 3.1. Introducción 36 3.2. Granulometría por tamizado 36 3.3. Granulometría por hidrómetro 43 3.4. Granulometría combinada 51 CAPITULO 4 CONSISTENCIA DE LOS SUELOS 55 4.1. Introducción 55 4.2. Preparación de las muestras 55 4.3. Límite líquido 57 4.4. Límite plástico 63 4.5 Límite de contracción 67 CAPITULO 5 CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS 74 5.1. Introducción 74 5.2. Sistema Unificado de Clasificación de Suelos Procedimiento Manual – Visual

74

5.3 Sistema Unificado de Clasificación de Suelos Procedimiento de laboratorio

83

5.4. Sistema de Clasificación de Suelos AASHTO 90 CAPITULO 6 COMPACTACIÓN DE LOS SUELOS 96 6.1. Introducción 96 6.2. Preparación de las muestras 96 6.3. Compactación Proctor estándar 98 6.4. Compactación Proctor modificado 103 6.5. Compactación Wilson – Harvard Miniatura 105

IX

CAPITULO 7 PESO UNITARIO DEL SUELO EN SITIO 109 7.1. Introducción 109 7.2. Método del cono y arena 109 7.3. Método del medidor del balón de caucho 116 7.4. Método Nuclear 120 CAPITULO 8 PERMEABILIDAD DE LOS SUELOS 121 8.1. Introducción 121 8.2. Determinación del coeficiente de permeabilidad 121 8.3. Permeámetro de carga constante 122 8.4. Permeámetro de carga variable 128 CAPITULO 9 CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE LOS SUELOS 133 9.1. Introducción 133 9.2. Definición 133 9.3. Objetivo 133 9.4. Equipo 133 9.5. Preparación de la muestra 135 9.6. Colocación de la muestra en el consolidómetro 136 9.7. Colocación del consolidómetro en el bastidor de carga 137 9.8. Procedimiento del ensayo 137 9.9. Cálculos y gráficos 139 9.10. Comentarios Generales 145 CAPITULO 10 EXPANSIÓN 151 10.1. Introducción 151 10.2. Objetivo 151 10.3. Equipo 151 10.4. Muestreo 152 10.5. Preparación de la muestra 152 10.6. Ensayo de Expansión 153 10.7. Cálculos 155 CAPITULO 11 RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS 157 11.1. Introducción 157 11.2. Determinación de la resistencia al esfuerzo cortante 158 11.3. Ensayo de corte directo en arenas 159 11.4. Ensayo de compresión triaxial 168 11.5. Ensayo de compresión no confinada 181 CAPITULO 12 ENSAYOS EN SITIO PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DEL SUELO

188

12.1. Introducción 188 12.2. Ensayo de penetración estándar (SPT) 188 12.3. Ensayo de carga con placa 196

X

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 203 ANEXOS ANEXO A. ENSAYOS MANUALES – VISUALES 77 ANEXO B. FORMULARIOS 204

XI

1. OBTENCIÓN DE MUESTRAS DE SUELOS 1.1. INTRODUCCIÓN Para la clasificación de un suelo o para determinar sus propiedades en el Laboratorio, es preciso contar con muestras representativas de dicho suelo. Un muestreo adecuado y representativo es de primordial importancia, pues tiene el mismo valor que el de los ensayos en sí. Las muestras pueden ser de dos tipos: alteradas e inalteradas. Los estudiantes como práctica estudiantil demostrativa, observarán la obtención de muestras inalteradas. Sin embargo, para el lector interesado se expone inclusive el procedimiento para obtener muestras alteradas. 1.2. TIPO DE MUESTRAS Y SUS USOS Muestra Alterada, aquella que no conserva las mismas propiedades mecánicas que tenía en el terreno de donde procede. En el Laboratorio, en estas muestras de suelo se realizan ensayos de clasificación, tales como: - Contenido de agua o humedad. - Peso unitario de las partículas sólidas. - Análisis granulométrico. - Limites de Atterberg o de consistencia. - Permeabilidad en muestra remoldeada. - Compactación. Muestra inalterada, aquella que se extrae del terreno con la menor alteración posible de su estructura, tal como se encuentran naturalmente. En el laboratorio, en estas muestras de suelo se realizan ensayos mecánicos, tales como: - Permeabilidad - Consolidación - Corte directo - Compresión no confinada - Compresión triaxial - Expansión 1.3. OBTENCIÓN DE MUESTRAS ALTERADAS

1.3.1. INTRODUCCIÓN

La excavación de pozos a cielo abierto permite la inspección visual y obtener muestras que rinden una información correcta hasta la profundidad que alcance. Las palas de postear y las perforadoras mecánicas permiten obtener solo muestras alteradas, pero representativas del suelo, sin excavación. Se debe obtener muestras cada vez que cambie el tipo de suelo o por lo menos una cada metro; se seleccionarán de tal manera que caractericen las condiciones reales del suelo a la profundidad correspondiente. Se describen a continuación los principales procedimientos de muestreo manual superficial, cuyos principios se aplican fácilmente a métodos de muestreo por medios mecánicos.

1

1.3.2. EQUIPO Pozos a cielo abierto (P. C. A) 1. Pico y pala de mano 2. Costales de malla cerrada. 3. Lona de 1.50 m * 1.50 m, aproximadamente 4. Fundas de plástico. 5. Balde metálico (12 litros de capacidad) o plástico. 6. Cable de manila (soga) 7. Tarjetas de identificación Muestreo con pala de postear 1. Pala de postear, con extensiones 2. Pala de mano. 3. Lona de 1.50 m * 1.50 m, aproximadamente. 4. Costales de malla cerrada y fundas de plástico. 5. Tarjetas de identificación.

Foto 1- 1 Equipo para obtener muestras alteradas

1.3.3. PROCEDIMIENTO Pozo a cielo abierto. (P. C. A.) 1. Abrir pozos de 1.00m * 1.00m ó 1.50m, hasta una profundidad de 5.00m, o bien

hasta encontrar material que presente peligro de deslizamiento, que afecte al personal que ejecuta los trabajos.

2. En una de las paredes del pozo, rebajar la parte seca y suelta del suelo, con el

propósito de obtener una superficie fresca de donde obtener la muestra, ir abriendo una ranura vertical de sección, uniforme de 20cm de ancho por 15cm de profundidad.

3. Muestreo por capas.- El material excavado de cada capa o estrato recoger en el

balde (foto 1- 2), y vaciar en el costal de malla cerrada para evitar pérdidas del material fino. Al costal adherir la tarjeta de identificación y enviar al laboratorio.

4. Muestreo integral.- Extender la lona de 1.50m * 1.50m, al pie del talud para

recoger la muestra que cae al abrir la ranura como en el caso anterior. Recoger todo

2

el material excavado. Colocar en un costal de malla cerrada, adherir al mismo la tarjeta de identificación y enviar al laboratorio. Si el volumen total del material es grande, cuartear y envasar solamente la parte necesaria.

Para determinar el contenido de agua de las muestras obtenidas (muestreo por capas e integral) antes de colocar en el costal de malla cerrada, de cada muestra tomar una porción representativa: Suelos arcillosos y limosos 100 a 200 g. Suelos arenosos 200 a 500 g. Gravas 1000 a 3000 g. Colocar en la funda de plástico con su tarjeta de identificación y ubicar dentro del costal respectivo.

Muestreo con pala de postear. 1. Introducir la pala de postear con movimiento de rotación, una vez llena, sacar y

depositar el material sobre una superficie limpia o una lona (foto 1- 3). 2. Repetir esta operación hasta llegar a la profundidad deseada usando las extensiones.

El producto de cada palada depositar ordenadamente formando hileras de pequeños Montones (foto 1- 4).

Las profundidades y espesores aproximados de cada estrato se pueden determinar con la misma pala.

3. En el caso de muestreo por capas, colocar los montones de suelo, que representan

un estrato en fundas de plástico independientes, con sus respectivas tarjetas de identificación.

4. En el caso de muestreo integral, mezclar el suelo de todos los montones y

depositar en un solo costal, con su correspondiente tarjeta de identificación. Si el volumen total del suelo es grande, cuartear y envasar solamente una parte.

1.4. CUARTEO Al proceso de reducir a tamaño conveniente y representativo una muestra alterada y suelta de suelo, se llama cuarteo. El cuarteo de las muestras se usa cuando el volumen del suelo que se obtiene sobrepasa la cantidad que se necesita para los ensayos. Se procede de la forma siguiente: Sobre una superficie limpia revolver varias veces al suelo hasta obtener una mezcla uniforme, formar un cono, colocando con una pala el suelo en el vértice de éste, permitiendo que busque su acomodo. Con la misma pala, que debe ser de tipo rectangular, formar un cono tacho de 10 cm de altura aproximadamente (foto 1-5), y dividir en cuadrantes por medio de una regla adecuada. Mezclar el suelo de dos cuadrantes opuestos (foto 1-6), desechando los dos restantes y repetir el procedimiento hasta obtener la cantidad deseada de muestra para los ensayos a ejecutar.

3

Foto 1- 2 Muestreo por capas

Foto 1- 3 Forma de introducir la pala de postear.

4

Foto 1- 4 Colocación ordenada de muestras formando hileras

Foto 1- 5 Proceso de cuarteo

Foto 1- 6 Proceso de cuarteo

5

PRÁCTICA Nº 1 ESTA ES UNA PRÁCTICA DEMOSTRATIVA 1.5. OBTENCIÓN DE MUESTRAS INALTERADAS 1.5.1. INTRODUCCIÓN Es imposible obtener muestras completamente inalteradas, pues la remoción de una porción de suelo del terreno produce cambios en los esfuerzos del suelo que alteran la estructura en un cierto grado. Las mejores “muestras inalteradas” son aquellas en que el contenido de agua no sufre cambios: La relación de vacíos y la estructura se mantiene con el menor cambio posible. Si la muestra no pierde agua o gases de los espacios vacíos, no existirán deformaciones volumétricas: sí además, se evitan el flujo plástico y la consecuente distorsión de las capas del suelo, la muestra podrá considerarse prácticamente “inalterada” 1.5.2. OBJETIVO Obtener muestras de suelo que llenen la condición relativa de inalterada, en pozos a cielo abierto. 1.5.3. EQUIPO Pozo a cielo abierto (P. C. A.) 1. Herramientas de excavación: pico, pala, y accesorios que permitan una adecuada

limpieza del P.C.A. 2. Herramientas de corte y tallado: deben ser cuchillas o navajas de acero. Adecuadas

para tallar la muestra 3. Para empacar las muestras: Caja de madera con tapa (30*30*30 cm3) Material amortiguador (aserrín, esponja, otros) Reverbero Cera o parafina, brochas, liencillo. Tarjetas de identificación.

1.5.4 PROCEDIMIENTO Suelos cohesivos duros El procedimiento consiste en cortar un determinado trozo de suelo del tamaño deseado (normalmente de 20 cm * 20cm * 20cm). Cubrirlo con parafina para evitar pérdidas del contenido de agua, empacarlo debidamente y enviar al laboratorio. Si es necesario obtener una muestra inalterada de una superficie más o menos plana, el procedimiento a seguirse es el siguiente: 1. Limpiar y nivelar el terreno, trazar un cuadrado de 20cm de lado aproximadamente. 2. Excavar cuidadosamente alrededor del perímetro marcado, hasta una profundidad un

poco mayor que la altura que se quiere dar a la muestra, labrando al mismo tiempo las cinco caras descubiertas.

6

3. Marcar con una (X) la cara superior y con cuidado recortar la base de la muestra para poder desprenderla.

4. Extraída la muestra, inmediata y cuidadosamente, protegerla con 1 a 3 capas alternadas de cera o parafina caliente con liencillo. Colocar una tarjeta de identificación en la cara superior a fin de darle cuando se ensaye, una posición igual a la que tenía en el terreno.

5. Si las muestras necesitan ser enviadas a un laboratorio, lejos del lugar de extracción

de las mismas, empacar con material amortiguador en una caja de madera como se indica en la (Fig. 1- 1) de tal forma que quede protegida contra golpes o choques durante su transporte, una tarjeta adicional de identificación se adhiere a la parte superior del cajón.

Fig. 1- 1- Protección de muestras inalteradas Para obtener una muestra inalterada de la pared de un pozo a cielo abierto (P.C.A.) o de la pared de un corte, el procedimiento es el siguiente: 1. Limpiar y alisar cuidadosamente la cara de la superficie donde se va a tomar la

muestra.

2. Trazar un cuadro de 20 cm de lado aproximadamente. 3. Excavar alrededor, en forma semejante al caso anterior conservando la cara

interior (Fig. 1-2).

4. Marcar con una ( X ) la cara superior y con cuidado recortar la base de la muestra para poder desprenderla.

5. Repetir los pasos 4 y 5 del caso anterior, para su traslado al laboratorio.

Fig. 1-2. Obtención de una muestra inalterada.

7

1.5.5 DESCRIPCIÓN DE LOS SUELOS

De cada muestra de suelo obtenida, reconocer y describir las principales características físicas de las mismas. Tomar una porción representativa del suelo y extenderla sobre la palma de la mano, estimando los porcentajes de los componentes: suelos de partículas gruesas y finas. Hacer la primera separación entre suelos de partículas gruesas y partículas finas, teniendo como criterio la estimación del porcentaje (al peso) de partículas que puedan ser individualizadas con la vista. Si este procedimiento no es suficiente para estimar la granulometría tomar un volumen de suelo que pueda lavarse en el cuenco de la mano y separar de esta forma las partículas finas, llegando a determinar la cantidad de partículas gruesas en porcentaje de la porción inicial. 1. Descripción preliminar

Mediante un análisis visual del suelo, describa al mismo como: a. Suelos de partículas gruesas: aquellos que más de la mitad de las partículas de

su masa son distinguibles a simple vista. b. Suelos de partículas finas: aquellas que más de la mitad de las partículas de su

masa no son distinguibles a simple vista.

c. Suelos orgánicos: aquellos que contienen un alto contenido de materia orgánica, la cual puede darle una textura fibrosa, un color muy oscuro o negro y un olor putrefacto.

2. Procedimiento para la descripción de suelos de partículas gruesas

Examinar cuidadosamente la muestra y describir al suelo como: a. GRAVA. Si más de la mitad de las partículas gruesas son mayores a 0.5cm; o, b. ARENA. Si más de la mitad de las partículas gruesas son menores a 0.5cm.

3. Procedimiento para la descripción de gravas.

Describir a la grava como: grava limpia, si el porcentaje del suelo cuyas partículas no distinguibles a simple vista es menor a 5%. La grava limpia puede a su vez describirse en uno de los dos grupos siguientes:

a. GRAVA bien graduada.- Si tiene una amplia gama de tamaños de partículas y no se nota ausencia de los tamaños intermedios.

b. GRAVA mal graduada.- Si predomina un solo tamaño o se nota ausencia de

algunos tamaños intermedios.

Describir a la grava como: grava con finos (grava sucia) si el porcentaje del suelo cuyas partículas no distinguibles a simple vista es mayor al 10 %. 4. Describir apropiadamente la forma de las partículas de grava, como se indica

a continuación:

8

a. Angular, de vértices y aristas agudas, lados relativamente planos y superficies limpias

b. Subangulares, son similares a las angulares, pero con vértices y aristas no agudas. c. Subredondeadas, con lados casi planos pero de bordes y esquinas d. Redondeadas, con lados suavemente curvados y sin bordes (Fig. 1-3)

Fig. 1-3 Forma de las partículas de grava 5. Procedimiento para la descripción de arenas

Si la muestra de suelo es una arena, repetir los mismos pasos y criterios que se siguieron para describir a las gravas y determinar si el suelo es una arena limpia bien graduada, mal graduada o arena con finos.

6. Describir aproximadamente las características de las partículas de grava y

arena, conforme lo indica la lista de la Tabla 1-1.

1 Nombre Típico. Bloques, cantos rodados, grava y arenas 2 Nombre local 3 Graduación

4 Tamaño máximo de partículas. Anotar la dimensión de las partículas de mayor tamaño o el tamaño máximo.

5 Granulometría Anotar el porcentaje aproximado de bloques, cantos rodados , grava, arena y finos.

6 Forma de la partícula. Angular, subangular, subredondeada, redondeada. 7 Color. Describir el color y tono de acuerdo a la Tabla 1- 2. 8 Olor. Ninguno, orgánico.

TABLA 1-1 Lista de características para la descripción de suelos con partículas

gruesas.

COLORES TONOS Gris Café

Amarillo Rojo Azul

Negro Verde Blanco

Anaranjado

Grisáceo Café (claro – oscuro)

Amarillento Rojizo

Azulado Negruzco Verdoso

Blancuzco Anaranjado

Tabla 1-2 Colores y Tonos

9

7. Procedimiento para la descripción de suelos de partículas finas y suelos orgánicos.

Seleccionar una cantidad representativa del suelo que se está examinando y describir el color según la Tabla 1-2; y el olor del suelo.

a. Describir al suelo como orgánico, si tiene un color oscuro o negro y un

característico olor orgánico.

b. Describir al suelo como altamente orgánico, si además de lo indicado anteriormente, presenta una textura fibrosa y restos semidescompuestos de vegetación.

8. Describir la consistencia de los suelos en comparación con la plastilina y

referida a la totalidad de la muestra inalterada obtenida en el terreno, como sigue:

MUY BLANDA. Fácilmente penetrable varios centímetros con el puño.

BLANDA. Fácilmente penetrable varios centímetros con el pulgar.

MEDIA. Puede ser penetrada varios centímetros con el pulgar con esfuerzo moderado.

FIRME. Fácilmente marcada con el pulgar pero penetrada sólo con gran esfuerzo.

DURA. Fácilmente marcada con la uña del pulgar.

MUY DURA. Marcada con mucha dificultad por la uña del pulgar.

9. Describir las características estructurales como sigue:

ESTRATIFICADAS, si son capas alternadas de varios espesores y colores LAMINADAS, si son capas delgadas (< 0.5 cm), y de partículas finas. FISURADAS, si presentan fracturas y éstas se desarrollan en un plano definido. DE BLOQUES, si puede romperse fácilmente en pedazos angulares. DE LENTES, si presentan pequeñas aglomeraciones de partículas de otro material incrustados en la matriz. CON POROS, si presentan orificios de cualquier origen. HOMOGENEA, si no presentan ninguna de las características anteriores

10. Describir apropiadamente las características de los suelos de partículas finas conforme lo indica la lista de la Tabla 1- 3.

10

1. Nombre local. 2. Tamaño máximo de partículas. Anotar la dimensión de las partículas de mayor

tamaño o el tamaño máximo. 3. Contenido de agua. Seco, poco húmedo, muy húmedo, saturado. 4. Consistencia, Muy blanda, blanda, media, firme, dura, muy dura. 5. Color. Describir el color y el tono de acuerdo a la Tabla 1-2. 6. Olor. Ninguno, orgánico 7. Estructura. Estratificadas, laminadas, fisuradas de bloques, de lentes, con poros

y homogénea.

Tabla 1-3 Lista de características para la descripción de suelos granulares

finos y parcialmente orgánicos. 1.5.6 INFORME DE RESULTADOS 1. Las descripciones de cada una de las muestras deben registrarse en el formulario

LMS-2009-01. 2. Independientemente del método empleado para obtener las muestras, es

importante registrar todas las observaciones realizadas sobre el suelo “in situ”, para luego consignarlas en el informe.

1.6. IDENTIFICACIÓN DE LAS MUESTRAS

Cada muestra debe ser convenientemente identificada con una tarjeta de identificación (Fig. 1 - 4) llenada por la persona responsable del muestreo del suelo. Las tarjetas de identificación en caso necesario deben protegerse con forro plástico y estar adheridas a la muestra, a las fundas de plástico, a los costales, a los tubos o muestreadores y / o a las cajas. Su inscripción debe hacerse con tinta indeleble y con una nomenclatura sencilla, que por si sola da una idea cabal de la procedencia de la muestra.

UNIVERSIDAD CENTRALFACULTAD DE INGENIERIA

LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACION

PERF. No.

P.C.A No.

MUESTRA No.

TEC. RESP.

DESCRIPCION

PROF. DE: A m

PROF. DE: A m

FECHA:

NIVEL FREATICO m

Fig. 1-4. Tarjeta de Identificación

11

PRÁCTICA No.

FECHA

GRUPO No.

OPERADOR

REVISIÓN

INEN

Proyecto

Obra

Localización

Perf. No. Prof. de: a: m

P.C.A. No. Prof. de: a: m

Muestra No.

Proyecto

Obra

Localización



Muestra No.

Proyecto

Obra

Localización



Muestra No.

Proyecto

Obra

Localización



Muestra No.

Proyecto

Obra

Localización



Muestra No.

Proyecto

Obra

Localización



Muestra No.

Proyecto

Obra

Localización



Muestra No.

Proyecto

Obra

Localización



Muestra No.

Proyecto

Obra

Localización



Muestra No.

Proyecto

Obra

Localización



Muestra No.

LMS-2009-1

IDENTIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN DE SUELOSIDENTIFICACIÓN DESCRIPCIÓN

[email protected]

de Suelos y Pavimentos

Teléfono 2238 - 744


--------------------------------------

Laboratorio de Mecánica

12

2. RELACIONES FUNDAMENTALES DE LOS SUELOS 2.1. INTRODUCCIÓN Siendo el suelo un medio poroso, está formado normalmente por tres fases:

1. FASE SÓLIDA, formada por partículas minerales, materia orgánica o por ambas; 2. FASE LÍQUIDA, constituida principalmente por agua, que llena parcial o

totalmente los vacíos del suelo; y,

3. FASE GASEOSA, constituida principalmente por aire, que llena los vacíos que no llena la fase líquida.

Estas tres fases, pueden ser representadas esquemáticamente, y en forma ideal, de la siguiente manera:

Ws

Ww

Wa

Vw

Va

W

Vv

Vs

V

SÓLIDA

LÍQUIDA

GASEOSA

FASE

FASE

FASE

Fig. 2-1 Diagrama de fases de un suelo VOLÚMENES: V = Volumen total del suelo Vs = Volumen de la fase sólida del suelo (volumen de las partículas sólidas) Vv = Volumen de vacíos del suelo (volumen de vacíos) Vw = Volumen de la fase líquida contenida en el suelo (volumen de agua) Va = Volumen de la fase gaseosa del suelo (volumen de aire) PESOS: W = Peso total del suelo Ws = Peso de la fase sólida del suelo (peso de las partículas sólidas) Ww = Peso de la fase líquida del suelo (peso de agua) Wa = Peso de la fase gaseosa del suelo, considerado nulo PESOS UNITARIOS:

γo = Peso unitario del agua destilada, a 4º C de temperatura

γw = Peso unitario del agua a la temperatura del suelo

γ = Peso unitario de la masa de suelo

γs = Peso unitario de las partículas sólidas

13

Ss = Peso unitario relativo de las partículas sólidas

γd = Peso unitario del suelo seco RELACIONES FUNDAMENTALES:

1. Contenido de agua (w), es el cuociente entre el peso de agua intersticial o de poro y el peso de las partículas sólidas usualmente expresada en porcentajes.

100*WsWw

w = (2-1)

2. Relación de vacíos (e), es el cuociente entre el volumen de vacíos y el volumen de

las partículas sólidas de un suelo.

VsVv

e = (2-2)

3. Porosidad (n), es el cuociente entre el volumen de vacíos y el volumen total del

suelo, generalmente expresada en porcentaje.

100*VVv

n= ( 2-3)

4. Grado de saturación (Sr), es el cuociente entre el volumen de agua de poro o intersticial y el volumen de vacíos, suele expresarse también en porcentaje.

100*VvVw

Sr = (2-4)

14

PRÁCTICA N° 2 2.2. CONTENIDO DE AGUA O HUMEDAD 2.2.1. INTRODUCCIÓN En general es el ensayo que se realiza con mayor frecuencia, tanto por su sencillez y rapidez de ejecución, cuanto porque su conocimiento permite estimar cualitativamente algunas de las características mecánica de los suelos y correlacionar los resultados de otros ensayos. Existen diferentes métodos para determinar la humedad de un suelo, en dependencia de la forma del secado, tales como: 1. Método de secado al horno, temperatura constante (105 ° C + 5 ° C). 2. Método de secado, al horno microondas 3. Método de secado instantáneo. 4. Método atómico Los métodos 2, 3 y 4 son considerados rápidos y se utilizan cuando los suelos no presentan material calcáreo, yeso o materia orgánica, y se recomiendan cuando se requiere un resultado inmediato en controles de campo. 2.2.2. OBJETIVO Determinar en el Laboratorio el contenido de agua de los suelos mediante el secado al horno. 2.2.3. EQUIPO 1. Horno de secado, a temperatura constante (105 °C + 5°C) 2. Balanza de precisión, aproximación 0.01 g. 3. Recipientes metálicos (60cm3 de volumen). 4. Charol metálico. 5. Espátula. 6. Franela

Foto 2-1. Horno de secado, a temperatura constante

15

Foto 2- 2. Equipo para determinar el contenido de agua 2.2.4. MUESTRAS DE SUELO Las muestras a ensayarse son obtenidas de pozos a cielo abierto, ubicadas al borde de algunas carreteras del país y de perforaciones hechas para la determinación de las características mecánicas de los suelos de fundación para edificios. Estas se presentan en fundas de plástico con su debida identificación y en cantidad suficiente, la cual está en función de la graduación y tamaño máximo de las partículas. El mínimo peso seco de la muestra debe estar en concordancia con los valores recomendados para uso general de laboratorio, Tabla 2-1.

TAMAÑO MÁXIMO DE LAS PARTÍCULAS MÍNIMO PESO SECO

ASTM INEN Ws ( g )

N° 40 425 μm 40

N° 4 4.75 mm 200

1/ 2 pulg 12.7 mm 350

2 pulg 50.8 mm 1200

Tabla 2-1 Cantidad mínima de la muestra 2.2.5. PROCEDIMIENTO A. Descripción de los suelos Al comenzar el ensayo se deberá describir y registrar las principales características físicas de las muestras entregadas, conforme se indicó en el numeral 1.5.5 del capítulo 1.

16

B. Contenido de agua 1. Registrar el número del recipiente, en el formulario LMS-2009-02 2. Determinar y registrar el peso del recipiente (W1), cuidando que esté limpio y

seco. 3. Colocar cuidadosamente en el recipiente la porción representativa del suelo a

ensayarse (Cantidad suficiente para llenar las 2/3 partes del recipiente, Tabla 2-1). Cuidar que exteriormente no haya partículas de suelo adheridas. Determinar y registrar el peso del conjunto (W2)

4. Colocar el recipiente más suelo húmedo en el charol metálico. 5. Repetir los pasos 1 a 4 con otra porción representativa de la misma muestra de

suelo. 6. Colocar el charol metálico con los recipientes con suelo húmedo en el horno de

secado. Mantener la temperatura a 105 °C + 5° C, hasta obtener peso constante, generalmente es suficiente un período de secado de 24 horas.

7. Sacar el charol metálico del horno, dejar enfriar el conjunto durante 3 a 5 minutos;

determinar y registrar el peso de los recipientes más suelo seco (W3). 2.2.6. CÁLCULOS El contenido de agua del suelo, se calcula como un porcentaje de su peso seco, con la ecuación:

100*W1-W3W3-W2

w(%)= (2- 5)

Donde: w = Contenido de agua, en % W1 = Peso del recipiente, en g W2 = Peso del recipiente más suelo húmedo, en g. W3 = Peso del recipiente más suelo seco, en g. 2.2.7. INFORME DE RESULTADOS 1. Como resultado final, debe registrarse la media aritmética de los dos resultados,

redondeada a tres cifras significativas; por ejemplo: w = 26.3 %. 2. Los resultados y observaciones del ensayo, deben registrarse en el formulario LMS-

2009-02. Si el contenido de agua forma parte de otros ensayos, es preferible usar la lámina de registro recomendada en los ensayos respectivos.

3. La máxima variación entre los valores absolutos en la determinación del contenido

de agua efectuada por duplicado no debe exceder de ±5%; en caso contrario, debe repetirse el ensayo.

17

PRÁCTICA No.

FECHA

GRUPO No.

OPERADOR

REVISIÓN

INEN ASTM D-2216

Parcial Promediow 1 w 2 w 3

g % %Proyecto

Localización

Perf. No. P.C.A. No.

Muestra No. Prof. de: a: m

Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



LMS-2009-2

w

IDENTIFICACIÓN DE LAS MUESTRAS

CONTENIDO DE AGUA O HUMEDAD

+ suelo seco

PesoNo

Peso del recipienteCONTENIDO DE AGUA



Recipiente+ suelo húmedo

[email protected]


--------------------------------------


18

PRÁCTICA N° 3 2.3 PESO UNITARIO DE LOS SUELOS 2.3.1 INTRODUCCIÓN Peso unitario de la masa de suelo húmedo (γ), es el cuociente entre el peso total (suelo más agua) y el volumen total del suelo. Peso unitario de suelo seco (γd), es el cuociente entre el peso de las partículas sólidas y el volumen total de la masa de suelo. Para la determinación del peso unitario de los suelos, se dispondrá de tres tipos de muestras, referidas a la forma: 1. Muestras de suelo sin forma determinada. 2. Muestras de suelo de forma regular 3. Muestras de suelo de forma irregular. 2. 3. 2 OBJETIVO Determinar en el laboratorio el peso unitario del suelo húmedo y seco. 2. 3. 3 EQUIPO 1. Horno de secado, temperatura constante 105 °C + 5°C. 2. Balanza de precisión, aproximación 0. 01 g 3. Balanza de precisión, aproximación 0. 1 g. 4. Reverbero 5. Parafina 6. Plato metálico ( 2000 cm3 de volumen ) 7. Recipiente de acero inoxidable ( volumen V = 261. 3 cm3 ) 8. Recipientes metálicos (60 cm3 de volumen). 9. Balde de plástico (12 litros de capacidad). 10. Calibrador, aproximación 0. 1 mm. 11. Canastilla de malla de acero. 12. Cuchillas metálicas 13. Espátula y brocha. 14. Regla, franela.

19

Foto 2-3 Equipo para determinar el peso unitario de los suelos 2. 3. 4 PROCEDIMIENTO A. MUESTRAS DE SUELO SIN FORMA DETERMINADA Con la finalidad de cumplir con el objetivo de este ensayo, se considera a las arenas y otros suelos granulares sueltos como muestras representativas de suelo sin forma determinada. Las dos muestras de arena a ensayarse difieren en su contenido de agua: la una está seca, mientras que la otra está casi saturada. El peso unitario y las relaciones fundamentales se determinarán con las arenas en dos estados: suelto y denso. Contenido de agua. De cada muestra de arena, tomar dos porciones en cantidades suficientes para determinar el contenido de agua y registrar en el formulario LMS-2009-02. Peso unitario de la arena. De cada muestra de arena, realizar dos mediciones en la siguiente secuencia: 1. Determinar y registrar el peso del recipiente de acero inoxidable cuyo volumen es V=

261. 3 cm3. 2. Colocar cuidadosamente la arena en el recipiente hasta exceder en su volumen;

enrasar con una regla, haciendo coincidir la superficie de la arena con los bordes del recipiente.

3. Determinar el peso del conjunto, y registrar en el sitio adecuado del formulario LMS-

2009-03. Por diferencia determinar y registrar el peso del suelo (W).

4. Repetir el mismo procedimiento, pero densificando la arena: esto se logra al golpear suavemente el recipiente contra la mesa de trabajo, tantas veces sea necesario para conseguir la mayor cantidad de masa en el recipiente volumen conocido.

20

CÁLCULOS 1. El peso unitario del suelo, se determina con la ecuación :

VWwWs

VW +

==γ (2- 6)

En estado suelto hasta el paso 3 y denso incluyendo el paso 4. 2. El peso de las partículas sólidas , se puede determinar con la ecuación :

1001 w+

=W

Ws (2–7)

3. El peso unitario del suelo seco, se determina con la ecuación :

V

Ws=dγ (2- 8)

B. MUESTRAS DE SUELO DE FORMA REGULAR Este procedimiento se aplica generalmente a suelos finos y plásticos que pueden ser tallados o recortados en formas geométricas conocidas para una fácil determinación del volumen

Para el ensayo se dispone de dos muestras de suelo compactados en el molde PROCTOR ESTANDAR con diferentes energías de compactación, consecuentemente las muestras tienen forma cilíndrica, de dimensiones conocidas.

Peso unitario del suelo

1. Determinar y registrar el peso de las muestras de suelo de forma regular (W), en el sitio adecuado del formulario LMS-2009-03.

2. Realizar varias mediciones con el calibrador del diámetro y la altura de las muestras;

y, Registrar los valores promedios correspondientes que permitan determinar sus volúmenes (V).

Contenido de agua De cada muestra, de su parte superior cortar o raspar dos porciones de suelo en cantidades suficientes para determinar el contenido de agua: y, registrar en el formulario LMS-2009-02.

CÁLCULOS

Los términos a determinarse y las ecuaciones son las mismas que se utilizaron para muestras de suelo sin forma determinada.

21

C. MUESTRA DE SUELO DE FORMA IRREGULAR Este procedimiento se aplica generalmente a muestras que no pueden recortarse uniformemente y tallarse en formas geométricas conocidas.

En estas muestras la obtención del volumen se realiza en base a la medición del empuje hidrostático sobre ellas al ser sumergidas en agua. Peso unitario del suelo Si la muestra se encuentra recubierta con parafina, desechar la capa de este material y realizar los siguientes pasos: 1. Colocar parafina en un plato metálico y poner a derretir en el reverbero ; una vez

derretida dejar enfriar ligeramente. 2. Determinar el peso de las muestras de suelo (W); y registrar en el sitio adecuado del

formulario LMS-2009-04. 3. Inmediatamente sumergir la muestra de suelo en la parafina derretida, o con una

brocha recubrir de parafina en varias capas, de tal manera que no haya aberturas o huecos que permitan el ingreso de agua a la muestra. También se debe tener cuidado de no dejar en el interior de las capas de parafina. Dejar que la parafina se enfríe totalmente.

4. Determinar y registrar el peso de las muestras de suelo más parafina en el aire,

(Foto 2 – 4), y por diferencia determinar y registrar el peso de la parafina (Wp). 5. Colocar la muestra de suelo más parafina en la canastilla; el conjunto sumergir en el

agua de tal forma que está cubra totalmente a la muestra más parafina. Determinar y registrar el peso del conjunto en el agua, (Foto 2-5) por diferencia determinar y registrar el peso de la muestra de suelo más parafina en el agua. Este paso debe hacerse lo mas rápidamente posible con la parafina bien fría y seca a fin de evitar que el agua fría rompa la capa de parafina y la muestra absorba agua ; de suceder esto deberá repetirse todo el procedimiento.

Contenido de agua De cada muestra cortar o raspar dos porciones de suelo en cantidades suficientes para determinar el contenido de agua; y, registrar en el formulario LMS-2009-02.

Foto 2- 4 Determinación del peso de la muestra de suelo más parafina, en el

aire.

22

Foto 2-5. Determinación del peso de la muestra de suelo más parafina, en el agua. CÁLCULOS 1. Contenido de agua, (Ec. 2- 5) 2. Peso del agua desplazada Ww’ = Peso del suelo más parafina en el

aire, menos Peso del suelo más parafina en el agua.

3. Volumen del suelo más parafina ( )w

WwpsVγ

'=+ (2-9)

4. Volumen de la parafina, p

WpVpγ

= (2-10)

Donde:

γp = Peso unitario de la parafina, valores aceptables = 0.85 < γp >0.87(g / cm³). 5. Volumen de la muestra de suelo V = V (s+p) - Vp (2- 11) 6. Peso unitario del suelo húmedo y seco, (Ec. 2-6 y 2—8).

23

2.4 DETERMINACIÓN DE LAS RELACIONES FUNDAMENTALES 1. Relación de vacíos

1.

−=Ws

Ve Sγ (2–12)

2. Porosidad

( ) 1001

100.

1% •⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+=•⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

ee

VWsnSγ

(2-13)

3. Grado de Saturación

( )eSswSr .% = (2-14)

Donde: Ss = Peso unitario relativo de las partículas sólidas. Peso unitario relativo de las partículas sólidas se define como el cuociente entre el peso unitario de las partículas sólidas y el peso unitario del agua destilada, a 4° C de temperatura, sujeta a una atmósfera de presión.

0γ

γ sSs = (2 - 15)

En sistemas de unidades apropiadas, γo = 1 g / cm³, entonces el valor de Ss es idéntico al módulo del peso unitario de las partículas sólidas. Los términos son diferentes en sus unidades, así: Símbolo Unidad Término

γs g / cm³ Peso unitario de las partículas sólidas Ss 1 Peso unitario relativo de las partículas sólidas

Los valores del peso unitario de las partículas sólidas (γs), de las distintas muestras ensayadas, serán entregados por el laboratorio durante la ejecución de la práctica.

24

PRÁCTICA No.

FECHA

GRUPO No.

OPERADOR

REVISIÓN

suelo HÚMEDO SECOV W w γ γd

g cm³ g g % g/cm³ g/cm³Proyecto

Localización


SECA SATURADA

Proyecto

Localización


SECA SATURADA

Proyecto

Localización


SECA SATURADA

OBSERVACIONES

Peso volumen HÚMEDO SECOW V w γ γdg cm cm cm³ % g/cm³ g/cm³

ProyectoLocalización


INALTERADA REMOLDEADA

ProyectoLocalizaciónPerf. No. Prof. de: a: mINALTERADA REMOLDEADA



OBSERVACIONES

LMS-2009-3

cont. de agua

PESO UNITARIO

altura

recipt. + suelo

cont. de agua

PESO UNITARIO

SUELOS CON FORMA REGULAR

volumen


DIMENSIONES

diámetro


PESO UNITARIO DE LOS SUELOS


--------------------------------------


ESTADOS : SUELTO DENSOPESO



Recipiente

[email protected]

SUELOS SIN FORMA DETERMINADA

ES

TA

DO

SPeso

25

PRÁCTICA No.

FECHA

GRUPO No.

OPERADOR

REVISIÓN

suelo

para

fin

a

para

fin

a

suelo

HÚ

ME

DO

SE

CO

W Wp Ww' Wp V w γ γ d

g g g g g g cm³ cm³ cm³ % g/cm³ g/cm³

Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



Proyecto

Localización



OBSERVACIONES

LMS-2009-4

PESO DE LA CANASTILLA EN EL AGUA = g

γp = 0,87 g/cm³ γw = 1,00 g/cm³

PESO EN EL AIRE VOLÚMENES

suelo

+p

ara

fin

a

suelo

+p

ara

fin

a+

can

ast

illa

suelo

+p

ara

fin

a

peso

del

ag

ua

desp

lazad

a

PESO EN EL AGUA


--------------------------------------


SUELOS CON FORMA IRREGULAR


PESO UNITARIO DE LOS SUELOS



[email protected]

suelo

+p

ara

fin

a

con

ten

ido

de a

gu

a

PESO UNITARIO

26

PRÁCTICA No.

FECHA

GRUPO No.

