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INTRODUCCIÓN.

Considerando que en el área de Geotécnia, específicamente en la sección de Laboratorio de Mecánica de Suelos, que actualmente se imparte en la Escuela de Ingeniería Civil de la Universidad Autónoma de Guerrero, hasta antes del presente trabajo, no existía en su acervo bibliográfico, un libro que compilara todas las pruebas de Laboratorio de Mecánica de Suelos, necesarias para cubrir el programa de dos semestres en que actualmente se imparte. Por lo que, al avocarme a la realización de este trabajo, no fue con el objeto de reunir en un solo libro, la totalidad de las pruebas que en materia de Mecánica de Suelos que existen hoy en día, sino más bien, se busco cubrir, como expongo líneas arriba, los programas del 7° y 8° semestre de la carrera de Ingeniero Civil, y con ello, cooperar en lo posible con el estudiantado que cursa esta carrera, por lo que en consecuencia el ordenamiento de este trabajo es de acuerdo con el orden cronológico que se sigue de los programas. Objetivamente el contenido es el siguiente: CAPÍTULO I. MUESTREO EN SUELOS. Se estimó pertinentemente, que si bien el trabajo sería del seguimiento en la metodología de pruebas de laboratorio, debería indicarse la forma de la obtención de muestras a usar; esto implica, la exposición de los diferentes métodos usados para investigar características de un sitio mediante la extracción de muestras alteradas e inalteradas que se usarán en el laboratorio o directamente en el campo.

Por lo que se le dio número 1 al capítulo, pasando a ser los siguientes, pruebas propiamente dicho. CAPÍTULO II. IDENTIFICACIÓN DE SUELOS EN EL CAMPO. Lo que permite conocer en forma cualitativa las propiedades mecánicas e hidráulicas de un suelo, atribuyéndole las del grupo según en que se sitúe según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS). CAPÍTULO III. RELACIONES VOLUMÉTRICAS. Estas pruebas de tipo volumétrico y gravimétrico, tienen como objeto el conocer el contenido de agua y el peso volumétrico en estado natural, tanto en el laboratorio como en el campo. CAPÍTULO IV. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD RELATIVA DE SÓLIDOS.- Nos sirve para determinar la relación entre el peso específico de las partículas de un suelo y el peso específico del agua destilada a 4 °C. CAPÍTULO V. GRANULOMETRÍA. Esta prueba consiste en clasificar los suelos, y por medio del cálculo obtener los coeficientes de uniformidad y curvatura del material, y, la determinación conveniente de utilizar el material en la construcción de pavimentos o como agregado pétreo del concreto.

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CAPÍTULO VI. LÍMITES DE CONSISTENCIA O DE ATTERBERG. Estas pruebas tienen como objeto, determinar la plasticidad de la porción del material que pasa la malla # 40 y que forma parte del suelo. Los límites de consistencia, junto con la granulometría, son básicos para juzgar la calidad que se pretende usar en terraplenes de cortinas, sub-base y base de pavimentos. CAPÍTULO VII. LÍMITES DE CONSISTENCIA Ó DE ATTERBERG. Se pretende la presencia ó ausencia de materiales finos, que sean perjudiciales para los suelos y para los agregados pétreos. CAPÍTULO VIII. COMPACTACIÓN. Con estas pruebas, en sus diferentes formas (impacto y amasado), se persigue la obtención del peso volumétrico máximo que puede alcanzar el material en estudio, y su correspondiente humedad óptima. CAPÍTULO IX. COMPRESIÓN SIMPLE. Esta prueba queda circunscrita a arcillas y suelos cohesivos en los que se determina la resistencia a la compresión simple, la definición del parámetro de resistencia (c), y la interpretación del tipo de falla que sufre el material conforme a sus características. CAPÍTULO X. CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL. Con la realización de esta prueba se pueden obtener las curvas de compresibilidad de un suelo, y la de consolidación de cada incremento de carga; por medio del cálculo, la carga de preconsolidación, la permeabilidad del suelo, los coeficientes de consolidación y compresibilidad, además de los tiempos de asentamientos de un suelo bajo una carga. CAPÍTULO XI. PRUEBAS DE PERMEABILIDAD. El principal objetivo de estas pruebas, es la determinación del coeficiente de permeabilidad de los diferentes tipos de suelos en el laboratorio y referenciado a 20º C. CAPÍTULO XII. PRUEBAS DE COMPRESIÓN TRIAXIAL. Estas pruebas son las más usuales para determinar los parámetros de cohesión (c), ángulo de fricción interna (φ) de los suelos; así como para la interpretación correcta de los esfuerzos en el Círculo de Mohr, y de la curva Esfuerzo � Deformación.

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Recomendaciones para la redacción de informes y reportes. Se presenta a continuación una sugerencia para la organización y presentación de un informe ó reporte de laboratorio. Evidentemente no todos los puntos serán siempre necesarios. Portada. • Debe contener el nombre de la institución. • Título del trabajo. • Número correspondiente al informe, ejercicio ó reporte. • Nombre del alumno. • Fecha de entrega. Índice. • Contenido de cada capítulo y número correspondiente de página. • Capítulos, subcapítulos e incisos se numerarán con cifras arábigas, los subíndices se citarán

con letra minúscula.

Introducción • ¿De qué trata el trabajo?. • ¿Para qué?. Ubicarlo dentro de un contexto ó problemática general. • ¿Por qué es necesario? Importancia del tema. ¿Qué lo motivó? • ¿Qué contiene y cómo está organizado el trabajo?. Objetivos • ¿Qué debe saber ó ser capaz de hacer el alumno al término de la práctica?. • ¿Qué se pretende conocer al término de la investigación?. • Variables a manejar, planeación del experimento. Antecedentes • Definición del problema. • Modelación. Hipótesis. • Formulación. Teoría. • Trabajos previos relacionados con el tema y que sirven de base ó referencia a éste. Materiales • Tipo de muestras: ¿Alteradas, inalteradas?. • Procedencia: características del depósito de origen. • Procedimiento de obtención. • Características físicas. Descripción, identificación, clasificación, propiedades índice (Aún

estimadas), estado de esfuerzos en el sitio en el caso de muestras inalteradas.

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Equipo • ¿Por qué se selecciona dicho equipo para el ensaye?. • ¿En qué consiste?. • ¿Qué condiciones impone el ensaye?. • ¿Es equipo convencional, modificado ó especialmente diseñado para el ensaye?. • ¿Cómo funciona?. • ¿Qué limitaciones tiene?. • Instrumentos de medición: tipo, rango, discriminación. • ¿El conjunto requiere calibración?, ¿De qué tipo?, ¿Cómo se realiza?.

Programación de ensayes • Número y tipo. • Rango de variación de solicitaciones, magnitud y secuencia de aplicación. Procedimiento de prueba • Preparación, labrado, y montaje de especímenes. • Descripción detallada de la ejecución del experimento.

Resultados y análisis de los mismos • Recopilación y organización de resultados. Hacer referencia a tablas y gráficas. • ¿Qué se obtuvo?. Análisis y resultados. • ¿Se observan discrepancias entre los efectos observados y los esperados?. • ¿Errores en el ensaye?. ¿Causas posibles?. • ¿Existe ó es posible establecer un modelo que represente el comportamiento del material ante

las solicitaciones estudiadas?. • ¿Existe ó es posible establecer un modelo que represente el comportamiento del material ante las solicitaciones estudiadas?. • ¿Es posible explicar el comportamiento del suelo durante el ensaye?. • ¿Los resultados confirman las hipótesis de partida?. (Si es que se hicieron).

Conclusiones • Presentar en forma concisa las consecuencias de la investigación. Se debe dar respuesta aquí

a las preguntas formuladas en los objetivos. • Se alcanzaron los objetivos propuestos?. • Señalar las aplicaciones prácticas de los resultados. Recomendaciones • Qué otros aspectos deben estudiarse relacionados con el mismo tema? • Recomendaciones para futuras investigaciones: procedimiento, equipo, etc.

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Referencias • Libros, artículos, folletos, apuntes, comunicaciones escritas o verbales. • Presentación en orden alfabético: Autor (es), año de publicación (citado entre paréntesis),

título de trabajo, casa editora ó, en el caso de revistas, citar volumen, número, mes: ciudad y dónde fue publicado el trabajo.

Tablas • Resumen de datos. • Comparación de resultados. • Cálculos respectivos. • Indicar título, su numeración se hará con números arábigos.

Gráficas, figuras, fotografías • Numerar con cifrar arábigas e indicar su título: ¿De qué trata? • Dejar márgenes adecuados. • Indicar claramente datos importantes: Identificación de las muestras, ensaye, variable que

manejen. • No más de 3 gráficas en la misma figura. • Atención a la presentación: usar instrumento de dibujos adecuados, no lápiz. • Escalas adecuadas a la aproximación de la medición. • En escalas usar solo múltiplos de 1, 2, 5 o 10 nunca de 3, 4,7.

Anexos • Todo aquello que no constituya parte esencial del trabajo o de la investigación pero que

contribuya a aclarar o comprender mejor el contenido del informe. • Desarrollos numéricos o matemáticos. • Tabla de valores típicos. • Aplicación de resultados a problemas de geotécnia. Redacción • Ordenada. Secuencia lógica de lo general a lo particular, de lo sencillo a lo complejo.

• Clara. Que cualquiera entienda ¡Comunicación!. • Sencilla. Evitar adornos, no usar palabras o términos rebuscados. • Precisa. No usar términos cuyo significado no sea claro. • Breve. Un informe no debe ser muy extenso pero debe ser completo. Es decir sólo

lo esencial, no divagar. • Conciso. Cortedad, proporcionar la máxima información con el mínimo de palabras. • Ortografía. Correcto español, redactar siempre en tercera persona. • Limpia. Sin borrones.

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Acerca de los informes técnicos. Con el fin de sistematizar la presentación de los informes y para que sirvan de guía a los autores, se han preparado las siguientes notas, que evitarán muchas correcciones y acelerarán la aparición de los trabajos. El orden que se propone seguir se indicará presentando las diversas partes que comprenden un informe, dando ejemplos cuando convenga. Portada y portadilla. • Título. Debe enunciar lo esencial del tema estudiado; se procurará que sea breve. Cuando un artículo trate sólo un aspecto del tema general, será necesario indicarlo, por ejemplo:

LA SISMICIDAD EN EL ESTADO DE VERACRUZ.

Macrosismo del 11 de marzo de 1967. • Nombres de los autores.

El orden lo fijarán los investigadores, de acuerdo con su participación en el desarrollo del trabajo. • Índice. Aparecerán los títulos de los capítulos y sus divisiones (subcapítulos), pero no las subdivisiones: Resumen Notación 1. Introducción 1.1 Significado y propósito del estudio. Resumen. Se presenta a continuación del índice y sintetiza el informe, para que el lector sepa inmediatamente de qué trata. El resumen, junto con el título, debe completar la información sobre el contenido del trabajo. El título enuncia el tema; el resumen lo desarrolla, aunque condensado. Notación. Consiste en una lista de los símbolos utilizados en el texto para expresar ciertos conceptos.

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Parece preferible apuntarlos alfabéticamente, y en el siguiente orden:

1. Caracteres latinos: Mayúsculas. Mayúsculas con subíndice letra. Mayúsculas con subíndice número.

Minúsculas con subíndice letra. Minúsculas con subíndice número.

2. Caracteres griegos. Igual jerarquía a los anteriores. 3. Números. Las unidades se expresan al final, por ejemplo:

d: Duración de la tormenta en minutos. s: Pendiente media del cauce, en m. Introducción ó antecedentes. Como preámbulo del informe, en lugar de la voz generalidades (aquello que se dice escribe de manera vaga e imprecisa), es preferible usar el término antecedentes ó introducción. En esta parte el autor hablará de los trabajos previos que consideró al realizar el estudio; de las necesidades que dieron origen a la investigación; de las finalidades ó propósitos de la misma; del programa seguido y de los métodos empleados, todo lo cual se explicará con más detalle en el cuerpo mismo del texto. Texto. Los siguientes capítulos (equipo empleado, pruebas realizadas, métodos seguidos, resultados, conclusiones y recomendaciones) dependen de cada particular trabajo. Reconocimiento, referencias, tablas y figuras. Al final, una nota señala qué personas ó instituciones han colaborado para realizar la investigación (reconocimiento); después aparecen las referencias, y por último, tablas y figuras. Formato. Las distintas secciones del informe van numeradas. Si a su vez, cada capítulo está subdividido en partes, éstas se distinguirán con cifras decimales añadidos al número que encabeza el capítulo: 1. Introducción. 2. Ensaye de tubos de acero. 2.1 Dispositivos de medición empleados. 2.1.2 Gráficas de esfuerzo - deformación longitudinal.

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CAPÍTULO I. - MUESTREO EN SUELOS. I.1 Introducción. El muestreo en suelos implica la aplicación de los diferentes métodos usados para investigar las características de un sitio mediante la extracción de muestras alteradas e inalteradas. Las muestras sirven posteriormente para realizar las pruebas necesarias de laboratorio con el fin de definir la estratigrafía y propiedades de los suelos y rocas. I.2 Distintos tipos de muestras. Para la clasificación preliminar de un suelo, ó para determinar sus propiedades en el laboratorio, es necesario contar con porciones ó muestras del mismo. En cuanto al propósito con el que se toman las muestras, éstas se clasifican en muestras de inspección y de laboratorio. De las primeras sólo se requiere que sean representativas; en cambio, las muestras destinadas a estudios de laboratorio deben llenar una serie de requisitos sobre tamaño, método de obtención, embarque, etc. Tanto las muestras de inspección como de laboratorio pueden ser inalteradas, cuando se toman todas las precauciones para procurar que la muestra esté en las mismas condiciones en que se encuentra en el terreno del cual procede y alteradas en caso contrario. En la construcción de cortinas de presas y, en general de las diferentes estructuras de tierra que integran los distritos de riego, el estudio de los materiales provenientes de bancos de préstamo se hace, generalmente, con base en muestras alteradas. El estudio de los problemas de cimentación de las anteriores estructuras requiere, por lo contrario, muestras inalteradas. Conviene observar que la palabra inalterada no debe interpretarse en su sentido literal. Es imposible evitar que la muestra sufra cierto grado de alteración durante el muestreo y después de él. I.3 Tamaño y protección de la muestra. La cantidad de suelo que hay que enviar al laboratorio depende del programa de pruebas, y debe ser suficiente para repetir los ensayes cuyos resultados se juzguen incorrectos ó dudosos. Las muestras alteradas usuales en estudios de materiales provenientes de un banco de préstamo pueden constar de 50 a 60 kg de material. El siguiente esquema dá una idea de la forma en la que se reparte una muestra de este tipo en el laboratorio, y de las cantidades que se necesitan para cada prueba (Fig. 1.1).

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Para estudios especiales el laboratorio indicará las cantidades necesarias.

Fig. 1.1 Repartición de una muestra en el laboratorio, según la prueba. Si el material contiene grava, estas cantidades deben incrementarse; cuando el porcentaje de grava de 40%, debe duplicarse. Cuando el contenido de agua natural del material no tiene importancia, por ejemplo, si se trata de un material superficial sometido a grandes variaciones climáticas, o de un material son finos arcillosos, las muestras pueden ser enviadas al laboratorio en costales de malla cerrada o en cajones de madera. En caso contrario, es importante enviar, por lo menos, una porción representativa de la muestra, con su contenido de agua natural, en un frasco de vidrio con tapa hermética. Figura 1.2

M= Prof = SUCS F =

M � F � SPT �

Identificación del sondeo

Núm. de frasco

Número de golpes de la prueba de penetración estándar

50 ó 60 kg

3 kg.

14 kg. 4 kg.

1 kg. 1 kg. 2 kg.

10 kg.

DENSIDAD LIMITES DE CONSITENCIA

CONSOLIDACION

ANÁLISIS GRANULOMETRICO

PROCTOR COMPRESIÓN TRIAXIAL

PERMEABILIDAD

Profundidad

Clasificación del SUCS Fecha

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Las muestras inalteradas deben protegerse recubriéndolas con parafina y brea con una proporción del 80% de parafina y 20% de brea, sujetándolas con vendas de manta, siguiendo las instrucciones que se mencionan mas adelante. I.4 Muestreo superficial. El muestreo a cielo abierto debe considerarse como el más satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo. Los bancos de préstamo se muestran, generalmente, abriendo pozos o zanjas con pico y pala o con la ayuda de medios mecánicos, y labrando calas en las paredes o en el fondo de la excavación. Las palas de postear y las posteadoras mecánicas permiten obtener muestras alteradas, pero representativas del suelo, pero sin hacer excavaciones. Se describen a continuación los principales procedimientos de muestreo superficial, cuyos principios se aplican fácilmente a métodos de muestreo por medios mecánicos. Independientemente del método empleado, es importante anotar todas las observaciones realizadas sobre el material �Insitu� en un registro de campo (Lámina 1.1) I.4.1 Equipo Para pozos a cielo abierto. • Pico y pala. • Hachuela (piolet) • Bote de lámina, 18 litros • Costales o cajones • Hoja de lámina ó lona de 1.50 x 1.50 m aproximadamente • Etiquetas Para sondeos con pala de postear. • Pala de postear, con extensiones. • Pala de mano • Hoja de lámina ó lona de 1.50 x 1.50 aproximadamente • Costales o cajones • Etiquetas Para muestras inalteradas en suelos blandos: • Tubo muestreador de lámina negra de 1.59 mm (1/16�) de espesor, 12.8 (5�) de diámetro

y 25 cm de longitud con filo en la boca. • Espátula de abanico y cuchillo • Vendas de manta. • Hachuela • Barreta

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POZO A CIELO ABIERTO CON POSTEADORA BARRENO HELICOIDAL

CLASIFICACIÓN S.U.C.S. Profund. Tipo y tamaño Clasificación y Método

Símbolo Corte* en mts. De las muestras Descripción de Observaciones tomadas del material excavación

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

* EMPLEAR LAS REPRESENTACIONES CONVENCIONALES

LÁMINA 1.1

OBRA: SITIO: BANCO: SONDEO No. : NIVEL SUP.: PROF. N. A. F.: COORDENADAS: DIMENSIONES POZO: INICIÓ:

FECHA TERMINÓ:

UNIVERSIDAD A U T Ó N O M A D E G U E R R E R O

REGISTRO DE EXPLORACIÓN S U P E R F I C I A L

L A B O R A T O R I O D E

M E C Á N I C A D E S U E L O S

UNIVERSIDAD A U T Ó N O M A D E G U E R R E R O F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A

L A B O R A T O R I O D E

M E C Á N I C A D E S U E L O S

REGISTRO DE EXPLORACIÓN S U P E R F I C I A L

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

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Para empacar muestras inalteradas Cajón con tapa Aserrín, viruta o paja Estufa de gasolina Brochas Vendas de manta Charola con parafina y brea (Una parte de brea y cuatro de parafina) I.4.2 Muestras alteradas El muestreo debe realizarse por capas si la explotación se piensa hacer con escrepas; en caso de utilizarse palas mecánicas o dragas, el muestreo debe ser integral, o sea, abarcando todo el espesor de material utilizable. a) Pozo a cielo abierto. Se abren pozos de 1 m por 1.50 o 2 m hasta una profundidad de 5 m. o bien hasta encontrar material no excavable con pico y pala, como tepetate, roca, etc., o agua freática. En una de las paredes del pozo, se va abriendo una ranura vertical de sección uniforme, de 20 cm de ancho por 15 de profundidad. El material excavado se recibe totalmente, si el muestreo es integral, en un bote de lámina; en caso contrario, debe recogerse, por separando, el producto de cada una de las capas donde cambie el material Muestreo por capas. La muestra de cada capa vacía en cajón protegido interiormente con forro de papel, o en un costal de malla cerrada para evitar pérdidas de material fino; al envase deberán sujetarse dos etiquetas de identificación (banco, pozo y profundidades), una dentro y otra fuera, figura siguiente.

U. A. G. Identificación de la muestra: INGENIERÍA

Obra: Procedimiento de perforación:

Sondeo: Profundidad:

Operador: Fecha:

Clasificación SUCS:

Muestreo integral.- El producto de varía capas debe colocarse en un slo envase, con tarjetas de identificación. Cuando la cantidad del material extraído sea grande, puede cuartearse y envasarse solo una parte. b) sondeos con pala de postear. Si el terreno lo permite, puede usarse la pala de postear para obtener ya sea muestras por capas, o bien de todo el espesor que se va a explotar en la construcción. La pala de postear es uno de los métodos manuales de perforación (como el anterior), con que se pueden obtener muestras alteradas hasta una profundidad de 10 m. Se introduce la pala de postear con movimiento, de rotación; una vez llena, se saca y se deposita el material sobre una superficie limpia (lámina ó lona).

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Esta operación se repite hasta llegar a la profundidad deseada, el producto de cada palada se deposita, en orden, formando hileras de pequeños moticulos de material (Fig. 1.6). Las profundidades y espesores aproximados de cada capa se pueden medir con la misma pala. Muestreo por capas. Los montones que representan una capa deben reunirse en un solo envase, con sus respectivas tarjetas de identificación. Muestreo integral. Se mezcla el material de todos los montones y se deposita en un solo envase con sus correspondientes tarjetas de investigación. Si el volumen total del material es grande, se puede cuartear y envasar una parte. c) Cuarteo.- Es el proceso de reducir una muestra de material al tamaño conveniente, y se aplica frecuentemente en el campo cuando el volumen del material que se obtiene al muestrear un pozo sobre pasa a la cantidad que se necesita remitir al laboratorio. Los pasos a seguir son los siguientes:

1. Sobre una superficie limpia se revuelve, varias veces, el material para obtener una mezcla uniforme; se amontona formando un cono.

2. Con la pala, se extiende el material hasta formar una capa de espesor uniforme y contorno más o menos regular; se divide, en 4 parte iguales, por medio de dos diámetros a 90° .

3. Se toma el material de dos cuartos opuestos y se desechan los restantes. Estas operaciones reducen la muestra a la mitad, y pueden repetirse tantas veces como sea necesario para obtener la cantidad deseada.

4. Una vez reducida la muestra al tamaño requerido, se envasa con sus respectivas tarjetas de identificación.

I.4.3 Muestras inalteradas. Los objetivos que se buscan con un sondeo inalterado son: definir la estratigrafía del sitio y obtener muestras que conservan la estructura del suelo (muestra inalterada), para realizar con ellas pruebas mecánicas que permitan interpretar su comportamiento bajo las condiciones de trabajo que sé impondrán. La extracción de muestras inalteradas se puede hacer con métodos manuales poco muestreadores adecuados a las diferentes condiciones que pueden presentarse. Las muestras inalteradas deben conservar las condiciones del suelo en su estado natural, por lo que su obtención, empaque y transporte requieren de cuidados especiales a fin de no alterarlas.

a) Suelos cohesivos duros. Para obtener muestra de este tipo de suelos, se procede de la siguiente manera:

1. Se limpia y nivela el terreno, y se traza un cuadro de 30 cm. de lado. 2. Se excava cuidadosamente, al rededor del perímetro marcado, hasta una profundidad un

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

Para obtener la muestra de una pared, se excava alrededor, como se indicó anteriormente, conservando la cara inferior.

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3. Con cuidado, se recorta la base de la muestra, para poder desprenderla. Debe marcarse con una S la cara superior, a fin de darle, cuando se ensaye una posición similar a la que tenía en ele terreno. Además, debe indicarse, en caso necesario, la dirección en que fluye el agua.

4. Una vez extraída la muestra debe ser inmediata y cuidadosamente protegida con vendas de manta impregnadas de parafina y brea; de ser posible, esta protección deberá iniciarse � in situ � al ir descubriendo cada cara, para lo cual se procederá en la forma siguiente.

Se calienta la mezcla de parafina y brea hasta que se haya derretido completamente y, caliente, con una brocha se extiende la mezcla sobre el vendaje de manta hasta que cubra perfectamente la muestra. Una vez frió este vendaje, se aplica otro semejante, o bien se extiende sobre el primero una capa gruesa de parafina y brea.

5. Se coloca la muestra en un cajón de mayores dimensiones que ella, a fin de poder empacarla con aserrín, pael o paja, de manera que quede protegida contra golpes o choques durante su transporte. Una de las tarjetas de identificación de adhiere a la muestra, y la otra a la parte exterior del cajón.

b) Suelos suaves. En suelos suaves, generalmente cohesivos y sin grava, las muestras

inalteradas se obtienen utilizando un tubo muestreador de lamina con filo en una de sus bocas. El proceso es el siguiente

1. Des pues de limpiar y nivelar el terreno, se introduce el tubo muestreador hasta donde la

resistencia del terreno lo permita. 2. Si con la simple presión no se logra introducir todo el tubo muestreador, se excava a su

alrededor para eliminar la fricción en la cara exterior del mismo. 3. Después de haberlo introducido, se recorta la muestra por su base y se enrasa al tamaño

del tubo. 4. Se protegen las bases de la muestra con vendas de manta impregnadas con parafina y

brea, y se empaca en un cajón con aserrín para evitar que se rompan durante el transporte.

c) Arenas. La extracción de muestras inalteradas de arenas es sumamente difícil; se puede seguir el procedimiento indicado para el caso anterior, cuando el material es coherente. En estado incoherente, es difícil evitar alteraciones de la estructura.

Es preferible determinar la relación de vacíos de la arena �in situ�, y con la muestra alterada reproducir en el laboratorio ese mismo estado. La obtención de muestras de arena debajo del NAF se discute más adelante.

I.5. Muestreo profundo. Para el estudio de problemas de cimentación de estructura de tierra o cualquier otra de grandes proporciones, es necesario tener muestras a profundidades importantes. El programa de muestreo debe definirse tomando en cuenta las condiciones locales, la naturaleza de la obra y consideraciones económicas relacionadas con lo anterior. No existen técnicas establecidas para realizar muestreos profundos, y es común que se desarrollen equipos especiales para un tipo de suelo o estudio particular. Los procedimientos que se mencionan brevemente más adelante, deben, por tanto adaptarse a las peculiaridades de cada proyecto.

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La realización práctica de un muestreo profundo presenta dos problemas principales; el muestreo mismo y la técnica de avance de la perforación. I.5.1 Métodos de perforación. La obtención de muestra del subsuelo requiere la realización de perforaciones para introducir los muestreadores hasta la profundidad deseada; generalmente las perforaciones son verticales, ocasionalmente inclinadas y raramente horizontales. Las perforaciones para geotecnia pueden hacerse con máquina perforadoras obteniéndose perforaciones de diámetro no mayor de 15 cm. En la tabla 1, se presenta en resumen, los métodos aplicables a la exploración geotécnica en general.

Tabla No. 1 Métodos de perforación

Método

Suelos en que se aplican

Pozos a cielo abierto Todos tipos Lavado con agua o lodo Cohesivos, blandos, muy adecuados en arenas con

poca grava. En seco Cohesivos blandos a duros, arriba del nivel freático. Rotación con agua o lodo Todos tipos.

S U E L O S Mixto Todos tipos

R O C A

Relación con agua o lodo.

Suelos muy duros, y rocas blandas a duras.

Las perforaciones profundas se realizan, generalmente, por percusión o rotación con circulación de agua o lodo, en seco por medio de barrenos helicoidales. La circulación de agua o de lodo altera el contenido de agua de los suelos; siempre será preferible operar en seco, o con lodo muy viscoso si el muestreo debe realizarse arriba del nivel freático. Independientemente del método empleado, es importante anotar toda información obtenida durante la perforación en un registro de campo lam. 1.2

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PROF.

EN m

CORTE

(1)

MUESTREO

(2)

RESISTENCIA DE PENETRACIÓN

(3) GOLPES/30

20 40 60 80

MÉTODO DE

PERFORACIÓN (4)

DESCRIPCIÓN Y CLASIFICACIÓN DEL MATERIAL

OBSERV.

(5)

5 10 15 20 25

(1) Emplear las representaciones convencionales. (2) Delimitar las zonas muestreadas, anotar el % de recuperación, indicar el muestreador empleado. (3) Sólo si se emplea tubo liso ó partido. (4) Tipo de herramienta, ademe, empleo de lodo bentonítico ó agua, cambios de equipo. (5) Incidentes de perforación, niveles piezométricos, pérdidas de fluido de perforación.

LÁMINA 1.2

PROYECTO: SITIO: PERFORACIÓN No. : NIVEL DE SUPERFICIE : COORDENADAS: PROFUNDIDAD TOTAL: FECHA DE INICIO:

FECHA DE TERMINACIÓN:

UNIVERSIDAD A U T Ó N O M A D E G U E R R E R O F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A

REGISTRO DE PERFORACIÓN

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

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a) Método de percusión y lavado. Este procedimiento económico permite un avance rápido

de la perforación. El equipo necesario incluye un trípode con polea, barras de perforación., trépanos, una bomba que desarrolle presión de 5 kg/cm2 y gasto mínimo de 45 lt/ min., un malacate con cables de acero de 500 kg con cabeza de fricción para cable manila, y, de ser necesario un martinete de 140 kg y tramos de ademe.

El tipo del trépano empleado depende del material con que se trabaja; generalmente, se emplea el trépano de punta en suelos suaves, el de tipo cincel para suelos duros, y el de cruz para gravas y cantos rodados. El trépano se pone en la parte inferior de las barras de perforación.

Se inyecta agua a presión por las barras de perforación; el agua regresa por el espacio comprendido entre la tubería y las paredes del pozo, generalmente protegidas contra la erosión por un ademe. La acción combinada de percusión y de chiflón permite cortar el material que es llevado a la superficie por el flujo de perforación. El ademe se hinca con un martinete conforme avanza la perforación si es metálico, ya que puede ser también lodo.

Este método de perforación por lavado es el que se usa con más frecuencia en la exploración de suelos ya que el equipo empleado es ligero y puede transportarse a sitios de difícil acceso. Este proceso de perforación es aplicable en arenas con pocas gravas y en suelos cohesivos abajo del nivel freático.

El método de perforación por lavado se combina generalmente, con un muestreo intermitente con tubo partido o liso, mientras las características de la suspensión no cambien, es suficiente obtener una muestra cada 1.50 aproximadamente, colocando el muestreador al extremo de la tubería en el lugar del trépano. Si se observa un cambio en la suspensión, debe procederse de inmediato a un nuevo muestreo. Al detener las operaciones de perforación para un muestreo, debe permitirse que el agua alcance en el pozo su nivel de equilibrio, que corresponde al nivel piezomérico de la capa atravesada. La altura final debe registrarse cuidadosamente.

La suspensión que sale del pozo se deja decantar en un recipiente en el que se puede analizar El sedimento. La muestra así obtenida no puede no puede considerarse como representativa del material, pero permite observar, burdamente, las variaciones de la estratigrafía con la profundidad.

b) Método de percusión con barretón. Este método consiste en levantar y dejar caer un

barrreton de 150 kg a razón de 30 golpes por minuto, aproximadamente. Se agrega agua a la perforación, la cual forma una suspensión con el material desprendido por el barreton. La perforación se limpia por medio de una cuchara. Este procedimiento puede usarse como auxiliar de avance al encontrar capas de boleo o grava durante una perforación realizada por otro método.

c) Perforación a rotación en seco. Consiste en perforar con barras helicoidales, que

transportan el material cortado a la superficie mediante la misma hélice. En suelos inestables, desde la superficie se pone lodo en pasta en las barras helicoidales y girando estas en sentido contrario se puede estabilizar la perforación, ya que el lodo suministrado es lanzado por las barras y se enjarra en las paredes. La columna de barras helicoidales, formada por tramos que se unen con pasadores, lleva en la parte inferior un gavilán que permite cortar el material. Existe una variante de estas barras, que es el ademe espiral.

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Funciona de igual forma que las barras helicoidales pero la columna se forma con tubos que permiten introducir muestreadores como el penetrómetro estándar, el tubo Shelby o el tubo rotatorio dentado.

Generalmente en la etapa de perforación, el ademe espiral lleva en el interior una varilla central que en su parte inferior tiene una cabeza de corte; al llegar a la profundidad de muestreo se retira la varilla y se introduce el muestreador. El ademe espiral puede usarse con otro procedimiento de operación que se describe en el método de perforación mixta.

Para realizar la perforación se requiere una maquina perforadora para suelos que generalmente va montada en un camión.

Con el barreno helicoidal existen dos tipos de perforación: la intermitente y la continua.

La primera consiste en hacer penetrar el barrreno en el suelo, a poca profundidad, y sacarlo con el material adherido a la herramienta. Así se obtiene una muestra muy alterada del subsuelo, la cual se puede usar para fines de clasificación. El proceso se repite hasta alcanzar la profundidad deseada. Este método se emplea cuado se requieren pozos anchos y de escasa profundidad deseada. Este método se emplea cuando se requieren pozos anchos y de escasa profundidad, o para reconocimiento superficial. La perforación continua se emplea para realizar pozos de diámetro comprendido entre 5 y 30 cm. Hasta profundidades que pueden alcanzar 30 m. Con esta finalidad se emplean secciones de barrenos helicoidales, que se van uniendo hasta alcanzar la profundidad deseada. Este método presenta ventaja al no requerir lavado de de la perforación, lo que evita cambios en el contenido de agua de las muestras obtenidas arriba del nivel freático; debajo de este nivel puede usarse agua o lodo según sea la condición de estabilidad de las paredes, para suministrar el fluido de perforación se utilizan bombas, que para hacer de ellas una selección adecuada se recomienda recurrir a las indicaciones del fabricante. Este método es aplicable a todo tipo de suelo; en los granulares se utilizan lodos densos.

d) Perforación mixta.- Consiste en perforar con el ademe helicoidal, ya descrito, arriba del

nivel freático y luego usando el método de lavado o rotación, por debajo del nivel freático sin retirar el ademe helicoidal, es decir, introduciendo los tubos de perforación y la herramienta de corte, una vez que se ha sacado la varilla centra con la cabeza de corte del ademe helicoidal. Si la parte de la excavación hecha con lavado o rotación es inestable, se baja el ademe espiral y se prosigue la perforación. Alcanzando el nivel de muestreo, se saca la herramienta de corte y se introduce en su lugar el muestreador adecuado. Este procedimiento de perforación es el más eficiente. Se requieren, para hacer la perforación, una maquina perforada para suelos y una bomba.

e) Perforación en rocas. En la exploración geotécnica generalmente no se profundizan las

perforaciones en roca o son de poco espesor, por tanto, es común realizar la perforación y muestreo simultáneamente usando barriles.

Para realizar la perforación se requieren una bomba y una maquina de perforación cuya velocidad de rotación sea mayor que la de las usadas en suelos ( 500 a 3000 r.p.m), barras de perforación y ademes.

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I.5.2 Muestreadores. La información proporcionada por las muestras alteradas, obtenidas durante la perforación, no es, por lo general, suficiente para el proyectista. Es preferible obtener muestra parcial o prácticamente inalteradas para conocer con precisión la estratigrafía del subsuelo y las propiedades de los distintos suelos que la componen. Para lograr este fin, se recurre a muestreadores profundos, de los cuales existe una extensa variedad. Desde luego, de ningún modo y bajo ninguna circunstancia puede obtenerse una muestra de suelo que pueda ser rigurosamente inalterada; siempre será necesario extraer al suelo de un lugar con alguna herramienta que inevitablemente alterara las condiciones de esfuerzo en su vecindad; además, ana vez la muestra dentro del muestreador no se ha encontrado hasta hoy, un método que proporcione a la muestra, sobre todo en su cara superior e inferior, los mismos esfuerzos que tenia �in situ �. Por lo anterior cuando se habla de muestra inalterada se debe entender en realidad un tipo de muestra obtenida por cierto procedimiento que trata de hacer mínimos los cambios en las condiciones de la muestra � in situ �, sin interpretar la palabra en su sentido literal. Condiciones de la muestra �in situ �, sin interpretar la palabra en su sentido literal. En la tabla 1.2 se describen algunos de los muestreadores profundos de usos más efectivo.

a) Tubo partido.- Este muestreador es el de uso más extendido; sus características le

permiten trabajar en una amplia variedad de suelos. El muestreador se constituye esencialmente, por dos partes de un tubo de acero, cortado longitudinalmente, y mantenidas en sus extremos por una cabeza y una zapata. Para unir el muestreador a las barras de perforación, se usa la cabeza; la zapata de borde cortante, facilita el hincado. La cabeza contiene un dispositivo obturador para evitar que la muestra se deslice cuando se recupera el muestreador. Durante el muestreo, la muestra comprime el aire encerrado en el tubo, la presión levanta el obturador, y permite la salida del aire. Una vez terminado el muestreo, el obturador vuelve a sellar la salida, y el vacío que se genera en la parte superior del tubo se opone a todo movimiento de la muestra. Las dimensiones comerciales del tubo partido se dan a continuación.

MUESTREADOR TIPO DE

MUESTRA MODO DE

OPERACIÓN TIPO DE SUELO

Tubo partido. Alterada. Percusión. Todos los suelos que no contengan mucha grava.

Tubo liso. Alterada. Percusión. Suelos finos. Tubo Shelby. Inalterada. Presión Arcillas y limos con poco material

granular.

Tubo de pistón. Inalterada. Presión. Arcillas y limos con poco material granular.

Denison. * Rotación y presión. Arcillas y limos sin grava abajo del N.A.F.

T.A.M.S. * Rotación y presión. Arcillas y limos sin gravas. Wire Line * Rotación y presión. Todo tipo de material. Barriles. Inalterada. Rotación y presión. Gravas con cantos rodados. Rocas.

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Diámetro exterior. 5.08 cm (2") 6.35 cm (2 1/2") 7.62 cm (3") 8.89 cm (3 1/2")

Diámetro interior. 3.81 cm (1 1/2") 5.08 cm (2") 6.35 cm (3 1/2") 7.62 cm (3")

Para mantener la muestra en el tubo cuando el material es suelto, se puede agregar una trampa de hojas de lámina a la parte inferior del tubo, la cual no se opone a la entrada de la muestra, pero sí a su salida. El muestreo con el tubo partido puede ser continuo o intermitente. El muestreador continuo es más seguro, y no requiere mucho más tiempo que el intermitente. Al hincar el tubo partido, se realiza la llamada �Prueba de Penetración Estándar�, la cual por rigor, debe efectuarse con tubo partido estándar. El tubo partido se hinca primeramente 15 cm en el fondo de la perforación, luego con un martinete que pese 63.5 kg (140 lb) que cae libremente de una altura de 76 cm (30�). Se cuenta el número de golpes necesarios para que penetre 30 cm. más. Los primeros 15 cm que se penetró no se consideran. El número de golpes permite estimar la compacidad de los estratos arenosos y burdamente, la resistencia a la compresión simple de las arcillas. Es común realizar esta prueba con un tuno partido de dimensiones diferentes de las del tubo partido estándar; los resultados pueden correlacionarse mediante la ecuación:

22 DiDe

NE0005.0B −=

En donde: B = Número de golpes equivalente a los del tubo estándar De = Diámetro exterior Di = Diámetro interior P = Peso del martinete N = Número de golpes para 30 cm. De penetración con el muestreador usado. E = Energía, Ph h = Altura de caída del martinete. De acuerdo con investigación, se dice que la cuenta de golpes en un terreno arenoso, uniforme y homogéneo, aumenta con la profundidad. En otras palabras, para hacer que penetre el tubo 30 cm. en el terreno se necesita más energía a profundidad mayor que cerca de la superficie. En efecto, el ensaye de penetración es básicamente un ensaye de resistencia al esfuerzo cortante, y esta resistencia, es un depósito de arena, uniforme, depende del peso del recubrimiento o de la sobrecarga, es decir, de la profundidad desde la superficie. La arena fina es, en general, un terreno excelente para cimentaciones si se evita que puedan fluir de debajo de la fundación o si es ligeramente cohesiva por estar mezclada con algo de arcilla. Sin embargo, la cuenta de golpes en este terreno puede ser baja. A veces por la proximidad del agua freática, se puede explicar un decrecimiento del número de golpes en un terreno aparentemente uniforme. Las arenas finas saturadas de agua pueden aparecer fluidas bajo los golpes del martinete.

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Es práctica casi general introducir variantes en la prueba de penetración estándar. Muchos perforistas acostumbran contar el número de golpes necesarios para que el tubo penetre de 5 a 10 cm. con el fin de observar las variaciones locales de resistencia del material. Si después de 50 golpes, el tubo no ha penetrado completamente, se suspende la prueba y se anota la profundidad de penetración. Después de cada avance de 30 cm se retira el muestreador y se remueve la muestra obtenida, la cual debe protegerse contra las pérdidas de humedad en un frasco hermético. En suelos arcillosos, las muestras conservan algunas de las características del suelo inalterado, pero solo pueden usarse para clasificar el material y determinar sus propiedades índices. En suelos no cohesivos, el material se compacta durante el hincado, y la compacidad relativa de la muestra no puede considerarse como representativa de la del suelo �in situ�. Este último dato puede estimarse a partir de la prueba de penetración estándar. Resumiendo; una cuenta elevada de golpes indica buenas características para cimentación en terrenos con una estructura estable principalmente en arenas que sean gruesas. En terrenos de estructura alterable como arcillas, o limos, la cuenta de golpes indica solamente la resistencia al esfuerzo cortante en el momento en que se hizo el ensayo. Con todas sus incertidumbres, el ensayo de penetrabilidad da, sin embargo, de forma rápida y económica, una idea de las condiciones de un terreno para cimentación. Este ensayo se debería efectuar en toda clase de estudios para cimentaciones de suelos, excepto, naturalmente, en los casos que son evidentes, de terrenos de gravas muy gruesas, gravillas, o fluidos y otros semejantes..

b) Tubo Liso. Este muestreador es una variante del anterior; tiene las mismas dimensiones, pero es de una sola pieza, lo que lo hace más resistente. En su interior lleva una camisa de polietileno, dentro de la que queda alojada la muestra hasta llegar al laboratorio. Este muestreador es mas eficiente en suelos arcillosos que el tradicional tubo con abertura lateral, pero ofrece dificultades de empleo cuando el suelo es muy compacto y contiene arenas o limos arenosos. Conviene observar que la funda de polietileno que protege la muestra no es suficientemente impermeable para impedir completamente la evaporación. Es conveniente no exponer la muestra al aire durante un tiempo excesivo.

c) Tubo de Pared Delgada Shelby. Los tubos de pared delgada entre los cuales los del tipo

Shelby, que corresponden a una marca de tubos duros, estirados, sin costura, son los mas usados , permiten obtener muestras inalteradas en suelos blandos.

Para un diámetro de muestra y un procedimiento de hincada dado, la alteración depende, esencialmente, de la relación de áreas definida en la forma siguiente:

100D

DD(%)Ar

2e

2i

ie ×−

De donde: De: Diámetro exterior del tubo Di: Diámetro interior

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Se procura que la relación permanezca entre el 10 y 15 % y que, al mismo tiempo, el espesor de las paredes del muestreador quede entre 3 y 4 % del diámetro exterior del tubo. Antes de bajar el muestreador en el pozo, este debe limpiarse del material residual de la perforación; las paredes deben encontrarse perfectamente estabilizadas, con lodo bentonítico y ademe. El muestreador debe hincarse a presión en forma continua, con una velocidad de penetración comprendida entre 15 y 30 cm/seg. Antes de sacar el tubo del pozo, se hacen girar las barras de perforación para cortar el extremo inferior de la muestra. Se saca entonces el muestreador, se mide la recuperación obtenida, es decir, la relación entre la longitud de la muestra y la profundidad de penetración del muestredor, y se sellan los extremos del tubo con tapones de parafina. Cada tubo se identifica con una etiqueta con los datos de localización del pozo, profundidad de muestreo, fecha, y toda aquella información que se considere conveniente agregar sobre la operación o el material. Al realizar el muestreo en suelos muy blandos con alto contenido de agua, el muestreador debe dejarse en reposo durante algún tiempo para que aumente la adherencia entre el material y el tubo. En arenas, especialmente en las situadas bajo el nivel freático, es muy difícil lograr que la muestra permanezca en el muestreador, por lo que se tiene que recurrir a procedimientos más elaborados o a la información indirecta obtenida por la prueba de penetración estándar. Los tubos Shelby más empleados se presentan a continuación, los cuales se presentan en longitudes hasta de 30� (76.20 cm). Son muy comunes y cómodos los tubos de 3� (7.62 cm) de sección y de 36� (91.44 cm) de longitud, que permiten la extracción de muestras de 30� (76.20 cm) con este tipo de tubos.

Diámetro exterior. 6.35 cm (2 1/2") 7.62 cm (3") 8.89 cm (3") 10.16 cm (4") Diámetro interior. 6.03 cm (2 3/5") 7.30 cm (2" 7/8) 8.57 cm (3 3/8") 9.85 cm (3 7/8�

Los tubos Shelby disponen, en su parte superior, de un sistema obturador similar al del tubo liso. Existe otro diseño, preferible, en el que el sistema obturador mencionado se ha cambiado por un pistón con asiento de hule que sella por el peso propio de la muestra y del tubo. El sello obtenido es muy efectivo. Es recomendable barnizar el interior de los tubos para permitir el almacenamiento prolongado de la muestra sin que se oxide el metal.

d) Muestreadores de Pistón.- Estos muestreadores son tubos cuyo extremo inferior puede cerrarse por medio de un pistón que se maneja desde la superficie por medio de un vástago. Así se puede clavar en el terreno el tubo con su extremo cerrado, hasta llagar a la profundidad deseada, y evitar que el material se azolve entre el tubo antes de llegar al nivel de muestreo.

Hay tres clases de muestreadores de pistón: • Estacionario • Tráctil • Libre

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d.1) En el muestreador de tipo estacionario, el vástago del pistón se sujeta al varillaje, de forma que el pistón quede enrasado con el borde cortante del mismo. El pistón llega en esta posición al nivel en que se va a tomar la muestra. En general este nivel es el fondo del revestimiento. Durante toda la toma de muestra el pistón permanece en dicho nivel, para lo que se desconecta el vástago del varillaje y se sujeta al revestimiento o a algún otro objeto fijo en la superficie del terreno. Cuando el tubo esta lleno. Se desconecta de nuevo el vástago y comienza el proceso de extracción hasta que se alcanza la posición. La posibilidad de un movimiento de descenso del tubo durante la extracción se elude por una abrazadera cónica especial.

La recuperación obtenida por este procedimiento está próxima al 100 %. El método presenta, sin embargo algunos inconvenientes, como el manejo de dos juegos de barras que representa una pérdida apreciable de tiempo. Otro inconveniente es que la muestra debe sacarse en el campo para que pueda volver a utilizar el muestreador. Esta última operación se realiza con la ayuda del pisón, e implica alteración de la muestra. Algunos muestreadores de pistón fijo llevan una camisa interior en la que queda alojada la muestra. Una variante interesante de este instrumento es el llamado muestreador Sueco, en el que el Pistón se maneja por medio de un cable, lo que evita el doble juego de barras. Una hoja metálica cubre además, la muestra conforme va penetrando en el muestreador. Se puede obtener en esta forma, muestras muy largas y poco alteradas.

d.2) Muestreador de pistón tráctil.- Este muestreador, está constituido por un tubo donde se alija un pistón; ambos se manejan con el mismo juego de barras. En este tipo de muestreador, el pistón se retrae antes de empezar el muestreo. La forma de operar es la siguiente: Se baja el muestreador hasta el fondo de la perforación con el pistón obturando la entrada del tubo. Se hacen girar las barras hacia la izquierda, a fin de que se suelte el pistón que está fijando al tubo por una flecha con rosca izquierda. Se sube el pistón con las barras de perforación hasta su posición superior, donde se fija haciéndole girar nuevamente hacia la izquierda, sin llegar hasta el topo de la rosca para dejar abiertas las salidas del aire.

cp

r

tp

cp

r

tp

cp r

cp

(a)

(b)

(c)

(a)

tp

vp vp vp

24

Una vez girando el pistón, se hinca el tubo y se hacen girar nuevamente las barras hasta cerrar las salidas de aire, haciendo fallar, al mismo tiempo, la sección inferior de la muestra. Los inconvenientes de este muestreador puede ser, que el tubo puede llenarse de agua al subir el pistón y, si las salidas se obstruyen, el aire a presión que permanece en el tubo puede dificultar el muestreo. A pesar de lo anterior, el pistón tráctil es uno de los más usados en suelos blandos, debido a su sencillez y fácil operación.

d.3) El muestreador de pistón libre, tiene un pistón que se mueve libremente con la parte superior de la muestra. El de pistón estacionario funciona como el de pistón libre si no se sujeta al revestimiento o a la superficie del terreno durante la hinchadura.

e) Muestreador Denison. En suelos duros, los tubos de pared delgada sencillos se doblan y alteran la zona en que se hincan. Se recurre entonces, a muestreadores mas elaborados. Generalmente el muestreador Denison se utiliza para desmenuzables, y también algunos tipos de arenas y limos cohesivos sobre todo si están sobre el nivel hidrostático. La presencia de partículas duras, como gravas o fragmentos de roca puede estropear e incluso destruir una muestra de un terreno blando, ya que la corona los tritura contra la muestra al ir avanzando el sondeo.

Este muestreador consta de sus tubos concéntricos. El exterior dispone de una zapata dentada que corta el material por rotación. El interior lleva, en su parte inferior, una zapata cortante que sobresale del tubo exterior y está montada en baleros, de tal forma que pueda permanecer fijo al girar el tubo exterior. Dentro del tubo interior, se aloja una camisa donde la muestra queda retenida. Una trampa de hojas metálicas dificulta la salida de la muestra una vez que se ha introducido. Opera de la siguiente forma: Se baja el muestreador al fondo de la perforación y se hinca a presión la zapata interior. En esta forma, se protege la muestra contra al erosión, y se evita que gire el tubo interior al hacerlo al exterior. Se da al tubo exterior una velocidad de rotación comprendida entre 50 y 200 rotaciones por minuto, la cual debe elegirse en función de los primeros resultados obtenidos. Durante la cual debe elegirse en función de los primeros resultados obtenidos. Durante toda la operación se aplica presión vertical por medio de un sistema hidráulico y se hace circular agua o lodo de perforación. Una ve lleno el muestreador, se saca y extrae la muestra, y se procede en la forma indicada para tubos de pared delgada. La distancia que guardan entre si los extremos de las zapatas interior y exterior tiene gran influencia sobre el grado de alteración de la muestra. Esta distancia debe poder modificarse; es importante, para ello, disponer de un juego de zapatas o de muestreador que cuente con un dispositivo de ajuste. En suelos blandos, la distancia debe ser máxima (1 cm aprox.), para sustraer la muestra a la erosión del fluido de perforación. En suelos muy duros, esta distancia puede ser nula e inclusive, puede convenir que la zapata interior sea más corta que la exterior. En suelos heterogéneos, se usa una variante del tubo Denison, conocida como �Pitcher Sampler�. Este muestreador lleva, en su parte superior, un resorte que ajusta la distancia arriba mencionada a la dureza del suelo. El empleo de agua o lodo para la perforación limita la aplicación de los tubos Denison al muestreador abajo del nivel freático.

f) Muestreador T.A.M.S.- El campo de aplicación de este muestreador son los suelos duros localizados arriba del nivel freático.

