2 - PUCP - Guía de Laboratorio de Mecánica de Suelos 2013-1 DensPg61-64

PONTIFICIA U NIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ

GUÍA DEL LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS

LIMA, MARZO DEL 2012

CONTENIDO 1. Descripción Visual – Manual de Muestras de Suelo 2. Primera Práctica de Laboratorio 2.1. Contenido de Humedad 2.2. Peso Específico Relativo de los Sólidos 2.3. Peso Específico

3. Segunda Práctica de Laboratorio 3.1. Análisis Granulométrico 3.2. Límites Líquido y Plástico

4. Tercera Práctica de Laboratorio 4.1. Compactación Tipo Proctor 4.2. Densidad en el Campo con el Cono de Arena

5. Cuarta Práctica de Laboratorio 5.1. Permeabilidad con Carga Variable 5.2. Consolidación Unidimensional

6. Quinta Práctica de Laboratorio 6.1. Compresión Simple 6.2. Corte Directo 6.3. Ensayos Triaxiales

CONTENIDO 1. Descripción Visual – Manual de Muestras de Suelo 2. Primera Práctica de Laboratorio 2.1. Contenido de Humedad 2.2. Peso Específico Relativo de los Sólidos 2.3. Peso Específico

3. Segunda Práctica de Laboratorio 3.1. Análisis Granulométrico 3.2. Límites Líquido y Plástico

4. Tercera Práctica de Laboratorio 4.1. Compactación Tipo Proctor 4.2. Densidad en el Campo con el Cono de Arena

5. Cuarta Práctica de Laboratorio 5.1. Permeabilidad con Carga Variable 5.2. Consolidación Unidimensional

6. Quinta Práctica de Laboratorio 6.1. Compresión Simple 6.2. Corte Directo 6.3. Ensayos Triaxiales

1. DESCRIPCIÓN VISUAL MANUAL DE SUELOS 1.1.

INTRODUCCIÓN

Todos los suelos provienen de la descomposición mecánica y química de las rocas, a excepción de los suelos orgánicos, que provienen de la descomposición de organismos vivos (plantas principalmente). Desde un punto de vista general, los suelos se clasifican en inorgánicos y orgánicos respectivamente. Los suelos inorgánicos pueden ser divididos en residuales y transportados. Se llama suelos residuales a aquellos en los cuales las partículas provenientes de la descomposición descomposición de la roca madre no han sufrido transporte a otro otr o lugar. Por el contrario, los suelos transportados son aquellos en los que las partículas provenientes de la descomposición de la roca han sido transportadas a otro lugar por algún agente, usualmente el agua o el viento. Durante el transporte estos suelos suelen mezclarse y alterarse física y químicamente. Al efectuar la clasificación de campo, en primer lugar, se debe tratar de determinar si el suelo es residual o transportado. Esta diferenciación no siempre es factible de efectuar por simple inspección inspección visual.

 Suelos Residuales: En muchos casos es bastante difícil verificar la condición de residual de un suelo, pudiendo ser necesario detectar y muestrear la roca intemperizada. Debe determinarse si el suelo residual es joven o maduro. Un suelo residual joven es aquel que presenta aún ciertas características de la estructura de la roca; por ejemplo, un depósito compuesto por estratos de lutita y arenisca, al convertirse en suelo residual puede presentar estratos de grava arenosa, que corresponden a un intemperismo moderado de la arenisca, y otros de arcilla que corresponden a un intemperismo total de la lutita. Finalmente, se le describirá por el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (S.U.C.S.) que se detalla más adelante. -

Suelos Transportados: En los casos en que sea posible, se indicará el tipo de transporte que ha sufrido el suelo (aluvial, glacial, eólico, coluvial, etc) y luego se describirá de acuerdo al S.U.C.S.

Descripción Visual Manual de Suelo Laboratorio de Mecánica de Suelos 2012 1

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Pontificia Universidad Católica del Perú Laboratorio de Mecánica de Suelos

1.2.

INFORMACIÓN DESCRIPTIVA DE LOS SUELOS:

- Angularidad : describe el grado de angularidad de las fracciones gruesas de la arena, grava, piedras y bolones como angulares, subangulares, subredondeadas y redondeadas según los siguientes criterios: DESCRIPCIÓN Angulares Sub- angulares Sub-redondeadas Redondeadas

CRITERIO Presentan bordes bien definidos y caras relativamente planas con superficies sin pulir. Son similares a las angulares pero con los bordes redondeados. Presentan lados casi planos pero esquinas y bordes bien redondeados. Presentan lados curvos y no tienen bordes ni esquinas

Se puede describir el suelo considerando un rango de angularidades para sus partículas, por ejemplo: de subredondeadas a redondeadas. -

Forma: describe la forma de la grava, piedras y bolones como chatas o planas, alargadas o chatas y alargadas según los siguientes criterios: DESCRIPCIÓN Chatas o planas Alargadas Chatas y alargadas

CRITERIO Partículas cuya relación ancho/espesor es mayor que 3. Partículas cuya relación longitud / ancho es mayor que 3. Partículas que pertenecen a los dos grupos indicados anteriormente.

Debe indicarse la fracción de material que presenta una determinada forma, por ejemplo: la mitad de la grava es alargada. -

Color: describe el color, que es una propiedad importante en la identificación de suelos orgánicos y puede también ser útil en la identificación de materiales de un origen geológico similar. Si la muestra contiene capas o estratos de diferentes colores esto debe anotarse y deben describirse los colores representativos. El color debe describirse en muestras húmedas; en caso contrario deberá especificarse que la descripción se está realizando en muestras secas.

Descripción Visual Manual de Suelos Laboratorio de Mecánica de Suelos 2012-1

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-

Olor: se describe el olor si es que éste es orgánico o inusual. Los suelos que contienen cantidades significativas de materia orgánica presentan un olor característico a materia en descomposición.

-

Estado de Humedad: se describe la condición de humedad de la muestra como seca, húmeda o saturada según los siguientes criterios: DESCRIPCIÓN

CRITERIO

Seca

Ausencia de humedad, partículas secas al tacto

Húmeda

El suelo está mojado pero no se ve el agua.

Saturada

Puede verse el agua; usualmente son suelos por debajo de la napa freática

Para el caso de las arenas, Terzaghi propone: GRADO DE SATURACIÓN Seco Ligeramente Húmedo Húmedo Muy Húmedo Mojado Saturado

-

Sr (%) 0 1-25 26-50 51-75 76-99 100

Consistencia: para suelos finos intactos se describe la consistencia como muy blando, blando, medianamente compacto, compacto, muy compacto y duro de acuerdo con los siguientes criterios: qu (kg/cm2)

N (S.P.T.)

Muy blando

0.00-0.25

0-2

El puño penetra 10 cm fácilmente

Blando

0.25-0.50

2-4

El pulgar penetra 5 cm fácilmente

Medianamente Compacto

0.50-1.00

4-8

Compacto

1.00-2.00

8-15

El pulgar penetra 5 cm con esfuerzo moderado El pulgar deja marca fácilmente

DESCRIPCIÓN

Muy Compacto Duro

2.00-4.00 >4.00


15-30 >30

CRITERIO

La uña del pulgar raya fácilmente La uña del pulgar raya con dificultad

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Este criterio resulta inapropiado en la identificación de suelos con cantidades importantes de grava. - Densidad Relativa: en los suelos de partículas gruesas en que el contenido de finos sea bajo y las partículas de grava y arena no estén adheridas entre sí por los finos, se estimará la densidad relativa. Cuando las partículas de grava o arena estén adheridas entre sí por los finos, es imposible apreciar la densidad relativa. Si esto sucede, es importante indicarlo en la descripción y puede ser necesario extraer muestras inalteradas para estudiar en el laboratorio la colapsabilidad del material al saturarse. Los términos a utilizar son los siguientes: muy suelto, suelto, medianamente denso, denso, muy denso. La densidad relativa se puede relacionar con el número de golpes N del S.P.T. DESCRIPCIÓN

N (SPT)

Muy suelto

0-4

Suelto

4-10

Medianamente Denso

10-30

Denso

30-50

Muy Denso

-

>50

Cementación: se describe la cementación de suelos gruesos intactos como: DESCRIPCIÓN Débil

-

CRITERIO Una barra de 1/2" penetra fácilmente con la mano Una barra de 1/2" penetra fácilmente hincada con comba de 5 libras Una barra de 1/2" penetra 30 cm hincada con comba de 5 libras Una barra de 1/2" penetra pocos cm hincada con comba de 5 libras

CRITERIO Se desmorona con el manipuleo o bajo una pequeña presión de los dedos.

Moderada

Se desmorona bajo una presión considerable de los dedos.

Fuerte

No se desmorona bajo presión de los dedos.

Estructura: se describe la estructura de suelos intactos según los siguientes criterios: DESCRIPCIÓN Estratificada Laminada

CRITERIO Capas alternadas de al menos 6 mm de espesor, de diferentes materiales o colores; debe anotarse el espesor de cada capa. Capas alternadas de menos de 6 mm de espesor, de diferentes materiales o colores; debe anotarse el espesor de cada capa.


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Fisurada Clivada Maciza Lentes Homogénea

-

Se quiebra a lo largo de planos definidos de fractura, con poca resistencia. Los planos de fractura están pulidos o lisos y a menudo estriados. Suelo cohesivo que puede quebrarse en pequeñas fracciones angulares que tienen resistencia adicional al rompimiento. Inclusión de pequeñas secciones de suelos diferentes, tales como pequeños lentes de arena en el interior de una masa de Presenta la misma apariencia y color.

Tamaño Máximo de Partículas: se describe el tamaño máximo de las partículas constituyentes de acuerdo con la siguiente información: DESCRIPCIÓN Arenas Gravas Bolones

CRITERIO Si las partículas de mayor tamaño corresponden a arenas, deberá describirse como fina, media o gruesa Si las partículas de mayor tamaño corresponden a gravas, deberá describirse el tamaño máximo de las partículas como la abertura de la malla de menor tamaño por la cual pasará la partícula. Si las partículas de mayor tamaño corresponden a bolonería, describir la máxima dimensión de la mayor partícula.

- Dureza: se describe la dureza de la arena gruesa y de partículas grandes según lo que ocurre cuando las partículas son golpeadas por un martillo, es decir si las partículas se mantienen intactas, si se fracturan, si se desmoronan, etc. - Nombre de las Fracciones Constituyentes: se debe indicar el constituyente principal del suelo, seguido por los nombres de los demás constituyentes. En caso de que alguno de ellos exista en cantidad muy pequeña, se le debe anteponer la palabra "ligeramente". Los tamaños y características de las distintas fracciones que constituyen los suelos son:  Fragmentos de roca o bloques: trozos de roca de tamaño mayor a 30 cm  Bolos, bolones o pedrones: partículas de tamaño entre 15 y 30 cm  Piedras: partículas de tamaño entre 7.5 y 15 cm  Grava: partículas entre 75 y 4.75 mm (tamiz #4)  Grava gruesa: 75 a 19 mm  Grava fina: 19 a 4.75 mm  Arena: partículas entre 4.75 mm y 75 m (tamiz #200)  Arena gruesa: 4.75 mm a 2.00 mm (tamiz #10)  Arena media: 2.00 mm a 425 m (tamiz #40)  Arena fina: 425 m a 75 m Descripción Visual Manual de Suelos Laboratorio de Mecánica de Suelos 2012-1

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Pontificia Universidad Católica del Perú Laboratorio de Mecánica de Suelos 

1.3.