OPERADOR

REVISIÓN

pa

rtíc

ula

s só

lid

as

sue

lo h

úm

ed

o

sue

lo s

eco

W V w Ws γ s γ γ d e n Sr

g cm³ % g g/cm³ g/cm³ g/cm³ - % %

Proyecto

Localización


SECA SATURADA

Proyecto

Localización


SECA SATURADA



















OBSERVACIONES

LMS-2009-5

RELACIONES FUNDAMENTALES DE LOS SUELOS

gra

do

de

sa

tura

ció

n


--------------------------------------




[email protected]


po

rosi

da

d

pe

so d

e s

óli

do

s PESO UNITARIO

rela

ció

n d

e

va

cío

s

ES

TA

DO

S

pe

so d

el

sue

lo

vo

lum

en

de

l su

elo

con

ten

ido

de

a

gu

a

27

PRÁCTICA N° 4 2.5 PESO UNITARIO DE LAS PARTÍCULAS SÓLIDAS 2.5.1 INTRODUCCIÓN

El peso unitario de las partículas sólidas (γs), es el cociente entre el peso y el volumen de las partículas sólidas de un suelo.

El (γs) de algunos minerales que forman el suelo ha sido determinadas y es conocido. El rango normal de valores es relativamente pequeño (2.60 a 2.90 g/ cm³). En suelos con abundante hierro u otros minerales, puede llegar a 3.00 g/cm³; en la turba se ha llegado a determinar valores de 1.50 g/cm³ debido a la presencia de materia orgánica. Los minerales de arcilla que constituye la fracción coloidal de un suelo, pueden tener peso unitario de las partículas sólidas promedio comprendido entre 2.80 y 2.90 g/cm³. En algunas arcillas volcánicas suelen encontrarse valores más bajos (entre 2.20 y 2.60 g/ cm³). 2.5.2 0BJETIVO Determinar en el laboratorio el peso unitario de las partículas sólidas de un suelo. 2.5.3 EQUIPO 1. Horno de secado de temperatura constante (105 ° C + 5°C) 2. Balanza de precisión, aproximación 0.01 g 3. Baño María. 4. Bomba de vacío. 5. Mezclador mecánico. 6. Picnómetros calibradores, 250 y 500 cm3 de volumen a 20° C. 7. Termómetro, aproximación 0.1°C. 8. Portapicnómetro 9. Pera de caucho que contiene agua. 10. Pipeta. 11. Embudo de plástico 12. Plato metálico, 1800 cm3 de volumen. 13. Recipiente metálico o de porcelana, 350cm3 de volumen. 14. Vaso de vidrio, 250 o 500 cm3 de volumen. 15. Solución para disolver grasas (mezcla crónica o amoniaco). 16. Alcohol de 96° 17. Espátula y franela. 18. Toallas de papel secante. 2.5.4 MUESTRAS DE SUELO Las muestras a ensayarse deben tener suficiente material para que sean representativas del suelo en estudio, lo cual está en función de la graduación y tamaño máximo de las partículas. El mínimo peso seco de la muestra debe estar en concordancia con los valores recomendados para uso general de laboratorio, Tabla 2 – 2.

28

TAMAÑO MÁXIMO DE LAS PARTÍCULAS

MÍNIMO PESO SECO

ASTM

INEN

SUELOS

Ws (g)

No. 40 425μm COHESIVOS 25 - 50

No. 4 4.75 mm NO COHESIVOS 60

Tabla 2-2 Cantidad mínima de las muestras

Los suelos cohesivos deben ensayarse con el contenido de agua natural y obtener el peso de la muestra seca al finalizar el ensayo. Los suelos no cohesivos pueden secarse al horno previamente o dejarse evaporar si fuere necesario. 2.5.5 PROCEDIMIENTO 1. CALIBRACIÓN DEL PICNÓMETRO A. Procedimiento Experimental El peso del agua que un picnómetro puede contener varía con la temperatura, debido a las variaciones del volumen del picnómetro y al peso unitario del agua. Es conveniente trazar, para cada uno de los picnómetros una curva de calibración, la misma que tiene como ordenadas, los pesos del picnómetro más agua hasta la marca de aforo y, como abscisas, las temperaturas correspondientes. El procedimiento de calibración es el siguiente: 1. Registrar el número del picnómetro, formulario LMS-2009-06. 2. Lavar cuidadosamente el picnómetro con la mezcla crónica o amoniaco. 3. Lavar el picnómetro varías veces con agua destilada, y dejar escurrir boca abajo. 4. Enjuagar el picnómetro con alcohol y secar cuidando que no queden residuos en las

paredes del mismo, 5. Llenar al picnómetro con agua destilada hasta la marca de aforo y hacerla hervir 2 a 5

minutos en baño María a fin de extraer el aire. 6. Retirar el picnómetro del baño María y dejar enfriar durante 5 a 10 minutos,, medir

la temperatura del agua introduciendo el termómetro hasta el centro del picnómetro.

Si la temperatura es cercana a los 35ºC + 1° C (temperatura máxima de calibración), continuar con el paso siguiente. En caso contrario elevar la temperatura con el Baño María o enfriar utilizando agua destilada.

7. Llegados a los 35°C + 1° C retirar el picnómetro del baño María, llenarlo con agua

destilada hasta la marca de aforo, usando la pipeta, secar cuidadosamente el interior del cuello y el exterior del picnómetro.

Determinar y registrar el peso del conjunto con una aproximación de 0. 01 g.

8. Inmediatamente determinar y registrar el valor de la temperatura.

29

9. Dejar enfriar el conjunto, hasta que la temperatura del agua baje unos 4° C + 1° C ;

llenarlo con agua destilada hasta la marca de aforo usando la pipeta en caso de ser necesario y secar cuidadosamente. Determinar y registrar el peso del conjunto e inmediatamente determinar y registrar la temperatura.

10. Repetir el paso 9, 4 a 6 veces, dejando enfriar cada vez más el agua de el picnómetro

sucesivamente en intervalos de 4°C + 1° C, hasta que el agua llegue a la temperatura de 16°C + 1°C; es importante tener la precaución de introducir el termómetro en el picnómetro, siempre a la misma profundidad.

11. Con los valores obtenidos de : Peso del picnómetro más agua y temperatura,

construir la curva de calibración en el formulario LMS-2009-06. B. Procedimiento teórico

Puntos de la curva de calibración se obtienen sustituyendo diferentes temperaturas en la ecuación:

WA = Wb + Vb x (1 + ΔT. ε) x (γw - γa) (2–15) Donde: WA = Peso del picnómetro más agua. Wb = Peso del picnómetro limpio y seco Vb = Volumen calibrado del picnómetro a la Temperatura Tc. ΔT = T – Tc T = Temperatura (T° C) a la cual se obtiene WA. Tc = Temperatura de calibración del picnómetro (usualmente 20°C)

ε = Coeficiente térmico de expansión volumétrica del vidrio pyrex 0.1*10 - 4 /°C

γw = Peso unitario del agua a la temperatura del ensayo.

γa = Peso unitario del aire a la temperatura del ensayo a una atmósfera

de presión (es suficiente asumir γa = 0.0012 g/ cm³). Como se puede apreciar la única información experimental requerida para la aplicación de la Ec. 2-15, es el peso del picnómetro limpio y seco (Wb). Haciendo variar el valor de la temperatura (T° C), se obtiene distintos valores de WA, los mismos que ploteados en la curva de calibración permiten obtener WA, a la temperatura que se realiza el ensayo. Es importante obtener experimentalmente al menos un punto de la curva de calibración para comprobar que los valores obtenidos son consistentes. 2. DETERMINACIÓN DEL PESO UNITARIO DE LAS PARTÍCULAS SÓLIDAS. El peso unitario de las partículas sólidas se obtiene en la práctica como el cuociente entre el peso de las partículas sólidas y el volumen de agua que desalojan a la temperatura ambiente. Procedimiento para suelos cohesivos (finos)

1. De la muestra de suelo que pasa el tamiz N° 40 (0. 425 mm), colocar aproximadamente 60g en el recipiente metálico o de porcelana y mezclar con agua destilada hasta formar una pasta uniforme.

30

2. Transferir la pasta al vaso de vidrio y agregar agua destilada hasta formar

aproximadamente 200 cm3 de suspensión, Mezclar la suspensión durante 3 a 5 minutos en el mezclador mecánico (Foto 2- 6).

3. Transferir la mezcla al picnómetro; esta operación se facilita mediante el embudo

de plástico con ayuda del chorro de agua destilada contenida en la pera de caucho. ( Foto 2-7)

4. Aplicar vacío al picnómetro para extraer el aire no disuelto (Foto 2- 8).

En el laboratorio hay dos métodos de extracción del aire; por ebullición y por aplicación del vacío, el primero expulsa el aire contenido en el suelo y el segundo succiona el aire. En este caso se utiliza al segundo método.

Para evitar un burbujeo excesivo, aplicar primero un vacío parcial y aumentar gradualmente hasta el máximo, debe mantenerse durante 5 a 10 minutos, por lo menos, para lograr un desairado completo.

El picnómetro debe agitarse suavemente para facilitar la expulsión del aire.

5. Agregar agua destilada hasta 1 cm debajo de la marca de aforo. El agua debe

escurrir lentamente por el cuello, para evitar la formación de burbujas, esto se logra fácilmente con el uso del agua destilada contenida en la pera de caucho. Aplicar nuevamente vacío en forma ligera al principio para evitar un intenso burbujeo en el cuello.

6. Secar exteriormente el picnómetro, agregar agua destilada hasta la marca de

aforo usando la pipeta, secar interiormente el cuello del picnómetro arriba del menisco introduciendo un rollo de papel secante o absorbente. Verificar que el menisco coincida con la marca de aforo.

7. Determinar el peso del picnómetro más sólidos y agua (WB) con una

aproximación de 0. 01g (Foto 2- 9), y registrar en el formulario LMS-2009-06. 8. Agitar el picnómetro y determinar la temperatura, introduciendo el termómetro

hasta el centro de la suspensión.

Verificar la uniformidad de la temperatura en otros puntos de la suspensión. Agitar el picnómetro levemente si las diferencias exceden de 0.5 °C.

9. El peso de las partículas sólidas (Ws) se obtiene al final del ensayo, vertiendo el

contenido del picnómetro en el plato metálico, enjuagando el picnómetro con agua destilada para que no quede suelo en el interior, y secando al horno por 24 horas.

10. De la curva de calibración del picnómetro se obtiene el peso del picnómetro más

agua hasta la marca de aforo (WA); a la temperatura (T°C) del ensayo.

Para efectos de comparación entre valores de (γs) debe realizarse simultáneamente el ensayo en dos picnómetros.

Procedimiento para suelos no cohesivos gruesos

1. De la muestra que pasa al tamiz N° 4 (4.75 m), colocar aproximadamente 80g en el plato metálico, dejar secar en el horno durante 24 horas. Transcurrido este tiempo, dejar enfriar el plato para seguir con los siguientes pasos.

2. El suelo seco colocar en el picnómetro con un embudo. 3. Llenar el picnómetro con agua destilada aproximadamente 2/3 partes de su

capacidad.

31

4. Desprender el suelo adherido al interior del cuello, utilizando el agua destilada

contenida en la pera de caucho. 5. Aplicar vacío al picnómetro para extraer el aire, como en el caso de un suelo

cohesivo. 6. Continuar con el procedimiento según se describen en los pasos 5 a 10 del ensayo

anterior hasta finalmente verter el contenido del picnómetro en el plato metálico y secar en el horno.

Determinar y registrar el peso de las partículas sólidas (Ws).

Foto 2- 6 Proceso de mezclado de la muestra de suelo con agua. (mezclador

mecánico).

32

Foto 2-7. Colocación de la muestra de suelo en

el picnómetro

Foto 2-8. Aplicación de vacío, para extraer el

aire

Foto 2-9. Determinación del peso del picnómetro más sólidos y

agua

33

2.5.6. CÁLCULOS

En el laboratorio se obtiene la ecuación que permite calcular (γs), utilizando los esquemas de las figuras siguientes

WAPICNÓMETRO

AGUA

WBPICNÓMETRO

SÓLIDOS

AGUA

Ws

Fig. 2-2. Peso picnómetro más agua

Fig. 2-3. Peso picnómetro más sólidos y agua

Ww’ = Ws + WA – WB (2 - 16)

Donde: Ww’ = Peso del volumen de agua desplazado por los sólidos a la

temperatura del ensayo. Ws = Peso de las partículas sólidas. WA = Peso del picnómetro más agua. WB = Peso del picnómetro más sólidos y agua. Si :

w

WwVsγ

'= (2 – 17)

Entonces:

( ) BA

ws WWWs

WsVsWs

−+==

γγ

. (2 - 18)

2.5.7. INFORME DE RESULTADOS 1. Como resultado final, debe registrarse la media aritmética de los dos resultados,

redondeando a tres cifras significativas; por ejemplo: γs = 2.68 g/cm³.

2. La máxima variación entre los valores absolutos en la determinación del (γs) efectuado por duplicada no debe exceder de + 1%, en caso contrario, repetir el ensayo.

3. Las observaciones que se hagan durante el ensayo deben registrarse en el

formulario LMS-2009-06.

34

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN

PERFORACIÓN No. PROF. DE: A:

P.C.A. No. PROF. DE: A:

GRUPO No. OPERADOR

MUESTRA FECHA

DESCRIPCIÓN

INEN ASTM D-854

No. 1 2 3 4 5 6 CORRECCION POR BALANZA

1 Peso del plato = g

2 Peso del

portapicnómetro = g

3 Corrección (3 =1- 2) = g

PARCIAL PROMEDIO

- W B T W A - - W S Ww' γ s γ sg g °C g g g g g g/cm 3 g/cm 3

12

OBSERVACIONES

LMS-2009-6

WA

+ W

S -

WB

RESULTADOS

No. No. - No.

reci

pie

nte

pa

ra

ev

ap

ora

ció

n

pe

so d

el

reci

pie

nte

pe

so d

el

reci

pie

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má

s su

elo

se

co

pe

so d

e l

as p

art

ícu

las

sóli

da

s

Temperatura (°C)

CURVA DE CALIBRACIÓN

PESO UNITARIO DE

LAS PARTÍCULAS

SÓLIDAS

en

say

o

pic

nó

me

tro

mé

tod

o d

e e

xtr

acc

ión

de

l a

ire

pe

so d

el

pic

nó

me

tro

má

s só

lid

os

y a

gu

a

SIN

CO

RR

EC

CIÓ

N

pe

so d

el

pic

nó

me

tro

má

s só

lid

os

y a

gu

a

CO

RR

EG

IDO

tem

pe

ratu

ra

pe

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el

pic

nó

me

tro

má

s a

gu

a

UNIVERSIDAD CENTRAL

FACULTAD DE INGENIERIA

--------------------------------------



CALIBRACION DEL PICNOMETRO

Peso del picnómetro+agua

Peso del picnómetro+agua

Temperatura (°C)

PESO UNITARIO DE LAS PARTICULAS SOLIDAS

MEDICIONES


[email protected]

TEMPERATURA (°C)

PESO

DEL

PIC

NÓ

MET

RO

+ A

GU

A (W

A)

( g

)

35

3. GRANULOMETRÍA DE LOS SUELOS

3.1. INTRODUCCIÓN El análisis granulométrico de un suelo consiste en separar y clasificar por tamaños las partículas que lo componen. Existen diferentes procedimientos que permiten conocer la distribución granulométrica de un suelo; así, para suelos de partículas gruesas el procedimiento más expedito es el de tamizado. Sin embargo, al aumentar la finura de las partículas, el análisis por tamizado se hace cada vez más difícil teniéndose entonces que recurrir a procedimientos por sedimentación. Los estudiantes realizarán como práctica estudiantil el análisis granulométrico de un suelo por tamizado. Empero, para el lector interesado se expone inclusive el análisis granulométrico por sedimentación (hidrómetro) y combinado. PRÁCTICA N° 5 3.2. GRANULOMETRÍA POR TAMIZADO 3.2.1. INTRODUCCIÓN El análisis granulométrico por tamizado se realiza con partículas de suelo retenidas en el tamiz N° 200 (0.075 mm), y consiste en hacer pasar el suelo a través de un juego de tamices de aberturas conocidas. Por tanto, el tamaño o diámetro de la partícula está definido por la dimensión lateral o lado de la abertura cuadrada del tamiz, por donde no llega a pasar. 3.2.2. OBJETIVO Determinar en el Laboratorio la distribución granulométrica de un suelo. 3.2.3. EQUIPO 1. Juego de tamices (Nota 1). 2. Horno de secado, temperatura constante (105°C + 5°C) 3. Balanza de precisión, con aproximación 0.01 g. 4. Balanza de precisión, con aproximación 0.1 g. 5. Agitador mecánico RO – TAP. 6. Cepillo metálico y brocha. 7. Recipiente metálico o de porcelana, 350 cm³ de volumen. 8. Bandeja de plástico para lavado, 2000 cm³ de volumen. 9. Recipientes metálicos para determinar el contenido de agua. 10. Pera de caucho que contiene agua. NOTA 1. La serie de tamices recomendable para suelos cuyas partículas pasan el tamiz No. 4, es: No. 4, 10, 40, 100, 200, charola y tapa. Para las partículas del suelo retenidas en el tamiz No. 4, se recomienda usar la siguiente serie: aberturas de 2”, 1 ½”, 1”, ¾”, ½”, 3/8” y el tamiz No. 4. Cuyas aberturas en mm, se puede observar en la Tabla 3 – 1.

36

ASTM Designación

INEN Abertura Indicada

3 pulg 75mm 2 pulg 50.8mm 1 pulg 25.4mm ¾ pulg 19.0mm ½ pulg 12.7mm

3/8 pulg 9.5mm No. 4 4.75mm No. 10 2.0mm No. 40 425 μm No. 60 250 μm No. 100 150 μm No. 140 106 μm No. 200 75 μm No. 400 38 μm

Tabla 3-1. Abertura de los tamices

Foto 3-1. Equipo para el análisis granulométrico por

tamizado 3.2.4. MUESTRAS DE SUELO Las muestras de suelo se presentan en fundas de plástico con su debida identificación y en cantidad suficiente, la cual está en función de la graduación y tamaño máximo de las partículas. El peso inicial total del suelo seco a ensayarse debe estar en concordancia con los valores recomendados para uso general en el laboratorio:

Suelos arcillosos y limosos de 200 a 500 g. Suelos arenosos de 500 a 1000 g. Gravas de 1000 a 3000 g.

37

3.2.5. PROCEDIMIENTO Lavado previo 1. Mezclar rápida pero eficazmente todo el suelo de la funda y tomar dos porciones en

cantidades suficientes para determinar el contenido de agua y registrar en el sitio adecuado del formulario LMS-2009-07.

2. En la bandeja de plástico, con aproximación de 0.1g pesar una porción

representativa de suelo húmedo que equivalga a un peso de suelo seco entre 200 y 250 g.

3. Colocar sobre el tamiz N° 200 el tamiz N° 40 para que éste proteja la malla del

tamiz N° 200. 4. Sobre el suelo contenido en la bandeja de plástico, verter la cantidad de agua

necesaria para sumergirlo. Refregar y agitar el suelo con la yema de los dedos, evitando que ninguna cantidad de éste salga de la bandeja (Foto 3-2).

Si durante este proceso flotan partículas de suelo individuales, tomar las mismas y colocarlos en el plato metálico o de porcelana.

5. Llenar con agua limpia la bandeja hasta 1 cm por debajo de sus bordes, mezclar

con la muestra disgregada y verter parte de la suspensión resultante sobre el tamiz N° 40, cuidando siempre que debajo de éste se encuentre el tamiz N° 200.

6. Repetir los pasos 4 y 5 hasta que en el tamiz N° 200 se haya depositado una

cantidad excesiva de suelo de partículas finas que deberá ser devuelto a la bandeja de plástico, utilizando el chorro de agua de la pera de caucho, por el reverso del tamiz. No desmenuzar ni agitar el suelo en el tamiz, sino únicamente en la bandeja de plástico dedicada exclusivamente para el efecto.

7. Repetir los pasos 4 a 6 hasta conseguir que el agua mezclada con el suelo en la

bandeja de plástico se mantenga clara y transparente después de refregar las partículas del mismo.

8. Verter cuidadosamente le suelo con ayuda del chorro de agua en el recipiente

metálico o de porcelana (Foto 3- 3), para someterlo al secado en el horno de temperatura constante.

Tamizado 1. Luego del tiempo necesario de secado (24 horas), retirar del horno el recipiente

metálico o de porcelana con el suelo seco. 2. Al suelo seco hacer pasar por una serie de tamices, de acuerdo al tamaño de

partículas distinguibles a simple vista (Ver Nota 1). Vaciar el suelo sobre el primer tamiz, el cual se tapa herméticamente y se procede a agitar la serie de tamices con movimientos horizontales de rotación y movimientos bruscos verticales intermitentes, durante un tiempo mínimo de 10 minutos (Foto 3-4). Para esta operación es recomendable el uso de un agitador mecánico.

3. Después, quitar la tapa y separar el tamiz superior de la serie (en caso de una arena

el tamiz N° 4), vaciar la porción retenida de suelo sobre un papel limpio; las partículas que se retienen entre las mallas acumular al papel mencionado con la ayuda del cepillo metálico invirtiendo la posición del tamiz.

38

4. Determinar el peso de la porción de suelo obtenido en el paso 3 y registrar en el sitio adecuado del formulario LMS-2009-07.

5. Para cada tamiz siguiente perteneciente a la serie, determinar el peso de la porción

retenida en cada uno de ellos; registrar dichos valores en la lámina prevista.

Foto 3-2. Lavado de la muestra de suelo

Foto 3-3. Forma de transferir la muestra de suelo contenida en la bandeja de plástico al recipiente de porcelana

39

Foto 3-4. Tamizado de la muestra de suelo seco

3.2.6. CÁLCULOS 1. Determinar y registrar el peso inicial total del suelo seco (Ws); con la ecuación:

1001 w

WWs+

= (2-7)

2. Determinar y registrar los porcentajes retenidos parciales; dividiendo los pesos

retenidos parciales en cada tamiz para el peso del suelo seco (Ws), y multiplicando por 100 para expresarlo en porcentaje.

( ) ( ) ( ) RnxWs

iparcialretenidoPesoiparcialretenido == 100% (3-1)

3. Determinar y registrar los porcentajes retenidos acumulados; sumando todos y cada

uno de los porcentajes retenidos parciales.

(3-2) ( ) ∑=

=

=ni

iRniacumuladoretenido

1)(%

40

4. El porcentaje que pasa cada tamiz perteneciente a la serie, se determina por diferencia de 100, del porcentaje retenido acumulado.

( ) ∑=

=

−=ni

iRnpasa

1100% (3-3)

3.2.7. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS La información obtenida del análisis granulométrico se presenta en forma de “curva granulométrica”, ubicando en abscisas la abertura de los tamices a escala logarítmica y en ordenadas el porcentaje que pasa a escala aritmética. 3.2.8. OTROS CÁLCULOS En la curva granulométrica se definen dos coeficientes que determinan la graduación de una muestra de suelo; entendiéndose por graduación la proporción en que se encuentran los distintos tamaños de partículas presentes en el suelo dado. Coeficiente de uniformidad (Cu).- Definido por la ecuación:

10

60

DD

Cu = (3-4)

Coeficiente de curvatura (Cc ).- Definido por la ecuación:

( )

6010

230

. DDD

Cc = (3-5)

Donde: D10, D30, D60 = Diámetro de las partículas que corresponden al 10, 30 y 60 % que

pasan, en la curva granulométrica. 3.2.9. COMENTARIOS GENERALES El proceso de tamizado no provee información sobre la forma de las partículas del suelo, si ellas son angulares o redondeadas. Solamente da información sobre las partículas que pueden pasar, o en que orientación pasan a través de un tamiz de abertura cuadrada de cierto tamaño. Es evidente que una curva de distribución granulométrica solo pueda aproximar la situación real. Sin embargo, tiene una amplia utilidad en el diseño de filtros de protección para presas y diques, en la identificación y descripción de muestras; etc. Finalmente se puede concluir que las curvas granulométricas, de los suelos de partículas gruesas son frecuentemente útiles; pero que aquellas de suelos de partículas finas tienen una aplicación limitada.

41

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓNPERFORACIÓN No. PROF. DE: A:P.C.A. No. PROF. DE: A:GRUPO No. OPERADORMUESTRA FECHA

DESCRIPCIÓN

INEN ASTM D 422

Peso

Retenido Retenido Retenido

Parcial Parcial Acumul. Peso s. humedo s. seco

mm g % % % g g g

Contenido de agua (promedio) w %

Recipiente Nº Peso del recipiente g Peso del recip.+suelo húmedo g Peso del suelo húmedo W g

Peso de suelo seco Ws g

D10 = D30= D60= Cc=

Cu = Grava= Arena= Finos=

LMS-2009-7

CONTENIDO DE AGUA

RECIPIENTE

Nº

UNIVERSIDAD CENTRAL

G R A N U L O M E T R I A TAMIZ PORCENTAJES

de Suelos y Pavimentos Teléfono 2238 - 744

[email protected]

PasaaberturaNº

Peso Recip. +

RESULTADOS

CURVA GRANULOMETRICA

FACULTAD DE INGENIERIA--------------------------------------


CANTIDAD INICIAL

Contenido

de agua

%

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

0,0100,1001,00010,000100,000

Tamaño (mm)

Pasa

(%)

3" 2" 1 ½" 1" ¾" 4 10 40 100 200½" ⅜" DESIGNACIÓN ASTM

GRAVA ARENA FINOSGRUESA FINA GRUESA MEDIA FINA LIMO

42

3.3. GRANULOMETRÍA POR HIDRÓMETRO 3.3.1. INTRODUCCIÓN El análisis granulométrico de las partículas finas de un suelo (material que pasa el tamiz N° 200), se determina por el método del hidrómetro, basado en la ley de Stokes. Este método es aplicable a partículas de tamaño comprendido entre 0.1 mm y 0.001 mm (en diámetros mayores a 0.1 mm las turbulencias provocadas por las mismas partículas alteran la ley de sedimentación, mientras que partículas menores a 0.001 mm están sujetas al movimiento de tipo Browniano). El método consiste en dejar sedimentar una suspensión de agua – suelo. Si se sumerge un hidrómetro en la suspensión (Fig. 3–1), se puede medir la densidad de la misma, a medida que transcurre el tiempo. La ley de Stokes permite, por otra parte, determinar el diámetro equivalente máximo de las partículas que, al sedimentarse, se encuentran a la altura del centro del bulbo del hidrómetro en un instante dado. La combinación de ambos datos proporciona la granulometría del material en suspensión. El hidrómetro usado comúnmente permite hacer lecturas de 0 a 60 divisiones en g/cm³, el mismo que es calibrado a 20°C de temperatura, para suelos que tengan γs = 2.65 g / cm³. 3.3.2. OBJETIVO Determinar en el laboratorio la distribución granulométrica de un suelo, usando el hidrómetro. 3.3.3. EQUIPO 1. Hidrómetro CALIBRADO 2. Dos probetas, 1000 cm³ de volumen 3. Termómetro, aproximación 0.1°C 4. Balanza de precisión, aproximación 0.1g 5. Cronómetro. 6. Mezclador mecánico. 7. Recipiente metálico o de porcelana, 350 cm³ de volumen 8. Plato metálico (1800 cm³ de volumen). 9. Vaso de vidrio, 500 cm³ de volumen 10. Horno de secado a temperatura constante ( 105°C + 5°C ) 11. Agente defloculante. Hexametafosfato de sodio. 12. Espátula 13. Agua destilada.

43

Foto 3-5. Equipo para el análisis granulométrico por 3.3.4. CORRECCIONES EN LAS LECTURAS DEL HIDRÓMETRO 1. CORRECCIÓN POR MENISCO (Cm ) Los hidrómetros están calibrados para hacer las lecturas al nivel libre del líquido. Al formarse el menisco alrededor del vástago, la lectura correcta no puede hacerse, ya que las suspensiones de agua suelo no son transparentes, por lo que es necesario leer donde termina el menisco, y corregir la lectura sumando su altura. Para determinar el valor de Cm, el procedimiento es tal como se expone: Tomar una probeta graduada de 1000cm³ y poner 725 cm³ de agua destilada, sumergir el hidrómetro y hacer dos lecturas en la escala respectiva, una en la parte superior del menisco (lectura superior) y otra siguiendo la superficie horizontal del agua (lectura inferior), (Fig. 3-1). Estos datos registrar en el formulario LMS-2009-08. La diferencia entre las dos lecturas proporciona el valor de la corrección (Cm) que debe sumarse a las lecturas individuales hechas durante la ejecución del ensayo.

Fig. 3-1. Hidrómetro sumergido en suspensión agua -suelo

44

DEFLOCULANTES Al realizar un ensayo, usando una suspensión compuesta de agua y suelo únicamente, se precipitará al cabo de poco tiempo la casi totalidad del suelo presente, debido a la formación de grumos originados por la presencia de diferentes cargas eléctricas entre las partículas del mismo. Para evitar lo expuesto se utiliza un agente defloculante cuya función es neutralizar dichas cargas eléctricas y dispensar los grumos que tienden a formar entre si las partículas finas al entrar en suspensión. El tipo apropiado y la, cantidad de defloculante por agregar es variable para las distintas clases de suelos, y deben determinarse experimentalmente. Sin embargo, el hexametafosfato de sodio NaPO3 es el agente defloculante más útil para suelos de partículas finas. Generalmente se utiliza una solución al 4% de hexametafosfato de sodio, la misma que se obtiene añadiendo 40 g de hexametafosfato de sodio a 1000cm³ de agua destilada. 2. CORRECCIÓN POR DEFLOCULANTE ( Cd ) Al agregar un agente defloculante a la suspensión, se aumenta la densidad de ésta, por lo que debe hacerse una nueva corrección (Cd), que depende de la cantidad de defloculante. Para determinar el valor de Cd, el procedimiento es tal como se expone: 1. Tomar una probeta graduada de 1000 cm³ y preparar el agente defloculante,

colocando 40 g de hexametafosfato de sodio en 1000 cm³ de agua destilada. 2. En la otra probeta graduada de 1000cm³, poner 875 cm³ de agua destilada; sumergir

el hidrómetro y hacer la lectura en la escala (lectura en el agua). Después añadir 125 cm3 de defloculante, agitar ligeramente y volver a sumergir el hidrómetro, hacer la lectura en la escala respectiva (lectura agua con defloculante)

Estos valores registrar en el formulario LMS-2009-08. La diferencia entre ambas lecturas es el valor de (Cd), que debe restarse a las lecturas individuales hechas durante la ejecución del ensayo.

3. CORRECCIÓN POR TEMPERATURA ( Ct ) El valor de la corrección por temperatura ( Ct ), que toma en cuenta los cambios volumétricos del bulbo del hidrómetro a la temperatura de ejecución del ensayo, con relación a la temperatura de calibración del hidrómetro ( 20 °C ) , se obtiene con la ecuación :

Ct = - 4.85 + 0.25 T (3-6) Donde: Ct = Corrección por temperatura de la lectura efectuada (este valor

puede ser positivo o negativo). T = Temperatura a la cual se realiza el ensayo (T° C); para valores de

T°C variable entre 15°C a 28°C.

45

3.3.5. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO Este procedimiento se usa cuando más del 90 % de la muestra de suelo es fino, o sea ha pasado el tamiz N° 200.

1. Determinar y registrar el valor de la corrección por menisco. 2. Determinar y registrar el valor de la corrección por defloculante.

3. Tomar la probeta graduada de 1000 cm³ (probeta de control) y poner 875 cm3

de agua destilada, luego sumergir el hidrómetro en la probeta.

4. Pesar una cantidad de suelo húmedo que contenga, aproximadamente, 50 g de partículas sólidas.

5. Tomar 125 cm3 de solución al 4% de hexametafosfato de sodio preparado para

determinar el valor de la corrección por defloculante y mezclar con la porción de suelo (50g de partículas sólidas) hasta obtener la consistencia de una pasta firme.

6. Con la espátula mezclar completamente el suelo preparado en el paso 5 y vaciar

todo el mezclado al interior del vaso de vidrio.

7. Añadir agua destilada al vaso hasta llenar las 2/3 partes de su volumen y mezclar la suspensión con el mezclador mecánico durante 2 minutos.

8. Transferir el contenido del vaso a la segunda probeta (probeta de ensayo),

teniendo mucho cuidado de no perder material en el proceso (Foto 3-6). Añadir agua destilada hasta completar la marca de 1000 cm³ en la probeta.

9. Con la mano obturar la boca de la probeta y agitar vigorosamente durante 1

minuto (20 veces), haciendo girar 180° en un plano vertical (Foto 3-7).

10. Colocar cuidadosa, pero rápidamente la probeta en la mesa de trabajo, poner en marcha el cronómetro y, poco a poco, sumergir el hidrómetro hasta que comience a flotar. Dejar durante 2 minutos, tomando lecturas a los 15, 30, 60 y 120 segundos (Foto 3–8). Registrar estas lecturas en el formulario LMS-91-08.

11. Retirar el hidrómetro de la probeta de ensayo y sumergir en la probeta de control,

la cual estará junto a la primera de modo que el hidrómetro se encuentre a la misma temperatura que la suspensión en la probeta continua.

12. Determinar y registrar la temperatura de la suspensión (Foto 3-9).

13. Repetir los pasos 9 a 12 hasta obtener un juego consistente de lecturas para los

dos primeros minutos del proceso de decantación.

Registrar las lecturas para tres repeticiones.

14. Reiniciar el ensayo como se indica en los pasos 9 y 10 , pero sumergido el hidrómetro solamente a los 100 segundos para realizar las lecturas de 2 minutos. Después de esta lectura retirar el hidrómetro de la suspensión, determinar y registrar la temperatura.

15. Repetir las lecturas a los 4, 8, 15 y 30 minutos, y a la 1, 2, 4, 8, 24, 48, 72, y 96

horas. El hidrómetro se introduce en la suspensión, aproximadamente 20 segundos antes de hacer Cada una de las lecturas. Se registra la temperatura de esta después de cada operación. El hidrómetro debe permanecer en la probeta de control mientras no se realicen lecturas.

16. Después de la última lectura, agitar vigorosamente la probeta para poner

nuevamente los Sedimentos en suspensión. Transferir la suspensión al plato de 1800 cm³ de volumen y secar la muestra en el horno. Determinar y registrar el peso del suelo seco, sustrayendo la del defloculante.

46

Foto 3-7. Manera de agitar la muestra en la probeta

Foto 3-6. Manera de transferir la muestra a la probeta

Foto 3-8. Toma de lecturas en el hidrómetro durante el ensayo

Foto 3-9. Medición de Temperatura de la suspensión

47

3.3.6. CÁLCULOS El análisis por hidrómetro utiliza la relación entre la velocidad de caída de las esferas en un fluido, el diámetro de la esfera , el peso unitario de las partículas sólidas como la del fluido, y la viscosidad del fluido; en la forma expresada por el físico inglés G.G. Stokes.

2.18

Dv ws

ηγγ −

= (3-7)

Donde: v = Velocidad, (cm/s).

γs = Peso unitario de las partículas sólidas, (g/cm³)

γw = Peso unitario del agua, (g/cm³). η = Viscosidad del agua, (g. s/cm²) D = Diámetro de las partículas sólidas (cm). Si ( L ) represente la distancia de caída de las partículas ( profundidad efectiva ) en un período de tiempo ( t ) dado ( Fig. 3 – 1 ) . La velocidad (v) se puede definir como la distancia L dividida para el tiempo t; y el diámetro de las partículas sólidas se puede determinar por:

( )( )( )

( )

( ) ( ) ( )

( ) ( )9318.60

10

:

83...

18.60

10

10/..18/

60(min).)( 2

2

3

−−

=

−=−

=

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡−

=

ws

ws

ws

A

DondetLA

tLmmD

mmDcmsgcmg

tcmL

γγη

γγη

ηγγ

El valor de (L) cambia conforme el hidrómetro de lecturas diferentes al introducirse en la suspensión (Ver Fig. 3- 1). La calibración de la profundidad efectiva L (cm) se puede determinar de la Fig. 3 – 2. Para varios valores de lecturas en el hidrómetro corregidos por la formación del menisco.

48

Fig. 3-2 Gráfico de: Lecturas del hidrómetro en función de la profundidad efectiva, L.

CÁLCULOS REFERIDOS AL FORMULARIO LMS-2009-08 Columna 5. Registrar los valores de R (Lecturas en la escala del hidrómetro)

correspondientes a los tiempos registrados en la columna 3 (paso 15). Columna 6. Lectura corregida del hidrómetro.

Rc = R - Cd + Ct (3 - 10) Columna 7. Porcentaje que pasa:

Si el peso unitario de las partículas sólidas del suelo ensayado es γs=2.65 g/cm³, entonces el porcentaje que pasa se calcula con la ecuación:

( ) 100.%WsRcpasa = (3 - 11)

Si el peso unitario de las partículas sólidas del suelo ensayado es γs≠ 2.65 g/cm³, entonces el porcentaje que pasa se calcula con la ecuación:

49

( ) 100..%Ws

Rcapasa = (3-12)

( )

( ) 65.2165.1

−=

s

saγγ

(3-13)

donde:

a = Corrección por peso unitario de las partículas sólidas.

Ws = Peso del suelo seco (peso de las partículas sólidas)

NOTA: La corrección (a) se realiza porque los hidrómetros vienen

calibrados para γs = 2.65 g/ cm3. Columna 8. Lectura en el hidrómetro corregido por menisco; para determinar la

profundidad efectiva L (cm).

Rcm = R + Cm (3–14)

Columna 9. Determinación de L (profundidad efectiva correspondiente a cada lectura

efectuada en la escala del hidrómetro y corregido por menisco).

Con los valores de Rcm (col. 8) ingresar al ábaco de la Fig. 3 – 2 y Determinar L (cm).

Columna 10. Determinación de A.

Con el valor de (γs) y la temperatura (T°C) del ensayo registrado para cada lectura en el hidrómetro, ingresar al ábaco de la Fig. 3–3, y determinar los valores de A.

Columna 11. Determinar y registrar D (mm).

( )(min)

.t

cmLAD = (3-8)

50

Fig. 3 – 3 Variación de A con γs y temperatura

INFORME DE RESULTADOS La información obtenida del análisis granulométrico por hidrómetro se presenta en gráfico semilogarítmico curva granulométrica. Ubicando en abscisas a escala logarítmica el diámetro D (mm) de las partículas (col. 10), y en ordenadas a escala aritmética el porcentaje que pasa (col. 7). Generalmente los datos del análisis granulométrico tanto por tamizado como por hidrómetro se combinan, por lo que se recomienda que esta información se presente en la curva granulométrica del formulario LMS-2009-07, realizando los ajustes correspondientes para referirse a la totalidad del suelo ensayado (ver Granulometría combinada). 3.4. GRANULOMETRÍA COMBINADA 3.4.1. INTRODUCCIÓN El análisis combinado o total consiste en aplicar el análisis por tamizado y el método del hidrómetro a las partículas gruesas y finas respectivamente, de un mismo suelo. El diámetro de la partícula está definido por la magnitud del lado de las aberturas del tamiz

51

para las partículas gruesas mientras que el diámetro de las partículas finas está definido por el diámetro de la esfera equivalente. Generalmente, se recurre al análisis combinado si la muestra de suelo contiene más del 25% en peso de partículas retenidas en el tamiz N° 200. 3.4.2. PROCEDIMIENTO De la muestra de suelo a ensayarse: Suelos arcillosos y limosos 200 a 500 g Suelos arenosos 500 a 1000 g Gravas 1000 a 3000 g La cantidad mencionada debe a su vez, dividirse en una porción gruesa y otra fina (partículas mayores y menores que las aberturas del tamiz N° 200) antes de ser sometida al análisis combinado. Esta separación se realiza por lavado a través del tamiz N° 200 de la siguiente manera: 1. Dejar remojar la muestra en una bandeja de plástico (de 2000 cm³ de volumen),

hasta poder formar una suspensión homogénea (máximo 24 horas). 2. Vaciar el contenido de la bandeja sobre el tamiz N° 200, y con la ayuda de la pera

de caucho lavar el suelo lo mejor posible para que todos los finos pasen por él. Recoger la porción fina en otra bandeja.