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Opera de manera similar a la del tubo denison; sin embargo, no se emplea fluido de perforación, pues el material cortado se elimina por medio d una espiral. Este muestreador esta constituido por dos tubos concéntricos. El interior tiene una zapata lisa, y está montado sobre baleros; el exterior lleva una espiral para desalojar el material cortado por un gavilán colocado en su extremo. La calidad de las muestras obtenidas, esta íntimamente ligada con las condiciones del subsuelo y la velocidad de rotación la cual queda comprendida, generalmente, entre 50 y 10 rpm, y debe fijarse experimentalmente para cada caso particular.

g) Wire Line.- Hasta ahora ha sido esencialmente usado para sondeos peroliferos, representa una solución práctica al problema de pérdidas de tiempo debidas a operaciones de montaje y desmontaje de las barras de perforación que deben realizarse para cada muestreo. El sistema consiste en emplear barras de perforación de gran diámetro que sirvan, al mismo tiempo, como ademe, y que permitan el paso de un muestreador o de una herramienta de ataque, según la operación que se desee realizar.

Las barras de perforación pueden llevar una espiral exterior que permita trabajar en seco, arriba del nivel freático.

h) Barriles.- Las técnicas de muestreo en rocas se aplican también, en ocasiones, a suelos duros o gravosos. Se usan dos tipos de barriles, el sencillo y el doble. De este último existen dos clases; en la otra, giran independientemente, de un modo similar el tubo Denison. El segunod tipo conocido como barril �Swivel�, es el mejor que protege a la muestra. La herramienta de ataque es por lo general una broca circular cuyas características de dureza deben adaptarse a la roca muestreada. Es común que la broca se diseñe empíricamente para un tipo de roca dada.

I.6. Muestreo abajo del nivel freático. Los materiales cohesivos colocados abajo del nivel freático pueden ser muestreados por los métodos antes descritos; las arenas y gravas son, por lo contrario, difíciles de muestrear y generalmente hay que recurrir a equipos complejos y costosos. Los prestamos de grava y arena se encuentran con frecuencia en el lecho de un río, parcial o totalmente abajo del nivel freático. Para extraer muestras de dichos materiales, es necesario recurrir a cucharas de 60 a 90 cm de diámetro, operadas con equipo rotatorio de baja velocidad. Desgraciadamente, es práctica como sacar muestras con draga; los especimenes así obtenidos no son representativos del deposito, ya que se encuentran lavados de fracción fina. La estimación de la permeabilidad de los materiales así muestreados resulta errónea, lo que causa dificultades importantes durante la ejecución del trabajo. A poca profundidad, es posible obtener muestras de arena abajo del nivel freático se toma la precaución de bajarlo localmente por medio de pozos de bombeo. El nivel del agua debe mantenerse un metro o dos abajo del fondo de la excavación. El muestreo inalterado en arenas abajo del nivel freático puede hacerse empleando el muestreador �Rishop�, que da una cohesión aparente al material permitiendo el desarrollo de fuerza capilares en la muestra. En el pasado, también se ha recurrido a métodos de inyección de asfalto o de congelación. Los procedimientos son costosos; por lo tanto, en muchos problemas prácticos se recurre a métodos indirectos para estimar las propiedades de las arenas localizadas abajo del nivel freático. La prueba de penetración estándar y las de bombeo son las más usadas para este fin.

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CAPÍTULO II. IDENTIFICACIÓN DE SUELOS EN EL CAMPO. II.1 Introducción El problema de la identificación de los suelos es de importancia fundamental en la ingeniería; identificar un suelo, es en rigor, encasillarlo dentro de un sistema previo de clasificación, siendo aceptado universalmente el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS), obviamente, el suelo se ubicara en le grupo que le corresponda según sus características. La identificación permite conocer en forma cualitativa, las propiedades mecánicas e hidráulicas del suelo, atribuyéndose las del grupo en que se sitúe; cabe aclarar que en la identificación la experiencia juega un papel muy importante en la utilidad que se pueda sacar de la clasificación. Para la identificación de los gruesos y finos en le campo se siguen criterios, que rigen en el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, de granulometría y plasticidad de acuerdo a lo siguiente: II.2 Identificación de suelos gruesos en el campo. En el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, para diferenciar los suelos gruesos de los finos se toma como referencia la malla No.200 ( 0.074 mm ), tal que lo retenido se consideran suelos gruesos y los que pasan suelos finos. Los materiales constituidos por partículas gruesas se identifican en el campo sobre una base prácticamente visual. Para tal efecto se extiende una muestra seca del suelo sobre una superficie plana y se juzgará en forma aproximada sobre su: II.2.1 Tamaño. El SUCS, para clasificar los suelos en cuanto a su tamaño, considera el criterio de porcentajes, de tal manera que si más del 50 % del suelo es visible a simple vista a una distancia de 20 cm., las partículas individuales se consideran un suelo fino, caso contrario será suelo grueso. Dentro de los suelos gruesos se consideran las gravas y las arenas, se aplica el mismo criterio anterior, para ello se toma como referencia el tamaño de ½ cm. como equivalente a la malla N°4 que separa las gravas de las arenas, siendo las primeras lo retenido. En la tabla puede verse el nombre del suelo y su ejemplo vulgar. Para el caso del tamaño de las partículas finas es conveniente, además del examen visual tener en cuenta la plasticidad de los suelos. En lo referente a la graduación es conveniente, a fin de adquirir experiencia, comparar graduaciones estimadas, como las obtenidas en el laboratorio, cada vez que haya oportunidad. II.2.2 Color y tono. Existe toda la gama de colores y tonalidades en la naturaleza.

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II.2.3 Forma de los granos. En todos los suelos son mas comunes las formas equidimensionales, pudiendo ser ésta de tipo redonda, sobre redonda, angulosa y subangulosa. Es frecuente las formas subredondeadas en suelos de origen transportado y las angulosas de los suelos de origen mecánico producto de trituración. II.2.4 Graduación. En función de los diferentes tamaños que se presentan en el suelo que se esté analizando, se distinguen dos tipos de graduaciones: los suelos mal graduados y los bien graduados, los primeros presentan partículas prácticamente de un solo tamaño y en lo segundos existe prácticamente toda la gama de tamaños considerados como suelos. II.2.5 Composición mineralogica. Es conveniente observar que tipos de minerales son los que predominan en el suelo para tener idea básicamente de su dureza, esto se hará en forma visual sobre superficies frescas de los suelos, teniendo en cuenta los antecedentes sobre mineralogía y petrología del curso de Geología. II.2.6. Origen geológico. En cuanto al origen geolólogico de los suelos, los más utilizados para fines de ingeniería, son los de origen aluvial, volcánico y eólico. Los de origen aluvial se caracterizan por su forma redondeada, siendo el agente de transporte el agua. Los de origen volcánico se presentan en las cercanías donde tuvo erupción algún volcán y presentan aristas siendo común la forma angulosa. Los de origen eólico son suelos que presentan uniformidad en sus granos, siendo el agente de transporte el aíre. II.3. Identificación en el campo de los suelos finos.

Una de las ventajas del SUCS, es el criterio para identificar en el campo los suelos finos contando con algo de experiencia. El mejor modo de adquirir esa experiencia es el aprendizaje al lado de quien ya lo posea, a falta de tal apoyo se aconseja el comparar sistemáticamente los resultados de la identificación de campo con los suelos de laboratorio.

Las pruebas manuales para la identificación de los suelos, las lleva a cabo el perforista en cada una de las muestras extraídas, siendo necesario que el ingeniero civil, conozca los diferentes métodos usados para la identificación de los suelos en el campo. Las principales bases de criterio para identificar suelos finos en el campo son las investigaciones de las características de:

1. Movilidad del agua ( reacción al agitado ) 2. tenacidad (Consistencia cerca del Limite Plástico). 3. Resistencia en estado seco. (características al rompimiento) 4. Color 5. Olor 6. Brillo (al corte) 7. Prueba del ácido 8. Adherencia a la piel.

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II.3.1 Movilidad del agua (reacción al agitado). Después de quitar las partículas mayores que la malla N° 40, prepárese una pastilla de suelo húmedo, aproximadamente igual a 10 cm3. Si es necesario, añádase suficiente agua para dejar al suelo suave pero no pegajoso. El criterio es tener la masa del suelo con un contenido de humedad que permitirá formar la pasta no demasiado fluida. Colóquese en la palma de la mano y agítese horizontalmente, golpeando vigorosamente contra la otra mano varias veces, lo que provoca la aparición de agua en la superficie de la pastilla, la que adquiere una consistencia de hígado y se vuelve lustros. Cuando la pastilla se aprieta entre los dedos el agua y el lustre desaparecen de la superficie, la pastilla se vuelve tiesa y finalmente se desmorona. La rapidez de la aparición del agua durante el agitado, y su desaparición durante el apretado sirve para clasificar la clase de suelo fino. Las arenas limpias muy finas, uniformes no plásticas (SP y SM), dan la reacción más rápida y distintiva, mientras que los limos inorgánicos (ML), tales como el polvo de roca, y tierras diatomáceas (ML), dan una reacción rápida moderada; mientras en las arcillas situadas sobre la línea �A� (CL, CH) y arcillas plásticas (CH), tienen una relación extremadamente lenta o nula. II.3.2. Tenacidad (consistencia cerca del limite plástico) La prueba se realiza sobre un espécimen de consistencia suave, similar a la masilla y de aproximadamente 10 cm3. Rólese la masilla hasta formar un rollito de unos 3 mm, de diámetro, que se amasa y vuelve a rolarse cuantas veces lo permita el suelo. Se observa que la pérdida paulatina de agua, aumenta la rigidez del rollito a medida que el suelo se va acercando al límite plástico, al llegar al límite plástico el rollito se parte en fragmentos y se desmorona. El rollito es más rígido y tenaz cerca del límite plástico, cuando más alta sea la posición del suelo respecto a la línea �A� (CL, CH), la rigidez se nota al romper el rollito cerca del límite plástico entre los dedos. El suelo ligeramente sobre la línea �A�, como arcillas glaciales (CL, CH), los rollitos son de media tenacidad. Los suelos que caen bajo la línea �A� (ML, MH, OL y OM), producen rollitos poco tenaces cerca el límite plástico. En el caso de suelos micáceos, los rollitos se muestran muy débiles y esponjosos. Todos los suelos bajo la línea �A�, excepto los OH próximos a ella, la masa producto de la manipulación entre los dedos posterior al rolado, se muestra suelta y se desmorona fácilmente cuando el contenido de agua es menor que el correspondiente al límite plástico. La plasticidad de los suelos está en función directa del número de veces que se permitió hacer la prueba. Se deduce que en una arcilla, se podrá efectuar la operación mas veces que en un limo, y en este más veces que en una arena.

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II.3.3. Resistencia en estado seco (característica al rompimiento) Después de eliminar las partículas mayores que la malla N° 40, una pastilla de suelo se moldea hasta alcanzar una consistencia de masilla, añadiendo agua si es necesario. Déjese secar la pastilla completamente en un horno, al sol o al aire y pruébese su resistencia rompiéndola y desmoronándola entre los dedos. Esta resistencia es una medida de carácter y cantidad de la fracción coloidal que contiene el suelo. La resistencia en estado seco aumenta con la plasticidad. Una alta resistencia en estado seco es característica de las arcillas CH. Un limo inorgánico típico posee solamente muy ligera resistencia. Las arenas finas limosas y los limos tienen, aproximadamente, la misma ligera resistencia, pero pueden distinguirse por el tacto al pulverizar el espécimen seco. La arena fina se siente granular mientras que el limo típico de la sensación suave de la harina. II.3.4. Color. En exploraciones de campo el color del suelo, suele ser un dato útil para diferenciar los estratos y para diferenciar tipos de suelo, cuando se posea experiencia local. Existen criterios como que el color negro y otros de tonos oscuros suelen ser indicativos de la presencia de materia orgánica coloidal. Los colores claros y brillantes son propios más bien de suelos inorgánicos. II.3.5. Olor. Los suelos orgánicos (OH, y OL), tienen por lo general un olor distintivo, que puede usarse para identificación; el olor es particularmente intenso si el suelo está húmedo, y disminuye con la exposición al aire, aumentando, por el contrario, con el calentamiento de la muestra húmeda. II.3.6. Brillo (al corte). Esta prueba se lleva a cabo solo en suelos de consistencia media, que permitan la operación de cortar el material, si al efectuar el corte queda una superficie brillante, esto nos indicará la existencia de arcillas plásticas. II.3.7. Prueba del acido. Este ensaye se utiliza exclusivamente para determinar en los suelos, la presencia de carbonatos de calcio o sales. Se vierten unas gotas de ácido clorhídrico rebajado sobre la muestra y si efervece indícala presencia de ese elemento. II.3.8. Adherencia a la piel. Esta prueba ha dado magníficos resultados y consiste en dejar seca en cualquier parte del brazo o mano, una delegada porción del suelo en estado de lodo, que al ir perdiendo humedad se adhiere a la piel con mayor o menor fuerza.

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Los limos se adhieren con menor fuerza que las arcilla y se pueden despegar de la piel al frotarlo con el dedo, no así las arcillas que dejan la sensación de piel estirada, y no se desprende tan fácilmente de la piel.

INVESTIGACIÓN PARA: NÚMERO Y LOCALIZACIÓN DE SONDEOS.

PROFUNDIDAD MÍNIMA (d)

Sitios inexplorados de gran extensión.

a = 0.1 A

Sitios con suelos blandos de gran espesor.

30< b < 60 m

Estructuras grandes cimentadas en zapatas aisladas cercanas.

b = 15 m y en sitio de concentraciones con cargas.

Almacenes de gran área para cargas ligeras.

n= 5,4 en las esquinas y 1 en el centro. Intermedios si son necesarios para definir la estratigrafía.

Hasta donde el esfuerzo vertical sea 10% de la carga aplicada en la superficie ó mínimo dos veces el ancho de la zapata.

Cimentaciones rígidas aisladas con área 250<A<1000 m²

n= 3,2 en el perímetro y 1 en el centro. Intermedios si son necesarios para definir la estratigrafía.

Cimentaciones rígidas aisladas con área A<250 m²

n = 2 en esquinas opuestas. Intermedias si son necesarios para definir la estratigrafía.

Hasta donde el esfuerzo vertical sea 10% de la carga aplicada en la superficie.

Taludes. 3<n<5 en la sección crítica.

Diques y estructuras de retención de agua o líquidos

Preliminares b = 60 m Detalle b = 30 m y en las zonas criticas

Tal que la superficie probable de falla este arriba del fondo del sondeo d= 0.5 del ancho de la base del dique de la tierra o 1.5 de la altura para diques pequeños de concreto

a = Área tributaria máxima por sondeo en m2 b = Espacimiento entre sondeos en m. n = Número de sondeos. A = Área de la cimentación en m2 B = ancho de la cimentación en m. d = Profundidad mínima de sondeo a partir de la profundidad de desplante de la cimentación

en m.

31

NOMBRE LÍMITES DE TAMAÑO EJEMPLO VULGAR

Boleo. 305 mm ó mayores (12 pulg). Mayor que una pelota de baloncesto. Canto rodado. 76 mm a 305 mm (3 a 12 pulg). Naranja - Sandía. Grava gruesa. 19 mm a 76 mm (3/4 a 3 pulg). Uva - Naranja. Grava fina. 4.76 mm a 19 mm (malla 4 3/4 pulg). Chícharo - Uva. Arena gruesa. 2 mm a 4.76 mm (malla 10 a malla 4). Sal de cocina. Arena mediana. 0.42 mm a 2 mm (malla 40 a malla 10). Azúcar. Arena fina. 0.074 mm a 0.042 mm (malla 200 a malla 40). Azúcar en polvo.

Finos. Menores de 0.074 mm (malla 200). *

* Las partículas menores que la arena fina no se pueden distinguir a simple vista a distancia de 20 cm

MÉTODO TÉCNICA USO LIMITACIONES Prueba de Veleta.

Introducir una veleta en el suelo y medir su momento de torsión.

Para medir su resistencia al corte sin manejo de muestras inalteradas.

Resultados dudosos en los suelos arenosos y gravosos.

Prueba de Carga en Placa.

Cargar una placa en incrementos y medir los asentamientos provocados.

Definir la capacidad de carga y asentamientos.

No confiable en estratos de baja potencia ó erráticas.

Prueba Presiométrica (Presiómetro).

Introducir una sonda a diferentes profundidades y medir el cambio de volumen en los incrementos de presión.

Determinar la presión límite y módulo de deformación para calcular la capacidad de carga y asentamientos.

Se adquiere una técnica de perforación apropiada para el método.

Prueba de Permeabilidad.

Bombear agua hacia adentro ó hacia afuera del pozo y medir el cambio de nivel de agua en agujeros adyacentes para definir la velocidad de cambio del nivel de agua en el pozo.

Para definir la permeabilidad horizontal de la masa del suelo.

Dudosa por arriba del nivel freático y para definir permeabilidad vertical.

Peso Volumétrico.

Excavar un agujero, pesar el suelo, medir el volumen usando arena ó agua con una membrana de hule.

Para el control de la compactación en el campo.

No aplicable con nivel freático alto.

Penetrómetro Estático.

Se hinca a presión un cono instrumentado, que mide las resistencias de punta y fricción.

Definir indirectamente la estratigrafía y resistencia al corte de los suelos.

No funciona en gravas.

Penetrómetro dinámico.

Se hinca por golpeo un tubo muestreador estándar y se obtiene el número de golpes por 30 cm de penetración.

Definir directamente la estratigrafía y resistencia al corte de los suelos.

No funciona en suelos blandos.

32

Tabla 2.1

CARACTERÍSTICAS Límite Líquido constante pero Índice Plástico creciente.

Índice Plástico constante, pero Límite Líquido creciente.

Compresibilidad. Prácticamente la misma C r e c e. Permeabilidad. D e c r e c e. C r e c e. Razón de variación D e c r e c e. Tenacidad. C r e c e. D e c r e c e. Resistencia en estado seco. C r e c e. D e c r e c e.

40 30 20 10

COLORES TONOS

Café.

Gris. Grisáceo. Amarillo. Amarillento. Rojo. Rojizo. Negro. Negruzco. Verde. Verdoso. Blanco. Blancuzco. Anaranjado. Anaranjado.

Ip

Línea B

Línea A

Compresibilidad

Permeabilidad

l. L 10 20 30 40 50 60 70 80 90

70

60

20

33

CONSISTENCIA. IDENTIFICACIÓN DE CAMPO. Muy blanda. Fácilmente penetrable con el puño (varios centímetros).

Blanda. Fácilmente penetrable con el pulgar (varios centímetros). Media. Puede ser penetrada con el pulgar con un esfuerzo moderado

(varios centímetros).

Dura. Puede ser penetrada con el pulgar con un esfuerzo moderado (varios centímetros).

Muy dura. Fácilmente marcada con la uña del pulgar. Durísima. Marcada con dificultad por la uña del pulgar.

D E S C R I P C I Ó N POROSIDAD RELACIÓN DE HUMEDAD CONTENIDO DE HUMEDAD

n (%) VACÍOS: e w (%) γS (ton/m³) γSat (ton/m³) Suelta 46 0.85 32 1.43 1.89 Arena uniforme Densa 34 0.51 19 1.75 1.89 Suelta 37 0.60 22 1.65 2.02 Arena bien Graduada Densa 20 0.25 9 2.12 2.32 Baja plasticidad 49 0.95 35 1.38 1.87 Limo Alta plasticidad 68 2.16 80 0.85 1.54 Blanda. 55 1.20 45 1.22 1.77 Arcilla inorgánica. Dura. 37 0.60 22 1.69 2.07 Bajo contenido de mat. orgánica 66 1.90 70 0.93 1.58 Arcilla orgánica. Alto contenido de mat. orgánica. 75 3.00 110 0.68 1.43 Bentonita Blanda. 84 5.20 194 0.43 1.27

34

CLASIFICACION DE SUELOS SEGÚN SU ORIGEN

ORIGEN Geológico

PROCESO DE FORMACIÓN.

NATURALEZA DE LOS DEPÓSITOS.

GRANULOMETRÍA TÍPICA

Residual

Suelo intemperizado en el lugar de la roca madre con poca ó ninguna alteración por transporte.

Casi invariable con la profundidad llega a ser más compacto y menos intemperizado. Pueden tener capas alteradas duras y blandas ó estratificación de la madre si la intemperización es incorrecta.

El producto de intemperización completa es arcilla, cuyo tipo depende del proceso de intemperización y de la roca madre, además de la cantidad de partículas de sílice resistente. El suelo en capa intermedia refleja la composición de la roca madre.

Aluvial.

Materiales transportados y redepositados por la acción del agua.

Generalmente con estratificación pronunciada. Los depósitos de río típicos consisten en material fino de origen reciente sobreyaciente en un estrato de material grueso de la etapa joven del desarrollo del río.

Rango de arcilla lacustre ó marina muy fina a grava muy gruesa, cantos rodados y boleos en abanico aluvial ó depósitos de terraza.

Glacial.

Materiales transportados y redepositados por hielo glacial ó agua de glaciares.

La estratificación varía mucho de acuerdo con el depósito, de morrenas heterogéneas a till finalmente estratificado limo (varvado y arcilla en lagos glaciares).

Till y morrena tienen típicamente granulometría amplia de arcilla a boleos.

Loésico.

Suelo transportado por viento sin redepositación subsecuente.

En el loes, la estratigrafía horizontalno se distingue ó no existe excepto si hay horizontales intemperizados.

La granulometría es más uniforme en éstos suelos. El rango de loes es de limo arcilloso a arena fina.

Material transportado por el viento y redepositados.

Materiales arenosos y arenas limosas con estratificación cruzada depositados en regiones desérticas, semidesérticas y en litoral.

Son de granulometría muy uniforme y color pardo; tienen en algunos casos, espesores considerables.

Suelos orgánicos formados en el lugar por crecimiento y putrefacción de plantas.

Los depósitos de turba se forman en depresiones correspondientes a zonas de asentamiento ó de topografía irregular, deltas, antiguos cauces, bordes de lagos. En ellos no se define estratigrafía.

Las turbas finas son producto de la descomposición avanzada de la materia orgánica en presencia del aire. Son generalmente de color oscuro.

Cenizas y pómez depositadas por acción volcánica.

Frecuentemente asociados con flujos de lava y lodo y quizá mezclados con flujos no volcánicos.

Son de tamaño de limo con partículas volcánicas más grandes intemperización y redepositación producen arcillas altamente plásticas.

Orígenes Geológicos Secundario.

Materiales precipitados ó evaporados de soluciones con alto contenido de sales.

Incluye algunas variedades de precipitado de calcio en aguas marítimas ó evaporitas formadas en lagos de playa bajo condiciones áridas.

Pueden formar suelos cementados ó rocas sedimentarias blandas incluyendo yeso, anhidrita ó caliche.

35

100 LIMITE LIQUIDO (L.L) EN %

0 10 20 90 80 70 60 30 40 50

10

20

30

40

50

60

LINEA A

LIN

EA

B

IND

ICE

PL

AS

TIC

O(I

P)

EN

%

OH

Y

MH

OL

ML

CH

CL

CL

CL - ML

U N I V E R S I D A D A U T Ó N O M A D E G U E R R E R O F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A

CARTA DE PLASTICIDAD

L A B O R A T O R I O D E

M E C Á N I C A D E S U E L O S

36

LA PRUEBA DEL OLOR Y COLOR ES PARA IDENTIFICAR SUELOS ALTAMENTE ORGÁNICOS (TURBA) LA PRUEBA DEL BRILLO SE HACE EN SUELOS DE CONSISTENCIA MEDIA A CONSISTENTES

MOVILIDAD DEL AGUA, REACCIÓN

AL AGITADO

RESISTENCIA DEL SUELO SECO AL

QUEBRANTAMIENTO

TENACIDAD CERCA DEL

LÍMITE PLÁSTICO

ADHERENCIA A LA PIEL

PRUEBA DEL BRILLO

AL CORTE

SÍMBOLO

NOMBRE TÍPICO DEL

MATERIAL

RÁPIDA A

LENTA

NINGUNA A

LIGERA

NINGUNA

MEDIA A NULA

COLOR OPACO

ML

Limo inorgánico, arenas muy finas y limosas,arcillas poco plásticas.

NINGUNA A MUY LENTA

MEDIA A

ALTA

MEDIA A

ALTA

MEDIA

COLOR POCO

BRILLANTE

CL

Arcillas inorgánicas de baja plasticidad, arcillas limosas, arcillas arenosas.

LENTA

LIGERA A

MEDIA LIGERA

MEDIA A BAJA

COLOR OPACO

OL

Limos orgánicos, arcillas limosas, orgánicos de poca plasticidad.

LIM

OS

Y

AR

CIL

LA

S

CO

N L

.L. <

50

LENTA A

NINGUNA

LIGERA A

MEDIA

LIGERA A MEDIA

MEDIA A NULA

COLOR MUY POCO

BRILLANTE

ML

Limos inorgánicos. Limos plásticos.

NINGUNA ALTA

A MUY ALTA

ALTA

ALTA A MUY ALTA

COLOR MUY BRILLANTE

CH

Arcillas inorgánicas de alta plastIcidad. Arcillas francas.

NINGUNA A LENTA

MEDIA A

ALTA

DE LIGERA A MEDIA

LIGERA A MEDIA

POCO BRILLANTE

OH

Arcillas orgánicas de plasticidad Media.

LA PRUEBA DEL ACIDO SOLO ES USADO PARA DETERMINAR LA PRESENCIA DEL CARBONATO DE CALCIO

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE GUERRERO FACULTAD DE INGENIERIA

TABLA PARA CLASIFICACIÓN EN CAMPO DE SUELOS Ó PARTÍCULAS FINAS QUE >

50% DE SU CONTENIDO PASA LA MALLA 200.

L A B O R A T O R I O D E

M E C Á N I C A D E S U E L O S

37

Roca no clasificada Nivel Freático

Superficie de roca Superficie de tierra ( no clasificada )

Pasto, humos o Suelo superficial

GW o GP GM GC

SW o SP SM SC

SÍMBOLOS VARIOS

SÍMBOLOS DE GRUPOS DE SUELOS

ML CL OL

MH CH HO

Pt

NOTA: Para casos de frontera combínese los símbolos de los grupos correspondientes.

38

CAPÍTULO III. RELACIONES VOLUMETRICAS. III.1 Introducción. En un suelo se distinguen tres fases constituyentes: la sólida, la líquida y la gaseosa. La fase sólida está formada por las partículas minerales del suelo (incluyendo la capa sólida absorbida), la líquida por el agua (libre específicamente), aunque pudiendo en los suelos existir otros líquidos de menor significación; la fase gaseosa comprende sobre todo el aire, si bien pueden estar presentes otros gases. La capa viscosa del agua absorbida que presenta propiedades intermedias entre la fase sólida y la líquida, suele incluirse en esta última, ya que es susceptible de desaparecer cuando el suelo es sometido a una fuerte evaporación (secado). Las fases líquidas y gaseosas del suelo suelen comprenderse en el volumen de vacíos mientras que la fase sólida constituye el volumen de los sólidos. En los Laboratorios de Mecánica de Suelos puede determinarse fácilmente el peso de las muestras húmedas, el peso de las muestras secadas al horno y el peso específico relativo de los suelos. Estas magnitudes no son las únicas cuyo cálculo es necesario; es preciso obtener relaciones sencillas y prácticas, a fin de poder medir algunas otras magnitudes en términos de éstas. Estas relaciones de tipo volumétrico y gravimétrico, son de la mayor importancia para la aplicación sencilla y rápida de la teoría, y su dominio debe considerarse indispensable. Objetivo. El objetivo básico de la obtención de las relaciones volumétricas es el de conocer el contenido de agua y el peso volumétrico del material en estado natural (suelo cohesivo). Las pruebas necesarias para conocer las relaciones volumétricas, son las que en el cuerpo de este capítulo se describe. III.2 Determinación del contenido de agua El contenido natural de agua es una de las características del suelo más significativas y es un dato muy fácil de determinar, por tal motivo no hay estudio de Mecánica de Suelos que carezca de esta información. El contenido de agua de una masa de suelo se define como la relación que existe entre el peso del agua y el peso de las partículas sólidas que contiene la masa, su símbolo es �W� y se expresa en porcentaje.

III.2.1 Equipo.

- Horno calibrado a una temperatura de 105 °C a 110 °C constante. - Balanza de 2 610 gr de capacidad y aproximación a 0.01 gr. - Cápsula previamente pesada. - Espátula de abanico.

39

III.2.2 Procedimiento. Para la prueba es necesario seleccionar la porción del suelo con la cual ha de hacerse el ensaye, debiendo tener cuidado de que sea representativa de todo el suelo al que se va atribuir el valor de esa determinación, para esto, se deben despreciar las partes de la muestra que hayan estado sujetas a mayores alteraciones como son: las superficies de contacto de la muestra con el muestreador y los extremos de la muestra. Se realizaran mínimo 3 determinaciones del mismo a efecto de sacar un promedio y asignar dicho valor como el contenido de agua del suelo a la profundidad que se haya obtenido. Se procede de la siguiente manera:

1. Tomar una porción de suelo húmedo y pesarlo. 2. Secar el material en el horno a una temperatura constante de 105 °C, durante un

tiempo mínimo de 18 horas 3. Obtener el peso seco restando del peso húmedo el peso seco, se obtiene el peso del

agua que contenía en su estado natural. 4. Relacionando el peso obtenido en el punto anterior con el peso de la muestra seca

se obtiene el valor del contenido del agua. El registro de datos es el que se indica en la forma 3.1.

III.2.3 Cálculo. Para el cálculo del contenido de agua se tiene:

100x)capsulaladePeso()osecsuelo.Caps(

)osecsuelo.Caps()humedosuelo.Caps(%W −+

+−+=

100xWs

Ww%W =

Donde:

solidosdePeso:Ws

aguadelPeso:Ww

Tabla 3.1. Variación de la densidad del agua (γw ) con la temperatura.

°C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 0.9999 0.9999 1 1 1 1 1 0.9999 0.9999 0.9999

10 0.9997 0.9996 0.9995 0.9994 0.9993 0.9991 0.999 0.9988 0.9986 0.9984

20 0.9982 0.998 0.9978 0.9976 0.9973 0.9971 0.9968 0.9963 0.9963 0.996

30 0.9957 0.9954 0.9951 0.9947 0.9944 0.9941 0.9937 0.9934 0.9934 0.9926

40 0.9922 0.9919 0.9915 0.9911 0.9907 0.9902 0.9898 0.9894 0.989 0.9885

50 0.9881 0.9876 0.9872 0.9867 0.9862 0.9857 0.9852 0.9848 0.9842 0.9838

60 0.9832 0.9827 0.9822 0.9817 0.9811 0.9806 0.98 0.9795 0.9789 0.9784

70 0.9778 0.9772 0.9767 0.9761 0.9755 0.9749 0.9743 0.9737 0.9731 0.9724

80 0.9718 0.9712 0.9706 0.9699 0.9693 0.9686 0.968 0.9673 0.9667 0.966

90 0.9653 0.9647 0.964 0.9633 0.9692 0.9619 0.9612 0.9605 0.9598 0.9591

Peso específico del agua (γW ) en gr/cm3.

40

CÁPSULA No. CÁPSULA No. PESO CÁP. + S. H. PESO CÁP. + S. H. PESO CÁP. + S. S. PESO CÁP. + S. S. PESO AGUA PESO AGUA PESO CÁPSULA PESO CÁPSULA PESO SUELO SECO PESO SUELO SECO

W (%) W (%)

CÁPSULA No. CÁPSULA No. PESO CÁP. + S. H. PESO CÁP. + S. H. PESO CÁP. + S. S. PESO CÁP. + S. S. PESO AGUA PESO AGUA PESO CÁPSULA PESO CÁPSULA PESO SUELO SECO PESO SUELO SECO

W (%) W (%)

OBSERVACIONES:

LÁMINA 3.1

OBRA : LOCALIZACIÓN: SONDEO No. : ENSAYE No. : MUESTRA No. : PROF. : IDENTIFICACIÓN:

UNIVERSIDAD A U T Ó N O M A D E G U E R R E R O F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A

C O N T E N I D O D E H U M E D A D

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

41

III.3. Determinación de los pesos específicos de los suelos En Mecánica de Suelos se relaciona el peso de las distintas fases con sus volúmenes correspondientes por medio del concepto de �Pesos específicos�; es decir, de la relación entre el peso de la sustancia y su volumen. Los pesos específicos pueden determinarse directamente en el campo y en el laboratorio. Los pesos específicos que se distinguen son: =γ0 Peso específico del agua destilada a 4 °C de temperatura y a la presión atmosférica

correspondiente al nivel del mar. El sistema derivado del métrico es igual a 1 ó a una potencia entera de 10. =γw Peso específico del agua en condiciones normales de trabajo; su valor difiere poco del de

0γ y, en muchas cuestiones prácticas, ambas se toman como iguales. En la tabla 3.1

aparecen las variantes de los valores de wγ , en función de la temperatura, que es el

concepto que más influye en la variación. =γm Peso específico de la masa de suelo.

=mS Peso específico relativo de la masa del suelo.

=Ss Peso específico relativo de la fase sólida del suelo (de sólidos). El peso específico relativo se define como la relación entre el peso específico de una sustancia y el peso específico del agua a 4°C, destilada y sujeta a una atmósfera de presión. III.3.1 determinación directa de los pesos específicos. Si conoce el peso de la masa de suelo y su respectivo volumen se obtiene el peso específico o volumétrico de un suelo en forma directa; el peso de la muestra se conoce pesando el espécimen con aproximación de 0.01 gr, y el volumen de la muestra se evalúa labrando la muestra en forma geométrica simple en donde se pueden conocer sus medidas. Calculándose cada una de la forma que se indica:

Vm

Wmm =Υ

o

mSm γ

γ=

o

sSs γ

γ=

42

III.4. Determinación del peso específico en el laboratorio.

III.4.1 Método del labrado de una figura geométrica regular. Para la obtención del peso volumétrico natural (γm) por este método se requiere lo siguiente: III.4.1.1. Equipo.

- Labrador de muestra. - Dispositivo para cabecear la probeta. - Balanza de 2 610 gr de capacidad. - Horno. - Vernier. - Cuchillo y cápsulas.

III.4.1.2 Procedimiento.

1. Utilizando el cuchillo córtese la muestra inalterada de suelo fino de 5 x 5 x 11 cm

aproximadamente. 2. Utilizando el cuchillo y el labrador de muestras, lábrese la muestra hasta llegar a la forma

cilíndrica con 3.6 cm de diámetro aproximadamente. 3. Usando el cabeceador corte los extremos de la probeta perpendicularmente a su eje; la

longitud aproximada del prisma será de 10.5 cm a 9.0 cm. 4. Mida la altura y el diámetro de la probeta con el vernier, y procédase a obtener el volumen ( )mV .

Las medidas que deben tomarse: El diámetro superior ( )sD , diámetro central ( )cD y el diámetro

inferior de la muestra ( )iD , así como la altura de la muestra ( )mH . Con los datos anteriores se

procede a determinar el área de los diferentes diámetros en cm2, como son: Área superior ( )sA ,

Área central ( )cA y el Área inferior de la muestra ( )iA . 5. Se determina el área de la muestra de la manera siguiente:

)cm(6

AiAc4AsAm 2++=

6. Se pesa la muestra labrada ( )mW y se calcula el peso volumétrico natural:

mVmWm γ×=

)cm(HmAmVm 3×=

Por lo que:

)m/Ton(Vm

Wmm 3=γ

43

III.4.2. Método de inmersión en agua usando parafina. Este es otro de los métodos usados en el laboratorio para conocer el peso volumétrico de una muestra, y es por inmersión de agua. Se procede como se indica: III.4.2.1. Equipo a usar. - Balanza de 200 grs de capacidad con sensibilidad de 0.01grs. - Cuchillo para labrar la muestra. - Vaso de cristal de 400 cm3. - Recipiente con parafina diluida - Estufa ó parrilla eléctrica. - Hilo delgado. III.4.2.2. Procedimiento de la prueba. 1. Con el cuchillo lábrese la muestra representativa, procurando sea un cubo de 3 cm de lado.

Se registra el peso en gramos, anotándolo en el renglón correspondiente al peso de la muestra ( )mW , en la lámina 3.2. 2. Teniendo la muestra labrada, sujétese con el hilo delgado, dándole un baño por inmersión en

la parafina, que se ha diluido previamente por calentamiento en la estufa. Se debe cuidar que la capa sea delgada y uniforme.

3. Después de enfriarse la parafina se pesa la muestra más la parafina, registrando este dato en la columna 2 ( )mpW , de la hoja de registro.

4. Se sujeta la muestra del extremo libre del hilo y se lleva a la balanza, colocando el vaso con agua sobre el recipiente, para captar el agua que se derrame al sumergir la muestra en el seno del líquido, procurando que ésta no toque las paredes ni el fondo del vaso.

III.4.2.3 Cálculo. Para determinar el peso volumétrico analíticamente, tomando como base los resultados del laboratorio, se procede como sigue: 1. El volumen de la parafina se obtiene dividiendo el peso de la parafina entre la densidad de la

misma.

WmWmpWp −= Donde: =pW Peso de la parafina.

Sp

WpVp =

=pV Volumen de la parafina.

=pS Densidad de la parafina (0.97 aproximadamente)

2. El volumen de la muestra se calcula sin el de la parafina como se indica:

VpWwVm −= Donde: =mV Volumen de la muestra.

=wW Peso del agua desalojada por la masa que presenta el volumen de la muestra con parafina.

44

3. Con los datos se calcula el peso volumétrico húmedo.

Vm

Wmm =γ

Donde: =γm Peso volumétrico de la masa.

=mW Peso de la masa.

4. Si se cuenta con el contenido húmedo de la muestra, se puede calcular el peso volumétrico seco a partir de:

W1

md +

γ=γ Donde: =γd Peso volumétrico seco.

=γm Peso volumetrico de la muestra.

=W Contenido de humedad de la muestra.

Determinación de la densidad de la parafina por el método del picnómetro.

1. Se pesan el frasco y su tapón, secos y limpios, y se registra su peso como ( )fW , en gr. 2. Se llena el frasco con agua y se inserta firmemente el tapón, se coloca en "Baño María" a

temperatura de 25° C, durante 15 min. Se saca todo el conjunto, se seca y se pesa, registrándolo como ( )fwW , en gr.

3. Se fluidifica la parafina y se entibia el picnómetro, antes de agregarle parafina. 4. Se llena el frasco con parafina, aproximadamente hasta la mitad, y se deja enfriar a

temperatura ambiente, se inserta el tapón firmemente, y se pesa registrándolo como ( )fpW .

5. Se llena el frasco con agua conteniendo la parafina, y se coloca en "Baño María" durante 15 min.

6. Se saca el conjunto, se seca y se pesa registrándolo como ( )fpwW , en gr.

7. La densidad de la parafina se calcula empleando la fórmula siguiente:

( ) ( )[ ] 0fpfpwffw

ffp

WWWW

WWDp γ−−−

−=

Donde: pD : Densidad de la parafina.

fW : Peso del frasco con tapón, en gr.

fwW : Peso del frasco + Tapón lleno de agua, en gr.

fpW : Peso del frasco + Tapón conteniendo la parafina, en gr.

fpwW : Peso del frasco + Tapón y parafina conteniendo agua, en gr. W: Agua. P: Parafina

W

W W

P P

Wf Wfw Wfp

Wfw

45

III.4.3 Método del mercurio. Para determinar el peso volumétrico natural de la muestra con el uso de este método, se usa el mismo equipo que el mismo equipo que el que se usa en el método de la parafina, habilitando solo el mercurio necesario para esa prueba, y un recipiente de vidrio cualquiera para recoger el mercurio que se derrame en la prueba. III.4.3.1 Procedimiento. 1. Se siguen los pasos del 1 a 6 del método de la parafina. 2. Se introduce la muestra en el vaso de precipitado previamente llenado de mercurio hasta el

enrase del mismo. 3. El mercurio derramado por la muestra y recogido por el recipiente de vidrio se puede pasar a

un recipiente graduado y medir directamente su volumen, que será igual al volumen de la muestra.

Otra forma para determinar el volumen natural de la muestra por este método es pesando el volumen desalojado del mercurio y dividiéndolo entre el peso específico de éste (13.53 kg / cm3 promedio) o sea:

HG

HGm

W

mercuriodelespecificoPeso

mercuriodelPesoV γ==

46

METODO DE LA PARAFINA

Wm

gr

Wmp

gr

Wmps

gr

Vmp

2 - 3

Wp

2 - 1

97.0

WpVp

Vm 4 � 6

mγ

gr / cm3

(1) (2) (3) (5) (6) (7) (8)

(4)

OBSERVACIONES

LÁMINA 1.2

OBRA LOCALIZACION SONDEO N° ENSAYE N° MUESTRA N° PROF. IDENTIFICACION

FECHA:

UNIVERSIDAD A U T Ó N O M A D E G U E R R E R O F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A

PESO VOLUMÉTRICO NATURAL

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

47

III.5. Determinación del peso volumétrico en el campo.

III.5.1. Introducción. Una vez establecidos, para el suelo que se va a utilizar en un sitio determinado, los criterios de compactación, generalmente con limitaciones de humedad y densidad, es necesario utilizar algún método para verificar los resultados. En todos los proyectos pequeños y casi todos los proyectos grandes, esta verificación se logra bien por el cono de arena o por el método de la cala con agua. III.5.2. Objetivo. Básicamente los dos métodos mencionados se ocupan para determinar el peso volumétrico húmedo y seco, así como el contenido de agua en el campo. III.5.3. Determinación del volumen de la cala de arena. De acuerdo con este procedimiento, el volumen de la cala se obtiene dividiendo el peso de la arena necesaria para llenarla entre el peso volumétrico de la misma, determinando en el laboratorio para idénticas condiciones de colocación. III.5.3.1. Equipo y materiales. - Cono metálico, con tapa roscada - Recipiente de capacidad de 4 lts. - Envase metálico con tapa hermética. - Balanza con capacidad de 20 kg y presión de 1 grs. - Horno de secado. - Varios (Papel de envoltura de 60 x 80 cm, regla metálica, cincel, cuchillo, espátula, nivel,

arena de Ottawa, collarín, desecador, flexómetro). III.5.3.2 Calibración del cono y de la capa base. 1. Se seca al horno 8 kg. De arena limpia aproximadamente. 2. Se llena el recipiente de vidrio con la arena seca y se pesa el conjunto con presión mínima de

5 gr se atornilla el cono al recipiente 3. Se coloca el papel de envolvente sobre una superficie horizontal, plana y fija, y se pesa la

placa � base en el centro del centro del mismo. 4. Se invierte el recipiente, y se coloca el cono en la escotadura de la placa � base 5. Se abre rápidamente la válvula del cono y se espera a que la arena llene la perforación de la

placa- base del cono. 6. Se cierra la válvula, y se invierte la posición del recipiente. Se desatornilla el cono el cono y

se pesa el recipiente y la arena que contenga. 7. Se calcula el peso de la arena utilizada para llenar el cono y la perforación de la placa base. 8. Se repiten los pasos indicados en los incisos 2 al 7 antes mencionado, las veces que sean

necesarias hasta obtener resultados consistentes.

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III.5.3.3. Calibración de arena. Para la calibración de la arena, se seguirá el procedimiento que a continuación se menciona: 1. Se llena el recipiente de 4 lts. De capacidad con arena limpia y secada al horno. Se pesa el

conjunto, con presión mínima de 5 gr se atornilla el cono al recipiente. 2. Se coloca la placa base sobre un molde metálico de calibración, aproximadamente del mismo

tamaño y forma de la excavación en el campo, aproximadamente 13 cm de diámetro y 13 cm de profundidad.

3. Se invierte el recipiente, y se coloca el cono en la escotadura de la placa � base. Se abre rápidamente la válvula del cono y se espera a que la arena llene el molde de calibración, la perforación de la placa � base y el cono.

4. Se cierra la válvula, y se invierte la posición del recipiente. Se desatornilla el cono del recipiente.

5. Se pesa el recipiente y la arena que contenga. 6. Se calcula el peso de la arena requerida para llenar el molde de calibración, y el peso

volumétrico seco de la arena, tal como se colocó en el molde de calibración. 7. Se repiten los pasos indicados del 1 al 6 él numero de veces necesarias para verificar que la

arena pueda ser colocada con el mismo peso volumétrico en calibración sucesivas. Los resultados de calibración sucesivas. Los resultados de calibración se anotan en la forma de registro.

III.6. Procedimiento para determinación del peso volumétrico (cono de arena). Para determinación del peso volumétrico en el campo, se seguirá el procedimiento siguiente. 1. Se llena el recipiente de 4 lts. de capacidad con arena limpia y secada al horno, y se pesa con

presión mínima de 5 grs. se tapa el recipiente para evitar pérdidas del material durante su transporte.

2. Se escoge, dentro de la zona donde se trabaja, un lugar para la cala y, en un cuadrado de 60 cm de lado, se excava 20 cm como mínimo, nivelando lo mejor posible la superficie descubierta, la determinación del peso volumétrico seco se hace, siempre en las dos capas inmediatas a la última compactada.

3. Se coloca la placa � base sobre la superficie del suelo nivelada y enrasada. 4. Se excava el suelo a través de la perforación de la placa � base. La cavidad debe tener,

aproximadamente, las mismas dimensiones que el molde utilizado para calibrar la arena. 5. El material que se va extrayendo de la cala se deposita con cuidado en un recipiente

hermético, el cual se tapa enseguida para evitar la pérdida de humedad. 6. Se desatornilla la cubierta del recipiente con la arena calibrada y se atornilla en su lugar el

cono. Se invierte el recipiente, y se coloca el cono en la escotadura de la placa. 7. Se abre rápidamente la válvula del cono y se deja que la arena llene la cavidad en el suelo, la

perforación de la placa � base y el cono. 8. Se cierra la válvula y se invierte el recipiente. Se reemplaza el cono por la tapa roscada del

recipiente. 9. Se extrae la arena de la cavidad, y se rellena ésta con el material del terraplén. La porción de

arena que no se haya ensuciado puede recuperarse para usarla en otra prueba. Después de usar varias veces la arena, se tiene que volver a lavar, secar y cribar, para que su peso volumétrico permanezca más o menos constante.

49

10. Si se va a realizar una prueba de compactación Próctor se recogen, en un bote de lámina, aproximadamente 12 kg de material próximo a la cavidad que se excavó.

11. En el laboratorio, se desatornilla la tapa del recipiente y se pasa con la arena que contenga. Por diferencia de pesos se obtiene el material que lleno la cavidad, la placa y el cono. Con los datos de calibración se calcula el volumen de la cavidad.

12. Se pesa el suelo de la cala contenido en el recipiente hermético. Se toman aproximadamente 200 g. de material húmedo, se pesan y se colocan en el horno durante 18 hrs. Después de dejarlo enfriar en un desecador, se obtiene el peso seco y el contenido de agua. Se registran los datos en la lámina 3.1 si el material contiene grava, se determina también el contenido de agua en una muestra representativa de esta fracción los datos se anotan en la misma forma de registro en el renglón correspondiente.

13. Se pesa el suelo del recipiente a una charola, se desmorona, se pasa por la malla No.4, separando las dos porciones de grava y arena. Se pesa por separado y se anotan los resultados en el cuadro "suelo excavado", teniendo la perforación de sumarles las cantidades empleadas para determinar los contenidos de agua.

14. Se calcula el peso volumétrico seco global del material. Antes de calcular el del material menor que la malla No. 4, se determina la densidad de sólidos.

III.7. Determinación del volumen de la cala con arena. Este método permite determinar, directamente, el volumen de la cala por medio de un recipiente de vidrio graduado y de una bolsa de hule que se adhiere en las paredes de la cala. Se siguen todos los pasos de la prueba anterior, excepto los correspondientes a la determinación del volumen por medio de la arena. III.7.1 Equipo. El equipo necesario es idéntico al que se usa en el método anterior, solo el medidor de volumen sustituye al recipiente de vidrio al cono. III.7.2. Procedimiento. 1. Una vez eliminado el material suelto del terraplén, se procede a nivelarlo lo mejor posible. 2. La placa � base del dispositivo se coloca sobre el terreno nivelado, y el medidor de

volúmenes lleno de agua se pone encima. La perilla se hace funcionar para bajar la bolsa de hule, hasta que no presente ningún cambio la lectura del cilindro graduado, anotando ésta como lectura inicial.

3. Se quita el medidor de volúmenes, y se procede a extraer el material de la cala, guardándolo en un recipiente con tapa hermética.

4. Una vez extraído el material de la cala, se procede con una brocha de cerda, a limpiar perfectamente la placa � base.

5. El medidor de volúmenes se coloca nuevamente sobre la placa y se hace funcionar la parrilla. 6. Una vez que la lectura en el cilindro graduado no cambia al hacer funcionar la parrilla, se

vuelve a tomar la lectura. La diferencia de lecturas, obtenidas en los pasos 2 y 6, multiplicando por el factor de conversión del aparato es igual al "volumen de la cala en decímetros cúbicos".

50

CALIBRACIÓN ARENA Descripción arena por calibrar _________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________

VOLUMEN CONO Y PERF. PLACA � BASE Peso recip- + arena antes del llenado del cono -------------------- Peso recip. + arena después de llenado el cono -------------------- Peso de arena en cono y perf. placa base ---------------------------

1ª DETERM. ______________ kg ______________ kg ______________ kg

2ª DETERM. ______________ kg ______________ kg ______________ kg

PESO VOLUMÉTRICO SECO DE LA ARENA Peso recip. + arena antes de llenado molde y cono ---------------- Peso recip. + arena después de llenado molde y cono ------------ Peso de la arena en cono, placa � base y molde calibrado -------- Peso de la arena contenida en el molde -----------------------------

1ª DETERM.

