Tema 4: ENSAYO DE RELACIONES VOLUMÉTRICAS Y GRAVIMÉTRICAS

I. OBJETIVOS:

Determinar las relaciones de peso y volumen de una muestra de suelo.

Determinar las relaciones fundamentales de las propiedades de una muestra de suelo.

II. MARCO TEÓRICO:

Suelo

El suelo es un material constituido por el esqueleto de partículas sólidas rodeado por espacios libres (vacíos), en general ocupados por agua y aire. Para poder describir completamente las características de un depósito de suelo es necesario expresar las distintas composiciones de sólido, líquido y aire, en términos de algunas propiedades físicas.

Fases del suelo

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 adsorbida).

La líquida por el agua (libre, específicamente), aunque en los suelos pueden existir otros líquidos de menos significación.

La fase gaseosa comprende sobre todo el aire, si bien pueden estar presentes otros gases (vapores sulfurosos, anhídrido carbónico, etc.).

Donde:

Vm = Volumen total de la muestra de suelo

Vs = Volumen de la fase sólida de la muestra

Vv = Volumen de los vacíos de la muestra de suelo

Vw = Volumen de la fase sólida contenida en la muestra

Va = Volumen de la fase gaseosa de la muestra

Wm = Peso total de la muestra del suelo

Ws = Peso de la fase sólida de la muestra de suelo

Ww = Peso de la fase líquida de la muestra

Wa = Peso de la fase gaseosa de la muestra.

Relaciones de Pesos y Volúmenes

En el curso se relaciona el peso de las distintas fases con sus volúmenes correspondientes, por medio del concepto de peso específico, es decir de la relación entre el peso de la sustancia y su volumen.

γ=WV

Se distinguen los siguientes pesos específicos:

1. Peso específico de la masa del suelo. Por definición se tiene: 

γm=W m

V m=W s+Ww

V m

2. Peso específico de la fase sólida del suelo.

 

γs=W s

V s

El peso específico relativo se define como la relación entre el peso específico de una sustancia y el peso específico del agua, destilada y sujeta a una atmósfera de presión. Recordar que el γo: peso específico del agua.

3. Peso específico relativo de la masa del suelo. Por definición:

Sm=γmγo

=Wm

Vm γ o

4. Peso específico relativo de la fase sólida del suelo, para el cual se tiene

Ss=γ sγ o

=W s

V s γo

En laboratorio, se hallará el peso específico relativo de la fase sólida del suelo a través de la siguiente fórmula:

Ss=W s γ o

W s−W 1+W 2

Donde:W 1 = peso fiola + suelo + aguaW 2 = peso fiola + agua

En la parte de procedimiento se explicará detalladamente como hallar W 1 y W 2.

5. Peso específico seco :

Este es un valor particular de γm para el caso en que el grado de saturación del suelo sea nulo:

γd=W s

V m

Relaciones Fundamentales

Las relaciones que se dan son importantes, para el manejo comprensible de las propiedades mecánicas de los suelos y un completo dominio de su significado y sentido físico; es imprescindible para poder expresar en forma asequible los datos y conclusiones de la Mecánica de suelos.

a) RELACIÓN DE VACÍOS, Oquedad o Índice de poros a la relación entre el volumen de los vacíos y el de los sólidos de un suelo:

e=V vV s

En la práctica no suelen hallarse valores menores de 0.25 (arenas muy compactas con finos) ni mayores de 15, en el caso de algunas arcillas altamente comprensibles.

b) POROSIDAD de un suelo a la relación entre su volumen de vacíos y el volumen de su masa. Se expresa como porcentaje:

n(%)=V vV mx 100

Esta relación puede variar de 0 (en un suelo ideal con sólo fase sólida) a 100 (espacio vacío). Los valores reales suelen oscilar entre 20% y 95%.

c) GRADO DE SATURACIÓN de un suelo a la relación entre su volumen de agua y el volumen de sus vacíos. Suele expresarse también como un porcentaje:

Gw (% )=V wV vx100

Varía de 0 (suelo seco) a 100% (suelo totalmente saturado).

d) CONTENIDO DE AGUA O HUMEDAD a un suelo, la relación entre el peso de agua contenida en el mismo y el peso de fase sólida. Suele expresarse como un porcentaje:

w (%)=W w

W sx100

III. MATERIALES Y EQUIPOS:

Fiola Agua destilada

Muestra de suelo secoBalanza

PipetaCocina eléctrica

IV. PROCEDIMIENTO

Obtener el peso y volumen total de nuestra muestra extraída (en este caso los datos ya los obtuvimos en los ensayos de laboratorio anteriores). Con estos datos ya podremos hallar el peso volumétrico de la muestra de suelo.

Extraer un espécimen de la muestra llevada al laboratorio (por cuarteo). Este espécimen no debe pesar menos de 100g. y lo colocamos en una tara. Obtener su peso.