3. La porción gruesa retenida en el tamiz N° 200, colocar en un plato metálico y

secarle en el horno de temperatura constante. ANÁLISIS POR TAMIZADO Todo el suelo retenido en el tamiz N° 200 y secado en el horno, someterlo al análisis por tamizado (Ver numeral 3. 2). ANÁLISIS POR HIDRÓMETRO Agregar todo el suelo que pasa el tamiz N° 200 durante el tamizado a la porción fina obtenida previamente por lavado a través del mismo tamiz. Con la cantidad de suelo obtenido, formar una suspensión de 1000 cm³ de suelo – agua que no de una lectura en el hidrómetro mayor de 60 g/cm³; y , realizar el análisis por el método del hidrómetro (Ver numeral 3. 3). 3.4.3. CÁLCULOS 1. Reportar los cálculos del análisis por tamizado registrando en el formulario LMS-

2009-07. 2. Reportar los cálculos del análisis por hidrómetro registrando en el formulario LMS-

2009-08.

Note que el porcentaje que pasa calculado y registrado en la columna 7 del formulario LMS-2009-08, no es el porcentaje que pasa basado en la totalidad de la muestra de suelo ensayado. Determinar y registrar el porcentaje que pasa basado en la totalidad del suelo, de la siguiente manera:

52

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡•=

100200.(%))7.((%) NotamizelpasacolValorpasa (3-15)

Donde:

( % ) Pasa el tamiz N° 200 se obtiene del formulario LMS-2009-07.

3. Hacer un gráfico combinando el (%) Pasa en función del tamaño de las partículas en

el formulario LMS-2009-07. 3.4.4. COMENTARIOS GENERALES Se debe recordar, que las dos partes del análisis combinado están basados en diferentes definiciones del tamaño de las partículas. . En general, el tamaño efectivo de una partícula es menor que el agujero del tamiz por donde pasa, pero es mayor que el diámetro equivalente calculado por el método del hidrómetro. Debido a esto, en la zona en que la curva granulométrica puede calcularse por los dos métodos, el análisis por hidrómetro indica tamaños mayores que los obtenidos por medio del tamizado. La precisión de las curvas para suelos de partículas finas, es más dudosa que para suelos de partículas gruesas ; y, aún si tal curva pudiera obtenerse exactamente, tendrá solo un valor limitado debido a que el comportamiento de un suelo cohesivo depende más de sus propiedades plásticas y de su historia geológica que del tamaño de las partículas. Para suelos de partículas gruesas en cambio la curva granulométrica es de mucha utilidad.

53

PROYECTOOBRALOCALIZACIÓNPERFORACIÓN No. PROF. DE: A:P.C.A. No. PROF. DE: A:GRUPO No. OPERADORMUESTRA FECHADESCRIPCIÓN

INEN ASTM D 422

Cm (+) Cd (-)

1 T (ºC)

2

15 30 60 120 T (ºC) Recipiente Nº

Peso del recipiente g

Peso del recip.+suelo seco g

Peso de suelo seco Ws g

TIEMPOTEMPERATU

RA

LECTURA REAL DEL

HIDRÓMETRO

LECTURA CORREGIDA

DEL HIDRÓMETRO

PORCENTAJE QUE PASA

LECTURA DEL

HIDRÓMETRO

CORREGIDA POR

MENISCO

PROFUNDIDAD

EFECTIVA

t T R Rc - R cm L A

min ºC - - % - cm -

2 3 4 5 6 7 8 9 10

0,25

0,50

1

2

4

5

15

30

60

120

240

480

1440

2880

4320

5760

OBSERVACIONES

LMS-2009-8

UNIVERSIDAD CENTRAL

ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO POR HIDRÓMETRO

de Suelos y Pavimentos Teléfono 2238 - 744

[email protected]

MEDICIONES

1


11

Ct

CÁLCULOS

Tiempo (seg)

Lectura 1

PESO DE LAS PARTÍCULAS SÓLIDAS

--------------------------------------Laboratorio de Mecánica

Lectura en el agua

Cd = 1 - 2

CORRECCIÓN POR MENISCO (Cm)

LECTURAS

Lectura inferior

Lectura superior

CALIBRACÍON DEL HIDRÓMETRO

HIDRÓMETRO No. ________________ DEFLOCULANTE USADO : _____________________ γ s = ______________ g/cm³

Cm = 1 - 2

PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO

CORRECCIÓN POR TEMPERATURA

CORRECCIÓN POR DEFLOCULANTE (Cd)

LECTURAS

Lectura en el agua con defloculante

Lectura 2

Lectura 3

PROMEDIO

LECTURAS INICIALES

D

mm

FECHAHORA DE LA

LECTURA

)(

18w

sA

γγ

η −=

(min

))(

tcm

LA

D=

54

4. CONSISTENCIA DE LOS SUELOS

4.1. INTRODUCCIÓN Para determinarse la consistencia de los suelos se hace uso de los límites de Atterrberg, que separan los cuatro estados de consistencia de los suelos coherentes. Estos límites son : Limite Líquido (wL), límite Plástico (wP) y Límite de Contracción (wC), ( Fig. 4-1).

w (%) w = 0 wC wP wL

LÍQUIDO SEMI -SÓLIDO PLÁSTICO SÓLIDO

ESTADOS

Fig. 4–1. Límites de Atterberg o de consistencia

Los Límites de Atterberg son contenidos característicos de agua que se determinan para suelos de partículas finas en las fronteras entre los estados: líquido, plástico, semisólido y sólido. De esta manera si el contenido de agua de un suelo arcilloso se encuentra entre los límites plástico y líquido, el suelo está en un estado plástico. La forma de determinar los límites de consistencia se describen a continuación. 4.2. PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS Es preferible que al prepararlo para el ensayo, el suelo se encuentre con su contenido de agua natural. El secado del suelo puede alterar sensiblemente los valores de los límites. Solo se utiliza la porción de suelo que pasa el tamiz N° 40. El procedimiento de separación de las partículas mayores que tamiz N° 40 se elige en función de su resistencia en estado seco. Se seca al horno un cubo de suelo de 1cm de arista moldeado previamente y se presiona con los dedos. Si se desmorona fácilmente, el suelo es arena – limoso o limoso y se usa el método de separación en seco. En cambio, si el suelo ofrece una resistencia apreciable el suelo es arcilloso y se requiere hacer la separación con ayuda del agua. 4.2.1. EQUIPO

1. Mortero (500 cm³ de volumen) y bolillo con cabeza de caucho. 2. Tamices N° 4 y N° 40 3. Bandejas de plástico (2000 cm³ de volumen). 4. Recipiente metálico o porcelana (350 cm³ de volumen) 5. Recipientes de plástico con tapa hermética (150 cm³ de volumen) 6. Pera de caucho que contiene agua 7. Espátula

55

4.2.2. MÉTODO SECO

1. Del suelo que pasa el tamiz N° 4, desmenuzar 300 g en un mortero, cuidando de

2. Pasar el suelo a través del tamiz N° 40.

Poner en el recipiente metálico o de porcelana el suelo que ha pasado dicho

4. Agregar agua y con la espátula mezclar perfectamente hasta obtener una pasta

5. Guardar la muestra humedecida en el recipiente de plástico tapado

.2.3. MÉTODO HÚMEDO

smoronar el suelo en la bandeja de plástico

2. Sobre el suelo contenido en la bandeja verter la cantidad de agua necesaria para

3. Colocar sobre una bandeja el tamiz N° 40 y verter la suspensión resultante sobre

4. El suelo retenido en el tamiz N° 40 deberá ser devuelto a la bandeja de plástico,

5. Repetir los pasos 2 y 3 recogiendo los finos en la bandeja colocada bajo el tamiz.

. Posteriormente, dejar evaporar el agua del suelo que haya pasado el tamiz N° 40

. Guardar la porción en el recipiente de plástico tapado herméticamente, durante

no romper las partículas individuales.

3.

tamiz.

homogénea y suave.

herméticamente, durante 24 horas, para que el agua se distribuya uniformemente en el suelo.

4

1. De

sumergirlo. Refregar y agitar el suelo con la yema de los dedos, evitando que ninguna cantidad de este salga de la bandeja.

dicho tamiz.

utilizando el chorro de agua de la pera de caucho, por el reverso del tamiz.

6

hasta que este tome la consistencia de una pasta homogénea y suave.

712 horas por lo menos, para que el agua se distribuya uniformemente en el suelo.

56

PRÁCTICA N° 6 Consiste de dos partes, debido a que la determinación del límite líquido y límite plástico de un suelo deben hacerse simultáneamente, para poder establecer correlaciones válidas entre los resultados obtenidos. 4.3. LÍMITE LÍQUIDO 4.3.1. INTRODUCCIÓN El Límite Líquido (wL), se define como el contenido de agua con el cual el suelo cambia del estado liquido al plástico. El método de ensayo consiste en determinar el contenido de agua de un suelo, valiéndose de un dispositivo mecánico (copa de Casagrande) en el que con un determinado número de golpes, se establece la fluencia del suelo en condiciones normalizadas. 4.3.2. DEFINICIÓN En el laboratorio, límite líquido es el contenido de agua con el cual al hacer una ranura normalizada en un suelo colocado en la Copa de Casagrande y darle exactamente 25 golpes con una frecuencia de 2 golpes / seg se cierran los dos bordes inferiores de la ranura del suelo, en una longitud mínima de 1. 3 cm Naturalmente si se cierran con menos de 25 golpes, el contenido de agua es mayor que el límite líquido y si se cierran con más de 25 golpes el contenido de agua es menor que el límite líquido. 4.3.3. OBJETIVO Determinar en el laboratorio el límite líquido de un suelo. 4.3.4. EQUIPO

1. Dispositivo mecánico (Copa de Casagrande Fig. 4- 2) 2. Acanaladores: Tipo ASTM (Fig. 4 – 3a)

Tipo Casagrande o laminar (Fig. 4 - 3b). 3. Recipiente metálico o de porcelana (350 cm³ de volumen) 4. Recipiente de plástico con tapa hermética, que contiene suelo preparado. 5. Equipo para determinar el contenido de agua. 6. Pera de caucho que contiene agua 7. Espátula 8. Franela o esponja.

4.3.5. CALIBRACIÓN DEL EQUIPO 1. Inspeccionar el dispositivo mecánico a fin de determinar que se encuentre limpio,

seco y en buenas condiciones de trabajo, de tal manera que la copa ensamblada (fig. 4-2) desciende libremente y no tenga excesivo juego lateral en su articulación.

En la copa del dispositivo marcar con lápiz una cruz en el centro de la huella que se forma al golpear contra la base (Foto 4- 1).

57

Dar vuelta a la manivela hasta que la copa se eleve a su mayor altura. Utilizando el calibrador adosado al acanalador tipo ASTM verificar que la distancia entre el centro de la parte brillante (cruz) de la copa y la base sea de 1cm exactamente.

2. Si la altura no es exactamente 1cm aflojar el tornillo de ajuste y mover la placa de

ajuste (P. A) (Fig. 4- 2) lo necesario comprobando la altura, hasta obtener la especificada.

Fig. 4–2. Dispositivo mecánico (Copa de Casagrande)

a)

b) Fig. 4–3.Acanaladores

a) Acanalador tipo ASTM b) Acanalador tipo Casagrande

58

Foto. 4–1. Marcación de la cruz en el centro de la huella

4.3.6. PROCEDIMIENTO Se dispone de muestras de suelo que pasan el tamiz N°40, preparadas previamente y listas para la ejecución del ensayo. 1. Mezclar completamente el suelo en el recipiente metálico o de porcelana usando

la espátula hasta obtener una pasta homogénea y densa que pueda moldearse fácilmente con los dedos.

2. Colocar una porción de esta pasta en la copa, sobre la parte que descansa en la

base, extendiéndola rápida y cuidadosamente con la espátula, cuidando que no queden atrapadas burbujas de aire.

3. Con la espátula enrasar la superficie del suelo de tal manera que tenga una

profundidad de 1cm en la sección de espesor máximo, como se indica en la (Foto 4-2); el suelo sobrante regresar al recipiente metálico o de porcelana.

4. Con el acanalador tipo ASTM realizar un canal en el suelo, evitando deslizarlo de

la Copa (Foto 4-3), de manera que el plano de simetría del canal sea perpendicular a la articulación de la copa y procurando además, que el acanalador se mantenga normal a la superficie de la copa.

5. Para evitar la rotura de los lados del canal o el deslizamiento del suelo en la copa, se permiten hacer hasta seis recorridos del acanalador, desde atrás hacia adelante; La profundidad del canal se incrementa en cada recorrido y solo el último debe tocar el fondo de la copa canal en lo posible debe realizarse con el menor número de recorridos del acanalador.

6. Cuidando que la superficie inferior de la copa y la superficie de la base se

encuentren libres de suelo y agua, girar la manivela a una velocidad de 2 golpes/s contar los golpes necesarios para que las dos mitades de suelo se

59

pongan en contacto al fondo del canal en una longitud continua de alrededor de 1.3cm, por fluencia del suelo y no por deslizamiento entre el suelo y la copa (Foto 4-4); registrar el número de golpes necesarios para que esto ocurra (Nota 1).

7. Si el número de golpes para la primera determinación esta entre 25 y 45 golpes,

continuar normalmente como se indica en el paso 8; sino. Añadir agua o secarla al aire, lo que fuere más apropiado y repetir los pasos 3 a 7, hasta que esta condición se obtenga.

8. Regresar el suelo de la copa al recipiente metálico o de porcelana mezclar

completamente, limpiar y secar la copa y el acanalador y repetir los pasos de 2 a 6, hasta que se obtenga dos determinaciones congruentes con diferencia máxima de un golpe. Registrar el resultado o promedio de los dos últimos.

9. Del lugar donde se juntan los bordes del canal, tomar con la espátula una

porción de suelo de alrededor de 20 g, colocarlo en un recipiente adecuado y determinar el contenido de agua.

10. Repetir los pasos 2 a 9 por lo menos cuatro veces, usando el mismo suelo con

nuevos incrementos de agua, los cuales deben hacerse de tal manera que el número de golpes necesarios para cerrar el canal varíe de 45 a 5, de modo que dos ensayos estén bajo los 25 golpes y dos sobre los 25 golpes, (Nota 2). Mezclar el suelo en cada incremento de agua durante 2 minutos por lo menos.

11. Para efectuar los distintos ensayos, hacer el amasado del suelo únicamente

mediante el aumento progresivo de agua, de tal manera que cada vez el suelo se torne más fluido.

NOTA 1.- Algunos suelos tienden a deslizarse en lugar de fluir ; si esto ocurre, el resultado no es válido y debe repetirse el ensayo añadiendo agua hasta que ocurra el flujo, si después del incremento adicional de agua el suelo sigue deslizándose, el ensayo no es aplicable , debiéndose anotar que el límite líquido no puede determinarse. NOTA 2.- Con este proceso se tiende a obtener suelos de una consistencia tal, que se puede hacer un ensayo dentro de cada una de, las siguientes escalas de golpes : 45 – 35 : 35 – 25 , 25- 15 ; 15- 5 ; de modo que la variación de cada ensayo sea de por lo menos 5 golpes.

Foto 4-2. Suelo colocado y nivelado en la copa

Paso 2. Colocación de la muestra en la copa

60

Foto 4-3. Suelo partido con el acanalador antes del ensayo

Paso 6. Girar la manivela a 2 golpes/segundo.

Foto 4-3. Suelo partido con el acanalador después del ensayo

Paso 9. Recuperar 20g de suelo del lugar donde se juntan los bordes del canal

Paso 9. Determinar el contenido de agua de la porción de suelo recuperada.

61

4.3.7. CÁLCULOS 1. El contenido de agua (paso 9), se calcula con :

1001332(%) •

−−

=WWWWw (Ec. 2-5)

2. Los datos obtenidos registrar en el formulario LMS-2009-09; y, graficar en un

papel semilogaritmico, representando los contenidos de agua a escala aritmética como ordenadas, y el número de golpes a escala logarítmica como abscisas, de esta manera se determina un punto para cada ensayo realizado..

3. Trazar la línea de flujo, interpolando con una línea recta y de la manera más

aproximada los cuatro o más puntos registrados.

4. El límite líquido del suelo ensayando se determina por el contenido de agua (ordenada) correspondiente a la intersección de la línea de flujo con los 25 golpes (abscisa), el mismo que debe redondearse a tres cifras significativas (por ejemplo: wL = 27, 4%)

5. El índice de flujo (If), se determina con:

1

2

21

logNNwwIf −

= (4–1)

Donde:

w 1 = contenido de agua, en % correspondiente a N1 golpes w 2 = contenido de agua, en % correspondiente a N2 golpes 4.3.8. INFORME DE RESULTADOS Todos los resultados y observaciones que se hagan durante el ensayo deben registrarse en el formulario LMS-2009-09. Si el límite líquido forma parte de otros ensayos, es preferible utilizar la lámina de registro recomendada en los ensayos respectivos. 4.3.9. COMENTARIOS GENERALES La resistencia del suelo a la deformación de los lados de la ranura es la resistencia al corte del mismo; por lo tanto, el número de golpes necesarios para cerrar la ranura es una medida de la resistencia al corte del suelo a ese contenido de agua. Los suelos tienen en el límite líquido, una resistencia muy pequeña al esfuerzo cortante, pero definida que es de 25 g/cm 2.

62

4.4. LÍMITE PLÁSTICO 4.4.1. INTRODUCCIÓN El limite plástico (wP), es el contenido de agua con el cual los suelos cohesivos pasan del estado semi- sólido al estado plástico. En el laboratorio, límite plástico es el contenido de agua al cual los rollos de suelo que se está ensayando se agrietan y comienzan a separarse durante la operación de rolado, cuando llegan a los 3mm de diámetro. Naturalmente, si se agrietan antes de llegar a los 3cmm el contenido de agua es menor al límite plástico y si al llegar a ellos no se ha agrietado, el contenido de agua es mayor que el límite plástico. 4.4.2. OBJETIVO Determinar en el laboratorio el límite plástico de un suelo. 4.4.3. EQUIPO

1. Placa de vidrio, para rolado ( 15* 15 cm aproximadamente ), 2. Recipiente de plástico con tapa hermética, que contiene suelo preparado. 3. Recipiente metálico o de porcelana ( 350 cm³ de volumen ) 4. Pera de caucho que contiene agua 5. Hojas de papel periódico 6. Espátula, franela

4.4.4. PROCEDIMIENTO Se dispone de muestras de suelo que pasan el tamiz N° 40, preparadas previamente y listas para la ejecución del ensayo. 1. Pesar una cantidad aproximada de 30g de suelo preparado previamente. 2. Mezclar completamente el suelo en el recipiente metálico o de porcelana usando la

espátula, hasta obtener una pasta homogénea y densa que pueda moldearse fácilmente con los dedos sin que se adhiera a ellos.

3. Tomar aproximadamente 10g de la cantidad de suelo preparado según el paso 2,

moldearla entre los dedos, en un ovoide, luego amasar y rodar entre las palmas de las manos hasta que la humedad del suelo sea cercana al límite plástico. Si el suelo está muy húmedo, para secarlo rápidamente se recomienda colocar al suelo encima de un papel periódico y extenderlo con la espátula, luego recogerlo y repetir el paso 3.

4. Rolar este ovoide entre las puntas de los dedos y la placa de rolado con una presión

suficiente como para formar con el suelo un rollo de 3mm de diámetro en 5 a 15 movimientos completos (hacia delante y hacia atrás) de la mano, a una velocidad de 80 a 90 movimientos por minuto, (foto 4- 5).

5. Si el rollo de suelo se desmenuza antes de alcanzar los 3mm de diámetro, añadir

agua a toda la masa de suelo. Volver a mezclarlo en el recipiente metálico o de porcelana, amasarlo completamente y proceder como se indica en los pasos 3 y 4.

6. Si el rollo alcanza un diámetro menor de 3mm sin mostrar señales de agrietamiento,

se tiene una humedad mayor que el límite plástico. Volver a amasarlo completamente y proceder como se indica en los pasos 3 y 4.

63

7. Cuando el rollo de suelo se agrieta y empiece a desmoronarse al llegar a los 3mm, se habrá alcanzado el contenido de agua correspondiente al límite plástico, la que se medirá usando todos los pedazos del rollo.

8. Recoger las porciones desmenuzadas del rollo de suelo en un recipiente adecuado y

determinar el contenido de agua.

9. Dos porciones más serán tratadas como se indican en los pasos 3 a 8 de modo que se hagan tres determinaciones de límite plástico de la cantidad de suelo pesada en el paso 1.

Foto 4-5. Rolado de los rollos

4.4.5. CÁLCULOS

1. El contenido de agua (paso 8), se determina con:

1001332(%) •

−−

=WWWWw (Ec. 2-5)

2. El valor del límite plástico del suelo será la media aritmética de los tres

resultados, redondeada a tres cifras significativas; por ejemplo: wP=15.6%

64

4.4.6. ÍNDICES DE CONSISTENCIA

1. Índice de plasticidad (IP), se calcula con la ecuación:

IP=wL - wP (4–2) El índice de plasticidad, puede estar bajo las condiciones siguientes:

a. Cuando no puede determinarse el límite plástico, el índice de plasticidad debe informarse como no plástico (NP).

b. Cuando el límite plástico es igual o mayor que el límite líquido, el índice de

plasticidad debe indicarse como CERO.

2. Índice de Tenacidad (IT), se calcula con la ecuación:

IfIpIT = (4-3)

3. Índice de Liquidez (IL), se calcula con la ecuación:

Ip

wwI pN

L

−= (4-4)

4. Índice de Consistencia (IC), se calcula con la ecuación:

Ip

wwIc NL −= (4–5)

Donde: wN = Contenido natural de agua. 4.4.7. INFORME DE RESULTADOS Todos los resultados y observaciones que se hagan en el ensayo deben registrarse en el formulario LMS-2009-09. Si el límite plástico forma parte de otros ensayos, es preferible utilizar la lámina de registro recomendada en los ensayos respectivos. La máxima variación entre los valores absolutos de la determinación efectuada por triplicado del límite plástico no debe exceder del + 5%: en caso contrario, debe repetirse el ensayo.

65

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN



GRUPO No. OPERADOR

MUESTRA FECHA

DESCRIPCIÓN

INEN ASTM D 4318

peso+ suelo húmedo

+ suelo seco

W1 W2 W3 w HUMEDAD NATURAL w n = %

g g g % LÍMITE LÍQUIDO w L = %

LÍMITE PLÁSTICO w P = %

1 ÍNDICE DE PLASTICIDAD Ip = %

2 INDICE DE FLUENCIA I f = %

3 ÍNDICE DE TENACIDAD I T =

4 ÍNDICE DE LIQUIDEZ I L =

5 ÍNDICE DE CONSISTENCIA I C =

CLASIFICACIÓN S.U.C.S. =

1

2

3

OBSERVACIONES

LMS-2009-9

RESULTADOS


--------------------------------------


LÍMITE LÍQUIDO

LÍMITE PLÁSTICO

ENSAYO No.

Número de golpes

UNIVERSIDAD CENTRAL

LÍMITES LÍQUIDO Y PLÁSTICO



[email protected]

recipiente

No.

peso recipiente contenido de agua

1 10 100

NÚMERO DE GOLPES

CO

NTE

NID

O D

E A

GU

A (%

)

25

66

PRÁCTICA N° 7 4.5. LÍMITE DE CONTRACCIÓN 4.5.1. INTRODUCCIÓN Los límites líquido y plástico pueden utilizarse para predecir la presencia potencial de problemas de suelos debido a su capacidad de cambio de volumen. Sin embargo, para obtener una indicación cuantitativa del cambio en contenido de agua que acompaña al cambio volumétrico, es necesario hacer un ensayo de límite de contracción. Un suelo húmedo se contrae por secado hasta que alcanza el contenido de agua igual al límite de contracción. 4.5.2. DEFINICIÓN Limite de contracción (wc), es el contenido de agua por debajo del cual una reducción de agua no origina una disminución en el volumen de la masa del suelo. 4.5.3. OBJETIVO Determinar el límite de contracción de un suelo. 4.5.4. EQUIPO

1. Cápsula de contracción (metálico o de porcelana, de fondo plano y de 4. 4.0cm de diámetro por 1.27cm de altura).

2. Recipiente cilíndrico de vidrio (5.72cm de diámetro por 3.18cm de altura). 3. Placa de vidrio con tres patitas metálicas para sumergir al suelo en el mercurio. 4. Plato de porcelana o de plástico (350cm³ de volumen). 5. Regla de acero (10cm de longitud). 6. Balanza de precisión, con aproximación 0.01 g. 7. Mercurio en cantidad necesaria para llenar el recipiente de vidrio (200cm³). 8. Recipiente metálico o de porcelana (350 cm³ de volumen). 9. Recipiente de plástico con tapa hermética, que contiene suelo preparado. 10. Espátula y franela.

Foto 4-6. Equipo para determinar el límite de contracción

67

4.5.5. PROCEDIMIENTO Se dispone de muestras de suelo que pasan el tamiz N° 40, preparadas previamente y listas para la ejecución del ensayo. 1. Al suelo preparado previamente dejar secar si fuere necesario, o añadir agua y

mezclar completamente en el recipiente metálico o de porcelana usando la espátula, hasta que su contenido de agua esté ligeramente por encima del límite líquido (19 a 23 golpes en la copa de Casagrande).

2. Registrar el número de la cápsula de contracción en el formulario LMS-2009-10. 3. Determinar y registrar el peso de la cápsula de contracción (W1). 4. Cubrir el interior de la cápsula de contracción con una capa muy delgada de Vaselina

uniformemente distribuida para evitar la adhesión del suelo a las paredes. 5. Con la espátula, colocar la pasta de suelo en el centro de la cápsula de contracción,

en una cantidad equivalente a un tercio de su capacidad (Foto 4-7). Inducir al suelo a que fluya radialmente, golpeando suavemente la cápsula sobre la mano apoyada en la mesa de modo que el llenado de la misma no incluya la formación de burbujas de aire.

6. Agregar una nueva porción de la pasta de suelo, igual al anterior y repetir el proceso

descrito, hasta llenar completamente la cápsula y el suelo en exceso se derrame por los bordes.

7. Con la espátula enrasar la superficie del suelo en la cápsula, limpiar la misma

perfectamente por el exterior. Determinar y registrar el valor de su peso (W2).

8. Dejar secar el suelo al aire hasta que cambie de color (o pierda brillo), luego colocarla en el horno a temperatura constante de 60° + 5°C por el lapso de 6 horas; más tarde subir la temperatura a 105° C + 5°C, hasta secar completamente el suelo (24 horas).

9. Sacar del horno la cápsula más suelo seco y dejar que se enfríe durante 3 a 5

minutos. Determinar y registrar el valor de su peso (W3). 10. Determinar el volumen del suelo seco (Vf) de la siguiente manera: 10.1. Colocar el recipiente de vidrio dentro del plato de porcelana. 10.2. Llenar el recipiente de vidrio con mercurio. 10.3. Enrasar el mercurio contenido en el recipiente de vidrio con la placa de vidrio,

colocando este con las patitas hacia adentro. Limpiar cuidadosamente el recipiente de vidrio y retirar el exceso de mercurio que puede haberse derramado en el plato.

10.4. Volver a colocar el recipiente de vidrio dentro del plato, e introducir la pastilla de

suelo seco en el mercurio, hundiéndola con las 3 patitas de la placa de vidrio. Para evitar que quede aire debajo de la pastilla de suelo es conveniente hundirla inclinada (Foto 4-8). La placa se presiona y se mueve para que rebose y se riegue todo el mercurio desplazado por la pastilla.

10.5. Retirar la placa y la pastilla manteniéndola inclinada, para que no arrastre

mercurio. 10.6. Limpiar todo el mercurio que haya quedado adherido al recipiente de vidrio

cuidando que caiga dentro del plato de porcelana. El mercurio que hay en el plato corresponde al volumen del suelo seco (Vf) que se mide determinando el peso del

68

mercurio y dividiendo este valor para el peso unitario del mercurio (γHg = 13.57 g/cm3).

11. Determinar el volumen de la cápsula de contracción (Vi) de la siguiente manera: llenar con mercurio la cápsula hasta derramarla y enrasar mediante la placa de vidrio que se presiona hacia abajo para forzar el excedente a salir de la cápsula. Determinar y registrar el peso del mercurio contenido, dividiendo este valor para el peso unitario del mercurio obtener el valor del volumen de la cápsula, que es igual, al volumen inicial de la pastilla de suelo.

Foto 4-7. Forma de colocar el suelo en la cápsula

Foto 4-8. Manera de introducir la pastilla de suelo seco

69

4.5.6. CÁLCULOS

1. El contenido de agua inicial del suelo, se calcula con la siguiente ecuación:

( ) 100.%13

32

WWWW

wi−−

= (Ec. 2-5)

2. El límite de contracción del suelo, se calcula con:

( )100.

.WsVfVi

wiwc wγ−−= (4-6)

Donde: wC = Límite de contracción (%) wi = Contenido de agua inicial Vi = Volumen inicial de la pastilla de suelo (igual al volumen de la cápsula de contracción) Vf = Volumen final de la pastilla de suelo (suelo seco) γw = Peso unitario del agua (γw = 1g/cm3) Ws = W1 – W3 = Peso del suelo seco (Peso de las partículas sólidas) Para interpretar la ecuación se hace el siguiente análisis: (Tomado de Ref. 8) La contracción de los suelos se produce por efecto de las fuerzas de tensión superficial que se desarrollan en el contacto aire – agua de los poros del suelo. Se ha preparado una pasta de suelo con un determinado contenido de agua wi que permite moldear la pasta en un molde de volumen conocido Vi. Después de algún tiempo se evapora una cierta cantidad de agua dejando vacío un volumen equivalente. El suelo tendrá entonces un cierto contenido de agua, digamos w1 y un cierto volumen, digamos V1. La disminución de volumen debe ser exactamente equivalente a la disminución del contenido de agua, esto es, ΔV = Δw. Continuando el proceso de evaporación se producirán nuevos estados, caracterizados por sus respectivos contenidos de agua y volúmenes, hasta que el suelo esté totalmente seco. En los primeros estados intermedios la ley de ΔV = Δw se cumple; no así en las fases finales en las que la disminución de volumen es más lento por cuanto las fuerzas de tensión superficial van desapareciendo y, en consecuencia, también las reacciones que provocan el “encogimiento” del suelo, (Fig 4-4).

Vi

wi

V1

w1

V2

w2

Vf

w=0

Fig. 4-4. Contracción de los suelos Si representamos en un sistema de coordenadas rectangulares los contenidos de agua (abscisas) y volúmenes del suelo (ordenadas) en los diferentes estados, obtenemos un gráfico como el de la Fig. 4-5.

70

Fig. 4-5. Definición del límite de contracción En los primeros estados se cumple la ley de ΔV = Δw Este razonamiento conduce al concluir que la contracción de los suelos es un fenómeno lineal en su comienzo; más aún, siendo iguales los decrecimientos de las variables contenido de agua y volumen, se deduce que la recta que se forma es una recta inclinada a 45º, cuya pendiente es 1. Sin embargo, se ha encontrado experimentalmente, y esto concuerda con la realidad, que en un cierto momento se produce la inclusión de partículas de aire lo cual determina un decrecimiento más lento del volumen del suelo y, por lo tanto, el proceso ya no obedece a una ley lineal sino que se continua, dando origen a una curva que termina en el punto Vf. Este volumen final Vf comprende tanto el volumen de las partículas sólidas como el volumen del aire incluido entre ellas. De continuarse la recta IT este cortaría al eje OV (ordenadas) en un punto que determinaría el volumen de las partículas sólidas Vs, con un contenido de agua igual a cero. El límite de contracción se define como el contenido de agua correspondiente a la abscisa del punto D, que es la intersección de la prolongación de la recta IT y la tangente horizontal trazada por Vf. En efecto el suelo no disminuirá de volumen una vez alcanzado el volumen final Vf. 4.5.7. OTROS CÁLCULOS

1. Relación de contracción (Rc), es el cociente entre el peso de las partículas sólidas y el volumen de la pastilla de suelo seco.

wVfWsRcγ.

= (4-7)

2. Contracción volumétrica (Vc), relación expresada en porcentaje entre el

volumen contraído y el volumen original de un suelo.

Vc = (wi – wc). Rc (4-8)

71

3. Contracción lineal (Ls), es el decrecimiento en una dimensión de un suelo, expresado en porcentaje respecto a la dimensión original, cuando el contenido de agua se ha reducido desde un valor dado hasta su límite de contracción.

100.100

1001 3⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

+−=

VcLs (4-9)

4. Peso unitario de las partículas sólidas.

1001

1Ws

Rc

s

−=γ (4-10)

4.5.8. INFORME DE RESULTADOS

1. Como resultado final, debe registrarse la media aritmética de las dos o tres determinaciones que deben hacerse simultáneamente, redondeada a tres cifras significativas; por ejemplo: wc = 39.2%.

2. Los resultados y observaciones que se hagan en el ensayo deben registrarse

en el formulario LMS-2009-10.

72

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN



GRUPO No. OPERADOR

MUESTRA FECHA

DESCRIPCIÓN

INEN ASTM D 427

Peso

W1

g

1

2

3

Peso

W1 W Vf

g g cm³

1

2

3

Wc = %

Rc = %

Vc = %

Ls = %

OBSERVACIONES:

LMS-2009-10

g

Ws w i

- Vi Vf

Peso del Mercurio

Volumen de la cápsula

Mercurio Desplazado

Volumen de la muestra seca

1

3

2

2

CONTRACCIÓN VOLUMÉTRICA ENSAYO Nº

3

1

CONTR. VOLUMÉTRICA

CONTRACCIÓN LINEAL ENSAYO Nº CONTR. LINEAL PROMEDIO

2

3

PROMEDIO

LÍMITE DE CONTRACCIÓN

RELACIÓN DE CONTRACCIÓN ENSAYO Nº REL. DE CONTRACCIÓN PROMEDIO

1

RESULTADOS

ENSAYO Nº

3

1

2

LIM DE CONTRACCIÓN PROMEDIO

CALIBRACIÓN DE LA CÁPSULA VOLUMEN DE LA MUESTRA

-cm³g g

Peso de la cápsula + Mercurio

g g

Peso del Suelo Seco Peso de la cápsula

+ Suelo Húmedo + Suelo Seco

W2 W3 Ww

Contenido de agua

%g

cm³

Peso del Agua

UNIVERSIDAD CENTRAL


--------------------------------------




[email protected]

L Í M I T E D E C O N T R A C C I Ó N

ENSAYO Nº

Nº

ENSAYONº Nº

CÁPSULA

CÁPSULA

100)( xWs

wVfViwiWc γ×−−=

VfxwWsRc γ=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

+−= 3

1001001100

VcLs

( )xRcWcwiVc −=

73

5. CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS

5.1. INTRODUCCIÓN Dada la gran variedad de suelos que se presentan en la naturaleza, la Mecánica de Suelos ha desarrollado algunos métodos de clasificación de los mismos. Cada uno de estos métodos tiene prácticamente, su campo de aplicación según la necesidad y uso que los haya fundamentado. Así se tiene la clasificación de los suelos según el tamaño de sus partículas, la clasificación de la Asociación Americana de Funcionarios de Carreteras Públicas y Transportes (AASHTO), la clasificación de la Administración de Aeronáutica Civil (CAA), el Sistema Unificado de Clasificaciones de Suelos (SUCS), etc. A continuación se expone detalladamente dos métodos de clasificación de suelos, aplicados a la Ingeniería Civil. Los estudiantes como práctica estudiantil clasificarán a los suelos usando el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS), procedimiento Manual - Visual y procedimiento de Laboratorio. La clasificación AASHTO se expone al lector interesado. PRÁCTICA N° 8 5.2. SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS.

PROCEDIMIENTO MANUAL – VISUAL 5.2.1. INTRODUCCIÓN En la naturaleza, los suelos rara vez existen separadamente en forma de grava, arena, limo, arcilla o materia orgánica; generalmente se encuentran mezclados en proporciones variables. El procedimiento de clasificación Manual – Visual del Sistema Unificado se basa en el reconocimiento del tipo y predominio de los suelos constituyentes, y considera graduación, plasticidad y contenido orgánico Esta clasificación divide a los suelos en tres grupos principales; suelos de partículas gruesas, finas y de alto contenido de materia orgánica. 5.2.2. OBJETIVO Clasificar los suelos para propósitos de Ingeniería Civil, basado en el examen visual, y en ensayos manual simples. 5.2.3. SIMBOLOGÍA 1. Según la clasificación

G = grava S = arena C = arcilla M = limo

74

O = suelo orgánico Pt = suelo altamente orgánico (turba) 1. Según la condición W = buena graduación P = uniforme o mal graduada H = de alto límite líquido L = de bajo límite líquido El símbolo del suelo se logra uniendo dos letras: la primera lo identifica y la segunda lo describe 5.2.4. EQUIPO 1. Bandeja de plástico con agua (2000 cm³ de volumen) 2. Espátula 3. Pera de caucho que contiene agua 4. Base rígida (mesa de trabajo) 5. Franela o esponja 5.2.5. MUESTRAS DE SUELO Cada grupo dispondrá de 3 muestras de diferentes suelos en fundas de plástico con su debida identificación y en cantidad suficiente, la cual está en función de la graduación y tamaño máximo de las partículas. El mínimo peso seco de la muestra debe estar en concordancia con los valores recomendados para uso general de laboratorio, Tabla 5-1.

TAMAÑO MÁXIMO DE LAS PARTÍCULAS MÍNIMO PESO SECO ASTM INEN Ws (g) No. 40 425 mm 50 No. 4 4.75 mm 100

½ pulg. 12.7 mm 500 2 pulg. 50.8 mm 1000

Tabla 5-1. Cantidad mínima de la muestra.

5.2.6. PROCEDIMIENTO De cada muestra de suelo reconocer y describir las principales características físicas de las mismas. Tomar una porción representativa del suelo y extenderla sobre la palma de la mano, estimando los porcentajes de los componentes: suelos de partículas gruesas y finas. Hacer la primera separación entre suelos de partículas gruesas y partículas finas, teniendo como criterio la estimación del porcentaje (al peso) de partículas que pueden ser individualizadas con la vista. Si este procedimiento no es suficiente para estimar la granulometría, tomar un volumen de suelo que pueda lavarse en el cuenco de la mano y separar de esta forma las partículas finas, llegando a determinar la cantidad de partículas gruesas en porcentaje de la porción inicial.