Limo y arcilla: partículas menores que 75 m (pasan el tamiz # 200). Su distinción se hace en base a la plasticidad, utilizando los límites de Atterberg.

IDENTIFICACIÓN PRELIMINAR

El suelo es fino si contiene 50% o más finos y es grueso si contiene menos del 50% de fracción fina. Para cada uno de estos grupos se indicará un procedimiento determinado.

1.3.1. Procedimiento para identificar Suelos Finos Seleccionar una muestra representativa de material y retirar las partículas mayores que la malla #40. Emplear este material para desarrollar los métodos de Resistencia en Estado Seco, Dilatancia y Tenacidad - Dilatancia (reacción al agitado): después de quitar las partículas mayores que el tamiz # 40, se prepara una pastilla de suelo húmedo, de 10 cm 3 aproximadamente; si es necesario, se añade agua, a fin de dejar el suelo suave pero no pegajoso. Se coloca la pastilla en la palma de la mano, y se agita horizontalmente, golpeando vigorosamente contra la otra mano varias veces. Una reacción positiva consiste en la aparición de agua en la superficie de la pastilla, la cual cambia adquiriendo una consistencia de hígado y se vuelve lustrosa. 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 agrieta o se desmorona. La rapidez de la aparición del agua durante el agitado y su desaparición durante el apretado sirve para identificar el carácter de los finos en un suelo. Las arenas limpias muy finas dan la reacción más rápida y distintiva, mientras que las arcillas plásticas no tienen reacción. Los limos inorgánicos dan una reacción rápida moderada. DESCRIPCIÓN Ninguna reacción Reacción Lenta

Reacción Rápida

CRITERIO No hay cambios visibles en el espécimen Aparece lentamente agua en la superficie del espécimen durante el agitado y no desaparece o desaparece lentamente al apretarlo entre los dedos. El agua aparece rápidamente en la superficie del espécimen durante el agitado y desaparece rápidamente al apretarlo entre los dedos.


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- Resistencia en estado seco (características al rompimiento): después de eliminar las partículas mayores que el tamiz #40, se moldea una pastilla de suelo hasta alcanzar una consistencia de masilla añadiendo agua si es necesario. Se deja secar la pastilla completamente en un horno, al sol o al aire y se prueba su resistencia rompiéndola y desmoronándola entre los dedos. Esta resistencia es una medida del carácter y cantidad de la fracción coloidal que contiene el suelo. La resistencia en estado seco aumenta con la plasticidad. Una alta resistencia en seco es característica de las arcillas del grupo CH. Un limo inorgánico típico posee solamente muy ligera resistencia, pero pueden distinguirse por el tacto al pulverizar el espécimen seco. La arena fina se siente granular, mientras que el limo típico da la sensación suave de la harina.

DESCRIPCIÓN Ninguna

El espécimen seco se pulveriza con tan sólo manipularlo

Baja

El espécimen seco se pulveriza bajo una cierta presión de los dedos

Media Alta Muy alta

-

CRITERIO

El espécimen seco se rompe en pedazos o se desmorona bajo una considerable presión de los dedos El espécimen seco no se rompe bajo la presión de los dedos. Se rompe en pedazos bajo la presión del pulgar contra una superficie dura. El espécimen seco no se rompe bajo la presión entre el pulgar y una superficie dura.

Tenacidad (consistencia cerca del límite plástico): después de eliminar las partículas mayores que el tamiz #40, se moldea un espécimen de 10 cm 3, hasta alcanzar la consistencia de masilla. Si el suelo está muy seco debe de agregarse agua, pero si está pegajoso debe extenderse el espécimen formando una capa delgada que permita algo de pérdida de humedad por evaporación. Posteriormente el espécimen se rola a mano sobre una superficie lisa o entre las palmas, hasta hacer un rollito de 3 mm de diámetro aproximadamente, se amasa y se vuelve a rolar varias veces. Durante estas operaciones el contenido de humedad se reduce gradualmente y el espécimen llega a ponerse tieso, pierde finalmente su plasticidad y se desmorona cuando se alcanza el límite plástico. Después de que el rollo se ha desmoronado, los pedazos deben juntarse, continuando el amasado ligeramente entre los dedos hasta que la masa se desmorona nuevamente. La potencialidad de la fracción coloidal arcillosa de un suelo se identifica por la mayor o menor tenacidad del rollito al acercarse al limite plástico y por la rigidez de la muestra al romperse finalmente


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entre los dedos. La debilidad del rollito en el límite plástico y la pérdida rápida de la coherencia de la muestra al rebasar este límite, indican la presencia de arcilla inorgánica de baja plasticidad o de materiales tales como arcilla del tipo caolín y arcillas orgánicas que caen debajo de la línea A. Las arcillas altamente orgánicas se sienten muy débiles y esponjosas al tacto en el límite plástico. DESCRIPCIÓN Baja

Media

Alta

-

CRITERIO Se requiere tan solo una ligera presión para formar el rollito cerca del límite plástico. El rollito y la masa de suelo son suaves y débiles. Se requiere una presión media para formar el rollito cerca del límite plástico. El rollito y la masa presentan una cierta rigidez. Se requiere una presión considerable para formar el rollito cerca del límite plástico. El rollito y la masa presentan una gran rigidez.

Plasticidad: Basándonos en las observaciones realizadas durante el ensayo de tenacidad, describir la plasticidad según el siguiente criterio: CRITERIO

LÍMITE LÍQUIDO

El rollito no puede formarse para ningún contenido de humedad

0-4

DESCRIPCIÓN No plástico Baja plasticidad

Plasticidad Media

Alta Plasticidad

El rollito se forma con dificultad y la masa no puede formarse cuando la humedad es menor que el límite plástico. El rollito es fácil de formar y no se requiere mucho tiempo para alcanzar el límite plástico. El rollito no puede volverse a formar luego de alcanzar el límite plástico. La masa se desmorona cuando la humedad es menor que el límite plástico. Toma un tiempo considerable llegar al límite plástico. El rollito puede volverse a formar varias veces luego de alcanzar el límite plástico. La masa puede formarse sin desmoronarse aún cuando la humedad es menor que el límite plástico.

4-30

30-50

>50

Si se estima que el suelo presenta entre 15 y 25% de arena, grava o ambas, debe añadirse la frase “ligeramente arenosa” o ligeramente gravosa” al nombre del suelo en cuestión. Si se estima que el suelo tiene 30% o más arena, grava o ambas, debe añadirse la palabra “arenosa” o “gravosa” al nombre del suelo en cuestión.


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a) Identificación de Suelos Finos Inorgánicos Se comparan los resultados de dilatancia, tenacidad y resistencia en el estado seco con los valores obtenidos en la siguiente tabla: SUELO

RESISTENCIA EN ESTADO SECO

DILATANCIA

TENACIDAD

ML

Ninguna a baja

Lenta a rápida

Baja o el rollito no puede formarse

CL

Media a alta

Ninguna a lenta

Media

MH

Baja a media

Ninguna a lenta

Baja a media

CH

Alta a muy alta

Ninguna

Alta

b) Identificación de Suelos Finos Orgánicos Identificar el suelo como suelo orgánico OL u OH si contiene suficiente cantidad de partículas orgánicas como para influenciar sus propiedades. Los suelos orgánicos suelen tener un color marrón oscuro a negro y pueden presentar olor orgánico. A menudo los suelos orgánicos pueden cambiar de color, por ejemplo de negro a marrón, cuando se exponen a corrientes de aire. Algunos suelos orgánicos se aclaran significativamente cuando se secan al aire. Los suelos orgánicos no suelen tener altas tenacidades ni plasticidades. 1.3.2. Procedimiento para identificar Suelos Gruesos 1. Se trata de una grava si se estima que el porcentaje de grava es mayor que el de arena, en caso contrario se trata de una arena. a) El suelo es una grava limpia o una arena limpia si se estima que el porcentaje de finos es 5% o menos: - Identificar el suelo como una grava bien gradada GW o una arena bien gradada SW si tiene un amplio rango de tamaños de partículas y cantidades sustanciales de tamaños intermedios. - Identificar el suelo como una grava mal gradada GP o una arena mal gradada SP si consiste predominantemente de un tamaño de partículas (uniformemente gradada) o si tiene un amplio rango de tamaños con algunos tamaños intermedios faltantes. b) El suelo es grava con finos o arena con finos si se estima que el porcentaje de finos es 12% o más: Descripción Visual Manual de Suelos Laboratorio de Mecánica de Suelos 2012-1

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- Identificar al suelo como grava arcillosa GC o arena arcillosa SC si los finos son arcillas (por el procedimiento indicado anteriormente se puede determinar que tipo de finos son). - Identificar al suelo como grava limosa GM o arena limosa SM si los finos son limos. 2. Si se estima que el suelo contiene entre 5% y 12% de finos se le da una clasificación doble usando los dos grupos de símbolos: a) El primer grupo de símbolos corresponderá a gravas y arenas limpias ( GW , SW , GP, SP) y el segundo grupo de símbolos a gravas y arenas con finos (GC , SC , GM , SM ) - El nombre del grupo debe corresponder al primer grupo con las frases “ligeramente arcillosa” o “ligeramente limosa”. 3. Si el especímen es predominantemente arena o grava pero contiene 15% o más de otros suelos gruesos debe añadirse la frase “arenosa” o “gravosa” al nombre del grupo.

1.4.

CLASIFICACIÓN UNIFICADA

Se indicará el símbolo correspondiente al suelo de acuerdo al Sistema Unificado de Clasificación de Suelos. Los símbolos son los siguientes: GRAVAS: GW GP GM GC GM-GC GW-GM GW-GC GP-GM GP-GC

Grava bien graduada Grava mal graduada Grava limosa Grava arcillosa Grava limosa-arcillosa Grava ligeramente limosa, bien graduada Grava ligeramente arcillosa, bien graduada Grava ligeramente limosa, mal graduada Grava ligeramente arcillosa, mal graduada.

ARENAS:

SW SP

Arena bien graduada Arena mal graduada


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SM SC SM-SC SW-SM SW-SC SP-SM SP-SC

Arena limosa Arena arcillosa Arena limosa arcillosa Arena ligeramente limosa, bien graduada Arena ligeramente arcillosa, bien graduada Arena ligeramente limosa, mal graduada. Arena ligeramente arcillosa, mal graduada

SUELOS FINOS:

ML CL CL-ML OL MH CH OH

Limo inorgánico de plasticidad baja o media Arcilla inorgánica de plasticidad baja o media Arcilla limosa o limo arcilloso inorgánico de plasticidad baja o media. Suelo orgánico de plasticidad baja o media Limo inorgánico de plasticidad alta Arcilla inorgánica de plasticidad alta Suelo orgánico de plasticidad alta.

SUELOS ALTAMENTE ORGÁNICOS:

Pt

1.5.