______________ kg ______________ kg ______________ kg ______________ kg

2ª DETERM.

______________ kg ______________ kg ______________ kg ______________ kg

Dimensiones del molde: Altura ____ cm Diámetro int._____ cm. Vol. _____ lt. PESO VOL.SECO ARENA kg/lt DETERMINACIÓN DE CAMPO DEL PESO VOLUMETRICO Datos de localización ___________________________________________________________________________ Descripción del material muestreado _______________________________________________________________ Peso del recip. + arena antes llenado cavidad aguj. placa y cono ------------------------ Peso del recip. + arena después de llenado cavidad aguj. placa y cono ----------------- Peso arena en cavidad aguj. placa y cono --------------------------------------------------- Peso de arena en cavidad ---------------------------------------------------------------------- Volumen en cavidad ----------------------------------------------------------------------------

____________________ kg ____________________ kg ____________________ kg ____________________ kg ____________________ kg

MUESTRAS CONTENIDO DE AGUA Muestra de suelo húmedo ------------------------------------- Peso suelo seco + tara ----------------------------------------- Peso de agua ---------------------------------------------------- Peso de tara ----------------------------------------------------- Peso suelo seco ------------------------------------------------ Contenido de agua (W%) ------------------------------------- Peso de suelo seco excavado (W/ 1+ ) ----------------

MUESTRA �A� ______________ gr ______________ gr ______________ gr ______________ gr ______________ gr ______________ % ______________ gr

MUESTRA �B� ______________ gr ______________ gr ______________ gr ______________ gr ______________ gr ______________ gr ______________ gr

RESULTADOS Contenido de agua promedio (w) ---------------------------------------------------- Peso volumétrico seco ----------------------------------------------------------------- Peso volumétrico húmedo ------------------------------------------------------------- Grado de saturación ( Ss = ) -------------------------------------------------

___________________ % ___________________ kg/lt ___________________ kg/lt ___________________ %

LAMINA 3.1

SUELO EXCAVADO Peso suelo húmedo excavado + tara ________________________ kg Peso tara _________________kg PESO DE SUELO HUMEDO EXCAVADO (WT) _____________ kg

OBSERVACIONES:

UNIVERSIDAD A U T Ó N O M A D E G U E R R E R O F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A

PESO VOLUMÉTRICO NATURAL

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

OBRA: LOCALIZACIÓN: SONDEO N° ENSAYE N° MUESTRA N° PROF. DESCRIPCION

51

CAPÍTULO IV. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DE SÓLIDOS. IV.1. Introducción. Se define como densidad de fase sólida de un suelo, la relación de un peso específico de la materia que constituye las partículas del suelo y el peso específico del agua del agua destilada a 4 °C. La densidad de los sólidos se obtiene en la práctica como la relación entre el peso de los sólidos y el volumen de agua que desalojan a la temperatura ambiente. Al valor obtenido se le hace una corrección por temperatura. Las partículas gruesas contienen, generalmente, aire entrampado en poros impermeables que sólo podría eliminarse rompiendo las partículas en granos más finos. Por lo anterior, la densidad obtenida en esos casos es una densidad de sólidos aparente, que es la que generalmente interesa por tanto, las partículas que se usen en la determinación de la densidad de suelos no deben ser molidas o rotas. El valor de la densidad de sólidos interviene en la mayor parte de los cálculos de Mecánica de Suelos y, ocasionalmente, sirve también para fines de clasificación. El valor de la densidad de los suelos varía comúnmente entre los valores de 2.20 a 3.0, según el material de que se trate. Algunos materiales se enlistan a continuación:

MATERIAL VALOR DE Ss

Arcilla de origen volcánico 2.20 - 2.50

Suelos granulares 2.63- 2.68

Limos inorgánicos 2.67- 2.73

Arcilla poco plástica 2.72- 2.78 Arcillas plásticas 2.78- 2.86 Arcillas expansivas 2.86- 2.92

Existen dos métodos para la determinación de la densidad de sólidos, uno para partículas menores que la malla # 4 (Suelos finos y arenas), y otro para suelos mayores que dicha malla (gravas). IV.2. Determinación de la densidad de sólidos en arenas y suelos cohesivos. El procedimiento de prueba descrito a continuación se aplica a la fracción de la muestra que pasa la malla # 4. IV.2.1 Equipo. - Matraces con marca de aforo, de 500 cm3 de capacidad (Fig. 4.1). - Balanza con capacidad de 800 gr y precisión nominal de 0.01 gr. - Presión real mínima de 0.1 °C, graduado de 0 a 50 °C. - Termómetro con presión de 0.1 °C, graduado de 0 a 50 °C. - Solución para disolver grasas: mezcla crómica. - Alcohol de 96°.

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- Éter sulfúrico. - Agua destilada ó desmineralizada - Vaso de precipitado de 400 cm3. - Estufa. - Horno de temperatura constante (110 °C). - Desecador con gel de sílice. - Pizeta - Pipeta de 5 cm3. - Embudo de vidrio de conducto largo. - Toallas de papel. - Cápsulas de porcelana ó de vidrio refractario. - Sistema de vacío: bomba mecánica ó trompa de agua. IV.2.2. Calibración del matraz. Se entiende por calibrar un matraz el procedimiento a seguir para determinar los pesos del matraz con agua hasta la marca de aforo, a distintas temperaturas, pues es sabido que el peso del matraz con agua es función directa de la temperatura. El peso del agua que un matraz puede contener, varía con la temperatura, debido a las variaciones del volumen del matraz y la densidad del agua. Es conveniente trazar para cada uno de los matraces, una gráfica de calibración, o sea, una curva que tenga, por ordenadas los pesos del matraz de aforo y, como abscisas, las temperaturas correspondientes. El proceso de calibración se da a continuación. a) Limpieza del matraz. Con amoníaco, ó alguna solución que disuelva las grasas, se limpia el matraz (1). Puede ser necesario dejarlo lleno con la solución durante varias horas. Después se enjuaga varias veces con agua destilada y se deja escurrir, colocándolo con la boca hacia abajo. Enseguida se lava con alcohol, se deja escurrir, se lava con éter (2), y se eliminan los vapores colocándolo con la boca hacia abajo, durante 15 minutos. Una vez limpio el matraz, se procede a la calibración del mismo, en la forma que se indica a continuación. 1. Se llena el matraz con agua destilada o desmineralizada a la temperatura ambiente hasta

aproximadamente, 5 mm debajo de la marca de aforo. Se dejan transcurrir 30 minutos, por lo menos, para permitirle alcanzar la misma temperatura que el agua que contiene.

2. Se llena con cuidado el matraz, usando una pipeta, hasta que la parte superior del menisco coincida con la marca de aforo.

3. Se seca cuidadosamente el interior del cuello con una toalla de papel doblada. Se seca también el exterior.

4. Se pesa el matraz con agua ( )mwW , con presión 0.01 gr enseguida, se agita ligeramente y se

toma la temperatura del agua, con presión 0.1 °C, introduciendo el termómetro hasta el centro del matraz. Se verifica la uniformidad de la temperatura en otros puntos de la suspensión como en la base y la parte superior de la suspensión en el matraz. Se vuelve a agitar si las diferencias exceden a 0.5 °C.

5. Se hace una determinación adicional, aproximadamente a la misma temperatura, para verificar los resultados (pasos 2 a 4).

53

6. Se repiten los pasos 1 a 5, utilizando agua a una temperatura de aproximadamente 5 °C superior al ambiente del laboratorio.

7. Las temperaturas, y los pasos del matraz y del agua, se anotan en la lámina 4.1, se construye la gráfica en papel milimétrico, semejante a la muestra de la lámina antes mencionada.

(1)

Una de las mejores soluciones para quitar la grasa del matraz es la mezcla crómica, que

tiene la ventaja de poder recuperarse después de cada lavado, y usarse varias veces. Se prepara

disolviendo, en caliente, 60 gr de bicromato de potasio comercial en 300 cm3. De agua y, una vez

fría la solución, agregando muy lentamente, sin dejar de agitar, 460 cm3 de ácido sulfúrico

comercial. Debe procederse con cuidado, tratando de escurrir el ácido sulfúrico por las paredes

del recipiente donde se está preparando la muestra, pues la reacción que se provoca al contacto

con la solución es violenta y, si no se toman las precauciones debidas, puede resultar peligrosa�

Cuando no sea posible obtener mezcla crómica, se puede hacer ácido clorhídrico rebajado

(muriático), siguiendo con las indicaciones antes mencionadas.

(2)

Siendo el éter altamente inflamable, opérese con cuidado, evitando cercanía de

cualquier flama.�

IV.2.3. Preparación de la muestra.

Las muestras empleadas deben ser representativas del suelo en estudio. Para suelos gruesos (gravas), se toman de l0 a l2 gravas y se dejan saturando durante 24 horas. Para el caso de las arenas se puede proceder secando al horno durante 24 horas a temperatura constante de l05 °C una cantidad del orden de 60 a l00 gr y tomar dicho peso como Ws (peso de sólidos), o determinar dicho valor una vez terminada la práctica, sometiendo a secado el suelo que intervino en la práctica. Para suelos cohesivos es necesario que la cantidad de sólidos sea del orden de 30 a 60 gr, para ello, se forma una suspensión que se deja homogeneizar por 24 horas, después de esto se colocara en el vaso mezclador mecánico, por espacio de 15 minutos; en caso de no contar con el vaso mezclador, se hará manualmente, acto seguido se procede a la ejecución de la prueba. IV.2.4.Procedimientos de prueba para arenas (suelos cohesivos).

Después de limpio el matraz y preparada la muestra se procede como sigue:

1. En el matraz limpio de 500 cm3. Se le incorpora l00 cm3 aproximadamente de agua destilada, se pesa con una precisión de 0.0l gr. El peso obtenido, ( )mW , se anota en la lámina 4.2.

2. El material seco se vacía en el matraz mediante un embudo de vidrio. Se vuelve a pesar el matraz anotando el peso ( )msW en el registro de cálculo después de haberse pesado, se

desprende el material que quedó adherido al interior del cuello, utilizando una pizeta con agua destilada.

3. Se aplicará vacío al matraz para extraer el aire ni disuelto. Para evitar un burbujeo excesivo, se aplica un vacío parcial y se aumenta gradualmente hasta el máximo, que deberá mantenerse durante 15 minutos, por lo menos, para lograr un desairado completo. El matraz debe agitarse suavemente para facilitar la expulsión de aire. Si no se cuenta con sistema de vacío, se puede poner el matraz en un Baño María de glicerina. Por lo general, 10 minutos de hervor son suficientes para expulsar el aire contenido en el material. En este caso debe esperarse a que el matraz alcance nuevamente la temperatura ambiente para proseguir la prueba.

54

4. Se agrega con cuidado agua destilada hasta 2 cm debajo de la marca de aforo. El agua debe escurrir lentamente por el cuello para evitar la formación de burbujas. Se aplica nuevamente el vacío. Para verificar la presencia de aire no disuelto, se quita lenta y cuidadosamente el tapón, y a través del cual se aplica el vacío, y se observa el movimiento de la superficie del agua en el cuello del matraz. Si la superficie baja menos de l mm, el desairado se considera suficiente.

5. Se agita el matraz y se mide la temperatura en el centro del líquido con precisión de 0.l °C. Se verifica la uniformidad de la temperatura en la base del matraz y en la parte superior de la suspensión. Se vuelve agitar el matraz si las diferencias exceden de 0.5 °C. Se anota la hora de la medición.

6. Se seca cuidadosamente el exterior del matraz. 7. Se agrega suficiente agua destilada para que la parte inferior del menisco coincida con la

marca de calibración. Se anota la hora en que el nivel fue ajustado. 8. Se seca cuidadosamente el interior del cuello del matraz, arriba del menisco, con una toalla de

papel. 9. Se pesa el matraz, el suelo y el agua, con precisión de 0.0l grs. 10. Se anota el resultado ( )mwsW en el registro de cálculo (lámina 4.2).

11. Se repite el paso 5. Si la temperatura obtenida difiere de la medida en el paso 5, la correspondiente al momento en el que se ajustó al nivel de menisco debe tener por interpolación. Se anota el resultado en el registro de cálculo.

12. Se obtiene el peso de los sólidos ( )sW como diferencia entre ( )msW y ( )mW (3). Este método

evita errores por pérdida de material que requiere de una gran precisión en las pesadas. El peso de los sólidos ( )sW , puede también obtenerse después de la prueba, vertiendo el

contenido del matraz en una cápsula enjuagándolo con agua destilada, para que no quede material en el interior, y secado al horno.

La expresión ( )mwsmws WWW −+ , representa el peso del volumen de agua desalojado por los

sólidos a la temperatura de la prueba. (3)

La prueba de la densidad de sólidos debe hacerse simultáneamente en dos matraces, a fin

de obtener una comprobación. Si los valores no difieren más de 1%, se calcula el promedio; si la

diferencia es mayor, se repite la prueba. La densidad de sólidos se obtiene a partir de la fórmula:

WmwsWsWmw

WskSs −+=

Donde:

SS : Densidad de sólidos.

SW : Peso del suelo seco.º

K: Densidad del agua a t °C.

( )W: Peso del matraz + agua t °C ( de la curva de calibración).

( )mwsW : Peso del matraz + agua + muestra a t °C.

55

El coeficiente K de corrección permite obtener la densidad referida al agua a 4 °C, y es igual a la densidad del agua a la temperatura de la prueba (ver tabla 3.l). IV.2.5. Procedimiento de prueba en suelos cohesivos. Una vez limpio el matraz y preparada la muestra se procede de la forma que a continuación se explica: 1. Se transfiere la pasta preparada con los suelos a un mezclador mecánico y se agrega agua

destilada hasta formar aproximadamente 200 cm3. De suspensión durante los 15 minutos señalados en la preparación de la muestra. Se transfiere la suspensión al matraz, usando agua destilada para pasar todo el material fino de la cápsula al matraz. Para suelos secados al aire anteriormente, es conveniente dejar reposar la pasta durante un día completo antes de transferirla al matraz.

2. Se siguen los pasos del 3 al l0 del método para suelos no cohesivos. Si el material es muy plástico, el vacío debe aplicarse durante varias horas y, en casos extremos, todo un día, para remover el aire no disuelto.

Se puede aumentar la eficiencia del vacío poniendo el matraz en Baño María de glicerina y dejando que hierva durante 30 minutos, al mismo tiempo que se aplica el vacío. En este caso, debe esperarse a que el matraz alcance nuevamente la temperatura ambiente para proseguir la prueba. El peso de los sólidos ( )sW , se obtiene vertiendo el contenido del matraz en una cápsula y

dejando secar al horno. IV.3 Determinación de la densidad de sólidos en partículas de grava. IV.3.1. Equipo. - Charola. - Probeta graduada o picnómetro. - Balanza de precisión de 0.l gr IV.3.2 PROCEDIMIENTOS. Para determinar la densidad de sólidos en partículas de grava se procede como sigue: 1. Una vez preparada la muestra como se indica en 4.2.3, se sacan las gravas saturadas y se

secan superficialmente. 2 Se pesan las gravas saturadas y superficialmente secas, con precisión de 0.l gr. El peso se

anota sobre el renglón correspondiente a "peso de grava húmeda" de la lámina 4.3. 3. Para determinar el volumen de las gravas, éstas se introducen en una probeta graduada que

contenga una cantidad conocida de agua. La diferencia de las dos lecturas en la probeta es el volumen, en centímetros cúbicos (cm3) de las gravas. Se anota el resultado en el renglón "Volumen desalojado". Cuando el material sea abundante o las piedras estén muy grandes, en lugar de utilizar una probeta para determinar su volumen, se utiliza el picnómetro.

4. Procurando no perder material, se secan las gravas en el horno y se pesan. Se anota el valor obtenido en el renglón "Peso grava seca " sin olvidar descontar la tara.

56

5. Para obtener el porcentaje de absorción, se resta el peso seco del húmedo (cantidad de agua absorbida), se divide entre el peso seco y se multiplica por cien.

100xasecgravadePeso

asecgravaladePesohumedagravaladePesoporcentajeen,Absorción

−=

6. El valor de la densidad de sólidos, SS , se obtiene dividiendo el peso de la grava entre el

volumen desalojado menos el volumen de agua absorbida.

absorbidaaguadeVolumendesalojadoVolumen

asecgravaladePesoSs −=

8. El valor de la densidad de la masa se obtiene dividiendo el peso del material seco entre el volumen desalojado.

desalojadoVolumen

asecgravaladePesoSm =

Conviene subrayar que, en el caso de las gravas, la precisión del procedimiento usado no justifica una corrección por temperatura. De acuerdo con la finalidad perseguida, esta prueba puede tener varias variantes. Cuando un material con tiene partículas mayores y menores que la malla No. 4 (4.76 mm), la densidad de sólidos a usar en la práctica puede calcularse como sigue:

)4.NomallalaenretenidoPorcentaje(S

4.NomallalaenretenidoPorcentaje

)4.NomallalaenretenidonoPorcentaje(S

4.NomallalaenretenidonoPorcentaje

100S

ss

s

+=

IV.3.3 Errores posibles. IV.3.3.1. En arenas y suelos finos

1. Remoción incompleta del aire no disuelto. Ésta es la principal fuente de error, y conduce a subestimar la densidad de sólidos del material si la muestra contiene materia orgánica, es frecuente que se formen gases cuando entra en contacto con agua. En este caso es conveniente combinar la aplicación del vacío con la ebullición de la suspensión en un baño de glicerina.

2. Secado defectuoso del interior del cuello o del exterior del matraz. Este error puede ocurrir especialmente cuando se está calibrando el matraz con agua a una temperatura inferior a la temperatura ambiente, debido al agua que se condensa en el exterior del matraz.

3. Precisión insuficiente de las pesadas. La mayoría de las balanzas con capacidad mayor de 500 g no tienen sensibilidad de 0.01 g. La misma balanza debe usarse para la calibración del matraz y para las pruebas subsecuentes de determinación de la densidad de sólidos.

57

4. Falta de cuidado al llenar el matraz aforado exactamente hasta la marca de calibración (Una gota de agua tiene un volumen aproximado de 0.04 cm3). Este error puede reducirse tomando el promedio de varias lecturas a la misma temperatura.

5. Temperatura del matraz y de su contenido no uniforme. Es importante verificar la uniformidad de la temperatura en diversos puntos de la suspensión, así como dejar transcurrir un mínimo de tiempo entre las mediciones de temperatura y las pesadas del matraz.

6. Pérdida del material durante la prueba. Si el peso de los sólidos se obtiene al final de la prueba, es importante evitar que se pierda material durante la transferencia de la suspensión al recipiente en el que se deja secar.

7. Falta de limpieza del matraz. Si el matraz no se conserva limpio, su curva de calibración deja de ser válida. El cuello del matraz debe encontrase en perfecto estado de limpieza para permitir el desarrollo completo del menisco.

8. Empleo de agua con sólidos disueltos. Es importante usar exclusivamente agua destilada o desmineralizada para que la curva de calibración del matraz sea válida.

IV.3.3.2. En gravas. Las partículas secadas superficialmente deben pesarse rápidamente para evitar una excesiva evaporación que conduzca a subestimar la densidad de sólidos del material.

58

LUGAR Y FECHA

Fecha OBSERVACIONES:

LÁMINA 4.1

DATOS DE CALIBRACIÓN DEL MTRAZ

Temperatura

Peso

UNIVERSIDAD A U T Ó N O M A D E G U E R R E R O F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A

CURVA DE CALIBRACIÓN DEL MATRAZ N°

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

PE

SO

DE

L M

AT

RA

Z +

AG

UA

en

gr.

TEMPERATURA °C

59

LUGAR Y FECHA

MATERIAL < que la malla N° 4

Prueba N°

Matraz N°

Wmws gr.

Temperatura °

Wmw

Wms

Wm

Ws = Wms � Wm

Ws + Wmw � Wmws

Ss

Wm = Peso del matraz antes de agregar sólidos Ws = Peso del suelo seco Wms = Peso del matraz después de agregar sólidos Ss = Densidad de sólidos Wmws = Peso del matraz + agua + muestra a t° Wmw = Peso de la muestra + agua a t° (de la curva de calibración) K = Densidad del agua a t°

OBSERVACIONES:

LÁMINA 4.2

OBRA : LOCALIZACIÓN: SONDEO No. : ENSAYE No. : MUESTRA No. : PROF. : IDENTIFICACIÓN:

UNIVERSIDAD A U T Ó N O M A D E G U E R R E R O F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A

DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DE SÓLIDOS

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

WmwsWmwWs

WsKSs −+=

60

LUGAR Y FECHA

100xasecgravadePeso

asecgravaladePesohumedagravaladePesoporcentajeen,Absorción

−=

absorbidaaguadeVolumendesalojadoVolumen

asecgravaladePesoSs −=

desalojadoVolumen

asecgravaladePesoSm =

OBSERVACIONES:

LÁMINA 4.3

MATERIAL > que la malla N° 4

Peso de grava húmeda

Peso de grava seca

Peso de la grava absorbida

Volumen desalojado

% de agua absorbida

Volumen real de sólidos

Densidad de masa Sm

Densidad de sólidos Ss

OBRA : LOCALIZACIÓN: SONDEO No. : ENSAYE No. : MUESTRA No. : PROF. : IDENTIFICACIÓN:

UNIVERSIDAD A U T Ó N O M A D E G U E R R E R O F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A

DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DE SÓLIDOS EN GRAVAS

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

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CAPÍTULO V. GRANULOMETRÍA V.1. Introducción. El análisis granulométrico de un suelo consiste en separar y clasificar por tamaño los granos que lo componen. Este análisis, es de poca utilidad en los suelos finos, pero permite formarse una idea aproximada de algunas propiedades de los gruesos. A los métodos para la separación de un suelo en diferentes fracciones según sus tamaños, se le denomina generalmente con el nombre de "Análisis combinado". Este análisis consiste en el uso de: a). - Mallas; que se concreten a filtrar el suelo mediante una serie de mallas que definan el tamaño de las partículas. b). - El método del hidrómetro(densímetro); que es el que permite aplicar con más exactitud la Ley de Stokes, que rige la caída libre de una esfera en un líquido. La prueba de granulometría, entre otros usos, nos sirve para clasificar los suelos, y por medio del cálculo obtener los coeficientes de uniformidad y curvatura del material, y la determinación conveniente de utilizar el material en la construcción de pavimentos o como agregados pétreos del concreto. De los métodos de análisis generalmente el combinado o total se aplica si el material contiene más del 25 % en peso de gramos retenidos en la malla N° 200. V.2.Método del análisis combinado. V.2.1. Equipo. - Juego de mallas. Las dimensiones de las mallas deben adaptarse al material y al objetivo de la

prueba. Las más usuales son las siguientes: 76.2 mm (3"), 50.8 mm (2"), 25.4 mm (1"), 12.7 mm (1/2"), 9.52 mm (3/8"), N° 4 (4.76 mm), N° 10 (2.00 mm), N° 20 (0.84 mm), N° 40 (0.420 mm), N° 100 (0.149 mm), N° 200 (0.074 mm) charola y tapa(1).

- Balanza de capacidad de 1 500 gr y precisión nominal de 0.01 gr - Cápsula de porcelana. - Equipo necesario para el método del hidrómetro. - Horno de temperatura constante (110°C). - Piseta. - Charolas. - Termómetro. - Pipeta. (1)

Las mallas mencionadas corresponden a las dimensiones recomendadas por el U.S. Bureau

of Standards, excepción hecha de la malla 76 mm (3") que corresponde a la clasificación Tyler.

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V.2.2. Preparación de la muestra. Preparar una muestra, es someterla a la operación de secado, disgregado y cuarteado, consiguiendo con ello, que la porción que de ella se tome para efectuar la prueba del análisis granulométrico, sea representativa. Las muestras alteradas, se dividen en dos fracciones, constituidas por el material menor y mayor que la malla N° 4. Todas las fracciones mayores se someten al análisis por mallas y se debe encontrar limpia de finos. Sólo una parte de la fracción menor es sometida al análisis granulométrico:

Suelos arcillosos y limos 200 a 500 gr

Suelos arenosos 500 a 1000 gr Esta porción de muestra se debe obtener por cuarteo para que sea representativa de la fracción analizada. A menos que el material sea una arena limpia, la porción mencionada debe, a su vez dividirse en fracción gruesa y otra fina (partículas mayores o menores que la malla N° 200) antes de ser sometida al análisis combinado. Esta operación puede realizarse por decantación sucesiva o por lavado en la malla N° 200. Los materiales que provienen de muestras inalteradas pueden someterse a un proceso similar si la fracción gruesa es suficientemente importante para justificar un análisis combinado. La separación de finos, por el proceso de decantación sucesiva, puede realizarse en la forma que se indica a continuación, tratando de utilizar un volumen máximo de agua destilada de 1 000 cm3.

1. Se mezcla la muestra en una cápsula con 150 cm3 de agua destilada hasta formar una suspensión homogénea. Las partículas individuales gruesas se pueden lavar cuidadosamente, colocándolas en una segunda cápsula parar su uso posterior.

2. Se deja reposar la suspensión brevemente para que se sedimenten las partículas retenidas en las mallas N° 200 (la velocidad de sedimentación de las partículas mayores de las que pasan la malla N° 200 es, aproximadamente de 0.5 cm/seg).

3. Se deja decantar la suspensión no sedimentada en una tercera cápsula. 4. Se repiten los pasos 1 a 3 un número de veces suficientes para asegurar que el sedimento

que queda en la primera cápsula ha sido totalmente lavado de finos. 5. Se seca al horno el material lavado, después de agregar las partículas lavadas

individualmente, y se deja enfriar en un desecador. Se pesa el material seco.

Para el mismo fin, puede usarse el procedimiento de lavado a través de la malla N° 200, el cual se describe a continuación.

1. Se deja remojar la muestra en una cápsula de 30 cm de diámetro hasta poder formar una suspensión homogénea.

2. Se vacía el contenido de la cápsula sobre la malla N° 200 y, con la ayuda, de una piseta, se lava la muestra lo mejor posible para que todos los finos pasen sobre ella. Se recoge la fracción fina en una cápsula.

3. El material retenido en la malla N° 200 se coloca en una cápsula, y se lava la malla con agua. Se seca al horno este material y se pesa después de haberlo enfriado en un desecador.

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V.2.3. Análisis por mallas. Se aplica, por separado, el análisis por mallas a la fracción retenida y a la que pasa por la malla N° 4, lavada de sus finos en la forma indicada anteriormente. a). Materiales retenidos en la malla n° 4.

1. Todo el material retenido en la malla N° 4 se pone a secar al horno y se deja enfriar en un desecador (secado más rápido que haciéndolo al sol). Se limpia un juego de mallas de 76.2 mm (3"), 50.8 (2"); 25.4 mm (1"), 12.7 mm (0.5") y 9.52 mm (3/8"), y se colocan en este orden con la abertura mayor en la parte superior. En la parte inferior se coloca la malla N° 4 y una charola para recoger el material que pasa a través de las mallas. Se vacía el material en la parte superior y se agita el juego de mallas con movimientos horizontales y verticales combinados.

2. Después, se pesa sobre una hoja de papel, la fracción retenida en cada malla y se anotan los resultados en la lámina 5.1. Se verifica que la suma de los pesos parciales sea igual al peso inicial de toda la fracción mayor, con tolerancia del 1%.

b ).- Material que pasa en la malla n° 4.

1. Se limpian y pesan las mallas siguientes: N° 10, N° 20, N° 40, N° 100, N° 200. 2. Se transfiere la porción de material, lavado de finos, al juego de mallas colocado en el

orden indicado, con la mayor abertura arriba y una charola en la parte inferior. Enseguida se coloca la tapa.

3. Se agita todo el juego de mallas con movimientos horizontales de rotación, y movimientos bruscos verticales intermitentes, durante un tiempo mínimo de 15 minutos. El tiempo de agitado debe ser mayor si la cantidad de finos es importante o si se trata de un material con granos angulosos. Para esta operación es recomendable el uso de un agitador mecánico.

4. Se pesa cada una de las mallas con el suelo que contengan. Se resta el peso de la malla correspondiente para obtener el peso del suelo retenido.

5. Se anota, en la hoja de registro, el peso de material retenido en cada una de las mallas. Se dejan cada fracción en su respectiva malla hasta verificar que la suma de los pesos parciales es igual al peso inicial de todo el material empleado, con una tolerancia del 1% por pérdida de operación.

V.2.4. Análisis con hidrómetro.

Se procede de la siguiente manera: 1. Se agrega todo el material que pasó la malla N° 200, durante el cribado, a la fracción fina

obtenida previamente por decantación sucesiva o lavado a través de la misma malla. 2. Se realiza el análisis por el método del hidrómetro. Con el material obtenido en el punto

anterior, se forma una suspensión de 1000 cm3 que no dé una lectura del hidrómetro mayor de 60 g/lt. La solución puede diluirse, si es necesario, agitando energéticamente la probeta, extrayendo rápidamente una porción que se guarda en una cápsula y agregando agua destilada para restablecer el volumen de la suspensión, nuevamente, a 1000 cm3. (Incluyendo el volumen del defloculante necesario). La porción que se extrae de la probeta debe secarse al horno y pesarse.

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V.2.5. Método de cálculo.

1. Para la fracción de la muestra retenida en la malla N° 4, se calculan los porcentajes del material retenido en cada malla respecto al peso seco del total de la muestra. Se anotan los resultados en la columna correspondiente al porcentaje retenido (lámina 5.1).

2. Para determinar los porcentajes acumulados del material que ha pasado por cada malla, se resta, del 100%, el porcentaje parcial retenido en la primera malla. A este valor se resta el de la segunda malla, y así sucesivamente.

3. Se procede en forma similar para la fracción que pasa la malla N° 4, refiriendo los porcentajes al peso seco de la porción empleada de material e incluyendo el peso seco de los finos separados por el lavado. Los porcentajes de la muestra total se obtienen multiplicando los obtenidos en el paso anterior por el porcentaje del material menor que malla N° 4.

4. El peso del material de la fracción utilizada en el análisis por vía húmeda (Incluyendo la porción que se haya extraído en caso de haber sido necesario reducir el peso volumétrico de la suspensión) es el peso de material menor que la malla N° 200. En rigor, a este peso debe sustraerse el peso del defloculante empleado en el análisis por vía húmeda. El detalle para calcular la granulometría de esta fracción se da más adelante, en el procedimiento de prueba del hidrómetro. Para obtener los porcentajes acumulativos respecto a la parte de la muestra que pasa la malla N° 4, se multiplican los porcentajes acumulativos de la malla N° 200. Para obtener los porcentajes acumulativos totales, se multiplican los porcentajes obtenidos en la prueba del hidrómetro por el porcentaje acumulativo total de la malla N° 200.

5. Con los valores asentados en el registro del análisis granulométrico (lámina 5.1), se construye la gráfica de la lámina 5.2, para lo cual se colocan, en las abscisas los diámetros del grano, y en las ordenadas los porcentajes. Cuando el material contiene partículas mayores que la malla N° 4, se construyen dos curvas en la misma lámina, una con los porcentajes totales y otra con los porcentajes de la parte de la muestra que pasa la malla N° 4.

6. Para facilitar la clasificación del material en el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, se registran los porcentajes de gravas, arenas y finos. Si el material es arenoso, el coeficiente de uniformidad, Cu, puede calcularse de la manera siguiente:

⟩⟨⟩⟨=

10

60

D

DCu

Donde D10 y D60 son los diámetros tales que, en peso, 10 y 60 por ciento de los granos son inferiores. Esos datos se anotan en el mismo registro. El coeficiente de curvatura, Cc, puede obtenerse en forma análoga.

6010

230

DD

DCc

⟩⟨=

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V.2.6. Errores posibles. Además de los errores que pueden ocurrir en la prueba del hidrómetro y que se mencionan más adelante, los principales que se presentan en la prueba de análisis combinado son los siguientes:

1. Estado defectuoso de las mallas. Es frecuente que las mallas presenten deformaciones y roturas que las hace inadecuadas para la prueba, por lo que deben revisarse antes de ser usadas.

2. Sobrecarga de las mallas. Éste es el error más común y serio en el análisis por mallas; es la causa de que el material parezca más grueso de lo que realmente es. Las muestras grandes deben cribarse en varias porciones.

3. Tiempo insuficiente de agitado de las mallas. Los materiales angulares requieren de un tiempo de agitado largo que debe determinarse experimentalmente.

4. Pérdida de agua de lavado con finos, por manipulación descuidada. 5. Arrastre de arena gruesa por el agua de lavado durante el proceso de decantación sucesiva.

Puede ser conveniente cribar el residuo de la prueba del hidrómetro si se sospecha que esto ha ocurrido.

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OBSERVACIONES:

LÁMINA 5.1

MALLA ABERTURA

en mm PESO RETENIDO

en kg % PARCIAL RETENIDO

PORCENTAJE ACUMULATIVO QUE

PASA OBSERVACIONES

100.00 3 pulg

2 pulg.

1 ½� pulg

1 pulg.

¾ pulg.

½ pulg.

3/8 pulg.

Análisis efectuado con la muestra total de _______ g.

Humedad testigo Grava W ______ %

N° 4

SUMA =

% DE GRAVA ________

PORCENTAJE ACUMULATIVO QUE PASA

MALLA ABERTURA

en mm

PESO RETENIDO

en kg

% PARCIAL RETENIDO MUESTRA < N°

4 MUESTRA

TOTAL

OBSERVACIONES

8 10 12 16 30 40 50 100

Análisis efectuado con muestra de ______ g. Del material menor que la malla N° 4

200 % MAT. FINO < MALLA 200 SUMAS

CHAROLA Charola N°

VÍA

S

EC

A

SUMA Chequeo con muestra seca HIDROMETRO N°

Análisis efectuado con grs. Secos de material menor que la malla N° 200 Ss = % ACUMULATIVO

QUE PASA LA MALLA HORA TIEMPO

LECTURA HIDROMETRO

LECTURA CORREGIDA

R�

TEMPERATURA

R 1−+

Ss

MSsR

N° 200 N° 4 TOTAL

ALTURA DE CAIDA en cm

DIÁMETRO en cm

V

ÍA H

UM

ED

A

OBRA : LOCALIZACIÓN: SONDEO No. : ENSAYE No. : MUESTRA No. : PROF. : DESCRIPCION:

UNIVERSIDAD A U T Ó N O M A D E G U E R R E R O F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A

GRANULOMETRIA POR MALLAS

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

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V.3. Análisis por medio del hidrómetro. La granulometría de un suelo fino no permite sacar conclusiones en cuanto a sus propiedades mecánicas, pero puede ser interesante para estimar su susceptibilidad al congelamiento y, de tratarse de una arcilla, su actividad, así como para fines de clasificación. La granulometría de la fracción fina de una muestra (Material que pasa la malla 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 0.0005 mm. El método consiste en dejar sedimentar una suspensión de material. Con el hidrómetro se puede precisar la variación del peso volumétrico de la suspensión 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 de un instante dado. La combinación de ambos datos proporciona la granulometría del material de la suspensión. V.3.1. Calibración del hidrómetro.

A) Equipo necesario.

- Hidrómetro, en g/lt, graduado de 0 a 60 con precisión de 1 g/lt. Calibrado a una - temperatura de 20° C. - Probeta de 50 cm3 (fig. 5.4). - Termómetro, con precisión de 0.1° C. - Escala de acero, en mm. - Probetas de 100 cm3. - Cloruro de sodio químicamente puro. - Compás de puntas. - Matraces calibrados de 500 cm3. - Balanza de 800 g. de capacidad y precisión de 0.01 g.

B) Comprobación de la escala del hidrómetro.

1. La escala del hidrómetro puede desplazarse dentro del vástago y dar lecturas erróneas. Para verificarla, se presentan soluciones de sal química pura, de concentraciones conocidas, y se observan las lecturas del hidrómetro en cada una de las soluciones. Es conveniente usar concentraciones de 8, 16 y 24 gramos de sal que, con agua destilada, formen 500 cm3 de solución.

2. Se verifican los volúmenes de tres matraces; para ello se llenan hasta la marca de aforo y se pesan en la balanza con capacidad de 800 g. El volumen se obtiene dividiendo el peso del agua en el matraz entre el peso volumétrico del agua a la temperatura de operación (Tabla 5.1). Durante los pasos siguientes, debe evitarse todo cambio de temperatura ambiente.

3. Se pesan, con precisión de 0.01g las cantidades de 8, 16 y 24 g de sal. Se retiran con una pipeta de 10 cm3 de agua de cuello de los matraces y se vacía en éstos cada porción de sal; cuando se ha disuelto, se llenan con agua destilada hasta la marca de aforo. Se pesan los matraces y se calculan los pesos volumétricos.

soluciónVolumen

ovolumetricPesom =γ

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4. Las soluciones así obtenidas se transfieren a tres probetas de 500 cm3. 5. Se introduce al hidrómetro en una de las probetas y se registra la lectura observada abajo

del menisco, o sea a la altura del nivel libre del agua. 6. Se repite la operación para cada una de las soluciones con agua destilada. 7. Las lecturas, que el hidrómetro debería dar si la escala estuviera correcta, se calculan por

medio de la expresión:

1Ss

Ss11000L a−

⟩−γ⟨=

Donde: L = Lectura, en g / lt, que debería leerse en el hidrómetro.

aγ = Peso volumétrico aparente de la solución, tomando en cuenta los cambios volumétricos del bulbo del hidrómetro a la temperatura de operación respecto a la de calibración (20°).

SS = 2.65 (Valor constante para todos los hidrómetros).

3T

CT

a

10

m1

m

−γ−γ+γ=γ

El peso volumétrico aparente, aγ se obtiene a partir del peso volumétrico calculado, mγ , por

medio de la relación: Los valores de la corrección por temperatura, Tm , definidos en la lámina 5.4, se dan en la tabla

5.1, Tγ es la densidad del agua a la temperatura de calibración del hidrómetro (0.9982 para una temperatura de calibración de 20° C).

Tabla 5.1 Valor de Tm

Tm : CORRECCIÓN POR TEMPERATURA.

T°C Tm T°C Tm T°C Tm

14 -0.9 20 0 26 1.3

14.5 -0.8 20.5 0.1 26.5 1.4

15 -0.8 21 0.2 27 1.5

15.5 -0.7 21.5 0.3 27.5 1.6

16 -0.6 22 0.4 28 1.8

16.5 -0.6 22.5 0.5 28.5 1.9 17 -0.5 23 0.6 29 2.1

17.5 -0.4 23.5 0.7 29.5 2.2

18 -0.4 24 0.8 30 2.3

18.5 -0.3 24.5 0.9 30.5 2.5

19 -0.2 25 1 31 2.6

19.5 -0.1 25.5 1.1

Los datos obtenidos se registran en el primer cuadro de la lámina 5.3

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C) Determinación del volumen del bulbo del hidrómetro: HV . Para determinar HV , se usa uno de los procedimientos siguientes: 1. Se llena una probeta graduada de 500 cm3 hasta la marca de 400 cm3. Se sumerge el

hidrómetro y se observa el nuevo nivel. El volumen desplazado es el volumen del bulbo. 2. Se pesa el hidrómetro, con aproximación de 0.01 g. Como el peso volumétrico del hidrómetro

es aproximadamente, igual a 1 g /cm3, el peso en gramos puede considerarse como el volumen en centímetros cúbicos. Este volumen incluye el vástago, pero el error es pequeño y puede despreciarse.

D) Alturas de caída de las partículas. Como se verá más adelante, durante la primera parte de la prueba, el hidrómetro se remueve cada vez y se desplaza la superficie del agua, por lo que la altura de caída debe corregirse y es igual a

− A2Vh H , donde A es el área de la sección transversal de la probeta de sedimentación.

Con el fin de determinar h y A se siguen los pasos siguientes: 1. En una probeta de 500 cm3. Se vierten 420 cm3 de agua y se sumerge el hidrómetro,

lentamente, hasta desalojar un volumen igual a la mitad del correspondiente al bulbo, HV (En estas condiciones, la superficie del agua señala la altura a la que se encuentra el centro del volumen del bulbo). Se hace la lectura KR que, en la escala del hidrómetro, coincida con el borde superior de la probeta, con aproximación de 0.1 g / lt, y se mide la distancia hK desde el citado borde a la superficie libre del agua. El valor de Kh es la distancia del centro de

volumen del hidrómetro a la lectura KR ).

2. Para referir las distancias hi de cada lectura iR del vástago al centro de volumen, se mide, en

el vástago, la distancia entre iR y KR , tomada como referencia; dependiendo de que la

lectura Ri sea mayor o menor que KR , se suma o resta esta distancia del valor Kh medido en el paso anterior.

3. Se determina el área, A, de la probeta de 1000 cm3, midiendo, con un compás de puntas, la distancia entre dos graduaciones (Por ejemplo, entre 500 y 1000). El área, A, se obtiene dividiendo el volumen leído entre la distancia medida.

Las alturas de caída corregidas A2VhH H

ii −= se anotan en el segundo cuadro de la lámina

5.3 E) Corrección por menisco: ( )mC Los hidrómetros están calibrados para hacer la lectura al nivel libre del líquido. Al formarse el menisco alrededor del vástago, la lectura correcta no puede hacerse, ya que las suspensiones del suelo no son transparentes, por lo que es necesario leer donde termina el menisco, y corregir la lectura tomando su altura.

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La corrección se determina sumergiendo el hidrómetro en agua destilada y haciendo dos lecturas en la escala; una en la parte superior del menisco y otra siguiendo la superficie horizontal del agua (Se anotan los resultados en el tercer cuadro de la lámina 5.3). La diferencia de las dos lecturas proporciona la corrección ( )mC que debe sumarse a las efectuadas durante la prueba.

F) Corrección por defloculante: ( )dC

Al agregar un agente defloculante a la suspensión, se aumenta la densidad de éste, por lo que debe hacerse una nueva corrección, ( )dC , que depende de la cantidad de defloculante.

Para determinar el valor de ( )dC , se sumerge el hidrómetro en agua destilada y se hace la lectura

en la escala. Después se añade la cantidad de defloculante que se usará en la prueba, y se vuelve a sumergir el hidrómetro; y se lee nuevamente. La diferencia entre ambas lecturas es ( )dC (Se

anota el resultado en el cuarto cuadro de la lámina 5.3). Esta corrección es negativa. Con los datos registrados en la lámina 5.3, se construyen las gráficas que se utilizarán para calcular la granulometría. 1. Con los valores del primer cuadro, se construye una gráfica que tenga en abscisas las lecturas

tomadas directamente del hidrómetro, y por ordenadas las lecturas que deberá dar la escala del hidrómetro.

Se fija la ordenada correspondiente a la suma algebraica de ( )mC y ( )dC y se traza a partir de

este punto, una paralela a la gráfica anterior. Con estos nuevos datos, puede construirse un nomograma, en uno de cuyos lados aparecen las lecturas del hidrómetro tomadas sobre el menisco con defloculante, y en el otro, las lecturas del hidrómetro tomadas bajo el menisco sin defloculante. 2. Con los valores obtenidos en el segundo cuadro de la lámina 5.3, se construye una gráfica que

tenga, en el eje de las abscisas, las lecturas del hidrómetro, iR y, en el de las ordenadas, las

alturas de caída, iH , corregidas. Se corrige por menisco ( )mC , en la forma ya explicada, y se

traza un nomograma que tenga, en un lado los valores correspondientes a iH y en el otro los

de iR corregidos. Estos nomogramas se emplean para los cálculos del análisis granulométrico: en la lámina 5.4, el primer eje del nomograma se utiliza para obtener el peso de sólidos en suspensión. El nomograma de Casagrande, se utiliza a fin de obtener los diámetros de las partículas. V.3.2. Defloculantes El defloculante es un agente de dispersión de los grumos que tienden a formar entre sí las partículas finas al estar en suspensión. El tipo apropiado y la cantidad de defloculante por agregar es variable para las distintas clases de suelo, y deben determinarse experimentalmente.

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El hexametafosfato de sodio (Calgon) es el agente defloculante más útil para suelos finos. Generalmente una cantidad de 15 cm3, de solución 0.4 normal (41 g por litro) es suficiente. Con objeto de determinar con más precisión la cantidad adecuada, se pueden agregar cantidades variables a varios tubos de ensaye que contengan muestra de la suspensión. Después de dejar en reposo, durante varias horas, estas suspensiones, se observa, por transparencia de una línea horizontal de demarcación que separa el suelo floculado del que en proceso de floculación. Deberá utilizarse la concentración más baja que dé los resultados adecuados. Otros agentes que han demostrado su utilidad son el tetrafosfato, el tripolifosfato, y el pirofosfato de sodio, en concentraciones de 0.5 a 0.001 normal y el metafosfato de sodio en concentración de 0.001 moles/litro. El silicato de sodio no es adecuado como agente defloculante. V.3.3. Realización de la prueba del hidrómetro A). Equipo requerido.

- Hidrómetro, en lg , graduado de 0 a 60, con precisión de 1 l

g .

- Probeta Bouyucos de 1000 cm3 sin vertedero. - Probeta ordinaria de 1000 cm3. - Cronómetro para tomar tiempos de reposo (Fig. 5.13) - Termómetro, graduado en 0.1 °C, de 0 a 50 °C. - Balanza con capacidad de 2 160 g y precisión de 0.01 g. - Mezclador mecánico. - Defloculante (Fig. 5.14). - Cápsula de porcelana. - Horno de temperatura constante (110 °C). B) Procedimiento. Si la prueba es parte de un análisis combinado, se forma, con los finos obtenidos por lavado, una suspensión de 1000 cm3 (incluyendo el volumen de defloculante necesario) que no dé una lectura del hidrómetro mayor de 60 g/l. Esta suspensión se agita y se deja reposar de un día para otro. Se procede, entonces, a la prueba del hidrómetro empezando en el punto 7 del procedimiento descrito a continuación. Si la prueba se aplica directamente a una muestra de suelo fino se procede como sigue: 1. Se pesa una cantidad de suelo húmedo que contenga, aproximadamente, 50 g de sólidos y

hasta 100 g si el suelo contiene un porcentaje apreciable de granos gruesos que, sin embargo, no justifique un análisis combinado (menos del 25% de retenido en la malla N° 200).

2. Se prepara una solución de 900 cm3, con la cantidad total del defloculante que debe emplearse en la suspensión.

3. Se agrega una parte de esta solución al suelo y se mezcla hasta obtener la consistencia de una pasta fluida.

4. Se transfiere la pasta a un mezclador mecánico, y se agrega otra parte de la solución preparada en el segundo paso hasta obtener, aproximadamente 300 cm3 de pasta líquida.

5. La suspensión suelo - agua se revuelve, en el mezclador mecánico durante 15 minutos por lo menos.

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6. Se vierte la suspensión en una probeta Bouyucos. Se agrega el resto de la solución y agua destilada hasta la marca de aforo (1000 cm3). Si se trata de un material muy plástico, es conveniente dejar reposar la suspensión con el defloculante de un día para otro.

7. Con la mano se obtura la boca de la probeta y se agita vigorosamente durante 1 minuto, haciéndola girar 180° en un plano vertical.

8. Se coloca cuidadosamente, pero rápidamente, la probeta en una mesa firme, se pone en marcha el cronómetro y, poco a poco, se sumerge el hidrómetro hasta que comience a flotar. Se deja durante dos minutos, tomando lecturas a los 20, 40, 80 y 120 segundos. Las lecturas deberán anotarse en el cuadro de registro correspondiente de la lámina 5.1.

9. Se retira el hidrómetro y se sumerge en una probeta con agua limpia; se toma la temperatura de la muestra.

Se repiten los pasos 7 a 9 hasta obtener un juego consistente de lecturas para los dos primeros minutos del proceso de decantación.

10. Se reinicia la prueba como se indica en los puntos 7 y 8, pero insertando el hidrómetro solamente a los 100 segundos para realizar la lectura de dos minutos. Después de esta lectura, se retira el hidrómetro de la suspensión y se toma la temperatura.

11. Se repiten las lecturas a los 5, 10, 20, 25 y 30 minutos, y a la 1, 1.5, 2, 3, 24 y 48 hrs. El hidrómetro se introduce en la suspensión, aproximadamente 20 seg antes de hacer nada una de las lecturas, y se registra la temperatura de ésta después de cada operación.

El hidrómetro debe permanecer en una probeta de agua limpia, la cual estará junto a la de sedimentación, de modo que el hidrómetro se encuentre a la misma temperatura que la suspensión en la probeta contigua. El vástago del hidrómetro deberá limpiarse con papel absorbente antes de cada lectura. Las probetas de sedimentación y de agua limpia deberán mantenerse tapadas para evitar evaporación y depósito de polvo. 12. Después de la última lectura, la probeta se agita vigorosamente para poner, nuevamente, los

sedimentos en suspensión. Se transfiere la suspensión a una cápsula de 1300 cm3 de capacidad, y se seca al horno. Se calcula el peso seco de los sólidos, sustrayendo el del defloculante.

C) Método de cálculo. Para calcular los tamaños y porcentajes de partículas de la porción de suelo analizada, se procede de la siguiente manera: 1. Con las lecturas del hidrómetro, hechas en distintos tiempos, y sus respectivas temperaturas,

registradas en la lámina 5.1, se procede a calcular el peso de los sólidos en suspensión de acuerdo con la clave del nomograma que aparece en la lámina 5.4. Los valores que se obtengan en el eje WD, de dicho nomograma se anotan en la columna WD del registro. WD es el peso de todas las partículas menores que el diámetro D (Paso 3).

2. Con estos valores, se procede al cálculo de los porcentajes acumulativos:

DWWs

100%W =

Donde SW , es el peso total de sólidos obtenidos al terminar la prueba.

73

3. El diámetro "D" de las partículas, correspondiente a cada porcentaje, se estima con el diagrama de la Ley de Stokes, de A. Casagrande (Lámina 5.6), a partir de la densidad de sólidos del suelo, temperatura, lecturas del hidrómetro, y tiempos correspondientes, según la clave.

4. Si la prueba es parte de un análisis combinado, los porcentajes obtenidos se combinan con los datos del análisis por mallas, como se indica en el procedimiento de análisis combinado.