75

1. Clasificación preliminar Mediante un análisis visual del suelo “material que pasa el tamiz de 7.5cm (3”) clasifique al mismo en uno de los siguientes grupos: a. Suelos de partículas gruesas: Aquellos que más de la mitad de las partículas de su

masa son distinguibles a simple vista. b. Suelos de partículas finas: Aquellos que más de la mitad de las partículas de su

masa no son distinguibles a simple vista. c. Suelos orgánicos: Aquellos que contienen un alto porcentaje de materia orgánica,

la cual puede darle una textura fibrosa, un color muy oscuro y negro y un olor putrefacto. Según el porcentaje de materia orgánica pueden ser altamente orgánicos o parcialmente orgánicos.

2. Procedimiento para la clasificación de suelos de partículas gruesas Examine cuidadosamente la muestra y clasifique al suelo de partículas gruesas como sigue: a. GRAVA (G), si más de la mitad de las partículas gruesas son mayores a 0.5cm; o, b. ARENA (S), si más de la mitad de las partículas gruesas son menores a 0.5cm. 3. Procedimiento para la clasificación de grava Clasifique a la grava como grava limpia si el contenido de material fino cuyas partículas no distinguibles a simple vista es menor a 5%. La grava limpia puede a su vez clasificarse en uno de los dos grupos siguientes: a. Grava bien graduada (GW). Si tiene una amplia gama de tamaño de partículas y

no se nota ausencia de los tamaños intermedios. b. Grava mal graduada (GP). Si predomina un solo tamaño o se nota ausencia de

algunos tamaños intermedios. Clasifique a la grava como grava con finos (grava sucia) si el contenido del material cuyas partículas no distinguibles a simple vista es mayor al 12%. La grava con finos puede a su vez clasificarse en uno de los dos grupos siguientes: a. Grava limosa (GM). Si las partículas finas tienen poca o ninguna plasticidad según

el criterio de clasificación que se da para el limo, usando las partículas finas del suelo, ANEXO A.

b. Grava arcillosa (GC). Si las partículas finas son plásticas según el criterio de

clasificación que se da para la arcilla, usando las partículas finas del suelo. ANEXO A.

4. Si la muestra de suelo es una arena, repetir los mismos pasos y criterios que se

siguieron para la grava y determinar si el suelo es una arena limpia bien graduada (SW), mal graduada (SP), arena con partículas finas limosas (SM) o arcillosas (SC).

5. Procedimiento para la clasificación de suelos de partículas finas y suelos

orgánicos.

76

Seleccionar una cantidad representativa del suelo que se está examinando, y describir el color según la tabla 1- 2 ( Ver capítulo 1 ); y, el olor del suelo. a. Clasifique al suelo como orgánico (O), si tiene el color oscuro o negro y un

característico olor orgánico. b. Clasifique al suelo como altamente orgánico (Pt), si además de lo indicado en el

párrafo anterior, presenta una textura fibrosa, masa esponjosa, y, restos semidescompuestos de vegetación.

De la muestra de suelo de partículas finas, seleccionar una cantidad suficiente (10cm³) aproximadamente 25g, y realizar los ensayos manuales de Dilatancia, Tenacidad y Resistencia en estado seco, ANEXO A. Con estos resultados describir su plasticidad y clasificar al suelo con su nombre típico apropiado, según indica la Tabla 5-2. 5.2.7. INFORME DE RESULTADOS El informe sobre este ensayo debe contener: 1. Identificación de las muestras. Capítulo 1, numeral 1. 6. 2. Descripción de las muestras. Capítulo 1, numeral 1.5.5. 3. Los resultados de la estimación de: reacción al sacudimiento, tenacidad y de la

dureza en estado seco, que se usan para describir y clasificar suelos finos; así, como las apreciaciones granulométricas de aplicación principal en suelos de partículas gruesas; todos ellos, deben constar en el formulario LMS-2009-11.

Emplear luego el diagrama de flujo de la Fig. 5-1 para la clasificación del suelo por el procedimiento manual – visual y ubicar al mismo en uno de los distintos grupos.

ANEXO A: ENSAYOS MANUALES - VISUALES El procedimiento que se expone es una adaptación al proceso descrito por el Dr. Ing. Juan Sevilla (Ref. 8). Sirven para la descripción y clasificación de suelos de partículas finas y deben hacerse con la porción de suelo que pasa el tamiz N° 40 (425μm, aproximadamente 0.4 mm). Para fines de clasificación si no se usa el tamiz, simplemente se retiran a mano las partículas gruesas que obstruyen o dificultan los ensayos. A.1 Ensayo de Dilatancia (reacción al agitado o sacudimiento) 1. Añadir suficiente agua a la muestra representativa del suelo de partículas finas

(volumen equivalente a un cubo de 1.5cm de arista) y mezclar completamente con la espátula hasta obtener una pasta de suelo blanda pero no pegajosa, que pueda moldearse entre los dedos.

2. Colocar la pasta de suelo en la palma de la mano que se moverá rápidamente en

sentido vertical hasta detenerla con golpe seco contra la otra mano, contando los golpes hasta que aflore el agua a la superficie del suelo.

77

3. Tomar la porción de suelo entre los dedos, pulgar e índice, y apretarla observando si el agua que se había aflorado es nuevamente reabsorbida por el suelo, y si la pasta de suelo se vuelve frágil y finalmente se resquebraja o desmorona.

4. La velocidad con que el agua aflora a la superficie y con que es reabsorbida, es

representativa de la reacción al sacudimiento, la que se clasificará en la siguiente forma:

a. Rápida. Si en 2 o 4 veces de golpear la mano con la muestra aflora rápidamente una apreciable cantidad de agua dándole un aspecto brillante, y al tratar de oprimirla, esta desaparece inmediatamente cambiando su aspecto.

b. Mediana. Si se requiere de 4 a 8 golpes, para que el agua aparezca en la

superficie, dándole un aspecto poco brillante, y al tratar de oprimirla esta no desaparece rápidamente.

c. Lenta. Si se requiere de 8 a 15 golpes, para que aparezca alguna cantidad de

agua dándole un aspecto mate y al oprimirla, esta no desaparece completamente.

d. Muy Lenta. Si se requiere de 15 a 20 golpes, para que aparezca poca

cantidad de agua dándole un aspecto opaco, y al tratar de oprimirla tenga el mismo aspecto.

e. Nula. Si el agua no aparece a pesar de más de 20 golpes y no se produce

ningún cambio visible en la superficie de la pasta de suelo. A-2 Ensayo de Tenacidad (consistencia cercana al límite Plástico) 1. Añadir suficiente agua a la cantidad representativa del suelo de partículas finas

(volumen equivalente a un cubo de 1.5cm de arista) y mezclar completamente con la espátula hasta obtener una pasta de suelo blanda pero no pegajosa, que puede moldearse fácilmente.

2. A la cantidad de suelo así preparado, darle la forma de bolita y rodillarla sobre una

superficie plana y lisa, o entre las palmas de las manos igual al ensayo de límite plástico. Con el amasado y rodillado se disminuye el contenido de agua hasta el correspondiente al límite plástico, que se reconoce por la fisuración del rodillo al llegar a un diámetro de aproximadamente 3mm, y por la imposibilidad de obtener diámetros menores debido al desmoronamiento correspondiente.

3. Una vez que se ha obtenido el contenido de agua del límite plástico, recoger los

trozos del límite plástico, recoger los trozos del rodillo desmoronado y unir entre sí en una bolita que se sigue amasando entre los dedos, hasta que la masa se desmorone nuevamente.

4. La mayor o menor dureza del rodillo al acercarse al limite plástico y la rigidez de la

bolita al deformarla finalmente entre los dedos es indicativo de la preponderancia de la fracción arcillosa del suelo. Se calificará en la siguiente forma:

a. Tenacidad alta. Si la bolita puede ser amasada con un contenido de agua

mayor al límite plástico, se necesita fuerte presión de los dedos para conseguir su deformación y el rodillo resultante es muy rígido.

b. Tenacidad media. Si el rodillo es medianamente rígido y la bolita formada por

los trozos no presente mayor resistencia a la deformación con los dedos; y, se desmorona cuando el contenido de agua es ligeramente menor que el límite plástico.

c. Tenacidad ligera. Si el rodillo es blando, se rompe fácilmente y sus trozos no

pueden juntarse cuando el contenido de agua es ligeramente menor que el límite plástico.

78

A.3 Ensayo de Resistencia en estado seco (Resistencia a la Rotura) 1. Moldear el suelo en dos cubos de 1.0cm de arista cada uno añadiendo agua sí es

necesario y dejar secar completamente al sol, al aire, o por cualquier otro método siempre que la temperatura no exceda de los 105 + 5°C.

2. Cuando los cubos estén completamente secos. Pruébese sus resistencias tratando

de romperlos o desmenuzarlos entre los dedos.

Los términos que califican esta resistencia son los siguientes:

a. Muy Alta. Si el cubo no puede romperse entre los dedos o entre el pulgar y una superficie dura.

b. Alta. Si el cubo puede romperse entre los dedos o entre el pulgar y una

superficie dura, los trozos no pueden ser reducidos a polvo, quedando aristas definidas.

c. Media. Si el cubo puede romperse entre los dedos de las manos y los trozos

pueden ser reducidos a polvo aunque con dificultad. d. Ligera. Si el cubo con una ligera presión de los dedos tiene una rotura violenta

y el suelo es fácilmente convertido en polvo. Característico de los suelos poco plásticos.

e. Nula. Si el cubo no mantiene la forma original sin ninguna presión de los

dedos.

79

SUELOS DE PARTICULAS GRUESASMás de la mitad del material es retenido en el tamiz de 0,75um (Nº 200)

a abertura del tamiz de 75 um (malla Nº 200) corresponde aproximadamente al tamaño de la menor partícula apreciable a simple vista)GRAVAS

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alta

SM SC

ARENAS

Más de la mitad de la fracción gruesa pasa el tamiz de 4,75mm (Nº 4)

SP

ARENAS LIMPIAS ARENAS CON

(Poco o nada de partículas finas)

(Cantidad apreciable de

partículas finas)

(Para clasificación visual puede suponerse que la abertura del tamiz de 4,75mm (Nº 4) equivale a 5mm

RE

SIS

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o

(L

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GRAVAS LIMPIAS

(Poco o nada de partículas finas)

GRAVAS CON (Cantidad

apreciable de partículas finas)

LIMOS Y ARCILLAS Con baja plasticidad o

compresibilidad y límite líquido menor de 50

Más de la mitad de la fracción gruesa es retenida en el tamiz de 4,75mm (Nº 4)

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SUELOS DE PARTÍCULAS FINAS mitad del material pasa el tamiz de 75um(Nº 200) Más de la

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Tabla 5-2. Sistema Unificado de Clasificaión de Suelos Procedimiento Manual Visual, (Ref. 11)

80

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ELO

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DIM

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si

si

NOTA: F = FINOS Fig 5-1. Sistema Unificado de Clasificaión de Suelos

Procedimiento Manual Visual, (Ref. 8)

81

PRÁCTICA No.

FECHA

GRUPO No.

OPERADOR

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.

Perf

.

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Perf

.

LMS-2009-11



[email protected]

UNIVERSIDAD CENTRAL


--------------------------------------


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No.

82

PRÁCTICA N° 9 . 5.3. SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS.

PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO 5.3.1. INTRODUCCIÓN Este sistema fue propuesto por Arthur Casagrande como una modificación y adaptación más general a su sistema de clasificación propuesto en 1942 para aeropuertos. En este sistema de clasificación, los suelos se dividen en tres grupos principales: de partículas gruesas, de partículas finas y altamente orgánicos. Para los dos primeros grupos las partículas del suelo se distinguen mediante el cribado en el tamiz No. 200. Los suelos de partículas gruesas corresponden a los retenidos en dicho tamiz y los finos a los que lo pasan; y así, un suelo se considera grueso si más del 50% de las partículas del mismo son retenidas en el tamiz No. 200, y fino si más del 50% de sus partículas pasan dicho tamiz. Los suelos altamente orgánicos se clasifican por el característico color oscuro o negro, textura fibrosa, masa esponjosa y restos semidescompuestos de vegetación. El procedimiento, se recomienda, se usará para clasificar al suelo cuando se requiera una tipificación exacta del material, y está basado en los resultados de ensayos de laboratorio que cuantifican sus características granulométricas y de plasticidad. 5.3.2. CARTA DE PLASTICIDAD Arthur Casagrande propuso que muchas de las propiedades de las arcillas y de los limos, como: la resistencia en estado seco, la compresibilidad, la reacción a un ensayo de sacudimiento y la consistencia cercana al límite plástico, pueden relacionarse con los límites de Atterberg por medio de la carta de plasticidad. La carta de plasticidad es un diagrama que permite clasificar a los suelos de partículas finas en base a la plasticidad. En este diagrama, las ordenadas representan al índice de plasticidad (Ip) y las abscisas el correspondiente límite líquido (wL).

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

LÍMITE LÍQUIDO (WL)

10

20

30

40

50

60

70

47

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ICE D

E P

LASTIC

IDAD

(IP

)

MLCL - ML

CL

CH

ML

OLu

MH

OHu

Línea

"A" I

P = 0.

73(W

L-20)

Línea

"B"

WL=

50

%

Fig. 5-2. Carta de plasticidad modificada (SUCS)

83

5.3.3. OBJETIVO Clasificar los suelos para propósitos de Ingeniería Civil, por el sistema SUCS – procedimiento de laboratorio. 5.3.4. SIMBOLOGÍA La simbología a usarse es similar a la descrita en el numeral 5.2.3. 5.3.5. MUESTRAS DE SUELO 1. Cada grupo dispondrá de seis muestras de diferentes suelos en fundas de plástico

con su debida identificación y en cantidad suficiente, la cual está en función de la graduación y tamaño máximo de las partículas, Tabla 5-1.

2. Previamente a su clasificación, las muestras de suelos deberán ensayarse para

determinar sus características de granulometría y plasticidad de acuerdo a los procedimientos expuestos en los numerales 3.2, 4.3 y 4.4 de los capítulos correspondientes, de este instructivo.

5.3.6. PROCEDIMIENTO 1. Clasificación preliminar

Examine el resultado del análisis granulométrico y clasifique al suelo “material que pasa el tamiz de 7.5cm (3”)” en uno de los dos grupos siguientes:

a. Suelos de partículas gruesas. Si más del 50% del material es retenido en el

tamiz No. 200. b. Suelos de partículas finas. Si más del 50% del material pasa por el tamiz No.

200.

Si examinando visualmente, el suelo tiene un alto porcentaje de materia orgánica, olor putrefacto y color oscuro o negro, textura fibrosa, masa esponjosa, clasifique al suelo como: turba (Pt).

2. Clasificación de suelos de partículas gruesas (Ver tabla 5-3)

Examine el resultado del ensayo de granulometría y clasifique al suelo de partículas gruesas como:

a. GRAVA (G). Si más del 50% de la fracción retenida en el tamiz No. 200 es a su

vez retenida por el tamiz No.4; y, b. ARENA (S). Si más del 50% de la fracción retenida en el tamiz No. 200 pasa

por el tamiz Nº4. 3. Procedimiento para la clasificación de grava (Ver tabla 5-3)

Si menos del 5% del material pasa el tamiz No. 200 calcúlese el coeficiente de uniformidad y el coeficiente de curvatura usando las ecuaciones:

10

60

DDCU = ;

1060

230

*)(DD

Dcc =

Donde:

84

CU = Coeficiente de uniformidad.

cc = Coeficiente de curvatura. D60, D30, D10 = Dimensión nominal del tamiz teórico por el cual pasa el 60%, 30% y

10% del material.

a. Clasifique a la grava como grava bien graduada (GW), si coeficiente de uniformidad es mayor a 4 y el coeficiente curvatura está entre 1 y 3.

En el caso de que no se cumpla la condición de coeficiente de curvatura, prevalecerá el criterio de coeficiente de uniformidad.

b. Clasifique a la grava como grava mal graduada (GP), si no se cumplen los

requisitos de la condición anterior. Si más del 12% del material pasa el tamiz No. 200, ubique los resultados de los ensayos de plasticidad correspondientes a la porción fina, en la carta de plasticidad modificada (Fig. 5-2).

a. Clasifique a la grava como grava limosa (GM), si en la carta de plasticidad, el resultado se ubica debajo de la línea A o el índice de plasticidad es menor que 4 (campos MH o ML).

b. Clasifique a la grava como grava arcillosa (GC), si en la carta de plasticidad, el

resultado se ubica sobre la línea A, y el índice de plasticidad es mayor que 7 (campos CH o CL).

c. Si en la carta de plasticidad el resultado se ubica en la línea A o arriba de ella,

pero con un índice de plasticidad entre 4 y 7, se considera caso de frontera y la grava deberá clasificarse usando el doble símbolo, siguiendo lo indicado en los dos párrafos anteriores, tal como: GC-GM (Nota 1).

Nota 1. En caso de suelos con símbolo doble se prefiere colocar como primer símbolo el del suelo más plástico. Si el material tiene un porcentaje entre 5 y 12% que pasa el tamiz Nº. 200, se considera caso de frontera y la grava deberá clasificarse usando un doble símbolo, siguiendo los dos procedimientos anteriores, tal como: GW –GM. 4. Procedimiento para clasificación de arena (Ver tabla 5 – 3) Si menos del 5% del material pasa a través del tamiz No. 200, calcúlese el coeficiente de uniformidad y el coeficiente de curvatura usando las ecuaciones que constan en el procedimiento para la clasificación de grava.

a. Clasifique a la arena como arena bien graduada (SW), si el coeficiente de uniformidad es mayor a 6 y el coeficiente de curvatura está entre 1 y 3.

En el caso de que no se cumpla la condición de coeficiente de curvatura, prevalecerá el criterio de coeficiente de uniformidad.

b. Clasifique a la arena como arena mal graduada (SP), si no se cumple los dos requisitos de la condición anterior.

Si más del 12% del material pasa el tamiz Nº. 200, ubique los resultados de los ensayos de plasticidad correspondientes a la porción fina, en la carta de plasticidad modificada (Fig. 5-2).

a. Clasifique a la arena como arena limosa (SM), si en la carta de plasticidad, el resultado se ubica bajo la línea A o el índice de plasticidad es menor que 4 (campos MH o ML).

85

b. Clasifique a la arena como arena arcillosa (SC), si en la carta de plasticidad el resultado se ubica sobre la línea A y el índice de plasticidad es mayor a 7 (campos CH o CL).

c. Si en la carta de plasticidad el resultado se ubica en la línea A o arriba de ella,

pero con índice de plasticidad entre 4 y 7, se considera caso de frontera y la arena deberá clasificarse usando un doble símbolo, siguiendo lo indicado en los párrafos anteriores, tal como SC-SM.

Si el material tiene un porcentaje entre 5 y 12% que pasa el tamiz No. 200, se considera caso de frontera y la arena deberá clasificarse usando un doble símbolo, siguiendo los dos procedimientos anteriores, tal como SW-SM. 5. Clasificación de suelos de partículas finas (ver Tabla 5-3) Examine el resultado del límite líquido y clasifique al suelo de partículas finas como sigue:

a. Limos y arcillas de baja compresibilidad, si el limite liquido es menor que 50.

b. Limos y arcillas de alta compresibilidad, si el límite liquido es mayor que 50. Se ubicarán los valores de límite líquido e índice de plasticidad en la carta de plasticidad. La carta de plasticidad tiene marcada 4 campos: CH, CL, MH y ML, dos de los cuales, los campos MH y ML corresponden también a los campos OH y OL. Según la ubicación en la carta de plasticidad se clasificará al suelo usando el símbolo correspondiente. Las arcillas y limos inorgánicas CH, CL, MH y ML se diferencian de los suelos orgánicos por sus colores más claros y olor inerte. Los suelos de partículas finas de color oscuro y olor orgánico deben clasificarse como limos o arcillas orgánicas. La tabla 5-3, índica esquemáticamente el procedimiento a seguirse para la clasificación de los suelos en el laboratorio con una simbología gráfica y la carta de plasticidad. 5.3.7. INFORME DE RESULTADOS El informe sobre este ensayo debe contener: 1. Identificación de las muestras. Capítulo 1, numeral 1.6 2. Descripción de las muestras. Capítulo 1. numeral 1.5.5 3. Los resultados y observaciones que se hagan en el ensayo deben registrarse en el formulario LMS-2009-12, empleándose luego el diagrama de flujo de la Fig. 5-3, para la clasificación del suelo por el sistema SUCS y ubicar al mismo en uno de los distintos grupos. 4. En todos los sistemas de clasificación es absolutamente necesario acompañar al símbolo de clasificación la descripción e identificación debida del suelo, pues el símbolo particular de grupo es demasiado amplio y general como criterio de clasificación para suelos específicos.

86

Gru

poR

ayad

oC

olor

Crit

erio

s de

Cla

sific

ació

n

Determínese los porcentajes de grava y arena a partir de la curva granulométrica

Dependiendo del porcentaje de finos (fracción que pasa el tamiz de 75 um (Nº 200))

Los suelos gruesos se clasifican como sigue:Menos de 5%: GW, GP, SW, SPMás de 12%: GM, GC, SM, SC

Del 5% al 12% son casos de frontera que requieren el empleo de símbolos Coe

f. D

e un

iform

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(Cu)

, Coe

f

No

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Lím

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Lím

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Lím

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LOS

: G =

Gra

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; M =

Lim

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rcilla

;W

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grad

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L =

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Roj

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Sue

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men

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Limos y arcillas con alplasticidad o

compresibilidad y límlíquido Wl mayor de 5

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l

os de partículas finasterial pasa el tamiz de 75 um (No.

(Utilícese la curva granulométrica para identificar las fracciones de suelo)ARENAS

Más de la mitad de la fracción gruesa es retenida en el tamiz de 4,75 mm

(No. 4)

Más de la mitad de la fracción gruesa pase el tamiz de 4,75 mm (No. 4)

(Usese la curva granulométrica para identificar las fracciones de suelo)

Limos y arcillas con baja plasticidad o

compresibilidad y límite líquido Wl menor de 50.

ta

ite 0.

Suelos de partículas gruesasMás de la mitad del material es retenido en el tamiz de 75 um (No. 200)

GRAVAS

Gravas con finos (Cantidad

apreciable de

Arenas limpias (Poco o nada de partículas finas)

Arenas con finos (Cantidad

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ML

CL

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Línea "B" WL=50

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que

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Tabla 5-3. Criterios de clasificación de suelos en el laboratorio, (Ref. 11)

87

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Fig. 5-3. Sistema Unificado de Clasificación de Suelos. Procedimiento de Laboratorio

88

PRÁCTICA No.

FECHA

GRUPO No.

OPERADOR

REVISIÓN

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LMS-2009-12

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89

5.4. SISTEMA DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS AASHTO 5.4.1. INTRODUCCIÓN El sistema de clasificación de suelos AASHTO originalmente fue creado en 1943. El sistema se aplica para clasificar suelos que van a ser utilizados en construcción de subrasantes de carreteras y terraplenes, donde los suelos de partículas gruesas se consideran entre excelentes y buenos mientras que los limo—arcillosos quedan entre medianos y malos. Este sistema divide a todos los suelos, basándose en las determinaciones de laboratorio sobre la distribución de partículas por tamaño, del límite líquido e índice de plasticidad a los que asigna símbolos desde A-1 hasta A-8, en tres grandes grupos:

a. Suelos de partículas gruesas, que contiene hasta un 35% de finos. Comprende los grupos:

A-1, con los subgrupos: (A-1-a y A-1-b) A-2, con los subgrupos: (A-2-4, A-2-5, A-2-6 y A-2-7) A-3, sin subgrupos.

b. Suelos de partículas finas (limo-arcillosos), que contiene por encima de un 35% de finos. Comprende los grupos:

A-4, A-5, A-6 y A-7. De ellos sólo el A-7 se subdivide en: A-7-5 y A- 7-6.

c. Suelos altamente orgánicos, designados con el símbolo A-8. 5.4.2. ÍNDICE DE GRUPO El índice de grupo (IG) es un número que se utiliza como complemento de la clasificación de suelos por el sistema AASHTO, cuya magnitud depende del porcentaje de partículas de suelo que pasa el tamiz No. 200, del limite líquido y del índice de plasticidad. El IG suministra un medio de evaluar la calidad del suelo dentro de su propio grupo, no es usado para ubicar al suelo en un grupo particular. Si dos suelos de un mismo grupo tienen diferente índice de grupo, tendrá mejor comportamiento como material de carretera aquel cuyo índice de grupo sea menor; esto es, un A-2-6 (2) debe ser mejor material de carretera que un A-2-6 (4). 5.4.3. OBJETIVO Clasificar los suelos para propósitos de Ingeniería Civil, por el sistema AASHTO. 5.4.4. MUESTRAS DE SUELO 1. Cada grupo dispondrá de seis muestras de diferentes suelos en fundas de plástico

con su debida identificación y en cantidad suficiente, la cual está en función de la graduación y tamaño máximo de las partículas, (Tabla 5-1).

2. Previamente a su clasificación, las muestras de suelo deberán ensayarse para

determinar sus características de granulometría y plasticidad de acuerdo a los procedimientos expuestos en los numerales 3.2, 4.3 y 4.4 de los capítulos correspondientes, de este instructivo.

90

5.4.5. PROCEDIMIENTO Clasificación preliminar Examínese el resultado del análisis granulométrico y clasifique al suelo “material que pasa el tamiz de 7.5cm (3”)” en uno de los siguientes grupos:

a. Suelos de partículas gruesas. Si más del 35% del material es retenido en el tamiz No. 200.

Proseguir con los pasos: 1 para determinar grupos y subgrupos y 3 para determinar el índice de grupo.

b. Suelos de partículas finas. Si más del 35% del material pasa por el tamiz No. 200

Proseguir con los pasos: 2 para determinar grupos y subgrupos y 4 para determinar el índice de grupo.

c. Si examinando visualmente, el suelo fino tiene un amplio porcentaje de materia orgánica, olor putrefacto y color negro o café oscuro, textura fibrosa, masa esponjosa, clasifique al suelo con el símbolo: A—8.

Determinación de grupos y subgrupos 1. Para suelos de partículas gruesas, examine el resultado del ensayo

granulométrico determinando los porcentajes que pasan los tamices No. 10, 40 y 200; también el límite líquido e índice de plasticidad

El procedimiento se ajusta a la Tabla 5-4. Comparar las propiedades de los suelos obtenidos como datos, con las que se encuentran codificadas en la Tabla, (desde la columna 2 en las 7 filas) Continuar hacia abajo línea a línea hasta obtener por simple eliminación el grupo y subgrupo (columna 1) cuyas propiedades coincidan. 2. Para suelos de partículas finas, determine el límite líquido y el índice de

plasticidad. Ubicar estos valores en la carta de plasticidad para el sistema AASHTO (Ver Fig. 5—4). La carta de plasticidad para el sistema AASHTO tiene marcada 5 campos: A-7-6, A-6, A-7-5, A—5 y A-4. Según la ubicación de la carta de plasticidad se clasificará al suelo usando el símbolo correspondiente. Verificar la clasificación ajustándose a la Tabla 5—5. Comparar las propiedades de los suelos obtenidos como datos con las que se encuentren codificados en la tabla (desde la columna 2 en las 5 filas). Continuar hacia abajo línea a línea hasta determinar por simple eliminación el grupo y subgrupo, (columna 1) al que pertenece el suelo tratado.

91

wL * IP*

10 40 200 % %

A-1-a 50 max 30 max 15 max 6 max

A-1-b 50 max 25 max 6 max

51 min 10 max NP Arena fina

A-2-4 35 max 40 max 10 max

A-2-5 35 max 41 min 10 max

A-2-6 35 max 40 max 11 min

A-2-7 35 max 41 min 11 min

* Basado en la fracción que pasa el tamiz No. 40

El valor de IG = 0 es válido para todos los grupos, excepción de A-2-6 y A-2-7 donde IG = 4 max

Fragmentos de piedras,

grava y arena

Limoso y arcilloso gravilla y

arena

Comportamiento como

subrasante

Excelentes a buenos

GRANULOMETRÍA

% Que pasa el tamiz No.

CONSISTENCIA Materiales constituyent

es

GRUPO DE SUELO

A-1

A-3

A-2

Tabla 5-4. Sistema de clasificación AASHTO para suelos de partículas gruesas

wL * IP*

200 % % IG

36 min 40 max 10 max 8 max

36 min 41 min 10 max 12 max

36 min 40 max 11 min 16 max

A-7-5 36 min 41 min 11 min y IP≤WL-30

A-7-6 36 min 41 min 11 min y IP>WL-30

% Que pasa el

tamiz No.

INDICE DE GRUPO

Materiales constituyent

es

A-4Suelos limosos

GRUPO DE SUELO

A-6

A-5

A-7

Comportamiento como

subrasante

CONSISTENCIA

Suelos altamente orgánicos

20 max

Suelos arcillosos

Regular a malos

* Basado en la fracción que pasa el tamiz No. 40

A-8

Tabla 5-5. Sistema de clasificación AASHTO para suelos de partículas finas.

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

LÍMITE LÍQUIDO (WL)

10

20

30

40

50

60

70

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(IP

)

A-6 A-7-6

A-4

A-7-5

IP = 10

IP =

WL-30

WL=

40

%

80

A-5

Fig. 5-4. Carta de Plasticidad para el Sistema AASHTO.

92

Determinación del índice de grupo: 3. Para determinar el índice de grupo de suelos de partículas gruesas, la siguiente

regla es de mucha utilidad.

a. IG para suelos de los grupos y suhgrupos A-1a, A-1b. A-2-4, A-2-5 y A-3 es cero (0).

b. Para calcular 1G de los suelos de los grupos y subgrupos A-2-6 y A-2-7, utilizar

la ecuación:

IG = 0.01.(F - 15).(Ip - 10) (5—1) 4. Para determinar el valor del índice de grupo de los suelos de partículas finas,

utilizar la ecuación:

IG = (F-35).[0.2 + 0.005.(wL—40)] + 0.01 (F-15).(Ip-10) (5—2) Donde: F = Porcentaje de partículas sólidas que pasan el tamiz No. 200 wL = Límite líquido Ip = Índice de plasticidad. Según esta versión de clasificación de suelos por el sistema AASHTO, el rango de variación de los valores del índice de grupo es de 0 a α, considerando que valores altos de índice de grupo indican calidad más pobre del suelo a usarse como material para subrasante de carreteras y terraplenes. Un suelo con IG = 20 es de mala calidad para los fines que se clasifica, entonces peores condiciones presentará un suelo con IG = 40 por ejemplo. Por ello, se recomienda usar la ecuación:

IG = 0.2a + 0.005a.c + 0.01b.d (5-3) Donde: a = F -35 Varía solo de 0 a 40 b = F -15 Varía solo de 0 a 40 c = wL -40 Varía solo de 0 a 20 d = Ip -10 Varía solo de 0 a 20 Cuando se dice, como en el caso de a; que su valor varía solamente de 0 a 40, quiere decir que si el número dado por la diferencia matemática a=F-35 es negativo, se utilizará para calcular el valor de IG el valor de a=0; y si aquel es mayor que 40, se tomará el valor a=40. De esta manera, los índices de grupo de todos los suelos (sus valores) quedan comprendidos entre 0 y 20. 5.4.6. INFORME DE RESULTADOS 1. Si él. valor del índice de grupo calculado es negativo, informar el índice de grupo

IG = 0. 2. Si, el suelo no es plástico (NP), y el limite liquido, no puede determinarse,

informar el valor del índice de grupo IG = 0.

93

3. Cuando el valor del índice de grupo calculado es positivo, informar este valor redondeado al número entero más próximo (ejemplo: IG = 4.6 entonces informar IG = 5).

4. Al final, el símbolo de la clasificación del suelo por el sistema AASHTO, debe

tener: primero el grupo, luego el subgrupo seguido del valor del índice de grupo encerrado entre paréntesis: ejemplo A-2-6 (3).

El informe de este ensayo debe contener: 1. Identificación de las muestras. Capítulo 1, numeral 1.6. 2. Descripción de las muestras. Capítulo 1, numeral 1.5.5. 3. Los resultados y observaciones que se hagan en el ensayo deben registrarse en el

formulario LMS-2009-13, empleándose luego las tablas 5-4 y 5-5 para la clasificación del suelo por el sistema AASHTO y ubicar al mismo en uno de los distintos grupos.

4. La Fig. 5-4 indica el rango de variación de los valores de IP y wL a los suelos de

los grupos y subgrupos: A-4, A-5, A-6, A-7-5, A-7-6.

94

PRÁCTICA No.

FECHA

GRUPO No.

OPERADOR

REVISIÓN

AS

TM

D -

32

82

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Ip %

wL

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00

40

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LMS-2009-13

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95

6. COMPACTACIÓN DE SUELOS 6.1. INTRODUCCIÓN La compactación es el procedimiento de aplicar energía (impacto o amasado) al suelo suelto para densificarlo y disminuir espacios vacíos, aumentar su peso unitario y su capacidad para soportar cargas. La compactación de suelos rinde los siguientes beneficios: - Aumenta la capacidad para soportar cargas. - Disminuye la compresibilidad. - Reduce la filtración de agua. En el laboratorio se ha establecido tres ensayos de compactación: 1. Compactación Proctor Estándar 2. Compactación Proctor Modificado 3. Compactación Wilson-Harvard Miniatura. Estos ensayos se consideran como procedimientos de laboratorio establecidos para densificar suelos y reproducir las condiciones que se obtienen cuando los terraplenes en el sitio de obra se compactan con equipos de compactación. Los estudiantes como práctica de laboratorio realizarán simultáneamente los dos primeros ensayos. El estudio del ensayo de compactación Wilson-Harvard miniatura se expone al lector interesado. 6.2. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA 6.2.1. EQUIPO 1. Tamices No. 4 y 3/4 pulg. 2. Martillo de cabeza de caucho. 3. Bandeja metálica grande. 4. Balde metálico con tapa (45 litros de capacidad). 5. Balanza de precisión aproximación 0.1 g. 6. Equipo para determinar el contenido de agua.

6.2.2. PROCEDIMIENTO 1. La muestra de suelo (muestra alterada) tomada en el campo del sitio de la obra,

debe ser secada de tal manera que pueda ser fácilmente desmenuzada con el martillo de cabeza de caucho sin que se rompan las partículas individuales.

Para el secado utilizar el horno regulado a 60ºC de temperatura o calor solar. 2. Colocar la muestra de suelo en la bandeja metálica grande. 3. Desmenuzar los grumos de suelo con el martillo de cabeza de caucho. 4. Colocar el tamiz 3/4 pulg sobre el tamiz No. 4 y tamizar la muestra de suelo por la

serie. Clasificar al suelo en dos grupos: el primero con suelo que pasa el tamiz No. 4 y el

segundo con suelo que se retiene en el tamiz No. 4 pero que pase el tamiz 3/4 pulg, desechar el suelo que se retiene en el tamiz 3/4 pulg.

96

De cada grupo tomar dos porciones representativas (ver Tabla 2-1), para

determinar el contenido de agua. 5. La muestra así preparada no debe estar completamente seca, de ser así aumentar

una cierta cantidad de agua que depende del tamaño máximo de las partículas, generalmente de 2 a 3% del peso del suelo seco (Ws).

La cantidad de agua (volumen de agua) a aumentar se determina de la siguiente

manera:

- Determinar el peso de la muestra (W), secada al aire y preparada en los pasos anteriores.

- Si conocemos el contenido de agua (w), realizando el ensayo respectivo,

podemos calcular el peso del suelo seco (Ws).

1001 w

WWs+

= (Ec. 2—7)

- Si s

w

WW

w = (Ec. 2-1) entonces Ww = w. Ws

- Si VwWw

w =γ entonces w

WwVwγ

=

- La cantidad de agua (volumen de agua) correspondiente al incremento en 2 o 3%

del peso del suelo seco, será:

W

SWwVw

γ.Δ

= (6-1)

- Si: Δw = 2 o 3% y γw = 1 g/cm3 entonces:

Vw = 2 o 3%Ws (6—2) 6. Adicionar la cantidad de agua calculada, asperjando sobre el suelo. Mezclar el mismo hasta que el agua se distribuya uniformemente y el suelo

presente una consistencia tal que al ser comprimida en la palma de la mano no deje partículas adheridas a ella ni la humedezca, y que a la vez el suelo comprimido pueda cogerse con los dedos sin que se desmorone.

7. Guardar el suelo de cada grupo en un balde metálico tapado herméticamente y

debidamente identificado.

97

PRÁCTICA No. 10 6.3. COMPACTACIÓN PROCTOR ESTÁNDAR 6.3.1. INTRODUCCIÓN R. R. Proctor encontró que aplicando a un suelo una cierta energía para compactarlo, el peso unitario obtenido varía con el contenido de agua según una curva como la de la Fig. 6-1, en la cual se puede observar que existe un contenido de agua con el cual se obtiene el peso unitario máximo del suelo seco a esa energía de compactación. A la abscisa y ordenada de ese punto máximo les denominó contenido óptimo de agua, w0

y peso unitario máximo del suelo seco γd máx, respectivamente.

Fíg. 6-1. Curva de compactación

El ensayo de compactación Proctor estándar consiste en colocar tres capas de suelo humedecido en un cilindro metálico con un volumen de 944 cm3 y darle 25 golpes a cada capa con un martillo de 2.5 Kg de peso cayendo de una altura de 30.48cm. Obteniéndose una muestra de suelo que ha recibido un total de 6.03 Kg.cm/cm3 de energía específica. La energía de compactación conocida como energía especifica introducida al suelo por unidad de volumen, se determina con la ecuación:

V

hWnNEe ⋅⋅⋅= (6-3)

Donde: Ee = Energía específica, (Kg.cm/cm3). N = Número de golpes por capa compactada. n = Número de capas. W = Peso del martillo, (Kg). H = Altura de caída del martillo, (cm). V = Volumen final de la masa de suelo compactado, (cm3).

98

La relación entre el peso unitario máximo del suelo seco y la energía de compactación no es una relación lineal; y, se requiere un gran incremento de la energía para producir un pequeño incremento en el peso unitario máximo. CURVA DE SATURACIÓN TEÓRICA Esta curva representa el contenido de agua para cualquier valor del peso unitario del suelo seco, que será necesario para que todos los vacíos que dejan entre si las partículas sólidas estuvieran llenos de agua. La curva de saturación teórica (Fig. 6—1), se obtiene variando el valor del contenido de agua (abscisas) para obtener de acuerdo con la (Ec. 6-4) los diferentes valores del peso unitario del suelo seco (ordenadas).

0.

.100.100 γγ

SswSsd

+=

(6—4) Donde:

γd = Peso unitario del suelo seco, g/cm3. Ss = Peso unitario relativo de las partículas sólidas, adimensional. w = Contenido de agua, %.