Turba: Suelo fibroso con alto contenido de materia orgánica

DESCRIPCIÓN DE LOS SUELOS

La clasificación y descripción de campo, tanto de suelos residuales como transportados, se hará de acuerdo a las características y orden siguientes: 1. 2. 3. 4. 5.

Nombre del grupo. Símbolo del grupo. Humedad. Color. Olor.

Sólo para la fracción gruesa:

6. Densidad Relativa. 7. Porcentaje de bolonería presente en la muestra (en volumen) 8. Porcentaje de grava, arena y/o finos (en peso seco) Descripción Visual Manual de Suelos Laboratorio de Mecánica de Suelos 2012-1

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9. Rango de tamaño de las partículas:  Gravas: fina o gruesa  Arenas: fina, media o gruesa. 10. Gradación: bien graduadas o mal graduadas. 11. Angularidad de las partículas: angulares, sub-angulares, sub-redondeadas o redondeadas. 12. Forma de la partícula (de ser aplicable): chatas, alargadas o chatas y alargadas. 13. Tamaño máximo. 14. Dureza de la arena gruesa o de las partículas grandes. Sólo para la fracción fina:

15. Consistencia: muy blando, blando, medianamente compacto, compacto, muy compacto o duro. 16. Plasticidad: ninguna, baja, media o alta. 17. Resistencia en estado seco: ninguna, baja, media, alta o muy alta. 18. Dilatancia: ninguna, lenta o rápida. 19. Tenacidad: baja, media o alta. 20. Reacción al HCl: ninguna, débil, fuerte. 21. Estructura: estratificada, laminada, fisurada, clivada, lentes, homogénea. 22. Cementación: débil, moderada o fuerte. 23. Nombre local. 24. Comentarios adicionales: presencia de raíces o agujeros dejados por raíces, presencia de mica, yeso, conchuelas, materia orgánica, elementos extraños etc., recubrimientos en la superficie de partículas gruesas, dificultades presentadas en la excavación, etc.

EJEMPLOS DE DESCRIPCIÓN:

 Arena fina a media, mal graduada, densa, húmeda, plomo claro (SP)  Arcilla inorgánica, plasticidad media, muy dura, seca, marrón claro (CL)  Grava arcillosa. Grava gruesa angular, de tamaño máximo 2". Arcilla inorgánica, plasticidad baja, dura, húmeda, plomo claro (GC)  Grava arenosa ligeramente limosa. Grava gruesa, angular, de tamaño máximo 2". Arena media a fina. Bien graduada, medianamente densa, ligeramente húmeda, color plomo claro (GW-GM) Nota: El formato a llenar en las prácticas de laboratorio será el siguiente:


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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS

CLASIFICACIÓN VISUAL-MANUAL DE SUELOS Alumno: MUESTRA N°: 1.

Nombre:

2. 3. 4.

Símbolo: Humedad: Color:

5.

Olor:

Seco

Húmedo

Saturado

Sólo para la fracción gruesa 6.

Densidad Relativa:

7.

Porcentaje de bolonería presente en la muestra:

8.

Porcentaje de Fracciones constituyentes:

9.

Muy suelto

Suelto

Med. Denso

Denso

Muy denso

% Grava

Arena

Finos

%

Rango de Grava: tamaño de las Arena: partículas: 10. Gradación: 11. Angularidad

Angulares

12. Forma de las partículas:

Chatas

%

Gruesa

Fina

Gruesa

Mediana

Bien graduada (W )

% Fina Mal graduada ( P)

Sub angulares Sub redond.. Chatas y Alargadas alargadas

13. Tamaño máximo:

Redondeadas

mm

14. Dureza:

Sólo para la fracción fina 15. Consistencia: 16. Plasticidad: 17. Resistencia en estado seco: 18. Dilatancia: 19. Tenacidad: 20. Reacción al HCl: 21. Estructura: 22. Cementación: 23. Nombre local:

24. Descripción del Suelo

Formato 1

Muy blando

Blando

Ninguna

Baja

Med. compacto Media

Ninguna

Baja

Media

Ninguna

Lenta

Rápida

Baja

Media

Alta

Ninguna

Débil

Fuerte

Estratificada

Laminada

Fisurada

Débil

Moderada

Fuerte

Alta

Muy compacto Muy alta

Alta

Muy alta

Clivada

Lentes

Compacto

Duro

Homogénea


2.1. CONTENIDO DE HUMEDAD

RESUMEN Un espécimen de ensayo es secado en un horno hasta llegar a un peso constante. Se considera que el peso perdido debido al secado está compuesto por agua. El contenido de humedad se calcula usando el peso de agua y el peso del espécimen seco.

SIGNIFICADO Y USO El contenido de agua es una característica importante y se usa para establecer una correlación entre el comportamiento del suelo y sus propiedades. El contenido de humedad de un material se usa para expresar las relaciones de fase del aire, agua y sólidos en un volumen de material dado. Como es posible obtener la humedad en casi todos los tipos de muestra, se utiliza con frecuencia para completar los diagramas de fase. En un suelo fino (cohesivo), la consistencia depende de su humedad. La humedad de un suelo, junto con sus límites líquido y plástico se usan para expresar su consistencia relativa o índices de liquidez.

EQUIPOS Para este ensayo se emplea lo siguiente: -

Horno, controlado por termostatos capaz de mantener una temperatura uniforme de 110  5°C.

-

Balanzas, con sensibilidad de 0.01 gr para especímenes de hasta 200 gr (sin incluir el peso de la cápsula de secado) y con sensibilidad de 0.1 gr para especímenes de más de 200 gr.

Contenido de Humedad Laboratorio de Mecánica de Suelos 2012-1

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-

-

Cápsulas de secado, hechas de un material resistente a la corrosión y al cambio de peso debido al calentamiento repetitivo, enfriamiento, exposición a materiales de pH variado y a la limpieza. Teóricamente deberían usarse tapas en las cápsulas, pero no es necesario si se pesan de inmediato de modo que el suelo no pierda ni gane humedad al estar expuesto al medio ambiente.

Desecador, para conservar las muestras que por alguna razón no pueden ser pesadas inmediatamente después de sacarse del horno. Este equipo evita que absorban la humedad del ambiente.

ESPECÍMENES DE ENSAYO Cuando se determina el contenido de humedad porque algún otro ensayo lo exige, deben emplearse los tamaños de espécimen que este indique. En caso contrario, o cuando el método no especifique una cantidad de muestra mínima, debe recurrirse a la siguiente tabla: Tamaño Máximo de las Partículas

Malla Estándar

2 mm o menos 4.75 mm 9.5 mm 19.0 mm 37.5 mm 75.0 mm

# 10 #4 3/8 ” ¾” 1½” 3”

Masa mínima recomendada para reporte al 0.1% 20 gr 100 gr 500 gr 2.5 kg 10 kg 50 kg

Masa mínima recomendada para reporte al 1% 20 gr 20 gr 50 gr 250 gr 1 kg 5 kg

PRECAUCIONES -

Debe tomarse siempre en cuenta que el espécimen a ensayar debe ser representativo de la muestra a la cual queremos determinarle la humedad, de lo contrario el ensayo no tiene razón de ser.

-

Hay que tener mucho cuidado con las muestras que son muy sensibles de ganar o perder humedad en contacto con el medio ambiente pues podríamos obtener resultados poco reales si no se toman las medidas necesarias.

-

La temperatura de 110  5°C es muy alta para suelos orgánicos, suelos con alto contenido calcáreo o de otro mineral, ciertas arcillas y suelos tropicales que pueden contener agua de hidratación levemente adherida que podría perderse, generando cambios indeseables en las características del suelo; en estos casos debe secarse a 60°C.


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PROCEDIMIENTO -

Determinar y registrar el peso de una cápsula de secado limpia y seca.

-

Seleccionar un espécimen representativo de la muestra a ensayar que cumpla con lo indicado anteriormente.

-

Colocar el espécimen húmedo en la cápsula de secado.

-

Determinar el peso de la cápsula de secado con el espécimen húmedo, y registrar este valor. -

Colocar la cápsula con el material en el horno y dejarlo secar aproximadamente 16 horas, luego de esto, pesar la muestra cada hora para verificar que se haya llegado a un peso constante. Como regla práctica, para evitar pesar varias veces, se recomienda secar la muestra durante 24 horas.

-

Transcurrido este tiempo retirar la cápsula del horno y dejar enfriar ligeramente la cápsula (de modo que sea fácilmente manipulable)

-

Determinar el peso de la cápsula con el material secado en horno usando la misma balanza que en los casos anteriores, y registrar este valor.


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CÁLCULOS -

Calcular el peso de agua que estaba presente en el suelo:

W agua  W cap suelo húmedo  W cap suelo seco -

Calcular el peso de suelo seco:

W suelo seco  W capsuelo seco  W cap -

Calcular la humedad y expresarla en porcentaje:

W agua   %  W suelo seco MUESTRAS EN LAS QUE SE PUEDE REALIZAR ESTE ENSAYO Este ensayo requiere que la muestra conserve intacta su humedad por lo que la muestra mínima requerida es:

Mw: Muestra de humedad.

RESULTADOS Presentar los cálculos y el resultado final expresado en porcentaje.


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2.2. PESO ESPECÍFICO RELATIVO DE LOS SÓLIDOS

INTRODUCCIÓN El peso específico de sólidos ( s) 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 realiza una corrección por temperatura. Las partículas gruesas contienen, generalmente, aire entrampado en poros impermeables, que sólo podrían eliminarse rompiendo las partículas en granos más finos. Por esto, el peso específico obtenido en esos casos es un peso específico de sólidos “aparente”. En la Mecánica de Suelos, generalmente interesa el peso específico aparente de las partículas integrales y por lo tanto las partículas que se usen no deben ser molidas o rotas. El peso específico de un suelo se expresa en unidades de peso sobre volumen, usualmente se emplea el peso específico relativo de los sólidos de un suelo que se obtiene como la relación entre el peso específico de la materia que constituye las partículas del suelo y el peso específico del agua destilada a 4°C. (GS ). Algunos valores de GS promedios se incluyen en la siguiente tabla: Tipo de Suelo

GS

Arena

2.65 – 2.67

Arena limosa

2.67 – 2.70

Arcilla inorgánica

2.70 – 2.80

Suelos con micas o hierro

2.75 – 3.00

Suelos orgánicos

Variable, puede ser inferior a 2.00

SIGNIFICADO Y USO La gravedad o peso específico relativo de los sólidos de un suelo es una característica relativamente fácil de calcular y por consiguiente es usual emplearla como una de las propiedades necesarias para calcular las relaciones de fase del aire, agua y sólidos en un volumen dado de dicho suelo. El valor de Gs interviene en la mayor parte de los cálculos de la Mecánica de Suelos y ocasionalmente sirve también con fines de clasificación. El término “sólidos” o “partículas sólidas” se refiere a partículas minerales que no son solubles en agua.

Peso Específico Relativo de los Sólidos Laboratorio de Mecánica de Suelos 2012-1

20



Picnómetros, con capacidad mínima de 100 mL, definida por una marca efectuada en el vidrio.

-

Balanzas, con sensibilidad de al menos el 0.1% de la masa del espécimen.

-

Horno, controlado por termostatos, capaz de mantener una temperatura uniforme de 110  5°C.