Este espécimen es colocado al horno (100ºC) para obtener el peso de agua que contiene nuestro espécimen. Con esto ya obtuvimos el peso sólido, el peso líquido y el peso gaseoso (0kg) de nuestro espécimen.

En cuanto al volumen, ya podemos obtener el volumen de agua del espécimen de suelo (ya que ya obtuvimos su peso), nos faltaría el volumen del aire y de la parte sólida, la cual hallaremos a través del ensayo para encontrar el peso específico relativo de las partículas sólidas (Ss); al obtener este dato, podremos hallar el volumen de la parte sólida, y por ende ya obtendríamos el volumen de la parte gaseosa. Los pasos para hallar el Ss son los siguientes:

- La fórmula del Ss para el laboratorio es la siguiente:

Ss=W s γ o

W s−W 1+W 2

- Para hallar el W2:

Donde:

Ss = peso específico relativo de la parte sólida

W 1 = peso fiola + suelo + aguaW 2 = peso fiola + aguaW s = volumen de la parte sólida

γo = peso específico del agua

Llenamos la fiola con agua destilada hasta un poco antes de llegar a la línea de enrase

Con ayuda de una pipeta llenamos la fiola hasta la línea de enrase

Pesamos la fiola llena de agua destilada y obtenemos el W2.

- Para hallar el W1:

Retiramos la mitad de agua destilada de la fiola

Luego se llena de agua nuevamente hasta llegar al enrase.

Se calienta una cocina eléctrica, para eliminar el aire de en la fiola

Se da movimiento a la fiola por 1 hora pasando por el calor.

Se deja reposar la fiola por 24 horas

V. CÁLCULOS Y RESULTADOS

Al hacer la calicata para obtener nuestra muestra, encontramos 2 estratos en el suelo, los cuales fueron depositados en 2 envases cilíndricos y fueron llevados al laboratorio. De cada tipo de muestra obtuvimos un espécimen (peso > 100g) los cuales fueron puestos en trabajo para cumplir con los objetivos del ensayo.

V.1. ESPECIMEN 1:

Volúmenes Pesos

Nos daremos cuenta que la altura del agua descendió respecto a la línea de enrase.

Llenamos nuevamente con agua destilada hasta la marca de enrase

Finalmente se pesa la fiola con su interior, y obtenemos el W2.

FASE GASEOSA

FASE LIQUIDA

0 g

2.29 g 113.753 g

3.2 cm3

2.29 cm327.5 cm3

5.49 cm3

Peso del espécimen 1:´

Wm = 116.043 g Peso seco del espécimen 1:

Ws = 113.753 g Peso de la parte gaseosa en el espécimen 1:

Wa = 0 g Peso del agua contenida en el espécimen 1:

Ww = Wm - WsWw = 116.043 g – 113.753 gWw = 2.29 g Para hallar su volumen:

El peso específico de la muestra 1 fue hallada anteriormente (en el tema de peso volumétrico de una muestra), el cual dio el siguiente resultado:

Como tenemos que el peso de nuestro espécimen 1 es: Wm = 116.043 gPor lo tanto:

γm=W m

V m => 4.22 = 116.043V m

Vm = 27.50 cm3 Volumen de agua contenido en el espécimen 1:

Vw = Ww / γoVw = (2.29 g) / (1 g/cm3)Vw = 2.29 cm3 Peso específico relativo de la fase sólida:

FASE SOLIDA

(Obtenido luego de haber pasado por el horno)

γm = 4.22 g/cm3

113.753 g22.01 cm3

Ss=W s γ o

W s−W 1+W 2 Ss=

(113.753)(1)113.753−(752.11)+(660.41)

γo = 1 g/cm3W1 = 752.11 gW2 = 660.41g Volumen de la fase sólida del espécimen :

Utilizando la fórmula: Ss= γ sγ o= W s

V s γo

5.40 = 113.753V s(1) Vs = 21.07 cm3

Volumen de aire y de vacíos:

Va = Vm – Vw - VsVa = 27.50 – 2.29 – 21.07Va = 4.14 cm3Vv = Va + VwVv = 4.14 + 2.29Vv = 6.43 cm3 Peso específico de la parte sólida:

γs=W s

V s ¿113.75321.07

Peso volumétrico seco:

γd=W s

V m ¿113.75327.50

Cálculo de las relaciones fundamentales:

a) Proporción de vacíos:

e=V vV s

¿6.4321.07

Ss = 5.40

γs = 5.40 g/cm3

γd = 4.15 g/cm3

e = 0.31

b) Porosidad:

n (% )=V vV mx100 ¿

6.4327.50

x100

c) Grado de saturación:

Gw(% )=V wV vx100 ¿

2.296.43

x100

d) Contenido de humedad:

w (%)=W w

W sx100= 2.29

113.753x100

V.2. ESPECIMEN 2:

Volúmenes Pesos

n= 23.38 %

Gw=35.61 %

w = 2.01 %

FASE GASEOSA

FASE LIQUIDA

FASE SOLIDA

0 g

159.614 g

2.523 g 162.137 g

4.457cm3

2.523 cm3

21.77 cm3

28.75 cm3

6.98 cm3

Peso del espécimen 2:´

Wm = 162.137 g Peso seco del espécimen 2:

Ws = 159.614 g Peso de la parte gaseosa en el espécimen 2:

Wa = 0 g Peso del agua contenida en el espécimen 2:

Ww = Wm - WsWw = 162.137 g – 159.614 gWw = 2.523 g Para hallar su volumen:

El peso específico de la muestra 2 fue hallada anteriormente (en el tema de peso volumétrico de una muestra), el cual dio el siguiente resultado:

Como tenemos que el peso de nuestro espécimen 2 es: Wm = 162.137 gPor lo tanto:

γm=W m

V m => 5.64 = 162.137V m

Vm = 28.75 cm3 Volumen de agua contenido en el espécimen 2:

Vw = Ww / γoVw = (2.523 g) / (1 g/cm3)Vw = 2.523 cm3 Peso específico relativo de la fase sólida:

Ss=W s γ o

W s−W 1+W 2 Ss=

(159.614)(1)159.614−(811.47)+(674.62)

(Obtenido luego de haber pasado por el horno)

γm = 5.64 g/cm3

γo = 1 g/cm3W1 = 811.47 gW2 = 674.62 g Volumen de la fase sólida del espécimen :

Utilizando la fórmula: Ss= γ sγ o= W s

V s γo

7.01= 159.614V s(1) Vs = 22.77 cm3

Volumen de aire y de vacíos:

Va = Vm – Vw - VsVa = 28.75 – 2.523 – 22.77Va = 3.457 cm3Vv = Va + VwVv = 3.477 + 2.523Vv = 5.98 cm3 Peso específico de la parte sólida:

γs=W s

V s ¿159.61422.77

Peso volumétrico seco:

γd=W s

V m ¿159.61428.75

Cálculo de las relaciones fundamentales:

a) Proporción de vacíos:

e=V vV s

¿5.9822.77

Ss = 7.01

γs = 7.01 g/cm3

γd = 5.55 g/cm3

e = 0.26

b) Porosidad:

n (% )=V vV mx100 ¿

5.9828.75

x100

c) Grado de saturación:

Gw(% )=V wV vx100 ¿

2.5235.98

x100

d) Contenido de humedad:

w (%)=W w

W sx100= 2.526

159.614x100

VI. CONCLUSIONES

Los dos tipos de muestras tienen características diferentes, la muestra 1 contiene mayor material fino (arcillas), mientras que la muestra 2 está conformada por gravas, arenas y arcillas.

En el estrato 1 :

Al realizar los ensayos y cálculos para determinar las relaciones de peso y volumen de una muestra de suelo, se concluyó que:- El peso volumétrico del suelo es de 4.22 g/cm3.- El peso específico de la parte sólida es 5.40 g/cm3.- El peso específico relativo de la parte sólida es 5.40- El peso volumétrico seco es 4.15 g/cm3.

Al realizar los ensayos y cálculos para determinar las relaciones fundamentales de las propiedades de una muestra de suelo, se concluyó que:- Su proporción de vacíos (e) es 0.31- Su porosidad (n) es del 23.38%

n= 20.8 %

Gw = 42.19 %

w = 1.58 %

- Su grado de saturación (Gw) es del 35.61%- Su contenido de humedad (w) es del 2.01%

En el estrato 2 :

Al realizar los ensayos y cálculos para determinar las relaciones de peso y volumen de una muestra de suelo, se concluyó que:- El peso volumétrico del suelo es de 5.64 g/cm3.- El peso específico de la parte sólida es 7.01 g/cm3.- El peso específico relativo de la parte sólida es 7.01- El peso volumétrico seco es 5.55 g/cm3.

Al realizar los ensayos y cálculos para determinar las relaciones fundamentales de las propiedades de una muestra de suelo, se concluyó que:- Su proporción de vacíos (e) es 0.26- Su porosidad (n) es del 20.8%- Su grado de saturación (Gw) es del 42.19%- Su contenido de humedad (w) es del 1.58%

Se comprobó que un suelo granuloso (muestra 2) contiene menor cantidad de vacíos que el arcilloso (muestra 1), el cual indica que el suelo granuloso es heterogéneo y posee mayor capacidad de carga.

Se comprobó que un suelo arcilloso (muestra 1) posee mayor contenido de humedad comparado con un suelo granuloso (muestra 2).

VII. BIBLIOGRAFÍA

Mecánica de Suelos, Tomo 1 “Fundamentos de la mecánica de suelos”, Juarez Badillo Rico Rodriguez

http://www.slideshare.net/carlosjcamacho/criterios-para-calificar-los-suelos-con-fines-urbanos