V.3.4 Errores posibles en la prueba. 1. Empleo de un agente de dispersión inadecuado ó concentración inadecuada. 2. Insuficiente agitación de la probeta antes de la prueba. 3. Interferencia en el proceso de sedimentación por la cantidad excesiva de sólidos en

suspensión. 4. Desarrollo incompleto del menisco. El vástago del hidrómetro debe estar perfectamente

limpio. 5. Diferencias de temperatura en la probeta, ó variaciones excesivas de la temperatura ambiente

(Es conveniente llevar un registro de temperaturas en el laboratorio, por lo menos la máxima y la mínima diaria).

6. Turbulencias en la suspensión debidas a la falta de cuidado en la inserción y remoción del hidrómetro.

7. Pérdidas de material al transferir la suspensión al recipiente evaporador después de la prueba.

74

Ss

11

)1(1000L a

−−γ=

VH = Volumen del Hidrómetro. A = Sección transversal de la probeta. Ri = Lectura del hidrómetro. hi = Distancia del centro del volumen a cada marca del hidrómetro. Hi = Alturas de caída verdaderas de las partículas. けa = Peso volumétrico de las soluciones a la temperatura ambiente. L = Lectura que debería dar el hidrómetro si su escala estuviera correcta. Ss = Densidad de partículas, 2.65 valor constante para todos los hidrómetros.

LAMINA 5.3

Hidrómetro Operó Probeta N° VH = cm3 A = cm2 Probeta graduada N° Fecha

MATRAZ N°

TARA SAL. en gr.

PESO SÓLIDO + TARA

PESO SOLUCIÓN

VOLUMEN SOLUCIÓN

けa LECTURAS

HIDRÓMETRO L

Ri hi Hi

CORRECCIÓN POR MENISCO cm ( + ) LECTURA INFERIOR LECTURA SUPERIOR cm

CORRECCIÓN POR DEFLOCULANTE Cd ( - ) LECTURA AGUA + DEFLOCULANTE LECTURA AGUA Cd DEFLOCULANTE USADO

PESO DEL AGUA DEL MATRAZ Vsol =

PESO VOL. DEL AGUA T° C

VH VH Hi = hi-

2A

2ª

OBSERVACIONES

UNIVERSIDAD A U T Ó N O M A D E G U E R R E R O F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A

CALIBRACIÓN DEL HIDRÓMETRO

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

75

76

77

TARA + MUESTRA HUMEDA (gr) TARA + MUESTRA SECA (gr) PESO AGUA (gr) PESO TARA (gr) PESO MUESTRA SECA (gr) CONTENIDO DE HUMEDAD (w %) W prom. (%) =

Malla N° Abertura

Peso del

suelo retenido

Porciento retenido parcial

Porciento que pasa

Malla N° Abertura

Peso del suelo

retenido

Porciento retenido parcial

Porciento que pasa

------ mm gr gr % ------ mm gr gr % 3� 76.00 10 2� 58.80 20

1 ½� 36.10 40 1� 25.40 60 ¾� 19.05 100 ½� 12.70 200

3/8� 9.52 Pasa 200 N° 4 4.75 SUMA

Pasa N° 4 SUMA

D10 = mm D60 > 3� = % D30 = mm

Cu = D10

=

= G = %

D60 = mm S = % Cc = (D30)

2 F = % (D10) (D60)

=

=

Clasificación del SUCS: Observaciones :

PESO DE LA MUESTRA:

Diámetro: mm

% q

ue

pas

a, e

n p

eso

0.010.11101000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE GUERRERO FACULTAD DE INGENIERIA

GRANULOMETRIA POR MALLAS

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

OBRA: LOCALIZACIÓN: SONDEO N° ENSAYE N° MUESTRA N° PROF. DESCRIPCION

78

CAPÍTULO VI. LÍMITES DE CONSISTENCIA Ó DE ATTERBERG. VI.1. Introducción. Las pruebas de Atterberg tienen por objeto determinar la plasticidad de la porción del material que pasa la malla N° 40 y que forma parte de un suelo. La plasticidad es una propiedad de las arcillas que les permite cambiar su forma sin agrietarse, cuando se le sujeta a una presión, reteniendo una nueva forma cuando desaparece el esfuerzo aplicado. La plasticidad se considera que se debe a la presencia de una película gelatinosa que rodea a los granos de arcilla En algunos casos este material gelatinoso pierde su poder de adquirir agua cuando ha sido secado totalmente; de aquí la necesidad de hacer las pruebas de Atterberg en materiales que se han secado sólo parcialmente para tomar por cuarteo la porción de muestra con que se van a verificar dichas pruebas. Atterberg marcó las fronteras de los cuatro estados en que pueden presentarse los materiales muy finos; para ello estableció los límites siguientes: líquido, plástico y de contracción. El primero es la frontera entre el estado líquido y el plástico; el segundo, entre el plástico y el semisólido; el tercero separa el estado semisólido del sólido. A estos límites se les llama "Límites de consistencia�. VI.2. Determinación del límite líquido. El límite líquido (LL) es el contenido de agua (Expresado como porcentaje de peso seco) que debe tener un suelo remoldeado para que una muestra en que en que se haya practicado una ranura de dimensiones normales se cierre, sin resbalar en su apoyo, al someterla a un impacto de 25 golpes bien definidos. El límite plástico (LP) es el contenido de agua con el que se rompe en fragmentos de tamaño definido un rollo de 3.2 mm de diámetro formado con un suelo al rodarlo, con la palma de la mano sobre una superficie plana. El límite de contracción (LC) es el contenido de agua que saturaría a un suelo contraído por secado. La diferencia entre el límite líquido y el límite plástico se llama "Índice de plasticidad", y mide el intervalo de contenido de agua en el cual el suelo es plástico. El índice de contracción se define como la diferencia entre el límite plástico y de contracción. En mecánica de suelos y, en particular, en los estudios de materiales para construcción de terraplenes de una cortina, sub-base y base de pavimentos etc., las pruebas de Atterberg, conjuntamente con la determinación granulométrica, son básicas para juzgar la calidad del material que se pretende usar. En los materiales pétreos para carpetas, se aplican a fin de conocer el grado de plasticidad de los finos que sería un indicio de la presencia de arcilla. Esta arcilla puede ser perjudicial principalmente en mezclas asfálticas, dependiendo de su actividad y de la cantidad y forma en que se presente el material. Cuando la arcilla se encuentra dispersa en el material, o adherida a sus partículas, ocasiona una deficiencia en la adherencia de la película asfáltica y si se encuentra formando grumos aislados cada uno de éstos constituye un punto débil en la carpeta, en presencia de agua.

79

VI.2.1. Equipo. - Dispositivo para determinar el límite líquido (copa de Casagrande), ranurador plano

triangular, solera plana de un centímetro de espesor. - Malla N° 40 (0.420 mm), espátulas, cápsula de porcelana, vidrios de reloj, piseta con agua

destilada, mortero. - Balanza con aproximación de 0.001 g y capacidad mínima de l00 g. - Horno a temperatura constante de 110° C - Desecador. VI.2.2. Preparación de la muestra. Es preferible que al preparar el suelo para la prueba, se encuentre con su contenido de agua natural. El secado del material puede alterar sensiblemente los valores de los límites. Durante la preparación del material y su ensaye, no se debe permitir que el contenido de agua del suelo baje más allá del límite plástico o de su contenido natural. Para poder establecer correlaciones válidas entre los resultados obtenidos, todos los límites y los contenidos de agua deben determinarse en el mismo material. No deben mezclarse suelos con diferentes características de plasticidad. El procedimiento de separación de las partículas retenidas por la malla N° 40 se elige en función de su resistencia en estado seco. Se seca al horno una muestra húmeda de material y se presiona con los dedos. Si se desmorona fácilmente, el material es areno � limoso ó limoso y se usa el método de separación en estado seco. En cambio, si la muestra ofrece una resistencia apreciable, el material es arcilloso y se requiere hacer la preparación con ayuda de agua. Método seco

1. Del material que pasa la malla N° 4 (4.76 mm), se desmenuzan 150 g. en un mortero, cuidando de no llegar a romper los granos.

2. Se pasa el material a través de la malla N° 40. 3. Se pone en una cápsula el material que ha pasado por dicha malla. 4. Se agrega agua y, con una espátula de cuchillo, se mezcla perfectamente, hasta obtener una

pasta suave y espesa, con una consistencia correspondiente aproximadamente, a 10 golpes en la prueba de límite líquido.

5. Se guarda la muestra humedecida en un frasco de vidrio hermético durante 24 hrs. por lo menos, para que la humedad se distribuya uniformemente en el suelo. La muestra puede dejarse en la cápsula a condición de ponerla en un cuarto húmedo, cubierto con papel encerado ó lámina de aluminio.

6. Se repiten los pasos anteriores reduciendo la cantidad de agua agregada, para obtener una segunda muestra con contenido de agua ligeramente superior al límite líquido.

Método húmedo. Se desmorona el material en una charola y se deja remojar en una cápsula de 30 cm de diámetro. Una vez deshechos los grumos, se vacía el contenido de la cápsula sobre la malla N° 40 y se lava la muestra con agua lo mejor posible. Posteriormente se deja evaporar el material que haya pasado la malla N° 40 hasta que tome la consistencia de una pasta suave y espesa. Se guarda una porción en un frasco para la prueba de límite líquido y se deja secar la otra porción hasta que presente un contenido de agua ligeramente superior al límite plástico.

80

El tiempo requerido para que la humedad de las muestras sea uniforme se reduce, en este caso, a algunas horas, ya que todas las partículas se humedecieron durante el lavado en la malla N° 40. El material que pasa la malla N° 40 puede también separarse como sigue:

1. Se separa la fracción fina que pasa la malla N° 200 (0.074 mm) por el procedimiento de decantación sucesiva.

2. Se seca al horno la fracción gruesa lavada y se pasa a través de la malla N° 40. 3. Se mezcla cuidadosamente el material y se deja secar hasta que adquiera la consistencia

deseada. Si la muestra original contiene pocas partículas retenidas en la malla N° 40, el cribado a través de dicha malla no es necesario. En tal caso, si su contenido de agua natural es inferior al límite líquido, el suelo debe mezclarse cuidadosamente con agua. En el caso de arcillas plásticas, es indispensable dejar reposar la muestra durante 24 horas, después de agregar y mezclarle agua. En el caso de arcillas tan plásticas como la bentonita, puede requerirse de varias semanas de reposo en ambiente húmedo para lograr una mezcla uniforme. VI.2.3.Ajuste y verificación de la copa de Casagrande. El procedimiento indicado para este fin se describe a continuación:

1. En la copa del aparato se marca con lápiz una cruz en el centro de la huella que se forma al golpear contra la base .

2. Se da vuelta a la manija hasta que la copa se eleve a su mayor altura, utilizando una solera de un centímetro de espesor ó el calibrador de un centímetro adosado al ranurador, se verifica que la distancia entre el punto de percusión y la base sea de un centímetro exactamente. De ser necesario, se aflojan los tornillos de fijación y se mueve el de ajuste hasta obtener la altura de caída requerida.

3. Periódicamente, y al usar un dispositivo por primera vez, se verificaran además los detalles siguientes:

- La copa debe pesar 200 gr con una tolerancia de 20 g. - Los puntos de impacto, tanto en la base como en la copa, no deben estar gastados. Si la marca

de la base tiene más de 0.1 mm de profundidad, ésta debe pulirse nuevamente. - Los soportes de hule de la base no deben estar gastados al punto de que ésta se apoye en

algunos de los tornillos de fijación. Es preferible que la base tenga solamente tres soportes de hule muy suave.

- Al dejar caer sobre la base un balín de acero de 2 g. con diámetro de 8 mm (5/16 pulg), desde una altura de 25.4 cm (10 pulgadas). La altura de rebote debe estar comprendida entre 18.5 cm (7.3 pulg.) y 21 cm (8.3 pulg.).

- En los últimos 10 grados de rotación de la manija, justamente antes de que la copa caiga sobre la base, la altura de la copa sobre ésta debe ser, prácticamente constante.

- Las dimensiones del ranurador deben verificarse; punta (2.0 ± 0.1 mm) y ancho de la parte superior de la ranura (11.0 ± 0.2 mm).

81

VI.2.4. Procedimiento de prueba para determinar el límite líquido La prueba deberá realizarse en el cuarto húmedo para evitar el secado superficial de la muestra. Si no se cuenta con cuarto de este tipo, deberán tomarse las precauciones necesarias para reducir la evaporación. El proceso es: 1. Se mezcla la muestra en una cápsula de porcelana hasta hacerla homogénea. 2. Con una espátula, se coloca en la copa entre 50 y 75 g. de la muestra y se enrasa la superficie.

La cantidad de material debe ser suficiente para que pueda labrarse la ranura completa en una longitud de 4 cm aproximadamente.

3. Se hace una ranura en el centro de la muestra, inclinando el ranurador de manera que permanezca perpendicular a la superficie interior de la copa. Para arcillas arenosas, limos con poca plasticidad y algunos suelos orgánicos, el ranurador plano no permite labrar la ranura a satisfacción. Para estos suelos, se corta la ranura con una espátula verificándose las dimensiones con el ranurador.

4. Después de asegurarse de que la copa y su base estén limpias y secas se da vuelta, uniformemente, a la manija a razón de dos golpes por segundo hasta que la ranura se cierre en una longitud de 1.3 cm, aproximadamente. Si el cierre de la ranura es irregular debido a burbujas de aire o granos de arena, se descarta el resultado obtenido.

5. Con la espátula, se vuelve a mezclar el material y se repiten las operaciones indicadas en los puntos 2, 3 y 4 hasta que se obtengan dos determinaciones congruentes con diferencia máxima de un golpe. Se anota el resultado o el promedio de los dos últimos.

6. En un vidrio de reloj, se ponen 10 g. aproximadamente, de la porción de la muestra que está próxima a la ranura.

7. Se agrupan los vidrios. 8. Se pesan los vidrios de reloj con aproximación 0.001 g. anotando el valor en la columna con

encabezado Tara + Muestra húmeda, de la lámina 6.1. En el mismo renglón se registra el número de la tara y su peso correspondiente.

9. Se repiten los pasos 1 a 8, con material más seco, hasta obtener cuatro determinaciones comprendidas entre 10 y 35 golpes. El contenido de agua de la muestra puede reducirse comprimiendo el suelo entre toallas de papel o mezclándolo sobre una placa de cerámica microporosa en ambiente seco.

10. Los vidrios de reloj con las muestras se introducen en el horno durante 18 hrs. Al sacarlos, se dejan enfriar en un desecador y se pesan. Los valores obtenidos se anotan en la columna correspondiente de la lámina 6.1.

11. Se determinan los contenidos de agua correspondientes a los distintos números de golpeo, y se traza la curva que mejor se ajuste a los puntos obtenidos en el rayado semilogarítmico. Se obtiene, de esta manera la llamada "Curva de fluidez".

12. La ordenada de la curva, correspondiente a una abscisa de 25 golpes, es el límite líquido. Se redondea el valor obtenido al entero más cercano.

VI.2.5. Método optativo para determinar el límite líquido con un solo punto. Un método optativo para determinar el límite líquido con un solo punto dentro de ciertos intervalos de números de golpes (20 a 30 únicamente) consiste en emplear la fórmula siguiente:

β

= tan25

NWLL N

82

Donde: LL: Límite líquido.

NW : Contenido de agua correspondiente a N golpes.

βtan : Pendiente de la curva de fluidez en escala logarítmica doble, en la vecindad del límite líquido.

Para muchos tipos de suelos, βtan es, aproximadamente, igual a 0.12. Sin embargo este método sólo se podrá usar para suelos de características geológicas idénticas, para los cuales se había

verificado el valor de βtan mediante pruebas convencionales. Este método requiere especial cuidado del operador al efectuar la prueba. Con el objeto de facilitar el empleo de la fórmula, se dan en la tabla siguiente los valores ( ) 12.025/N , para un número de golpes comprendido entre 20 y 30.

Tabla 6.1 Valores de ( ) 12.025/N

N ( ) 12.025/N N ( ) 12.025/N N ( ) 12.025/N

20 0.974 24 0.995 28 1.014

21 0.979 25 1.000 29 1.014 22 0.985 26 1.005 30 1.022 23 0.990 27 1.009

Para que el valor del límite líquido obtenido sea más confiable, es conveniente aplicar el método anterior a dos puntos distintos, y verificar que los valores obtenidos no difieran más del 2% de su promedio. VI.3 Determinación del límite plástico. Esta prueba se realiza simultáneamente a la anterior; el equipo adicional necesario es el siguiente: VI.3.1. Equipo. - Placa de vidrio despulido de 15 X 15 cm, aproximadamente. - Alambre de 3.2 mm (1/8 de pulgada). - Placa de cerámica microporosa. VI.3.2. Preparación de la muestra Debe prepararse al mismo tiempo que el material para límite líquido. Ver VI.2.2 VI.3.3. Procedimiento. Se recomienda realizar esta prueba en un cuarto húmedo, especialmente si el material es limoso.

83

1. Se toma un centímetro cúbico de la muestra, aproximadamente. Si el material tiene un contenido de agua inicial excesivo, se rueda repetidamente sobre una placa de cerámica microporosa (no yeso) en atmósfera seca hasta que tenga un contenido de agua próximo al límite plástico. Se regresa al cuarto húmedo.

2. Se rueda la pequeña muestra sobre una placa de vidrio ligeramente despulido, bajo la palma de la mano o la base del pulgar hasta formar un cilindro de 3.2 mm de diámetro y de 13 cm de largo aproximadamente, el diámetro del cilindro puede verificarse con un alambre de 3.2 mm (1/8 pulg) de diámetro.

3. Se pliega el cilindro de suelo, se amasa para que tome una forma elipsoidal y se vuelve a rodar. Se repite la operación tantas veces como sea necesario para que, al perder agua por evaporación, y llegar al diámetro de 3.2 mm, el cilindro se agriete y se rompa en segmentos de 1cm de largo, aproximadamente. En el caso de suelos orgánicos, el cilindro debe rodarse con cuidado para que no se rompa prematuramente. Para suelos muy plásticos, deberá ejercerse una presión considerable para reducir el diámetro del cilindro a 3.2 mm. Con frecuencia, estos suelos no se agrietan en el límite plástico.

4. Se ponen los pedazos en dos vidrios de reloj que se engrapan con su broche. 5. Se pesa en la balanza de 0.001 g y se registra este valor en la columna cápsula + muestra

húmeda del cuadro correspondiente al límite plástico en la lámina 4.1; asimismo, se anota el número de la cápsula y su peso en la columna respectiva.

6. Se repiten los pasos 1a 4, con otra porción de la muestra, para comprobar la determinación anterior.

7. Las muestras se introducen en el horno durante 18 hrs. Después se dejan enfriar en un desecador y se pesan. Se anotan los valores en la columna cápsula + suelo seco.

8. Con los datos anteriores, se calculan los contenidos de agua. Si la diferencia de los resultados no es mayor del 2%, se considera que el límite plástico (LP) es igual al promedio, redondeado al entero más cercano. En caso contrario, se repite la determinación. La tolerancia podrá ser ligeramente mayor para suelos cuyo límite plástico sea inferior a 20.

VI.4. Determinación del límite de contracción. El límite de contracción no es independiente del líquido ni del plástico. Para la mayoría de los suelos, el límite de contracción puede estimarse burdamente mediante la relación:

Ip50

LP50LC +=

Donde: LP: Límite plástico Ip: Índice de plasticidad La determinación directa en el laboratorio permite obtener el límite de contracción con mejor precisión. VI.4.1. Equipo. - Mercurio. - Charola de plástico con recipiente para determinar volúmenes. - Balanza con precisión de 0.01 g y capacidad de 800 g. - Cápsula de porcelana. - Espátula y brocha.

84

VI.4.2 Preparación de la muestra.

El material necesario para la prueba se obtiene en la misma forma que para la prueba del límite líquido. Se usan 100 g del material que pasa la malla No. 40. La consistencia final de la muestra debe corresponder al límite plástico. En casos especiales, puede requerirse que el suelo se encuentre con su contenido de agua natural. VI.4.3. Procedimiento.

1. Se determinan los pesos de dos cápsulas Petri vacías y limpias y se anotan en la columna correspondiente de la lámina 6.2. Se cubre el interior de la cápsula con una capa delgada de aceite de silicón.

2. Se llena la cápsula con la pasta preparada, presionándola con una espátula de cuchillo, para remover las posibles burbujas de aire.

3. Una vez que se han removido todas las burbujas y que se ha llenado totalmente la cápsula, se enrasa utilizando la espátula de cuchillo, y se limpia perfectamente. Se llena, en la misma forma, una segunda cápsula.

4. Se pesan las cápsulas Petri con el material húmedo; se anotan los datos. 5. Se dejan los especímenes en el cuarto oscuro durante 12 hrs. Posteriormente se dejan secar

al aire hasta ver un cambio marcado en el color de las muestras. Finalmente se secan al horno durante 18 hrs. Estas precauciones son, generalmente suficientes para evitar el agrietamiento de las muestras durante el secado.

6. Se pesan las cápsulas con las muestras secas y se anotan los valores obtenidos. 7. Generalmente, las cápsulas tienen un volumen conocido. Para verificar u obtener este dato,

basta llenar de mercurio la cápsula hasta derramarlo, y enrasar mediante una placa de vidrio que se presiona hacia abajo, para forzar al excedente a salir de la cápsula. El peso del mercurio requerido para llenar la cápsula dividido entre su densidad (13.55 g/cm3) es el volumen de la cápsula. Se anotan los volúmenes de las cápsulas es decir; los volúmenes de las muestras húmedas, en la forma 6.2 de registro.

8. Para determinar el volumen de las pastillas secas se procede de la manera siguiente: Un recipiente se llena de mercurio hasta derramarlo. Se enrasa mediante un dispositivo especial de lucita, presionándolo hacia abajo para

forzar al excedente de mercurio a salir del recipiente. El mercurio se derrama en una charola de lucita inclinada, y se recoge en la parte inferior

de ésta en una cápsula protegida con una cubierta de lucita que impide pérdidas de mercurio.

La charola se limpia perfectamente con una brocha de cerda fina. 9. En la parte inferior de la charola de lucita se coloca, en el de la anterior, una nueva cápsula

limpia y tarada. 10. Se coloca la pastilla de suelo seco sobre la superficie del mercurio y se sumerge,

lentamente, con movimiento de rotación mediante el dispositivo de lucita. Se mantiene sumergido el conjunto mientras se limpia perfectamente el recipiente y la base.

En esta operación, el mercurio desalojado representa el volumen de la muestra seca. Se pesa el mercurio desalojado, el valor obtenido se anota en el registro. Se repiten los pasos 8 al 10 con la segunda muestra.

85

El límite de contracción se calcula con la fórmula siguiente:

100xWs

)VV(WW(%)LC fisi −−−=

Donde: LC: Limite de contracción en porcentaje.

iW : Contenido de agua del suelo antes de contraerse.

iV : Volumen inicial de la pastilla.

fV : Volumen final de la pastilla (suelo seco).

sW : Peso de sólidos.

El procedimiento descrito implica el uso del mercurio, el cual, como se sabe, puede tener efectos tóxicos, particularmente si llega a derramarse en un laboratorio sin buena ventilación. Se puede evitar el empleo de mercurio determinando el volumen de la pastilla a partir de sus dimensiones medidas con un calibrador. La precisión obtenida por este procedimiento no es muy satisfactoria debido a las irregularidades de la pastilla. Se describe, a continuación, un procedimiento optativo para determinar el límite de contracción con precisión suficiente sin necesidad de emplear mercurio. VI.4.4. Método optativo para determinar el límite de contracción. Este procedimiento requiere determinar previamente la densidad de la fase sólida del suelo. El equipo necesario se limita a lo siguiente: - Anillo de PVC (Diámetro interior de 7.5 cm y altura de 1.3 cm), - Placas de vidrio. - Calibrador Vernier. - Balanza de 800 gr de capacidad y precisión de 0.01 g y papel lija. 1. Se prepara la muestra en la misma forma que para el procedimiento anterior. 2. Se cubre la superficie de una placa de vidrio y el interior del anillo de PVC con una delgada

capa de aceite de silicón. Se coloca el anillo sobre la placa de vidrio. 3. Se coloca la muestra de suelo en el anillo, con una espátula de cuchillo, y se enrasa,

cuidadosamente, la superficie tratando de evitar la presencia de burbujas de aire. 4. Se seca la muestra en la forma indicada en el paso 5 del procedimiento anterior. 5. Se coloca un pedazo de papel lija en una placa de vidrio y se alisa la superficie superior de la

pastilla de suelo, de modo que quede aproximadamente paralela a la otra cara. 6. Utilizando el calibrador Vernier, se mide el espesor medio, h, del espécimen. Se determina,

con una tira de papel, el desarrollo de la circunferencia del espécimen en sus caras superior e inferior y a la mitad de su altura. Se deducen de las circunferencias, los diámetros y las superficies transversales a esos tres niveles. El volumen Vf puede, entonces, calcularse por la fórmula de los tres niveles, en donde se promedian las áreas de la parte superior, media e inferior, y multiplicada por la altura del espécimen y siguiendo las fórmulas que se anotan se llega al LC en porcentaje.

86

7. Se obtiene el peso, sW de la pastilla de suelo y se calcula su densidad aparente.

wV

WS

f

sm =

La densidad del agua a temperatura ambiente, w , puede, en este caso, considerarse igual a 1. El límite de contracción se calcula con la relación:

−=sm S

1

S

1%enLC

De donde: LC : Límite de contracción, en porcentaje.

mS : Densidad aparente del suelo en su estado seco.

SS : Densidad de sólidos del suelo.

VI.5 Índices de consistencia. Los índices de consistencia se deducen de los límites líquidos, plásticos y de contracción, de la manera siguiente:

1. El índice de plasticidad, Ip, es la diferencia entre el límite líquido, LL, y el plástico, LP, es decir:

LPLLIp −= 2. El índice de escurrimiento o fluidez, Fw , se define como la pendiente de la curva de

fluidez, y es igual a la variación del contenido de agua correspondiente a un ciclo de la escala logarítmica.

3. El índice de tenacidad, wT , se obtiene dividiendo el índice de plasticidad, Ip, entre el de

fluidez, Fw , ambos expresados en fracción racional, es decir:

Fw

IpTw =

4. La consistencia relativa, Cr, es el valor dado por la fórmula:

Ip

wLLCr

−=

De donde: w = Contenido de agua del material considerado. LL = Límite líquido. Ip = Índice de plasticidad.

5. El índice de contracción es la diferencia entre el límite plástico y el de contracción.

LCLPIc −=

6. La relación agua-plasticidad, B, expresada en porcentaje es:

100xIp

LPwB

−=

87

VI.5.1. Errores posibles Los errores más graves se presentan al usar una muestra no representativa del material probado. A continuación se mencionan otras fuentes de error para cada prueba específica. VI.5.2. Límite líquido.

1. Dispositivo para determinar el límite mal construido ó mal ajustado. Punto de percusión gastado. Restitución dinámica de la base insuficiente.

2. Ranurador con punta gastada, lo que ocasiona que la ranura formada en el suelo tenga más de dos milímetros de ancho en el fondo.

3. Corte incorrecto de la ranura. En suelos arenosos ocurre que el material se desliza sobre la superficie de la copa al labrar la ranura. En este caso, se subestima el límite líquido.

4. Pérdidas de agua durante la prueba. Para ciertos suelos, los resultados obtenidos son muy variables, a menos que se realice la prueba en un cuarto húmedo.

VI.5.3. Límite plástico.

1. Rodado del cilindro con los dedos. Los dedos rompen el cilindro antes de que el material llegue al límite plástico.

2. Diámetro final del cilindro incorrecto. 3. Detener la operación de rodado antes de tiempo. Si existe alguna duda en cuanto a saber si

ya se ha llegado al límite plástico, es mejor volver a rodar una vez más el cilindro que detener el proceso antes de lo debido.

VI.5.4.Límite de contracción.

1. Cápsula (ó anillo), no lubricada. Si el suelo se adhiere al recipiente, la pastilla puede agrietarse durante el secado.

2. Pastilla sometida a secado demasiado intenso. La pastilla debe secarse primero en el cuarto húmedo y después al aire en el laboratorio, hasta observar un marcado cambio de color. Sólo entonces puede meterse al horno.

3. Burbujas de aire entrampadas en el material. 4. Burbujas de aire entrampadas abajo de la pastilla del suelo o del dispositivo para hundir la

muestra en el mercurio.

88

FECHA:

L I M I T E L I Q U I D O

NUMERO DE

GOLPES

CAPSULA N°

PESO DE LA CAPSULA +

SUELO HUMEDO

PESO DE LA CAPSULA +

SUELO SECO

PESO DEL

AGUA

PESO DE LA

CAPSULA

PESO DEL SUELO SECO

CONTENIDO DE AGUA (の )

------ ------ gr gr gr gr gr %

L I M I T E P L A S T I C O

HUMEDAD NATURAL

の = % LL = % LP = % IP = %

CONTRACCIÓN LINEAL Li = cm Lf = cm

Li � Lf CL =

Li x 100 =

LL � の = CR =

LP F の = %

IP T の =

F の =

の � LP

IL= IP

=

UNIVERSIDAD A U T Ó N O M A D E G U E R R E R O F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A

LIMITES DE PLASTICIDAD

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

OBRA: LOCALIZACIÓN: SONDEO N° ENSAYE N° MUESTRA N° PROF. DESCRIPCION

CO

NT

EN

IDO

D

E

AG

UA

E

N

%

50

N Ú M E R O D E G O L P E S

5 6 7 8 9 10 20 25 40 30

89

CAPÌTULO VII. PRUEBA DEL EQUIVALENTE DE ARENA. VII.1. Introducción. Esta prueba fue desarrollada por F. N. Hveem en el Departamento de carreteras de California, la cual ha alcanzado una muy amplia y merecida difusión, por sus máximas virtudes que destacan precisamente cuando se emplea para determinar la calidad de los suelos o la de los productos de trituración procedentes de bancos. Todos los materiales térreos que se utilizan en las terracerías y los pavimentos contienen en mayor o menor grado partículas finas, de cuyo monto y actividad depende en gran parte, como es sabido, el comportamiento mecánico del conjunto. La Prueba del Equivalente de Arena fue desarrollada para valuar en forma cualitativa la cantidad y la actividad de los finos que existen en la mezcla de partículas que constituyen el suelo que se va a utilizar. La prueba consiste en introducir una cantidad prefijada de la fracción del suelo que pasa la malla N°. 4 en una probeta estándar, parcialmente llena con una solución que, entre otros efectos, propicia la sedimentación de los finos. Tras un período de rigurosa agitación para homogeneizar la suspensión, la probeta se deja en reposo en su posición natural durante 20 minutos, al cabo de los cuales se ve el perfil de sedimentación en el fondo, que básicamente debe consistir en dos capas fácilmente distinguibles, una inferior que tendrá prácticamente todas las partículas de arena y otra, superior, formada por la cantidad de arcilla que haya alcanzado a depositarse en el tiempo transcurrido, bajo el efecto floculante que produzca la solución utilizada, el cual obviamente, dependerá de la concentración con que se fabrique ésta. De ésta manera, el estudio del perfil de sedimentación permite establecer un índice volumétrico de las respectivas proporciones de los materiales contenidos en el suelo original, que pueden en principio, clasificarse como arenas o como arcillas. Además, como se verá, el perfil de sedimentación permite obtener también una idea de carácter cualitativo, pero seguramente bastante apropiada, de la actividad que pueda atribuirse a la fracción arcillosa. Objetivo. Se pretende que esta prueba sirva como una prueba rápida de campo para investigar la presencia o ausencia de materiales finos o de apariencia arcillosa, que sean perjudiciales para los suelos y para los agregados pétreos. Equipo. - Un cilindro transparente, graduado para medir volúmenes, con diámetro interior de 3.18

cm (1 1/4 pulg) y altura aproximada de 43 cm (17 pulg), con graduaciones en décimos de centímetros a partir del fondo hasta 38.1 cm (15 pulg) de altura.

- Un tubo irrigador hecho con tubería de cobre o de latón, con diámetro exterior de 0.64 cm (1/4 pulg). Uno de los extremos del tubo estará cerrado formando una punta en forma de cuña. Cerca de la punta, a través del lado de la cuña, se harán dos perforaciones laterales (con broca N°. 60).

- Una botella con capacidad de 3.8 lts. (un galón), con equipo de sifón, consistiendo en un tapón con dos orificios y un tubo doblado de cobre. La botella se colocara 91.8 cm (3 pies) arriba de la masa de trabajo.

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- Un tramo de manguera de hule de 0.48 cm (3/16 pulg.), con pinza para poder obturarla. Esta tubería se usará para conectar el irrigador con el sifón.

- Un pisón tarado, consistente en una varilla metálica de 45.8 cm (18 pulg.) de longitud con un pie cónico de 2.5 cm (1 pulg.) de diámetro, en su extremo inferior. Este pie estará provisto de tres pequeños tornillos para centrarlo holgadamente dentro del cilindro.

- Una tapa que ajuste a la parte superior del cilindro y permita pasar por el centro holgadamente a la varilla, sirve para centrar la parte superior de la varilla respecto al cilindro. En el extremo superior de la varilla llevará adaptado un lastre para obtener un peso total del dispositivo igual a 1 kg.

- Una cápsula, con capacidad de 88 ml (3 onzas). - Un embudo de boca ancha para depositar la muestra dentro del cilindro. - Reserva la solución consistente en:

Cloruro de calcio anhidro. 454 g Glicerina USP. 2050 g Formaldehído (solución volumétrica a 40). 47 g

Disuélvase el cloruro de calcio en 1.89 lt. (medio galón) de agua. Enfríese y fíltrese la solución a través de papel filtro Whatman No. 12 ó su equivalente. A la solución filtrada, agréguese la glicerina y el formaldehído; mézclese bien el total y dilúyase hasta un galón. El agua puede ser destilada o potable. Solución de trabajo:

Dilúyase en 3.8 lt. (1 galón) de agua potable, 88 ml de la solución de reserva. La marca de 11.2 cm (4.4 pulg), en el cilindro graduado, corresponde a los 88 ml requeridos. Cuando se dude respecto a la calidad de una determinada agua, ésta puede probarse comparando los resultados del valor equivalente de arena, obtenidos de muestras idénticas, usando soluciones hechas con el agua dudosa y por otra parte con el agua destilada. VII.2. Procedimiento de prueba. La prueba se realizará siguiendo los siguientes pasos: 1. El material para la prueba deberá ser la porción de la muestra que pase la malla No. 4. Por lo

tanto, si la muestra contiene partículas gruesas de roca, debe tamizarse por la malla No. 4, disgregando los terrones de material más fino. Si la muestra original no está húmeda, deberá humedecerse con agua antes de tamizarse. Si el agregado grueso lleva un recubrimiento que no se desprenda en la operación de tamizado, séquese el agregado grueso y frótese entre las manos, añadiendo al material fino el polvo resultante.

2. Iníciese el funcionamiento del sifón soplando dentro de la botella por la parte superior a través de un pequeño tubo, estando abierta la pinza. Hecho esto, el aparato quedará listo para usarse.

3. Por medio del sifón introdúzcase la solución de trabajo dentro del cilindro hasta una altura de 10 cm (4 pulg).

4. Vacíese dentro del cilindro el contenido de una cápsula llena de la muestra preparada del suelo. La cápsula llena contiene aproximadamente 110 g. de material suelto (como promedio). Golpéese firmemente varias veces el fondo del cilindro contra la palma de la mano, para hacer que salga cualquier burbuja de aire, así como para acelerar la saturación de la muestra. Déjese reposar la mezcla por espacio de 10 minutos.

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5. Transcurridos los 10 minutos, tápese con un tapón cilíndrico y agítese vigorosamente, longitudinalmente, de un lado a otro, manteniéndolo en posición horizontal. Háganse 90 ciclos en aproximadamente 30 segundos, con una carrera aproximada de 20.5 cm (8 pulg.). Un ciclo consiste en un movimiento completo de oscilación. Para agitar satisfactoriamente la muestra a esta frecuencia, será necesario que el operador agite solamente con los antebrazos, relajando el cuerpo y los hombros.

6. Quítese el tapón e insértese el tubo del irrigador. Enjuáguense los lados hacia abajo después insertarse el tubo hasta el fondo del cilindro. Sepárese el material arcilloso del arenoso, suspendiéndolo en la solución mediante un movimiento suave de picado con el tubo irrigador y simultáneamente girando lentamente el cilindro. Cuando el nivel del líquido llegue a 38.1 cm (15 pulg.), súbase lentamente el tubo del irrigador sin cortar el chorro de manera que el nivel del líquido se mantenga aproximadamente en 38.1 cm mientras esté sacándose el tubo. Regúlese el chorro precisamente antes de que el tubo esté completamente fuera y ajústese el nivel final a 38.1 cm. Déjese el cilindro en reposo absoluto durante exactamente 20 minutos. Cualquier vibración o movimiento del cilindro durante este tiempo, alterará el asentamiento normal de la arcilla en suspensión, provocando resultados erróneos.

7. Transcurrido el período de 20 minutos, anótese el nivel superior de la arcilla en suspensión; hágase la lectura con aproximación de 0.2 cm (0.1 pulg).

8. Introdúzcase lentamente el pisón tarado dentro del cilindro, hasta que éste descanse sobre la arena. Gírese la varilla ligeramente, sin empujarla hacia abajo, hasta que pueda verse uno de los tornillos empleados para centrar. Anótese el nivel correspondiente al centro del tornillo.

VII.2.1. Cálculos. El equivalente de arena se calcula utilizando la siguiente fórmula:

arcillaladeeriorsupniveldelLectura

arenaladeeriorsupniveldelLecturaarenadeeEquivalent =

Si el valor del equivalente de arena es menor que el valor especificado, ejecútense dos pruebas adicionales con el mismo material y tómese el promedio de las tres, como el valor del equivalente de arena. VII.2.2. Procedimiento para desmontar el aparato. Para vaciar el cilindro, tápese y agítese hacia arriba y hacia abajo, en posición invertida, hasta desintegrar el tapón de arena, vacíese inmediatamente. Lávese dos veces con agua. No se expongan los cilindros de plástico, a la luz directa del sol, más del tiempo necesario.

EQUIVALENTE DE ARENA. (Algunas especificaciones).

Mínimo para concreto. 80% Mínimo para cemento asfáltico. 55% Mínimo para agregado de mezcla en planta. 45% Mínimo para materiales mezclados en caminos. 35% Para base de grava. 30% Mínimo para sub-base. 20%

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CAPÌTULO VIII. COMPACTACIÓN. VIII.1 Introducción. Se llama compactación al proceso de aumento rápido del peso volumétrico de un suelo, mediante la aplicación de cargas transitorias de corta duración. La compactación permite aumentar la resistencia y reducir la deformabilidad, la permeabilidad y la susceptibilidad a la erosión de los suelos por el agua. Se sabe que, para una energía de compactación dada, el máximo peso volumétrico seco del suelo compactado se obtiene para ciertos contenidos de agua, llamado "contenido de agua óptimo". La función de las pruebas de compactación de laboratorio es permitir la especificación racional y el control de los trabajos de campo, mediante el estudio de las propiedades mecánicas de los suelos compactados. Los procedimientos de laboratorio deben por lo tanto, permitir reproducir las condiciones de campo, principalmente el mecanismo y la energía de compactación. Existe la tendencia de referir todo trabajo de compactación a algunos patrones en el laboratorio, independientemente de los requerimientos particulares de la obra. La compactación no se debe considerarse como un fin en sí misma sino como un medio para lograr las propiedades mecánicas adecuadas. Los patrones de compactación en el laboratorio, que deben emplearse con la flexibilidad y el enfoque que implica las observaciones anteriores, son por lo general, de dos tipos: compactación por amasado y por impactos. Esos patrones se han fijado con el objeto de reproducir las condiciones de compactación de campo obtenidas por medio de rodillos pata de cabra o llantas neumáticas. Se presentan, más adelante los procedimientos de compactación de mayor uso en la actualidad: las pruebas de impacto Próctor Estándar y modificada, además del Método de California; y las pruebas por amasado como la Harvard Miniatura y Pórter. VIII.1.1. La prueba Próctor Estándar. Consiste en compactar, en un molde rígido metálico un cierto número de capas sucesivas de suelo con un determinado número de golpes, uniformemente distribuidos de un martillo con un peso, dimensiones y caída libre dados. VIII.1.2. El método de California. Como prueba de compactación dinámica consiste en dividir una muestra inicial por medio de cuarteo en porciones más pequeñas, con las cuales se preparan especímenes de prueba con diferentes contenidos de agua que se compactan mediante impactos para determinar el peso volumétrico máximo y la humedad óptima. El método presenta la ventaja de tomar en cuenta, mediante un factor de corrección los tamaños mayores de 3/4" que contienen los materiales en los que se aplica. VIII.1.3. La prueba por amasado Harvard miniatura. Consiste en aplicar, en un modelo de dimensiones reducidas, un cierto número de pisadas a cada capa de suelo, con un pisón que produce presiones que varían gradualmente de cero a cierto valor máximo y viceversa. La energía de compactación puede hacerse variar a voluntad, introduciendo cambios en uno o más de los siguientes factores: fuerza máxima de apisonado, número de capas y de pisadas por capas.

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VIII.1.4. La prueba Pórter. Es otra prueba de compactación en la cual se incrementa artificialmente el peso específico seco de los suelos, al aplicar una carga estática de 140.6 kg/cm2. Se hace en suelo con partículas gruesas, también puede hacerse en arenas y en materiales finos cuyos Ip sea menor que 6. VIII.2. Prueba Próctor. Objetivo. Como en todas las pruebas de compactación el objetivo es el de obtener el máximo peso volumétrico que puede alcanzar el material en estudio, así como su correspondiente humedad óptima. Las pruebas por impacto, (tipo Próctor) son, generalmente aceptables y tendientes a la especificación y verificación de la compactación en campo, en vista de que las diferencias entre los óptimos obtenidos con esta prueba y los de campo no son muy grandes y, generalmente, no dan lugar a errores mayores que los inevitables en las complejas condiciones de campo. La energía de compactación aplicada en la prueba Próctor Estándar resulta, en muchos casos, insuficiente si se consideran las condiciones de compactación de campo logradas con los equipos modernos; puede ser conveniente ajustarla a condiciones de campo, pasando, por ejemplo, a la prueba Próctor Modificada. VIII.2.1. Prueba Próctor Estándar. VIII.2.1.1. Equipo. - Molde de 10.2 cm. de diámetro y 12.3 cm de altura, con extensión de 5 cm de altura. Con la

altura indicada (12.3 cm), el molde tiene exactamente un litro de capacidad. En el procedimiento estándar, generalmente aceptado, el molde tiene una altura de 11.7 cm, correspondiente a 0.94 lt.

- Martillo de compactación manual de 2.5 kg de peso. - Balanza con capacidad mínima de 10 kg, y presión mínima de 5 g. - Varios: Regla metálica para enrasar; malla No. 4, mortero y mano de mortero, cubierta de

hule, cucharón, horno de secado, desecador, recipientes para determinar el contenido de agua, charola y espátula.

- En lugar de martillo de compactación manual, es aceptable emplear un martillo mecánico, a condiciones de que su diseño permita una buena repartición de los golpes en toda la superficie de la muestra. Los martillos mecánicos deben calibrarse periódicamente, por comparación con el dispositivo manual, empleando muestras de un material moderadamente plástico, con un contenido de agua vecino al contenido de agua óptimo. El peso volumétrico seco, obtenido con el martillo mecánico, no debe diferir más de 10 kg/m3 del obtenido con el martillo manual.

VIII.2.1.2. Preparación de la muestra. Del suelo que se recibió en el laboratorio, tómese una cantidad suficiente del suelo que haya sido disgregado y cuarteado, y que, al pasar por la malla No. 4, dé un mínimo de 15 kg.

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1. De la muestra que ha pasado por la malla No.4, se seca al aire una cantidad de suelo suficientemente grande para obtener 2.5 kg de suelo para la determinación de cada uno de los puntos de la curva de compactación. Se requiere un mínimo de cinco determinaciones, dos con contenido de agua inferiores al óptimo y dos con contenidos de agua superiores.

2. Se disgrega el suelo, con una mano de mortero cubierto de hule, cuidando de no romper granos individuales.

3. Se mezcla cada fracción de suelo (peso aprox. 2.5 kg) con suficiente agua para obtener el contenido de agua deseado; debe tomarse en cuenta el contenido de agua del material secado al aire. Esta operación puede hacerse con un atomizador.

4. Se almacena cada una de las mezclas en un recipiente de vidrio con tapa hermética para permitir que el contenido de agua sea uniforme en toda la mezcla. Si el material tiene baja plasticidad, deberá almacenarse durante 12 horas y si la plasticidad es alta, uno o dos días.

VIII.2.1.3. Procedimiento. 1. Se pesa el molde Próctor con su placa base. 2. Se acomoda el collarín de extensión sobre el molde. 3. Se coloca en el molde la tercera parte de una de las fracciones de suelo, aproximadamente. Se

empareja la superficie con los dedos. 4. Se compacta esta capa con 25 golpes del martillo de 2.5 kg de peso, con altura de caída libre

de 30 cm. Los golpes deberán distribuirse uniformemente sobre la superficie de la capa. 5. Se repiten los pasos 3 y 4, con una segunda y tercera capa. La superficie de la tercera capa

compactada deberá sobresalir 6 a 13 mm del borde del molde, dentro del collarín de extensión.

6. Se quita con cuidado el collarín de extensión y se enrasa el suelo con una regla metálica. En caso de materiales plásticos, es conveniente aflojar el material en contacto con el collarín antes de quitar éste, para evitar que se desprendan trozos de suelo.

7. Después de limpiar el cilindro exteriormente, se pesan el molde (incluyendo la placa base) y el suelo, con una precisión de 5 g. El valor obtenido se anota en el registro de cálculo, en la columna: Peso molde + suelo húmedo (lámina 8.1).

8. Se desarma el molde para extraer fácilmente el material.. Se hacen dos determinaciones de contenido de agua en dos muestras representativas, cada una con un peso aproximado de 100 g, una tomada en la parte superior del molde y la otra del fondo. 9. Se repiten los pasos 2 a 8 para las cuatro fracciones restantes del suelo, preparadas como se

indica en los pasos 3 y 4 del inciso 8.2.1.2. 10. Se dibuja la gráfica, al mismo tiempo, la curva de saturación completa, cuya ecuación es la

siguiente:

sd

SW1

Ss

+=γ

Donde: W: Contenido de agua. SS : Densidad de sólidos del material.

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VIII.2.2. Prueba Próctor Modificada. El rápido desenvolvimiento del equipo de compactación de campo, comercialmente disponible, condujo a una modificación de la prueba Próctor estándar, la cual no logra representar en forma adecuada las mayores compactaciones que se podrían alcanzar en el campo. El procedimiento es el mismo que el indicado para la prueba Próctor estándar, excepto que la energía de compactación es, en este caso, mayor; se aplica 25 golpes por capa, se coloca el suelo en 5 capas y se utiliza un martillo de 4.54 kg. (10 lb) que se deja caer desde 46 cm (18 pulg.) de altura. VIII.3. Prueba Harvard Miniatura. Objetivo. Determinar el peso volumétrico seco máximo y la humedad óptima en suelos finos plásticos, con partículas menores de 2 mm. Esta prueba presenta la ventaja de requerir cantidades reducidas de suelos. Las pruebas de compactación por amasado son las que mejor reproducen las curvas de compactación de campo (tanto de rodillo pata de cabra como de neumáticos) si se elige apropiadamente las variables; fuerza máxima de apisonado, número de capas y de pisadas por capa. Dado que estas pruebas son además, las que producen una estructura de suelo más semejante a la creada por compactación de campo, la producción de especímenes para determinar las propiedades mecánicas debe hacerse por este método. VIII.3.1. Equipo. - Molde metálico de 3.3 cm, de diámetro y 7.2 de altura con placa de base metálica y extensión

removible de 3.5 cm, de altura. - Pisón metálico, con émbolo en su extremo inferior que aplica presión por la acción de un

soporte. - Resortes de diferentes constantes elásticas; - Dispositivo para quitar la extensión de molde; - Extractor de muestra. Es común que la prueba 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 especímenes adecuados para pruebas triaxiales. - Balanza con presión nominal 0.01 gr y capacidad de 800 gr. - Horno y desecador. - Varios.- Regla metálica, Cápsula, Frasco, Pisón de madera o de plástico de 2.5 cm de

diámetro.

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VIII.2.3. Preparación de la muestra. 1) Para esta prueba se requiere una muestra de suelo, debidamente cuarteado, con peso

comprendido entre 1 y 1.5 kg, se seca al horno lo necesario para facilitar su disgregación. 2) A la muestra disgregada manualmente se le criba por la malla No. 10. 3) Como la curva peso volumétrico - contenido de agua debe definirse entre 5 y 8 puntos,

prepárense las mismas porciones de suelo en recipientes con el contenido de agua deseado y déjense reposar por lo menos una noche; esto facilita una buena mezcla del agua y los suelos finos. Si se trabaja con suelo que absorben el agua con rapidez, con resistencia en estado seco en general bajas, la mezcla de agua y suelo podrá hacerse inmediatamente antes de la prueba.

VIII.3.3. Procedimiento. 1. De la muestra ya preparada y sin partículas mayores que la malla No. 4, se seca al aire una

cantidad de suelo suficiente para obtener 150 gr. para cada punto de la curva de compactación. Se requiere un mínimo de cinco determinaciones, dos de ellas, por lo menos, abajo del óptimo y dos con contenidos de agua superior al óptimo.

2. Se disgrega el suelo con una mano de mortero cubierta de hule, cuidando de no romper los granos individuales.

3. Se mezcla, cada fracción de 150 g, con suficiente agua, para obtener el contenido de agua deseado. Las muestras se almacenan en recipientes de vidrio con tapa hermética, para permitir que el contenido de agua sea uniforme. Si el material es de baja plasticidad, deberá almacenarse durante 12 hrs; si es de alta plasticidad durante uno ó dos días.

4. Se pesa el molde sin la placa de base. Se le adosan su placa de base y su collarín de extensión 5. Se ajusta el resorte del pisón de forma que se desarrolle la fuerza de apisonado deseado en el

momento en que el resorte se empieza a comprimir. 6. Se coloca, en el molde, la cantidad de suelo aproximado para formar una capa. Se nivela la

superficie de la capa, oprimiéndola ligeramente con un pisón. 7. Se aplica el número deseado de apisonados por capa, cuidando de distribuirlos

uniformemente en la superficie de la capa. 8. Se repiten los pasos 6 y 7 para cada una de las capas sucesivas. La última deberá sobresalir

del molde, dentro del collarín de extensión, un mínimo de 6 mm. 9. Se quita cuidadosamente el collarín de extensión utilizando el dispositivo adecuado. Se enrasa

la superficie al nivel de la boca del molde, con una regla metálica. Se quita la placa base. Se enrasa la superficie inferior.