-

-

Termómetros, capaces de medir el rango de temperaturas en el cual se va a desarrollar el ensayo y graduados a 0.5°C.

-

Bomba de Vacío, capaz de generar un vacío parcial de 100 mmHg (como mínimo 660 mmHg al nivel del mar)

-

Embudo, para facilitar el llenado de los picnómetros tanto con agua como con suelo.

Desecador, para conservar las muestras mientras se enfrían, luego de ser retiradas del horno y antes de ensayarlas, para evitar que absorban humedad del medio ambiente.


21


ESPECÍMENES DE ENSAYO El espécimen puede ser suelo secado al horno o suelo húmedo y debe ser representativo de la muestra a ensayar. En cualquiera de los dos casos, la masa mínima de suelo seco debe cumplir con la siguiente tabla: Tamaño Máximo de las Partículas

Malla Estándar

Peso mínimo del espécimen

2 mm

# 10

20 gr

4.75 mm

#4

100 gr

PRECAUCIONES -

Debe tomarse siempre en cuenta que el espécimen a ensayar sea representativo de la muestra, de lo contrario el ensayo no tiene razón de ser.

-

Debe usarse siempre agua destilada para evitar la introducción de sustancias extrañas en la muestra.

-

Debe deairearse adecuadamente la muestra ya que la inadecuada deaireación de la mezcla suelo-agua es una de las principales fuentes de error que tiene este ensayo.

-

Al llenar el picnómetro debe alcanzarse exactamente la marca sin que queden residuos de agua y/o suelo por encima de ella.

-

El procedimiento debe realizarse simultáneamente en dos muestras del mismo suelo, en dos picnómetros diferentes a fin de poder comprobar los resultados. Si estos difieren en más de 2%, el ensayo debe repetirse.

PROCEDIMIENTO -

Determinar y registrar el peso de un picnómetro limpio y seco.

-

Pesar 65 gr de muestra, previamente secada en el horno.

-

Colocar la muestra dentro del picnómetro. Determinar y registrar la masa del picnómetro con la muestra de suelo seco.

-

Llenar el picnómetro con agua destilada hasta un nivel ligeramente superior al necesario para cubrir el suelo y remojar el espécimen durante unas 12 horas. (Para efectos de la práctica se remojará unos 20 minutos).


22


-

Transcurrido este tiempo, retirar el aire atrapado en el picnómetro empleando la bomba de vacío durante al menos 30 minutos. Mientras se está aplicando vacío debe agitarse ligeramente el picnómetro para facilitar la expulsión del aire.

-

Llenar el picnómetro justo hasta la marca con agua destilada a la temperatura ambiente. Realizar este paso cuidadosamente dejando que el agua escurra por las paredes del picnómetro a fin de evitar la formación de burbujas de aire.

-

Limpiar la parte exterior y los residuos que puedan haber quedado por encima de la marca. Determinar y registrar el peso del picnómetro lleno de suelo y agua.

-

Eliminar la muestra utilizada y limpiar el picnómetro.

-

Llenar el picnómetro con agua destilada hasta la marca e inspeccionarlo visualmente para asegurar que no existan burbujas de aire en el agua. Determinar y registrar la masa del picnómetro con agua.

-

Insertar un termómetro en el agua, determinar y registrar la temperatura aproximándola a 0.5°C.

CÁLCULOS -

Calcular el peso del espécimen seco:

W suelo seco  W picnómetro  suelo seco  W picnómetro -

Calcular el volumen del suelo seco: Según el Principio de Arquímedes, el volumen de un cuerpo se puede determinar como el volumen de líquido desplazado al introducir dicho cuerpo en un recipiente


23


con líquido. Como a 4°C el peso específico del agua es igual a 1 gr/cm 3, su peso tiene el mismo valor numérico que su volumen, por lo tanto:

V suelo seco  W suelo seco  W picnómetroagua  W picnómetroagua suelo seco -

Determinar la corrección por temperatura: Debido a que el peso específico del agua es diferente de 1 gr/cm 3 a temperaturas distintas a 4°C, debemos incluir un factor de corrección para considerar este efecto. La tabla que se muestra a continuación contiene valores de para distintas temperaturas, dentro del rango que se presentan usualmente en Lima. Para valores intermedios será necesario interpolar. Peso Específico del agua (gr/cm3) 0.99897 0.99880 0.99862 0.99843 0.99823 0.99802 0.99780 0.99757 0.99732 0.99707 0.99681 0.99654 0.99626 0.99597 0.99567

Temperatura (°C) 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

-

Factor de Corrección 1.0007 1.0006 1.0004 1.0002 1.0000 0.9998 0.9996 0.9993 0.9991 0.9988 0.9986 0.9983 0.9980 0.9977 0.9974

Calcular el peso específico de los sólidos:

Gs  

W suelo seco V suelo seco

MUESTRAS EN LAS QUE SE PUEDE REALIZAR ESTE ENSAYO Este ensayo no requiere que el suelo conserve sus relaciones de fase, por consiguiente el requerimiento mínimo son muestras:

Mab: Muestra alterada en bolsa.


24


RESULTADOS Mostrar los cálculos, las correcciones y el valor final de GS. Verificar si el resultado obtenido se encuentra dentro del rango esperado.


25


2.3. PESO ESPECÍFICO DEL SUELO

INTRODUCCIÓN La determinación del peso específico del suelo es un ensayo importante para el cálculo de las relaciones gravimétricas – volumétricas de los suelos cohesivos, y suele realizarse en todos los casos en que se disponga de muestras inalteradas, muchas veces como complemento de otros ensayos más complejos.

RESUMEN DEL ENSAYO El procedimiento de este ensayo es bastante simple y comprende las siguientes fases: -

Preparación del espécimen de ensayo. Determinación del peso del espécimen. Medición de las características geométricas del espécimen. Cálculo del peso específico relativo del espécimen.


Balanzas, con sensibilidad de al menos el 0.1% de la masa del espécimen.

-

Sujetador de muestras, para facilitar el tallado y fijar la altura y el diámetro requerido.

-

Vernier, sierra y herramientas varias.

Peso Específico del Suelo Laboratorio de Mecánica de Suelos 2012-1

26


ESPECÍMENES DE ENSAYO A partir de una muestra inalterada extraída in situ, debe prepararse un espécimen de aproximadamente 8 cm de altura y 3.5 cm de diámetro.

PRECAUCIONES -

Debe tomarse siempre en cuenta que el espécimen a ensayar sea representativo de la muestra, de lo contrario el ensayo no tiene razón de ser.

-

Debe procurarse que los especímenes tallados no tengan huecos de tamaño considerable y que las caras de ambos extremos sean paralelas entre sí y perpendiculares al eje del espécimen.

-

Debe evitarse en lo posible el manipuleo de la muestra, para evitar que ésta sufra daños, se altere o pierda humedad.

PROCEDIMIENTO -

Se proporcionará a los alumnos una muestra tallada, que deben tratar con mucho cuidado procurando no maltratarla ni manipularla excesivamente para no alterar sus condiciones.

-

Con ayuda del vernier tomar las dimensiones del espécimen (diámetro y altura) un par de veces para obtener valores promedio.

-

Finalmente pesar el espécimen en la balanza electrónica y anotar todos estos resultados.

CÁLCULOS -

Calcular el volumen del espécimen a partir de las características geométricas obtenidas.

-

Calcular el peso específico del suelo en estado natural, que se obtiene dividiendo el peso del espécimen entre el volumen calculado en el punto anterior.

Nota: Los datos tomados en el presente laboratorio y el resultado de los cálculos realizados serán presentados en el siguiente formato.

Peso Específico del Suelo Laboratorio de Mecánica de Suelos 2012-1

27


RELACIONES VOLUMÉTRICAS Y GRAVIMÉTRICAS PRÁCTICA N

ALUMNO

MUESTRA:

GRUPO FECHA / / PROFUNDIDAD:

CARACTERÍSTICAS VOLUMÉTRICAS

DIAGRAMA DE FASES INICIAL

Diámetro, cm

A

Altura, cm

W

Área, cm2

S

----

Volumen, cm3

PESO DE LA MUESTRA Muestra

Inicial

Final

DIAGRAMA DE FASES FINAL Seca

A

Cápsula N

W

P. Cápsula

S

----

P.Cáp+Sue P. Suelo

PROPIEDADES ÍNDICE GRAVEDAD ESPECÍFICA ( GS)

Gravedad Específica, GS

Picnómetro N

Humedad, (%)

Temperatura, C

Peso Específico, (gr/cm3)

Corrección

Grado de Saturación, S (%)

Ws: Peso de suelo seco

Peso Específico Seco, d (gr/cm3)

W1: Pic+agua+suelo

Peso Esp. Saturado,

W2: Picnómetro+agua

Peso Esp. Sumergido, ' (gr/cm3)

Vs = Ws + W 2 - W1

Porosidad, n

Gs = Ws/Vs

Relación de Vacíos, e

3 sat (gr/cm )


3.1. ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO

INTRODUCCIÓN El análisis granulométrico de un suelo consiste en separar y clasificar por tamaños los granos que lo componen. Este ensayo nos permite formar una idea aproximada de algunas de las propiedades de los suelos, fundamentalmente los gruesos. El análisis granulométrico por tamizado se concreta a segregar el suelo mediante una serie de mallas que definen el tamaño de la partícula. La información que se obtiene del análisis granulométrico se presenta en forma de curva semilogarítmica en la que el “porcentaje que pasa” representa las ordenadas y las mallas son las abscisas. Alternativamente puede presentarse el “porcentaje retenido”. El análisis granulométrico por sedimentación resulta útil en suelos que tienen una gran proporción de partículas menores que la malla #200 (0.075 mm) y mayores que 0.001 mm y si bien no permite sacar conclusiones en cuanto a sus propiedades mecánicas nos puede servir para estimar el potencial de expansión (mediante el cálculo de la actividad de las arcillas) y su susceptibilidad al congelamiento.

SIGNIFICADO Y USO Este ensayo es un intento por determinar las proporciones relativas de los diferentes tamaños de grano presentes en una masa de suelos dada y es fundamental para la clasificación de los suelos. Como no es físicamente posible determinar el tamaño real de cada partícula independiente de suelo, el análisis consiste en agrupar a los materiales por rangos de tamaño. Para lograr esto, se obtiene la cantidad de material que pasa por un tamiz de abertura dada, pero es retenida en otro tamiz de abertura ligeramente inferior al anterior, y se relaciona esta cantidad con el total de la muestra ensayada. El análisis granulométrico por tamizado es una herramienta muy usada en la ingeniería, pues constituye una parte importante de los criterios de aceptabilidad de suelos para presas, terraplenes, carreteras, diques, etc. La información que nos brinda este ensayo puede emplearse para predecir movimientos del agua a través del suelo y susceptibilidad ante la acción de las heladas, así como para el diseño de filtros. A partir de la curva granulométrica se pueden obtener diámetros característicos tales como D10, D 30, D60, etc.; donde “ D” se refiere al tamaño del grano y el subíndice denota el porcentaje de material más fino (porcentaje que pasaría una malla ficticia con diámetro “ D”).