γ0 = Peso unitario del agua destilada a 4ºC de temperatura,

(γ0 = 1 g/cm3). Esta curva tiene como objetivo comprobar si el ensayo Proctor fue correctamente ejecutado, ya que la curva de saturación teórica y la de compactación nunca deben cortarse, dado que en la práctica no se puede llenar totalmente con agua los vacíos que dejan las partículas del suelo compactado; además, cualquier curva de compactación estará siempre por debajo de la curva de saturación. 6.3.2. OBJETIVO

Determinar en el laboratorio el peso unitario máximo del suelo seco (γd máx) que puede alcanzar un suelo, así como el contenido óptimo de agua (w0) a que deberá hacerse la compactación. 6.3.3. ESPECIFICACIONES Este procedimiento de ensayo se utiliza para determinar la relación entre el contenido de agua y el peso unitario del suelo seco en un ensayo de compactación. Se dispone de cuatro procedimientos alternativos que tienen que ver con la capacidad del molde y el tipo de suelo empleado según su tamaño nominal. TIPO A. Molde de 4 pulg de diámetro, para suelo que pase el tamiz Nº. 4 TIPO B. Molde de 6 pulg de diámetro, para suelo que pase el tamiz Nº. 4 TIPO C. Molde de 4 pulg de diámetro, para suelo que pase el tamiz ¾” TIPO D. Molde de 6 pulg de diámetro, para suelo que pase el tamiz ¾”

99

N n V E

cm pulg golpe capas cm³ kg.cm/cm³A 10,16 4 No. 4 25 3 944B 15,24 6 No. 4 56 3 2134C 10,16 4 3/4 pulg. 25 3 944D 15,24 6 3/4 pulg. 56 3 2134

W = 2,5 kg h = 30,48 cmNORMAS : ASTM D-678 Y AASHTO T-99

6,03

MOLDE diámetro Material menor que el tamizTIPO

Tabla 6-1

6.3.4. EQUIPO

1. Molde de compactación de 10.16 ó 15.24cm (4 ó 6 pulg) de diámetro y 11.54cm de altura, con collarín de 5cm de altura y placa-base.

2. Martillo de compactación de 2.5Kg de peso. 3. Balanza de precisión, aproximación 0.1 g. 4. Bandeja metálica grande. 5. Probeta graduada, con 250 ó 500 cm³ de volumen. 6. Martillo de cabeza de caucho. 7. Regla metálica para enrasar y espátula. 8. Equipo para determinar el contenido de agua. 9. Balde metálico, que contiene suelo preparado.

Foto. 6-1. Equipo de compactación Proctor Estándar

6.3.5. PROCEDIMIENTO Se dispone de muestras de suelo que pasan el tamiz Nº.4, preparadas previamente y listas para la ejecución del ensayo. Puede usarse dos procedimientos:

a) Usar la misma cantidad de muestra (3 Kg ó 5 Kg.) para todo el ensayo y tantos puntos como sean necesarios. No recomendable si el suelo a ensayarse no es muy desmenuzable y las partículas individuales pueden quebrarse durante el ensayo; ó,

b) Utilizar varias porciones nuevas de muestra de 3 Kg ó 5 Kg cada una, para las

diversas determinaciones necesarias.

100

Si la decisión es usar el procedimiento (a), seguir los siguientes pasos: 1. Determinar y registrar el peso del molde con la placa-base y sin el collarín, en el

formulario LMS-2009-14. Para el ensayo tipo A molde de 10.16cm (4 pulg.) de diámetro. Para el ensayo tipo B molde de 15.24cm (6 pulg.) de diámetro. 2. De la muestra preparada usando la bandeja metálica pesar 3 Kg. para el ensayo

tipo A ó 5 Kg. para el ensayo tipo B. 3. Colocar el collarín al molde. 4. Colocar en el molde una cantidad de suelo suficiente para definir la primera capa;

aproximadamente el suelo debe llenar la mitad del volumen del molde sin considerar la altura del collarín de tal manera que al ser compactado ocupe la tercera parte del molde. Emparejar la superficie con los dedos.

5. Ubicar el molde sobre una superficie firme y resistente, compactar la capa de suelo

con el número de golpes requerido de acuerdo al tipo de ensayo, distribuyendo los golpes uniformemente en toda la superficie, (Foto 6—2).

6. El proceso se realiza igual para las capas restantes de tal forma que la última capa

compactada sobresalga dentro del collarín, no más de 0.5cm (3 capas compactadas).

7. Retirar el collarín haciéndolo girar cuidadosamente y enrasar la superficie del suelo

con una regla metálica, (Foto 6—3). 8. Determinar y registrar el peso del molde con la placa-base y suelo compactado. Por

diferencia determinar y registrar el peso del suelo (W). 9. Desarmar el molde para extraer el suelo compactado. 10. Realizar dos determinaciones del contenido de agua en dos porciones

representativas (ver Tabla 2-1), una tomada en la parte superior del molde y la otra en la parte inferior.

11. Disgregar completamente el suelo compactado y mezclar con la porción sobrante en

la bandeja. La disgregación se realiza con las manos o por medio del martillo de cabeza de caucho, hasta obtener una mezcla homogénea.

12. Adicionar agua asperjando sobre el suelo en una cantidad del 3% del peso del suelo

seco (ver preparación de la muestra). Mezclar el suelo hasta que el agua se distribuya uniformemente.

13. Repetir el procedimiento desde el paso 3.

El ensayo se realiza en el suelo con diferentes contenidos de agua para obtener al menos cinco determinaciones, tres de las cuales deberán ser menores que el contenido óptimo de agua que corresponde al peso unitario máximo del suelo seco y dos posteriores a los mismos Si la decisión es usar el procedimiento (b). seguir los pasos 1 a 10 descritos para el procedimiento (a), desechando la porción ya compactada. Repetir todo el procedimiento con una porción nueva de muestra a la que se añade un nuevo contenido de agua en porcentaje tal, que sea mayor en 3% del peso del suelo seco del contenido de agua de la primera determinación. Para las demás determinaciones se tomarán porciones nuevas de la muestra preparada, con el consiguiente aumento del contenido de agua, hasta obtener el número de resultados que aseguren el dibujo de una curva de compactación satisfactoria y la fácil

101

determinación del contenido óptimo de agua y su correspondiente valor de peso unitario máximo del suelo seco.

Foto 6-2. Compactación de las capas de suelo

Foto 6-3. Enrasamiento del suelo contenido en el molde

102

6.3.6. CÁLCULOS 1. El contenido de agua (w), en cada determinación se calcula con la (Ec. 2-5)

2. El peso unitario del suelo (γ) se calcula con la (Ec. 2-6).

3. Con (γ) y el valor promedio del contenido de agua, se calcula el peso unitario del

suelo seco (γd) con:

1001 w

d+

=γγ (6-5)

6.3.7 GRÁFICO 1. Graficar los resultados en un sistema de coordenadas ubicando en abscisas el

contenido de agua en (%) y en ordenadas el peso unitario del suelos seco en (g/cm³), Fig. 6-1.

La curva obtenida es conocida como: curva de compactación la misma que es de

tipo parabólico y presenta un punto máximo donde se identifica el valor del contenido óptimo de agua en abscisas y el peso unitario del suelo seco en ordenadas.

2. Es conveniente dibujar el mismo tiempo la curva de saturación teórica del suelo

ensayado. 6.3.8 COMENTARIOS GENERALES El suelo no es una masa sólida sino un conglomerado de partículas con contenido de agua y vacíos. Si hay un exceso de agua, el material no podrá unirse; si no hay suficiente agua, las partículas no podrán amasarse con una mínima resistencia. Por lo tanto, estas condiciones darán lugar a resultados insatisfactorios en la compactación de suelos. Cada suelo se comporta de diferente manera con respecto a la relación del peso unitario del suelo seco y contenido óptimo de agua. Por lo tanto, cada tipo de suelo tendrá su propia y única curva de compactación. 6.4. COMPACTACIÓN PROCTOR MODIFICADO 6.4.1 INTRODUCCIÓN El rápido desenvolvimiento del equipo de compactación de campo, comercialmente disponible condujo a una modificación del ensayo Proctor estándar, el cual no lograba representar en forma adecuada las mayores compactaciones que podían alcanzarse en el campo. El procedimiento es el mismo que el indicado para el ensayo Proctor estándar. La energía de compactación es en este caso mayor, así el ensayo de compactación modificado introduce una energía nominal de compactación de cinco veces la energía de compactación en el ensayo Proctor estándar. Para esta energía mayor se obtiene un incremento en valor del peso unitario máximo del suelo seco y una disminución del contenido óptimo de agua.

103

6.4.2 ESPECIFICACIONES

N n V E

cm pulg golpe capas cm³ kg.cm/cm³A 10,16 4 No. 4 25 5 944B 15,24 6 No. 4 56 5 2134C 10,16 4 3/4 pulg. 25 5 944D 15,24 6 3/4 pulg. 56 5 2134

W = 4,536 kg h = 45,72 cmNORMAS : ASTM D-678 Y AASHTO T-180

27,4

MOLDE diámetro Material menor que el tamizTIPO

Tabla 6-2 6.4.3 EQUIPO: Similar al equipo para el ensayo Proctor estándar, con excepción que el martillo de compactación tiene un peso W=4.536Kg y cae desde una altura de 45.72cm. 6.4.4 PROCEDIMIENTO Las características básicas de éste ensayo son las mismas que del ensayo Proctor estándar. Esto es, usar el suelo preparado que pasa el tamiz No. 4. El procedimiento es similar al descrito para el ensayo Proctor estándar, considerando que el número de capas de suelo a compactarse en el molde es de cinco (ver especificaciones Tabla 6-2). 6.4.5 INFORME DE RESULTADOS Los cálculos, gráficos, resultados y observaciones que realicen deben registrarse en el formulario LMS-2009-14.

104

6.5. COMPACTACION WILSON-HARVARD MINIATURA 6.5.1 INTRODUCCIÓN El ensayo de compactación por amasado Wilson-Harvard miniatura consiste en aplicar, en un molde de dimensiones reducidas un cierto número de pisadas a cada capa de suelo, con un pisón. La energía de compactación puede variarse a voluntad introduciendo cambios en uno o más de los siguientes factores: fuerza máxima de apisonado, número de capas y de pisadas por capa. Los ensayos de compactación por amasado son los que mejor reproducen las curvas de compactación de campo (tanto de rodillo pata de cabra como de neumáticos) si se eligen apropiadamente las variables mencionadas arriba. Este ensayo presenta la ventaja de requerir cantidades reducidas de suelo, pero no se aplica, usualmente a suelos que contengan partículas mayores de 2mm. 6.5.2 OBJETIVO Similar al del ensayo de compactación Proctor estándar (Ver numeral 6.3.2) 6.5.3 ESPECIFICACIONES

MOLDE diámetro N n V

cm golpe capas cm³3,3 No. 10 20-25 3 62

NORMAS:

Material menor que el tamiz

Tabla 6-3 6.5.4 EQUIPO

1. Molde metálico de 3.3 cm de diámetro y 7.2 cm de altura. 2. Placa—base metálica y collarín removible de 3.5 cm de altura. 3. Pisón metálico, con émbolo en su extremo inferior que aplica presión por la acción

de un resorte. 4. Balanza de precisión, aproximación 0.1 g. 5. Regla metálica. 6. Equipo para determinar el contenido de agua.

Es común que el ensayo se realice en moldes partidos de dimensiones superiores a las anteriores (9 cm de altura y 3.6 cm de diámetro), lo cual permite obtener probetas de suelo remoldeado a condiciones requeridas adecuadas para ensayos triaxiales.

105

Fig. 6-4. Equipo de Compactación Wilson – Harvard miniatura 6.5.5 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA En condiciones iguales que en el ensayo Proctor estándar, se utiliza el suelo preparado que pase el tamiz No. 10. 6.5.6 PROCEDIMIENTO 1. Determinar y registrar el peso del molde metálico sin la placa-base y sin el collarín, en

el formulario LMS-2009-14. 2. Del suelo preparado y sin partículas mayores al tamiz No. 10 pesar una cantidad

aproximada de 150g para cada punto de la curva de compactación. 3. Colocar al molde su placa-base y su collarín de extensión. 4. Colocar en el molde la cantidad aproximada de suelo para formar una capa (3 capas

compactadas). Nivelar la superficie de la capa oprimiéndola ligeramente con el pisón. 5. Aplicar el número seleccionado de apisonadas por capa (20 a 25) distribuyéndoles

uniformemente por toda la superficie, este procedimiento se repite en las capas restantes de tal forma que la última sobresalga del molde 0.5cm dentro de la extensión.

6. Quitar el collarín de extensión, enrasar la superficie del suelo al nivel de la boca del

molde, con la regla metálica. Quitar la placa-base, enrasar la superficie inferior. 7. Determinar y registrar el peso del molde con suelo compactado. Por diferencia

determinar y registrar el peso del suelo compactado (W) 8. Sacar el suelo compactado del molde. 9. Realizar dos determinaciones del contenido de agua en dos porciones representativas

(ver Tabla 2—1), una tomada en la parte superior del molde y la otra en la parte inferior.

106

10. A la cantidad de muestra restante asperjar agua en una cantidad del 3% del peso del

suelo seco (ver preparación de la muestra), y mezclar adecuadamente para que se distribuya el agua en toda la masa.

11. Repetir el procedimiento desde el paso 3, para obtener por lo menos 5

determinaciones y de esta manera graficar la curva de compactación. 6.5.7 INFORME DE RESULTADOS Los cálculos, gráfico y resultados son similares al realizado en el ensayo Proctor estándar; éstos, y las observaciones que se realicen deben registrarse en el formulario LMS-2009-14.

107

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN



GRUPO No. OPERADOR

MUESTRA FECHA

DESCRIPCIÓN

ASTM D 1557

MÉTODO

No. diám. cm. peso kg cm

wi = % g

%

cm³

g

g

W g

V cm³

peso unitario del suelo húmedo γ g/cm³

γ d g/cm³

No.

W1 g

W2 g

W3 g

w %

w %

OBSERVACIONES

LMS-2009-14

Contenido óptimo de agua

wo = %

γ d (g/cm³)

RESULTADOSPeso unitario máximo del

suelo secoγ d máx = g/cm³

w (%)

CURVA DE SATURACIÓN TEÓRICA

γ s = g/cm³

altura caída

C O M P A C T A C I O N D E S U E L O S

ESPECIFICACIONES

CURVA DE COMPACTACIÓN

NORMA MOLDE MARTILLO

No. de capas

Cont. de agua promedio

volumen del molde = vol. suelo

peso unitario del suelo seco

1 2

CO

NT

. D

E A

GU

AC

OM

PAC

TA

CIÓ

N

cambio en el contenido de agua

cambio en el contenido de agua

peso del molde

peso del molde + suelo compactado

peso del suelo compactado



UNIVERSIDAD CENTRAL


--------------------------------------


[email protected]

5

recipiente

No. de golpes por capa material < tamiz No. humedad inicial peso inicial del suelo

3 4ENSAYO No.

PROCEDIMIENTO DE ENSAYO

peso recip. + suelo humedo

peso del recipiente

peso recip. + suelo seco

Contenido de agua

CONTENIDO DE AGUA (%)

PESO

UN

ITA

RIO

DEL

SU

ELO

SEC

O

(g/

cm³)

108

7. PESO UNITARIO DEL SUELO EN SITIO

7.1. INTRODUCCIÓN Conocido tradicionalmente como Densidad de campo. En obra durante el trabajo de compactación de suelos, es necesario determinar el grado de compactación alcanzado con la máquina, para ello se debe obtener el peso unitario del suelo seco y el contenido de agua del relleno compactado o de los materiales colocados como base y sub-base en una carretera, a fin de comparar estos resultados con el peso unitario máximo del suelo seco y el contenido óptimo de agua obtenidos previamente en el laboratorio por uno de los métodos de compactación y de esta manera saber si se está cumpliendo con las especificaciones. Existen tres métodos comunes para comprobar el grado de compactación de los suelos en el sitio de trabajo:

1. Método del cono y la arena. 2. Método del balón de caucho. 3. Método nuclear.

El método nuclear sobrepasa los objetivos de este instructivo de prácticas por lo que su estudio en detalle no será considerado.

PRÁCTICA No. 11 ESTA ES UNA PRÁCTICA DEMOSTRATIVA 7.2 MÉTODO DEL CONO Y LA ARENA

7.2.1 INTRODUCCIÓN

Consiste en obtener el peso y el volumen en sitio del suelo húmedo recuperado de la excavación de un pequeño agujero cilíndrico hecho en el suelo compactado. El peso unitario del suelo húmedo se calcula con:

agujerodelVolumenhumedosuelodelPeso

VW

==γ (7—1)

y si se obtiene el contenido de agua (w) del suelo excavado, el peso unitario del suelo seco es:

1001 wd

+=

γγ (7—2)

El volumen del agujero se determina indirectamente con el volumen calculado de la cantidad de arena de características especificadas y de peso unitario conocido, que es necesaria para llenar dicho agujero. 7.2.2 OBJETIVO Determinar el peso unitario del suelo en el sitio de trabajo.

109

7.2.3 EQUIPO 1. Frasco y cono de medición. 2. Arena estándar (que pasa el tamiz No. 20 y es retenida en el tamiz No.30). 3. Balanza de precisión, aproximación de 0.1 g. 4. Balanza de precisión, aproximación de 0.01 g. 5. Herramientas para excavar agujeros pequeños en el suelo compactado martillo y

cincel metálico, cuchara y espátula, nivel de burbuja. 6. Equipo para determinar el contenido de agua. 7. Fundas de plástico para guardar el suelo recuperado del agujero, tarjetas de

identificación. 8. Brocha. El equipo de medición del volumen de la arena consiste de un frasco de vidrio de un galón de capacidad, un cono con válvula de paso y adaptador que entornilla en la boca del frasco y una placa-base metálica.

Foto 7-1. Peso Unitario, método: Cono y la arena 7.2.4 PROCEDIMIENTO CALIBRACIÓN DEL EQUIPO: A. CALIBRACIÓN DE LA ARENA Determinación del peso unitario de la arena seca A.1 Volumen del frasco de vidrio 1. Determinar el peso del frasco de vidrio vacío (Wf) con aproximación de 0.1 g. 2. Llenar el frasco con agua hasta el borde. 3. Colocar el conjunto en la balanza con aproximación de 0.1g, enrasar usando una

placa de vidrio colocando el agua faltante con una pipeta y secar la parte exterior del frasco en caso necesario.

4. Determinar el peso del frasco de vidrio con agua (Wfw). 5. Repetir el procedimiento por lo menos tres veces. 6. Con los valores promedios de Wf y Wfw calcular: 6.1 Peso del agua (Ww):

110

Ww = Wfw - Wf (7-3)

6.2 Volumen del frasco de vidrio (V)

w

WwVγ

= (7—4)

A.2 Peso unitario de la arena

1. Determinar el peso del frasco de vidrio vacío (Wf), con aproximación de 0.1g. 2. Atornillar el cono al frasco. 3. Llenar el cono con arena y abrir la válvula para llenar el frasco. Durante el llenado

adicionar arena al cono de tal forma que el nivel en el mismo se mantenga por lo menos hasta la mitad. Evitar cualquier vibración durante el llenado.

4. Cuando se llene el frasco, cerrar la válvula y retirar con cuidado especial el cono;

enrasar la arena en el frasco. 5. Evitando cualquier vibración determinar el peso del frasco con arena (Wf a), con

aproximación de 0.1g. 6. Repetir el procedimiento por lo menos tres veces. 7. Con lo valores promedios de Wf y Wfs a calcular: Peso de la arena seca (Ws)

Ws = Wfs — Wf (7-5)

7.2 Peso unitario de la arena seca (γd arena)

VWs

d =γ (7—6)

B. CALIBRACIÓN DEL VOLUMEN DEL CONO SOBRE LA PLACA-BASE Determinación del peso de la arena necesaria para llenar el cono y el orificio de la placa—base. 1. Llenar el frasco de vidrio con la arena seca; determinar y registrar el peso del

conjunto (W4), con aproximación de 0.1g. atornillar el cono al frasco. 2. Colocar la placa-base sobre la superficie plana y limpia de la mesa de trabajo. 3. Colocar el cono en coincidencia sobre la escotadura de la placa-base. 4. Abrir la válvula del cono y esperar que la arena llene el orificio de la placa—base y

el cono. 5. Cerrar la válvula y retirar el frasco y cono. Destornillar el cono, determinar el peso del frasco y el resto de la arena contenida (W5). 6. Repetir el procedimiento por lo menos 3 veces.

111

7. Con los valores promedios de W4 y W5 calcular: 7.1 Peso de la arena utilizada para llenar el cono y el orificio de la placa—base.

Wc = W4 - W5 (7—7) DETERMINACIÓN DEL PESO UNITARIO DEL SUELO EN SITIO 1. Llenar el frasco con arena seca, determinar y registrar el peso del conjunto (W6),

con aproximación de 0.1g. Tapar el frasco para evitar pérdidas de arena durante su transporte.

2. Dentro de la zona donde se trabaja, escoger un lugar para excavar un agujero, y

trazar un cuadrado de 60cm de lado, limpiar la parte superior del terreno, nivelar lo mejor posible la superficie descubierta.

3. Colocar la placa-base sobre la superficie del suelo nivelada y enrasada. Clavar en el

suelo un clavo de 3” junto a cada lado de la placa para mantenerla fija. 4. Excavar el suelo a través del orificio de la placa-base. La profundidad del agujero

será aproximadamente 15cm. 5. Todo el suelo que se va extrayendo del agujero depositar con cuidado en una funda

de plástico que se debe cerrar para evitar pérdidas de humedad (Foto 7-2). Limpiar el agujero con la brocha, eliminando las aristas vivas de la superficie y recuperar el suelo en la misma funda de plástico. 6. Destornillar la tapa del frasco con la arena calibrada, y atornillar en su lugar el

cono. Invertir el frasco y colocar el cono sobre la escotadura de la placa-base. 7. Abrir la válvula del cono y dejar que la arena llene el agujero en el suelo, el orificio

de la placa—base y el cono (Foto 7-3). 8. Cuando ya no se observe descenso del nivel de arena en el frasco, cerrar la válvula

y retirar el frasco. Reemplazar el cono por la tapa roscada del frasco. 9. Extraer la arena del agujero y rellenarla con suelo del terraplén. 10. Destornillar la tapa del frasco, determinar y registrar el peso del conjunto (W7), con

aproximación de 0.1g. Por diferencia de pesos determinar y registrar el peso de la arena que lleno el agujero, el orificio de la placa—base y el cono. Con los datos de calibración calcular el volumen del agujero.

11. Determinar y registrar el peso del suelo extraído del agujero (W), contenido en la

funda de plástico. 12. De la muestra de suelo extraído del agujero, tomar dos porciones representativas

(ver tabla 2-1), para determinar su contenido de agua.

112

Foto 7-2. Excavación del agujero

Foto 7-3. Determinación del volumen del agujero.

113

7.2.5 CÁLCULOS 1. El contenido de agua del suelo extraído del agujero (Formulario LMS-2009-15), se

calcula con:

100.1332(%)

wwwww

−−

= (Ec. 2—5)

2. Peso unitario del suelo húmedo se calcula con la (Ec. 7—1). donde: W = Peso del suelo húmedo

V = Volumen del agujero = arenad

WcWWγ

−− 76 (7 - 8)

3. El peso unitario del suelo seco se calcula con la (Ec. 7-2). GRADO DE COMPACTACIÓN Se define como grado de compactación (Gc) al cociente entre el peso unitario del suelo seco in situ y el peso unitario máximo del suelo seco determinado en el laboratorio por un ensayo normalizado de compactación.

100.maxddGc

γγ

= (7—9)

El grado de compactación admisible, para efectos de comparación y control se especifica por normas dependiendo de la obra a construirse y del tipo de suelo. Es requisito común para suelos que han de ser empleados en terraplenes exigir que el grado de compactación no sea inferior al 95% y para materiales usados en subrasantes una compactación del 100% del peso unitario máximo del suelo seco. Para suelos que requieren compactación sin grandes exigencias de resistencia e incompresibilidad se reduce a veces el requisito a un mínimo de 90%. 7.2.6 COMENTARIOS GENERALES La excavación del agujero debe hacerse tan rápidamente como sea posible para mantener el contenido de agua natural del suelo que se guarda en la funda de plástico. Esta funda deberá sellarse tan pronto como se termine de hacer la excavación. El valor del peso unitario del suelo seco varía ligeramente de un lugar a otro, aún dentro de un área comparativamente pequeña. El croquis de ubicación de los agujeros referida a la obra analizada, es importante incorporar al informe porque permite ubicar en forma precisa los sitios que eventualmente necesitan más compactación.

114

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN



GRUPO No. OPERADOR

MUESTRA FECHA

DESCRIPCIÓN

ASTM D 1556

Ws = g Peso inicial : frasco + arena W4 = g

V = cm³ Peso final : frasco + arena W5 = g

γ darena = g/cm³ Wc = g

Agujero No.

W g

Peso inicial : frasco + arena W6 g

Peso final : frasco + arena W7 gW6-W7-Wc

γ darena

No.

Peso del recipiente W1 g

Peso del recipiente + suelo humedo W2 g

Peso del recipiente + suelo seco W3 g

Contenido de agua w %


Peso unitario del suelo húmedo γ g/cm³

γ d g/cm³

Grado de compactación Gc %

%

wo = % wo = %γ d máx = g/cm³ γ d máx = g/cm³

OBSERVACIONES

LMS-2009-15

COMPARACIÓN DE RESULTADOS

Volumen del agujero V = V

ENSAYOS DE COMPACTACIÓN

Diferencia del contenido de agua

CALIBRACIÓN DEL CONO Y DE LA PLACA - BASE

Peso unitario de la arena seca

Peso de la arena seca

Volumen frasco = Volumen arenaPeso de la arena del cono y el orificio de la placa - base (Wc=W4-W5)

cm³

Recipiente

Peso unitario del suelo seco

PRÓCTOR ESTÁNDAR PRÓCTOR MODIFIC.

CROQUIS DE UBICACIÓN DE LOS AGUJEROS

Peso del suelo húmedo

VOLUMEN DEL AGUJERO

CONTENIDO DE AGUA

PESO UNITARIO DEL SUELO EN OBRA

TERMINOS DE COMPARACIÓN



UNIVERSIDAD CENTRAL


------------------------------------


[email protected]

MÉTODO DEL CONO Y LA ARENA

PESO UNITARIO DE LA ARENA SECA

PESO DEL SUELO HÚMEDO

PESO UNITARIO DEL SUELO EN SITIO

CALIBRACIÓN DEL EQUIPO

115

7.3 MÉTODO DEL MEDIDOR DE BALÓN DE CAUCHO

7.3.1 INTRODUCCIÓN Por este método el volumen del agujero se determina midiendo directamente el volumen de agua bombeada a un balón de caucho que llena el agujero. Este método de medir el volumen del agujero es una clara ventaja en término de tiempo sobre el método del cono y la arena. 7.3.2 OBJETIVO Determinar el peso unitario del suelo en el sitio de trabajo. 7.3.3 EQUIPO 1. Medidor de balón de caucho. 2. Balanza de precisión, aproximación de 0.1g. 3. Herramientas para excavar pequeños agujeros en el suelo compactado. Martillo y

cincel metálico, cuchara y espátula, nivel de burbuja. 4. Equipo para determinar el contenido de agua. 5. Fundas de plástico para guardar el suelo recuperado del agujero y tarjetas de

identificación. 6. Brocha. El medidor de balón de caucho consiste de: un cilindro de vidrio calibrado en cm3 lleno parcialmente de agua, un balón de caucho, una bomba manual de caucho, una válvula de control, una placa-base metálica y un cilindro metálico para protección del cilindro de vidrio con una manija para transporte. 7.3.4 PROCEDIMIENTO A. CALIBRACIÓN DEL MEDIDOR DE BALÓN DE CAUCHO Antes de utilizar el medidor de balón de caucho debe obtenerse la lectura inicial o lectura cero, a partir de la cual, a menos que exista evaporación excesiva del agua en el cilindro graduado o se rompa el balón de caucho, se puede hacer muchas mediciones de volumen del agujero sin necesidad de repetir la lectura inicial. 1. Colocar la placa-base en una superficie fija y plana, (mesa de trabajo) 2. Colocar el medidor de balón de caucho en coincidencia con la escotadura de la

placa-base. 3. Manteniendo presionado el medidor sobre la placa-base y la superficie, bombear

aire al interior del cilindro hasta que el nivel del agua alcance el punto más bajo. 4. Una vez que la lectura en el cilindro graduado no cambia determinar la lectura

como: Lectura inicial o lectura cero. 5. Repetir este procedimiento al menos 3 veces y registrar el valor promedio, en el

formulario LMS-2009-16. B. DETERMINACIÓN DEL PESO UNITARIO DEL SUELO EN SITIO 1. Escoger dentro de la zona donde se trabaja un lugar para la ejecución del ensayo,

trazar un cuadrado de 6cm de lado, limpiar la parte superior del terreno, nivelando lo mejor posible la superficie descubierta.

116

2. Colocar la placa-base y afirmarla sobre la superficie del suelo nivelada y enrasada.

Clavar en el suelo un clavo de 3” junto a cada lado de la placa para mantenerla fija. 3. Excavar el suelo a través del orificio de la placa-base. La profundidad del agujero

será aproximadamente 15 cm. 4. El suelo que se va extrayendo del agujero depositar con cuidado en una funda de

plástico. Limpiar el agujero con la brocha, eliminando las aristas vivas de su superficie y recuperar el suelo en la misma funda. 5. Colocar sobre la escotadura de la placa-base el medidor de balón de caucho,

presionándolo contra la misma bombear aire al interior del cilindro y permitir que el balón se infle con agua dentro del agujero hasta que el nivel del agua en el cilindro de vidrio haya alcanzado el punto más bajo y se estabilice (Fig. 7—1).

6. Una vez que la lectura en el cilindro graduado no cambia, determinar y registrar la

lectura como: Lectura final. 7. Remover el balón del agujero, aplicando vacío al cilindro por medio de la bomba de

caucho invirtiendo su posición original y cambiando su dirección de operación. 8. Determinar y registrar el peso del suelo extraído del agujero contenido en la funda

de plástico. 9. De la muestra de suelo extraída del agujero, tomar dos porciones representativas

(ver tabla 2-1) para determinar su contenido de agua.

Fig. 7-1. Determinación del volumen del agujero.

117

7.3.5 CÁLCULOS: 1. El volumen del agujero V = Lectura inicial - Lectura final (cm3). 2. El contenido de agua del suelo extraído del agujero, se calcula con la (Ec. 2—5). 3. El peso unitario del suelo húmedo se calcula con la (Ec. 7-1). 4. El peso unitario del suelo seco se calcula con la (Ec. 7—2). 5. El grado de compactación se calcula con la (Ec. 7—9)

118

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN



GRUPO No. OPERADOR

MUESTRA FECHA

DESCRIPCIÓN

ASTM D 2167

cm³ wo = % wo = %

γ d máx = g/cm³ γ d máx = g/cm³

Agujero No.

W g

1 Lectura inicial o lectura cero cm³

2 Lectura final cm³

3 V cm³

No.

Peso del recipiente W1 g

Peso del recipiente + suelo humedo W2 g

Peso del recipiente + suelo seco W3 g

Contenido de agua w %


Peso unitario del suelo húmedo γ g/cm³

γ d g/cm³

Grado de compactación Gc %

%

OBSERVACIONES

LMS-2009-16

Peso unitario del suelo seco

COMP.PRÓCTOR ESTÁNDAR COMP. PRÓCTOR MODIFIC.

TERMINOS DE COMPARACIÓN

Volumen del agujero 3 = 1 - 2

CROQUIS DE UBICACIÓN DE LOS AGUJEROS

Peso del suelo húmedo

VOLUMEN DEL AGUJERO

CONTENIDO DE AGUA

PESO UNITARIO DEL SUELO EN OBRA

COMPARACIÓN DE RESULTADOS

Diferencia del contenido de agua

Recipiente



UNIVERSIDAD CENTRAL


------------------------------------


[email protected]

MÉTODO DEL MEDIDOR DE BALÓN DE CAUCHO

CALIBRACIÓN DEL EQUIPO

PESO DEL SUELO HÚMEDO

PESO UNITARIO DEL SUELO EN SITIO

Valor promedio

Lectura inicial o lectura cero

119

7.4 MÉTODO NUCLEAR

7.4.1 INTRODUCCIÓN Este método de prueba se realiza con un instrumento diseñado para medir el volumen y el contenido de agua del suelo. Utiliza una fuente radioactiva de sondeo en combinación con los tubos Geiger para medir el peso unitario y el contenido de agua del suelo. Una sonda externa de detección se coloca en el suelo a la profundidad deseada. Fundamentalmente, los rayos gama que emite este detector se absorben por los átomos del suelo y del agua. Se absorbe una mayor cantidad de rayos cuando el suelo tiene un peso unitario alto y un contenido alto de agua. Por consiguiente, llegan un número menor de rayos al instrumento. Así, cuanto más denso sea el suelo más bajo será el ritmo del conteo del instrumento. Las ventajas del método de prueba nuclear son: 1. Rapidez para la determinación del peso unitario del suelo en el sitio. 2. No es destructiva; no molesta la estructura del suelo. 3. Reduce el personal que interviene en los procedimientos convencionales de prueba. 4. Proporciona un método de efectuar pruebas de peso unitario en suelos colocados en sub—bases de gran extensión. Al lector interesado en el estudio detallado del método, se recomienda consultar la norma ASTM D—2922.

Isótopo

Tubo Geiger - Muller

Contador

Isótopo

Contador


Isótopo

Contador


Fig. 7-2. Medidor nuclear de peso unitario - humedad

120

8. PERMEABILIDAD DE LOS SUELOS 8.1. INTRODUCCIÓN Permeabilidad es la capacidad de una masa de suelo de permitir el flujo del agua a través de sus poros por efecto de un gradiente hidráulico. El flujo de agua a través de un medio poroso como es el caso del suelo, está regido por la ley de Darcy. Para flujo laminar, es decir, con velocidades pequeñas y suelos de partículas

del tamaño de grava y menores, la descarga se puede determinar con la ecuación:

A ik dtdV

==Q

(8 – 1) Siendo: Q = Caudal o Descarga que pasa a través de una muestra de suelo de sección transversal A. i = Gradiente hidráulico. K = Coeficiente de permeabilidad. En el intervalo en que se aplica la ley de Darcy, la velocidad es directamente proporcional al gradiente hidráulico y el flujo es laminar. La permeabilidad es una propiedad mecánica de los suelos. El coeficiente de permeabilidad, k, no es una constante del suelo, sino que depende del tamaño y forma de las partículas que componen el suelo, de su relación de vacíos, forma y arreglo de los poros, del grado de saturación, contenido de materia orgánica y de las propiedades del agua, esencialmente de la viscosidad, la cual varia con la temperatura. 8.2. DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD El coeficiente de permeabilidad, es una medida de la velocidad con la que el agua atraviesa la masa del suelo, cuando está sujeta a un gradiente hidráulico unitario. El valor del coeficiente de permeabilidad, en el laboratorio se determina mediante dos métodos directos: • Permeámetro de carga constante • Permeámetro le carga variable Con el objetivo de establecer un valor comparativo del coeficiente de permeabilidad, éste se expresa refiriéndose a una temperatura de 20ºC. Si se conoce el valor de kT, a cualquier temperatura T, su valor k20 a 20°C, será:

121

T20 k kηη

= (8 – 2) Donde: k20 = Valor del coeficiente de permeabilidad a 20ºC kT = Valor del coeficiente de permeabilidad a la temperatura Tº C del ensayo. ηT y η20 = Viscosidades dinámicas del agua, a la temperatura T° C del ensayo y a 20°C, respectivamente.

PRÁCTICA No. 12 ESTA ES UNA PRÁCTICA DEMOSTRATIVA 8.3. PERMEÁMETRO DE CARGA CONSTANTE 8.3.1. INTRODUCCIÓN Este ensayo es aplicable para suelos relativamente permeables tales como: gravas, arenas y mezclas de grava y arena. El procedimiento consiste en someter la muestra de suelo a una infiltración de agua bajo una carga hidráulica constante. El valor del coeficiente de permeabilidad en estos suelos varía entre 10² a l0-3 cm/s, y se determina aplicando directamente la ley de Darcy. 8.3.2. OBJETIVO Determinar en el laboratorio el coeficiente de permeabilidad de una muestra de suelo (arena). 8.3.3. EQUIPO 1. Permeámetro de carga constante. 2. Dispositivo de abastecimiento de agua. 3. Termómetro, aproximación 0.1 ° C. 4. Cronómetro, aproximación 0.1 s. 5. Probeta graduada, capacidad 100 cm3. 6. Regla metálica graduada con aproximación 0.1 cm. 7. Calibrador. 8. Balanza de precisión, aproximación 0.1 g. 9. Equipo para determinar el contenido de agua. Un diagrama esquemático del permeámetro de carga constante y del dispositivo de abastecimiento de agua, se puede observar en la Fig. 8—1. El permeámetro, un cilindro de lucita de diámetro interior 6.25cm y altura 28cm, tiene acoplado en su parte inferior un desagüe (entrada de agua al permeámetro), una piedra porosa fija y un tubo piezométrico el mismo que permite determinar la pérdida de carga hidráulica total, en la parte superior se acopla un desagüe que permite mantener la altura de agua constante. El dispositivo de abastecimiento de agua esencialmente consta de: un recipiente con agua, un soporte vertical, una manguera de desagüe y una regla graduada (escala) colocada verticalmente. 8.3.4. MUESTRAS DE SUELO 1. Se dispone de muestras alteradas (arena), obtenidas de pozos a cielo abierto,

ubicadas al borde de algunas carreteras del país y de perforaciones hechas para la determinación de las características mecánicas de los suelos de fundación para edificios.

2. Previamente la muestra de suelo deberá ensayarse para determinar su contenido de

agua y el peso unitario de las partículas sólidas de acuerdo a los procedimientos expuestos en los numerales: 2.2.5 y 2.5.5 respectivamente (Capitulo 2).

122

2

SUELO

NRPiedra porosa

Paredes delpermeámetro

V

1

L

h2

h

h1

z

Tubo piezométrico

Probeta graduada

Agua a nivel constante

Regla graduada

Recipientecon agua

Manguera dedesague

Fig. 8—1. Diagrama esquemático del Permeámetro de carga constante

8.3.5. PROCEDIMIENTO 1. Determinar y registrar el diámetro interior y la sección transversal del permeámetro

igual al diámetro y la sección transversal (A) de la muestra de suelo a ensayarse: en el formulario LMS-2009-17.

2. Determinar el peso de la muestra de suelo (arena) a ensayarse antes de colocarlo

en el permeámetro. 3. Colocar la muestra de suelo en el permeámetro, utilizando una cuchara y

compactando la misma mediante vibraciones manuales: horizontales y/o verticales que permitan un mejor acomodo de la arena en el permeámetro.

4. Determinar el valor del peso de la muestra sobrante y por diferencia determinar y

registrar el valor del peso total del suelo (W), que se colocó en el permeámetro. 5. Determinar y registrar la distancia (L), en el interior de la muestra de suelo, entre

los puntos 1 y 2 en los que se conoce los valores de la carga hidráulica total, (ver Fig. 8-1)

6. Saturar por capilaridad la muestra de suelo a ensayarse, sumergiendo el

permeámetro lentamente en un recipiente con agua y procurando que el nivel de la línea de saturación quede arriba del nivel de agua en el recipiente, con el objetivo de que la saturación se efectúe exclusivamente por capilaridad y la expulsión del aire de la muestra sea más efectiva.

Una vez saturada la muestra, se permite que el agua del recipiente quede arriba del

nivel superior de la muestra y se llena el permeámetro hasta que el agua salga por el desagüe superior.