10. Se pesa el molde y el suelo, con precisión de 0.01 gr. Se extrae el suelo del molde con el extractor de muestras.

11. Se determina el contenido de agua de la muestra secando la totalidad en el horno. 12. Calcúlese el peso volumétrico seco correspondiente a cada contenido de agua mediante la

fórmula:

W100100 d

d +γ=γ

13. Se repiten los pasos 4 a 11 para cada una de las fracciones de suelos de 150 g preparadas

según se indica en el paso 3. 14. Se anotan los datos en la lámina 8.1 y se dibuja la gráfica de peso volumétrico seco contra

contenido de agua de compactación. Se dibuja asimismo la curva de saturación completa.

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VIII.3.4. Errores posibles. Los errores más comunes que pueden afectar los resultados de las pruebas anteriores son los siguientes: 1. Incompleta desagregación de los grumos del suelo seco 2. Mezclado defectuoso del suelo y del agua. No es posible obtener resultados consistentes a

menos que el suelo y el agua se mezclen cuidadosamente, ya que se deje transcurrir el tiempo suficiente para que el suelo absorba el agua uniformemente.

3. Distribución no uniforme del esfuerzo de compactación sobre la superficie de cada capa. 4. Molde de compactación descansando sobre una superficie inadecuada. 5. Empleo de un compactador mecánico con calibración defectuosa. 6. Muestras de contenido de agua no representativas de la totalidad del suelo compactado. En

caso de duda, puede determinarse la humedad de todo el material del molde. 7. Determinación de un número de puntos para definir, en forma aceptable, el contenido de agua

óptimo y el peso volumétrico seco correspondiente en la curva de compactación. 8. Uso repetido de la misma muestra para determinación de diferentes puntos. La

recompactación incrementa el peso volumétrico máximo y reduce el contenido de agua óptimo para la mayoría de los suelos.

9. Influencia del operador. Cada operador tiene su forma propia de realizar la prueba, especialmente en cuanto a la velocidad de aplicación y repartición del esfuerzo de compactación.

VIII.4. Prueba Pórter. Objetivo. Es la determinación del peso volumétrico máximo que puede alcanzar el material para procedimiento definido de compactación, así como la humedad óptima a que deberá hacerse dicha compactación; además de la determinación del grado de compactación alcanzado por el material de que se trate ya sea durante la construcción o bien en terracerías, sub-bases de pavimento ya construidas, relacionando con el peso volumétrico máximo obtenido con esta prueba, el peso volumétrico determinado en el lugar. El tipo de compactación con carga estática, que se aplica en esta prueba, puede compararse en forma hasta cierto punto relativa con el tipo de compactación que se obtiene con los rodillos lisos o neumáticos; es decir, como compactación que va de la superficie hacia abajo. La forma en que se opera dicha compactación, mediante la lubricación proporcionada por el agua, es semejante a la de la compactación por impactos y pueden aplicarse los mismos conceptos generales expuestos en la prueba de compactación Próctor estándar. Esta prueba se lleva a cabo en suelos que contiene más de un 15 % de gravas, material mayor de la malla No. 4 y menor que la malla de 11/2 pulg. Deberá efectuarse también en los suelos finos en que la prueba de compactación Próctor no puede verificarse; es decir, en las arenas de río o de mina, arenas producto de trituración, tezontle francamente arenoso y en general en todos los materiales que carezcan de cementación.

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VIII.4.1. Equipo. - Molde de compactación "ASSHO" con las siguientes medidas: cilindro de 15.75 cm (6.2") de

diámetro interior, y de 20.32 cm (8 pulg) de altura, y provisto de una base con dispositivo para sujetar el cilindro.

- Máquina de compresión con capacidad de 30 toneladas y aproximación en las lecturas de 100 kg.

- Una varilla metálica de 1.9 cm (3/4") de diámetro y 30 cm de longitud, con punta de bala, para el picado del material en el molde.

- Una placa circular para compactar, con diámetro de 15.5 cm ligeramente menor que el diámetro interior del cilindro, que pueda sujetarse a la cabeza de aplicación de la carga.

- Charolas de lámina galvanizada. - Una malla de 11/2 pulg. (38.1 mm). - Una malla No. 4 (4.76 mm). - Balanza de 20 kg. de capacidad y de 1 g, de aproximación. - Balanza con aproximación de 0.01g para determinar contenido de humedad. - Cápsula de vidrio refractario para la determinación de los contenidos de humedad. - Horno que mantenga temperatura constante comprendida entre 100 y 110 °C. - Probeta graduada de 500 cm3. - Probeta graduada de 1,000 cm3. - Regla de 15 cm graduado en milímetros. - 20 kg de material para ensaye. - Agua. VIII.4.2. Preparación de la muestra. 1. Se prepara el material que se extrajo en el campo, sometiéndolo a las operaciones de secado,

disgregado y cuarteo. 2. Se pasa a través de la malla de 11/2 pulg una cantidad de 20 kg, aproximadamente. 3. Se cortan porciones representativas de 4 kg, del material que pasó la malla 11/2 pulg para las

determinaciones que se indican a continuación. VIII.4.3. Procedimiento. La humedad óptima de compactación es la humedad mínima requerida por el suelo para alcanzar su peso volumétrico seco máximo, cuando es compactado con una carga unitaria de 140.6 kg/cm2. Para obtener el peso volumétrico seco máximo y la humedad óptima se deberá seguir el proceso que a continuación se expone: 1. Se incorpora cierta cantidad de agua, cuyo volumen se anota, a los 4 kg de material preparado

de acuerdo con el párrafo 3 de 8.4.2. y, una vez lograda la distribución homogénea de la humedad, se colocará en 3 capas dentro del molde de prueba ASSHO y a cada una de ellas se le darán 25 golpes con la varilla metálica.

2. Al terminar la colocación de la última capa, se compactará el material aplicando carga uniforme y lentamente de modo de alcanzar la presión de 140.6 kg/cm2, en un tiempo de 5 minutos, la cual deberá mantenerse durante un minuto, e inmediatamente hacer la descarga lentamente en el siguiente minuto.

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El criterio para la aplicación de la carga es el siguiente: (a) Se aplica primeramente una carga que produzca una presión de 7 kg/cm2, sin ningún control

de velocidad de aplicación. (b) En la segunda etapa se llega a una presión de 70 kg/cm2, con una velocidad de deformación

de 1/10 pulg por minuto. (c) Finalmente en la etapa 3, se llega a la carga de 140.6 kg/cm2, con una velocidad de

deformación de 0.5 pulg por minuto y se descarga en el siguiente minuto. 3. Si al llegar a la carga máxima no se humedece la base del molde, la humedad del espécimen

es inferior a la óptima. 4. A otra porción de 4 kg, de material se le adicionará una cantidad de agua igual a a la del

espécimen anterior más 80 cm3, y se repetirá el proceso descrito. 5. Si al aplicar la carga máxima se observa que se humedece la base del molde por haberse

iniciado la expulsión de agua, el material se encuentra con una humedad ligeramente mayor que la óptima de compactación.

Para fines prácticos, es muy conveniente considerar que el espécimen se encuentra con su humedad óptima cuando se inicia el humedecimiento de la base del molde, siendo esta humedad la más adecuada para efectuar la compactación. 6. Se determinará la altura del espécimen restando la altura entre la cara superior de éste y el

borde del molde, de la altura total del molde y con este dato se calculará el volumen del espécimen.

7. Se pesará éste con el molde de compactación y se calculará el peso volumétrico húmedo con la siguiente fórmula:

V

WW tiw

−=γ

Siendo:

wγ : Peso volumétrico húmedo, en gr/lt, ó kg/m3.

iW : Peso del espécimen húmedo más peso del molde en gramos.

tW : Peso del molde en gramos.

V: Volumen del espécimen, en litros. 8. Se extraerá el espécimen del molde y se procederá a secarlo, a una temperatura constante de

100 °C a 110 °C, hasta peso constante teniendo cuidado de no perder material en la manipulación.

9. Se dejará enfriar el material y se pesará nuevamente para calcular la humedad, utilizando la fórmula:

100xWs

WWWW sti −−=

Siendo: W : Contenido de humedad Ws : Peso del material seco en gramos.

El peso volumétrico seco se calculará con la fórmula:

100xW100

ws +

γ=γ

100

Donde:

Sγ : Peso volumétrico seco, en gr/lt, ó kg/cm3.

wγ : Peso volumétrico húmedo, en gr/lt, ó kg/m3.

En caso de que en la segunda determinación no se humedezca la base del molde al aplicar la carga máxima, se preparará una nueva muestra incrementando la cantidad de agua en 80 cm3, con respecto a la cantidad empleada anteriormente y se repetirá el proceso de compactación. Esta misma secuela de prueba se continuará hasta lograr que se inicie el humedecimiento de la base del molde.

10. Como en la prueba Próctor, se grafican los pesos volumétricos secos contra sus respectivas

humedades, y se obtiene como humedad óptima aquella que proporciona el máximo valor del peso volumétrico seco.

Para poder determinar si una capa de material tiene el grado de compactación requerido, es necesario conocer el peso volumétrico seco del lugar, y éste correlacionarlo con el peso volumétrico seco obtenido por la prueba de compactación. VIII.5. Método para la obtención del Valor Relativo Soporte. VIII.5.1. Introducción. El método del Valor Relativo de Soporte, se emplea para la determinación del espesor de un pavimento flexible, y se refiere esencialmente a una prueba de proyecto; es decir, que los resultados obtenidos con ella deberán ser verificados posteriormente en el camino ya construido a fin de comprobar dichos resultados, o bien hacer las modificaciones de acuerdo con los nuevos datos obtenidos. La prueba consiste en medir la resistencia a la penetración en especímenes de material compactado por medio de cargas aplicadas con una máquina de compresión, para reproducir los pesos volumétricos correspondientes a diferentes grados de compactación empleando humedades que se clasifican más adelante. Los pasos necesarios para verificar la prueba se detallan a continuación: A. Preparación de la muestra según si el suelo de la subrasante es fino o contiene material

grueso. B. Determinación de las humedades de prueba, para diferentes grados de compactación en

función de la humedad óptima y de acuerdo con las condiciones de precipitación pluvial de la región y drenaje del camino.

C. Cálculo de la cantidad de agua que es necesario incorporar al suelo para que éste adquiera la humedad de prueba en cada uno de los grados de compactación deseado.

D. Cálculo de la cantidad de material que deberá emplearse para reproducir cada uno de los pesos volumétricos secos correspondientes a los diferentes grados de compactación considerados.

E. Incorporación del agua y compactación del material con carga estática para reproducir el peso volumétrico correspondiente.

101

F. Medición de la resistencia a la penetración ofrecida por el suelo para las diferentes condiciones obtenidas en el punto anterior.

VIII.5.2. Equipo requerido. - Molde cilíndrico de 15.24 cm (6"), de diámetro y de 20.32 cm (8") de altura, equipado con un

collarín de extensión de 5.1cm de altura y una base perforada. - Vástago ajustable, placa perforada, trípode y micrómetro con aproximación de 0.001 mm

para medir la expansión del suelo. - Pesas de diseño especial de 2.27 kg (5 lb) de peso cada una adecuadas para ser aplicadas

como sobrecarga en la superficie del suelo durante el proceso de saturación y penetración. - Pistón de penetración de 4.9 cm (1.92") de diámetro y aproximadamente 10 cm de longitud. - Máquina de compresión o gato de tornillo con su marco especial que puede usarse para

introducir el pistón en el espécimen con una velocidad de 0.127 cm/min. - Equipo para saturación (charola, tanque de agua). - Equipo para labrar CBR en caso de muestras inalteradas. - Equipo de compactación Próctor modificada o máquina de compresión que transmita una

presión estática de 140 kg/cm2 en muestras alteradas. - Equipo general de laboratorio como charolas, balanzas, cápsulas, horno. A) Preparación de la muestra. La muestra llevada al laboratorio debe exponerse al sol, extendiendo todo el material sobre una superficie limpia y tersa, o bien disminuir la humedad en un horno a temperatura de 40 a 50 °C. En ambos casos es conveniente voltear el material para lograr una disminución de humedad más rápida y uniforme hasta obtener una que permita la fácil disgregación y manejo de la muestra. Cuando la muestra llegue al laboratorio con una humedad que permita su disgregación, no será sometida al proceso de secado. Como el material a ensayar pueda ser fino o tener gruesos, es necesario tomar en cuenta ello de la siguiente manera:

1. Material fino.- El procedimiento de prueba que sigue debe emplearse en los suelos que pasan por la malla No. 4, ó cuando más, tengan un retenido del 10%, en esta malla, pero que pasen totalmente por la malla de 3/8". Si el retenido en la malla No.4 es menor del 10% y dicho material pasa por la malla de 3/8", el retenido puede incluirse para efectuar las pruebas necesarias.

2. Material con agregado grueso.- Si la muestra original contiene material mayor que 3/4", será necesario sustituir este retenido por una cantidad igual en peso de material pétreo que pase la malla de 3/4" y se retenga en la de 1/4".

B) Determinación de las humedades de prueba. Para obtener las humedades correspondientes a cada uno de los pesos volumétricos secos, a los cuales va hacerse la penetración, es necesario verificar previamente en el caso de los suelos finos, la prueba Próctor, y en el caso de los suelos con agregado grueso, la prueba Porter estándar con el objeto de conocer el peso volumétrico máximo y la humedad óptima. De acuerdo con las condiciones de precipitación pluvial de la región y drenaje del camino, se seleccionan las humedades de prueba haciendo uso de la tabla siguiente:

102

Variante No. I Variante No. II.

Porcentaje de compactación. Buen drenaje y precipitación pluvial baja o media.

Drenaje deficiente y precipitación pluvial media o bien precipitación pluvial alta.

100 0W 0W

95 0W 0W + 0.015

90 � 75 0W 0W + 0.030

C) Calculo de la cantidad de agua que deberá agregarse. Del material ya preparado como se especificó, se tomará una muestra representativa para la determinación de la humedad. A esta humedad que contiene la muestra la llamaremos 1W . La

cantidad de agua que hay que agregar para llevar la muestra a la humedad de prueba 2W , se calcula por la fórmula:

1

122

3

W1

WWK0Hdecm +

−−=

Donde:

=K Cantidad en gr de material con la humedad que contiene 1W . Esta cantidad deberá ser de 5,000 grs.

=1W Humedad inicial que contiene el material, expresada en decimales no en porcentaje.

=2W Humedad a que deberá hacerse la prueba, correspondiente al grado de compactación que se desea reproducir, expresada en decimales y no en porcentaje.

El cálculo anterior deberá hacerse para cada uno de los grados de compactación fijados. D) Cálculo de las cantidades de material que deberán emplearse. Para conocer el peso del material húmedo que debe ser compactado se hace uso de la siguiente fórmula:

( ) hd786.0W11000

P 22

Sh +γ=

Donde:

=hP Peso del material en gramos con la humedad de prueba.

=γS Peso volumétrico seco en kg/m3, correspondiente al grado de compactación que se desea reproducir. =2W Humedad a que deberá hacerse la prueba, expresada en decimales, no en porcentaje.

d = Diámetro inferior de compactación en centímetros. h = Altura en centímetros que deberá tener el material compacto e igual a la altura del

cilindro sin la extensión o collarín.

103

Este cálculo deberá hacerse para cada uno de los grados de compactación fijados. E) Incorporación del agua y compactación.

1. Después de haber hecho la determinación del peso volumétrico seco máximo y la humedad óptima sobrante se toman por cuarteos, muestras de 5 kg cada una.

2. Una de las muestras deberá ser compacta al peso volumétrico seco máximo, con la humedad óptima, debiendo agregársele la cantidad necesaria de agua para que alcance dicha humedad.

3. Inmediatamente después de que sea incorporado el agua y mezclada hasta lograr una distribución uniforme de ella, se toma la cantidad de material húmedo ( )hP correspondiente al 100% de compactación. El sobrante de esta muestra no deberá mezclarse por ningún motivo con las otras muestras.

4. La cantidad hP de material se coloca en tres capas dentro del molde de prueba o Próctor, o Porter, según el caso.

5. Al terminar la colocación de la última capa se pesa el molde con el material para cerciorarse que no ha habido pérdidas.

6. Se coloca el molde en la maquina de prueba y se compacta el material con cargas aplicadas uniformemente y lentamente, hasta alcanzar �h�, prefijada que interviene en la fórmula del inciso d).

7. Para comprobar que se ha logrado alcanzar la altura �h�, en el espécimen, se mide la distancia �a� desde el borde superior del collarín hasta la cara superior de la placa de compactación. ( )ehha t +−=

Donde: a = Distancia en centímetros desde el borde superior del collarín hasta la cara superior de la

placa de carga.

th = Altura en centímetros del cilindro de compactación, incluyendo el collarín.

h = Altura en centímetros del material compactado, o sea la altura del cilindro sin el collarín. e = Espesor en centímetros de la placa de compactación.

8. Cuando se ha logrado que el espécimen tenga la altura mencionada, se deja sin descargar durante un minuto, después de los cual se hace la descarga lentamente y se permite el material que reaccione aumentando de volumen, debiendo medirse el incremento de volumen, y el incremento de altura o rebote del espécimen.

9. Deberá compactarse nuevamente el espécimen hasta obtener una altura ligeramente menor que �h� (esta disminución de altura deberá ser aproximadamente igual al rebote medido a fin de que al reaccionar el material, cuando se retire la carga, alcance precisamente la altura �h�. Si la altura del espécimen resulta mayor que h, se repite la operación anterior hasta lograr finalmente que el espécimen compactado tenga la altura especificada.

10. Cuando la carga que sea necesaria aplicar para compactar el material hasta la altura �h� sea mayor de 5 toneladas, la operación de descarga deberá hacerse una vez a cada 5 toneladas, que se apliquen y cuando se llegue la altura h, las cargas y descargas deberán hacerse en la forma anteriormente indicada.

104

11. Si al compactar la muestra para obtener el peso volumétrico seco requerido, se inicia la expulsión de agua por la base del molde antes de alcanzar la altura �h� prefijada, entonces se mantiene constante la carga que se estaba aplicando hasta que la expulsión de agua disminuya apreciablemente. Inmediatamente después se da un pequeño incremento de carga y se repite la operación anterior.

12. En esta forma continua la compactación hasta lograr que el espécimen tenga la altura �h� después de lo cual se ejecutan las operaciones de carga y descarga como se indicó anteriormente.

13. El espécimen ya compactado se sujeta a la prueba de penetración como se indicará más adelante, desechándose el material una vez terminada la prueba.

14. La segunda muestra de 5 kg, se emplea para medir la resistencia a la penetración, al peso volumétrico seco correspondiente al 95% de compactación, con la humedad

)015.0W( 0 + , en el caso de cambios en regiones de alta precipitación o mal drenados, o

con la misma humedad 0W , en caso de caminos bien drenados en regiones de precipitación

media, siguiendo todo el procedimiento descrito anteriormente. 15. Después de haber verificado la prueba de penetración, el material se desecha. 16. La tercera muestra de 5 kg se utiliza para medir la resistencia a la penetración en el peso

volumétrico correspondiente al 90% de compactación con la humedad anotada en la tabla anterior, siguiendo el procedimiento ya indicado.

17. Con la cuarta muestra de 5 kg, se reproduce el peso volumétrico seco correspondiente al 85% de compactación, con la misma humedad de la prueba anterior.

18. Después de hacer la penetración se desecha el material usado. Si va a medirse la resistencia a la penetración para compactaciones menores de 85% se sigue la secuencia indicada.

F) Medición de la resistencia a la penetración.

1. Estando el material ya compactado, inmediatamente se colocan sobre el espécimen las placas de carga con orificio central.

2. El pistón para la prueba de penetración debe pasar a través de los orificios de las placas hasta tocar la superficie de la muestra.

3. Se aplica una carga inicial que no sea mayor de 10 kg, e inmediatamente después sin retirar la carga se ajusta el extensometro de carátula para registrar el desplazamiento vertical del pistón.

4. Se procede a la aplicación lenta de cargas continuas con pequeños incrementos y se anotan las cargas correspondientes a cada una de las siete penetraciones indicadas adelante.

5. Una vez efectuada la prueba de penetración se extrae el espécimen del molde y se procede a tomar una muestra del corazón para comprobación de la humedad.

Penetraciones

En mm En pulgs. Cargas registradas

en kg 1a. 2a. 3a. 4a. 5a. 6a. 7a.

1.27 2.54 3.81 5.08 7.62

10.16 12.70

0.05 0.10 0.15 0.20 0.30 0.40 0.50

105

VIII.6. Determinación del Valor Relativo Soporte Estándar (C.B.R.) VIII.6.1. Introducción. Como la mayoría de las fallas de los pavimentos flexibles tienen como causa principal una rotura al corte de los materiales que forman la estructura del pavimento y de la subrasante, la tendencia moderna es la de efectuar el diseño de dichos pavimentos basándose en ensaye al corte. Esta determinación puede ser llevada a cabo simplemente midiendo la resistencia a la penetración del material, o sea, mediante la determinación del valor de soporte California (C.B.R. = California Bearing Ratio) que es un índice de la resistencia del suelo al corte, más conocido en nuestro medio como Valor Relativo de Soporte en condiciones determinadas de compactación y humedad, y se expresa como el tanto por ciento de la carga necesaria para introducir un pistón de sección circular de 19.35 cm2 (3 pulg2), en una muestra de suelo respecto a la precisa (1,360 kg/cm2) para que el mismo pistón de piedra triturada. La velocidad de aplicación de la carga debe ser de 1.27 mm (0.05� por minuto). Se tiene, pues, comparativamente hablando, que la resistencia a la penetración de la roca triturada es de 100%. El método comprende tres ensayes que son:

1. Determinación del peso volumétrico máximo y humedad óptima. 2. Determinación de las propiedades expansivas del material, y, 3. Determinación de la relación de soporte de California (C.B.R.)

VIII.6.2. Equipo. El equipo necesario para esta prueba es le indicado en el punto VIII.5.2. VIII.6.3. Determinación del peso volumétrico seco máximo. Para lograr esta determinación se procede a hacer una prueba Porter, para cada contenido de humedad, determinando el peso volumétrico seco y se grafican los resultados como se indica.

106

VIII.6.4. Determinación de las propiedades expansivas del material. La expansión del material, producida por la absorción de agua durante la saturación, se mide de la manera siguiente:

1. Se compacta el material con la humedad óptima, hasta alcanzar el peso volumétrico seco aconsejable por cualquiera de los dos procedimientos ya conocidos (con carga estática o con carga dinámica) y se mide la altura de la muestra.

2. Se coloca encima del material compactado un papel filtro o un cedazo fino. 3. Sobre el papel filtro se coloca una placa perforada que tiene un vástago graduable y

además se colocan dos placas con agujero central que pesan 2.25 kg (5 lb) cada uno. 4. Sobre el vástago de la placa perforada se coloca un extensómetro y se ajusta la lectura a

cero. 5. Se coloca el cilindro con la muestra compactada, junto con el disco perforado y las placas,

dentro de un recipiente con agua durante cuatro días. Estando el molde dentro del agua, ésta deberá esta aproximadamente a nivel con el borde superior del molde.

6. Cada 24 horas, durante los cuatro días que permanezca el cilindro bajo el agua, se toma lectura con el extensómetro, para observar la expansión que ha experimentado el material.

7. Se calcula el porcentaje de expansión dividiendo la lectura total del extensómetro entre la lectura original de la muestra y multiplicado por 100.

El peso de las dos placas de 2.25 kg, cada una que se coloca sobre la muestra equivale, aproximadamente, al peso de un pavimento de concreto hidráulico de 12.5 cm de espesor por lo que en los pavimentos flexibles, el peso de dichas debe corresponder aproximadamente, al peso combinado de la sub-base, la base y la carpeta. Los suelos malos, como los demasiados arcillosos y los orgánicos, suelen tener expansiones mayores del 10%. Un material que tenga más del 3% de expansión no es recomendable. Las subrasantes buenas tienen expansiones menores del 3%. Los materiales que se pretenden emplear como sub-base no deben tener expansión mayor del 2% y los de las bases no deben tener expansiones mayores del 1%. VIII.6.5. Determinación de la razón de soporte de California (C.B.R.) o Valor Relativo de

Soporte Estándar.

1. Después de saturada la muestra durante cuatro días, se saca el molde del agua. 2. Se le retira el extensómetro cuidadosamente. 3. Se inclina el cilindro (teniendo cuidado de que no salgan las pesas) para que escurra el

agua. 4. Así volteado debe permanecer unos cuantos minutos (5 mínimos). 5. Se quitan las pesas, el disco y el papel filtro o cedazo. 6. Se pesa la muestra y se lleva a la prensa para medir la resistencia a la penetración,

mediante la introducción del pistón de 19.35 cm2 de sección circular. 7. Antes de empezar la prueba de penetración debe asentarse el pistón sobre la superficie de

la muestra con una carga inicial de 4.5 kg y luego colocarse el extensómetro a cero. 8. Se procede a la aplicación lenta (1.27 mm = 0.05 pulg por minuto) de cargas continuas y

se anotan las cargas correspondientes a las penetraciones de 1.27 mm (0.05�), 2.54 (0.10�), 3.81 mm (0.15�), 5.08 mm (0.20�), 7.62 mm (0.30�), 10.16 mm y 12.70 mm (0.50�).

107

9. La carga registrada para la penetración de 2.54 mm (0.10�) debe ser expresada como un porcentaje de la carga estándar de 1360 kg (70 kg/cm2), para pistón de 19.35 cm2.

10. Si la prueba estuvo bien hecha, el porcentaje así obtenido es la Razón de Soporte de California (C.B.R.) correspondiente a la muestra ensayada.

11. Con el C.B.R. así obtenido se puede calcular el espesor del pavimento flexible. 12. En nuestro medio, por lo ya indicado antes, relativo a la saturación, sólo se emplea este

valor de C.B.R. para clasificar el material según la tabla que sigue, y para determinar, aproximadamente, en función de él, el valor del Módulo de Reacción K de la subrasante que se emplea en el proyecto de los pavimentos rígidos.

C.B.R. CLASIFICACIÓN

0 � 15 5 � 10 11 � 20 21 � 30 31 � 50 51 � 80 81 � 100

Subrasante muy mala. Subrasante mala o dudosa. Subrasante regular a buena. Subrasante muy buena. Sub-base buena. Base regular a buena. Base muy buena.

Las gráficas actuales de la S.C.T. para el proyecto de espesores de pavimentos flexibles (sub-base, base y carpeta asfáltica) ha dado resultados razonablemente satisfactorios en la mayoría de las carreteras contraídas hasta la fechasen embargo parece ser que, en algunos casos (carreteras con volumen bajo de tráfico) ese buen comportamiento se debe a que los espesores del pavimento han resultado mayores que los necesarios. En otros casos (volúmenes altos de tránsito) el problema ha sido todo lo contrario, los pavimentos han fallado por falta de espesor. El problema posiblemente, puede resolverse mediante algunas ligeras modificaciones a la manera actual de proyectar los espesores del Pavimento Flexible. En primer lugar, conviene sustituir el llamado Porcentaje de Compactación por el Peso Volumétrico Aconsejable. En segundo lugar, hacer uso de las gráficas de las S.C.T. para el proyecto de los espesores del pavimento flexible y por el último definir mejor las variantes de las humedades de prueba en función del clima, régimen pluviométrico, precipitación pluvial anual y temperaturas máximas y mínimas de la zonas, así como, de porcentaje de compactación, según el peso volumétrico seco aconsejable, para cada tipo de suelo. El peso volumétrico aconsejable puede obtenerse como sigue: ( )

100

.C.RS.SmazSS.Sac γ−γ+γ=γ

En la que:

acγ = Peso Volumétrico Seco Aconsejable, en kg/m3.

S.Sγ = Peso Volumétrico Seco y Suelto, en kg/m3.

R.C.= Relación de compactación, cuyo valor es:

1.6358.C.R s.sγ+=

108

VIII.6.6. Calculo del valor relativo soporte modificado.

1. La carga registrada para la penetración de 2.54 mm (0.1�), se debe expresar como porcentaje de la carga estándar de 1,360 kg, y si la prueba estuvo bien ejecutada el porcentaje así obtenido es el Valor relativo de Soporte correspondiente a la muestra ensayada.

2. Con el fin de saber si la prueba estuvo bien ejecutada, se dibuja la curva Carga � Penetración, anotando en las abscisas cada una de dichas penetraciones. Lamina 8.2.

3. Si la curva es defectuosa, es debido probablemente a que la carga inicial para empezar la prueba fue mayor de los 10 kg, especificados al comienzo de este inciso. En este caso deberá repetirse la prueba.

4. Con los Valores Relativos de Soporte calculados, se construye una gráfica en cuyas abscisas se indican los pesos volumétricos que fueron reproducidos y en las ordenadas los valores relativos de soporte correspondientes a cada uno de dichos pesos volumétricos.

5. En la gráfica, en el eje de las ordenadas pueden indicarse los espesores correspondientes a cada uno de los Valores Relativos de Soporte, con objeto de tener directamente el espesor requerido para cualquier peso volumétrico comprendido dentro de los que fueron reproducidos.

Como el espesor obtenido es el total (sub-base, base y carpeta) es necesaria calcular el espesor de cada uno de estos elementos que forman el pavimento. Para ello es necesario determinar el Valor Relativo de Soporte de la sub-base y calcular el espesor necesario de base y carpeta (usando para ello gráficas de proyecto). VIII.7. Prueba de compactación por el método de California. VIII.7.1. Introducción. Este método consiste en dividir una muestra inicial por medio de cuarteo en porciones más pequeñas, con las cuales se preparan especimenes de prueba con diferentes contenidos de agua que se compactan mediante impactos para determinar el peso volumétrico máximo y la humedad óptima. El método presenta la ventaja de tomar en cuenta, mediante un factor de corrección, los tamaños mayores de ¾� que contienen los materiales en los que se aplica. Objetivo. Determinar el peso volumétrico máximo y la humedad óptima en suelos no estabilizados o estabilizados con productos no asfálticos que se emplean en la construcción de terracerias. VIII.7.2. Equipo. - Aparato estándar de compactación por impactos tipo California que consiste en:

a) Un molde cilíndrico. b) Un pisón con peso de 4.53 kg (10 lb). c) Un émbolo metálico provisto de una varilla manual.

109

- Una base de concreto consistente en bloque cúbico de 30 cm por lado. - Una balanza con capacidad mínima de 3 kg y aproximación de 1 gr. - Un horno con termostato, con temperatura constante entre 100 y 110º c. - Una malla U.S. estándar de ¾�. - Varios: Charolas, cucharas de albañil, espátulas. VIII.7.3. Preparación de la muestra.

1. Con el producto del sondeo que se practique para determinar el peso volumétrico en el lugar, intégrese una muestra de suelo de 15 a 20 kg completándola con material que se obtenga de las paredes del mismo.

2. Disgréguese la muestra manualmente y críbese por la malla de ¾�, séquese el retenido hasta peso constante y determínese su peso seco, Ws.

3. Determínese el peso especifico relativo Ss, de la fracción retenida en la malla ¾�. 4. Divídase, mediante cuarteo, el material que pase la malla de ¾� en cuatro o cinco

porciones representativas, con pesos iguales; cada porción o muestra de prueba será de una cantidad suficiente para obtener especimenes cuyas alturas estén comprendidas entre 25.4 cm y 30.48 cm (10-12�), una vez que hayan sido compactados en el molde estándar. Para cada espécimen se requieren aproximadamente 2.7 kg de suelo húmedo; cuando sea necesario, este peso podrá ajustarse mediante la elaboración de un espécimen preliminar.

VIII.7.4. Procedimiento de prueba.

1. Ajústese la humedad en las diferentes porciones, en tal forma que sus contenidos de agua se incrementen de una a otra porción en 2%, aproximadamente, con respecto al peso húmedo; para obtener esta relación de incrementos se deberá adicionar agua, o disminuirla mediante secado, pero no harán estas dos operaciones en una misma porción y en ningún caso se secarán totalmente las porciones de prueba. Al elegir los porcentajes de humedad de prueba se deberá procurar que queden dos porciones con contenidos de agua inferiores a la humedad óptima y dos con tenidos superiores a ésta. La humedad óptima de prueba aproximada por lo general es la humedad mínima con la que el material presenta una consistencia tal que al ser comprimido en la palma de la mano no deje partículas adheridas en ella, ni la humedezca y que a la vez, el material comprimido se pueda tomar con dos dedos sin que se desmorone. Una vez que se adicione la cantidad de agua que requiera cada porción, mézclese completamente y cúbrase con una lona para evitar pérdidas por evaporación. (En las alternativas del anexo No. 1. se indica el cálculo de la humedad óptima).

2. Divídase una de las muestras de prueba de cinco fracciones aproximadamente iguales, ya sea en peso o en volumen; colóquese una de éstas en el molde de prueba y compáctese con veinte golpes del pisón; éste debe tener una caída libre de 45.72 cm (18�), medida sobre la superficie del material que se compacta. Repítase esta operación con cada una de las cuatro fracciones restantes. Después de compactar la quinta fracción, colóquese el émbolo en el molde y nivélese la cara superior del espécimen compactado, mediante la aplicación de cinco golpes con el pisón, con una caída libre de 45.72 cm, medida a partir de la superior del émbolo. Mientras se efectúa la operación de compactación el molde deberá estar apoyado, ya sea sobre el bloque estándar del concreto o sobre un cuerpo igualmente rígido. Si al terminar la compactación del espécimen se observa agua en la base del molde, la humedad de compactación es mayor que la óptima; si, por lo contrario, la base del molde se observa seca o polvosa, dicha humedad es inferior a la óptima.

110

3. Estando el pistón sobre el émbolo, léase el vástago graduado del pisón en el punto en el que coincida con el borde del molde y regístrese este valor en centímetros, con aproximación de un décimo en la columna �a� de la hoja de registro (lámina 8.3).

4. Sáquese el espécimen del molde, teniendo cuidado de no perder material; determínese su peso húmedo en kilogramos )W( 1 , con aproximación de un gramo y anótese este valor en la columna �c� de la hoja de registro de prueba.

5. Córtese el espécimen longitudinalmente y obténgase una fracción representativa de 1000 g, aproximadamente; determínese el peso )Wm( de dicha fracción, con aproximación de 1 g, y regístrese el valor en la columna �k� del registro.

6. Séquese hasta peso constante la fracción antes citada y pésese con aproximación de 1 gr, anotando su valor (Ws) en la columna �1� del registro.

7. Repítase el procedimiento en las muestras de prueba restantes. VIII.7.4.1. Cálculos. Calcúlese y regístrese para cada espécimen lo siguiente:

1. El contenido de agua, por medio de la fórmula:

100xWs

WsWmW

−=

Anotando su valor en las columnas �n� y �g� del registro. Donde: W = Contenido de agua en porcentaje. Wm = Peso de la fracción de suelo húmedo, en gramos. Ws = Peso de la fracción de suelo seco, en gramos.

2. El peso seco, por medio de la fórmula que se indica, anotando su valor en la columna �d� del registro:

%w100

W100W 1

2 +=

Donde:

2W = Peso seco del espécimen en kg.

1W = Peso húmedo del espécimen, en kg.

3. El peso volumétrico seco, mediante la fórmula que se indica, anotando su valor en la

columna �f� del registro.

V

WóCW 2

d2d =γ=γ

111

Donde:

dγ = Peso volumétrico del espécimen, en kg/m3.

C = Factor obtenido de la tabla 8.1 y que corresponde a la lectura que se hizo del vástago. 4. Cuando la muestra de suelo contenga más del 10% en peso de partículas mayores de ¾�,

obténgase el peso volumétrico seco máximo corregido, con la fórmula:

( ) )1000(

1000R

Y

Ss

X

100c

dm

dm

γ+=γ

Donde: ( )cdmγ = Peso volumétrico seco máximo corregido del espécimen, en kg/cm3.

X = Material que retiene la malla de ¾�, en porcentaje. Y = Material que pasa la malla de ¾�, en porcentaje. Ss = Peso especifico relativo del material retenido en la malla ¾�.

dmγ = Peso volumétrico seco máximo del espécimen, en (kg/m3)

R = Coeficiente cuyo valor se da a continuación de acuerdo con los de x.

X (%) R

20 ó menos 1.00 21 � 25 0.99 26 � 30 0.98 31 � 35 0.97 36 � 40 0.96 41 � 45 0.95 46 � 50 0.94 51 � 55 0.92 56 � 60 0.89 61 � 65 0.86 66 � 70 0.83

VIII.7.4.2.Obtención de la curva de compactación. Obténgase la curva peso volumétrico � humedad, de la siguiente forma:

1. En sistema de ejes coordenados dibújese el punto correspondiente a cada espécimen, tomando como ordenada el peso volumétrico seco y como abscisa la humedad respectiva.

2. Únase mediante una curva a los puntos correspondientes a cada uno de los especimenes. El máximo de la curva representa el peso volumétrico seco máximo, y su humedad es la humedad óptima del material.

112

VIII.7.4.3. Precauciones durante la prueba. Al efectuar esta prueba deberán tenerse las siguientes precauciones:

1. No emplear material que haya sido sometido a algún procedimiento de compactación de laboratorio.

2. La muestra de suelo para la determinación de la humedad se obtendrá siempre cortando el espécimen longitudinalmente, en virtud de que algunos suelos, cuando se compactan por impactos, la humedad tiende a concentrarse en la parte inferior.

3. Las capas que se compactan para elaborar el espécimen deberán ser prácticamente iguales, para asegurar la uniformidad en la compactación.

4. No se deberán apretar las tuercas de mariposa con la llave, para evitar que se deforme la sección del molde, la llave sólo se deberá usar para aflojar las mencionadas tuercas cuando éstas se aprieten debido a que en el inferior del molde se tengan suelos expansivos.

VIII.7.4.4. Variante B. La segunda variante que presenta éste método, se utiliza para determinar el peso volumétrico máximo húmedo en el caso de suelos en que la fracción retenida en la malla de ¾� es menor del 10%, en peso. VIII.7.4.4.1. Equipo. El equipo que se utiliza es el mismo que el indicado en la variante A. VIII.7.4.4.2. Preparación de la muestra. La preparación de la muestra también es común, con la salvedad de que se deberá desechar el retenido en la malla de ¾� y, por tanto, no deberá determinase el peso especifico relativo Ss. VIII.7.4.4.3. Procedimiento. Este es el mismo que se indicó para la variante A de la prueba. VIII.7.4.4.4. Cálculo. En esta variante calcúlese y regístrese lo siguiente:

b) El contenido de agua, por medio de la fórmula que se indica, anotando su valor en las

columnas correspondientes de la hoja de registro.

100xWs

WsWmW

−=

113

Donde: W = Contenido de agua en porcentaje. Wm = Peso de la fracción de suelo húmedo, en gramos. Ws = Peso de la fracción de suelo seco, en gramos. b) El peso volumétrico húmedo, por medio de la siguiente fórmula, anotando su valor en las

columnas correspondientes de la hoja de registro.

CW1h =γ Donde:

hγ = Peso volumétrico húmedo del espécimen, en kg/m3.

CyW1 = Los indicados en la variante A.

Obténgase la curva Peso Volumétrico � Humedad como se indica:

1. En un sistema de ejes coordenados, dibújese el punto correspondiente a cada espécimen tomando como ordenada el peso volumétrico húmedo y como abscisa la humedad respectiva.

2. Únanse mediante una curva los puntos correspondientes a cada uno de los especimenes. El máximo de la curva representa el peso volumétrico húmedo máximo y su humedad es la humedad óptima del material.

En esta prueba deberán tomarse las precauciones que se indican para A.

114

Anexo 1 Para el agua a agregar.

Alternativa No. 1. Para calcular las cantidades de agua que hay que agregar a cada una de las porciones de suelo, se procede empíricamente de la forma siguiente:

1. Se determina el contenido de agua natural del suelo ( )nW . 2. Se determina el Límite Plástico del mismo (Lp) 3. El contenido de agua óptimo se calcula con la siguiente fórmula:

%4ó3Lp.Wopt −=

4. Conocido el .optW , se determinan los otros contenidos de agua que se utilizarán para

graficar la curva de compactación, esto se logra restando y sumando 2 veces un valor de 3 ó 4% en forma continua al .optW calculado.

5. En seguida, se calcula la cantidad de agua que hay que agregar a cada porción de suelo, para que presenten los contenidos de agua calculados en el inciso anterior.

La fórmula utilizada es: ( ) WsWWWWa ned −+=

Donde:

dW = Cantidad de agua, que se agregará a la muestra o porción en ml o cm3.

eW = Contenido de agua por homogenización, el cual se pierde por evaporación al homogenizar el material (0.5%)

nW = Contenido de agua natural de la muestra.

sW = Peso del suelo seco, en cada porción el cual es constante, y se calcula por medio de la fórmula:

n

t

W1

WWs +=

tW = Peso total de la porción.

115

Anexo 1 Para el agua a agregar.

Alternativa No. 2. Otra alternativa para calcular los contenidos de agua, es el siguiente criterio:

1. Se calcula el contenido de agua natural del suelo ( )nW . 2. Calculamos el ( )Ws de cada porción, el cual es constante con al fórmula ya conocida:

n

t

W1

WWs +=

3. Con el valor anteriormente calculado ( )Wx , podemos encontrar el peso del agua que cada

porción (2.6 kg), contiene en estado natural ( )natwW .

Si Ws

WW natw

n = entonces: sWnWnatw

W =

4. Agregar agua a la primer porción de material, hasta que fácilmente pueden formarse

grumos, el agua será medida. El contenido de agua correspondiente, será tomado como el inferior para la curva de compactación; se obtiene de la fórmula siguiente, en la que se considera el dato obtenido en el punto anterior.

s

sn

inf1 W

agregadaAguaWWWW

+==

5. A partir de éste contenido de agua, calculamos los 4 puntos restantes agregando 2% en forma sucesiva. Las cantidades de agua que hay que agregar para tener los contenidos de agua calculados, se obtiene de la misma forma que la alternativa No.1.

Para la prueba Porter.

1. Se agrega agua a la primer porción hasta formar grumos. 2. Para las demás porciones, se van agregando 80 ml, más a cada una, hasta que se observa

húmeda la base del molde, en el que se tendrá el contenido de agua óptimo y el peso especifico máximo.

116

Tabla 8.1

Factor �C� para el calculo de pesos volumétricos.

Lectura en el vástago

Factor C

Lectura en el vástago

Factor C

Lectura en el vástago

Factor C

25.4

25.5

25.6

25.7

25.8

25.9

26.0

26.1

26.2

26.3

26.4

26.5

26.6

26.7

26.8

26.9

27.0

940.00

936.00

932.00

928.00

925.00

921.60

918.60

914.40

911.20

907.60

904.40

900.80

897.60

894.0

890.8

887.2

884.0

27.1

27.2

27.3

27.4

27.5

27.6

27.7

27.8

27.9

28.0

28.1

28.2

28.3

28.4

28.5

28.6

28.7

880.80

877.60

874.40

871.20

868.0

865.20

861.60

585.8

855.60

852.4

849.60

846.40

843.60

840.40

837.60

834.80

831.60

28.8

28.9

29.0

29.1

29.2

29.3

29.4

29.5

29.6

29.7

29.8

29.9

30.0

30.1

30.2

30.3

828.80

826.00

823.30

820.40

817.60

814.80

812.00

809.30

806.40

803.60

800.80

798.00

795.20

792.40

790.00

787.20

117

ESTUDIO QUE SE VA A EFECTUAR: INICIO

FECHA:

TERMINO

GRÁFICA RESISTENCIA PENETRACIÓN

EXPANSIÓN

DÍAS TRANSCURRIDOS 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 LECTURA

LAMINA 8.2

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VALOR RELATIVO DE SOPORTE

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

OBRA: LOCALIZACIÓN: SONDEO N° ENSAYE N° MUESTRA N° PROF. DESCRIPCION

118

OBRA: LOCALIZACION: SONDEO N° ENSAYE N° MUESTRA N° PROF. m IDENTIFICACION OBSERVACIONES

DATOS DE PRUEBA Peso del espécimen, en kg. Lectura en

el pison Factor

Humedad Seco

Peso Volumétrico

Húmedo en kg/m3

Peso Volumétrico

seco en kg/m3

% Humedad

Peso especifico relativo

Peso especifico relativo

corregido

Peso Volumétrico

corregido

a b c d e f g h i j

DATOS DE HUMEDAD Granulometría y peso especifico relativo

W Peso total de la muestra en gramos Peso Húmedo

Wm en grs.

Peso seco en grs.

Perdida de agua en grs.

% Humedad

k l m n X Peso del material ¾�.

Y Peso del material ¾�.

Z Peso especifico rel. del mat. ¾�

r Coeficiente

Cálculos bcR =

d

dcS

−= 1000

eT =

rt

Y%

Z

X%

100U

+= 1000V =

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PRUEBA DE COMPACTACIÓN DINAMICA

MÉTODO CALIFORNIA

L A B O R A T O R I O D E

M E C Á N I C A D E S U E L O S

119

Determinación N° Peso molde + suelo húmedo (gr) Peso molde (gr) Peso suelo húmedo (gr) Peso Especifico húmedo (T/m3) Cápsula N° Peso Cápsula + suelo húmedo (gr) Peso Cápsula + suelo seco (gr) Peso del agua (gr) Peso Cápsula (gr) Peso suelo seco (gr) Contenido de agua (%) Peso especifico seco (T/m3) Relación de Vacíos: e Peso especifico seco (T/m3) (Gw =100%)

TIPO DE PRUEBA MOLDE N° VOL cm3 Peso gr. Peso del Martillo gr. Altura de Caida cm N° de Capas N° golpes por capa

Peso especifico húmedo Peso especifico seco =

1+ Contenido de agua DATOS SOBRE SATURACION W dγ

Gw = 100 %

Gw = 80 %

ss 0γ dγ

1 + e

OBSERVACIONES: º

UNIVERSIDAD A U T Ó N O M A D E G U E R R E R O F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A

COMPACTACION

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

OBRA: LOCALIZACIÓN: SONDEO N° ENSAYE N° MUESTRA N° PROF. DESCRIPCION

120

CAPÍTULO IX. PRUEBA DE COMPRESIÓN SIMPLE.

IX.1. Introducción. La prueba de compresión simple es la más usada en los Laboratorios de Mecánica de Suelos para los trabajos de rutina. Esta prueba tiene la ventaja de ser de fácil realización y de exigir equipo relativamente sencillo, en comparación con las pruebas triaxiales. Sin embargo, una correcta interpretación de sus resultados es más difícil que en el caso de las pruebas triaxiales, si se desea ir al fondo de los mecanismos de falla que tienen lugar; por el contrario, los resultados de la prueba son de fácil aplicación a los trabajos de rutina, por lo menos en apariencia, pero es recomendable que las conclusiones que se deriven de esta prueba vayan siempre sancionadas por un especialista. La prueba queda circunscrita a arcillas y suelos cohesivos, pues en las arenas y suelos arenosos no es aplicable el labrado de las muestras. Objetivo. Determinar la resistencia a la compresión simple. Definir adecuadamente el parámetro de la resistencia �c�, además de interpretar debidamente el tipo de falla que sufrió el material conforme a sus características. IX.2. Equipo. - Marco de carga (control de carga. Por medio de incrementos de cargas aplicados a intervalos

predeterminados). - Marco de carga (velocidad de deformación constante aplicando por medio de un motor). - Dispositivo para cabecera la probeta. - Labrador de muestras. - Varios: Balanza de 2 610 kg. de capacidad, horno, cápsulas de aluminio, vernier, cronómetro,

cuchillo, segueta de alambre. IX.3. Preparación de la muestra.

A).Especímenes de suelo inalterado.

1. En el cuarto de curado, de la muestra inalterada córtese un prisma de unos 5 cm de lado de base y unos 12 ó 13 cm de longitud.

2. Con un cortador y una segueta de alambre afínense los especímenes hasta su forma definitiva cilíndrica cuya relación de d/L no sea menor de 2 ni mayor de 3. Usualmente se labra a 3.6 cm de diámetro y 9 cm de altura.

3. El material producto del labrado debe conservarse, protegiéndolo del secado. B). Especímenes en suelo remoldeado.

1. Remoldéese la arcilla a mano hasta formar una masa homogénea, sin grumos, de material inalterado.

2. Prepare un fragmento de tubo de bronce o latón y una placa de vidrio, aceitándolas ligeramente. Con la arcilla fórmese una bola del tamaño de una nuez y colóquese ésta dentro del cilindro colocado sobre la placa de vidrio.

3. Apisónese el material.

121

4. Estas operaciones han de repetirse hasta llenar el molde. 5. Finalmente, extráigase el espécimen del molde. IX.3.1. Protección de la muestra contra la evaporación. Aún en pruebas de sólo unos minutos de duración, es conveniente proteger a los espécimenes contra la evaporación; para ello existen muchos métodos, algunos de los cuales se mencionan a continuación, ordenándolos de menor a mayor efectividad. 1. Envuélvase la muestra en una toalla de papel húmeda, sin que quede ceñida. 2. Cúbrase el espécimen con una capa delgada de grasa. 3. Enciérrese el espécimen en una cámara cerrada con agua en el fondo. 4. Cúbrase el espécimen con dos membranas de hule delgado. 5. Envuélvase el espécimen con dos membranas de hule y una capa de grasa a prueba de agua

entre ellas, sumergiendo el conjunto totalmente en agua. IX.4. Procedimiento de prueba. Los métodos de prueba dependen del equipo de carga disponible; a continuación se detallan los dos casos más comunes. Sin embargo, como criterio general es de señalar que es conveniente que la prueba dure de 5 a 10 minutos. Si la carga se aplica en incrementos, esto puede lograrse haciendo obrar cada minuto valores del orden de 1/5 a 1/10 de la carga de falla estimada (al hacer esta estimación debe tenerse presente que la resistencia de las arcillas remoldeadas, en general, es mucho menor que la de la misma, en general, es mucho menor que la de las mismas en estado inalterado). Un aparato portátil de piñón y cremallera o de plataforma de carga con tornillo de avance es recomendable para adquirir a priori una idea de la resistencia del material a probar y de los incrementos de carga a usar en una prueba más ambiciosa; este aparato sencillo puede usarse, por ejemplo en el campo, para determinaciones toscas de las resistencias a la compresión simple de las arcillas. En pruebas con deformación controlada deberá trabajarse con una velocidad tal que la prueba dure el mínimo tiempo señalado. IX.4.1. Procedimiento de prueba con aplicación directa de la carga (esfuerzo controlado). 1. Utilizando un cuchillo córtese la muestra inalterada de suelo fino de 5 x 5 x 11 cm

aproximadamente. 2. Utilizando el cuchillo y el labrador de muestras, lábrese la probeta hasta llegar a 3.6 cm

aproximadamente. 3. En el cabeceador corte ambos extremos de la probeta de 3.6 cm. para que tenga una longitud

de 9.00 cm aproximadamente. 4. Mida la altura y el diámetro de la probeta con el vernier. Determine el contenido de agua de

algunos de los fragmentos obtenidos durante el labrado. 5. Coloque un disco plástico en cada uno de los extremos de la probeta. 6. Coloque la probeta en el cilindro de plástico alto, abierto en la parte superior. Deposite poca

agua en el fondo del cilindro de plástico para mantener un ambiente húmedo alrededor de la probeta durante la prueba.