Análisis Granulométrico


Una indicación de la variación o rango de tamaños de los granos presentes en la muestra se obtiene mediante el Coeficiente de Uniformidad C u, definido como: C u 

D60 D10

Realmente C u es un “Coeficiente de No Uniformidad”, ya que cuanto mayor es C u , el suelo es menos uniforme (cubre un rango más amplio de tamaños), pues un valor grande de este parámetro indica que los diámetros D60 y D10 difieren en tamaño apreciablemente, sin embargo no asegura que no exista un vacío de gradación como el que se presenta cuando falta material de diámetros intermedios. EL Coeficiente de Curvatura C c, es una medida de la forma de la curva entre el D60 y el D10 y se define de la siguiente forma: D302 C c  D10  D60

Valores de C c muy diferentes a 1.0 indican que falta una serie de diámetros entre los tamaños correspondientes al D60 y D10. En las siguientes gráficas podemos apreciar algunas de las posibles formas de las Curvas Granulométricas, que van a depender de la distribución de las partículas en el suelo.

0 0 2 . 6 7

0 0 8 . 0 5

0 0 1 . 8 3

" 3

" " 2 ½ 1

0 0 4 . 5 2

0 5 0 . 9 1

5 2 5 . 9

" " 1 4 / 3

" 8 / 3

0 6 7 . 4

0 0 0 . 2

0 4 8 . 0

6 2 4 . 0

0 5 2 . 0

6 0 1 . 0

5 7 0 . 0

0 5 0 . 0

0 2 0 . 0

5 0 0 . 0

2 0 0 . 0

1 0 0 . 0

0 4 #

0 6 #

0 4 1 #

0 0 2 #

0 5 0 . 0

0 2 0 . 0

5 0 0 . 0

2 0 0 . 0

1 0 0 . 0

100

90

80

70 A S A P E 60 U Q E J 50 A T N E C 40 R O P 30

20

10

0 4 #

0 1 #

0 2 #

Grava Mal Graduada (GP)


Pontificia Universidad Católica del Perú Laboratorio de Mecánica de Suelos 0 0 2 . 6 7

0 0 8 . 0 5

0 0 1 . 8 3

" 3

" " 2 ½ 1

0 0 4 . 5 2

0 5 0 . 9 1

5 2 5 . 9

" " 1 4 / 3

" 8 / 3

0 6 7 . 4

0 0 0 . 2

0 4 8 . 0

0 1 #

0 2 #

6 2 4 . 0

0 5 2 . 0

6 0 1 . 0

5 7 0 . 0

0 5 0 . 0

0 2 0 . 0

5 0 0 . 0

2 0 0 . 0

1 0 0 . 0

0 6 #

0 4 1 #

0 0 2 #

0 5 0 . 0

0 2 0 . 0

5 0 0 . 0

2 0 0 . 0

1 0 0 . 0

100

90

80

70 S A P E 60 U Q E J 50 A T N E C 40 R O P 30

20

10

0 4 #

0 4 #

Grava Bien Graduada (GW)

0 0 2 . 6 7

0 0 0 0 8 . 1 . 0 8 5 3

" 3

" 2

0 0 4 . 5 2

0 5 0 . 9 1

5 2 5 . 9

" " 1 4 / 3

" 8 / 3

0 6 7 . 4

0 0 0 . 2

0 4 8 . 0

6 2 4 . 0

0 5 2 . 0

6 0 1 . 0

5 7 0 . 0

0 5 0 . 0

0 2 0 . 0

5 0 0 . 0

2 0 0 . 0

1 0 0 . 0

0 4 #

0 6 #

0 4 1 #

0 0 2 #

0 5 0 . 0

0 2 0 . 0

5 0 0 . 0

2 0 0 . 0

1 0 0 . 0

100

90

80


20

10

0 " ½ 1

4 #

0 1 #

0 2 #

Arena Mal Graduada (SP)

0 0 2 . 6 7

0 0 0 0 8 . 1 . 0 8 5 3

0 0 4 . 5 2

" 3

" " 2 ½ 1

" " 4 1 / 3

0 5 0 . 9 1

5 2 5 . 9

0 6 7 . 4

0 0 0 . 2

0 4 8 . 0

0 1 #

0 2 #

6 2 4 . 0

0 5 2 . 0

6 0 1 . 0

5 7 0 . 0

0 5 0 . 0

0 2 0 . 0

5 0 0 . 0

2 0 0 . 0

1 0 0 . 0

0 6 #

0 4 1 #

0 0 2 #

0 5 0 . 0

0 2 0 . 0

5 0 0 . 0

2 0 0 . 0

1 0 0 . 0

100

90

80


20

10

0 " 8 / 3

4 #

0 4 #

Arena Bien Graduada (SW) Análisis Granulométrico


La granulometría de la fracción fina de una muestra se determina por el método del hidrómetro, basado en la Ley de Stokes y 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 esféricas que, al sedimentarse, se encuentran a la altura del centro del bulbo del hidrómetro en un instante dado. La combinación de ambos datos proporciona la granulometría del material en suspensión. Una consideración importante es el uso del agente dispersante en este ensayo. Este agente o solución sirve para neutralizar las cargas sobre las partículas más pequeñas de suelo, evitando que se atraigan entre sí, formando partículas mayores que sedimentarían más rápido generando un resultado erróneo. Como agente dispersante o defloculante se emplea el Hexametafosfato de Sodio, preparado en solución de 40 gr/l. Es importante verificar el pH de esta solución, pues en caso se acidice, tiende a revertirse o hidrolizarse en Ortofosfato de Sodio con lo que su acción dispersante se reduce. Para que esto no ocurra debemos procurar que el pH de la solución esté entre 8 y 9.

LIMITACIONES El proceso de tamizado no provee información sobre la forma de los granos del suelo, solamente da información sobre los granos que pueden pasar y quedar retenidos en determinadas mallas. En muestras de cierto tamaño no siempre se puede garantizar que todas las partículas pasen por el tamiz respectivo, ya que es posible que no sean capaces de orientarse adecuadamente para pasar a través de él. Las partículas más pequeñas podrían no haber sido totalmente separadas en el proceso de pulverización e incluso las partículas más finas (fracción menor que la malla #200), pueden adherirse a las partículas mayores y no pasar a través del tamiz adecuado. La Ley de Stokes asume que las partículas que están sedimentándose son de forma esférica, lo cual sabemos que es falso ya que los suelos finos, que son los que se ensayan en este caso, tienen por lo general, formas alargadas y achatadas como laminillas.

CORRECCIÓN DE LAS LECTURAS DEL HIDRÓMETRO Las ecuaciones que nos permiten relacionar las lecturas del hidrómetro con la densidad de la solución, se basan en el uso de agua destilada y desmineralizada. Como se está empleando un agente dispersante, el peso específico del líquido resultante es apreciablemente mayor.



Además, los hidrómetros para suelo están calibrados a 20ºC y las variaciones de temperatura producen inexactitudes en las lecturas del hidrómetro. El valor de esta inexactitud crece conforme aumenta la variación de la temperatura ambiental respecto de la estándar (20ºC). Por otro lado, los hidrómetros están graduados por el fabricante para ser leídos en la parte baja del menisco formado por el líquido. Como las suspensiones de suelo son opacas, no se puede leer de esta forma, por consiguiente las lecturas tendrán que tomarse en la parte superior del menisco y aplicar una corrección a cada una de ellas. Por ello se deben realizar tres correcciones, la suma de éstas es lo que se denomina “Corrección Compuesta” y debe ser determinada experimentalmente. La primera parte de esta corrección se denomina “Corrección por Cero” (Rw ) y se efectúa introduciendo el hidrómetro en una solución de agua con agente dispersante en las mismas proporciones a ser usadas en el ensayo y leyendo la marca en el hidrómetro. La segunda parte de la corrección se denomina “Corrección por Temperatura” (C T ) y se obtiene de la siguiente tabla: Temperatura (ºC) 15 16 17 18 19 20 21 22

CT -1.10 -0.90 -0.70 -0.50 -0.30 0.00 0.20 0.40

Temperatura (ºC) 23 24 25 26 27 28 29 30

CT 0.70 1.00 1.30 1.65 2.00 2.50 3.05 3.80

Finalmente, la tercera parte de la corrección se denomina “Corrección por Menisco” (R m ) y se obtiene de la diferencia de lecturas entre la parte superior y la parte inferior del menisco cuando insertamos el hidrómetro en una solución de agua y agente dispersante similar a la que se empleará durante el ensayo.


Balanzas, con sensibilidad al 0.01 gr para pesar el material que pasa la malla #10 y con sensibilidad al 0.1% del peso del espécimen a ser pesado, para el material retenido en la malla #10.

-

Horno, controlado por termostatos, capaz de mantener una temperatura uniforme de 110  5°C.



-

Mallas, un juego normalizado que debe incluir: 3”, 2”, 1 ½”, 1”, ¾”, 3/8”, #4, #10, #20, #40, #60, #140 y #200.

-

Aparato Cuarteador, para separar la muestra en especímenes representativos aproximadamente semejantes.

-

Cilindro de Sedimentación, de 1000 mL de capacidad para colocar la suspensión de suelo con agua y agente defloculante.

-

Hidrómetro, para efectuar las mediciones.

-

Batidora, para mezclar el suelo con el agua y el agente dispersante.

ESPECÍMENES DE ENSAYO La muestra a ensayar debe ser expuesta al medio ambiente hasta que seque lo suficiente. Para obtener el espécimen de ensayo se procederá a separar la muestra empleando un aparato cuarteador. Durante la preparación de la muestra, ésta es dividida en dos porciones: una contiene únicamente partículas retenidas en la malla #10 mientras la otra contiene únicamente partículas que pasan la malla #10. La masa de muestra secada al aire debe respetar los mínimos indicados en la siguiente tabla: Tamaño Máximo Pulgadas mm 3/8 9.5 ¾ 19.0 1 25.4 1½ 38.1 2 50.8 3 76.2


Peso Mínimo de la Porción retenida en #10 500 gr 1 kg 2 kg 3 kg 4 kg 5 kg


-

El peso de la porción que pasa la malla #10 debe ser aproximadamente 115 gr para suelos arenosos y aproximadamente 65 gr para suelos limosos y arcillosos.

DISPERSIÓN DE LA MUESTRA DE ENSAYO -

Colocar la muestra en un recipiente de 250 mL y cubrirla con 125 mL de solución al 4% en peso de Hexametafosfato de Sodio.

-

Mezclar bien hasta que el suelo esté totalmente húmedo.

-

Dejar remojar unas 16 horas (para fines de la práctica de laboratorio sólo se dejará remojar unos 20 minutos por limitaciones de tiempo).

-

Luego de este período, dispersar muy bien la muestra con ayuda de la batidora. Para ello transferir la mezcla de suelo, agua y defloculante al vaso de la batidora lavando cualquier residuo con agua destilada. Agregar agua destilada al vaso de la batidora hasta que esté lleno a más de la mitad de su capacidad.

-

Batir durante 1 minuto (es muy importante no sobrepasar este tiempo).

PRECAUCIONES - Nunca modificar la orientación de una partícula moviéndola con las manos. Puede agitarse la malla vertical y/o lateralmente para hacer que pase, pero no hacerla pasar a la fuerza. -

Verificar que el peso del material antes del ensayo y la suma de los pesos de las fracciones retenidas no difiera en más del 1%, de lo contrario habría que repetir el ensayo.