123

7. Conectar el recipiente con agua, mediante una manguera a la entrada de agua del permeámetro en su parte inferior.

8. Ajustar la altura (z) del recipiente con agua (ver Fig. 8-1) para dar a la muestra el

gradiente hidráulico, i, escogido. La altura (z) no debe ser mayor a 45cm, para que el gradiente hidráulico aplicado

no sea superior al crítico, a partir del cual las partículas se ponen en suspensión. El gradiente hidráulico está dado por el cuociente de la pérdida de carga hidráulica

total, Δh, y la distancia L, en el interior de la muestra de suelo, entre los puntos 1 y 2 en los que se conoce los valores de la carga hidráulica total, (ver Fig. 8-1).

9. Dejar correr el agua, hasta que se establezca el régimen de flujo, el agua escurre

desde el recipiente con agua hasta el permeámetro por la manguera de desagüe. 10. Determinar y registrar la pérdida de carga hidráulica total, (Δh), entre los puntos 1

y 2. 11. Manteniendo constante la carga hidráulica, determinar y registrar el volumen (V) de

agua, que fluye a través de la muestra de suelo en un tiempo (t) determinado, recolectado en la probeta de 100 cm³ de capacidad.

12. Determinar y registrar la temperatura (T°C) a la cual se encuentra el agua en el

recipiente durante el ensayo. 13. Repetir el procedimiento al menos 5 veces para distintos tiempos (t) determinados,

cuidando de mantener siempre el flujo laminar. 8.3.6. CÁLCULOS 1. El coeficiente de permeabilidad, a la temperatura de ensayo, se obtiene aplicando la

ecuación:

thALV

kT ***Δ

= (8 – 3)

donde: V = Volumen de agua, medido en la probeta, (cm³). L = Distancia en el interior de la muestra de suelo, entre los

puntos 1 y 2 en los que se conoce los valores de la carga hidráulica total, (cm).

A = Área o sección transversal de la muestra, (cm²). Δh = Pérdida de carga hidráulica total entre los puntos 1 y 2, bajo

la cual se produce la infiltración, (cm). t = Tiempo necesario para que el volumen (V) de agua

atraviese la muestra, (s). hi = Carga hidráulica total en un punto i, en el interior de la

muestra de suelo. 2. El valor del coeficiente de permeabilidad a la temperatura de 20ºC se obtiene

aplicando la (Ec. 8-2); donde los valores de ηT / η20 en función de la temperatura (T°C) del agua, se registran en la Fig. 8-2. (Ver Ref. 2)

124

12 14 16 18 20

1.05

1.00

1.10

1.15

1.20

T ºC

20 22 24 26 28

0.84

0.79

0.89

0.94

1.00

T ºC

ηTºC

η20ºC

30

Fig. 8-2. Valores de ηT / η20 en función de la temperatura (T°C) del agua

3. La relación de vacíos e, se determina con la ecuación:

1W

V.VsVv e

s

s −==γ

(8-4)

4. El grado de saturación Sr, se determina con la ecuación:

eS .S s

r w

= (8-5)

donde: V = Volumen total de la muestra de suelo colocada en el permeámetro (V =A.L), formulario LMS-2009-17. γs = Peso Unitario de las partículas sólidas. Ws = Peso de las partículas sólidas. w = Contenido de agua de la muestra a ensayarse. SS = Peso unitario relativo de las partículas sólidas. Los valores de w y γs de la muestra ensayada será entregado por el laboratorio durante la

125

ejecución del ensayo. 8.3.7. INFORME DE RESULTADOS Los resultados y observaciones que se hagan durante el ensayo deben registrarse en el formulario LMS-2009-17. 8.3.8. COMENTARIOS GENERALES 1. Es muy importante llevar un buen control de la temperatura del agua durante el

ensayo ya que la viscosidad del agua es función de la temperatura. 2. Es importante determinar la relación de vacíos, e, y el grado de saturación, Sr de la

muestra de suelo ensayada, y reportar el valor del coeficiente de permeabilidad para esas condiciones. Debido a que el valor de (k) depende de e y Sr, por ello en cada ensayo de permeabilidad la muestra de suelo tendrá específicamente su relación de vacíos y su grado de saturación.

126

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN



GRUPO No. OPERADOR

MUESTRA FECHA

DESCRIPCIÓN

ASTM D-2434

w

Diámetro = cm Peso + S. húmedo+ S. seco. PARCIAL

Area A = cm² g g g %

Distancia L = cm

Volumen V = A . L = cm³

Peso Total W = g

Peso seco g

Contenido de agua promedio w = %

γ s =

Δh i V t

cm - cm³ s

LMS-2009-17

OBSERVACIONES

RESULTADOS

PERMEABILIDAD MEDIA cm / s PERMEABILIDAD MEDIA cm / s

T k T k 20

Relación de vacíos Porosidad %


FECHA

TEMPERATURA

º C cm / s cm / s

COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD

COEFICIENTE DE PERMEBILIDAD

Peso unitario partículas sólidas g/cm³ Grado de Saturación %

Peso Recipiente

No.

PERMEÁMETRO DE CARGA CONSTANTE

RELACIONES FUNDAMENTALES

[email protected]


VOLUMENGRADIENTE HIDRÁULICO

PÉRDIDA DE CARGA

HIDRÁULICA

MUESTRA DE SUELO CONTENIDO DE AGUA

Recipiente

--------------------------------------




TIEMPO

=+

=

1001 w

WWs

=−= 1.

S

s

WV

eγ

==eSswSr .

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+= 100.

1 een

=Tk =20k

127

8.4. PERMEÁMETRO DE CARGA VARIABLE 8.4.1. INTRODUCCIÓN Este ensayo se realiza en suelos poco permeables, predominantemente suelos finos, tales como arenas finas, mezclas de arena y limo, limos orgánicos e inorgánicos, cuyo valor del coeficiente de permeabilidad varia entre 10-1 y 10-6 cm/s. El procedimiento es similar al caso anterior, con la diferencia que la carga hidráulica es variable y la cantidad de agua que atraviesa la muestra se determina por diferencia de niveles en el tubo de carga. El ensayo se debe hacer con el mayor cuidado posible, debido a que la cantidad de agua que atraviesa la muestra de suelo, es tan pequeña que es necesario evitar la pérdida de agua por goteo o evaporación que puede ser mucho mayor que la que realmente atraviesa el suelo. 8.4.2. OBJETIVO Determinar en el laboratorio el coeficiente de permeabilidad de una muestra de suelo. 8.4.3. EQUIPO 1. Permeámetro 2. Dispositivo de carga variable. 3. Termómetro, aproximación 0.1°C 4. Cronómetro, aproximación 0.1 s. 5. Regla graduada, aproximación 0.1 cm. 6. Calibrador. 7. Balanza de precisión, aproximación 0.1 g. 8. Equipo para determinar el contenido de agua. 9. Martillo de compactación: Proctor estándar. Un diagrama esquemático del permeámetro y del dispositivo de carga variable, se puede observar en la Fig. 8-3. El permeámetro, un cilindro metálico de diámetro interior 4 pulg., tiene acoplado en su base una piedra porosa y en la parte superior un filtro móvil de arena que pasa el tamiz No. 8 y se retiene en el tamiz No. 20, conjuntamente con la tapa. El dispositivo de carga variable esencialmente consta de: un recipiente con agua, un soporte vertical, un tubo de diámetro reducido y una regla graduada (escala) colocada verticalmente. 8.4.4. MUESTRAS DE SUELO 1. Las muestras inalteradas se ensayan directamente recortándolas justo del tamaño

del permeámetro y rodeándolas de un material impermeable como: una mezcla de arcilla plástica con agua.

2. Las muestras alteradas, se compactan dentro del permeámetro, procedimiento a

seguirse en este ensayo. 3. Previamente las muestras deberán ensayarse para determinar su contenido de agua

y el peso unitario de las partículas sólidas de acuerdo a los procedimientos expuestos en los numerales 2.2.5 y 2.5.5 respectivamente (Capítulo 2).

128

Fig. 8-3. Diagrama esquemático del Permeámetro de carga variable 8.4.5. PROCEDIMIENTO 1. Determinar y registrar el diámetro interior y la sección transversal del

permeámetro, igual al diámetro y la sección transversal (A), de la muestra de suelo a ensayarse, en el formulario LMS-2009-18.

2. Determinar el peso del permeámetro con la base y la piedra porosa inferior incluida. 3. Colocar la muestra de suelo en el permeámetro y compactar la misma, usando el

procedimiento de compactación Proctor estándar. 4. Una vez llenado la capacidad en volumen del permeámetro, determinar el peso del

conjunto y por diferencia, determinar y registrar el peso total del suelo (W) que se colocó en el permeámetro.

5. Determinar y registrar la longitud de la muestra de suelo igual a la altura del

permeámetro. Esta longitud en los cálculos es la longitud (L) de la trayectoria de flujo.

6. Determinar y registrar el diámetro y la sección transversal (a) del tubo de vidrio.

129

7. Colocar en la parte superior del suelo el filtro de arena conjuntamente con la tapa del permeámetro.

Conectar el recipiente con agua mediante una manguera y el tubo de vidrio a la

entrada de agua del permeámetro en su parte superior (Ver Fig. 8-3), y saturar la muestra de suelo.

8. Dejar correr el agua a través del tubo y la muestra de suelo, hasta que se estabilice el flujo y proceder a determinar la cantidad de agua que atraviesa la muestra en un determinado tiempo (t) (Foto 8-1), de la siguiente manera:

Suprimir el abastecimiento de agua al tubo de vidrio. Cuando el nivel de agua que está fluyendo a través del tubo pasa por una altura

(Δh1) o pérdida de carga hidráulica inicial, (lectura en la regla graduada) por ejemplo 120cm, poner en marcha el cronómetro. Transcurrido un tiempo, dicho nivel de agua se encontrará en una altura (Δh2) o pérdida de carga hidráulica final, (lectura en la regla graduada) por ejemplo 80cm, detener el cronómetro.

Si el suelo es muy permeable se necesita poco tiempo para que el nivel de agua se

encuentre a una altura Δh2 como la indicada; en cambio si el suelo es poco permeable esto ocurrirá en un tiempo considerable.

9. Determinar y registrar los valores de (Δh1) y (Δh2); así como el tiempo transcurrido

para que el nivel de agua pase de la altura (Δh1) a la altura (Δh2) en la lámina de registro prevista.

10. Determinar y registrar la temperatura (T° C) a la cual se encuentra el agua en el

recipiente durante el ensayo. 11. Repetir el procedimiento al menos 5 veces, variando las alturas (Δh1) y (Δh2),

cuidando de mantener siempre el flujo laminar; o sea la velocidad de descenso del menisco en el tubo de vidrio no sea mayor de 1 cm/s ni menor de 1 cm/min.

8.4.6. CÁLCULOS 1. El coeficiente de permeabilidad a la temperatura del ensayo, se calcula aplicando la

siguiente ecuación:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−Δ−Δ

=c

cT hh

hhtALak

21ln*

**

(8 – 6)

donde: a = Área del tubo de vidrio, (cm2) L = Longitud de la muestra de suelo, (cm). A = Área de la sección transversal de la muestra, (cm). t = Tiempo transcurrido, (s). Δh1 = Altura o pérdida de carga hidráulica inicial, (cm). Δh2 = Altura o pérdida de carga hidráulica final, (cm). hc = Altura de ascensión capilar, (cm)

c

c dh 3.0= (8 – 7)

dc = Diámetro del tubo, (cm).

130

Foto 8-1 Medición de las alturas o pérdidas de carga hidráulica inicial y final 2. El valor del coeficiente de permeabilidad a la temperatura de 20°C se obtiene

aplicando la (Ec. 8-2); donde los valores de ηT/η20 en función de la temperatura (T°C) del agua, se registran en la Fig. 8-2. (Ver Ref. 2)

3. La relación de vacíos e, se calcula con la (Ec. 8-4). 4. El grado de saturación Sr se calcula con la (Ec. 8-5). 8.4.7. INFORME DE RESULTADOS Los resultados y observaciones que se hagan durante el ensayo deben registrarse en el formulario LMS-2009-18.

131

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN



GRUPO No. OPERADOR

MUESTRA FECHA

DESCRIPCIÓN

ASTM D-2434

Diámetro = cm Peso + S. húmedo+ S. seco. PARCIAL PROMEDIO

Area A = cm² g g g % %

Longitud L = cm

Volumen V = A . L = cm³

Peso Total W = g

Peso seco g Diámetro d = cm

Área a = cm²

Ascención capilar hc = cm

γ s =

INICIAL FINAL

Δh1 Δh2

cm cm

LMS-2009-18

OBSERVACIONES

RESULTADOS

PERMEABILIDAD MEDIA cm / s PERMEABILIDAD MEDIA cm / s

s

COEFICIENTE DE PERMEBILIDAD

T kT k20

Porosidad %


FECHA

PÉRDIDA DE CARGA HIDRÁULICA

cm / s cm / s

COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD

Relación de vacíos

TEMPERATURA

º C

TIEMPO

t

%

TUBO

MUESTRA DE SUELO CONTENIDO DE AGUA

Recipiente Peso Recipiente w

No.

[email protected]

UNIVERSIDAD CENTRAL


PERMEÁMETRO DE CARGA VARIABLE

RELACIONES FUNDAMENTALES

Peso unitario partículas sólidas g/cm³ Grado de Saturación

--------------------------------------




=+

=

1001 w

WWs

=−= 1.

S

s

WV

eγ

==eSswSr .

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+= 100.

1 een

=Tk =20k

132

9. CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE LOS SUELOS PRÁCTICA No. 13 ESTA ES UNA PRÁCTICA DEMOSTRATIVA 9.1 INTRODUCCIÓN Los suelos sufren deformaciones por compresión bajo el efecto de una presión (o carga) sobre ellos aplicado. En los suelos saturados de baja permeabilidad dichas compresiones no ocurren simultáneamente con la aplicación de la carga como sucede en los materiales granulares, debido a que el reacomodamiento de las partículas, que es el componente principal de la deformación solo puede darse, si es que parte del agua que contiene el suelo es expulsada de su interior. Si el suelo es poco permeable, la expulsión de dicha agua requerirá tiempo. La teoría de consolidación unidimensional de Terzaghi, permite determinar la deformación vertical en el tiempo de un suelo saturado, confinado lateralmente y sometido a presión vertical; y, es aplicable fundamentalmente a las arcillas saturadas o a materiales semejantes. Dos aspectos del fenómeno de consolidación son más importantes: • La magnitud de la deformación total que se presentan bajo carga; y, • La evolución con el tiempo de la deformación sufrida por el suelo bajo una carga determinada. 9.2 DEFINICIÓN La consolidación del suelo es un proceso gradual que implica disminución de su volumen acompañado de escape de agua y transferencia de esfuerzos, en función del tiempo. 9.3 OBJETIVO Determinar en el laboratorio la compresión total del suelo saturado, confinado lateralmente y sometido a determinados incrementos de carga axial, y la evolución en el tiempo de las deformaciones producidas por estos incrementos de carga. 9.4 EQUIPO 1. Unidad de consolidación. 2. Torno de labrado para muestras, con sus accesorios (navaja y sierra). 3. Cronómetro, aproximación 0.1 seg. 4. Balanza de precisión, aproximación 0.1 g. 5. Deformímetro, aproximación 0.0025 mm. 6. Calibrador. 7. Placa de vidrio (15 * 15cm). 8. Regla metálica rígida afilada. 9. Equipo para determinar el contenido de agua. La unidad de consolidación, consiste de un consolidómetro y bastidor de carga. Según el tipo de anillo hay dos tipos consolidómetros: 1. Consolidómetro de anillo flotante (Foto 9-1). 2. Consolidómetro de anillo fijo (Foto 9-2).

133

Foto 9-1. Consolidómetro de anillo flotante

Foto 9-2. Consolidómetro de anillo fijo

134

La carga se aplica al suelo mediante el sistema de palanca, yugo de carga y portapesas que se observa en la Foto 9-3, donde el bastidor tiene una sola palanca de carga con una relación de 1 a 10. Las especificaciones del bastidor de carga de la unidad de consolidación varían de acuerdo al fabricante. Durante el ensayo de consolidación, cuando se aplica la carga al suelo la fricción lateral entre el suelo y las paredes del anillo es diferente para el anillo flotante que para el fijo. En el anillo fijo, todo el movimiento del suelo con respecto al anillo es hacia abajo; entonces, toda la fuerza de fricción se dirige hacia arriba, (Foto 9-2). En el anillo flotante la compresión va de la parte superior del anillo hacia la parte media y de la parte inferior hacia la misma parte media, entonces la mitad de la fuerza friccional es hacia arriba y la otra mitad es hacia abajo, (Foto 9-1). Por lo expuesto puede verse que los efectos de la fricción que reducen en un pequeño porcentaje la carga aplicada son menores en el anillo flotante que en el anillo fijo.

Foto 9-3. Bastidor de carga 9.5 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA El ensayo se realiza usando muestras de suelo generalmente de 6.4cm de diámetro con 2.5cm de altura; y, 11.28cm de diámetro con 3.82cm de altura, las mismas que son inalteradas en ciertos casos. Las muestras inalteradas se obtienen de dos maneras: 1. Cortándoles de un bloque extraído de un P.C.A. 2. Extrayéndolas en un muestreador Shelby.

135

9.5.1 PROCEDIMIENTO DE PREPARACIÓN 1. Determinar y registrar la altura, diámetro interior y peso del anillo de

consolidación a usarse, en el formulario LMS-2009-21. 2. Cortar la muestra de ensayo, cuyo espesor sea el doble de la altura del anillo de

consolidación, y de tamaño ligeramente mayor que el diámetro interior del anillo. Labrar burdamente la muestra de tal forma que su estratigrafía tenga la misma orientación en el consolidómetro como in situ.

3. Colocar el anillo de consolidación en el torno de labrado y centrar la muestra en el

anillo (Foto 9-4). 4. Labrar el suelo con una herramienta de corte adecuada, girando lentamente el

torno de labrado, la herramienta deberá ajustarse al anillo de tal forma que el suelo tenga un diámetro ligeramente superior al del interior del anillo, por lo que se requerirá una pequeña presión para insertar la probeta de suelo en el anillo.

5. Continuar labrando al suelo hasta que la probeta sobresalga por lo menos 0.3cm

por debajo del extremo inferior del anillo. 6. Durante el labrado, obtener al menos tres muestras representativas (ver tabla 2-

1) para la determinación del contenido de agua. 7. Remover cuidadosamente el exceso de suelo de la parte superior de la muestra, con

una regla rígida y afilada enrasar la probeta exactamente al nivel del borde del anillo de consolidación.

8. Colocar la placa de vidrio en la parte superior de la probeta. Invertir la posición de

la probeta y el anillo y enrasar la cara inferior. 9. Determinar el peso del anillo con la probeta de suelo, por diferencia determinar y

registrar el peso de la probeta de suelo. De los cuidados que se tenga en la preparación de las muestras depende en mucha parte la validez de los resultados obtenidos. 9.6 COLOCACIÓN DE LA MUESTRA EN EL CONSOLIDÓMETRO 9.6.1 CONSOLIDÓMETRO DE ANILLO FIJO 1. Inundar con agua destilada la base del consolidómetro (cazuela) y colocar la

piedra porosa previamente saturada, evitando atrapar aire en la operación. 2. Colocar el anillo con la muestra en la cazuela. 3. Colocar el empaque de caucho. 4. Colocar el anillo fijador y ajustar los seis tornillos 5. Colocar la piedra porosa superior previamente saturada y encima el disco de carga

de acero. Revisar la posición concéntrica de estas dos piezas respecto a la probeta de suelo, para permitir la entrada de ellas en el anillo, cuando se produzca la deformación por compresión del suelo.

9.6.2 CONSOLIDÓMETRO DE ANILLO FLOTANTE 1. Colocar la piedra porosa inferior previamente saturada, sobre la probeta de suelo

contenido en el anillo flotante, consiguiendo que se adhiera a ésta. La posición final de la piedra debe ser concéntrica con la probeta de suelo para permitir la introducción de la piedra durante la consolidación.

136

2. Invirtiendo la posición inicial, colocar el anillo con la probeta de suelo y la piedra

porosa inferior sobre el fondo de la cazuela (Foto 9—5). 3. Colocar la piedra porosa superior, previamente saturada concéntricamente sobre la

probeta del suelo. 9.7 COLOCACIÓN DEL CONSOLIDÓMETRO EN EL BASTIDOR DE CARGA 9.7.1 CONSOLIDÓMETRO DE ANILLO FIJO 1. Fijar el disco de carga con la esfera de acero al yugo del bastidor de carga. 2. Colocar el consolidómetro sobre la placa del bastidor de carga, bajo el yugo que

estará provisto del disco de carga articulado por medio de la esfera de acero. Es importante que las piedras porosas estén centradas sobre la muestra para evitar que se remuerdan contra el anillo e impidan la consolidación del suelo.

3. Asegurar que no haya juego entre el yugo de carga y el consolidómetro y fijar el

puente horizontal de soporte del deformímetro sobre el yugo. A continuación colocar el deformímetro en el sitio correspondiente y ajustar el tornillo de fijación (Foto 9 – 6).

9.7.2 CONSOLIDÓMETRO DE ANILLO FLOTANTE 1. El procedimiento es similar al caso anterior. Al final agregar agua a la cazuela

del consolidómetro para saturar la muestra y esperar 5 minutos para iniciar el proceso de carga.

9.8 PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO 1. Colocar en los portapesas las primeras pesas que producirán una presión de

0.025Kg/cm², que servirán para poner en contacto todas las piezas metálicas y la muestra de suelo antes de iniciar el ensayo propiamente dicho, bajo esta carga de ajuste determinar la lectura inicial del deformímetro.

2. Colocar las pesas necesarias simultáneamente y sin golpe de tal forma de producir

sobre el suelo una presión de 0.5kg/cm². 3. Registrar la hora de aplicación de la carga y luego determinar registrar las lecturas

del deformímetro en intervalos de tiempo sugeridos como: 15 y 30 seg, 1, 2, 4, 8, 15 y 30 min, 1, 2, 4, 8, 16 y 24 horas o hasta que se defina la consolidación primaria, a partir de la hora de aplicación inicial de la carga.

4. Al día siguiente, aumentar las pesas al portapesas de tal forma de obtener sobre el

suelo una presión de 1Kg/cm². Determinar y registrar las lecturas del deformímetro para los tiempos establecidos.

5. Repetir el paso 4, para presiones de 2, 4, 8 y 16 Kg/cm². 6. Para cada uno de los incrementos de presión, llevar un registro de la forma como

progresa la deformación del suelo en función del tiempo, haciendo uso del deformímetro y del cronómetro respectivamente, formulario LMS-2009-19.

7. Después de que la presión de 16Kg/cm² ha permanecido aplicada sobre el suelo 24

horas, iniciar el proceso de descarga disminuyendo la presión a 4Kg/cm² y luego a 2, 1 y 0,5 Kg/cm². Entre cada una de las descargas dejar actuar la presión durante horas o hasta no observar variación en la lectura del deformímetro. Determinar y

137

registrar las lecturas del deformímetro en intervalos de tiempo sugeridos como: 15 y 30 seg., 1, 2, 4, 8 y 15 min, 1 y 2 horas.

8. Remover el consolidómetro del bastidor de carga, desarmarlo y extraer el anillo con

el suelo, secar la superficie del anillo y suelo. Determinar y registrar el peso del conjunto.

9. Colocar el anillo y suelo en el horno de secado a temperatura constante. Luego de

24 horas determinar y registrar el peso del conjunto, y por diferencia determinar y registrar el peso del suelo seco (Ws), formulario LMS-2009-21.

Foto 9-4. Labrado de la muestra de suelo

Foto 9-5. Colocación del anillo, suelo y piedra porosa en la cazuela

138

Foto 9-6. Equipo de consolidación listo para el ensayo 9.9 CÁLCULOS Y GRÁFICOS 1. Con los resultados obtenidos y codificados en el formulario LMS-2009-19 construir,

para cada incremento de presión, una gráfica en papel semi-logarítmico, cuyas abscisas (escala logarítmica) representa el tiempo, en minutos, y cuyas ordenadas (escala aritmética) representan las lecturas del deformímetro, en mm; formulario LMS-2009-20. La gráfica es conocida como: Curva de consolidación.

En ocasiones no es posible, mediante esta curva, definir la consolidación primaria

del suelo en estudio; entonces se recurre, con los mismos datos de la anterior, al trazo de una curva - lecturas del deformímetro, en escala aritmética. tiempo

2. Si la curva elegida es la dibujada en papel semi-logarítmico, determinar el tiempo

para el 50% de consolidación primaria, t50, para cada una de las curvas de consolidación graficadas. El procedimiento se ilustra en la Fig. 9-1.

Escoger un punto de la curva próximo al eje de las ordenadas (lectura del

deformímetro) observar el tiempo que como abscisa le corresponde y localizar sobre la curva, el punto cuya abscisa sea cuatro veces la del punto originalmente elegido; la diferencia de ordenadas entre ambos puntos duplicar y este valor llevar, a partir del segundo punto mencionado, sobre una paralela al eje de las ordenadas, obteniéndose de este modo un tercer punto por el cual hacer pasar una paralela al eje de las abscisas (tiempos), la intersección de esta línea con el eje de las ordenadas define el 0% de la consolidación primaria.

El 100% de consolidación primaria queda definido por la intersección de la tangente

al tramo central de la curva con la asíntota del tramo final de la misma. Al punto medio del segmento entre el 0 y el 100 por ciento de consolidación

primaria corresponderá el 50 por ciento. El tiempo correspondiente a este

139

porcentaje, t50, queda determinado por la proyección en el eje de las abscisas del punto de intersección de este porcentaje (50%) y la curva.

Fig. 9-1 Curva de consolidación: Método de laboratorio para determinar t50 3. Si la curva elegida es la dibujada en escala aritmética, se define el tiempo que

corresponde al 90% de consolidación primaria, t90 en la forma indicada a continuación:

Trazar una línea recta AB tangente al tramo recto de la curva: -

Lecturas del deformímetro (Fig. 9—2), extender esta línea hasta que intercepte al eje de las ordenadas (lecturas del deformímetro) en el punto A, el punto de intersección establece el valor de d

tiempo

0. Medir la longitud del segmento CB. Determinar y graficar el punto D, con la longitud del segmento CD = 1.15 longitud del segmento CB. Unir con una línea recta los puntos A y D. La abscisa correspondiente al punto de intersección de la línea AD con la curva, es y el valor de su ordenada es d90 (lectura del deformímetro para el 90% de consolidación primaria). Método de Taylor, 1942.

90t

140

Fig. 9—2. Curva: - lecturas del deformímetro tiempo 4. Registrar los datos del ensayo en las columnas 1, 2 y los valores de t50 ó t90 en las

columnas 8 y 12 del formulario LMS-2009-21. Los datos de las columnas 1 y 2 se obtienen del formulario LMS-2009-19 donde se encuentran codificados los registros de lecturas del deformímetro en función del tiempo, para cada presión aplicada.

5. Determinar y registrar el incremento de lecturas (formulario LMS-2009-21 columna

3), se determina restando el valor sucesivo del anterior en la columna anterior (columna 2).

6. Determinar y registrar la altura de la muestra consolidada bajo cada incremento de

presión, restando o sumando los incrementos de lecturas, según se trate de compresión o expansión, de las alturas correspondientes a la etapa anterior de carga. La altura inicial de la muestra de suelo para la presión de 0 Kg/cm² es medida al término del tallado y generalmente es igual a la altura del anillo.

7. Determinar y registrar la altura de sólidos de la muestra de suelo

(9—1) )( 10.H Ws=

s mm

Asγ donde: Hs = Altura de sólidos de la muestra de suelo, en mm. Ws = Peso de la muestra seca, en g.

γs = Peso unitario de las partículas sólidas, en g/cm³. A = Área de la muestra, en cm². 8. Determinar y registrar la altura de vacíos de la muestra, para cada incremento de

presión como la diferencia entre la altura de la muestra y la altura de sólidos.

Hv = H – Hs (9—2)

141

donde: Hv = Altura de vacíos de la muestra. H = Altura de la muestra. Hs = Altura de sólidos de la muestra. 9. Determinar y registrar la relación de vacíos de la muestra, para el final del

fenómeno de consolidación bajo cada presión.

142

90

2

t4H 0.848 Cv =

p´σ

(9 – 3)

s

vHe =H

10. Determinar y registrar el coeficiente de consolidación, para cada incremento de

presión con las siguientes ecuaciones: Formulario LMS-2009-21, columna 9. Método de Casagrande (curva de

consolidación)

(9 – 4)

50

2

V t4197.0C H

= Formulario LMS-2009-21, columna 13. Gráfico de la raíz cuadrada del tiempo.

(9 – 5)

donde: Cv = Coeficiente de consolidación H = Altura de la muestra para cada incremento de presión. t50, t90 = Tiempos correspondientes a d50 y d90 de consolidación

primaria respectivamente 11. Graficar los resultados codificados en el formulario LMS-2009-21 en el formulario

LMS-2009-22, ubicando en abscisas (escala logarítmica) la presión, en Kg/cm², y en ordenadas (escala aritmética) la relación de vacíos.

La gráfica es conocida como: Curva de compresibilidad que permite determinar la

presión de preconsolidación, los índices de compresión, recomprensión y expansión o esponjamiento.

12. Determinar la presión de preconsolidación . El procedimiento se ilustra en la Fig.

9—3. La curva de compresibilidad tendrá la forma característica como la de la Fig. 9—3 si

se trata de un suelo que cumple con la teoría de consolidación unidimensional. Casagrande (1936), propuso que la presión de preconsolidación se determina como

sigue:

a. Localizar en la curva, el punto de máxima curvatura (punto A) entre el tramo de recomprensión y el tramo virgen.

b. Por este punto, dibujar una línea horizontal AB, y una tangente a la curva, AC. c. Bisectar el ángulo BAC, formado entre la horizontal y la tangente.

d. Intersecar la bisectriz AD con la tangente al tramo virgen en el punto E. e. Desde el punto E, trazar una línea vertical hasta el eje de las abscisas (Presión)

y leer el valor de la presión de preconsolidación. 13. Determinar y registrar el índice de compresión (Cc) o índice de compresibilidad que

es la pendiente promedio de la curva de compresibilidad para el tramo virgen (Fig. 9-3).

12

21c )/Plog(

e - e log

CPP

e=

ΔΔ

= (9 – 6) donde: Δe = Variación de la relación de vacíos. Δlog P = Variación de los logaritmos de la presión. 14. Determinar y registrar el índice de recomprensión (Cr) que es la pendiente

promedio de la curva de compresibilidad para el tramo de recomprensión (Fig. 9-3).

12

2 1

)/( loge Cr

PPe−

= (9 – 6)

12

2 1

)/( loge Cs

PPe−

=

15. Determinar y registrar el índice de esponjamiento (Cs) que es la pendiente promedio de la curva de compresibilidad para el tramo de descarga (Fig. 9—3).

(9—6).

16. En el formulario LMS-2009-22 graficar valores de Cv (formulario LMS-2009-21; columna 10 y 14) y presión media y obtener la curva: Cv – presión media. Notar que los valores graficados de (Cv) son los valores promedios para los respectivos valores de presión media.

17. Determinar y registrar el grado de saturación (Sr), y el peso unitario del suelo (γ) iniciales y finales ( formulario LMS-2009-21) usando las ecuaciones:

7)-(9 eS w. Sr s

VW

== γ

donde: w = Contenido de agua, en % e = Relación de vacíos, adimensional Ss = Peso unitario relativo de las partículas sólidas W = Peso total del suelo, en g. V = Volumen de la muestra, volumen inicial es igual al volumen del anillo, en cm³.

143

FIG. 9 – 3 Curva de compresibilidad

18. Graficar los resultados codificados en el formulario LMS-2009-21 en el formulario LMS-2009-22, ubicando en abscisas la presión (columna 1) y en ordenadas la relación de vacíos (columna 6). La gráfica es conocida como: Curva de compresibilidad a escala aritmética y permite determinar el coeficiente de compresibilidad, av. La Fig. 9—4 muestra graficada la curva mencionada. El coeficiente de compresibilidad, av, es igual a la pendiente de un tramo dado de la curva Presión—relación de vacíos y se calcula con la ecuación:

) 8 - (9 e Pe a

12

21v PP

e−−

=ΔΔ

=

FIG 9-4. Curva de compresibilidad a escala aritmética

144

0

v v e 1

a m+

=

Determinar el coeficiente de variación volumétrica mv, como:

(9—9) donde:

s

v0 H

H=e , al iniciar el ensayo de consolidación.

e 1

.a . Cv k 0

v

+= wγ

19. Determinar y registrar el coeficiente de Permeabilidad (k). para cada incremento de presión (formulario LMS-2009-21, co1umnas 11 y 15), con la ecuación:

(9 – 10)

donde: γw = Peso unitario del agua.

9.10 COMENTARIOS GENERALES DETERMINACIÓN Y REGISTRO DE: LECTURA DEL DEFORMÍMETRO En el laboratorio para medir la deformación del suelo por compresión, se dispone de deformímetros LC—3M de aproximación 0.0025 mm. La Foto 9—7 muestra un deformímetro, cuya esfera consta de dos carátulas: Una grande dividida en 50 partes, cada una vale 1x10-2mm cada parte consta de 4 divisiones, cada división vale 25x10-4 mm, que contiene a una carátula pequeña dividida en 20 partes, cada parte vale 0.5mm. Cuando el dial de la carátula grande da una vuelta completa, el dial de la carátula pequeña marca una división.

Foto 9-7. Deformímetro LC-3M

145

La lectura correspondiente al deformímetro (Foto 9-7), que se debe registrar en el formulario LMS-2009-19 es:

LECTURA DEL DEFORMÍMETRO LECTURA DEL DEFORMÍMETRO

0.5 10-2 10-4 mm 2 20 50 1.2050

146

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN



GRUPO No. OPERADOR

MUESTRA FECHA

DESCRIPCIÓN

ASTM D 2435

FECHA Existente Kg Kg

CONSOLIDÓMETRO Cambio Kg Kg De : kg/cm²

ÁREA DE LA MUESTRA cm² Total Kg Kg a : kg/cm²

OPERADOR CARGA TOTAL SOBRE LA MUESTRA: Kg

HORA MIN. SEG. MINUTOS (MIN.) ½0,5 .10 -2 .10 -4

OBSERVACIONES :

LMS-2009-19

CARGAS POSTERIOR

FECHAHORA DE LECTURA

TIEMPO TRANSCURRIDO (TIEMPO) ½


--------------------------------------




[email protected]

CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE SUELOS DELANTERA

LECTURA DEL DEFORMIMETRO

LECTURA DEL DEFORMIMETRO

mm

ESFUERZO

147

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN



GRUPO No. OPERADOR

MUESTRA FECHA

DESCRIPCIÓN

LMS-2009-20

ASTM D 2435

A:

ds=

min

mm

10

0%

50

%=

0%

=d

f=

CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE SUELOS

UNIVERSIDAD CENTRAL

PR

ES

IÓN

TIE

MP

OS

LE

CT

UR

AS

DE

L D

EF

OR

MÍM

ET

RO

De:

t10

0=

t50

kg/c

m


[email protected]


--------------------------------------



LECTURAS DEL DEFORMIMETRO (mm)

TIE

MP

O D

E C

ON

SO

LID

AC

IÓN

TR

AN

SC

UR

RID

O

(

MIN

UT

OS

)

CURVA DE CONSOLIDACIÓN

0,

11

01

02

10

3

148

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN



GRUPO No. OPERADOR

MUESTRA FECHA

DESCRIPCIÓN

ASTM D 2435

Anillo No. Recipiente No. ANT. ENS. DES. ENS. Diametro = cm Peso del recipiente g Altura = cm Peso Recip. + Suelo humedo gÁrea A = g Peso Recip. + Suelo seco g -Volumen V = cm 2 Peso de la muestra seca Ws g -Peso = cm 3 Contenido de agua w %

Peso unitario de sólidos γ s = g/cm³ Altura inicial de la muestra H = cm Alt. de sólidos Hs = cm

INCREMENTO

DE γ s = g / cm 3

LECTURAS eKg / cm 2 ( mm ) -

1 3 6

t50 Cv (t50) k (medio) t90 Cv (t90) Cv (medio) k (medio)

Kg / cm 2 s cm² / seg cm / seg s cm² / seg cm² / seg cm / seg1 8 9 11 12 13 14 15

H w e γ γdcm % - g/cm³ g/cm³ Cc =

Cr =Cs =

LMS-2009-21


LECTURASPRESIÓN P

ALTURA DE VACIOS

H V = H - H S

( mm )

Hsmm

GENERALES

ESTADO

( mm )2

RELACIÓN DE VACIOS

PESO UNITARIO DE SÓLIDOS

RESUMEN DE RESULTADOS

Kg / cm²

FINAL

INICIAL



[email protected]


UNIVERSIDAD CENTRAL

--------------------------------------


CURVA DE COMPRESIBILIDAD

Kg / cm 2

FINALES DEL

σ'p =

DEFÓRMETRO

Sr%

DATOS DEL ANILLO

CONTENIDO DE AGUANo.CONSOLIDÓMETRO

PREPARACIÓN DE LA MUESTRA ANILLO Y MUESTRA

ALTURA DELA MUESTRA

H( mm )

4 5

PRESIÓNP

OBSERVACIONES:

7

PRESIÓN MEDIACv : MÉTODO LOGARÍTMICO

Cv (medio)

cm² / seg10

Cv : MÉTODO DE LA RAÍZ CUADRADA

149

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN



GRUPO No. OPERADOR

MUESTRA FECHA

DESCRIPCIÓN

Δ e

Δ p

cm²/kg

Rango de : a : kg/cm²

LMS-2009-22


UNIVERSIDAD CENTRAL


[email protected]


--------------------------------------



a v=

ASTM D 2435

RESULTADO

a v=

PRES

IÓN

M

EDIA

(K

g/cm

²)

CURVA DE COMPRESIBILIDAD Cv - PRESIÓN MEDIA

RELACIÓN DE VACÍOS Cv (10-4cm²/seg)

0,1

11

00

,01

PRES

IÓN

(

Kg/

cm²)

RE

LA

CIÓ

N D

E V

AC

ÍOS

PRESIÓN (Kg/cm²)

CURVA DE COMPRESIBILIDAD - ESCALA ARITMÉTICA

150

10. ENSAYO DE CARGA - EXPANSIÓN PRÁCTICA Nº 14 ESTA ES UNA PRÁCTICA DEMOSTRATIVA

Adaptado de la norma D 3877 - 80 (85) 10.1. INTRODUCCIÓN Estos métodos de prueba proporcionan procedimientos para realizar ensayos de expansión, contracción y presión de expansión, causados por incrementos o disminuciones de humedad. Esta prueba puede ser usada para determinar (1) la magnitud del cambio de volumen bajo las condiciones de variación de carga, (2) la velocidad del cambio de volumen y (3) la magnitud del cambio de presión a causa de los cambios de humedad. Puede también determinarse la permeabilidad, bajo las varias condiciones de carga

Nota 1.- El cambio en las condiciones de campo puede tener mayores efectos sobre las características de expansión y contracción. Por tanto para lograr la mejor estimación posible, tanto las condiciones iniciales de campo como las futuras, deberán ser reproducidas, particularmente en lo relativo a humedad y densidad.