122

7. Coloque la probeta y el cilindro de plástico en el dispositivo de carga. Estando apoyado el émbolo de carga en la cabeza de la probeta y apoyando el cabezal en el émbolo, tómese la lectura inicial del extensómetro (en cero deformación).

8. Aplique un incremento de carga desviadora cada minuto en el porta pesas. Cada incremento deberá ser de aproximadamente un 10% de la carga de falla. Al aproximarse la falla de magnitud de los incrementos de carga deberá reducirse a un medio del valor indicado y las cargas se aplicarán a cada 1/2 minuto. Las lecturas en el extensómetro se registrarán 5 seg antes de aplicar el siguiente incremento de carga.

9. El proceso de carga se suspenderá si la probeta falla repentinamente o bien alcanzarse una deformación unitaria del 20% (lo que ocurra antes).

10. Hágase un croquis de la probeta ensayada si se define un plano de corte durante la prueba, mídase el ángulo de inclinación de dicho plano con respecto a la horizontal.

11. Determínese el contenido de agua de la totalidad de la prueba. 12. Si la probeta no es homogénea, el contenido de agua deberá de determinarse solamente con

suelo tomado de la zona de falla. 13. Dibújese la curva de esfuerzo-deformación. IX.4.2. Velocidad de deformación constante (deformación controlada). 1. Síganse los pasos del 1 al 7 del inciso A. 2. Se aplica una velocidad de deformación del 1% por minuto, la que, en caso de ser muy rígida

la probeta, se ajusta de tal forma que la probeta dure entre 10 y 20 minutos. Las lecturas de cargas y deformación se hacen cada minuto para definir al comienzo de la curva esfuerzo deformación axial unitaria.

3. Se siguen los pasos del 9 al 14 del inciso A. IX.4.3.Cálculos. A). Se calcula la deformación axial unitaria.

h

h∆=ε

Donde: ε : Deformación axial unitaria.

h∆ : Variación de la altura de la probeta. h: Altura inicial del espécimen. Par cada etapa se calcula el área corregida de la sección transversal del espécimen.

−=

unitarianDeformació0.1

AmcorregidasÁreas

Donde:

++=6

AiAc4AsAm

123

Am: Área media. Se calcula el esfuerzo aplicado.

A

P=σ

Donde: σ : Esfuerzo (kg/cm2) P: Peso en kg. A: Área en cm2

Se dibuja la curva de esfuerzo-deformación axial unitaria.

124

OBRA:

LOCALIZACION:

SONDEO: ENSAYE Nº: MUESTRA Nº PROF.

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F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A

DESCRIPCIÓN:

COMPRESION SIMPLE

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

Deformación Unitaria en % OBSERVACIONES

MEDIDAS DE LA MUESTRA Ds = cm As = cm2 Wi = gr. Dc = cm Ac = cm2 Vi = cm3 Di = cm Ai = cm2 けm = Ton/cm3 Hm = cm

As + Ac + Ai Am =

6 =

6 =

cm2

VELOCIDAD DE APLICACIÓN DE LA CARGA

Tiempo Trans.

Carga

Lectura Micro.

Deformación Total

Deformación Unitaria

1 � Deformación Unitaria

Área Corregida

Esfuerzo

min kg mm mm ---- --- cm2 kg/cm2

Área muestra Área corregida =

1 � Def. Unitaria

ESQUEMA DE LA MUESTRA EN LA FALLA.

125

CAPÍTULO X. CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL. X.1 Introducción. Se llama consolidación a la reducción paulatina de la relación de vacíos que sufre el suelo de baja permeabilidad sometido a cargas de larga duración. El fenómeno de consolidación puede atribuirse a la compresión y expulsión del aire contenido en los poros de los suelos parcialmente saturados y a la expulsión de agua. Dos aspectos del fenómeno de consolidación son de interés en mecánica de suelos: La magnitud de las compresiones totales que pueden presentarse bajo distintas cargas, y la evolución con el tiempo de la compresión sufrida por un suelo bajo una carga determinada. La prueba de consolidación estándar consiste en comprimir verticalmente un espécimen de material, confinado en un anillo rígido, de acuerdo con una secuela de carga establecida de antemano. Para cada incremento de carga, el espécimen sufre una primera deformación, atribuible al proceso de expulsión de agua o de aire, que se llama consolidación primaria o hidrodinámica, y una segunda deformación debida a fenómenos de flujo plástico en el suelo, cuyos efectos son más notables después de que se ha determinado el proceso de consolidación primaria. La extrapolación de los datos de laboratorio a problemas de evaluación de asentamientos en el campo, mediante la teoría de la consolidación secundaria. X.2. Objetivo Las pruebas de consolidación se realizan con el objeto de tener información sobre los dos aspectos mencionados. La relación entre reducciones de relación de vacíos y presiones efectivas aplicadas, obtenidas durante la prueba, permite estimar los asentamientos totales que pueden esperarse en obra dada. Por otra parte, la relación de deformación contra tiempo, obtenida por un incremento de carga dada durante la prueba, permite, por medio de la teoría de consolidación unidimensional de Terzaghi, prever la evolución de los asentamientos con el tiempo.

a). La curva de compresibilidad de un suelo. b). Las curvas de consolidación de cada incremento de carga. c). Calcular la carga de preconsolidación. d). Calcular la permeabilidad de un suelo, en forma directa. e). Los coeficientes de consolidación y compresibilidad. f). Tiempo de asentamiento de un suelo, bajo una carga.

X.3. Equipo. 1. CONSOLIDÓMETRO. Incluye anillo de consolidación, discos porosos, extensómetro de

carátula y marco de carga. Puede ser de anillo fijo o flotante. El consólidometro de anillo fijo debe tener una base rígida diseñada para recibir la piedra porosa inferior y fijar el anillo de consolidación. El consolidómetro de anillo flotante es el más recomendable, porque la fricción que se desarrolla entre el anillo y el espécimen es menor que en un consolidómetro de anillo fijo, el cual puede ser preferible para suelos muy blandos, que no pueden soportar el peso de un anillo flotante.

126

El consolidómetro de un anillo fijo tiene la ventaja de permitir la realización de pruebas de permeabilidad, aunque en la práctica resulte difícil combinar una prueba de consolidación con una de permeabilidad sin que se presenten interferencias indeseables entre ambas. Los discos porosos deben ser más permeables que el suelo para permitir el drenaje, sus dimensiones deben ajustarse al diámetro interior del anillo de consolidación, con una holgura de 0.25 mm. 1. Sistema de carga. Puede ser de distintos tipos, neumáticos ó hidráulicos. La carga se aplica

por medio de pesos colocados en una ménsula que cuelga del extremo de una viga de carga con forma de sector circular. La carga aplicada a la muestra se obtiene multiplicando los pesos por la relación de brazos de palanca del sistema, que es, generalmente, de 10. Conviene determinar las cargas aplicadas al espécimen con más precisión, calibrando el sistema con un dinamómetro.

2. Equipo para labrado del espécimen. Torno de labrado, herramienta para labrar, cortador de alambre y regla metálica rígida afilada.

3. Varios. Dos placas de vidrio numeradas y taradas, balanza de 800 g, cronómetro, reloj, termómetro, agua destilada, cubierta de plástico para el recipiente de base, varios pedazos pequeños de esponja, toallas de papel, cápsulas para determinar el contenido de agua, horno desecador y jeringa.

X.4 Procedimiento. El procedimiento es prácticamente el mismo, ya sea que se use un consolidómetro de anillo fijo o flotante, y consta de los siguientes pasos: X.4.1 Determinación de la compresibilidad del equipo. Para obtener las deformaciones del espécimen, las del aparato deben restarse de las observadas. Las deformaciones del equipo deben detenerse periódicamente, en la forma siguiente: 1. Se balancea todo el aparato, ajustando el sector de modo que quede en la posición que debe

ocupar al iniciarse la prueba de consolidación. 2. Se coloca el consolidómetro en el banco, con sus discos porosos, placa de carga y balín, y un

espaciador metálico que se emplea en sustitución de la probeta de suelo. 3. Se coloca el micrómetro arriba del marco de carga. 4. Se aplica una carga, y se registran las deformaciones para tiempos iguales a los indicados en el

procedimiento de la prueba con el espécimen. 5. Se repite el paso anterior para todos los incrementos de carga que se utilicen, así como para

todas las etapas de descarga. 6. Con los datos obtenidos en cada determinación, se construyen gráficas tiempo-deformación del

equipo en cada etapa.

127

X.4.2 Determinación de las cargas aplicadas al espécimen durante la prueba.

1. Se coloca, entre el banco y el marco, un dinamómetro calibrado provisto de micrómetro. Se ajustan las varillas del marco de modo que la posición del sector sea, aproximadamente, la correspondiente a la mitad de la compresión de la probeta del suelo.

2. Se hace la lectura inicial de micrómetro, antes de aplicar cargas. 3. Se coloca en el portapesas, la pesa correspondiente al primer incremento de carga que se

empleará en la secuencia de consolidación. Se anota la lectura correspondiente en el micrómetro del dinamómetro, hasta alcanzar la carga máxima que va a emplearse en la prueba de consolidación.

4. Se depositan, en el portapesas, las pesas correspondientes a cada uno de los incrementos de cargas sucesivos, y se registran las lecturas en el micrómetro del dinamómetro, hasta alcanzar la carga máxima que va a emplearse en la prueba de consolidación.

5. Después de registrar la lectura correspondiente a la carga máxima, se quita él último incremento de carga y se vuelve a registrar la del micrómetro.

6. Con la misma secuencia empleada para la carga, pero en orden inverso, se quitan los incrementos de carga registrando las lecturas sucesivas del micrómetro hasta descargar totalmente el portapesas. Se anota la lectura del micrómetro para la posición descargada.

7. Se repiten los pasos 2 a 6, se comparan los resultados de los dos ciclos de carga, y se dibujan los resultados en una gráfica: cargas aplicadas - incrementos de lectura en el dinamómetro. En caso necesario, se repiten una vez más los pasos 2 a 6.

8. Se promedian los resultados obtenidos en dos ciclos cuyos resultados no difieran demasiado y, por medio de la curva de calibración del dinamómetro, se dibuja una gráfica de cargas aplicadas en el portapesas contra cargas aplicadas a la probeta, separando las gráficas de carga y descarga.

X.4.3 Preparación de la muestra. Para preparar una muestra inalterada es esencial cortar un fragmento cuyo volumen sea el del anillo de consolidación. Para una buena manipulación se recomienda el uso de un aparato cortador adecuado. A fin de evitar la evaporación, es recomendable preparar el espécimen en un cuarto húmedo. Al mismo tiempo que se prepara la muestra de consolidación es necesario formar una muestra representativa para determinación del peso específico relativo, y, es conveniente obtener una muestra para la realización de pruebas de límites de plasticidad. El procedimiento detallado para la obtención de una muestra para pruebas de consolidación deberá ajustarse a lo que sigue:

1. Determínese y anótese el peso propio del anillo para confinar la muestra y de dos placas de vidrio de aproximadamente 15 x 15 cm. Hágase lo mismo con el área y la altura del anillo. (Lámina 10.1).

2. Colóquese una masa de arcilla inalterada del tamaño apropiado en el anillo de consolidación y, girando el anillo, córtese la muestra con un cortador hasta sus dimensiones correctas. En arcillas blandas resulta bien hacer girar el anillo manualmente, retirando el material sobrante con ligeros cortes de ajuste; en materiales duros puede hacerse necesario manipular la muestra mecánicamente, ajustándola al anillo, después de haber obtenido un cilindro del diámetro apropiado; en este caso debe tenerse cuidado de que la muestra no pierda agua por evaporación. Conforme el labrado de la muestra progresa, ésta se va presionando hacia adentro del anillo, usando para ello una placa de vidrio; durante toda la operación, el lado inferior de la muestra descansa en una base metálica, introduciendo en el

128

anillo, de diámetro ligeramente menor que el interior de éste. Continúese el labrado de la muestra hasta que su base sobresalga algo por la cara inferior del anillo.

3. Retírese la porción de la muestra que sobresalga por la cara superior del anillo, hasta lograr una superficie continua a nivel; para esto puede usarse una segueta de alambre, en muestras suaves, o un cuchillo para muestras más duras; afínese cuidadosamente usando una regla metálica recta.

4. Colóquese una placa de vidrio, ya pesada, sobre el anillo, inviértase éste y repítase la remoción del material en la cara inferior. Una vez realizada, colóquese en esa cara la otra placa de vidrio tarada.

5. Anótese una muy detallada y cuidadosa descripción de la muestra. 6. Usando una balanza, pésese el conjunto muestra, anillo y placa de vidrio. 7. Retírense con cuidado las placas de vidrio y, en su lugar, céntrense cuidadosamente las

piedras porosas ligeramente humedecidas en sus bases, presionándolas muy suavemente contra la muestra, a fin de lograr que se adhieran. Colóquese ahora con cuidado el anillo en la cazuela del consolidómetro, cuidando que el anillo ya no sufra ningún movimiento, una vez colocado.

8. Colóquese un anillo de algodón hidrófilo, húmedo en torno a la piedra porosa superior, cubriendo la parte superior del espacio entre el anillo y la cazuela. Es esencial que el algodón permanezca húmedo durante la compresión de la muestra. Generalmente el algodón puede retirarse después de la consolidación, producida por el incremento de carga con el cual se pase el rango de carga de preconsolidación del suelo en estudio; después de la carga de preconsolidación se cuidara que el espécimen se encuentre saturado. Si la muestra se sumerge desde el principio, sin usar algodón, se puede producir una expansión excesiva bajo las pequeñas presiones iniciales.

X.4.4 Montaje de la prueba. Se ajustará a lo siguiente: 1. Con gran cuidado, a fin de evitar movimientos del anillo y de las piedras porosas en la

cazuela, colóquese ésta en la plataforma del banco de consolidación y céntrese cuidadosamente la piedra porosa superior bajo el marco de carga..

2. Balancéese la palanca de carga y ajústese la elevación de la pieza transversal superior del marco de carga, hasta que el marco quede en contacto con la pequeña esfera metálica alojada en la muesca de la placa de carga (un pequeño peso que actúe sobre el marco de carga hará contacto estable) previamente colocado sobre la piedra porosa superior. Compruébese la horizontalidad de la pieza superior del marco de carga.

3. Colóquese el micrómetro, atornillando el puente que lo sostiene y poniéndolo en contacto con el marco de carga; póngase el micrómetro en cero.

X.4.5. Procedimiento de prueba. El procedimiento de prueba se ajustará a lo siguiente: 1. Retirado el pequeño peso actuante sobre el marco de carga, colóquese en la ménsula el primer

incremento de carga, evitando que el marco cause impacto sobre la muestra y usando los pesos apropiados. Anótese esa carga. La magnitud de la presión a que primeramente se sujete la muestra depende de varias consideraciones. Debe escogerse una carga bastante pequeña, tal que dé una presión que haga que la muestra no fluya a través del espacio libre entre la piedra

129

porosa y el anillo; además, puesto que en la teoría se suponen constantes tanto la relación de vacíos como el coeficiente de permeabilidad durante el tiempo en que actúa el incremento de carga, no se tendría buena concordancia entre las curvas de laboratorio y la teoría, si se escogieran incrementos de carga demasiado grandes. Por otra parte, si los incrementos son demasiados pequeños, la consolidación secundaria, que es independiente de la magnitud de ellos haría pocos notorios los efectos primarios.

Después de que la muestra ha sido consolidada bajo el primer incremento, cada incremento sucesivo será tal que la carga se vaya duplicando. En suelos muy blandos es conveniente dividir la colocación de la primera carga en cuatro etapas, con una media hora de intervalo y colocando cada vez una cuarta parte de la carga. Al colocar las cargas en la ménsula deberá siempre evitarse el impacto. Las pesas ranuradas, de uso común, deben colocarse con sus ranuras cuatrapeadas, para evitar su deslizamiento de la ménsula, por inclinación de ésta. 2. Obsérvense y anótense las lecturas del micrómetro en intervalos de tiempo adecuados. Es útil

la siguiente secuencia: 6, 15, 30 seg. 1, 2, 4, 8, 15, 30 min 1, 2, 4, 8 horas, etc. No es fundamental ajustarse a una cierta secuela, pero sí lo es el medir correctamente el tiempo transcurrido desde el principio hasta el instante en que se hace cada lectura.(Lámina 10.2).

3. Dibújese la curva de consolidación (trazado similogarítmico). Lámina10.3. 4. Una vez que en la curva de consolidación se define claramente el tramo recto de

consolidación secundaria, se considera que se ha completado la primaria; procédase entonces a la colocación del segundo incremento de carga, repitiendo los puntos 2 y 3. Y así procédase sucesivamente hasta completar la prueba en lo referente al ciclo de carga.

5. Observando todas las curvas de consolidación obtenidas, selecciónese un tiempo correspondiente a un punto de caiga en el tramo de consolidación secundaria de todas ellas. Anótense las presiones y las lecturas del micrómetro, usando las curvas correspondientes a ese tiempo escogido, interpolando las curvas. Estos datos pueden dibujarse en trazo semilogarítmico, con las presiones en escala logarítmica y las lecturas en escala natural. La forma de la curva así obtenida es similar a la de la curva de compresibilidad, que se dibujará posteriormente. Del análisis de la curva es posible ver si la prueba se ha desarrollado lo suficiente para los propósitos que se persiguen. Siempre que sea posible, es deseable continuar aplicando incrementos de carga hasta que la porción recta del trazado semilogarítmico recién dibujado, se defina netamente. Hay que tener en cuenta, sin embargo, que los consolidómetros normales tienen una capacidad máxima en la ménsula de carga de 100 a 150 kg.

6. Una vez aplicados todos los incrementos de carga necesarios, según la información proporcionada por la curva presión-lectura del micrómetro, mencionada en 5, quítense las cargas en decrementos; generalmente se quitan las tres cuartas partes de la presión total en el primer decremento y después, en cada uno de los restantes, se retira la mitad de la carga que reste.(Lámina 10.4).

7. Háganse lecturas en diferentes tiempos para cada carga actuante en el ciclo de descarga, dibujando las curvas de expansión, análogas a las anteriores de consolidación. El criterio para fijar el tiempo en que se hagan las remociones de cargas sucesivas es el mismo que el establecido para la aplicación de los incrementos en el ciclo de consolidación. Es conveniente invertir la escala de las lecturas del micrómetro al dibujar las curvas.

8. Después de retirar toda la carga, permítase que la muestra se expanda descargada durante 48 horas, o, preferiblemente, hasta que no se registre expansión en el micrómetro en un período de 24 horas. Si se deseara someter a la misma muestra a otros ciclos de recompresión, repítase las etapas 1 a 8.

130

9. Al terminar la prueba, quítese el micrómetro y desármese el consolidómetro. Cuidadosamente séquese el agua del anillo de consolidación y de la superficie de la muestra, colóquense dos placas de vidrio, previamente taradas, cubriendo la muestra y el anillo, y pésese el conjunto. (Anótese el dato como: Tara + Suelo húmedo).

10. Séquese la muestra y obténgase su peso seco. X.4.6. Datos de la prueba de consolidación. Se seguirán los siguientes lineamientos: 1. Ejecútense los cálculos indicados en la forma 5. Estos conducen a la determinación de los

contenidos de agua inicial y final del espécimen y de la altura de sólidos, )H( S. Esta última

cantidad, justamente con la altura original del espécimen )H( i se usa en el cálculo de las relaciones de vacíos correspondientes a las lecturas del micrómetro, registradas en la forma 6 (resumen de datos y cálculos). El propósito del cálculo de los grados de saturación al principio y al final de la prueba es el de obtener una verificación de la exactitud de los datos observados y registrados. El grado de saturación de una arcilla inorgánica inalterada es, por lo general, muy cercano al 100 %. Si el grado de saturación calculado al principio de la prueba varía apreciablemente del 100%, ello puede indicar la presencia de gas o aire en la muestra o un error en los datos o cálculos efectuados. Cuando una muestra está totalmente saturada al principio de la prueba, ciertamente lo está también al final de ella. El cálculo del grado de saturación final requiere tomar en cuenta el cambio de altura del espécimen, que tiene lugar del principio al fin de la prueba; está dado por la variación neta de lecturas inicial y final del micrómetro. Por lo tanto un valor inapropiado del grado de saturación calculado puede indicar un error en las lecturas micrométricas registradas.

2. Regístrense en la forma de Resumen de datos y cálculos (6), los datos allí especificados. La duración de la prueba es el tiempo total transcurrido desde la aplicación del incremento de carga inicial al momento en que se hace la lectura micrométrica final. El intervalo de tiempo entre incrementos de carga usado en los cálculos es el tiempo arbitrariamente escogido, para el cual se completa la consolidación primaria en todos los incrementos de cargas.

La corrección por compresión del aparato de la forma 6, se obtiene de la curva de calibración que ya se ha hecho referencia. 3. Dibújese la curva de compresibilidad en trazo semilogarítmico en la forma ya indicada

anteriormente, y determínese la carga de preconsolidación, los índices de compresión )Cc( y de expansión )Ce( .

X.4.7. Cálculos X.4.7.1. Objetivo. De la prueba de consolidación se obtienen los parámetros indicados a continuación: a). Coeficiente de compresibilidad. )a( V .

131

El coeficiente de compresibilidad, es igual a la pendiente de la curva relación de vacíos-presiones dibujada en rayado aritmético. La expresión matemática es:

kg/cmpp

ee

p

ea 2

12

21v −

−−=∆∆−=

Donde e1 y p1 son la relación de vacíos y la presión en una primera etapa; e2 y p2 en una segunda etapa. b). Coeficiente de consolidación )C( V .

El coeficiente de consolidación, )C( V , parámetro de la ecuación diferencial del proceso de

consolidación, se expresa en la forma simplificada como sigue:

seg/cmt

H197.0C

50

2m

v =

Donde:

mH : Longitud de trayectoria de drenaje más corta en cm.

50t : Tiempo, en seg, correspondiente al 50% de consolidación primaria para el incremento de carga considerando.

c). Coeficiente de permeabilidad. Este coeficiente es igual a:

aV CV γw Km = _________________ cm / seg

( 1 + em ) 1000 Donde:

VV Cya : Ya se definieron.

wγ : Pesos volumétricos del agua, en g/cm3

me : Relación media de valores. d) Relación de Consolidación Primaria. (r). La relación de consolidación primaria, r, expresa la relación entre la deformación debida a la consolidación primaria y la totalidad que sufrió el espécimen en cada incremento de carga. Por tanto.

f0

100S

dd

ddR −

−=

Donde:

Sd : Deformación en el 0% de consolidación primaria.

100d Deformación en el 100% de consolidación primaria.

fd Deformación final del espécimen.

132

X.4.7.2. Método de cálculo. Para obtener los coeficientes anteriores, los cálculos se efectúan como sigue:

1. En el registro de los datos generales del ensaye (Lámina 10.1), se calcula el contenido de agua, w, la relación de vacíos, e, y el grado de saturación, GW, antes y después de la consolidación, de la siguiente manera:

100xWs

Ww)porcentajeen(w =

Donde WW es el peso del agua y WS el de los sólidos.

Vs

Vve =

Donde VV es el volumen de vacíos, y VS el de sólidos. Por otra parte:

VsVtVv;Ss

WsVs −==

Donde SS es la densidad de los sólidos, y VT el volumen total de la muestra.

100xVv

V(%)Gw W=

2. La deformación (lámina 10.2) se calcula restando de la lectura inicial del micrómetro las lecturas subsecuentes y la deformación del aparato.

3. La recuperación (lámina 10.4) se calcula por diferencia entre la lectura del micrómetro en cada tiempo y la lectura inicial. A este resultado se le resta la correspondiente corrección del aparato.

4. A cada etapa de carga le corresponde una serie de valores tiempo - deformación, lo cual permite construir una curva sobre rayado semilogarítmico, cuyas abscisas (escala logarítmica) representan la deformación, en milímetros (lámina 10.3). En ocasiones no es posible, mediante esta curva, definir las características del suelo en estudio; entonces se recurre, con los mismos datos de la anterior, al trazo de una curva tiempo - deformación, en rayado aritmético.

5. Si la curva es dibujada en rayado semilogarítmico (lámina 10.3), es posible obtener el 0% teórico de consolidación, como se explica enseguida: se escoge un punto de la curva próximo al eje de las deformaciones, se observa el tiempo que le corresponde y se localiza, sobre la curva, el punto cuya abscisa sea cuatro veces la del punto originalmente elegido; la diferencia de ordenadas entre ambos puntos se duplica y este valor se lleva, a partir del segundo punto mencionado, sobre una paralela al eje de las ordenadas, obteniéndose de este modo un tercer punto por el cual se hará pasar una paralela al eje de los tiempos que es la que define el 0% teórico de consolidación. Con objeto de comprobar el resultado se eligen otros puntos de la curva próxima al primero y se repite la construcción.

El 100% teórico de consolidación queda definido por la intersección de la tangente al trazo central de la curva con la asíntota del tramo final de la misma.

133

Al punto medio del segmento entre el 0 y el 100% teóricos de consolidación corresponderá el 50%. El tiempo correspondiente a este porcentaje, 50t , queda determinado por la abscisa del

punto de intersección de la curva y de una paralela al eje de los tiempos, trazada por el punto medio del segmento aludido. La determinación de t50 debe hacerse para cada una de las curvas obtenidas en el proceso de consolidación.

6. Si la gráfica empleada es la de rayado aritmético, se definirá el tiempo que corresponda al 90%, 90t , en la forma indicada a continuación.

De la curva ndeformaciót − (debe observarse que la escala horizontal no representa precisamente el tiempo, t , en minutos, sino que el rayado representa la raíz cuadrada del número del tiempo; es decir, si se lee en la escala un tiempo t, en minutos = 4, deberá entenderse que la

abscisa es proporcional a 4 y no a 4), se obtiene t90 mediante el método siguiente: se traza una línea que corresponda a la sección recta de la curva en cuestión. Tomando dos ó mas puntos de dicha línea, se multiplican sus abscisas correspondientes por la constante 1.15. Estos productos dan las abscisas de otros tantos puntos, con los cuales se traza una segunda recta. La intersección

de ésta con la curva )ndeformaciót( − define, por su abscisa, el tiempo que corresponde a

90t .

7. En el resumen de cálculos (lámina 10.5), se reúnen todos los datos de carga y descarga

obtenidos durante el proceso. En la primera columna se registra la temperatura correspondiente a cada etapa.

8. En la columna correspondiente, se registran todos los incrementos de presión a partir de cero y todos los decrementos de la descarga hasta llegar nuevamente a cero.

9. La columna Relación de Consolidación primaria, r, se calcula para cada etapa de carga, con la fórmula dada anteriormente.

10. La columna deformación lineal δ , en mm, se forma de la siguiente manera: a una presión nula le corresponde una deformación cero (primer renglón); al primer incremento de presión le corresponde una deformación dada; al segundo incremento de carga le corresponde otra de deformación que sumada a la deformación del primero da la deformación acumulativa correspondiente a éste. A este valor se le sumará la deformación correspondiente al siguiente incremento de presión, y así sucesivamente, en la inteligencia de que al llegar a la etapa de descarga dicha deformación, en lugar de sumarse, deberá restarse en cada caso, por ser de signo contrario a la deformación obtenida en la etapa de carga.

11. La deformación unitaria, ε , en porcentaje, se calcula dividiendo la deformación lineal de cada reglón entre el espesor inicial H2 , y multiplicando por cien.

100xH21δ=ε

12. Para cada renglón, el espesor comprimido, H2 , en mm, es igual al espesor inicial, 1H2 , menos la deformación lineal correspondiente.

δ−= 1H2H2

134

13. Para calcular la columna )H2H2( 0− , en mm, previamente se obtiene el valor del

espesor de los sólidos, 0H2 , que será constante si no hay pérdida de material durante el

proceso.

)mm(SsAe

10WsH2

w0 γ=

Donde: Ws : Peso de sólidos en g.

wγ : Peso volumétrico del agua a la temperatura de prueba en g/cm3.

Ss : Densidad de los sólidos. Ae : Área de la pastilla en cm2.

14. La columna )Hm( , en cm, se calcula teniendo en cuenta las condiciones de los drenajes utilizados. Si se emplean dos drenajes, para calcular )Hm( , la suma de los espesores comprimidos en cada dos incrementos de divide en cuatro. Teniendo )Hm( , elevado al

cuadrado se obtiene )Hm( 2 , en cm2.

15. En la siguiente columna se anotan los valores 50t , en seg, obtenidos de las gráficas

tiempo-deformación. 16. Los coeficientes de compresibilidad, )a( V , de consolidación, )C( V , y el de

permeabilidad media, se obtiene de las fórmulas ya indicadas en 10.5.1. Salvo, que si la curva de tiempo-deformación se hizo en rayado aritmético, el coeficiente de consolidación,

)C( V , se calcula con la expresión siguiente:

seg/cmt

Hm848.0Cv

90

2=

17. La columna )e( m se calcula obteniendo el promedio de las relaciones de vacíos de dos etapas consecutivas.

18. La columna )Pm( , en kg/cm2 es el promedio de las presiones de dos incrementos consecutivos.

19. Las deformaciones unitarias acumuladas se calculan con la siguiente fórmula:

100xH2

porcentajeen,1

δ=ε

Donde δ , en mm, es la deformación lineal acumulativa, y 1H2 , el espesor lineal de los sólidos.

20. En la lámina 10.7, de rayado semilogarítmico, se dibuja la curva relación de vacíos -presión (en carga y descarga), con los datos registrados en la lámina 10.5.

De la gráfica relación de vacíos- presión, se obtiene la carga de preconsolidación, 1P , en kg/cm2, de la manera siguiente:

135

• Se toma el punto de máxima curvatura de la rama de carga; por dicho punto, se dibuja una línea tangente y otra paralela al eje de las presiones y se traza la bisectriz del ángulo que forman estas dos curvas. • En la parte final de la rama de carga, se traza una asíntota. La abscisa del punto de intersección de esta recta con la bisectriz define la carga de preconsolidación. • En esta misma gráfica se obtienen los índices de compresión, Cc , y de expansión, Ce , con las siguientes expresiones:

23

21

plogplog

eeCc −

−= 23

23

plogplog

eeCe −

−=

El valor del índice de compresión se sustituye en la siguiente ecuación empírica, que es la de la parte recta de la curva, la cual se denomina la curva virgen de consolidación

0100 P

PlogCcee −=

Donde 0e es la relación de vacíos correspondientes a 0P en la etapa de carga (Consolidación), y

el valor arbitrario para 0P es de 1 kg/cm2; Pye son variables para un punto cualquiera.

Para la expansión, la recta se puede expresar de este modo.

0100 P

PlogCeee −=

Donde 0e es la relación de vacíos correspondiente a 0P en la etapa de descarga.

21. Con los datos relación de vacíos - presión, registrados en la lámina 10.5, columna 2 y 8,

se dibuja una gráfica en rayado aritmético. Esta curva tiene como objetivo determinar gráficamente el coeficiente de compresibilidad, av, para cualquier intervalo de presión, empleando la fórmula.

12

12v

PP

eea −

−=

22. Se puede dibujar en escala aritmética la curva deformación unitaria-esfuerzo (presión), con los datos registrados en la lámina 10.5 (columna 2 y 5).

136

X.4.7.3. Errores posibles. Además de los propios a las hipótesis simplificadoras de la teoría de la consolidación los principales errores que pueden afectar a la prueba de consolidación son los siguientes:

1. Alteración de la probeta durante su preparación. Todo cambio en la estructura natural del suelo afecta la relación deformación - tiempo, e impide que se defina con claridad la carga de preconsolidación. Este efecto se disminuye cuando se incrementa la altura de la probeta.

2. La probeta no llena completamente el anillo de consolidación. 3. Secado de la probeta durante la preparación, especialmente si el labrado se hace fuera del

cuarto húmedo.. 4. No representatividad de los residuos del labrado de la muestra empleados para determinar

el contenido de agua inicial y la densidad de sólidos 5. Corrientes galvánicas en el consolidómetro. Para impedir la alteración de la muestra

arcillosa debido afectos electroquímicos, todas las partes del consolidómetro deben ser construídas con material no corrosivo, (plástico o acero inoxidable).

6. Rozamiento de los discos porosos con el anillo de consolidación. 7. Orientación defectuosa de la muestra; ésta debe ser orientada en la misma dirección que en

la naturaleza. 8. Variaciones apreciables de la temperatura durante la prueba. 9. Permeabilidad insuficiente de los discos porosos. Los discos deben limpiarse con cuidado

después de cada prueba. Una forma radical de evitar que se taponen consiste en intercalar un disco de papel filtro entre el disco poroso y la muestra.

137

WsHs

2Hw

aire o gas 1Hwh∆

2H1H

DETERMINACIÓN DE w AL PRINCIPIO DE LA PRUEBA AL FINAL DE LA PRUEBA Anillo y vidrio No. Tara + Peso suelo húmedo Tara + Peso suelo seco Peso del agua Tara Peso suelo seco: Ws Contenido de agua: w % w1 = w1 = w2 = w2 = w % promedio w1 = w2 =

Anillo No. Diametro del anillo cm. Área del anillo A= cm2 Altura del anillo = Altura de la muestra al principio de la prueba = H1 = mm Peso especifico relativo de sólidos Ss =

Altura de sólidos =

SsA

Ws10Hs = =

=

mm

Variación de la altura de la muestra del principio al

final de la prueba = h∆ = mm

Altura final de la muestra : HHH 12 ∆−= = =

Altura incial del agua: HsSsWHw 11 = = = mm

Altura final del agua: HsSsWHw 22 = = = mm

Relación de vacíos inicial:

Hs

HsHe 11

−= =

=

Relación de vacíos final:

Hs

HsHe 2

2−= =

=

Grado de saturación inicial:

HsH

HwGw

1

11 −= =

=

%

HsH

HwGw

2

22 −= =

=

%

En el cálculo de relaciones de vacíos úsense los valores siguientes

Hs = mm H1= mm

FECHA

OBRA: LOCALIZACIÓN: SONDEO N° ENSAYE N° MUESTRA N° PROF. DESCRIPCION

UNIVERSIDAD A U T Ó N O M A D E G U E R R E R O F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A

CONSOLIDACIÓN (CONTENIDO DE HUMEDAD Y CÁLCULOS)

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

OBRA: LOCALIZACIÓN: SONDEO N° ENSAYE N° MUESTRA N° PROF. DESCRIPCION

138

FECHA TIEMPO TEMP. CARGA TIEMPO TRANS.

LECT. MICR.

FECHA TIEMPO TEMP. CARGA TIEMPO TRANS.

LECT. MICR.

Hrs Min ° C Kg Min Hrs Min mm

CONSOLIDOMETRO

FECHA

OBSERVACIONES

UNIVERSIDAD A U T Ó N O M A D E G U E R R E R O F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A

CONSOLIDACIÓN (REGISTRO DE CARGA)

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

OBRA: LOCALIZACIÓN: SONDEO N° ENSAYE N° MUESTRA N° PROF. DESCRIPCION

139

Tiempo en min.

Def

orm

ació

n (m

m)

0.1 1 10 100 1,000 10,0000.4

0.39

0.38

0.37

0.36

0.35

0.34

0.33

0.32

0.31

0.3

141

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE GUERRERO FACULTAD DE INGENIERIA

CONSOLIDACIÓN (REGISTRO DE CÁLCULOS)

OBRA: ___________________________________________ LOCALIZACIÓN __________________________________________________________

SONDEO N° ____________ENSAYE N° ____________ FECHA____________________

IDENTIFICACIÓN _________________________________________________________

___________________________________________________________________________ OBSERVACIONES _________________________________________________________ ___________________________________________________________________________

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

Temp. Presión P1 en

Kg/cm2

Relación de consolidación

Primaria, r

Deformación lineal δ, en mm.

Deformación unitaria ε, en

porcentaje

Espesor comprimido

2H1 en mm

2H1-2H0 0H2

0H21H2e

−=

Hm1 en cm

Hm12

en cm2

t50 en seg

av en

cm2/kg

Cvx10-4 en

cm2/seg

Km 10-4 en cm/seg em

Pm1, en kg/cm2

Aparato N° _____________ Peso de los sólidos Ws = ___________ g Densidad de sólidos Ss = ___________ g Area de la probeta Ac = ___________ cm2

Espesor de los sólidos SsAcw

WsHo γ

102 = = ___________ mm

Espesor inicial 2H1= ___________ mm

Prueba N° _______________

Relación de consolidación primaria fo

s

dd

ddr −

−= 100

Coeficiente de consolidación segcmt

HmCv /

197.0 2

50

2=

Coeficiente de compresibilidad ( )va

kgcmPP

ee

p

eva /2

12

12 −−−=∆

∆=

Coeficiente de permeabilidad ( )Km

( ) segcmm

CvavKm

ew /

10001+= γ

142

P en kg/cm2

Rel

ació

n de

Vac

íos

(e)

0.1 0.5 1 5 100.56

0.58

0.6

0.62

0.64

0.66

0.68

0.7

0.72

0.74

0.76

0.78

0.8

144

CAPÍTULO XI. PRUEBAS DE PERMEABILIDAD.

XI.1. Introducción.

El concepto �permeabilidad� en Mecánica de Suelos, se define como la mayor ó menor facilidad con que el agua fluye a través del suelo. La permeabilidad de un suelo se puede determinar directamente en el campo ó bien en el laboratorio utilizando muestras alteradas ó inalteradas. Los procedimientos empleados en laboratorio para determinar el coeficiente de permeabilidad pueden dividirse en directos e indirectos. XI.1.1. Métodos directos. a). Permeámetro de carga constante. b). Permeámetro de carga variable. XI.1.2. Métodos indirectos. a). Cálculo a partir de la curva granulométrica. b). Cálculo a partir de la prueba de consolidación. c). Cálculo a partir de la prueba horizontal de capilaridad. Un cuadro con las pruebas de permeabilidad que requiere cada tipo de suelo publicado por A. Casagrande y R. E. Fadum se reproduce en la lámina 11.1. XI.2. Permeámetro de carga constante. XI.2.1. Objetivo. Como todas las pruebas de permeabilidad, el objetivo de ellas es la de determinar el coeficiente de permeabilidad en los suelos que varían de 102 a 10-3 cm/seg. El procedimiento consiste en someter a la muestra de suelo a un escurrimiento de agua bajo una carga constante. El coeficiente de permeabilidad se determina directamente, con base en la Ley de Darcy a partir del gasto observado, área de la sección transversal de la muestra, longitud, carga aplicada y temperatura del agua. XI.2.2. Equipo. • Permeámetro de lucita: 10 cm de diámetro interior y 20 cm de longitud, para arenas; 20 cm de

diámetro interior y 1m de longitud para gravas, ó mezcla de arena y grava. • Dispositivo de abastecimiento. • Termómetro y cronómetro. • Pisón metálico de 4 cm de diámetro y 300 kg de peso. • Balanza con aproximación de 0.1 gr. • Malla No. 100 (0.140mm), vernier y horno.

146

COEFICIENTES DE PERMEABILIDAD K, en cm/seg (escala logarítmica)

102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9

Propiedades de drenaje BUENO MALO PRACT. IMPERMEABLE Aplicación en presas de tierra y diques.

Secciones permeables de presas y diques. Secciones impermeables de presas y diques.

Arenas limpias. Arenas limpias y mezclas de

gravas.

Arenas muy finas, limos orgánicos e inorgánicos, mezclas de arena, limo y arcilla morena (*) glacial, depósitos estratigráficados de arcilla, etc. Tipos de suelos. Grava limpia

Suelos impermeables modificados por los efectos de la vegetación e intemperie.

Suelos impermeables, arcillas homogéneas a la intemperie.

Prueba directa del suelo en su estado natural (prueba de bombeo). Segura si se hace correctamente. Se requiere bastante experiencia.

Determinación directa del coeficiente de permeabilidad. Permeametro de carga constante. Se requiere poca

experiencia.

Permeametro de Carga Variable

Seguro No se requiere mucha

experiencia

Inseguro Se requiere mucha experiencia

Realmente Seguro Se requiere mucha experiencia

Cálculo por medio de la distribución del tamaño del grano (vg. form. de Hazen) Aplicables solo en arenas y gravas limpias y sin cohesión.

Determinación indirecta del coeficiente de permeabilidad.

Prueba de capilaridad horizontal

Se requiere poca experiencia. Útil para pruebas rápidas de campo.

Cálculo por medio de pruebas de consolidación. Requiere equipo costoso de laboratorio. Requiere mucha experiencia

C106 C105 C104 C103 C102 C101 C100 C10-1 C10-2 C10-3 C10-4 C10-5

(*) Terreno de acarreo por ventisqueo � Cuadro de E. Casagrande y R.E. Fadum. K, en m/año (escala logarítmica)

148

XI.2.3. Reparación de la muestra.

1. Se mide el diámetro promedio del permeámetro y se determina su área transversal. Se registra en el cuadro 11.2.

2. Se coloca la malla en el extremo inferior del permeámetro y se pesa este conjunto, que es considerado como la Tara. Se registra su valor, así como el número de permeámetro, en el renglón respectivo.

3. El material seco se coloca en capas, las cuales deben apisonarse, a fin de que la muestra quede uniformemente compactada en todo su espesor. Mediante ensayes preliminares de compactación, se tratará de hallar el espesor de las capas, así como el número y la intensidad de los golpes requeridos para que el espécimen tenga la misma relación de vacíos que el suelo �in situ�.

4. Se pesa el permeámetro con la muestra compactada; este peso menos el de la tara, representa el peso de la muestra seca, el cual se anota en el renglón respectivo, así como la longitud (L) total de la muestra.

5. Se satura la probeta por capilaridad sumergiéndola lentamente en un recipiente con agua destilada y procurando que el nivel de la línea de saturación quede arriba del nivel de agua en el recipiente, con el objeto 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 se derrame. Inmediatamente, se coloca el permeámetro en posición de prueba, conectándolo con el sistema de abastecimiento. XI.2.4. Procedimiento.

1. Se cierra la llave 2 y se llena la bureta por la parte superior, se ajusta entonces al altura de la parte inferior del tubo más largo para dar a la muestra el gradiente hidráulico �i� escogido. El gradiente está dado por el cociente de la carga �h� entre la longitud de la muestra �L�. El gradiente aplicado no debe ser superior al crítico, a partir del cual las partículas se ponen en suspensión, a menos de sujetar la muestra colocando un disco poroso en la parte superior de la misma.

2. Se cierra la llave 1 y se abre la 2, dejando conectada a la atmósfera la vena más larga. Se deja escurrir el agua durante 15 min, a fin de establecer el régimen.

3. Transcurrido este tiempo, se deja salir el agua hasta llegar a una marca conocida. Se cierra entonces la llave 2.

4. Simultáneamente, se abre la llave 2 y se pone en marcha el cronómetro el cual se detiene al pasar el nivel de agua de la bureta por otra marca conocida.

El tiempo transcurrido, en segundos se anota en la última columna correspondiente de la lámina 11.2, así como la temperatura y el volumen obtenido por diferencia de lectura en la bureta calibrada.

149

XI.2.5. Cálculo. Para calcular el coeficiente de permeabilidad se aplica la fórmula:

Aht

VLK =

Donde: V: Volumen de agua medido (cm3). L: Longitud de la muestra (cm). A: Área de la sección transversal del espécimen (cm²) h: Carga bajo la cual se produce la filtración (cm). t: Tiempo en que se efectuó la prueba en segundos. El valor del coeficiente de permeabilidad a la temperatura de 20º C, se obtiene mediante la expresión:

20

TT20 U

UKK =

(En la tabla 3.1 se da la variación de la densidad del agua respecto a la temperatura). La relación de vacíos "e" de la muestra se calcula con la fórmula:

Ws

WSV

Vs

Vve SSt −==

Donde:

VV : Volumen de vacíos.

SV : Volumen de sólidos.

tV : Volumen total.

SS : Densidad de sólidos.

Ws : Peso de sólidos. Cuando el material es grava ó mezcla de grava y arena, el procedimiento y cálculo son exactamente iguales a los expuestos, con la diferencia de que se usa un permeámetro de dimensiones mayores, apropiado al tamaño de la grava. Para simplificar el tamaño los cálculos, se puede utilizar el nomograma de permeabilidad para el método de carga constante (lámina 11.3).

150

XI.2.6. Posibles errores.

1. Funcionamiento defectuoso del sistema de carga constante. El tubo más largo conectado a la atmósfera, debe permanecer vacío. Si el agua sube en el tubo, existe una fuga en la parte superior de la bureta. En ocasiones el agua puede subir ligeramente debido a cambios de temperatura ó de presión. Las observaciones deben efectuarse solamente cuando el nivel del agua está prácticamente a la altura del extremo inferior del tubo.

2. Defecto de calibración de la bureta. Para medir con exactitud el gasto durante la prueba, la bureta debe calibrarse tomando en cuenta el diámetro del tubo alojado en su interior.

3. Compactación no uniforme de la probeta. 4. Incompleta saturación inicial del material. 5. Aplicación de un gradiente excesivo; la Ley de Darcy sólo es válida para flujo laminar.

151

152

XI.3. Permeámetro de carga variable. XI.3.1. Objetivo. El objetivo para el uso del permeámetro de carga variable, es el de determinar en suelos generalmente no plásticos, su coeficiente de permeabilidad, cuyos valores fluctúan entre 10-1 y 10-6 cm/seg. Para suelos menos permeables, los tiempos de prueba resultarían tan prolongados que la evaporación y las variaciones de temperatura producirían errores importantes. XI.3.2. Equipo. - Sistema para desaerar agua. - Permeámetro de carga variable. El diámetro y longitud de la probeta y el diámetro de la bureta se seleccionarán de manera que la velocidad de descanso del menisco no sea mayor de 1 cm/seg, ni menor de 1 cm/min. Suponiendo que se aplica un gradiente de 10 a través de la probeta, estos criterios establecen las siguientes dimensiones límites:

k, (en cm/seg)

Relación diámetro de la probeta a diámetro interior de la bureta

10-1 1

10-6 50

- Cucharón. - Balanza de 0.1 gr de precisión. - Sistema de vacío. - Varios: embudo, compactador, cápsulas, calibrador Vernier, termómetro, probeta graduada, arena estándar de Ottawa, cronómetro, agua destilada, horno. XI.3.3 Preparación. XI.3.3.1. Preparación de agua desaerada. 1. Se aplica vacío a la columna de desaerado y al recipiente de almacenamiento de agua

desaerada. 2. Se permite que el agua destilada fluya, en una capa delgada, por la pared interior de la

columna de desaeración, con un gasto aproximado de 5 cm³/ seg. 3. Cuando se haya terminado el proceso de desaeración, se interrumpe el flujo de agua destilada

y se remueve el vacío de la parte superior del recipiente de almacenamiento. Se desconecta el tubo de la base de la columna, y se utiliza éste para extraer agua.

153

XI.3.3.2. Determinación del área de la sección transversal interior de la bureta. 1. Se llena la bureta con agua desaerada aplicando un ligero vacío en la parte superior. 2. Se anota la lectura en la escala graduada correspondiente a al parte inferior del menisco de la

bureta. 3. Se extrae suficiente agua de la bureta, la cual se pasa a una probeta graduada, para abatir el

nivel del menisco de 20 cm, aproximadamente. Se anota la nueva lectura del menisco. 4. Se determina el volumen de agua extraído por diferencia de pesos, ó bien midiéndolo en la

probeta graduada. 5. Se calcula el área de la sección transversal interna de la bureta. 6. Se repiten, por lo menos dos veces, los pasos 3 a 5 utilizando diferentes porciones de la bureta

en cada ocasión. XI.3.3.3. Preparación del filtro de aire. 1. Se adapta un tapón de hule en uno de los extremos del filtro. Una sección corta de tubo de

nylon deberá insertarse en le agujero del tapón de hule, de forma que el filtro de aire se pueda conectar a la tubería en el arreglo definitivo.

2. Un pedazo circular de malla No. 40 (0.42 mm) se coloca en contacto con el tapón, dentro del tubo.

3. Una capa de 6 mm de espesor de arena estándar de Ottawa se dispone sobre la malla y se compacta con el pisón de hule.

4. Un pedazo circular de malla No. 200 (0.074 mm) se pone sobre la arena estándar de Ottawa. 5. Sobre la malla No. 200, se distribuye una capa de 1 cm de espesor aproximadamente, del

suelo cuya permeabilidad se va a determinar. 6. Sobre la capa de suelo, se acomoda otra malla No. 200, una capa de arena estándar de Ottawa

de 6 mm de espesor y una malla No. 40. 7. Se inserta un segundo tapón de hule, y un tramo de tubería de nylon en el extremo abierto del

tubo de lucita. 8. Se monta el filtro de aire. 9. Se aplica vacío debajo de la válvula D, estando la E cerrada, al filtro de aire y tubo de

conexión. El vacío no debe aplicarse súbitamente, ya que podría causar segregación de los finos dentro del filtro.

10. Se permite que el agua desaerada sature, lentamente, el filtro y el tubo de conexión. Se cierra la válvula C y se desconecta el aparato de vacío.