-

Manipular la malla #200 con muchísimo cuidado, pues es muy delicada y susceptible de sufrir daños.

-

Procurar no perder material, especialmente cuando se esté lavando por la malla #200.

-

Un proceso inadecuado de defloculación, bien sea por emplear el agente inadecuado o efectuar mal el procedimiento puede generar que las partículas no se separen bien con lo que estarían unidas formando partículas mayores.

-

Si batimos por mucho tiempo la solución podríamos destruir las partículas friables con lo que perderíamos un rango de tamaños lo cual incidiría en la forma de la curva granulométrica la que presentaría saltos bruscos.



PROCEDIMIENTO Se asume que la muestra ha sido secada al aire previamente. La muestra proporcionada a los alumnos se ha separado previamente con el cuarteador.

-

Tomar el peso inicial de la muestra

-

Empleando la malla #10 separar la muestra en dos porciones: la primera constituida por el material retenido en dicha malla y la segunda constituida por el material que pasa dicha malla (pueden emplearse otras mallas mayores sobre la #10 para evitar que ésta se atasque o maltrate).

Porción retenida en la malla #10: -

Pesar la porción total y anotar este valor.

-

Colocar la porción pesada en un recipiente, agregar agua hasta cubrirla y dejar remojando por al menos 15 minutos (según la Norma ASTM D 422 - 1999 el tiempo va a depender del tipo de material fino, sin embargo para fines didácticos 15 minutos es suficiente).


-

Transcurrido este tiempo lavar el material por la malla #10, escurrir y colocar en el horno durante 16 horas.

-

Retirar del horno y dejar enfriar hasta que la muestra pueda ser manipulada con facilidad.

-

Luego de esto, pesar la muestra seca y separarla en una serie de fracciones usando las mallas: 3” (75 mm), 2”(50 mm), 1 ½” (37.5 mm), 1” (25 mm), ¾” (19 mm), 3/8” (9.5 mm), #4 (4.75 mm) y #10 (2 mm).


-

Tamizar mediante un movimiento vertical y lateral manteniendo la muestra en movimiento continuo sobre la superficie de la malla. En ningún caso girar o manipular fragmentos a través de la malla usando las manos.

-

Continuar agitando las mallas hasta que no más del 1% en peso del residuo sobre la malla pase por ésta durante 1 minuto.

-

Determinar el peso de cada fracción en una balanza y verificar que la suma de éstas sea igual a la cantidad de muestra inicial (que no difiera en más de 1%).

Porción que pasa la malla #10: -

Registrar el peso de la fracción que pasa y cuartearla hasta obtener aproximadamente 65 gr.

-

Pesar la porción cuarteada y anotar el valor del peso exacto en el formato correspondiente.

-

Iniciar la dispersión de la muestra.

-

Inmediatamente después de efectuada la dispersión, transferir la mezcla al cilindro de sedimentación y añadir agua destilada hasta la marca de 1000 mL.

-

Usando la palma de la mano o el tapón de goma cubrir el extremo abierto del cilindro y girarlo colocándolo boca arriba y boca abajo durante un minuto a fin de completar la agitación de la mezcla.

-

Colocar el cilindro en un lugar apropiado y comenzar a efectuar las lecturas con el hidrómetro siguiendo los intervalos siguientes:1, 2, 3, 4, 8, 15, 30, 60, 120, 240, 1440 minutos.

-

Para efectuar las lecturas, insertar cuidadosamente el hidrómetro dentro de la mezcla, unos 30 segundos antes de tomar la lectura, a fin de permitir que se estabilice. Tan pronto se tome el dato, retirar cuidadosamente el hidrómetro, limpiarlo delicadamente con papel y guardarlo en su caja hasta la siguiente lectura. Con fines prácticos, no retirar el hidrómetro durante las primeras 5 lecturas.

-

Preparar un cilindro de sedimentación con 1000 ml de líquido compuesto de agua destilada y de agente dispersante en la misma proporción utilizada en el cilindro con la muestra. Leer las correcciones del hidrómetro en este cilindro.



-

Luego de efectuar la última lectura con el hidrómetro, transferir la suspensión a una malla #200 y lavar por dicha malla con mucho cuidado hasta que el agua que escurre salga lo más transparente posible.

-

Trasladar el material a un recipiente usando el chorro de agua para desprenderlo de la malla, procurando no perder partículas.

-

Dejar reposar hasta que el material se asiente (unos 10 a 15 minutos) y luego retirar la mayor cantidad de agua de la superficie del recipiente sin perder suelo.

-

Colocar el recipiente en el horno a 110  5°C durante unas 16 horas. (Cabe resaltar que para ciertos suelos orgánicos y arcillas, esta temperatura es excesiva y puede generar cambios en la estructura interna del suelo debido a la evaporación del agua de hidratación; en estos casos, la Norma ASTM D 422 recomienda emplear una temperatura media de 60°C).


-

Transcurrido este tiempo pesar el material seco y tamizarlo por las mallas: #10 (2 mm), #20 (0.84 mm), #40 (0.426 mm), #60 (0.25 mm), #140 (0.105 mm) y #200 (0.075 mm) en forma similar a lo realizado con la parte gruesa.

-

Pesar cada una de las fracciones y anotar estos valores, verificando que la suma no difiera en más del 1% con la cantidad inicial (Peso seco).


CÁLCULOS Porción retenida en la malla #10 -

Llenar la primera columna del formato para análisis granulométrico por tamizado con los pesos retenidos en las distintas mallas empleadas.

-

En la segunda columna colocar los parciales retenidos expresados en porcentaje, relacionando los pesos de la primera columna con el peso inicial de la muestra total.

-

En la tercera columna del formato colocar los porcentajes retenidos acumulados, que como su nombre lo indica, se obtienen de sumar en forma acumulada los retenidos parciales de las mallas anteriores.

-

En la cuarta columna colocar los porcentajes que pasan que son el complemento de los datos de la tercera columna.

-

Verificar que la suma de los pesos de todas las mallas mayores que la #10 coincida con el peso de la porción retenida en la malla #10 que se tomó inicialmente.

-

La columna R a del formato para análisis granulométrico por sedimentación son los valores de las lecturas tal y como se obtienen del hidrómetro.

-

Llenar las columnas de R c y N aplicando las fórmulas que se indican en el formato.

-

Para obtener N corregido multiplicar los valores de N por el porcentaje que pasa la malla #10, de modo que exista continuidad en la curva. N corregido va a representar a “los porcentajes que pasan”.

-

Para hallar R, L y D, aplicar las fórmulas indicadas en el formato. D representa al tamaño de las partículas.

-

La viscosidad del agua puede obtenerse de la siguiente tabla: Temperatura (ºC) 4 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30


3 agua (gr/cm )

1.00000 0.99897 0.99880 0.99862 0.99844 0.99823 0.99802 0.99780 0.99757 0.99733 0.99708 0.99682 0.99655 0.99627 0.99598 0.99568

(poises) 0.01567 0.01111 0.01083 0.01056 0.01030 0.01005 0.00981 0.00958 0.00936 0.00914 0.00894 0.00874 0.00855 0.00836 0.00818 0.00801


-

Las fracciones comprendidas entre la malla #10 y la #200 se procesan en la misma forma que para el Análisis Granulométrico por Tamizado y se escalan usando el valor que pasa la malla #10.

-

Finalmente se dibuja la Curva Granulométrica.

MUESTRAS EN LAS QUE SE PUEDE REALIZAR ESTE ENSAYO Este ensayo no requiere que el suelo conserve sus relaciones de fase, pero sí la proporción entre los tamaños de sus partículas, por consiguiente el requisito mínimo para realizarlo son muestras:


RESULTADOS -

Graficar la curva granulométrica en el formato semilogarítmico.

-

Calcular los parámetros, D10, D 30, D60, C u y C c e indicar, según estos resultados, la clasificación del suelo analizado según Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS).

-

Se recuerda que el porcentaje más fino N%, está referido a una muestra menor que el tamiz #10. Por tanto, se deben corregir los resultados por el porcentaje que pasa dicho tamiz ( N% corregido). La curva granulométrica se dibuja con los valores corregidos, y a continuación de los obtenidos por el análisis por tamizado.

Nota: Los formatos a llenar en para el ensayo de análisis granulométrico realizado en el laboratorio, serán los siguientes.



ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO POR TAMIZADO PRÁCTICA N

ALUMNO

MUESTRA:

TAMIZ A.S.T.M.

GRUPO

FECHA / /

PROFUNDIDAD:

PESO PARCIAL RETENIDO RETENIDO RETENIDO ACUMULAD (gr) (%) O (%)

PORCENTAJE QUE PASA ACUMULADO (%)

3"

Peso Inicial ___________gr Bandeja N ________

2" 1 1/2" 1"

Separado en Tamiz #10

3/4"

SI

3/8"

NO Peso menor que el tamiz #10:

#4 #10

_____________ gr

Bandeja SUMA TAMIZ A.S.T.M.

#20

Bandeja N ________ PESO PARCIAL RETENIDO PORCENTAJE QUE RETENIDO RETENIDO ACUMULAD PASA ACUMULADO (gr) (%) O (%) < #20 Total*

Peso seco menor que el tamiz #10 después del lavado: _____________ gr

#40 #60 #140 #200 Bandeja SUMA (*) Multiplicar los valores obtenidos en la columna anterior por el porcentaje que pasa el tamiz # 10 en la muestra total.


CURVA GRANULOMÉTRICA PRÁCTICA N

ALUMNO

MUESTRA: TAMIZ A.S.T.M. 3" 2" 1 1/2" 1" 3/4" 3/8" #4 #10 #20 #40 # 60 #140 #200

0 0 0 . 0 0 1

100

90

80

70 S A P 60 E U Q E 50 J A T N E 40 C R O P 30

20

10

0

GRUPO

FECHA / /

PROFUNDIDAD: PORCENTAJE QUE PASA

DIÁMETRO (mm)

PORCENTAJE MENOR QUE

SUCS: HRB: WL: WP: IP: D10: D30: D60: CU: CC: Gs: : WS:

0 0 0 . 0 1

0 0 0 . 1

0 0 1 . 0

0 1 0 . 0

%

1 0 0 . 0


ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO POR SEDIMENTACIÓN PRÁCTICA N

ALUMNO

GRUPO

MUESTRA:

PROFUNDIDAD:

PROBETA N : %<#10:

: poises T ( C)

INICIO:

HIDRÓMETRO N : Gs:

Gw: Tiempo t (min)

FECHA / /

Ra

Rc

a:

T:

K:

Rw: N

N correg.

Ws: CT:

C

Rm: R

L

D (mm)

1 2 3 4 8 15 30 60 120 240 1440  100000  GS   1 W G G  S S W   

TAMIZADO DEL SEDIMENTO (Bandeja N _________)

TAMIZ A.S.T.M.