Esta prueba involucra materiales, operaciones y equipos peligrosos. Esta norma no proporciona las instrucciones para solucionar todos los problemas de seguridad asociados con su uso. Esto es responsabilidad de quien quiera que use la prueba, así como establecer las seguridades apropiadas y prácticas adecuadas, y determinar la aplicabilidad de las limitaciones regulatorias primordiales, antes de su utilización. 10.2. OBJETIVO Determinar la presión de expansión y el hinchamiento libre en una muestra remoldeada de suelo arcilloso saturado y confinado lateralmente. 10.3. EQUIPO Los aparatos deberán cumplir con los requerimientos establecidos en la sección 9.4 de este instructivo, excepto que el mínimo espesor de la muestra debe ser de 0.75” (19.0 mm) Los aparatos deberán ser capaces de ejercer sobre la muestra una presión de por lo menos 200% de la carga de diseño máxima anticipada y por lo menos la máxima presión de expansión. 1. Dial Micrométrico.- Armado conforme se muestra en la Foto 10.1. Otros arreglos

equivalentes pueden ser usados para armar el dial. La sensibilidad debe ser ± 0.0001” (± 0.0025 mm)

2. Anillo medidor.- Armado a la misma altura que el anillo del consolidómetro con una

precisión de ±0.001” (± 0.02 mm) y que puede ser ajustado al consolidómetro. 3. Consolidómetro.- Como se describe en el numeral 9.4 de este instructivo. 4. Collar de extensión.- Para compactar muestras de aproximadamente 4” (100 mm)

de altura y del mismo diámetro del consolidómetro.

151

Nota 2.- las muestras pueden ser compactadas en un molde más grande que el anillo del consolidómetro y luego tallarse hasta esa dimensión. 5. Martillo de compactación.- Del tipo indicado en el numeral 6.3.3 de este instructivo.

Foto 10.1. Consolidómetro de anillo fijo.

10.4. MUESTREO 4.1 Las muestras de suelo natural para esta prueba, pueden ser obtenidas de conformidad con lo expuesto en el Capítulo 1 de este instructivo o por otro método aprobado. Las muestras de suelo no deben ser secadas al horno antes de su preparación.

10.5. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA 1. Armar la base del consolidómetro, el anillo, piedras porosas y la placa de carga, con

el vástago del anillo de deformación en el fondo del anillo vacío. El arreglo debe ser igual al que se usa para ensayar la muestra.

2. Colocar el aparato de carga en la posición que deberá ocupar durante el ensayo. 3. Aplicar sobre la placa una carga igual a 50 lb/ft2 (2.4 kPa). 4. Anotar la lectura inicial del deformímetro, r1. Marcar las partes de los aparatos de

tal manera que puedan ser reensamblados en la misma posición durante el desarrollo del ensayo.

152

5. Preparar un mínimo de 2 lb (1 kg) del suelo a ensayar, en las condiciones de humedad requerida de acuerdo con el método D 3551. El suelo no debe tener partículas mayores que 3/16” (4.75 mm)

6. Pesar el anillo del consolidómetro 7. Con la extensión del collar colocada sobre el anillo del consolidómetro ensamblado,

compactar la muestra en el anillo del consolidómetro hasta lograr el peso unitario húmedo deseado, por medio de una adecuada compactación con el martillo. La muestra debe tener un espesor de alrededor de 1/4” (6 mm) mayor que la carrera del deformímetro.

8. Quitar la extensión del collar y el exceso de material en el borde del anillo con una

regla adecuada u otra herramienta. 9. Colocar una muestra del suelo en un recipiente hermético para determinar el

contenido de humedad de acuerdo con el método indicado en el numeral 2.2. 10. Inmediatamente después de preparada la muestra, pesarla con el anillo y cubrir la

superficie expuesta de la muestra con la placa de vidrio, hasta que la muestra esté colocada en el aparato de carga

11. Calcular la densidad húmeda inicial de la muestra, usando el volumen calculado del

anillo del consolidómetro y el peso neto de la muestra. El cálculo de la densidad húmeda deberá estar en el rango de 1 lb/ft3 (16.02 kg/cm³) y 1% de humedad respecto de lo requerido.

12. Si no se obtiene la densidad deseada se debe descartar la muestra. Repetir el

proceso de compactación, ajustando la energía de compactación para conseguir el peso unitario deseado.

13. Colocar la muestra con su anillo de confinamiento en el aparato de carga de

acuerdo con el procedimiento de Consolidación, asegurándose que las partes están colocadas a la misma posición que la utilizada para la calibración inicial.

14. Aplicar una carga de contacto de 50 lb/ft2 (2.4 k Pa). 15. Anotar la lectura del deformímetro, r2 Use la diferencia entre r1 a r2, para

determinar la altura exacta de la muestra. 10.6. ENSAYO DE EXPANSIÓN Las características de un suelo expansivo varían de acuerdo a la trayectoria, de esfuerzos aplicados. Se requieren por lo menos dos muestras para un ensayo completo. Usando los procedimientos descritos en este método y en el método de ensayo de consolidación, determinar los datos para dos series de ensayos: (1) cargado y expandido, para lo cual la muestra preparada se satura con agua y entonces se carga para evitar el levantamiento (Curva A de. la Fig. 10.2), y (2) expandido y cargado, para lo cual la muestra se satura antes de ser cargada (Curva B de la figura 2). Ver la Fig. 10.2 para una representación gráfica típica de las curvas A y B. Cualquier otro procedimiento de carga debería ser intermedio en naturaleza y estaría representado por puntos a lo largo de una trayectoria semejante a la mostrada por la curva C de la Fig. 10.2.

153

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70

CARGA psi

EXPA

NSI

ÓN

(%

)

Specimen wetted

Specimen wetted

Specimen wetted

B

C

A

Fig. 10.2. Ejemplo de curva Carga – Expansión

1 Cargado y Expandido. - Después que se ha aplicado la carga de contacto y se ha anotado la lectura inicial del deformímetro, saturar la muestra No.1 de la siguiente manera:

1.1 Colocar la muestra en la cazuela conforme se indica en los numerales 9.6.1 y 9.6.2. 1.2 Inundar la cazuela del consolidómetro con agua destilada. 1.3 Cuando la muestra comience a expandir, incrementar la carga en la magnitud

requerida para mantener la muestra en su altura original. 1.4 Después que la máxima presión de expansión, ha sido lograda y mantenida constante

por un mínimo 48 horas, reducir la carga a 1/2, 1/4 y 1/8 de la carga máxima y finalmente para la carga de contacto de 50 lb/ft2 (2.4 kPa). Medir la altura con cada carga. Utilizar un mayor número de cargas si en la curva del ensayo se requieren grandes detalles.

1.5 Mantener todas las cargas por 24 horas, o más tiempo si es necesario, para obtener

valores constantes de altura. 1.6 Quitar la muestra del anillo contenedor y pesarla, inmediatamente y nuevamente

después de secarla al horno a. 105ºC (2210F) por 24 horas. 1.7 Determinar el contenido de agua de la muestra total, de acuerdo con el numeral 2.2.

1.8 Realizar un ensayo de peso específico de los sólidos en la muestra seca, de

conformidad con lo expuesto en la sección 2.5.

1.9 Calcular el grado de saturación a partir del contenido de agua, densidad seca y peso específico de los sólidos.

Nota 3.- A menos que existan otras especificaciones se usará agua destilada. A menudo es conveniente usar agua que tenga los mismos componentes químicos que el agua del suelo o el agua transportada que se encontrará en el campo, por los cambios que aquellos podrían originar.

154

2 Expandido y cargado.- Después que se ha aplicado la carga de contacto y que se ha anotado la lectura inicial del deformímetro, saturar la muestra No. 2 de acuerdo a lo indicado en el numeral 6.1.2.

2.1 Permitir que la muestra expanda bajo la carga de contacto por 48 horas mínimo o

hasta que la expansión haya terminado. 2.2 Cargar a la muestra sucesivamente a 1/8, 1/4, 1/2, y 1 vez la carga máxima,

establecida en el numeral 6.1, para la muestra No.1, a fin de determinar las características de preconsolidación la muestra. Usar un mayor número de cargas si se requieren grandes detalles.

2.3 Seguir los procedimientos especificados en el ensayo de consolidación para realizar el

proceso de carga y las mediciones correspondientes. 3 Carga individual de expansión.- Cuando se desea efectuar un ensayo de expansión

distinto, para otras condiciones de carga, utilizar el siguiente procedimiento: 3.1 Después de aplicar la carga de contacto y anotar la lectura inicial del deformímetro,

cargar la muestra con el valor deseado y saturarla de acuerdo con lo indicado en el numeral 6.1.1.

3.2 Permitir que la muestra expanda bajo la carga aplicada por 48 horas, o hasta que se

complete la expansión. Medir la altura de la muestra expandida. 3.3 Reducir la carga a la de contacto. Permitir que la altura se vuelva constante y

medirla, extraer la muestra del anillo y determinar el contenido de agua, densidad seca, peso específico y grado de saturación. Los resultados datos del ensayo de una muestra intermedia se muestran en la curva C de la Fig.2.

10.7. CÁLCULOS 1. Calcular el esfuerzo aplicado con la siguiente fórmula:

(cm²)Area(Kg)aCEsfuerzo arg

=

2. La expansión parcial (ΔV/V) se calcula así:

HH

VV Δ=

Δ

Donde: ΔV/V = Expansión en (%) ΔH = Diferencia de lecturas del deformímetro en (mm) H = Altura inicial de la muestra, igual a la altura del anillo. 3. El peso específico inicial y final se calcula utilizando los datos de peso de la muestra

antes y después del ensayo y dividiendo para el volumen de la muestra que es constante.

4. Graficar en escala aritmética los valores de Esfuerzo vs. Cambio de volumen tanto

para el ensayo de Hinchamiento Libre como para el de Expansión Controlada. 5. La presión de expansión (Ps) se determina a partir del gráfico Esfuerzo vs. Cambio de

Volumen y es el valor máximo de esfuerzo en el ensayo de Expansión Controlada. 6. El Hinchamiento Libre se determina en el miso gráfico y es el valor máximo del

Cambio de Volumen en el ensayo de Hinchamiento Libre.

155

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN



GRUPO No. OPERADOR

MUESTRA FECHA

DESCRIPCIÓN

ASTM D 3877

DATOS DEL EQUIPO

Consolidómetro No.

Anillo No. Recipiente No. ANT. ENS. DES. ENS.

Diámetro cm Peso del recipiente ( g )

Altura cm Peso Recip. + Suelo humedo ( g )

Masa g Peso Recip. + Suelo seco ( g )

Area cm 2 Peso de la muestra seca ( g )

Volumen cm 3 CONTENIDO DE AGUA ( % )

Lect. Del ΔH ΔV/V ΔV/V

Deformi. (Parcial) (Total)

( Kg ) 0,5 0,01 0,0001 ( mm ) ( mm ) ( % ) ( % )

γ i = T/m 3

γ f = T/m 3

RESULTADOS

Ps = Kg/cm 2

H = %

γ = Peso unitario (inicial, final)

Ps = Presión de expansión

H= Hinchamiento

LMS-2009-23

CargaDia / Hora

ANILLO Y MUESTRACONTENIDO DE AGUA

DEFORMIMETRO

LECTURA DEL

DATOS GENERALES

SIMBOLOGÍA

E X P A N S I O N

Esfuerzo

(Kg/cm 2 )

UNIVERSIDAD CENTRAL


--------------------------------------


PREPARACIÓN DE LA MUESTRA

EXPANSION CONTROLADA HINCHAMIENTO LIBRE



[email protected]

CAMBIO DE VOLUMEN ΔV/V (%)

ESFU

ERZO

(K

g / c

m2)

156

11. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE

11.1 INTRODUCCIÓN Uno de los aspectos fundamentales en el estudio de las propiedades mecánicas de los suelos es su resistencia al esfuerzo cortante. La teoría de la resistencia al esfuerzo cortante es punto de partida esencial en el tratamiento de los problemas de empuje de tierras contra estructuras de contención, de estabilidad de taludes de suelos en terraplenes y cortes; y, de capacidad de carga de suelos que han de servir de cimentaciones a construcciones, entre otros. La aplicación de un esfuerzo de corte a una muestra de suelo tiende a producir un desplazamiento de las partículas entre sí o de una parte de la masa del suelo, con respecto al resto del mismo.

Δh Δh Δh Δh

h

h'

(b)

h' h'

(a)

Fig. 11-1. Esfuerzo de corte

En el primer caso (Fig 11-1a) se dice que hay un disgregamiento de las partículas. En el segundo caso (Fig 11-1b) se dice que la masa se desliza a lo largo de ciertas líneas de rotura; o, si la masa de suelo es plástica, se produce lo que se denomina fluencia plástica (Fig. 11-1c). Estos movimientos dentro de la masa de suelo tienden a ser contrarrestados por la llamada resistencia al esfuerzo cortante del suelo. Se acepta que la resistencia al esfuerzo cortante de algunos suelos viene dada por la ecuación de Coulomb.

φστ tan+= cf (11-1)

Donde:

τf = Resistencia al esfuerzo cortante del suelo. c = Cohesión del suelo.

σ = Esfuerzo normal en la dirección para la cual se considera la resistencia al corte.

ø = Ángulo de fricción interna del suelo. La cohesión se define como la resistencia al esfuerzo cortante del suelo cuando el esfuerzo normal es nulo. Se determina gráficamente por la ordenada en el origen de la intersección de la envolvente de falla de los círculos de Mohr con el eje vertical. El ángulo de fricción interna es un valor característico de la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos, cuya tangente se define como la pendiente de la envolvente de falla en el diagrama de Mohr. El ángulo de fricción interna depende de la uniformidad de las partículas de suelo, del tamaño y forma de las partículas, del esfuerzo normal aplicado y sobre todo del procedimiento de ensayo utilizado para la medición de la resistencia al corte.

157

11.2 DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE La resistencia al esfuerzo cortante de un suelo puede obtenerse de diferentes maneras y entre ellas las más usuales son:

a. Por medio del aparato de corte directo; y, b. Por el ensayo de compresión triaxial

En el caso de las arcillas saturadas, la determinación del esfuerzo cortante puede hacerse, además, con el ensayo de de compresión axial no confinada.

158

PRÁCTICA No. 15 ESTA ES UNA PRÁCTICA DEMOSTRATIVA 11.3 ENSAYO DE CORTE DIRECTO EN ARENAS SECAS 11.3.1. INTRODUCCIÓN La resistencia al esfuerzo cortante en suelos granulares (arenas secas) que no poseen cohesión, viene expresada por la ecuación:

φστ tan=f (11-2)

La envolvente de los círculos de Mohr pasa por el origen, como se puede ver en la Fig. 11-2.

σ3

τf

σ1

Ø

Fig. 11-2. Envolvente para ensayos de corte directo en arenas secas (c=0)

El ensayo consiste en someter una muestra de arena de sección cuadrada confinada lateralmente dentro de una caja metálica, a una carga normal (P); y a un esfuerzo tangencial (τ), que se aumenta gradualmente hasta hacer fallar a la muestra por un plano preestablecido, lo que se consigue debido a que la caja consta de dos secciones, una de las cuales, móvil, se desliza respecto a la otra, fija, para producir el esfuerzo de corte. En el ensayo se determina cargas y deformaciones. 11.3.2. OBJETIVO Determinar en el laboratorio los parámetros de resistencia al esfuerzo cortante de una arena seca. 11.3.3. EQUIPO

1. Aparato de corte directo. 2. Balanza de precisión, aproximación 0.01g. 3. Embudo (metálico o plástico) 4. Calibrador. 5. Cronómetro, aproximación 0.1 seg.

159

6. Plato de porcelana (350 cm³ de volumen) 7. Nivel pequeño.

El aparato de corte directo, consta de una caja de corte y dispositivos para aplicación de cargas verticales y horizontales. La carga vertical se aplica al suelo (arena seca) a través de un yugo de carga y un bastidor con portapesas. La carga horizontal que es medida indirectamente con el anillo dinamométrico de carga y el deformímetro LC-2, se aplica mediante una manivela (manualmente), o se puede aplicar por medio de un motor eléctrico con caja de engranajes que permite aplicar una velocidad de deformación muy baja (deformación controlada).

Foto 11-1. Aparato de corte directo

La Fig. 11-3 muestra el diagrama esquemático de la caja de corte. La caja de corte es dividida en su interior en dos mitades, superior e inferior. La parte superior móvil y la parte inferior fija de la caja se colocan en posición coincidente y se mantienen en esa posición por dos pasadores verticales; en su interior se coloca la muestra de arena a ensayarse. Adjunto a la caja de corte se debe instalar, el anillo dinamométrico colocando en su interior el deformímetro LC—2 que permite, determinar en forma indirecta la carga horizontal o de corte, aplicado a la muestra. Además los deformímetros LC—8 y LC-9 que miden las deformaciones verticales y horizontales respectivamente de la muestra de arena a ensayarse.

160

Fig. 11-3. Diagrama esquemático de la caja de corte directo

11.3.4. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA

La arena a usarse es aquella que pasa el tamiz No. 20 (0.85mm) y es retenida en el tamiz No. 200 (0.075mm). Secada al aire hasta que esté uniformemente seca. Antes de proceder a la realización del ensayo, se selecciona una cantidad suficiente de arena para determinar el peso unitario de las partículas sólidas. 11.3.5. PROCEDIMIENTO 1. De la arena preparada tomar una porción de aproximadamente 150g, colocarlo en el

plato de la balanza y determinar su peso exacto. 2. Ensamblar cuidadosamente la caja de corte dentro de la cazuela de manera que las

dos mitades queden en contacto en su plano horizontal medio. Para el efecto desentornillar los tornillos verticales e y los horizontales z. Insertar los pasadores c, (Foto 11-2).

3. Determinar con el calibrador las dimensiones interiores de la caja de corte (Lado L,

área A, altura H) y registrar en el formulario LMS-2009-23. 4. Determinar con el calibrador la altura del bloque de carga (h) medida entre la

superficie interior de las piedras porosas y la superficie superior del destaje del bloque de carga para el yugo.

161

5. Colocar con el embudo la arena seca en la caja de corte distribuyéndola uniformemente, hasta quedar a 1cm del borde superior.

La arena se coloca con densidad uniforme en toda su masa. Para conseguir una densidad baja, se coloca la arena mediante el embudo, haciendo que la altura de caída sea la menor posible (sistema a usarse en este ensayo). Si se desea conseguir una densidad alta se compacta la arena seca en la caja de corte por medio de un pisón o por vibración manual.

6. Determinar el peso de la arena seca sobrante en el plato de la balanza. Por diferencia

determinar y registrar el peso de la arena seca (Ws), colocada en la caja de corte. 7. Colocar el bloque de carga, sobre la superficie de arena seca. Coger el nivel pequeño

y verificar la nivelación del bloque. 8. Determinar y registrar la distancia tope (d) entre el plano superior de la caja de corte

y el plano inferior del yugo de carga (Fig. 11-3). 9. Mover el yugo de carga hacia abajo y encajarlo sobre el destaje del bloque de carga.

Colocar el deformimetro LC-9 sobre el yugo de carga para medir las deformaciones verticales (con precisión de 11-3 pulg por división) para con ellas establecer los cambios de volumen, expansión o contracción de la arena.

Colocar los pesos necesarios en el portapapeles y de esta manera aplicar la carga normal (P) deseada para obtener un esfuerzo normal de σ = 0.5Kg/cm2.

10. Separar las dos mitades de la caja de corte entornillando los tres espaciadores e que

se encuentran en la mitad superior de la caja. El espacio libre entre las dos mitades de la caja deberá ser ligeramente superior que el tamaño más grande de partículas presentes en la arena. A continuación fijar la mitad superior de la caja de corte al bloque de carga, entornillando los cuatro tornillos horizontales z contra el bloque.

Inmediatamente después desentornillar los tornillos espaciadores e de manera que no rocen la mitad inferior de la caja de corte. En este momento la carga normal, el peso de la mitad superior de la caja de corte y el peso del bloque de carga se encuentran actuando sobre la arena.

11. Ajustar contra la mitad superior de la caja de corte el deformímetro de corte LC-8

para medir los desplazamientos horizontales (con precisión de 11-3pulg por división). 12. Tomar las lecturas iniciales de los tres deformímetros y registrarlas en el formulario

LMS-2009-23. 13. Iniciar la aplicación de la carga horizontal (cortante) sobre la mitad superior de la caja

de corte (Foto 11-3), haciendo avanzar horizontalmente el conjunto tornillo sin fin - anillo de carga - vástago por medio de la manivela. La velocidad de deformación de la caja de corte debe ser del orden de 0.001 pulg/s, que se controla con el deformímetro LC—8.

Para cada 10 divisiones de deformación calibrados en el deformimetro LC—8, registrar las lecturas del deformímetro LC—9 y las lecturas del deformímetro LC-2 del anillo de carga. Continuar aplicando la carga horizontal hasta que la arena falle por corte, es decir:

a. Las lecturas en el deformímetro LC—2 comienzan a disminuir, b. Las lecturas en el deformímetro LC—8, permanezcan constantes; c. La deformación horizontal de corte sea igual a 0.5cm.

14. Retirar la arena de la caja de corte y repetir los pasos 1 al 13 sobre por lo menos dos

porciones más de arena seca preparadas previamente. En el paso 9 usar un valor diferente de (P) para cada ensayo (se sugiere doblar la carga

162

exterior y obtener esfuerzos normales de 1 y 2 Kg/cm2).

Foto 11-2. Armado de la caja de corte dentro de la cazuela

Foto 11-3. Aparato de corte directo durante la ejecución del ensayo.

11.3.6. CÁLCULOS Y RESULTADOS 1. Determinar y registrar la altura y el volumen de la arena seca colocada en la caja de

corte.

Ho = H + d – h (11-3)

V = Ho . A (11-4) Donde:

Ho = Altura de la muestra de arena seca. H = Altura de la caja de corte. d = Distancia tope (caja—bloque). h = Altura de bloque de carga, entre piedra porosa y destaje V = Volumen de la arena seca. A = Área de la arena seca.

163

2. Determinar y registrar el peso unitario de la arena seca.

VWs

d =γ (10–5)

3. Determinar y registrar la relación de vacíos de la arena seca.

1 . . Ss

e w −=dγγ

(10–6)

Donde:

Ss = Peso unitario relativo de las partículas sólidas. γw = Peso unitario del agua.

4. Determinar y registrar el esfuerzo normal aplicado a la arena seca

AP =σ (11-7)

5. Las deformaciones por corte (deformimetro LC-8), normal (deformímetro LC-9) y las

del anillo de carga (deformimetro LC—2) son obtenidas durante la ejecución del ensayo.

6. Determinar y registrar la fuerza de corte, para cada lectura de deformación por corte

y normal.

T = (No. de divisiones del deformimetro LC-2 del anillo de carga)* (Factor de calibración del anillo) (11-8)

Donde:

T = Fuerza de corte. Nº. de divisiones del deformímetro LC—2 del anillo de carga, registrados durante el ensayo Factor de calibración del anillo = 0.1406 Kg/11-4 pulg.

7. Determinar y registrar la resistencia al esfuerzo cortante como:

AT =fτ (11-9)

11.3.7. GRÁFICOS 1. Con los resultados obtenidos y codificados en el formulario LMS-2009-23 construir

para cada esfuerzo normal, una gráfica a escala aritmética; ubicando, en abscisas las deformaciones por corte, en mm, y en ordenadas la resistencia al esfuerzo cortante, en Kg/cm2, formulario LMS-2009-23.

La gráfica permite determinar la resistencia máxima al esfuerzo cortante (τmáx) de falla, para cada esfuerzo normal aplicado a la arena.

En la gráfica inferior, bajo el anterior, usando la misma escala horizontal graficar las deformaciones verticales a una escala adecuada. Esta gráfica permite observar el cambio de volumen contra la deformación por corte de la arena.

2. Con los resultados obtenidos de (τmáx), para cada esfuerzo normal construir una gráfica a escala aritmética, formulario LMS-2009-24, ubicando en abscisas el esfuerzo normal σ, en Kg/cm2, y en ordenadas la resistencia máxima al esfuerzo

164

cortante τmáx, en Kg/cm2.

En este gráfico trazar una línea que interpole a los puntos (τmáx; σ). Ver Fig. 11-2.

El ángulo de fricción interna de la arena seca, se determina en la gráfica por la pendiente de la recta.

)( tang f1-

στφ

ΔΔ

= (11-10)

11.3.8. COMENTARIOS GENERALES El procedimiento recomendado para efectuar el ensayo directo de resistencia al esfuerzo cortante tal como se presenta, se aplica solamente al más sencillo de los casos que pueden presentarse en la práctica: aquel en que se ensayan arenas secas. La aplicación del ensayo a otros tipos de suelos diferentes de las arenas secas, es posible y se realiza de modo similar al descrito, resultando superfluo entrar en detalles; sobre todo por el hecho de que, en esos otros tipos de suelos, el ensayo de corte directo se ve sustituido con ventaja por otros ensayos de resistencia (compresión triaxial, compresión no confinada).

165

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN



GRUPO No. OPERADOR

MUESTRA FECHA

DESCRIPCIÓN

ASTM D-3086

Lado L = cm DEF. LC-2

Área A = cm² 10 -3 pulg mm 10 -3 pulg mm 10 -4 pulg Kg Kg/cm²

Altura H = cm

Alt. bloque de carga h = cm

Distancia tope d = cm

Carga total P = Kg

Esfuerzo Normal σ = Kg/cm²

No. =

Factor de Calibración = Kg/10 -4 pulg

Altura Ho = cm

Volumen V = cm³

Peso inicial = g

Peso final = g

Peso arena seca Ws = g

Peso unit. Arena seca γ d = g/cm³

Peso unit. Part. Sólidas γ s = g/cm³

Relación de vacíos e =

σ = Kg/cm²

τ máx. = Kg/cm²

OBSERVACIONES :

LMS-2009-24

RESULTADOS

FUERZA DE

CORTE T

RESISTEN. ESFUERZO CORTANTE

τf

ESFUERZO NORMAL

ANILLO DE CARGA

DATOS DEL EQUIPO

DEFORMACIONES

CORTE NORMAL

DEF. LC-8

[email protected]

UNIVERSIDAD CENTRAL


ENSAYO DE CORTE DIRECTO EN SUELOS

--------------------------------------




PROCEDIMIENTO DEL ENSAYOSUELO COHESIVOSUELO NO COHESIVOANILLO

DE CARGA

DEF. LC-9

DATOS DEL EQUIPO

CAJA DE CORTE

RE

SIS

TEN

CIA

ES

F.

CO

RT

AN

TE

(K

g/

cm²)

DEF.

NO

RM

AL

DEFORMACIÓN POR CORTE (mm)

0

166

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN



GRUPO No. OPERADOR

MUESTRA FECHA

DESCRIPCIÓN

ASTM D-3086

τ máx. - σ

OBSERVACIONES :

LMS-2009-25

UNIVERSIDAD CENTRAL

ENSAYO DE CORTE DIRECTO EN SUELOS


--------------------------------------




[email protected]

GRÁFICO

RESISTENCIA MÁXIMA AL ESFUERZO CORTANTE (τ máx) (Kg/cm²)

ESFU

ERZO

NO

RM

AL

(

σ )

RES

ULTA

DO

S

c =

kg

/cm

²φ

=

º

167

PRÁCTICA No. 16 ESTA ES UNA PRÁCTICA DEMOSTRATIVA

11.1 ENSAYO DE COMPRESIÓN TRIAXIAL 11.4.1. INTRODUCCIÓN El ensayo de compresión triaxial es el más usado para determinar las características de esfuerzo—deformación y de resistencia al esfuerzo cortante de los suelos. El ensayo consiste en aplicar esfuerzos laterales y verticales diferentes a probetas cilíndricas de suelo y estudiar su comportamiento. El ensayo se realiza en una cámara de pared transparente (cámara triaxial) llena de liquido, en la que se coloca una probeta cilíndrica de suelo que, salvo que se adopten precauciones especiales, tiene una altura igual a dos veces su diámetro, forrada con una membrana de caucho. Esta membrana va sujeta a un pedestal y a un cabezal sobre los que se apoyan los extremos de la probeta. El ensayo se divide en dos etapas, una etapa en la que la probeta de suelo es sometida a una presión hidrostática de fluido, con esfuerzos verticales iguales a los horizontales. Durante esta etapa, se dice que la probeta es consolidada si se permite el drenaje del fluido de los poros. Alternativamente, si el drenaje no puede ocurrir se dice que la probeta es “no consolidada” En la segunda etapa, llamada de aplicación del esfuerzo desviador se incrementan los esfuerzos verticales (desviadores) a través del pistón vertical de carga, hasta la falla. En esta etapa el operador tiene también la opción de permitir el drenaje y por lo tanto eliminar la presión neutra o mantener la válvula correspondiente cerrada sin drenaje. Si la presión neutra es disipada se dice que el ensayo es “drenado”, en caso contrario se dice que el ensayo es “no drenado. Así los ensayos triaxiales pueden ser clasificados en:

1. No consolidados – no drenados (UU) o rápidos (Q). Se impide el drenaje durante las dos etapas del ensayo.

2. Consolidados – no drenados (CU) o consolidados rápidos (RC). Se permite el

drenaje durante la primera etapa solamente. 3. Consolidados-drenados (CD) o lentos (S). se permite el drenaje durante todo el

ensayo, y no se dejan generar presiones neutras aplicando los incrementos de carga en forma pausada durante la segunda etapa y esperando que el suelo se consolide con cada incremento.

La resistencia al esfuerzo cortante (τf), de un suelo en función de los esfuerzos totales se determina usando la Ec. 11–1. Generalmente cada prueba se realiza con tres o cinco probetas de la misma muestra de suelo, bajo esfuerzos confinantes distintos. La representación de los resultados en el diagrama de Mohr está constituida por una serie de círculos, cuya envolvente permite obtener los parámetros del suelo estudiado en el intervalo de esfuerzos considerado. Como práctica estudiantil y con fines didácticos se describirá únicamente el ensayo de compresión triaxial (UU), debido a que permite determinar la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo fino saturado parcialmente y sometidos a cargas o descargas a una velocidad tal que no haya disipación de las presiones de poro generadas. 11.4.2. OBJETIVO Determinar en el laboratorio los parámetros de resistencia al esfuerzo cortante de los suelos.

168

11.4.3. EQUIPO

1. Cámara triaxial (Fig. 11-4). 2. Máquina de compresión triaxial (Foto 11-5). 3. Membrana de caucho. 4. Molde metálico (Foto 11-4). 5. Compresor de aire. 6. Bomba de vacío. 7. Balanza de precisión, aproximación 0.1 g. 8. Calibrador. 9. Aro-sello de caucho 10. Tallador de muestras, cuchillas y sierras. 11. Equipo para determinar el contenido de agua.

La Fig. 11-4 muestra el diagrama esquemático de la cámara triaxial, la misma que consiste en una placa base inferior, un cilindro de lucita y una tapa de cubierta. La carga (P) medida indirectamente con el deformímetro LC-2 instalado en el anillo de carga, se transmite a la probeta de suelo por medio de un vástago que se desliza por un orificio en la tapa de la cámara. El deformímetro LC—9 permite determinar el cambio de altura de la probeta de suelo. El fluido confinante que se utiliza en el Laboratorio de Mecánica de Suelos de la Universidad Central para realizar los ensayos triaxiales es el agua. La probeta de suelo se aísla del fluido confinante con una membrana de caucho, la misma que debe colocarse con la ayuda de un molde metálico (Foto 11-4) a cuyo interior se adhiere la membrana con la aplicación de vacío entre ésta y la pared del molde.

AGUA

MUESTRADE

SUELO

DM

M

C B

q

n

s m

h k

j L

hg

fe

c

d

b a

P

A

r

L E Y E N D AA. Válvula, control de presión de cámaraB. Válvula, control ingreso de agua a la cámaraC. Válvula, control ingreso de agua a la cámaraD. Válvula, control de presión confinanteM. Manómetro

a. Anillo de cargab. Deformímetro LC-2c. Marco de cargad. Deformímetro LC-9e. Pistónf. Tapa de la cámarag. Cabezal de lucitah. Aro - sello de cauchoj. Paredes de la cámarak. Placa de lucita inferiorL. Tornillos para asegurar la cámaram. Drenaje para la probeta de suelon. Ingreso del agua a la cámaraq. Ménsular. Tanque de almacenamientos. Placa base

Fig. 11-4. Diagrama esquemático de la cámara triaxial

169

Foto 11-4. Molde metálico La Foto 11-5 muestra la máquina de compresión triaxial con sistemas de: aplicación del esfuerzo desviador vertical, presión hidrostática de cámara, tanque de almacenamiento, manómetro para control de presión de cámara, medición de deformación axial (deformimetro LC-9), medición del esfuerzo desviador (anillo de carga y deformímetro LC-2) y sistemas de drenaje.

Foto 11-5. Máquina de compresión triaxial

170

11.4.4. PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS Las probetas de suelo de 3.5cm de diámetro son las más usadas para ensayos de rutina. Su altura no debe ser menor a dos veces su diámetro; una altura de 9cm es generalmente adecuada. Sin embargo, se puede ensayar probetas de suelo de 5, 7 y 10 cm de diámetro por 10, 14 y 20 cm de altura, respectivamente. En el Laboratorio de Mecánica de Suelos de la Universidad Central las probetas de suelo para el ensayo triaxial deben tener las siguientes dimensiones, 7cm de diámetro por 14cm de altura. Estas probetas se obtienen, dependiendo del caso, de tres tipos de muestras de suelo.

a. Muestras inalteradas tomadas con el tubo Shelby. En este caso, luego de extraer la muestra del tubo, colocar la misma en el tallador de muestras y por medio de los cuchillos tallar hasta obtener las dimensiones requeridas (Foto 11-6), luego colocar la probeta en el molde cortador de muestras para darle a la misma, la altura especificada (Foto 11-7). Con el material restante determinar su contenido de agua.

b. Muestras inalteradas tomadas de un P.C.A., en este caso obtener prismas de

10cm de lado por 20cm de altura; y, proceder como el caso anterior. La labor del tallado debe realizarse lo más rápidamente posible para evitar cambios en el contenido de agua de las muestras.

c. Muestras alteradas. En este caso, se compacta la muestra de suelo en un

cilindro partido, usando las especificaciones de compactación proctor estándar, para darle a la probeta de suelo las condiciones que el suelo presenta en el sitio de obra. Se saca la probeta del cilindro, cortándolo luego en la altura deseada. Con el material restante determinar su contenido de agua.

Para la práctica se utilizarán probetas de suelo obtenidas de muestras inalteradas tomadas de un P.C.A., las mismas que se ensayarán con su humedad natural.

171

Foto 11-6. Labrado de la probeta de suelo.

Foto 11-7. Altura especificada de la probeta de suelo 11.4.5. PROCEDIMIENTO: COMPRESIÓN TRIAXIAL RÁPIDA (UU)

1. Tomar una probeta preparada, determinar el diámetro superior, medio e inferior y la altura. Registrar los valores en el formulario LMS-2009-26.

2. Determinar y registrar el peso de la probeta (W), a ensayarse.

3. Colocar la membrana de caucho dentro del molde metálico (Foto 11-8). Doblar

sus extremos sobre los labios superior e inferior del molde y aplicar vacío entre la

172

membrana y las paredes del molde.

4. Colocar sobre la placa-base de la máquina de compresión triaxial una placa de lucita que impedirá el drenaje de la probeta de suelo.

5. Sobre esta placa de lucita y en forma centrada a la misma, colocar la probeta de

suelo; y, en su parte superior colocar el cabezal de lucita que permitirá asegura la membrana de caucho.

6. Colocar la membrana de caucho a la probeta de suelo (Foto 11-9), desconectando

el vacío entre la membrana y las paredes del molde. Asegurar la membrana a la placa-base y al cabezal de lucita por medio de los aro-sello de caucho para impedir la entrada de agua a la probeta de suelo.

7. Colocar la cámara triaxial conjuntamente con el sello de caucho en la ranura de la

placa-base. Haciendo coincidir la ranura y el sello de la tapa con la parte superior de la cámara triaxial colocar la misma (Foto 11-10).

8. Introducir el vástago en el orificio de la tapa de la cámara, centrar el marco de

carga con el vástago y asegurar los tres tornillos uniformemente.

9. Instalar el dispositivo que mide la deformación axial de la probeta de suelo (deformímetro LC—9). Este se coloca en un puente fijo que va asegurado a la tapa de la cámara, el vástago del deformímetro va conectado al marco de carga (Foto 11-10).

El dispositivo que mide el esfuerzo desviador aplicado a la probeta de suelo (anillo de carga y deformímetro LC-2) es parte de la máquina de compresión triaxial.

10. Aplicar presión al tanque que contiene el fluido confinante (agua) abrir la válvula B y permitir la entrada del agua a la cámara triaxial, cuidando que la válvula A se encuentre abierta. Cerrar la válvula B cuando la cámara se llene de agua.

11. Con la válvula D se controla la presión en el tanque de almacenamiento, cuando

en el manómetro M marque una presión igual al esfuerzo confinante, abrir la válvula C y aplicar a la probeta de suelo el esfuerzo confinante especificado, para lo cual la válvula A debe estar cerrada.

Al mismo tiempo que se aplica el esfuerzo confinante, colocar los pesos necesarios en la ménsula del marco de carga para obtener una carga de 0.72Kg por cada 1 Kg/cm² de esfuerzo confinante, que compensará el empuje vertical del agua que actúa sobre el vástago, en el interior de la cámara. 12. Tomar las lecturas iniciales de los dos deformímetros y registrar en el formulario

LMS-2009-26 13. Registrar el valor del esfuerzo confinante (σ3) formulario LMS-2009-26, y

proceder a la aplicación del esfuerzo desviador por medio del sistema eléctrico (Máquina de compresión triaxial) (Foto 11-5). Fijar la velocidad de deformación a la cual se va a someter la probeta durante el ensayo, la que generalmente es de 0.001pulg/s.

14. Para cada 10 divisiones de deformación calibrados en el deformímetro LC-9,

registrar las lecturas del deformímetro LC-2 del anillo de carga. Continuar aplicando el esfuerzo desviador hasta que la probeta falle, es decir:

a. Las lecturas en el deformímetro LC-2 comienzan a disminuir. b. Si la probeta entra en estado de fluencia se toman lecturas hasta que se

produzca una deformación correspondiente al 25% de la altura inicial. 15. Parar el sistema de carga y abrir la válvula D anulando en esta forma la presión

173

confinante. Regresar el agua al tanque de almacenamiento abriendo la válvula B y aplicando una ligera presión a la cámara triaxial, por la válvula A.

Desarmar la cámara triaxial. 16. Secar cuidadosamente con una toalla de papel el exterior de la membrana, el

cabezal y la placa-base. Deslizar el aro-sello del cabezal de lucita por encima del extremo de la membrana, la cual se enrolla hacia abajo descubriendo la probeta.

17. Definir los planos de falla o fisuras y hacer un esquema de la probeta fallada. Si

existe un plano definido de corte medir el ángulo de inclinación con respecto al plano horizontal (Foto 11-11).

18. De la parte superior e inferior de la probeta cortar o raspar dos porciones de

suelo, en cantidades suficientes (Ver tabla 2—1) para determinar el contenido de agua.