XI.3.3.4. Preparación del espécimen. Las muestras inalteradas pueden ensayarse en un permeámetrro si se toma la precaución de rodearlas con un gel bentonítico; en general, es preferible realizar la prueba directamente en el tubo muestreador ó en una cámara de presión, confinando la muestra con una membrana de hule. El procedimiento para preparar muestras de suelos compactados es el siguiente: 1. El suelo por ensayar se seca en el horno. 2. Se pesa el tubo del permeámetro con sus dos tapas de lucita, los dos discos porosos y el

resorte de acero inoxidable. 3. Se mide el diámetro interior del tubo del permeámetro, y se calcula el área de su sección

transversal, �A�.

154

4. Se atornilla uno de los extremos del tubo en la base de lucita del permeámetro. Se coloca uno de los discos porosos (sin resorte) dentro del tubo.

5. El suelo secado al horno se pone en le tubo del permeámetro, utilizando un procedimiento de compactación adecuado para lograr la relación de vacíos que se desee. El mejor procedimiento para preparar la probeta debe seleccionarse experimentalmente. Si se va a compactar el suelo por capas, cada capa sucesiva deberá compactarse con una presión mayor que la anterior, para lograr una relación de vacíos razonablemente uniforme. La superficie de cada capa deberá escarificarse después de compactada, para evitar la formación de una delgada capa de finos en el contacto entre capas sucesivas. La segregación de finos puede reducirse a un mínimo, utilizando presión estática para la compactación. Si la finalidad de la prueba lo requiere, el material puede colocarse en el permeámetro con contenido de agua especificado. Es común compactar el suelo con el contenido de agua óptimo, tratando de proporcionar al material la misma energía de compactación que la especificada para la estándar.

6. Sobre la última capa de suelo, se instalan el disco poroso y el resorte. 7. La tapa de lucita se atornilla en el extremo abierto del tubo del permeámetro. El resorte

deberá estar ligeramente comprimido cuando la tapa de lucita quede atornillada firmemente. 8. Se pesa el permeámetro con el suelo. Si la probeta se preparó con un contenido de agua

especificado, el peso seco del suelo deberá determinarse después de la prueba. 9. Se monta el permeámetro. 10. Se cierra la válvula D y se aplica vacío a la parte superior de la bureta. Se aumenta el vacío

lentamente para evitar la segregación de finos. 11. Se abre ligeramente la válvula D, y se deja que el agua del recipiente de descarga llene la

línea hasta el nivel de la válvula E, aproximadamente; se cierra entonces la válvula D. 12. Se abre lentamente la válvula C y se satura la probeta, permitiendo que el nivel del agua suba

en la bureta hasta la parte superior de la escala. Se cierra la válvula y se deja de aplicar el vacío a la bureta.

13. Se mide la longitud, L, de la probeta con el calibrador vernier y se calcula la relación de vacíos.

XI.3..3.5. Determinación de la permeabilidad (Lámina 11.4). 1. Se llena el recipiente de descarga hasta que se derrame. 2. Se mide la distancia, h´, de la elevación del agua en el recipiente de descarga hasta la marca 0

de la escala de la bureta. La carga h, a través de la probeta en cualquier momento es igual a: )hR´h( ∆−+

Donde R: es la lectura en la escala cuando el cero se encuentra en su parte inferior, y h∆ , la altura capilar en la bureta (función de su diámetro).

3. Se abre rápidamente la válvula D. Cuando el nivel del agua pase por la lectura 1R (Por ejemplo 70 cm) en la escala, el cronómetro se pone en marcha.

4. Cuando el nivel del agua se encuentre a la altura de las lecturas 432 R,R,R (Por ejemplo:

50, 30, 10 cm) se registran, los tiempos 321 tyt,t .

5. Se suspende la prueba antes de que el menisco alcance la base de la prueba. 6. Se permite que el agua desaerada llene la bureta nuevamente, y se repite la prueba, por lo

menos dos veces. 7. Se mide la temperatura en el recipiente de descarga.

155

XI.3.4. Método de cálculo. El coeficiente de permeabilidad se calcula por medio de la relación: L: Longitud de la muestra, en cm. A: Área de la muestra en cm². a : Sección de la bureta, en cm². h1: Carga inicial, corregida por capilaridad, en el instante t1, en cm. h2: Carga final, corregida por capilaridad, en el instante t2, en cm. El cálculo puede efectuarse utilizando el nomograma de la lámina 11.5. XI.3.5. Posibles errores. 1. Presencia de aire no disuelto en el agua debido a un sistema de desaerado defectuoso, ó fugas

en el dispositivo de prueba, a la falta de filtro de aire. 2. Estratificación ó compactación no uniforme de la muestra. 3. Formación de una delgada capa de finos en la parte superior de la muestra, por vibración ó

exceso de compactación al preparar probetas de suelos limosos cohesivos. 4. Evaporación de agua de la bureta ó fugas en las conexiones. Especialmente importantes para

suelos de baja permeabilidad. 5. Formación de canales entre el permeámetro y el suelo. 6. Calibración defectuosa de la bureta. Especialmente si tiene diámetro pequeño.

156

FECHA: DATOS INCIALES Permeametro No. Recipiente No. Diámetro del permeametro cm Tara + peso muestra seca gr Longitud de la muestra, L cm Tara gr Área de la muestra, A cm2 Peso de la muestra seca, Ws gr

Volumen de la muestra, V = LA cm3

Relación de vacíos,

Ws

WsVSse

−=

Densidad de Sólidos Ss e =

Bureta No. Temperatura del agua en º

C

Tiempos transcurridos t

en seg.

Carga Inicial

h1, en cm

Carga Final

h2, en cm

KT

en cm/seg

K20

en cm/seg

Área de la bureta a = cm2

Altura de ascensión capilar h∆ = cm

2

110T h

hlog

t.A

a.L3.2K ∆=

20

TT20 KK µµ=

Nota:

h∆ , la altura de ascensión capilar puede estimarse en la forma siguiente:

4

3.0h =∆ (en centímetros)

Observaciones :

LAMINA 11.4

UNIVERSIDAD A U T Ó N O M A D E G U E R R E R O F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A

PERMEABILIDAD CON CARGA VARIABLE

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

OBRA: LOCALIZACIÓN: SONDEO N° ENSAYE N° MUESTRA N° PROF. DESCRIPCION

157

158

XI.4. Prueba horizontal de capilaridad. Debido a las fuerzas capilares, el agua que penetra en un suelo seco avanza con cierta velocidad, y en función de ésta se puede determinar, indirectamente, la permeabilidad del suelo. XI.4.1. Objetivo. Esta prueba es adecuada especialmente para ensayar con rapidez un gran número de muestras en el campo. Se usa cuando los materiales tienen una permeabilidad comprendida entre 10-1 y 10-5

cm/seg. XI.4.2. Equipo. • Permeámetro de lucita de 5 cm de diámetro y 20 cm de largo, con una malla fija en uno de

sus extremos. • Tubo de hule o sarán de 2 m de largo y 6.3 mm ( ¼ pulg ) de diámetro. • Tres mallas metálicas No. 100, recortadas en forma de disco de 5 cm de diámetro. • Tapón de hule perforado con un tubo de vidrio. • Arena gruesa y limpia de Ottawa, u otra equivalente. • Frasco o depósito de abastecimiento con agua. • Balanza para pesar el permeámetro y la muestra con aproximación a 0.1 gr. • Dos escalas graduadas, en centímetros y milímetros, que se adhieran al permeámetro. • Varios: Cronómetro, termómetro, pisón para compactar el material. XI.4.3. Preparación del equipo y muestra. 1. Se mide el diámetro promedio del permeámetro y se determina su área. Se anotan estos

valores, así como el número del permeámetro, en el registro (lámina 11.6). 2. En la balanza de torsión, se pesa el permeámetro con una malla colocada en sus extremos, y

se hace la anotación correspondiente en el registro. 3. El material seco se coloca en capas de 1 cm de espesor; se apisona cada capa con un número

variable de golpes a fin de que el espécimen quede uniformemente compactado en todo su espesor y tenga la relación de vacíos.

4. Se pesa el permeámetro con la muestra compactada; la diferencia de peso con el del permeámetro vacío es el de la muestra seca.

5. Se aplica sobre la cara exterior del permeámetro, una de las escalas, de manera que el cero coincida con la base inferior del espécimen.

6. Sobre la muestra compactada, se coloca un disco de malla No 200 y, a continuación, una capa de arena de Ottawa, de espesor tal que permita el ajuste del tapón de hule en el permeámetro; entre arena y tapón, se interpone otra malla No 100. Estas operaciones deben ser ejecutadas con cuidado para evitar alteraciones en la muestra. Con objeto de eliminar fugas de agua entre el tapón y el permeámetro, se sella la junta con cera derretida.

7. Se conecta el permeámetro con el depósito de abastecimiento de agua y, a fin de desalojar la mayor cantidad de aire tanto del tubo de sarán como del permeámetro, se pone éste en posición vertical, y con la entrada de agua hacia abajo.

8. Se deja que el agua vaya penetrando muy lentamente hasta que la arena de Ottawa se sature y, al llegar a la muestra, se coloca el permeámetro en posición horizontal, procurando que la carga de agua h´0 (que es la distancia entre el centro del permeámetro en posición horizontal y

159

la superficie libre del agua en el depósito de abastecimiento), sea pequeña; en ese momento, se empieza a tomar el tiempo con un cronómetro, que es el momento en que empieza el:

XI.4.4. Procedimiento de prueba. 1. Durante la prueba, se rueda lentamente el permeámetro en un sentido y otro con el objeto de

que el frente mojado avance en lo posible uniformemente dentro del espécimen. 2. El avance del agua se mide a partir del extremo de entrada de ésta a la muestra (cero en las

escalas). Todos los tiempos se cuentan desde que el agua entra. Las lecturas del tiempo, �t�, se hacen cada vez que el agua avanza un centímetro, y se anotan en la lámina 11.6. El avance del agua en la muestra se efectúa debido a dos cargas: la de capilaridad, ch , que

actúa en el frente de avance del agua, y la de presión, 0h , provocada por la diferencia de

elevación entre el nivel del agua en el depósito de abastecimiento y el eje de simetría de la probeta.

3. Es necesario variar la carga de presión durante la ejecución de la prueba. Para esto, se inicia el ensaye con el depósito de abastecimiento a una altura tal que la diferencia entre los niveles del agua en el depósito y en el centro de la muestra sea de 5 a 15 cm. Una vez que el agua ha avanzado hasta la mitad de la longitud de la muestra, se aumenta la carga de presión, subiendo el depósito de abastecimiento hasta una altura tal que el desnivel del agua sobre el centro de la muestra sea más o menos de 1 m para suelos arenosos y, aproximadamente, de 2 m para limosos.

4. En la gráfica de la misma lámina, se fijan los puntos cuyas ordenadas son los cuadrados de

los avances del agua 2X , medidos en cm, y cuyas abscisas son los tiempos, t, en seg; uniendo estos puntos se obtienen dos rectas de distinta pendiente, las cuales corresponden a cada una de las cargas 0´h y 0h , con las que se efectuó la prueba.

5. Se definen dos puntos de cada una de las dos rectas obtenidas teniendo en cuenta la fórmula:

)hh(n

k2

tt

XX0c

12

21

22 +=−−

Donde:

11

22 X,X : Ordenadas de los puntos definidos

12 t,t : Abscisas de los mismos puntos. K : Permeabilidad n : Porosidad

ch : Altura capilar

0h : Carga de agua.

Se resuelven, simultáneamente, las ecuaciones para las dos rectas, con lo cual se encuentra el valor de las dos incógnitas, que son: k y ch .

El cálculo del coeficiente de permeabilidad puede facilitarse si se emplea el nomograma de permeabilidad por capilaridad horizontal de la lámina 11.7 y el de altura capilar con nomograma de la lámina 11.8.

160

161

162

CAPÍTULO XII. PRUEBAS DE COMPRESIÓN TRIAXIAL XII.1 Introducción. Las pruebas de compresión triaxial son las más usadas para determinar las características de esfuerzo-deformación y de resistencia de los suelos. Estas pruebas consisten en aplicar presiones laterales y axiales diferentes de un espécimen cilíndrico, y estudiar su comportamiento. Las pruebas triaxiales usuales se realizan en dos etapas: consolidación y ruptura. La primera consiste, generalmente, en aplicar a un espécimen cilíndrico una presión hidrostática (consolidación isotrópica); en ocasiones, simultáneamente se aplica una carga o descarga vertical (consolidación anisotrópica). Durante la segunda etapa, el espécimen se lleva a la falla por carga (prueba de compresión) o descarga vertical (prueba de extensión), manteniendo constante la presión confinante. Las pruebas triaxiales se clasifican en función de las condiciones de drenaje durante las dos etapas de la prueba. Las pruebas más usuales son:

1. No consolidada - No drenada (Prueba rápida), en ella se impide el drenaje durante las dos etapas de la prueba.

2. Consolidadas - No drenadas (Prueba rápida consolidada), en la que se permite el drenaje durante la primera etapa solamente.

3. Consolidadas - drenadas (Prueba lenta). En ella se permite el drenaje durante toda la prueba, y no se dejan generar presiones de poro, aplicando las cargas con una velocidad adecuada durante la segunda etapa.

Generalmente, cada prueba se realiza con tres o cuatro especímenes bajo presiones confinantes distintas. La representación de los resultados en un diagrama de Mohr está constituída por una serie de círculos, cuya envolvente permite obtener los parámetros del material estudiado en el intervalo de esfuerzos considerado. Las pruebas Consolidadas-No drenadas (Prueba rápida consolidada), se realizan generalmente saturando previamente la muestra: se reproduce en esta forma la inmersión de la estructura o del estrato estudiado. En muchas aplicaciones, se han encontrado correlaciones satisfactorias entre las pruebas de laboratorio y las observaciones de campo. Para que exista tal correlación es de suma importancia elegir para el estudio en el laboratorio el tipo de prueba que mejor represente las condiciones que determinan la resistencia en el campo. La prueba No consolidada - No drenada (Rápida) permite determinar la resistencia de una arcilla saturada sometida a carga o descargas aplicadas a una velocidad tal que no haya disipación de las presiones de poro generadas. Esta prueba se presta, por tanto, al estudio de la estabilidad al final de la construcción. La prueba Consolidada drenada (Lenta) permite por el contrario, determinar la resistencia después de la disipación de la presión de poro, lo que corresponde para suelos cohesivos a la estabilidad a largo plazo en el campo.

163

La prueba consolidada - no drenada (Rápida consolidada), es la más adecuada para determinar la resistencia de suelos consolidados sometidos a cargas rápidas, como en el caso de vaciado rápido de una presa o de sismos. XII.2. Objetivo. a) Obtener los parámetros: cohesión )c( y ángulo de fricción interna )(φ de los suelos. b) Interpretar correctamente los esfuerzos en el círculo de Mohr. c) Interpretar la curva esfuerzo-deformación. XII.3. Equipo. El equipo empleado para las pruebas triaxiales debe adaptarse al tipo de material ensayado y a la finalidad de las pruebas. XII.3.1. Sistema de carga. La etapa de consolidación de una prueba triaxial se realiza en un banco de consolidación. La ruptura puede llevarse a cabo en este mismo banco, aplicando las cargas por medio de pesas (control de carga) o en una máquina de compresión que permita aplicar al espécimen una velocidad de deformación constante (control de deformación). El uso de un sistema de control de carga o de deformación depende de la finalidad de la prueba. Es conveniente que la máquina de compresión empleada tenga un amplio intervalo de velocidad de deformación y que dé una presión que no sea inferior al 1% de la resistencia medida. XII.3.2.Cámaras triaxiales. Las cámaras triaxiales más usuales están constituidas por una base, una tapa y un cilindro transparente, generalmente de lucita. Es conveniente que el cilindro de lucita se ajuste a la base por medio de un empaque que selle lateralmente, no en la parte inferior. En la mayor parte de las cámaras, la carga se transmite al espécimen por medio de un vástago que se desliza a través de la tapa de la cámara. La fricción que actúa sobre el vástago reduce la carga transmitida efectivamente al espécimen, especialmente si éste no se deforma simétricamente. Una solución sencilla para disminuir la fricción del vástago se ha encontrado en el Instituto de Ingeniería de la UNAM; eliminando el vástago y transmitiendo la carga al espécimen por medio de alambres que trabajan a tensión. Este tipo de cámara es recomendable para pruebas triaxiales de precisión en suelos blandos. El fluido confinante más apropiado para realizar pruebas triaxiales es el agua. Los fenómenos de flujo osmótico que se presentan con los aceites (de recino u otros) anulan las ventajas que pudieran presentar estos fluidos en cuanto a su viscosidad. El flujo osmótico no desaparece al emplear agua, pero se reduce a valores admisibles para pruebas usuales. El pedestal y el cabezal de la probeta deben construirse con un material ligero y no corrosivo. Las piezas de lucita tienen el defecto de absorber una cantidad relativamente importante de agua pero son, en general, satisfactorias a condición de dejarlas saturar previamente en agua destilada.

164

Para las pruebas drenadas, es recomendable emplear discos porosos incrustados en el pedestal y el cabezal para permitir un montaje satisfactorio de la probeta. El sello de la membrana sobre el pedestal y el cabezal puede ser causa de importantes fugas. El mejor sello se obtiene con aro-sellos (o - rings) de hule, de 2.5 cm de diámetro interior empleando, para su colocación, anillos de latón con diámetro aproximado de 4 cm. El espécimen se aísla del fluido confinante con una membrana de hule, la cual debe ser prácticamente impermeable y no debe interferir en forma apreciable con la resistencia de la probeta. En pruebas de larga duración, es imposible evitar que se presenten fugas a través de la membrana, pero éstas pueden reducirse superponiendo dos membranas. La colocación de la membrana debe hacerse con sumo cuidado para evitar que quede arrugada o que dañe a la probeta. Para este fin, puede usarse el estirador de membrana. En el caso de pruebas drenadas en suelos blandos, es conveniente colocar discos de papel filtro entre la probeta y las piedras porosas, para evitar que éstas se obturen y para permitir la recuperación del espécimen completo después de la prueba. El uso de papel filtro colocado lateralmente para acelerar el proceso de consolidación sólo se ajusta para suelos de muy baja permeabilidad (inferior a 10 -7 cm/seg.). El papel filtro debe, en este caso debe cortarse en la forma indicada para evitar que interfiera en forma apreciable con la resistencia de la probeta. Las deformaciones volumétricas en pruebas drenadas en suelos saturados se miden por medio de una bureta de vidrio, cuya sección depende de la cantidad de agua expulsada por la probeta, y puede variar de 0.1 a 0.7 cm2. XII.3.3.Sistemas de aplicación de la presión confinante. Para pruebas de corta duración, es suficiente disponer de una línea de presión de aire, de un tanque de almacenamiento y de un recipiente de transmisión de presión del aire al fluido confinante. Para presiones confinantes bajas, los manómetros de mercurio son los más precisos, pero dejan de ser prácticos para presiones altas; los manómetros de carátula de precisión son generalmente preferibles. Para pruebas de larga duración, es necesario disponer de un sistema de control de la presión confinante. Con este fin es posible emplear reguladores de presión neumáticos o celdas de presión constante. XII.3.4 .Sistema de aplicación de contrapresión y medición de presión de poro. La contrapresión necesaria para saturar las probetas puede controlarse en forma similar a la presión confinante. La contrapresión debe poder mantenerse prácticamente igual a la presión confinante. Para controlar con precisión la diferencia entre ambas presiones, es recomendable emplear un manómetro diferencial. La medición del volumen de agua agregado a la probeta durante la saturación y de los cambios de volumen del espécimen durante la consolidación debe hacerse por medio de una bureta con precisión mínima de 0.1 cm3. La saturación de la probeta debe realizarse con agua desaerada. Para evitar que el agua de saturación disuelva cantidades excesivas de aire durante la prueba, es conveniente tomar ciertas precauciones. El contacto agua-aire debe reducirse a un mínimo interponiendo un líquido adecuado o un diafragma de hule entre ambos; es, por otra parte, recomendable colocar un tubo relativamente largo entre la bureta y el espécimen (de más de 2 m.)

165

La medición de la presión de poro (presión neutral) puede realizarse por medio de un sistema de control de flujo o de una celda de presión (transducer) conectada al drenaje de la probeta. XII.3.5. Equipo para la preparación del espécimen. a). Suelos cohesivos. La preparación del espécimen a partir de muestras inalteradas es particularmente delicada en materiales blandos. El labrado puede realizarse en el torno, empleando un arco con alambre muy fino de acero plata, y el acabado con el mismo arco, o una regla rígida. En suelos compactos, el labrado en generalmente más fácil y puede realizarse en un torno similar con una cuchilla. Los cabeceadores permiten dar a la probeta una altura adecuada en las distintas etapas de labrado. Esta operación debe realizarse empleando el arco de alambre para suelos blandos y una cuchilla para suelos compactos, para preparar probetas compactas se utiliza un molde partido. La compactación debe hacerse por amasado para dar al material una estructura similar a la que se obtiene por compactación in situ. La medición de las dimensiones de la probeta debe hacerse con el calibrador Vernier con resorte de baja constante o un dispositivo especial con micrómetro de precisión. b). Suelos no cohesivos. Las pruebas en estos suelos se realizan compactando el material por medio de un pisón de madera en un molde partido. Durante la operación, la membrana se mantiene pegada sobre las paredes del molde por medio del vacío. Las membranas usadas para este tipo de pruebas son generalmente de látex y tienen un espesor de 0.025 cm. XII.3.6. Varios. El equipo adicional necesario es esencialmente el siguiente:

-Equipo de vacíos (bombas o trampa). -Micrómetro para medir deformaciones. -Cronómetro. -Balanza con precisión de 0.001 g. y capacidad de 200 g. -Agua destilada y desaerada.

XII.4 Saturación del sistema de drenaje del aparato triaxial. Antes de realizar pruebas consolidadas - no drenadas ó consolidadas - drenadas, es indispensable saturar el sistema de drenaje para poder medir la deformación volumétrica de la probeta, aplicar contrapresión o medir la presión de poro. El procedimiento es el siguiente:

1. Se desmonta y limpia el equipo. Se cierran las válvulas. 2. Se fija el cabezal de la probeta, en posición invertida (disco poroso hacia arriba), a un

soporte de barra. 3. Sobre el cabezal y el pedestal de la probeta, se desliza un tramo de membrana de hule de 5

cm de longitud y 3.6 cm de diámetro, y espesor de pared de 0.25mm

166

4. Se abren las válvulas D, E, G, H, y se deja que se llene con agua desaerada la membrana colocada sobre el pedestal, conectando a la presión atmosférica el recipiente de agua desaerada (válvula L). Se cierra entonces la válvula D y se abre la K, aplicando vacío para extraer el agua a través del pedestal de la probeta y de la línea de drenaje conectada a ella. Cuando se requiera, se suspende la aplicación del vacío y se vuelve a llenar la membrana abriendo la válvula D. Cuando ya no se observen burbujas en la línea de drenaje se cierra la válvula E.

5. Se repite la operación anterior para el cabezal de la probeta. Se abre la válvula F y se deja que se llene la membrana colocada sobre el cabezal. Se cierra entonces la válvula D y se abre la K para extraer el agua a través del cabezal de la probeta y de la línea de drenaje. Se repite la operación hasta que ya no se observen burbujas en la línea de drenaje; se cierran nuevamente todas las válvulas. Una saturación más completa puede obtenerse aplicando una presión confinante 3 kg/cm2

en la cámara (sin probeta). Entonces se hace circular el agua contenida en las líneas de drenaje hacia la cámara mediante una contrapresión ligeramente superior a la presión confinante. El aire no disuelto se comprime y pasa con facilidad a la cámara triaxial; se eliminan en esta forma las burbujas del sistema de drenaje.

XII. 5.Preparación de las probetas Las probetas de 3.6 cm de diámetro son las más usadas para las pruebas de rutina. Su altura no debe ser menor de 2.1 veces el diámetro inicial; una altura de 9 cm es generalmente adecuada. XII.5.1. Preparación de probetas a partir de muestras inalteradas de suelos cohesivos. El labrado deberá hacerse en el cuarto húmedo.

1. Se pesa una membrana de hule de 3.6 cm de diámetro y 13 cm de longitud. 2. Utilizando un cortador de alambre ó una cuchilla, se corta de la muestra inalterada un

trozo prismático, con dimensiones aproximadas de 5 X 5 cm y longitud de 11 cm. 3. Con un cabeceador adecuado se cortan ambos extremos de la probeta,

perpendicularmente a su eje, la longitud de la probeta en esta etapa debe ser de 10.5 cm. 4. Utilizando el cortador de alambre o una cuchilla y un torno vertical, se labra

cuidadosamente la probeta hasta obtener un diámetro aproximado de 3.6 cm. 5. Con un cabeceador adecuado se afinan los extremos de la probeta hasta que su longitud

final sea de 9 cm. 6. Se mide el espécimen. La altura media, h, debe obtenerse a partir por lo menos de cuatro

mediciones y el diámetro medio, md , de la probeta a partir de los diámetros medios, md ,

de la probeta a partir de los diámetros medios de los extremos )d,d( 31 y en el centro

)d( 2 en la forma siguiente:

4

dddd 321

m

+=

Se anotan los resultados.

167

7. Se determina el contenido de agua de algunos fragmentos obtenidos durante el labrado y se anota el resultado en el registro de la prueba (muestra vástago). Para pruebas drenadas en suelos cohesivos, se colocan discos de papel filtro saturado en la cabeza y en la base de la probeta. Si se considera conveniente, se rodea la muestra con una hoja de papel filtro cortada en la forma indicada.

8. Se acomoda la membrana dentro del dispositivo para distenderla. Se doblan sus extremos sobre los bordes superior e inferior del cilindro, y se aplica vacío entre la membrana y el cilindro.

9. Se coloca la probeta en posición vertical sobre la palma de la mano y, con la otra mano, se pone el cilindro sobre la probeta.

10. Se desconecta el vacío del cilindro. Colocando la probeta en posición horizontal, se desenrollan ambos extremos de la membrana del exterior del cilindro, el cual se retira cuidadosamente volviendo a colocar la probeta en posición vertical.

11. Para impedir evaporación, se doblan los extremos de la membrana sobre la parte superior y la base de la probeta. Se pesan ambas, y se anota el resultado.

12. Se dobla uno de los extremos de la membrana hacia atrás, sobre la probeta. Se remueve con el dedo el agua excedente en la superficie de la piedra porosa saturada del cabezal (pruebas drenadas). Se coloca la probeta en posición vertical sobre el cabezal y se desdobla la membrana hacia abajo.

13. Se instala un aro-sello de hule sobre un anillo de latón para distenderlo. El cual se desliza hacia abajo sobre la probeta. Se remueve el aro-sello hacia abajo y se retira el anillo.

14. Se remueve el agua en exceso de la piedra porosa saturada del pedestal de la probeta. Se coloca un aro-sello sobre un anillo de latón que se desliza sobre el pedestal.

15. Se dobla el extremo libre de la membrana hacia abajo sobre la probeta y se coloca esta última en posición vertical encima del pedestal. Se desdobla la membrana hacia abajo sobre éste y se remueve hacia arriba el aro-sello de su anillo, el que permanece, durante la prueba en el pedestal, bajo del mismo.

XII.5.2 Preparación de probetas compactadas de suelos cohesivos. Las probetas compactadas se forman con el material que pasa la malla No. 4 (4.76 mm). No es recomendable obtener probetas a partir de muestras compactadas por impactos o presión estática. El método que permite reproducir con más exactitud la estructura de un suelo compactado en el campo es el de compactación por amasado Harvard miniatura por ejemplo. Las probetas deben obtenerse directamente con el diámetro adecuado (3.6 cm) en un molde partido. El contenido de agua de compactación debe determinarse en el material sobrante al realizar la compactación, y anotarse en el registro de prueba (prueba testigo). Las probetas obtenidas se preparan y se colocan en la cámara triaxial en la forma descrita en el inciso anterior. XII.5.3. Preparación de probetas de suelos no cohesivos. 1. Se coloca una membrana de hule con diámetro de 3.6 cm y de 13 cm de longitud sobre el

pedestal de la probeta. 2. Se distiende un aro � sello de 2.5 cm de diámetro sobre un anillo de latón; ambos se deslizan

sobre la membrana y el pedestal de la probeta. Se desprende hacia abajo el aro � sello del

168

anillo, y éste se quita. El extremo de la membrana se deberá extender suficientemente por debajo del aro � sello, de forma que pueda ser doblado posteriormente sobre el extremo inferior del molde de compactación de la probeta.

3. Se coloca un molde partido sobre la membrana y el pedestal, y se asegura a este último. 4. Se voltea hacia arriba la parte inferior de la membrana sobre la arista inferior del molde y el

extremo superior de la membrana hacia abajo sobre la arista superior del molde. 5. Se aplica vacío entre la membrana de hule y el molde, de forma que aquélla se adhiera al

interior de éste. 6. Se pesa un recipiente con el material secado al horno que se va a ensayar. 7. Se compacta el material uniformemente dentro del molde. El esfuerzo de compactación

depende de la relación de vacíos que pretende darse a la probeta. Si se utiliza un procedimiento dinámico de compactación, y si la probeta se construye en diez capas, la siguiente secuencia de golpes por capa hacia la parte superior de la probeta permitirá obtener una relación de vacíos aproximadamente uniforme: 5,7,7,9,9,11,11,13,13,15. Alternativamente el material puede colocarse en la membrana en estado suelto; la compactación se logra entonces vibrando el material hasta que la probeta tenga una altura correspondiente a cierta compacidad. Una muestra con relación de de vacíos uniforme debe deformarse simétricamente durante la prueba. Se pesa el material restante en el recipiente y se calcula el peso seco del material que forma la probeta.

8. Se distiende un aro sello sobre un anillo de latón. Ambos se deslizan sobre el cabezal de la probeta, el cual se coloca sobre la probeta en el molde. Se voltea el extremo superior de la membrana sobre el cabezal. Se desconecta el vacío aplicado entre el molde de compactación y la membrana. El aro � sello que se remueve de su anillo hacia abajo, deberá aprisionar la membrana firmemente contra el cabezal de la probeta y sin arrugas. El anillo permanece en el cabezal de la probeta arriba del aro � sello.

9. Se aplica vacío al interior de la probeta a través del sistema de drenaje. 10. Se remueve el molde partido. 11. Se miden el diámetro y la altura de la probeta. Se corrige el diámetro por el espesor conocido

de la membrana. 12. Se mantiene el vacío en el interior de de la probeta hasta que la cámara triaxial esté montada

y se haya aplicado la presión confinante. XII.6. Procedimiento de prueba. XII.6.1. Prueba no consolidada � no drenada en suelos cohesivos. La prueba puede realizarse empleando el sistema descrito. La ruptura puede llevarse a cabo aplicando incrementos de carga a una velocidad predeterminada (controlo de carga) ó en una máquina de compresión que permita aplicar al espécimen una velocidad de deformación constante (control de deformación).

1. La probeta debidamente preparada, medida y pesada se coloca en la cámara en la forma descrita en 12.5. La cámara se cierra herméticamente.

2. Si la prueba se va a realizar con control de deformación, la cámara se instala en una máquina de compresión y el vástago se centra bajo el marco de carga, el cual se baja hasta que esté a punto de hacer contacto. Si se emplea control de carga, la cámara se coloca bajo el marco de carga de un banco de consolidación.

169

3. Se dispone un micrómetrro en el soporte de la cámara, apoyado sobre el marco de carga, procurando que quede en posición vertical.

4. Se procede a llenar la cámara en la forma siguiente: estando cerradas las válvulas C y D , se incremente la presión ligeramente en el tanque de control y se permite que el agua pase a la cámara abriendo las válvulas A y B, que escurra un momento por la B para desalojar el aire entrampado. Se cierran ambas válvulas. Después del llenado, el agua en el tanque de control debe encontrarse aproximadamente al mismo nivel que en la probeta; en caso contrario, la diferencia de elevación debe medirse para poder aplicar la corrección correspondiente al valor medio de la presión confinante.

5. Se ajusta el regulador al valor de la presión confinante con la cual se va a ensayar el espécimen. Si la presión requerida es menor de 3.5 kg/cm2, y no se dispone de un manómetro mecánico de precisión suficiente, se conecta el sistema a un manómetro de mercurio abriendo la válvula D.

6. Se aplica la presión confinante a la probeta abriendo la válvula A. Si se emplea control de carga, al mismo tiempo que se abre la válvula A, se coloca una pesa en la ménsula del marco de carga para compensar el empuje vertical que actúa sobre el vástago. Se anota el valor inicial de la presión confinante 3σ .

7. Si se dispone de un sistema de reducción de fricción del vástago, se pone en marcha en ese momento.

8. Se procede a poner nuevamente en contacto el marco, el vástago y la cabeza de la probeta, y se vuelve a tomar la lectura del micrómetro. Esta operación, de realización delicada, es necesaria si la probeta está parcialmente saturada y se deforma apreciablemente al aplicar la presión confinante, pero puede, por lo general, omitirse en suelos saturados.

9. Se procede a la ruptura de la probeta. Si se emplea control de deformación, se fija la velocidad a la cual se va a someter el espécimen durante el ensaye, la que generalmente es de 1 mm/min. Se toman lecturas simultáneas de carga y deformación axial con la frecuencia necesaria para definir la curva deformación unitaria � esfuerzo (lámina 12.3); Las lecturas deben suspenderse cuando la deformación corresponda al 20% de la altura inicial. Si se emplea control de carga, se aplica un incremento cada minuto. Los primeros deben ser de aproximadamente 10% de la carga de falla estimada, y reducirse a la mitad o la cuarta parte de este valor al acercarse a la falla. Se dibuja una gráfica cargas aplicadas � lecturas del micrómetro conforme se obtienen los datos, para vigilar el desarrollo de la prueba y decidir si la magnitud de los incrementos es adecuada. Las lecturas deben hacerse inmediatamente antes de aplicar cada incremento sucesivo.

10. Se cierra el regulador de presión y se abre la válvula C, anulando en esta forma la presión confinante. Se regresa el fluido confinante al tanque regulador abriendo la válvula B y aplicando un ligero vacío en la descarga, C. Se desarma la cámara.

11. Se seca cuidadosamente con una toalla de papel el exterior de la membrana, el cabezal y el pedestal de la probeta. Se desliza el aro � sello en el cabezal por encima del extremo de la membrana, la cual se enrolla hacia abajo descubriendo la probeta.

12. Se mide la altura final de la probeta, fh . Si existe un plano de falla definido, se mide su inclinación con un transportador. Se hace un croquis del espécimen deformado.

13. Se pesa la probeta en la misma cápsula en que se había pesado antes de la prueba. Se anota el resultado en lámina 12.1.

170

14. Se introduce en el horno. Después de 18 hrs se deja enfriar en un desecador y se vuelve a pesar.

15. Este procedimiento se repite por lo menos en cuatro probetas del material bajo estudio para definir la envolvente de Mohr.

XII.6.1.1. Cálculos.

1. Con los datos registrados en la lámina 12.1, se procede a calcular el contenido de agua de la probeta antes y después de la prueba. Los resultados deben coincidir. Como verificación adicional se calcula el contenido de agua de la muestra testigo.

2. Se obtiene el volumen, tV , de la probeta, y se calculan la relación de vacíos y el grado de

saturación. Los resultados se anotan en la lámina 12.2. 3. Se calcula el diámetro final del espécimen, md , en la forma en que se indica en 12.5.1

inciso 6. 4. En el cuadro de la lámina 12.2, se calcula la deformación lineal, en mm, respetando la

lectura inicial del micrómetro a cada una de las subsecuentes tomadas durante la prueba. 5. Si la probeta ha sufrido una deformación apreciable al aplicar la presión confinante

(suelos no saturados) , se calcula la deformación unitaria correspondiente, y se corrige la altura inicial de la probeta; es decir :

h

h´

∆=ε hh´h ∆−=

Donde:

h∆ : Variación en la altura de la probeta debida a la presión confinante. h : Altura inicial del espécimen.

6. Se corrige el diámetro inicial de la probeta suponiendo que la deformación unitaria en las dos direcciones horizontales es igual a la deformación axial :

´)1(d´d mm ε+=

Se calcula el valor del área inicial, iA , al comienzo de la etapa de ruptura, con el diámetro

corregido, m´d .

7. La deformación unitaria ε , en % , se obtiene de la siguiente expresión :

)100(´h

xδ=ε

Donde:

xδ : Deformación lineal, en mm, en el instante considerado. h´ : Altura inicial corregida del espécimen .

8. Se calcula el área corregida del espécimen durante la etapa de ruptura.

a ). Si la falla no es plástica , con la expresión :

ε−= 1

AA i

corregida

171

Donde:

corregidaA : Área corregida en cm².

iA : Área inicial en cm². ε : Deformación unitaria. Esta expresión presupone que el volumen de la probeta es constante durante la etapa de ruptura y que la probeta conserva su forma cilíndrica a pesar de las deformaciones. Esta suposición sólo es aceptable si el material está completamente saturado, o si se satura al aplicar la presión confinante. b). Si la falla es plástica, por interpolación:

( )xT

AAAA if

icorregidaδ−+=

Donde:

fA : Área final correspondiente al diámetro final, md , en cm². xδ : Deformación en el instante considerado, en mm.

Tδ : Deformación total.

9. La columna esfuerzo desviador )( 31 σ−σ se obtiene dividiendo la carga entre el área

corregida. 10. Se dibuja la gráfica deformación unitaria - esfuerzo, según se muestra en la lámina 12.3. 11. En el registro correspondiente a los círculos de Mohr, de la lámina 12.4, se anotan los

datos que en el mismo se indica, tomados de cada una de las pruebas. 12. Se procede al trazo de los círculos de Mohr; para ello, se elige una escala de esfuerzos; a

partir del origen y sobre el eje horizontal, se lleva el valor de la presión lateral 3σ , y

desde este punto se marca el valor del esfuerzo desviador de ruptura )( 31 σ−σ ; este valor

es el diámetro del círculo; por tanto, con centro en el punto medio del segmento así determinado. Se traza el semicírculo correspondiente.

13. Una vez trazados los semicírculos, se dibuja la envolvente que mejor se ajuste a ellos. Dicha línea representa aproximadamente la variación de la resistencia al esfuerzo cortante en función de las presiones normales aplicadas.

14. El ángulo de fricciónφ, es el que forma la envolvente con la horizontal; 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.

15. Se anota en el mismo registro la velocidad de deformación aplicada. XII.6.1.2 Prueba consolidada - no drenada en suelos cohesivos (rápida consolidada). Las pruebas consolidadas - no drenadas se realizan usualmente en muestras saturadas. Para saturar los suelos cohesivos es necesario aplicar una contrapresión al agua intersticial. Para muestras inalteradas, la contrapresión deberá ser aproximadamente igual a la presión de poro existente en el suelo �in situ�.

172

Para suelos compactados, cuyo grado de saturación debe de aumentarse a un 100% antes de someterlos a corte, la contrapresión necesaria deberá calcularse teóricamente. Si la saturación se realiza mediante contrapresión. El procedimiento es el siguiente:

1. Se satura el sistema en la forma indicada. Se prepara el espécimen y se coloca en la cámara después de medirlo y pesarlo en la forma descrita en 12.5. Se cierra herméticamente la cámara.

2. Se instala la cámara en un banco de consolidación, y se llena en la forma en los pasos de 2 a 4 del procedimiento para pruebas rápidas (12.6.1).

3. Con todas las válvulas cerradas, se ajusta el regulador de presión confinante a 500 gr / cm2 y el de contrapresión a 200 gr / cm². Se abre la válvula A para aplicar la presión confinante al espécimen (si se emplea el control de carga, durante toda la etapa de saturación es conveniente impedir los movimientos del vástago por medio de un pasador. Al aplicar la presión confinante máxima, se compensa el empuje que recibe el vástago con una pesa y se remueve el pasador) y simultáneamente las válvulas J y F, para aplicar contrapresion por el cabezal de la probeta. Inmediatamente se abren las válvulas E y H, y se mide la presión de poro en la base de la probeta. Cuando el valor leído se vuelve prácticamente constante, se cierran las válvulas F y H , y se registra la lectura de bureta.

4. Procediendo en la forma indicada en el paso anterior, se aumentan la presión confinante y la contrapresión por incrementos, manteniendo esta última a un valor inferior de 300 gr. / cm² dependiendo de la compresibilidad del espécimen y de la magnitud de la presión confinante que se desee aplicar. En cada incremento debe observarse la evolución de la presión de poro y esperarse a que ésta se mantenga prácticamente constante. Los incrementos continúan aplicándose hasta que los de presión de poro coincidan con los de contrapresión. Se admite entonces que el material está completamente saturado. Se cierran las válvulas E y F.

5. Manteniendo la contrapresión constante, se incrementa la presión confinante hasta que la diferencia entre ambas sea igual a la presión de consolidación que se desee aplicar.

6. 6.Se abren entonces las válvulas de control del drenaje ( D, F, G ) y se pone en marcha el cronómetro. Se toma una serie de lecturas de bureta y, de ser posible, de deformaciones axiales a intervalos de tiempo definidos. La secuencia de lecturas puede ser idéntica a la que se sigue en una prueba de consolidación.

7. Con los datos de variación de volumen y de deformación axial en el tiempo, se construye una gráfica en rayado semilogarítmico (lámina 12.7).

8. Se procede a la ruptura de la probeta.

Si se emplea control de deformación, se traslada la cámara a una máquina de compresión y se siguen los pasos 10 a 15 del proceso anterior. Las velocidades de deformación que se pueden aplicar con las máquinas usuales no permiten realizar mediciones de presión de poro, debido al tiempo requerido para que la presión intersticial sea uniforme en el espécimen. Si se emplea control de carga, se siguen los pasos 10 al 15 del proceso anterior. Para realizar mediciones de presión de poro, se abre la llave H y se espera a que la lectura de la celda se estabilice después de cada incremento de carga. El valor de la contrapresión debe restarse de los resultados obtenidos.

173

Al terminar la prueba, la presión confinante y la contrapresión deben anularse. XII.6.1.3. Cálculos. Los cálculos se efectúan siguiendo los pasos indicados en 12.6.1., tomando en consideración el efecto de la consolidación sobre las dimensiones de la probeta al principio de la etapa de ruptura, en la siguiente forma:

1. A la altura inicial, h, se le resta la deformación total h∆ , sufrida por la probeta durante la etapa de consolidación para obtener la altura corregida, ch .

2. Se estima la variación de volumen de la probeta por medio de la expresión : ( )

Ws100

WWVV fi

tc

−−=

Donde:

tc V,V : Volumen al principio de la etapa de ruptura, y volumen inicial respectivos.

fi W,W : Contenidos inicial y final de agua, respectivamente. Ws : Peso de los sólidos en la probeta. Esta expresión presupone que la probeta estaba totalmente saturada al principio de la prueba y que no se tuvo que recurrir a la aplicación de contrapresión. En el caso contrario, el volumen de la probeta al principio de la etapa de ruptura, cV , se considera igual a:

wwsc

Ww

S

WsV γ+γ=

Donde: Ws : Peso de los sólidos en la probeta. Ww : Peso del agua en la probeta al final de la prueba. Ésta fórmula presupone que la contrapresión aplicada fue suficiente para que el grado de saturación sea prácticamente de 100 % al comenzar la etapa de ruptura.

3. El área inicial de ruptura, iA , se calcula como sigue:

c

c

h

VAi =

Donde:

cV : Volumen al principio de la etapa de ruptura.

ch : Altura corregida.

174

XII.6.1.4. Prueba consolidada - drenada (lenta) a). Prueba consolidada - drenada en suelos cohesivos. Esta prueba se realiza, por lo general, con suelos relativamente permeables. En suelos poco permeables, la prueba tiene una duración que la hace de poca aplicabilidad para trabajos de rutina, y sólo se realiza en forma excepcional para obtener la relación esfuerzo - deformación o en términos de esfuerzos efectivos en suelos cohesivos. En esta prueba se emplean necesariamente el método de carga controlada. Para la etapa de consolidación se sigue el procedimiento descrito en 12.6.2 (pasos del 1 al 7). La etapa de ruptura se realiza como sigue:

1. Dejando abiertas las válvulas de drenaje E, F, G, se aplica una primera carga axial y se leen el micrómetro y la bureta a intervalos de tiempo definidos. La secuencia de lecturas puede ser idéntica a la que se sigue en una prueba de consolidación. Las lecturas se suspenden cuando se haya completado la consolidación primaria del espécimen.

2. Se aplican los incrementos de carga siguientes, operando en la misma forma que en el paso anterior, hasta provocar la falla del espécimen. Los incrementos deben ser inicialmente del orden del 10 % de la carga de falla estimada, y reducirse al llegar a ésta, a la mitad, o a la cuarta parte de este valor.

3. Se termina la prueba siguiendo los pasos 11 a 15 del inciso 12.6.1. XII.6.1.5. Cálculos. Los cálculos se llevan en forma análoga a los de las anteriores, sin embargo, el área de la probeta debe corregirse tomando en cuenta la consolidación que ocurre durante la prueba. El procedimiento es el que sigue:

1. Se calcula el área de la sección transversal de la probeta en cualquier instante, t, durante la prueba a partir de la fórmula:

hhh

vwWw

S

Ws

A0

wws

∆−∆−∆−γ

∆++γ=

Donde: WS : Peso de los sólidos de la probeta. WW : Peso del agua en la probeta al final de la prueba.

V∆ : Variación de volumen en la probeta desde el comienzo de la prueba hasta el tiempo, t, determinado a partir de las lecturas de bureta.

w∆ : Cambio en el peso de la probeta, del principio al final de la prueba.

0h∆ : Variación en la altura de la probeta durante la consolidación bajo presión confinante.

h∆ : Cambio en la altura de la probeta durante la ruptura hasta el tiempo t.

175

El uso de esta fórmula presupone que la contrapresión fue suficiente para aumentar el grado de saturación a prácticamente el 100%, y que no se presentaron fugas en el sistema durante la prueba.

Las fugas cuya magnitud es:

∆−γ∆

Vw

w

Donde:

=∆V Variación total de volumen de la probeta desde el inicio de la prueba hasta el final de la misma determinada a partir de las lecturas de la bureta, pueden tomarse en cuenta suponiendo que ocurre linealmente el ensaye.

2. Se calculan las deformaciones axiales unitarias, ε , los esfuerzos )( 31 σ−σ , y las

deformaciones volumétricas unitarias V/V∆ para cada etapa de la prueba. 3. Se dibujan los esfuerzos, )( 31 σ−σ , y las deformaciones volumétricas unitarias V/V∆ ,

contra las deformaciones axiales unitarias. 4. Se dibuja el círculo de Mohr correspondiente a la falla en la forma indicada en las pruebas

indicadas de las pruebas anteriores. Todas las operaciones descritas se repiten para otras presiones confinantes y se traza la envolvente de los círculos de Mohr obtenidos. b). Prueba consolidada - drenada en suelos cohesivos. Esta prueba se desarrolla en forma análoga a la anterior; sin embargo, para estos suelos, la disipación de la presión de poro es casi inmediata, lo que permite realizar este ensaye indiferentemente en un aparato de deformación o de carga controlada.

1. Después de preparar la probeta en la forma indicada en 12.5.3 y actuando al vacío en el sistema de drenaje, se aplica una presión confinante de 0.5 kg /cm2, tomando las precauciones necesarias para impedir el movimiento ascendente del vástago.

2. Se satura la probeta con agua desaerada. Se aplica un ligero vacío a la bureta y se abren las válvulas E y F del sistema de drenaje. La circulación de agua en la probeta permite obtener, en general una saturación aceptable. Se cierran entonces las válvulas de drenaje y se deja de aplicar vacío.

3. Si se espera que el volumen de la probeta disminuya sustancialmente durante la prueba, se baja el nivel del agua en la bureta a la lectura 0 (válvula M). Si se espera que la probeta aumente su volumen durante la etapa de corte, se agrega agua a la bureta hasta alcanzar una lectura inicial de 1 - 4 cm³, según el caso.

4. Se aumenta la presión confinante al valor deseado. Se abren las válvulas de drenaje E, F, G y se registran las lecturas del micrómetro y de la bureta cuando se estabilice el sistema.

5. Se procede a la etapa de ruptura la que puede lograrse aplicando incrementos de carga cada minuto. Los iniciales deberán ser de aproximadamente el 10 % de la carga de falla esperada, cerca de la cual, la magnitud de los incrementos deberá reducirse a la mitad, o a la cuarta parte de este valor. Se registra la lectura del micrómetro y de la bureta antes de aplicar cada incremento.

176

Alternativamente, la carga puede aplicarse en un sistema de control de deformación, registrándose la carga, la lectura del extensómetro y de la bureta cada 30 seg hasta que se alcance la carga desviadora máxima, y después con intervalos de un minuto. La velocidad de deformación empleada debe ser baja para permitir la disipación de las presiones de poro generadas. XII.6.1.6. Cálculos.

1. Se supone que no hay cambio volumétrico en la probeta desde el momento en que se toman las dimensiones hasta que es saturada y sometida a una presión confinante de 0.5 kg/cm².

2. Se calcula el volumen de la probeta al comenzar la aplicación del esfuerzo desviador; es decir :

0C VVV ∆−=

Donde: V : Volumen inicial de la probeta, determinado a partir de las dimensiones medidas después

de colocarla en la cámara.

0V∆ : Variación de volumen de la probeta al aumentar la presión confinante en la cámara de 0.5 kg / cm² al valor deseado.

3. A la altura inicial, h, se le resta la deformación, 0h∆ , observada al aumentar la presión

confinante 0.5 kg / cm² al valor final deseado.

0c hhh ∆−=

4. Se calcula el área de la sección transversal, en cualquier momento durante la etapa de

ruptura, por medio de la expresión:

hH

VVcorregidaA

c

c

∆−∆−=

Donde:

V∆ : Variación de volumen durante la etapa de ruptura hasta el momento considerado. h∆ : Cambio en la altura de la probeta durante el mismo período.

5. Se calcula la deformación axial unitaria, volumétrica unitaria y el esfuerzo desviador para

cada incremento de carga. 6. En una sola gráfica, se dibujan las curvas de esfuerzo contra deformación axial unitaria y

deformación volumétrica unitaria durante la etapa de ruptura contra deformación axial unitaria.

7. Se dibuja el círculo de Mohr correspondiente a la falla.

177

XII.6.1.7. Errores posibles. XII.6.1.8. En el equipo.

1. Permeabilidad de la membrana y fugas en conexiones de drenaje. Afectan sensiblemente los esfuerzos efectivos en pruebas drenadas.