PESO PARCIAL RETENID PORCENTAJE QUE O PASA ACUMULADO RETENID RETENID ACUM. O (gr) O (%) < #10 Total (%)

a  

K 

30   980  Gs  Gw

Rc  Ra  Rw  C T

R  Ra  Rm

#20

 R  N  a  C  1  G W   1000 

#40

  0.0145  0.00022T (C )

#60

 R   1 L  280.8  264.5   1000  

#140

L  16.3  0.164  

#200

D  K 

L t

(151H)

 R  (152H)  1  1000  GW  1.00289  0.000235T (C )


2.2. LÍMITES LÍQUIDO Y PLÁSTICO

RESUMEN La muestra es procesada para remover todo el material mayor que la malla 40. El límite líquido se determina mediante la ejecución de varias pruebas o intentos en los cuales una porción de la muestra es colocada en la Cuchara de Casagrande, dividida en dos partes mediante un ranurador y forzada a unirse nuevamente mediante el movimiento y golpeteo continuo de la cuchara en un dispositivo mecánico estándar. Se requieren 3 ó más puntos o “intentos” dentro de un rango de contenidos de agua a fin de determinar el LL. El límite plástico se determina mediante el amasado y rolado continuo de una porción de suelo hasta que el contenido de agua se reduzca de forma tal que al llegar a formar un rollito de 3.2 mm de diámetro (aproximadamente), se agriete la muestra. La humedad del suelo en este punto se conoce como LP.

SIGNIFICADO Y USO Los límites líquido y plástico son sólo dos de los 5 “límites” propuestos por A. Atterberg, un científico sueco dedicado a la agricultura. Estos límites son: - Límite de cohesión, o contenido de humedad con el cual los trozos de suelo son capaces de pegarse unos a otros. - Límite de pegajosidad , o contenido de humedad con el cual el suelo comienza a pegarse a las superficies metálicas tales como la cuchilla de la espátula. - Límite de contracción, o contenido de humedad por debajo del cual no se produce reducción adicional de volumen o contracción en el suelo. - Límite plástico , o contenido de humedad por debajo del cual se puede considerar el suelo como material no plástico. - Límite líquido, o contenido de humedad por debajo del cual es suelo se comporta como un material plástico. A este nivel de contenido de humedad, el suelo está en el vértice de cambiar su comportamiento al de un fluido viscoso. Los límites líquido y plástico se usan como una parte integral del sistema de clasificación para caracterizar la fracción fina de los suelos. El límite líquido, límite plástico y el índice de plasticidad se emplean, tanto individualmente como en conjunto, con otras propiedades de los suelos, para correlacionar el comportamiento ingenieril de los suelos, como la compresibilidad, permeabilidad, compactibilidad, propensión a la expansión y resistencia al corte. Un valor alto de límite líquido significa gran capacidad de retención de agua, como es el caso de las arcillas; los limos tienden a tener menores valores de LL. Límites Líquido y Plástico Laboratorio de Mecánica de Suelos 2012-1

44


Los límites líquido y plástico de un suelo pueden ser usados con el valor de humedad natural para expresar su consistencia relativa o índice de liquidez y pueden emplearse junto con el porcentaje menor que 2 m (que se obtiene a partir del Análisis Granulométrico por Sedimentación) para determinar su actividad. Estos métodos de ensayo se emplean con frecuencia para evaluar las reacciones al clima de materiales arcillosos. Cuando estos materiales se someten a ciclos repetitivos de humedecimiento y secado, su límite líquido tiende a crecer y esto puede emplearse para evaluar la susceptibilidad al intemperismo. El límite líquido de un suelo que contiene cantidades considerables de materia orgánica decrece radicalmente cuando el suelo es secado al horno antes del ensayo. Si comparamos los valores de LL obtenidos en dos muestras, una secada al horno y otra no, podemos obtener una medida cualitativa del contenido de materia orgánica en dicho suelo.

LIMITACIONES Este ensayo es muy susceptible a la precisión y experiencia del operador que lo realice, ya que los parámetros en los que se basa son bastante subjetivos. Algunas variables que afectan el resultado de la prueba de límite líquido son las siguientes: -

-

Tamaño de la masa de suelo que se coloca en la cuchara (espesor y cantidad). Velocidad a la cual se dan los golpes. Tiempo de reposo del suelo en la cuchara antes de comenzar la cuenta de golpes y estado de limpieza de la misma antes de colocar la pasta de suelo para el ensayo. Humedad del laboratorio y rapidez con la que se realiza el ensayo. Ajuste o calibración de la altura de caída. Tipo de herramienta utilizada para hacer la ranura. Existen dos ranuradores: el del ASTM que resulta mejor en suelos con bajo límite líquido y el de Casagrande que tiene la ventaja de permitir un mejor control de la profundidad del suelo en la cuchara. Condición general de la Cuchara de Casagrande.

Como estos ensayos generan resultados bastante subjetivos, es necesario controlar la mayor cantidad de variables a fin de poder obtener valores definidos y reproducibles.


Balanzas, con sensibilidad al 0.01 gr para pesar el material que pasa la malla #10 y con sensibilidad al 0.1% del peso del espécimen a ser pesado, para el material retenido en la malla #10.

Límites Líquido y Plástico Laboratorio de Mecánica de Suelos 2012-1

45


-

Horno, controlado por termostatos, capaz de mantener una temperatura uniforme de 110  5°C. -

Cuchara de Casagrande, es un dispositivo estándar que sirve para efectuar el ensayo de Límite Líquido.

-

Ranurador, herramienta hecha de plástico o un material no corrosible con dimensiones estándar, sirve para dividir en dos partes la muestra colocada en la Cuchara de Casagrande.

-

Espátula, para esparcir el suelo dentro de la Cuchara de Casagrande con mas facilidad

-


ESPECÍMENES DE ENSAYO Obtener una porción representativa de la muestra a ensayar, suficiente para proveer unos 150 a 200 gramos de material que pasa la malla 40.

CALIBRACIÓN DE LA CUCHARA Ajustar la altura de caída de la Cuchara de Casagrande de modo que el punto en el cual ésta entra en contacto con la base se alcance una altura de 10  0.2 mm.

PREPARACIÓN DE LOS ESPECÍMENES DE ENSAYO -

Preparar un espécimen de unos 250 a 300 gramos de material menor que la malla 40.

-

Mezclar el suelo con agua calculando que se necesiten unos 35 a 40 golpes con la Cuchara de Casagrande para cerrar la ranura que se formaría con ese material

-

Dejar el suelo humedeciéndose durante unas 24 horas, cubierto para evitar que pierda agua. Esto se realiza debido a que el secado al horno y a menudo el secado al aire, tienden a reducir el límite líquido en un 4 a 6%, a menos que el suelo sea tamizado y humedecido unas 24 a 48 horas antes de efectuado el ensayo.

-

Para efectos de la práctica del laboratorio, se proporcionará a los alumnos material previamente tamizado por la malla #40 y humedecido.


46


PRECAUCIONES -

Obtener muestras representativas del suelo que quiere ensayarse.

-

Procurar obtener una humedad uniforme en todo el espécimen de ensayo; para ello se recomienda agregar agua a la muestra para obtener los puntos que sean necesarios, pero no agregar más suelo , si es necesario secar un poco la muestra batirla con una espátula y dejar que se seque con el aire.

-

Separar una porción de suelo para hacer el ensayo de Límite Plástico antes de mojar más el espécimen, de lo contrario va a ser muy difícil volver a quitarle humedad sin agregar más suelo.

PROCEDIMIENTO Límite Líquido -

Pesar seis cápsulas de secado y registrar los pesos y la identificación de cada una de ellas. Seleccionar una porción de aproximadamente 40 gramos, antes de efectuar el ensayo de límite líquido y separarla a un lado. Ésta será utilizada en el ensayo de límite plástico.

-

Colocar una porción del suelo preparado en la Cuchara de Casagrande en la zona donde la cuchara descansa en la base.

-

Presionar y esparcir la muestra con ayuda de una espátula dentro de la cuchara de modo que tenga una profundidad de 1 cm aproximadamente en su punto más profundo y procurando que quede una superficie horizontal.

-

Tratar de eliminar las burbujas de aire del suelo.

-

Colocar el suelo sobrante en un recipiente y cubrirlo para que no se seque.

-

Formar una ranura en la muestra de suelo con ayuda del ranurador manteniéndolo perpendicular a la superficie de la cuchara.


-

Girar la manivela de la Cuchara de Casagrande a razón de 2 golpes por segundo hasta que las dos porciones de suelo entren en contacto en la parte inferior de la ranura a lo largo de una distancia de 13 mm (1/2”).

-

Registrar el número de golpes necesarios para cerrar la ranura.

47


-

-

Retirar una porción de suelo de aproximadamente 2 cm de ancho de la zona en que se cerró la ranura. Colocar la muestra en una cápsula de secado, pesarla y meterla en el horno durante 24 horas, para determinar la humedad.

-

Repetir el procedimiento hasta obtener al menos 6 puntos que estén ubicados en los rangos: 25 a 35 golpes, 20 a 30 golpes y 15 a 25 golpes. (aproximadamente dos puntos en cada rango)

Nota: Si se repite el procedimiento un gran número de veces con contenidos de humedad distintos y se obtienen los mismos resultados (número de golpes), clasificar al suelo como NP, es decir no presenta límite líquido y ya no realizar el ensayo de LP.

Límite Plástico -

Pesar cuatro cápsulas de secado y registrar los pesos y la identificación de cada una de ellas.

-

De la porción separada para el ensayo de límite plástico, separar porciones de 1.5 a 2 gramos amasarlas y tratar de formar rollitos con ellas. Si transcurren 2 minutos y los rollitos no se deshacen, volver a formar la masa y repetir el procedimiento. -

Continuar de esta manera hasta que antes de los 2 minutos se halla podido formar un rollito de unos 3 a 3.2 mm de diámetro y éste se halla fisurado inmediatamente.

-

Cuando esto ocurra separar la muestra ensayada en cuatro porciones y repetir los dos pasos anteriores con más muestra hasta obtener porciones combinadas, cada una de ellas debe pesar 6 gramos o más.

-

Pesar y meter al horno durante 24 horas para determinar el contenido de humedad.

-

Nota: Si no se llegan a fisurar los rollitos pese a que el contenido de humedad continue disminuyendo, clasificar al suelo como NP.


48


CÁLCULOS -

Para hallar el límite líquido graficar los puntos (  de golpes vs. humedad) en el formato y trazar una línea recta que se ajuste aproximadamente a ellos. El LL es el valor de la humedad (multiplicado por 100, sin decimales y sin signo de porcentaje) para la cual la ranura se cierra a los 25 golpes.

-

Para hallar el límite plástico hallar un promedio de las humedades (multiplicadas por 100, sin decimales y sin signo de porcentaje) de las cuatro muestras. Descartar los valores que se alejen del promedio.

-

Hallar el Índice de Plasticidad: IP = LL – LP.

-

Como el gráfico semilogarítmico de contenido de humedad vs. logaritmo del número de golpes (para halla LL), es una línea recta, la ecuación de esta línea se puede representar en la forma general:

w   F i log N  C donde:

w Fi N C

= contenido de humedad a N golpes = índice de flujo, o sea el cambio en contenido de humedad w sobre un ciclo del gráfico semilogarítmico = número de golpes al contenido de humedad w = constante para ser determinada en cada suelo

F i 

-

w log N 2 N 1 

Un método alternativo para calcular el LL consiste en aplicar la siguiente fórmula:

 N  LL   N    25  donde:

N

0.121

= contenido de humedad al número de golpes N obtenido en el ensayo.