19. Repetir mismo procedimiento por lo menos en tres probetas con diferentes

esfuerzos confinantes, generalmente el esfuerzo confinante (σ3) aplicado a la primera probeta es de 0.70 Kg/cm², la segunda 1.4Kg/cm² y 2.1Kg/cm2 a la tercera.

Foto 11-8. Colocación de la membrana en el molde metálico.

174

Foto 11-9. Colocación de la membrana a la probeta de suelo.

Foto 11-10. Colocación de la cámara triaxial en la placa – base (Máquina de compresión triaxial).

175

Foto 11-11. Probeta de suelo, después del ensayo. 11.4.6. CÁLCULOS Y RESULTADOS

1. Determinar y registrar el área representativa inicial de la probeta (A0), formulario LMS-2009-26.

6.4AA S

0Im AA ++

= (10–11)

donde: A0 = Área inicial. As = Área superior, calculada con el diámetro superior promedio Am = Área media, calculada con el diámetro medio promedio. Ai = Área inferior, calculada con el diámetro inferior promedio

2. Determinar y registrar el volumen de la probeta (V).

V = A0 . h (11-12)

3. Determinar y registrar el peso unitario del suelo húmedo y seco.

VW =γ ;

1001

d w+

=γγ

4. Las deformaciones de la probeta de suelo (deformímetro LC-9) y del anillo de carga (deformímetro LC-2) son obtenidas durante la ejecución del ensayo.

5. Determinar la deformación unitaria (ε) de la probeta de suelo registrar el valor

176

expresado en porcentaje, para cada lectura de deformación.

100.(mm)h (mm) (%) hΔ

=ε (11-13)

6. Determinar y registrar la carga (P), para cada lectura de deformación.

P = (No. de divisiones del deformímetro LC-2 del anillo de carga) * (Factor de calibración del anillo) (11-14)

donde:

P = Carga axial, en Kg. No. de divisiones del deformímetro LC-2 del anillo de carga registrados durante el ensayo, en 11-4pulg. Factor de calibración del anillo = 0.9083Kg/11-4pulg.

7. Determinar y registrar el área corregida de la probeta (Ac), para cada lectura de deformación.

ε-1AoAc = (10 – 15)

8. Determinar y registrar el esfuerzo desviador (Δσ), para cada lectura de deformación.

AcP 3) - 1( ==Δ σσσ (11-16)

11.4.7. GRÁFICOS

1. Con los resultados obtenidos y codificados en el formulario LMS-2009-26, construir para cada esfuerzo confinante (σ3), la gráfica a escala aritmética; ubicando, en abscisas las deformaciones unitarias (ε), en porcentaje, y en ordenadas el esfuerzo desviador (Δσ), en Kg/cm2, formulario LMS-2009-27.

La gráfica permite determinar el esfuerzo desviador de falla (Δσf) para cada esfuerzo confinante (σ3), aplicado a la probeta.

2. Con los esfuerzos desviadores de falla correspondiente a cada esfuerzo confinante

(σ3), determinar y registrar el valor de (σ1), obtener el centro y radio de los correspondientes círculos de Mohr, (Formulario LMS-2009-28).

σ1 = σ3 + Δ σ f (10 – 17 )

CENTRO 2

3 1 σσ += (10 – 18)

RADIO 2

3 1 σσ −= (10 – 19)

177

donde:

σ1= Esfuerzo normal principal.

3. Trazar los círculos de Mohr; para ello, elegir una escala de esfuerzos; a partir del origen y sobre el eje de las abscisas, llevar el valor del esfuerzo confinante (σ3), y desde este punto marcar el valor del esfuerzo desviador de falla (σ1 -σ3) este valor es el diámetro del círculo; por lo tanto, con centro en el punto medio del segmento así determinado, trazar el semicírculo correspondiente, formulario LMS-2009-285.

4. Una vez trazado los semicírculos del estado de esfuerzos de falla de todas las

probetas ensayadas, dibujar la envolvente que mejor se ajuste a ellos, esta recibe el nombre de línea de resistencia intrínsica o envolvente de Mohr y representa aproximadamente la variación de la resistencia al esfuerzo cortante en función de los esfuerzos normales aplicados.

5. El ángulo de fricción interna del suelo (Ø), es el que forma la envolvente con la

horizontal (abscisas) y se determina en la gráfica por la pendiente de la envolvente. El valor de la cohesión (c), está dado por la ordenada al origen de dicha envolvente, medida a la misma escala con que se trazaron los círculos.

11.4.8. COMENTARIOS GENERALES En virtud de que casi para cualquier suelo es posible obtener una gran variedad de envolventes de Mohr dependiendo de las condiciones en las que se desarrollen los ensayos, se crea la necesidad de establecer un criterio para decidir sobre el tipo de ensayo a emplear en un problema práctico y las condiciones en que deban de prepararse las probetas.

178

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN



GRUPO No. OPERADOR

MUESTRA No. FECHA

DESCRIPCIÓN

INEN ASTM D 2850

Diám. Sup. ds = cm Area Superior As = cm² Peso W = g

PROBETA No. Diám. Medio dm = cm Area Media Am = cm² Volumen V = cm³

σ 3 = kg/cm² Diám. Infer. di = cm Area Inferior Ai = cm² Peso unitario γ = g/cm³

Altura h = cm Area inicial Ao = cm² Peso unitario γ d = g/cm³

No. = Balanceo Válvula de presión

F. de calibración = kg/10 -4 pulg Portapesas kg Manómetro Kg/cm²

ESFUERZO

UNITARIA Peso

ε g %

10 -3 pulg. mm % lb Kg Kg/cm 2

w = %

w = %

LMS-2009-26

UNIVERSIDAD CENTRAL


--------------------------------------



PROBETA DE SUELO

DEFORMACION AXIAL


[email protected]

COMPROBACIONES

Δh

COMPRESIÓN TRIAXIAL RÁPIDA

Esfuerzo Desviador p

ANILLO DE CARGA

EJECUCION DEL ENSAYO

DEF. LC - 9 No.

RECIPIENTE Cont. DeAgua

OBSERVACIONES:

CARGA AXIALP

AREA CORREGIDAAc

cm²

CONTENIDO DE AGUA DE LA MUESTRA

Peso recipiente

+ suelo húmedo + suelo seco

g g

ESQUEMA DE LA PROBETA FALLADA

CONT. DE AGUA DE LA PROBETA

179

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN



GRUPO No. OPERADOR

MUESTRA No. FECHA

DESCRIPCIÓN

INEN ASTM D 2850

PROBETA No.

σ3 = kg/cm²

ESFUERZO DESVIADOR DE FALLA

Δσf = kg/cm²

PROBETA No.

σ3 = kg/cm²

ESFUERZO DESVIADOR DE FALLA

Δσf = kg/cm²

LMS-2009-27


GRÁFICOS : ESFUERZO - DEF. UNITARIA

UNIVERSIDAD CENTRAL


--------------------------------------




[email protected]

DEFORMACIÓN UNITARIA (ε ) (%)

ES

FU

ER

ZO

DE

SV

IAD

OR

Δσ

(K

g/cm

² )


ES

FU

ER

ZO

DE

SV

IAD

OR

Δσ

(K

g/cm

² )

180

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN



GRUPO No. OPERADOR

MUESTRA No. FECHA

DESCRIPCIÓN

INEN ASTM D 2850

Kg/c

m²

º

c =

Ø =

LMS-2009-28

RES

ULTA

DO

S

1 2 3 4No.

GRÁFICO DE : CÍRCULOS DE MOHR

Kg/c

m²

Kg/c

m²

5

EN

SAYO

σ3

Δ σfDA

TO

S σ1

CEN

TR

ORAD

IO



[email protected]


UNIVERSIDAD CENTRAL


--------------------------------------

Laboratorio de Mecánica Kg/c

m²

Kg/c

m²

Kg/c

m²

Τ (Kg/cm²)

σ

(Kg/

cm²)

181


11.1 ENSAYO DE COMPRESIÓN NO CONFINADA 11.5.1. INTRODUCCIÓN

El ensayo de compresión no confinada consiste en aplicar una carga vertical (axial) a una probeta cilíndrica de suelo y llevarla a la falla sin proporcionarle ningún esfuerzo confinante. Este ensayo es comúnmente usado para determinar la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo totalmente saturado, poco permeable, en condiciones no drenadas, que se comporta como si el ángulo de fricción interna fuera cero por lo cual la resistencia al esfuerzo cortante es igual a (σ1 – σ3)/2, que para el caso de σ3 = 0 (presión de confinamiento = 0) se convierte en τmáx = σ1 máx /2.

La resistencia al esfuerzo cortante de un suelo se obtiene aplicando la ecuación de Coulomb.

τf = c + σ tan Ф (Ec. 11-1)

Para un ensayo rápido (sin drenaje) en una arcilla saturada totalmente (ø = 0 condición) se tiene:

τf = cu (11-20)

donde: cu = Cohesión no drenada aparente. El ensayo de compresión no confinada es un método que permite determinar el valor de (cu) de un suelo arcilloso saturado.

2cu

uq= (11-21)

11.5.2. OBJETIVO Determinar en el laboratorio la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo totalmente saturado en condiciones no drenadas (compresión no confinada).

11.5.3. EQUIPO 1. Prensa de compresión no confinada. 2. Tallador de muestras, cuchillas y sierras. 3. Molde cortador de muestras. 4. Balanza de precisión, aproximación 0.1 gr. 5. Calibrador. 6. Equipo para determinar el contenido de agua. La Foto 11-12 muestra la prensa de compresión no confinada. La carga (P) medida indirectamente con el deformímetro LC-2 instalado en el anillo de carga, se trasmite a la probeta de suelo por la placa de carga superior. El sistema de aplicación de la carga permite realizar el ensayo por el método de deformación controlada (velocidad de deformación constante), la cual puede ser aplicada en forma manual o por medio de un mecanismo eléctrico. El deformímetro LC-9 colocado en la varilla de la prensa y conectado a la parte inferior de

181

la placa de carga superior (Foto 11-12), permite determinar el cambio de altura o deformación axial de la probeta de suelo.

Foto 11-12. Prensa de compresión no confinada

11.5.4. PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS

Las probetas de suelo se obtienen conforme se indicó en el numeral 11.4.4 de este capítulo. 11.5.5. PROCEDIMIENTO 1. Tomar una probeta preparada, determinar el diámetro superior, medio e inferior y

la altura. Registrar los valores en el formulario LMS-2009-29.

2. Determinar y registrar el peso de la probeta (W), a ensayarse. 3. Colocar sobre el pedestal de la prensa una placa de lucita. 4. Sobre esta placa de lucita y en forma centrada a la misma, colocar la probeta de

suelo y en su parte superior colocar otra placa de lucita. 5. Poner en contacto la placa de carga superior con la placa de lucita hasta que el

deformímetro LC—2 instalado en el anillo de carga indique un ligero incremento de presión (Foto 11-12).

6. Tomar las lecturas iniciales de los dos deformímetros y registrar en el formulario

LMS-2009-29.

182

7. Aplicar la carga a una velocidad tal que haga comprimir a la probeta a razón de 0.5 a 1 % de su altura por minuto (0.7 a 1.4 mm por minuto), se puede aplicar velocidades menores cuando las probetas son muy rígidas.

8. Para cada 10 divisiones de deformación vertical calibrados en el deformímetro LC-9,

registrar las lecturas del deformímetro LC-2 del anillo de carga. Continuar aplicando la carga hasta que la probeta falle, es decir:

a. La carga sobre la probeta decrece significativamente.

b. La carga se mantiene constante por cuatro lecturas.

c. Las deformaciones sobrepasan significativamente el 20% de la

deformación unitaria. 9. Parar el sistema de carga y remover la probeta del pedestal de la prensa. 10. Definir los planos de falla o fisuras y hacer un esquema de la probeta fallada. Si

existe un plano definido de falla medir el ángulo de inclinación con respecto al plano horizontal (Foto 11-13).

11. De la parte superior e inferior de la probeta cortar o raspar dos porciones de suelo,

en cantidades suficientes (ver tabla 2—1), para determinar el contenido de agua. 12. Repetir el mismo procedimiento para dos probetas de suelo.

Foto 11-13. Probeta de suelo después del ensayo

11.5.6. CÁLCULOS 1. Determinar y registrar el área representativa inicial de la probeta (Ac) con la (Ec.

11-11), formulario LMS-2009-29. 2. Determinar y registrar el volumen de la probeta (V), (Ec. 11-12).

183

3. Determinar y registrar el peso unitario del suelo húmedo y seco. 4. Las deformaciones de la probeta de suelo, axial (Δh) deformímetro LC-9; y, las

deformaciones del deformímetro LC-2 del anillo de carga, son obtenidas durante la ejecución del ensayo.

5. Determinar la deformación unitaria (ε) de la probeta de suelo y registrar el valor

expresado en porcentaje, (Ec. 11-13). 6. Determinar y registrar la carga axial (P), (Ec. 11-14) donde: P = Carga axial, en Kg. No. de divisiones del deformímetro LC-2 del anillo de carga registrados durante el

ensayo, en 10-4 pulg. Factor de calibración del anillo 0.130 Kg / 10-4pulg. 7. Determinar y registrar el área corregida de la probeta (Ac ), (Ec. 11-15). 8. Determinar y registrar el esfuerzo unitario de compresión (σ).

cAP =σ (11-22)

11.5.7. GRÁFICOS Y RESULTADOS

1. Con los resultados obtenidos y codificados en el formulario LMS-2009-29 construir una gráfica a escala aritmética; ubicando, en abscisas las deformaciones unitarias (ε), en porcentaje, y en ordenadas el esfuerzo unitario de compresión (σ ), formulario LMS-2009-30.

La gráfica permite determinar el esfuerzo unitario de falla o esfuerzo pico (a menos

que ocurra primero el 20% de la deformación unitaria) que se toma como el valor del esfuerzo máximo de compresión no confinada (qu) del suelo.

Entonces mostrar (qu) como el esfuerzo pico en cada ensayo y mostrar el valor

promedio de (qu) para ambos ensayos, formulario LMS-2009-30. 2. Con los resultados obtenidos de (qu) promedio, determinar y registrar el valor de

(σ1); centro y radio del círculo de Mohr correspondiente, formulario LMS-2009-30.

uq=1σ (11-23)

CENTRO = RADIO = (11-24) 1σ

2 3. Trazar el círculo de Mohr y mostrar el valor de la cohesión del suelo, formulario

LMS-2009-30. (Ver Fig. 11-5).

184

ESFUERZO NORMAL (σ)

ESF. CORTANTE (τ)

r = C

u

qu

Cu

cu = qu / 2

Fig. 11-5. Círculo de Mohr, ensayo de compresión no confinada

11.5.8. COMENTARIOS GENERALES

El ensayo de compresión no confinada se utiliza ampliamente porque constituye un método rápido y económico de obtener la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo cohesivo saturado al 100%, en condiciones no drenadas. En este ensayo en el Laboratorio de Mecánica de Suelos de la Universidad Central, se realiza alternativamente con la máquina de compresión triaxial, para lo cual es necesario observar todas las recomendaciones y sugerencias expuestas en el numera 11.4 de este capítulo; el procedimiento es similar con la diferencia que la probeta de suelo no esta cubierta con la membrana de caucho y en el cámara triaxial no hay acción del esfuerzo confinante. En cuanto a los cálculos, resultados, y gráficos se recomienda usar los formularios LMS-2009-29 y LMS-2009-30.

185

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN



GRUPO No. OPERADOR

MUESTRA No. FECHA

DESCRIPCIÓN

INEN ASTM D 2850

Diám. Sup. ds = cm Area Superior As = cm² Peso W = g

PROBETA No. Diám. Medio dm = cm Area Media Am = cm² Volumen V = cm³

Diám. Infer. di = cm Area Inferior Ai = cm² Peso unitario γ = g/cm³

Altura h = cm Area inicial Ao = cm² Peso unitario γ d = g/cm³

ESFUERZO

UNITARIA Peso

ε g %

10 -3 pulg. mm % lb Kg Kg/cm 2

w = %

w = %

LMS-2009-29

CONT. DE AGUA DE LA PROBETA

cm²

OBSERVACIONES:

ESQUEMA DE LA PROBETA FALLADA

Cont. DeAgua

Peso recipiente

+ suelo húmedo + suelo seco

g g

COMPRESIÓN NO CONFINADA

ESFUERZO DE

COMPRESIÓN

σ

EJECUCION DEL ENSAYO

DEF. LC - 9 No.

RECIPIENTE

CARGA AXIALP

AREA CORREGIDAAc

CONTENIDO DE AGUA DE LA MUESTRA


PROBETA DE SUELO

DEFORMACION AXIAL


[email protected]

Δh

UNIVERSIDAD CENTRAL


--------------------------------------


186

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN



GRUPO No. OPERADOR

MUESTRA No. FECHA

DESCRIPCIÓN

INEN ASTM D 2850

PROBETA No. 1 y 2

qu1 = kg/cm²

qu2 = kg/cm²

qu = kg/cm²

CIRCULO σ 3 qu

No. kg/cm² kg/cm²

1

σ 1 CENTRO RADIO

kg/cm² kg/cm² kg/cm²

LMS-2009-30

UNIVERSIDAD CENTRAL


--------------------------------------




[email protected]

GRÁFICOS : ESFUERZO - DEF. UNITARIA

COMPRESIÓN NO CONFINADA

ESFUERZO COMPRESIÓN NO CONFINADA PROMEDIO

DATOS


ES

FU

ER

ZO

DE

CO

MP

RE

SIÓ

N

σ

(

Kg/

cm² )

( σ ) (Kg/cm²)

τ

(Kg/

cm²)

RESULTADOScu = kg/cm²φ = º

187

12. ENSAYOS EN SITIO PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DEL SUELO

12.1. INTRODUCCIÓN Existen diferentes métodos que permiten determinar en sitio las características mecánicas de un suelo. Entre otros se tiene:

- Ensayo de carga con placa. - Ensayo de penetración estándar. - Ensayo presiométrico.


12.2. ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR (SPT) 12.2.1. INTRODUCCIÓN Este ensayo fue desarrollado y adoptado por la Raymond Concrete Pile Company, en sus trabajos de exploración de suelos. Posteriormente en (1958), el ensayo fue adoptado por la “American Society for Testing and Materials (ASTM), y luego en 1982 fue adoptado por el INEN. Este ensayo consiste en registrar el número de golpes (N) necesarios para hincar 45cm dentro del suelo, un muestreador normalizado. El hincado del muestreador se hace dejando caer un peso de 63.5Kg (140 lbs.) desde una altura de 76cm (30 pulg). El registro de la resistencia a la penetración permite determinar, en forma aproximada, la capacidad portante del suelo a diferentes profundidades para el diseño de cimentaciones, usando las diferentes correlaciones válidas para suelos arenosos y suelos arcillosos. A continuación se muestra la tabla 11-1, de correlaciones aproximadas entre el número N del ensayo de penetración estándar, la resistencia a la compresión axial no confinada, la consistencia de las arcillas, la compacidad relativa de los suelos granulares y el ángulo de fricción interna de estos, (ver Ref. 5).

EN ARCILLAS N qu DESCRIPCIÓN

E

- Kg/cm² - Kg/cm² 2 0.25 Muy blanda 3

2 - 4 0.25-0.50 Blanda 30 4 - 8 0.50-1.00 Media 45 - 90 8 - 15 1.00-2.00 Compacta 90 - 200 15 - 30 2.00-4.00 Muy compacta

>30 >4.00 Dura >200

188

EN ARENAS N

DESCRIPCIÓN COMPACIDAD

RELATIVA

E

- - %

φ ÁNGULO DE FRICCIÓN INTERNA Kg/cm²

0 - 4 Muy baja 0 - 15 28º 100 5 - 10 Floja 16 - 35 28-30 100 - 250 11 - 30 Media 36 - 65 30-36 250 - 500 31 - 50 Densa 66 - 85 36-46 500 - 1000

>50 Muy densa 86 - 100 >41 >1000

Tabla 11-1 12.2.2. OBJETIVO Obtener un registro de la resistencia a la penetración en el suelo de un muestreador normalizado, y a la vez obtener muestras alteradas representativas, con propósitos de descripción y clasificación. 12.2.3. EQUIPO

1. Pala de postear. 2. Barras y brocas de perforación. 3. Muestreador o tubo partido, (ver Fig. 12-1). 4. Dispositivos de aplicación de la carga, (Foto 12-1). 5. Flexómetro, aproximación 0.1cm. 6. Parafina sellante. 7. Fundas de plástico. 8. Tarjetas de identificación. 9. Libreta de campo.

El dispositivo para aplicación de la carga debe tener características tales que la carga pueda aplicarse en forma dinámica, sin que se pierda su energía, y estará constituida por:

a. Un martinete de 63.5Kg (140 lbs.) de peso total. b. Un tubo rígido de acero que sirve de guía en la caída del martinete (tubo-guía). c. Un vástago enanchado, cabeza de golpe o yunque. d. Trípode con polea, cabo de manila y motor (malacate). e. Barras de conexión del diámetro AW o similar. Para profundidades mayores de

15m, se recomienda el diámetro BW o similar. El término AW y BW se refiere al diámetro de las barras comercialmente existentes, como puede verse en la Tabla 12-2.

TAMAÑO DIÁMETRO LONGITUD MODELO DESIGNACIÓN pulg cm m

DR – 1829 W 0.30 DR – 1830 W 0.60 DR – 1831 W 1.50 DR – 1832 W

AW

1 ¾

4.44

3.00 DR – 1933 W 0.30 DR – 1934 W 0.60 DR – 1935 W 1.50 DR – 1936 W

BW 2 1/8

5.40

3.00

Tabla 12—2

189

Foto 12-1. Dispositivo para aplicación de la carga (listo para la ejecución del ensayo)

190

CORTE 1-1 (a)

CORTE 1-1 (b)

Fig. 12-1 Muestreadores partidos

(a) Muestreador partido (b) Muestreador partido con tubo de pared delgada

191

12.2.4. PREPARACIÓN PREVIA AL ENSAYO

1. Definir el lugar donde se va a realizar el ensayo.

2. Excavar con la pala de postear o con la broca hasta la profundidad de 0.50m (Foto 12-2), considerando que el diámetro de la perforación debe estar comprendido entre 6 y 15 cm.

3. Efectuada la perforación, limpiar el pozo, cuidando que el suelo a muestrear no

resulte alterado por la operación.

4. Cuando se detecten suelos sin cohesión, poco cohesivos o muy blandos debe asegurarse la estabilidad de las paredes de la perforación entibándolas, utilizando tubos, lodo de perforación o cualquier otro método que se considere conveniente.

5. En el caso de arenas o limos saturados, las herramientas de perforación deben

retirarse lentamente, para impedir el derrumbamiento de las paredes del pozo.

12.2.5. PROCEDIMIENTO

1. Colocar el trípode sobre el lugar a perforar y anclarlo firmemente en el suelo. 2. Introducir el muestreador (tubo partido) hasta el fondo del pozo, uniéndolo

previamente la barra para la perforación 3. En la superficie unir a la barra de perforación la barra—guía y la cabeza de

golpe. 4. Luego de apoyar el muestreador en el fondo del pozo excavado, proceder a

hincarlo mediante golpes del martinete lanzado en caída libre desde una altura de 75 ± 5 cm sobre la cabeza de golpe, (Nota 1)

5. Para el izaje del martinete debe usarse cabo de manila o similar, y en el caso de

ser accionado mecánicamente, el cabo no debe enrollarse más de dos vueltas en el malacate (Foto 12-1)

6. Cuidar que el tubo-guía de acero que sirve de guía en la caída del martinete esté

completamente vertical (Foto 12-1). 7. El muestreador debe penetrar en primer lugar 15cm, lo cual se considera como

un proceso necesario de preparación y ajuste para el ensayo, por lo que, el número de golpes necesarios para este primer tramo de hincado tiene únicamente un valor relativo de orientación, pero se debe contar y registrar.

8. Iniciar entonces el ensayo contando el número de golpes (N) necesario para

penetrar el muestreador 30cm adicionales (Nota 2), lo cual determina la resistencia a la penetración de dicho suelo.

Nota 1. Un método para mantener una caída uniforme consiste en marcar el tubo-guía a los 70, 75 y 80 cm sobre la parte superior de la cabeza de golpe; de esta forma, el operador podrá levantar el martinete hasta que en su parte inferior aparezcan las marcas de los 70 o 75 cm, pero nunca la marca de los 80cm. Nota 2. Es conveniente registrar separadamente durante el hincado el número de golpes necesarios para la penetración de cada 15cm. La resistencia a la penetración del suelo es la suma de los golpes (N) para los incrementos segundo y tercero.

192

9. Si al hincar este tramo se sobrepasa los 50 golpes, sin que hubiere penetrado la totalidad de la medida indicada en el paso 8, se debe anotar el número de golpes efectuados y la fracción o longitud de penetración del muestreador.

10. Luego del hincado y antes de extraer el muestreador a la superficie debe girarse

por lo menos dos revoluciones a fin de cortar la muestra por el fondo, luego de lo cual, extraer el muestreador a la superficie, abrirlo y determinar la longitud de la muestra recuperada, retirar la muestra de suelo desechando la parte superior que se considera no representativa (Foto 12—3).

11. Describir apropiadamente a la muestra de suelo, según el numeral 1.5.5 capítulo

1, de este instructivo. 12. Colocar la muestra con su tarjeta de identificación respectiva en una funda de

plástico para realizar en el laboratorio los ensayos de clasificación (contenido de agua, granulometría y límites, etc)

13. Cuando se utilice el tipo de muestreador de la Fig. 12-1b una vez obtenida la

muestra, desarmar el muestreador y retirar el tubo interior, enrasarlo, sellarlo con parafina y enviar al laboratorio

14. Con la broca ampliar el diámetro del pozo hasta la profundidad donde se desee

hacer el nuevo ensayo. Limpiar el mismo cuidando que el suelo, a muestrear no resulte alterado por la operación.

15. Conectar nuevamente el muestreador con las barras de perforación y repetir el

procedimiento, analizando las distintas profundidades hasta la profundidad total a la que se desee sondear.

Foto 12-2. Perforación manual con la pala de postear o broca.

193

Foto 12-3. Muestreador con la probeta de suelo, después del ensayo. 12.2.6. INFORME DE RESULTADOS Todos los resultados y observaciones que se hagan durante la ejecución del ensayo deben registrarse en el formulario LMS-2009-31. Relación de recuperación, es el cuociente entre la longitud de la muestra recuperada y la longitud correspondiente a la penetración del muestreador. Tenemos el caso que el ensayo se inicia cuando el muestreador se encuentre en un punto A, como muestra la Fig. 12—2 (a). El muestreador es metido en el suelo hasta el punto B como se enseña en (b). La relación de recuperación para esta parte de la muestra es A’B/AB, cuyo valor es mayor que la unidad; y, cuando el muestreador ha penetrado hasta el punto C en (c) la relación de recuperación para toda la muestra será A” C/AC que es menor que la unidad.

DA

B E

D'A'

B E

A''

C

(a) (b) (c)

Fig. 12-2. Relación de recuperación durante el ensayo. A los resultados del ensayo de penetración estándar, acompañar siempre un croquis de ubicación de las perforaciones.

194

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN


MÉTODO DIÁMETRO

COTA REFERENCIA COTA

NIVEL FREÁTICO FECHA N.F

REVISIÓN FECHA

ASTM D-1586

PENETRACION

m cm N -1515

151515

151515

151515

151515

151515

151515

151515

151515

151515

151515

151515

151515

151515

151515

151515

151515

15151515

OBSERVACIONES

LMS-2009-31

UNIVERSIDAD CENTRAL


--------------------------------------




[email protected]

9,0

8,0

7,0

6,0

5,0

4,0

3,0

2,0

1,0

ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR

MUESTREO GOLPES/30cm

RELAC. DE RECUPER.

PROF.DESCRIPCIÓN GENERAL

Nombre típico, color, olor, contenido de agua, granulometría, contenido orgánico, consistencia,

nombre geológico, otros.GOLPES O PRESIÓN

0,0

195

PRÁCTICA Nº 19 ESTA ES UNA PRÁCTICA DEMOSTRATIVA 12.3. ENSAYO DE CARGA CON PLACA 12.3.1. INTRODUCCIÓN El ensayo de carga con placa consiste en excavar un pozo hasta el nivel de cimentación previsto, o a cualquier otra profundidad adecuada por debajo del nivel del terreno, y a continuación, aplicar una carga estática sobre una placa asentada en el fondo del pozo. La carga se aplica con un incremento sucesivo hasta un fallo en la resistencia del suelo a la cizalladura, o lo que es más frecuente, hasta que la carga que soporta la placa alcanza algún múltiplo 2 o 3 veces, por ejemplo, de la carga propuesta para las cimentaciones completas. La magnitud y variación del asentamiento bajo un nuevo incremento de carga es cuidadosamente medida. El ensayo de carga con placa se emplea para determinar la capacidad final de carga de suelos no cohesivos, utilizando placas de varias dimensiones. La capacidad final de carga obtenida de este modo puede utilizarse, directamente si el tamaño de la placa es más o menos similar a la anchura de la cimentación proyectada. Este ensayo es el más indicado para investigar suelos de relleno o suelos que contienen gravas gruesas, en los que resulta prácticamente imposible efectuar el ensayo de penetración estándar. 12.3.2. OBJETIVO Determinar la capacidad final de carga y asentamiento de un suelo mediante el ensayo de carga con placa. 12.3.3. EQUIPO

1. Gato hidráulico, provisto de un manómetro, capacidad 30 Ton. 2. Placa de acero cuadrada, 929cm² de área (30.5cm de lado) y con un espesor de

2.54cm. 3. Rótula 4. Viga de referencia, para asegurar los deformímetros 5. Cuatro deformímetros, aproximación 0.001pulg. 6. Soportes magnéticos ajustables, para asegurar los deformímetros 7. Nivel de albañil 8. Pico y pala 9. Cronómetro, aproximación 0.1seg. 10. Arena fina y/o yeso 11. Dispositivo de carga (ver Fig. 12-3)

Foto 12-4. Equipo para el ensayo de carga con placa

196

La Fig. 11-3 muestra el esquema del dispositivo de carga con estructura, la misma que trasmite la carga al suelo por medio de un gato hidráulico.

Fig. 12-3. Estructura anclada 12.3.4. COLOCACIÓN DE LA PLACA Para la ejecución de un ensayo de carga con placa, para fines de cálculo de cimentaciones poco profundas, la placa deberá colocarse centrada en el fondo de una excavación (pozo de ensayo) cuyo ancho sea del orden de 4 ó 5 veces el diámetro o lado de la placa y cuya profundidad corresponda al nivel al que se desee estimar la capacidad de carga. La placa deberá tener en el suelo un apoyo completo, por lo que es recomendable colocar entre la placa y el suelo una delgada capa de arena fina y uniforme, con el espesor suficiente para rellenar las irregularidades del fondo de la excavación, procurando que se encuentre lo más horizontal posible. 12.3.5. PROCEDIMIENTO

1. Definir el lugar donde se va a realizar el ensayo 2. Realizar la excavación del pozo para el ensayo 3. Introducir los tornillos de anclaje (anclas), armar el dispositivo de carga y nivelar

el mismo (Fig. 12-3). 4. Limpiar y nivelar cuidadosamente el área a ser cargada, colocar una capa de

0.5cm de arena fina o yeso simplemente de modo que la carga sea trasmitida sobre toda el área de contacto placa-suelo.

5. Colocar la placa de 30.5cm de lado, centrada y nivelada. 6. Colocar el gato hidráulico en el centro de la placa. Para una mayor seguridad y

precisión del ensayo, colocar una rótula encima del gato hidráulico y bajo la estructura anclada, (Fig. 12-4)

7. Colocar las vigas de referencia en forma ortogonal entre sí, las mismas que

permiten asegurar los deformímetros.

8. Colocar cuatro deformímetros uno en cada extremo de la placa. Los vástagos de los deformímetros deben descansar en la superficie de la placa y se deben fijar en la viga de referencia, la misma que está apoyada en el suelo, (Fig. 12-4).

9. Aplicar con el gato hidráulico una carga de 100Kg, para asentar la placa de

ensayo.

10. Numerar los deformímetros y tomar las lecturas iniciales en una lectura determinada (por ejemplo: Deformímetro No. 1, lectura inicial = 500*10-4pulg).

197

11. Aplicar con el gato hidráulico una carga de 465Kg de manera de obtener sobre el

suelo un esfuerzo de 0.5Kg/cm² (Nota 1), poniendo a la vez en funcionamiento el cronómetro.

Nota 1. Como el ensayo consiste en aplicar incrementos de carga a la placa y medir los asentamientos que el suelo vaya sufriendo, entonces deberán aplicarse incrementos de carga de manera de obtener sobre el suelo esfuerzos de 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 4 y 5 Kg/cm². Considerando que de estos niveles de esfuerzo depende la resistencia del suelo. Cada incremento debe mantenerse constante hasta que la velocidad de asentamiento de la placa sea menor que 0.005cm/h.

12. Proceder a leer los valores de los asentamientos del suelo en los deformímetros a intervalos de tiempo, tales como 1, 2, 5, 10, 20, 30 y 45 minutos, 1 y 2 horas, para cada incremento de carga.

13. El ensayo deberá continuar hasta que se produzca la falla completa del suelo

bajo la placa o hasta que el suelo de los tornillos de anclaje falle, o hasta que se le aplique una carga doble de la carga de trabajo.

Fig. 12-4. Dispositivo para la aplicación de la carga (Listo para la ejecución del ensayo)

12.3.6. GRÁFICOS Y CÁLCULOS

1. Para cada uno d los incrementos de carga o esfuerzo llevar un registro de la forma como progresa el asentamiento del suelo en función del tiempo, lámina LMS-2009-32.

2. Con los resultados obtenidos y codificados en la lámina LMS-2009-32 construir

para cada incremento de carga o esfuerzo, una gráfica en papel semi-logarítmico, cuyas abscisas (escala logarítmica) representan el tiempo, en minutos, y cuyas ordenadas (escala aritmética) representan los asentamientos, en cm.; lámina LMS-2009-33.

La gráfica es conocida como curva: Tiempo – asentamiento, en la que puede

medirse la velocidad de asentamiento de la placa en el suelo (Fig. 12-5)

198

0,00

0,40

0,80

1,20

1,60

2,00

2,40

2,80

1 10 100 1000

TIEMPO TRANSCURRIDO DE ASENTAMIENTO (Minutos)

ASE

NTA

MIE

NTO

(c

m)

Fig. 12-5. Curva: Tiempo - Asentamiento

3. Con los resultados obtenidos y codificados en la lámina LMS-2009-32 al final del

ensayo, construir una gráfica a escala aritmética que relacione los asentamientos finales de cada incremento de esfuerzo con el valor de éstos; ubicado, en abscisas los esfuerzos, en Kg/cm², y en ordenadas los asentamientos finales, en cm, de cada incremento de carga o esfuerzo, lámina LMS-2009-33.

La gráfica es conocida como curva: Esfuerzo – asentamiento y permite

determinar el esfuerzo de falla o capacidad final de falla (qf), señalada por un quiebre brusco entre dos ramas prácticamente rectas que constituyen la curva (Fig. 12-6)

0,00

0,40

0,80

1,20

1,60

2,00

2,40

2,80

0 1 2 3 4 5

ESFUERZO (Kg/cm²)

ASE

NTA

MIE

NTO

(c

m)

RESULTADOS qf= Kg/cm² Δhp= cm Δh= cm

Fig. 12-6. Curva: Esfuerzo - Asentamiento

4. En el caso de que se haga un ensayo de carga con placa para análisis de

asentamiento, se determinan los que sufre el suelo bajo la placa y a partir de ellos se establecen los de la cimentación prototipo en base a la ecuación de correlación:

2

304 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

+⋅Δ⋅=Δ

BBhph

199

Donde: Δh = Asentamiento de una zapata prototipo, en cm. Δhp = Asentamiento final sufrido durante el ensayo por el suelo bajo una placa cuadrada de 30.5cm de lado, en cm. B = Ancho de la zapata prototipo, en cm. La ecuación sólo es aplicable a zapatas aisladas cuyo asentamiento no esté influido por ninguna zapata vecina.

200

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN


GRUPO No. OPERADOR

CALCULO FECHA

DESCRIPCIÓN

ASTM D-1194

CARGA ESF.ASENTA-MIENTO

P σ No. 1 No. 2 No. 3 No. 4 No. 1 No. 2 No. 3 No. 4 PROMEDIO

kg kg/cm² min cm

OBSERVACIONES

LMS-2009-32

CONTENIDO DE AGUA w = %

10 -3 pulg

ASENTAMIENTO

ENSAYO DE CARGA CON PLACA

FECHAHORA DE LECTURA

TIEMPO TRANSC.

10 -3 pulg

LECTURA DEL DEFORMÍMETRO


--------------------------------------




[email protected]

ÁREA DE LA PLACA = cm²

201

PROYECTO

OBRA

LOCALIZACIÓN


GRUPO No. OPERADOR

CALUCLO FECHA

DESCRIPCIÓN

INEN ASTM D 2850

LMS-2009-33

ENSAYO DE CARGA CON PLACA

CURVA : ESFUERZO - ASENTAMIENTO

CURVA : TIEMPO - ASENTAMIENTO

UNIVERSIDAD CENTRAL


--------------------------------------




[email protected]

TIEMPO TRANSCURRIDO DE ASENTAMIENTO (minutos)A

SEN

TA

MIE

NT

O (cm

)

ESFUERZO (kg/cm²)

AS

EN

TA

MIE

NTO

PR

OM

ED

IO

(cm

)1 10 103

RESULTADOSqf = Kg/cm²Δhp = cmΔh = cm

102

202

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. ARANGO VELEZ, Antonio. “Manual de Laboratorio de Mecánica de Suelos”.

Primera edición. Medellín – Colombia, 1989. 2. DAS, Braja M. “Soil Mechanics Laboratory Manual”. Tercera edición. Southern

Illinois University, N.Y., 1989. 3. BOWLES, Joseph. “Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil”.

Editorial McGraw-Hill Latinoamericana S.A. Bogotá – Colombia, 1980. 4. CASSAN, Maurice. “Los ensayos in situ en la Mecánica de Suelos”. Editorial

Técnicos Asociados. Barcelona – España, 1982 5. CRESPO VILLALAZ, Carlos. “Mecánica de Suelos y Cimentaciones”. Tercera

edición. México, 1985. 6. MERRIT S., Frederrick. “Enciclopedia de la Construcción Arquitectura e

Ingeniería”. Editorial OCÉANO/Centrum. Barcelona – España 1990. 7. SECRETARÍA DE RECURSOS HIDRÁULICOS. “Mecánica de Suelos. Instructivo

para ensaye de Suelos”. Editado por la dirección de información. Quito, edición 1980.

8. SEVILLA LARREA, Juan. “Instructivo para prácticas de Laboratorio de

Mecánica de Suelos”. Universidad Central, Quito, 1973. 9. UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID. “Mecánica de Suelos e Ingeniería

de Cimentaciones”. Curso para graduados, prácticas de Laboratorio, España, 1984.

10. ASTM. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, 1986. Anual Book

of ASTM, Standards vol. 04.08, Philadelphia, PA, 1986 11. INEN. INSTITUTO ECUATORIANO DE NORMALIZACIÓN. “Normas para

ensayos de Laboratorio de Mecánica de Suelos”. Quito, 1982.

203

instructivo mecanica de suelos

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