2. Permeabilidad insuficiente de los discos porosos, y fricción en el vástago. 3. Resistencia de la membrana y del papel filtro, y, excentricidad de la carga.

XII.6.1.9. En la preparación de la probeta.

1. Remoldeo del material durante el labrado o la colocación de la membrana. En pruebas rápidas consolidadas, los materiales remoldeados se consolidan más durante la primera etapa, y la resistencia obtenida es mayor que la del material inalterado.

2. Compactación no uniforme de las probetas. 3. Falta de precisión al tomar las dimensiones de la probeta.

XII.6.2.0. Prueba no consolidada - no drenada.

1. Cambio de dimensiones del espécimen al aplicar la presión confinante. Es común no tomar en cuenta estas deformaciones que pueden ser apreciables en suelos saturados.

2. Velocidad de deformación inadecuada. 3. Heterogeneidad del contenido de agua en la probeta inducida por la fricción entre los

extremos de la misma, del cabezal y del pedestal. Para suelos relativamente permeables, puede ser conveniente apreciar esta heterogeneidad obteniendo separadamente el contenido de agua de la porción central y de los extremos de la probeta. XII.6.2.1. Prueba consolidada no drenada.

1. Incremento de contrapresión inadecuados o aplicados con excesiva rapidez. 2. Falta de precisión en el control de la contrapresión y de la presión confinante lo cual

induce consolidación del espécimen. 3. Probeta no completamente consolidada al iniciarse la etapa de ruptura. 4. Variaciones excesivas de temperatura. 5. Velocidad de deformación excesiva. 6. Absorción por la probeta del agua de las piedras porosas al desarmar la cámara.

XII.6.2.2. Pruebas consolidadas - drenadas.

1. Velocidad de deformación excesiva. 2. Errores al medir los cambios de volumen durante la etapa de ruptura, debidos a fugas,

evaporación, variaciones de temperatura y saturación incompleta de la probeta.

178

OBRA:

LOCALIZACION:

UNIVERSIDAD A U T Ó N O M A D E G U E R R E R O

F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A

SONDEO: ENSAYE Nº: MUESTRA Nº PROF. DESCRIPCIÓN:

TRIAXIAL RÁPIDA (UU)

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

Deformación Unitaria en % OBSERVACIONES

MEDIDAS DE LA MUESTRA Ds = cm As = cm2 Wi = gr. Dc = cm Ac = cm2 Vi = cm3 Di = cm Ai = cm2 けm = Ton/cm3 Hm = cm

As + Ac + Ai Am =

6 =

6 =

cm2

VELOCIDAD DE APLICACIÓN DE LA CARGA

Tiempo Trans.

Carga

Lectura Micro.

Deformación Total

Deformación Unitaria

1 � Deformación Unitaria

Área Corregida

Esfuerzo

min kg mm mm ---- --- cm2 kg/cm2

Área muestra Área corregida =

1 � Def. Unitaria

ESQUEMA DE LA MUESTRA EN LA FALLA.

179

OBRA:

LOCALIZACION:

UNIVERSIDAD A U T Ó N O M A D E G U E R R E R O

F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A

SONDEO: ENSAYE Nº: MUESTRA Nº PROF. DESCRIPCIÓN:

TRIAXIAL CONSOLIDADA, NO DRENADA (Rc)

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

OBSERVACIONES

DATOS INCIALES: Dc = cm Ss = cm2

hc = cm 3s = kg/cm2

Ac = cm2 Vmc = cm3

VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN: FECHA:: VELOCIDAD DE APLICACIÓN DE LA CARGA:

Tiempo Trans.

Carga

Lectura Micro.

Deformación Total

Deformación Unitaria

1 � Deformación Unitaria

Área Corregida

Esfuerzo

min kg mm mm ---- --- cm2 kg/cm2

Área muestra Área corregida =

1 � Def. Unitaria

ESQUEMA DE LA MUESTRA EN LA FALLA.

Car

ga a

plic

ada

, en

kg

Deformación Unitaria en %

180

OBRA:

LOCALIZACION:

UNIVERSIDAD A U T Ó N O M A D E G U E R R E R O

F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A

SONDEO: ENSAYE Nº: MUESTRA Nº PROF. DESCRIPCIÓN:

TRIAXIAL CONSOLIDADA- DRENADA (CD)

L A B O R A T O R I O D E M E C Á N I C A D E S U E L O S

Deformación axial 100xhc

h)( 1

∆=ε

Deformación Volumétrica 100xVc

v)( v

∆=ε

Área corregida

1001

1001

Ac´A1

v

c ε+ε+=

Esfuerzo desviador corregidaÁrea

aplicadaaargC)( 31 =σ−σ

OBSERVACIONES

ch : Longitud total de la probeta al terminar la etapa de consolidación.

cV : Volumen total de la probeta al terminar la etapa de consolidación.

cA Área media de la probeta al terminar la etapa de consolidación.

Deformación axial Deformación Volumétrica Tiempo Trans.

Carga Micrometro h∆ 1ε Bureta V∆ vε

Área Corregida

Esf. Desv )( 31 σ−σ

min kg mm mm % cm cm3 % cm2 kg/cm2

181

CAPÍTULO XIII. PRUEBAS ESPECIALES XIII.1. Identificación de las arcillas. Para el estudio de las cimentaciones en suelos potencialmente expansivos, se presenta el problema de identificación de una manera cualitativa, para después mediante ensayes específicos, como la prueba de expansión, determinar valores cuantitativos y evaluar las magnitudes de las expansiones. Algunos suelos arcillosos son susceptibles a experimentar movimientos y cambios volumétricos importantes, al cambiar su contenido de agua, presentando como consecuencia expansiones al aumentar y contracciones al disminuir, el origen de los movimientos ha sido invariablemente atribuido a las expansiones de los suelos arcillosos que acompaña el aumento gradual en su contenido de agua. Los suelos arcillosos que se han identificado como los más expansivos son aquellos que muestran características de plasticidad, de rigidez cerca del límite plástico y resistencia en estado seco en grado extremo, las expansiones más grandes ocurren cuando los suelos arcillosos se encuentran inicialmente en una condición relativamente seca, y se llegan a saturar posteriormente. Los depósitos de estos suelos se encuentran superficiales; sin embargo, algunos autores han reportado la presencia de estratos delgados a profundidades hasta de 60 metros. Los suelos expansivos pueden identificarse cualitativamente en función de algunas de sus propiedades índice, obtenidas en un Laboratorio de Mecánica de Suelos. Las mejores propiedades índice, y las más sencillas para la identificación de suelos potencialmente expansivos, corresponde al Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS). Los criterios de identificación de los suelos expansivos a través de ensayes índice deben su importancia a su sencillez y economía, sólo se requieren muestras alteradas que además se complementan con algunas otras determinaciones como el peso volumétrico seco, o las expansiones libres, en estudios preliminares o complementarios de decisión son un arma muy eficaz y valiosa para detectar la presencia de suelos con potencial expansivo, la máxima que se puede efectuar en el propio lugar, en laboratorios móviles, ó locales. Los criterios más sencillos para la identificación de los suelos potencialmente expansivos se basan en los límites de consistencia o de Atterberg, que dependen tanto de la mineralogía de la fracción arcillosa como del contenido relativo de arcilla y de partículas granulares no plásticas; es decir, los límites son función de la actividad promedio y de la superficie total por unidad de volumen de las partículas de suelos, también es fundamental el contenido de agua inicial o el peso volumétrico seco, dichos criterios se basan fundamentalmente en el comportamiento y en fronteras fijadas por experiencia. Para la identificación y clasificación de las arcillas del área de Ciudad Universitaria, se realizará de acuerdo a los siguientes criterios: El criterio del Bureau of Recamation de los EE.UU. (URBS), apoyados en los estudios de Gigsy Holtz (1959), se complementa la identificación con el criterio de Vijayvengiya y Ghazzalh. Estos criterios nos proporcionan información cualitativa y como tal debe tomarse, dicha información.

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En experiencias obtenidas en los estudios realizados sobre la identificación y clasificación de los suelos potencialmente expansivos en diferentes partes de la República Mexicana, por medio de la determinación de las propiedades índice, se han comprobado que con el criterio del Bureau of Reclamation de los EE.UU; se logra un acierto de un 90% en relación con otros criterios conocidos, este criterio se derivó de la experiencia que se obtuvo en la construcción de la zona de canales aguas arriba, del Río Colorado donde se encontró que el suelo es altamente expansivo, y se presentaron una serie de problemas causados por el potencial expansivo de las arcillas. Los parámetros necesarios para poder aplicar los criterios mencionados son los siguientes: Límites de consistencia. Porcentajes de partículas menores que 0.002 mm. Contenido de agua. Peso volumétrico seco. Expansión libre. Expansión. En la tabla 2.1 se presenta los índices, para la clasificación de los suelos potencialmente expansivos, de acuerdo a los estudios realizados por Holtz, Gibbs. El criterio de Vijayvengiya y Ghazzaly, para la identificación y clasificación de los suelos potencialmente expansivos, donde se obtienen valores de grado de expansión y la expresión de expansión. En la carta de plasticidad del Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS), nos auxiliamos de acuerdo a los límites de consistencia del suelo. Los suelos más expansivos, son aquéllos con los límites líquidos más altos, y que caen, arriba de la línea �A� que divide a las arcillas de los limos. Los límites de baja plasticidad son generalmente poco expansivos, mientras que los limos de alta plasticidad serán expansivos sólo cuando tenga un contenido de arcilla lo suficientemente elevado como para caer ¿arriba? de la línea �A�.

Tabla No 2.1

Límites de contracción

Índice de plasticidad

Porcentaje de partículas

menores que

Expansión libre (E. L.)

Potencial de Expansión

Expansión en consolidómetro

bajo presión vertical de

% % 0.002 mm % 0.07 kg/cm %

Muy alto 30 10 32 37 100

Alto 20 a 30 6 a 12 23 a 37 18 a 37 100 Medio 10 a 20 8 a 18 12 a 24 12 a 27 50 a 100 Bajo 10 13 20 17 50

Clasificación de los suelos según Holtz y Gibbs (Bureau of reclamation de los E.U.A.).

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CAPÍTULO XIV. PRUEBAS NATURALES PARA LA CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS FINOS.

Las pruebas naturales para la clasificación de los suelos, las lleva a cabo el perforista en cada una de las muestras extraídas, pero es necesario que todo Ingeniero Civil tenga conocimiento de cuáles son los métodos usados para la identificación de los suelos. Para la clasificación se siguen las normas del Sistema Unificado de Clasificación de los Suelos (S.U.C.S). Las pruebas que se efectúan son las siguientes:

1. Movilidad del agua. 2. Resistencia al quebrantamiento (suelo seco). 3. Tenacidad (Consistencia cerca del L.P), además es conveniente anunciar algunas otras

pruebas emanadas de la práctica, que han dado magníficos resultados. 4. Adherencia a la piel. 5. Prueba del brillo (al corte). 6. Prueba del ácido. 7. Prueba del olor, color.

Estos ensayos se practican en suelos finos que pasan la malla No. 40 ó simplemente se quitan a mano las partículas gruesas que intervienen en la prueba. a). Movilidad del agua (dilantancia). Prepárese una pastilla de suelo húmedo de un volumen aproximadamente igual a 10 cm3, si es necesario agréguese agua suficiente para dejar el suelo suave, el criterio es tener la masa del suelo con un contenido de humedad que permita formar la pasta (que no esté demasiado fluida, ni seca). Colóquese la pasta en la palma de la mano y golpéese horizontalmente contra la otra mano varias veces. La rapidez con que aparece el agua en la superficie, al golpear de una mano a otra, sirve para clasificar la clase de suelo fino. Las arenas muy finas dan la reacción muy rápida; los inorgánicos dan una reacción moderada; las arcillas plásticas no tienen reacción. b). Resistencia al quebrantamiento de los suelos en estado seco. Séquese la pastilla completamente por medio de un horno o de los rayos solares, prueba su resistencia al esfuerzo cortante rompiendo con los dedos. Esta resistencia al esfuerzo cortante es una medida de carácter y cantidad de la fracción coloidal que contiene el suelo. Una alta resistencia en seco es característica de las arcillas del grupo (Bc). Los limos inorgánicos poseen pequeña resistencia, las arcillas finas limosas y limos tienen la misma resistencia, se identifica uno de otro por su textura.

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c). Tenacidad Con una muestra de aproximadamente 10 cm3, y con un contenido de humedad que le permita ser amasado, efectúe la siguiente operación: Haga rolar la masa de suelo hasta formar un cilindro ó rollito de 3 cm. de diámetro y repita esta operación cuantas veces lo permita el suelo en estudio. Se observa que la pérdida paulatina de humedad, aumenta la rigidez del cilindro, llegando el momento en que el cilindro se parte en fragmentos y se desmorona. El número de veces que permitió hacer la prueba está en función directa de la plasticidad de los suelos; lógicamente que en una arcilla, se podrá efectuar la operación mayor número de veces que en una arena. d). Adherencia a la piel. Es una prueba de campo que ha dado magníficos resultados y que consiste en dejar secar en cualquier parte del brazo ó mano, una delgada porción del suelo en estado de lodo y ver el comportamiento de éste al ir perdiendo humedad, los limos se adhieren con menor fuerza que las arcillas y se pueden despegar de la piel con sólo frotar con el dedo. Las arcillas al secarse dejan una sensación de estirar la piel, y el material no se desprende tan fácilmente de la piel. e). Prueba del brillo (al corte). La prueba del brillo se lleva a cabo sólo en suelos de consistencia media, que permiten la operación de cortar al material. Si al efectuar la operación queda una superficie brillante, ésta nos indicará la existencia de arcillas plásticas. Si por lo contrario al efectuar la operación de corte deja una superficie de color opaco o mato, esto nos indicara la existencia de material limoso. f). Prueba del ácido. Este ensayo es exclusivamente utilizado para determinar en los suelos, la presencia de carbonatos de calcio ó sales. Se vierten unas gotas de ácido clorhídrico rebajado sobre la muestra y si efervesce nos indicará la presencia de ese elemento. g). Prueba de olor y color. Los suelos altamente orgánicos son fácilmente identificados por su color, olor, apariencia esponjosa y algunas veces de textura fibrosa; la turba y otros materiales con contenido de materia orgánica en estado de descomposición son características por su olor y color. Es necesario aclarar, con el conocimiento de estas pruebas que no es posible clasificar los materiales de una manera exacta, pues ello requiere de mucha habilidad, pero sí nos da una idea muy acertada sobre el material en estudio. Para una clasificación más técnica es necesario efectuar pruebas de laboratorio que se mencionarán con más detalle posteriormente.

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CAPÌTULO XV. PRUEBAS MANUALES DE CAMPO PARA LA IDENTIFICACIÓN DE SUELOS CUYAS PARTÍCULAS QUEDAN RETENIDAS EN LA MALLA No. 200 (0.074 mm).

Para llevar a cabo una clasificación de este tipo de suelos, en el campo es necesario contar con un poco de experiencia para apreciar a simple vista los porcentajes relativos de cada uno de los componentes gruesos. Se procede a extender la muestra en estudio, sobre una superficie plana y observar la distribución del tamaño de las partículas. Es conveniente recordar que las partículas retenidas en la malla No. 4 se consideran gravas, el material que pasa la malla No. 4 y queda retenido en la malla No. 200 se considera arena. Si se cuenta con las mallas No. 4 y 200, se podrá hacer la clasificación correspondiente, por el tamaño de las partículas de mayor abundamiento. En caso de no contar con las mallas mencionadas la clasificación se hace por simple estimación entre los diferentes tamaños de las partículas. Cuando se tiene un suelo grueso sucio, esto es, que contenga un porcentaje notorio de limo ó arcilla, es necesario sedimentar las partículas en un recipiente transparente. En este caso se observará la separación de las partículas en el recipiente de arriba hasta abajo, ya que las partículas se irán sedimentando a una velocidad de caída proporcional al cuadrado de sus diámetros. Esto es, las arenas de mayor espesor se depositarán de inmediato, enseguida los limos que permanecen en suspensión un tiempo relativamente corto y finalmente se sedimentan las arcillas, con todo esto, se logran ver en forma directa la proporción de los diferentes tamaños de las partículas que forman la muestra. Este método se aplicará cuando se tengan suelos formados por arenas finas, con limos ó arcillas, en cuyos casos es difícil la clasificación a simple vista. Un buen laboratorista, acostumbrado a ver las proporciones dentro de las cuales se puede considerar un suelo sucio ó limpio y percibir la variedad de tamaños de los granos, puede clasificar con suficiente aproximación cualquier suelo, con sólo verlo y tocarlo.

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CAPÍTULO XVI. PRUEBAS ESPECIALES EN LA TECNOLOGÍA DE PAVIMENTOS. La actual tecnología de pavimentos ha desarrollado pruebas especiales que están basadas en métodos de diseño determinados. En este manual se mencionan la Prueba de placa y la Prueba C.B.R. La Prueba de placa de hace para determinar la capacidad soportante de la base, de la sub-rasante y en ocasiones hasta de pavimento completos, esta prueba se usa tanto en el diseño de pavimentos rígidos como flexibles. La prueba consiste en cargar una serie de placas circulares que están en contacto directo con el suelo a probar, midiendo las deformaciones del suelo correspondiente a diferentes cargas aplicadas. Es común el uso de placas de 30 pulgadas (76.2 cm.), o de placas que den una área igual al área de contacto de una llanta de un vehículo. Para impedir la flexión de esta placa se colocan encima otras placas de diámetros menores que dan al conjunto la rigidez necesaria. La carga se transmite por medio de gatos hidráulicos con reacción dada generalmente por camiones lastrados. El siguiente esquema muestra el dispositivo para una prueba de placa. Por medio de una prueba de placas se puede calcular el módulo de reacción de una subrasante dada. Este concepto se define como la presión capaz de transmitir la placa para producir en el suelo una deformación dada previamente.

)2.Long(A

)Fuerza(PK =

Naturalmente que el módulo de reacción depende del diámetro de la placa que se use para calcularla, pues a presión constante, el asentamiento de la placa circular aumenta con el diámetro de la misma, por lo que si se mide el asentamiento dado, la presión necesaria para obtenerlo será mayor cuando más pequeño son el diámetro de la placa. Esta es la razón por lo cual para la identificación de las cargas se usa la placa de 30 plg. (76.2 cm) de diámetro que se considera que produce satisfactoriamente las áreas comunes de apoyos de las cargas reales. La Prueba de valor relativo de soporte ó Prueba C.B.R fue desarrollada por el estado de California E.U.A., para solucionar los problemas viales de aquella entidad, pero su utilización se lleva a cabo en otros lugares por el sencillo método de diseño de pavimentos sacados de esta prueba. El objetivo de esta prueba es la de determinar la calidad de los suelos en cuanto a valor de soporte se refiere. Viendo la resistencia a la penetración de un vástago de 19.4 cm2 de área que se hace penetrar un espécimen de suelo compactado y sujeto a un período de saturación.

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XVI.1 Equipo requerido.

1. Molde cilíndrico de 15.2 cm; de diámetro y de 17.8 cm de altura, equipado con collarín de extensión de 5.1 cm de altura, de una base perforada.

2. Vástago ajustable, placa perforada, trípode y micrómetro con aproximación de 0.001 mm para medir la expansión del suelo.

3. Pesas de diseño especial de 2.27 kg. (5 Lbs) de peso cada una, adecuadas para ser aplicadas como sobrecarga en la superficie del suelo durante el proceso de saturación y penetración.

4. Pistón de penetración de 4.9 cm. (1.92 plg.) de diámetro aproximadamente de 10 cm de longitud.

5. Máquina de compresión o gato de tornillo con su marco especial que pueda usarse para introducir el pistón en el espécimen con una velocidad de 0.127 cm/min.

6. Equipo para la saturación (Charola, tanque de agua, cronómetro, etc.) 7. Equipo para labrar C.B.R. en caso de muestra inalterada. 8. Equipo de compactación Próctor modificada o máquina de compresión que transmita una

presión estática de 140 kg/cm2 en muestras inalteradas. 9. Equipo general de laboratorio como charolas, balanzas, cápsulas, horno, etc.

XVI.2. Procedimiento de la prueba

1. La muestra a usarse deberá ser secada, disgregada ó cuarteada. 2. Se tamizará por la malla de 1 pulgada si queda retenida más del 15% en peso, deberá

utilizarse para la prueba, el material que pase dicha malla cuando quede retenida en la malla de una pulgada más del 15% en peso, es necesario sustituir este retenido por una cantidad igual de material pétreo que pase la malla de una pulgada y quede retenida en la malla número 4.

3. La cantidad necesaria de material en el caso de muestra alterada es 16 kg. 4. Con este material se ejecuta la prueba Próctor para encontrar el punto correspondiente al

peso volumétrico seco máximo. y contenido de humedad óptimo. 5. Al espécimen en estas condiciones se le coloca en la cara superior e inferior un papel

filtro para evitar fuga de material al someter el conjunto a la saturación. 6. Antes de colocar la muestra en el tanque de saturación es necesario colocar las placas

especiales de sobrecarga, el trípode con el extensometro anotando la posición de éste. 7. Se mantiene el espécimen dentro del agua y se hacen lecturas de manera que se pueda

conocer la curva de expansión o asentamiento del material al saturarse, cuando se observa en la gráfica que a secado este proceso, se anota la lectura final del micrómetro.

8. La diferencia de lecturas, final o inicial del extensómetro expresada en milímetros dividida entre la altura en milímetros del espécimen antes de la saturación, multiplicada por cien expresa el valor de la expansión.

9. Se repetirá del tanque el molde con el espécimen y se le quita el tripié con el micrómetro, con todo cuidado se acostará en alguna superficie lisa sin quitar las pesas dejándolo en esta posición durante 5 minutos para que escurra el agua.

10. Se lleva el conjunto a la balanza o al gato hidráulico adaptando en donde se hace penetración el pistón que pasa a través de las placas especiales de sobrecarga .

11. Se aplica una carga inicial que no sea mayor de 10 kg ó inmediatamente después sin retirar la carga se ajusta el micrómetro para registrar el desplazamiento vertical del cilindro.

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12. A continuación se procederá a la aplicación de carga en pequeños incrementos continuos procurando que la velocidad de desplazamiento del cilindro sea de 1.27mm/min. y se anotan las cargas correspondientes a cada una de las 7 penetraciones indicadas en el cuadro siguiente.

FORMAS PARA ANOTAR CARGAS

APLICACIÓN TIEMPO PENETRACIONES CARGAS APLICADAS min mm pulgadas kgs.

Primera 1 1.27 0.05 Segunda 2 2.54 0.10 Tercera 3 3.81 0.15 Cuarta 4 5.08 0.20 Quinta 5 7.62 0.30 Sexta 8 10.16 0.40 Séptima 10 12.70 0.50

13. Con el fin de saber si la prueba estuvo bien ejecutada, se dibujará la curva carga -

penetración, anotando en las abscisas las penetraciones y en las ordenadas las cargas registradas para cada una de dichas penetraciones, si esta curva es defectuosa es debido probablemente a que la carga inicial para empezar, la prueba fue mayor de los 10 kg especificados en este caso deberá repetirse la prueba.

Si la curva de resistencia presenta en su iniciación una concavidad hacia arriba, deberá hacerse la siguiente corrección. Dibujarse la tangente de la curva en el punto de máxima pendiente (punto A) hasta cortar el eje de las abscisas en el punto B, que se tomará como nuevo origen. Márquense los puntos C, D, y E que se tomarán como las penetraciones de 2.54, 5.08 y 7.62 milímetros respectivamente; por lo tanto las ordenadas C´C, D´D, y E´E representan las cargas corregidas para dichas penetraciones. El valor relativo de soporte de las muestras serán calculadas con el valor de las ordenadas C¨C expresadas como porcentaje de la carga estándar de 1, 360 kg.

14. El C.B.R. se define como la relación expresada como porcentaje entre la presión necesaria para penetrar los puntos 0.25 cm; (0.1 pulg.) y la presión para tener la misma penetración en el material arbitrario adoptada como patrón que es piedra triturada.

La tabla siguiente muestra los valores de las cargas estándar para distintas penetraciones en este tipo de materia.

PENETRACIÓN CARGA CARGA (en pulgadas) (en libras) (en kg.)

0.1 3.000 1.360 0.2 4.500 2.045 0.3 5.700 2.600 0.4 6.900 3.140 0.5 7.800 4.780

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15. Si la carga correspondiente a la penetración de 0.2 pulg es mayor de 1.5 veces la carga correspondiente a la penetración de 0.1 pulg para calcular el C.B.R. se usa:

%"2.0DENPENETRACIÓLAAIENTECORRESPONDESTANADARCARGA

%"2.0DENPENETRACIÓLAAIENTECORRESPONDCARGA.R.B.C =

En caso contrario se usa:

%"1.0DENPENETRACIÓLAAIENTECORRESPONDESTANADARCARGA

%"1.0DENPENETRACIÓLAAIENTECORRESPONDCARGA.R.B.C =

16. Con el resultado obtenido de esta prueba se clasifica el suelo usado la siguiente tabla que

indica el empleo que pueda darle al material de acuerdo a su valor relativo de soporte.

ZONA VALOR RELATIVO DE SOPORTE

CLASIFICACIÓN

1 0 a 5 Subrasante muy mala. 2 5 a 10 Subrasante mala. 3 10 a 20 Subrasante regular o buena. 4 20 a 30 Subrasante muy buena 5 30 a 50 Subrasante buena 6 50 a 80 Base buena 7 80 a 100 Base muy buena.

Modificaciones a la prueba estándar de valor relativo de soporte. Las pruebas que se indican a continuación y de las cuales se descubrirán algunas de ellas, tienen por objeto hacer la determinación del valor relativo de soporte de un material, para calcular el espesor mínimo de la capa ó capas que deberán colocarse encima del material estudiado (suelo natural, terracería ó sub - base), a fin de que las cargas vivas que se apliquen no produzcan esfuerzos que puedan ocasionar deformaciones permanentes perjudiciales. Estas pruebas deberán verificarse siempre en condiciones de humedad cercanas a las más desfavorables que se considere para alcanzar el material para una compactación dada.

1. Prueba modificada de valor relativo de soporte para diferentes grados de compactación. 2. Prueba modificada de valor relativo de soporte a humedad constante y variando el peso

volumétrico. 3. Prueba directa de valor relativo de soporte. 4. Prueba de valor relativo de soporte en muestras inalteradas.

Prueba modificada de valor relativo de soporte para diferentes grados de compactación; se refiere esencialmente a una prueba de proyecto; es decir, que los resultados obtenidos con ella al hacer la prueba en el material proveniente de cortes, préstamos ó bancos deberán ser comprobados posteriormente en el material que forma la estructura ya construida y en caso de existir discrepancia, hacer las modificaciones procedentes de acuerdo con los nuevos datos obtenidos.

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Tiene aplicación también la prueba en el caso de terracerías ya construidas, cuando se considere que los suelos que las forman son susceptibles de admitir mayor humedad que pueda originar una disminución apreciable del valor relativo de soporte. Es condición primordial para verificar esta prueba que el suelo permita la incorporación uniforme del agua en el laboratorio. Se presentan dos casos principales, que a su vez puedan comprender dos comisiones diferentes.

1. Suelos cuya estructura vaya ser alterada por compactación o remoción; si la terracería está localizada en una región de precipitación baja o media y su drenaje es correcta se verificará la prueba a diversas compactaciones y manteniendo constante la humedad de prueba que será igual a la humedad óptima de compactación (Variante 1 de la prueba).

Si la terracería se aloja en una región de precipitación media y está mal drenada, o bien se encuentra localizada en una región de alta precipitación pluvial, la prueba se efectúa a diversos porcentajes de compactación aumentando la humedad de prueba desde la humedad óptima hasta una igual a la humedad óptima más 3 (Variante 2 de la prueba) tal como se especifica en la siguiente tabla:

VARIANTE 1 VARIANTE 2

GRADO DE COMPACTACIÓN

BUEN DRENAJE Y PRECIPITACIÓN BAJA Ó MEDIA.

DRENAJE DEFICIENTE Y PRECIPITACIÓN MEDIA O BIEN PRECIPITACIÓN ALTA

100 0W 0W

95 0W 5.1W0 +

90 a 85 0W 0.3W0 +

2. Suelos cuya estructura no va a ser alterada por compactación ó remoción y se consideró

que son susceptibles de adquirir humedad que ocasione una disminución apreciable de su resistencia a las cargas que le son transmitidas por las cargas superiores.

Si la obra está localizada en una región de precipitación baja ó media, con un buen drenaje, la prueba deberá efectuarse al peso volumétrico seco del lugar y con la humedad óptima de compactación (variante 1 de la prueba) en lo referente a la humedad. Si la obra se encuentra en regiones de alta precipitación ó está mal drenada, la prueba se hará al peso volumétrico seco del lugar y con la humedad que le corresponde al grado de compactación alcanzando (variante 2 de la prueba). Esta humedad de prueba está comprendida entre la humedad y la humedad óptima más 3

( 0.3W0 + ).

La prueba modificada de valor relativo de soporte para diferentes grados de compactación, de acuerdo a las especificaciones de la S.O.P. comprende los siguientes conceptos:

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a) El procedimiento que se indica a continuación es el que deberá seguirse en los suelos que pasen por la malla No. 4 ó cuando más tengan un retenido del 10% en ésta, pero pasen totalmente por la malla de 3/8" a la muestra por analizar previamente secada se le tamizará por la malla No.

3. La porción retenida en la malla No. 4 se tamizará por la malla de 3/8" y el retenido en la

primera se pesará e incorporará el resto de la muestra para efectuar las pruebas que más adelante se indican. Terminada la operación de disgregación, se mezclará perfectamente todo el material debiendo pesar cuando menos 25 kg.

Si la muestra original, previamente secada contiene menos del 15 % en peso del material que se retiene en la malla de 1", deberá utilizarse para la prueba todo el material que al ser cribado pasó por dicha malla desechándose el material retenido. Cuando el material retenido en la malla de 1" exceda del 15% , será necesario sustituir este retenido por una cantidad igual, en peso de material pétreo que pasa la malla de 1" y se retenga en la malla No. 4, el cual deberá tomarse de otra muestra. La muestra disgregarse y mezclarse perfectamente, para después, por cuarteo, separar las porciones necesarias para ejecutar las pruebas correspondientes, la cantidad total de muestras no deberá ser menor de 30 kg.

b) La prueba consiste en medir la resistencia a la penetración en especímenes de

material que ha sido compactado para reproducir los pesos volumétricos que corresponden a diferentes grados de compactación, empleando las humedades de prueba que se especifican en la tabla 1. Los pasos necesarios para verificar la prueba se detallan a continuación y en su respectivo orden.

1. Para obtener las humedades correspondientes a cada uno de los pesos volumétricos a los

cuales va hacerse la penetración, será necesario verificar previamente, en el caso de suelos finos la prueba Próctor de 30 golpes, y en el caso de suelos con agregados gruesos hasta de 1", con el objeto de conocer el peso volumétrico máximo y la humedad óptima.

Las humedades y pesos volumétricos secos que corresponden a cada uno de los grados de compactación indicados, serán los que se reproduzcan para hacer la prueba de penetración como se indica más adelante.

2. Del material ya preparado como se especificó anteriormente, se tomará una muestra

representativa, que pese como mínimo 80 gr en el caso de suelos finos y de 1 kg, si se trata de suelos con agregado grueso, con objeto de hacer determinación de humedad por secado en horno a una temperatura de 100 - 110 °C durante 20 hrs, esta humedad se anota como Wl inmediatamente después de haber tomado la muestra para determinar la humedad, el material restante se cubrirá con una manta húmeda, con objeto de evitar los cambios de humedad en la muestra durante el tiempo que tarde la ejecución de las pruebas.

La cantidad de agua que es necesario agregar para llevar la muestra a la humedad de prueba se calculará con la fórmula siguiente:

1

12

W100

WWK.C.Cen,agregarporAgua +

−=

192

En donde: K : Cantidad en gramos de material con humedad esta cantidad deberá ser de cinco mil

gramos.

1W : Humedad que contiene el material.

2W : Humedad a la que deberá hacerse la prueba, correspondiente al grado de compactación que se desea reproducir.

El cálculo anterior deberá de hacerse para cada uno de los grados de compactación fijados en el caso de que varíen las humedades de prueba.

3. El cálculo de las cantidades de material que deberá emplearse para conocer el peso del material húmedo que debe ser compactado, se hará mediante el uso de la siguiente fórmula:

)hd786.0()W100(

Pw 22γ+=

En donde: Pw : Peso del material húmedo, en gramos, con la humedad de prueba. γ : Peso volumétrico seco, en kilogramos sobre metros cúbicos,

correspondiente al grado de compactación que se desea reproducir

2W : Humedad a que debe hacer la prueba.

d: Diámetro interior del cilindro de compactación, en cm. h : Altura en centímetros que deberá tener el material compactado o igual a la

altura del cilindro sin extensión ó collarín. El cálculo deberá hacerse para cada uno de los grados de compactación fijos.

4. Para la incorporación del agua y compactación de la muestra preparada, como se indica, en el inciso "a", se tomarán por cuarteos las muestras de 5 kg; para cada una.

Una de las muestras deberán ser compactadas al peso volumétrico seco máximo, con la humedad óptima, debiendo agregar la cantidad necesaria de agua para que alcance dicha humedad. Inmediatamente después de que sea incorporada el agua, se mezcla hasta lograr una distribución uniforme de ella se tomará la cantidad de material húmedo PN, corresponde al 100% de compactación. El sobrante de esta muestra, no deberá mezclarse por ningún motivo con las otras muestras. La cantidad de Pw , se colocará en 3 capas dentro del molde de prueba, con el collarín puesto de 3/4" de diámetro. Al terminar la colocación de la última capa, se pesará el molde con el material para cerciorarse que no ha habido pérdidas. Se colocará el molde en la máquina compactará el material con cargas aplicadas uniforme y lentamente hasta alcanzar una altura "h" prefijada que interviene en la fórmula del inciso 3. Para comprobar que se ha alcanzado la altura "h" en el espécimen, se medirá la distancia "a" desde el borde superior del collarín hasta la capa superior de la capa de compactación, ó bien se determina por medio de la fórmula:

)eh(hta −=

193

De la fórmula anterior tenemos: a : Distancia; en cm. desde borde superior de collarín hasta la capa superior de la placa de carga. ht : Altura; en cm. del cilindro de compactación, incluyendo el collarín. h : Altura; en cm. del material compactado o sea la altura del cilindro sin el collarín. e : Espesor; en cm. de la placa de compactación. Cuando se logra que el espécimen tenga la altura mencionada se dejará descargar durante 1 minuto; después de lo cual se hará la descarga lentamente y se permitirá que el material reaccione aumentando el volumen, debiendo medirse el incremento de altura ó rebote del espécimen. Deberá compactarse nuevamente el espécimen hasta obtener una altura ligeramente menor que h (esta disminución de altura deberá ser aproximadamente igual al rebote medio) a fin de que al reaccionar el material cuando se retira la carga, alcance precisamente la altura "h". Si la altura del espécimen resulta mayor que "h" se retira la operación anterior hasta lograr finalmente que el espécimen compactado tenga la altura especificada. Si la altura del espécimen resulta menor que "h", que desechará el anterior proceso con otro nuevo espécimen se prepara con nuevo material. Cuando la carga sea necesaria aplicar para compactar el material hasta la altura "h" sea menor de 5 Ton. La operación de descarga deberá una vez a cada 5 Ton; que se apliquen, y cuando se llegue a la altura "h", las cargas y descargas deberán hacerse en la anteriormente indicada. Si al compactar la muestra para obtener el peso volumétrico seco requerido, se indica la expulsión de agua por la base del molde, al llegar a una altura ligeramente mayor que "h" deberá mantenerse constante la carga que se estará aplicando hasta que la expulsión del agua disminuya apreciablemente. Inmediatamente después se dará un pequeño incremento de carga y se retira la operación anterior. En esta forma se continuará la compactación hasta lograr que el espécimen tenga la altura "h" después de la cual se ejecutarán las operaciones de carga y descarga como se indicó anteriormente. Si ocurre una expulsión de material una vez de agua deséchese la prueba y compruébense los cálculos y las operaciones de pasada. El espécimen ya compactado se sujetará a la prueba de penetración como se indicará en el inciso 5 que más adelante se describirá, desechándose el material una vez terminada la prueba. La segunda prueba de 5 kg se empleará para medir la resistencia a la penetración, el peso

volumétrico seco correspondiente al 95% de compactación, con la humedad 00 W50.1W + , de

acuerdo con las condiciones a que se hace referencia en la tabla 1 correspondiente a humedades de prueba siguiendo todo el procedimiento descrito anteriormente. Después de haber verificado la prueba de penetración deberá desecharse el material. La tercera muestra de 5 kg se utilizará para medir la resistencia a la penetración al peso volumétrico seco correspondiente al 90% de compactación, con humedad anotada en la tabla 1 (correspondiente a la humedad de prueba), siguiendo el procedimiento ya indicado. Al terminar la prueba de penetración el material usado deberá ser desechado. Con la cuarta muestra de 5 kg se pesará el peso volumétrico seco correspondiente al 85 % de compactación, con la misma humedad de la prueba anterior, siguiendo la secuela indicada. Después de hacer la penetración se desecha el material usado.

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5. Para la medición de la resistencia a la penetración estando el material ya compactado, inmediatamente se colocarán sobre el espécimen las placas de carga con orificio central. El cilindro de acero para la prueba de penetración deberá pasar a través de los orificios de las placas hasta tocar la superficie de la muestra; se aplicará una carga inicial que no sea mayor de 10 kg e inmediatamente después sin retirar la carga, se ajustará el extensómetro de carátula para registrar el desplazamiento vertical del cilindro. Se procederá la aplicación de las otras cargas en pequeños incrementos procurando que la velocidad de desplazamiento del cilindro sea de 1.27 mm/min y se anotan las cargas correspondientes a cada una de las 7 penetraciones indicadas en el cuadro siguiente.

PENETRACIONES

APLICACIÓN TIEMPO PENETRACIONES CARGAS REGISTRADAS

(min.) (mm) (pulg.) (kg.)

Primera 1 1.27 0.05

Segunda 2 2.54 0.10 Tercera 3 3.81 0.15 Cuarta 4 5.08 0.20 Quinta 6 7.62 0.30 Sexta 8 10.16 0.40

Séptima 10 12.70 0.50

Una vez efectuada la prueba de penetración se extraerá el espécimen del molde y se procederá a tomar una muestra del corazón para comprobación de la humedad. En el caso de suelos con agregado grueso, es preferible determinar la humedad secando todo el espécimen.

d) La carga registrada para la penetración de 2.54 mm se deberá registrar como la carga estándar de 1.369 kg, y si la prueba estuvo bien ejecutada, el porcentaje así obtenido será el valor relativo de soporte correspondiente a la muestra ensayada.

Con el fin de saber si la prueba estuvo bien ejecutada se procede a dibujar la curva de carga - penetración (inciso "c" de la prueba estándar del valor relativo de soporte, deberá hacerse la corrección como se indica en la misma prueba. Finalmente, con los valores relativos de soporte calculados, se construirá una gráfica en cuyas abscisas se indicarán los pesos volumétricos y grados de compactación que fueron reproducidos y en las ordenadas los valores relativos de soporte correspondiente a cada uno de dichos pesos volumétricos.

XVI.3. Prueba directa de valor relativo de soporte.

Esta prueba se aplica únicamente en el caso de suelos que se encuentran formando parte de las terracerías ó de terreno natural y cuya estructura no va a ser alterada por compactación, si se considera que al tiempo de hacer la prueba contienen la mayor humedad que son susceptibles de adquirir de acuerdo con las condiciones locales de drenaje y precipitación pluvial. Éste es el caso de suelos que constituyen terracerías que tienen ya algún tiempo de construidas, cuando la prueba se verifica en la temporada de lluvias ó bien de suelos cuya finura y plasticidad impidan ó dificulten la adquisición ó pérdida de humedad.

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Para realizar la prueba directa de valor relativo de soporte en el lugar, se tendrán presentes los siguientes aspectos:

a) Ya en el campo, con una pala deberá limpiarse el terreno en una superficie de forma cuadrada 0.5 m por otro lado aproximadamente, eliminando la capa superior para dejar al descubierto el material que no haya perdido humedad, dicha superficie deberá ser plana y horizontal. Es conveniente cubrirla con una manta húmeda a fin de evitar pérdidas de humedad por evaporación.

b) La prueba se ejecuta siguiendo el procedimiento que a continuación se detalla. El vehículo lastrado, que servirá de apoyo al gato hidráulico deberá colocarse en posición conveniente para que pueda hacerse la prueba de penetración en el lugar ya preparado. Con el objeto de eliminar el efecto que ejercen los muelles del vehículo, es conveniente levantar éste con ayuda de dos gatos adicionales y apoyar el chasis sobre piezas de madera que descansen sobre el terreno a una distancia conveniente del sitio en donde se haga la prueba. Antes de iniciar la prueba de penetración se retirará la manta húmeda, se aplicarán las placas de carga y se instalará el equipo de prueba en posición vertical; haciendo pasar el cilindro de penetración a través de las placas de carga. Se colocará en cero la carátula del extensómetro (no es necesario aplicar la carga inicial de 10 kg como se especifica en las pruebas anteriores, pues ésta queda suplida por el peso del equipo de prueba) y se procederá a la aplicación de cargas con pequeños incrementos, procurando que la velocidad de desplazamiento del cilindro sea 1.27 mm/min.

Se registrarán las cargas correspondientes a cada una de las cinco penetraciones que se indican en el cuadro siguiente:

PENETRACIONES

APLICACIÓN TIEMPO PENETRACIONES CARGAS REGISTRADAS (en minutos) (En mm) (En pulgadas) (En kilogramos )

Primera 2 2.54 0.10

Segunda 4 5.08 0.20 Tercera 6 7.62 0.30 Cuarta 8 10.16 0.40 Quinta 10 12.70 0.50

Se recomienda que, como precaución en el desarrollo de la prueba, una vez colocado el equipo de prueba, se fija la regla para apoyar el vástago del extensómetro, de manera que éste no vaya a sufrir ningún movimiento durante la ejecución de la misma.

c) El cálculo del valor relativo de soporte se hará de acuerdo con lo especificado en el inciso "d" de la prueba modificada de valor relativo de soporte para diferentes grados de compactación y que corresponderá al peso volumétrico y a la humedad que tiene el suelo en el lugar, debiendo determinarse estos últimos valores en el terreno, en el sitio inmediato a aquel en el que se hizo la prueba de penetración.

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XVI.4. Pruebas de expansión. En este capítulo se trata lo referente a la prueba de expansión. Con la finalidad de proporcionar una base firme para la aplicación objetiva de los resultados en el laboratorio que permitan determinar la evaluación del potencial expansivo de los suelos arcillosos. Existen varios tipos de pruebas para el ensaye de los suelos expansivos, que se agrupan en dos clases: a). Especiales. b). Convencionales. Las pruebas especiales se utilizan en problemas donde los métodos convencionales dejan de ser aplicables ó en casos cuya importancia e inversión justifiquen un estudio profundo de las características de los minerales expansivos. De las pruebas especiales se presenta una descripción de manera general, pues no se utilizan para cumplir el objetivo del presente trabajo. XVI.4.1. Análisis térmico diferencial.

Los resultados de esta prueba permiten determinar cualitativamente el tipo de mineral arcilloso que se encuentre en el suelo. La muestra se sujeta a un proceso de calentamiento en el que reacciona tomando o cediendo calor (reacciones endotérmica y exotérmica). Las temperaturas a las que ocurren estos cambios son características del tipo del mineral arcilloso, con estos valores se forma una curva que se compara con patrones ya establecidos, que nos permiten identificar los minerales arcillosos. XVI.4.2 Difracción de rayos x. En esta prueba se determina el tipo de mineral que compone la muestra, ya sea arcilloso o no arcilloso. El método se basa en que el arreglo atómico de cada mineral difracta los rayos X en forma característica. El diagrama resultante se compara con patrones obtenidos de minerales conocidos para su identificación y en algunos casos cuantificación de los minerales de la muestra. XVI.4.3 Análisis microscópico. Varía desde el análisis con el microscopio petrográfico hasta el microscopio electrónico. Las observaciones se refieren a la forma y tamaño de las partículas, pues cada mineral tiene un sistema cristalino que se refleja en su forma externa y sus dimensiones son útiles en la identificación. Los tipos de pruebas que se refieren como convencionales son las pruebas índice, que se utilizan para identificar si los suelos arcillosos son o no expansivos. La prueba que se utiliza con más frecuencia para determinar el potencial de expansión de un suelo arcilloso se conoce como prueba de �Saturación bajo carga�, esta prueba es la que se utiliza en el presente trabajo.

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Este ensaye se desarrolló originalmente para duplicar el problema típico de diseño en el cual la construcción daba lugar a largo plazo a incrementos a largo plazo a incrementos en el contenido de agua del suelo de cimentación, originándose por ello movimientos que causaban problemas de asentamientos ó de expansiones.

XVI.5 Prueba de saturación bajo carga. Se realiza en un expansómetro unidimensional, este expansómetro permite determinar la variación lineal y volumétrica del suelo, para diferentes grados de saturación. XVI.5.1.Equipo.

Consta de un anillo flotante para alojar el espécimen por ensayar, dos piedras porosas, la superior con diámetro menor que la del inferior del anillo flotante, y la inferior con diámetro mayor que el diámetro exterior del mismo anillo, una placa para distribuir la presión sobre la muestra, un vástago para transmitir los movimientos a un micrómetro y una pesa para producir una presión de 0.07 kg / cm2. Varios. Básculas, cuchillos, vernier y horno. XVI.5.2. Procedimiento. a). Muestra inalterada.

1. Se miden la altura y el diámetro interior del anillo. Se pesan el anillo y la tapa del fondo del expansómetro.

2. Se corta una porción de la muestra inalterada, cuyo espesor sea el doble de la altura del anillo y de tamaño ligeramente mayor que el diámetro interior del anillo.

3. Se labra burdamente. Se coloca el anillo en el torno de labrado y se centra la muestra en el anillo.

4. Se continúa labrando hasta que la probeta quede perfectamente enrasada en las dos caras del anillo.

5. Se pesa la probeta con el anillo (para determinar el contenido de agua inicial de la probeta Wi).

6. Una vez colocada en el expansómetro, la probeta por ensayar, se toma la lectura inicial del micrómetro, es conveniente iniciar de cero.

7. A continuación se coloca una carga que aplique una presión de 0.07 kg / cm2, que se mantiene constante durante la prueba.

8. Se pone en marcha el cronómetro y se toman lecturas en el micrómetro en los siguientes tiempos 30 seg, 1, 2, 4, 8, 15 y 30 minutos, en 1, 2, 4, 8, 16 horas, después cada 12 horas, hasta que la probeta no sufre incrementos de deformación por deshidratación ó cuando ésta sea muy mínima.

9. Se determina el volumen de la probeta. 10. A continuación se satura la probeta para conocer la deformación que experimente el

espécimen al alcanzar el 100% de saturación. 11. Se comienza el nuevo ciclo de lecturas en los mismos tiempos del paso No. 8, hasta que

no haya variación en el micrómetro. 12. Se desmonta la prueba y se pesa la tapa del fondo del expansómetro más el anillo, más

espécimen, para conocer el contenido de agua final (WF).

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13. Se coloca en el horno durante 24 horas para determinar el peso de sólidos (WS), a una temperatura de 105 ± 5º C.

Nota: Es conveniente dibujar los resultados a medida que se van obteniendo, en una gráfica; lectura micrómetro � logaritmo del tiempo. b). Material remoldeado. Se coloca directamente el material remoldeado en el anillo del expansómetro, en varias capas , escarificando la superficie de cada capa antes de colocar la siguiente, dándole una ligera compactación para formar el espécimen. Cálculos. Con los datos obtenidos en el transcurso de la prueba se determina lo siguiente:

1. 1.Se calcula el contenido de agua inicial )W( i y el final )W( f , del espécimen de prueba.

2. Se determina la relación de vacíos inicial )e( 1 y la relación de vacíos final )e( 2 del mismo espécimen con la siguiente expresión:

Ws

)Ss)(Vm(e =

e : Relación de vacíos. Vm : Volumen de la muestra. Ss : Densidad de sólidos. Ws : Peso de sólidos.

3. El grado de saturación inicial se calcula con siguiente expresión:

e

)Ss)(W(Gw =

Gw : Grado de saturación. W : Contenido de agua del espécimen. Ss : Densidad de sólidos. e : Relación de vacíos. El grado de saturación final del espécimen corresponde al 100%.

4. Se calcula la deformación que sufre el suelo por deshidratación que corresponde al proceso de deshidratación que corresponde al proceso de compresión.

5. Por último se calcula la deformación que sufre el suelo en su estado saturado, que corresponde a la expansión del suelo.

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XVI.6. Prueba de expansión libre (E. L.). Esta prueba se utiliza como complemento a los resultados obtenidos en la prueba de saturación bajo carga y son valores cualitativos de gran utilidad aceptables en la estimación de la expansividad del material arcilloso. La expansión libre la determinamos de la siguiente manera:

XVI.6.1.Equipo. • Probetas graduadas de 100 cm3 de capacidad. • Charolas circulares ó recipientes para guardar material. • Malla No. 40. • Horno. • Martillo de hule para disgregar material. XVI.6.2. Procedimiento

1. Se disgrega la arcilla y se pasa a través de la malla No. 40. 2. Se seca en el horno a una temperatura de 50 ± 5° C durante 18 horas, transcurrido este

tiempo se deja enfriar el material en un desecador. 3. Después se llena de agua la probeta graduada hasta los 100 cm3. 4. Se miden los 10 cm3 de suelo seco y se vacían en la probeta. 5. Se deja 24 horas para que alcance el equilibrio, se toma la lectura en la parte superior del

suelo, que será el volumen final. 6. Se calcula el procedimiento de expansión libre de la siguiente manera:

100xinicialVolumen

incialVolumenfinalVolumen.L.E(%)

−=

Donde: Volumen inicial: 10 cm3

Dentro de las pruebas convencionales se encuentran también se encuentran también las pruebas donde se determinan las propiedades índices que se utilizan en la identificación de los suelos con potencial expansivo, para realizarlas se siguió los procedimientos marcados en el Manual de Mecánica de Suelos de la Secretaría de Recursos Hidráulicos, Quinta Edición (1970).