Como el valor de = 0.121 que se emplea en la fórmula se ha obtenido de gráficas en las que N vale entre 20 y 30, es necesario emplear este rango de valores si se quiere utilizar este método alternativo. -

Se define al Índice de Tenacidad, T w como:


49


T w 

IP F i

Este valor varía generalmente entre 1 y 3, rara vez alcanza valores mayores que 5 o menores que 1.

MUESTRAS EN LAS QUE SE PUEDE REALIZAR ESTE ENSAYO Este ensayo no requiere que el suelo conserve sus relaciones de fase ni su humedad, por consiguiente la muestra mínima necesaria será:


RESULTADOS -

Determinar los contenidos de humedad de las seis muestras obtenidas en el ensayo de límite líquido, y graficar los resultados en un formato semilogarítmico. El resultado debe ser una recta (curva de flujo).

-

Calcular el Índice de Fluidez Fi y dar la ecuación de la curva de flujo.

-

Calcular el límite plástico despreciando aquellos valores que se alejen del promedio.

-

Calcular el índice de plasticidad, IP y el índice de tenacidad, T w.

-

En el informe debe indicarse por lo menos seis usos de los resultados obtenidos.


50


LÍMITES DE ATTERBERG PRÁCTICA N

ALUMNO

GRUPO

MUESTRA:

PROFUNDIDAD: DETERMINACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO

Cápsula N Peso de Cápsula P.cáp+suelo húmedo P.cáp+suelo seco Humedad, (%) Número de golpes, N

20 19 18 17 ) % ( 16 d a d 15 e m14 u H 13

WL WP Fi Tw IP

12 11 10 10 1

1,1

15 1,2

20 1,3

25 1,4

30 1,5

40 1,6

Número de Golpes, N

DETERMINACIÓN DEL LÍMITE PLÁSTICO Cápsula N Peso de Cápsula P.cáp+suelo húmedo P.cáp+suelo seco Humedad, (%)

Formato 6

50

FECHA / /


4.1.

COMPACTACIÓN TIPO PROCTOR

RESUMEN El ensayo de compactación tipo Proctor (tanto Estándar como Modificado), es aplicable sólo a aquellos suelos que tienen 30% o menos (en peso) de partículas retenidas en la malla de ¾” (19 mm). El suelo, con un contenido de humedad seleccionado, se coloca en capas dentro de un molde de dimensiones determinadas. Cada capa es compactada por un cierto número de golpes realizados mediante el empleo de un martillo con peso y altura de caída estandarizada. Se calcula la densidad seca resultante y se repite el procedimiento con distintos contenidos de humedad, un número suficiente de veces como para establecer la correlación entre la densidad seca obtenida y la humedad del suelo. Estos datos, graficados, representan la “curva de compactación”. A partir de la curva de compactación pueden obtenerse los valores de máxima densidad seca y humedad óptima. La energía, representada por número de capas, el peso y la altura de caída del martillo definirá si se trata de un ensayo de tipo “estándar” o “modificado”, mientras que el número de golpes por capa y las dimensiones del molde, definidas por el tipo de suelo a ensayar, indicarán si se trata de un ensayo tipo “A”, “B” o “C”.

SIGNIFICADO Y USO El suelo colocado como relleno (terraplenes, bases de carreteras, etc), se compacta a un estado más denso para alcanzar propiedades ingenieriles satisfactorias, como por ejemplo, resistencia al corte, compresibilidad o permeabilidad. Eventualmente, los suelos de las cimentaciones pueden compactarse para mejorar sus propiedades. Los ensayos de compactación en laboratorio, proveen las bases para la determinación del porcentaje de compactación y contenido de humedad necesario para lograr las propiedades ingenieriles requeridas y para controlar la construcción a fin de asegurar que se están alcanzando las especificaciones del proyecto. Generalmente el esfuerzo de compactación imparte al suelo: -

Un incremento de la resistencia al corte, pues ella es función de la densidad. Un incremento del potencial de expansión. Un incremento de la densidad. Una disminución de la contracción. Una disminución de la permeabilidad. Una disminución de la compresibilidad.

Compactación Tipo Proctor Laboratorio de Mecánica de Suelos 2012-1

52


De esta lista de propiedades afectadas por la compactación, se ve claramente que el problema de especificar la compactación es algo más que simplemente el requerimiento de incrementar la densidad del suelo. También es importante considerar los efectos colaterales, por ello es muy importante especificar el tipo de suelo al cual se aplican los criterios de compactación en un proyecto dado con el fin de eliminar, por ejemplo, problemas de cambio de volumen. Actualmente se reconoce que la estructura resultante de la masa de suelos (especialmente cuando hay suelos finos presentes) se asocia íntimamente con el proceso de compactación y el contenido de humedad a la cual se compactó la masa de suelo. Este concepto es muy importante para compactar los núcleos de arcilla de represas, por ejemplo, donde asentamientos fuertes podrían causar fracturas. Se ha encontrado que la estructura dispersa del suelo, obtenida al compactarlo en el lado húmedo del óptimo, resulta en un suelo que tiene una resistencia al corte algo menor, pero que puede resistir grandes deformaciones sin falla (fracturas); además, la compactación del suelo en el lado húmedo, reduce su permeabilidad. Por otro lado, la estructura floculada que resulta de compactar el suelo en el lado seco de su óptimo es menos susceptible a la contracción pero más susceptible a la expansión; además el suelo tiende a la falla frágil.

ENSAYO TIPO PROCTOR ESTÁNDAR Este método de ensayo se aplica sólo a aquellos suelos que tienen 30% o menos (en peso) de partículas retenidas en la malla de ¾” (19 mm). La energía en este caso viene definida por la ejecución de la compactación en tres capas y el uso de un martillo de 5.5 lbf (2.49 kg), que cae desde una altura de 12” (305 mm), proporcionando al suelo un esfuerzo total de compactación de unos 12400 ft-lbf/ft 3 (61 ton-m/m3). Se presentan tres alternativas de ensayo que dependerán de la gradación del material a utilizar. Estas son:

Procedimiento A: Aplicable para el material que pasa la malla 4 (4.75 mm). Puede emplearse si 20% o menos (en peso) del material, es retenido en la malla 4. Se emplea el molde de 4” (101.6 mm) de diámetro. La compactación se realiza con 25 golpes por capa. Procedimiento B: Aplicable para el material que pasa la malla de 3/8” (9.5 mm). Debe emplearse si más del 20% (en peso) del material, es retenido en la malla 4 y 20% o menos es retenido en la malla de 3/8”. Se emplea el molde de 4” (101.6 mm) de diámetro. La compactación se realiza con 25 golpes por capa.


53


Procedimiento C: Aplicable para el material que pasa la malla de 3/4” (19 mm). Debe emplearse si más del 20% (en peso) del material, es retenido en la malla de 3/8” y menos del 30% es retenido en la malla de 3/4”. Se emplea el molde de 6” (152.4 mm) de diámetro. La compactación se realiza con 56 golpes por capa.

ENSAYO TIPO PROCTOR MODIFICADO Este método de ensayo se aplica sólo a aquellos suelos que tienen 30% o menos (en peso) de partículas retenidas en la malla de ¾” (19 mm). La energía en este caso viene definida por la ejecución de la compactación en cinco capas y el uso de un martillo de 10 lbf (4.54 kg), que cae desde una altura de 18” (457 mm), proporcionando al suelo un esfuerzo total de compactación de unos 56000 ftlbf/ft3 (275 ton-m/m3). Se presentan las mismas tres alternativas de ensayo que en el caso del ensayo tipo Proctor estándar (A, B y C)

CUADRO RESUMEN TIPO DE ENSAYO

ESTÁNDAR

MODIFICADO

PESO DEL MARTILLO

5.5 lbf (2.49 kg)

10 lbf (4.54 kg)

ALTURA DE CAÍDA

12” (305 mm)

18” (457 mm)

NÚMERO DE CAPAS

3 capas

5 capas

PROCEDIMIENTO DE ENSAYO

A

B

C

MATERIAL EMPLEADO

< 4

< 3/8”

< ¾”

DIÁMETRO DEL MOLDE

4”

4”

6”

NÚMERO DE GOLPES

25

25

56

GRADACIÓN

Hasta 20% > 4

Más de 20% > 4 y hasta 20% > 3/8”

Más de 20% > 3/8” y menos de 30% > ¾”


54




-

Balanzas, con sensibilidad de 0.01 gr para especímenes de hasta 200 gr (sin incluir el peso de la cápsula de secado) y con sensibilidad de 0.1 gr para especímenes de más de 200 gr.

-


-

Desecador, para conservar las muestras que por alguna razón no pueden ser pesadas inmediatamente después de sacarse del horno. Este equipo evita que absorban la humedad del ambiente.

-

Moldes, de 4” o 6”, dependiendo del procedimiento que se va a utilizar. Constan de un collarín que se adapta al molde para facilitar la compactación de la última capa.

-

Martillo de compactación, que puede ser estándar o modificado según el tipo de ensayo que se vaya a realizar. Existen martillos manuales y martillos de acción automática.

-

Mallas, para verificar el procedimiento a emplear. Se necesitan para ello las mallas 4, 3/8” y ¾”.

ESPECÍMENES DE ENSAYO La muestra requerida para los procedimientos A y B es de aproximadamente 16 kg y para el procedimiento C, 29 kg de suelo seco. Por consiguiente, la muestra de campo suele tener una masa húmeda de al menos 23 y 45 kg, respectivamente. Para preparar la muestra se debe determinar el porcentaje de material retenido en las mallas 4, 3/8” y ¾”, a fin de seleccionar el procedimiento apropiado.



PREPARACIÓN DEL EQUIPO Seleccionar el molde de compactación apropiado de acuerdo al procedimiento a utilizar ( A, B o C ) y el martillo adecuado para el tipo de ensayo a ejecutar (estándar o modificado). Determinar y registrar la masa del molde redondeándola al gramo. Ensamblar el molde y la base. Verificar que el martillo se encuentre limpio y en correctas condiciones de funcionamiento y que sus partes no estén sueltas.

COMENTARIOS Y PRECAUCIONES -

Para que un ensayo sea estándar (tanto el Proctor Estándar como el Proctor Modificado son ensayos estándar), los resultados deben ser reproducibles. Si realizamos un ensayo Proctor a un suelo con partículas granulares las partículas van a romperse por efecto del impacto, por consiguiente, si reutilizamos la muestra para obtener otro punto de la curva de compactación ya no estaremos trabajando sobre el mismo suelo y los resultados no van a ser representativos ni reproducibles.

-

Cuando se trabaja con suelos secados al aire, debe mezclarse la muestra con agua al contenido de humedad deseado y dejarse “curar” o reposar aproximadamente 24 horas a fin de que el agua se distribuya uniformemente en todo el suelo y no se obtengan resultados erráticos.

-

Debe procurarse que las tres o cinco capas (dependiendo de si el ensayo es estándar o modificado) sean aproximadamente del mismo espesor, pues de lo contrario pueden producirse resultados erráticos en lugar de una curva continua.

-

El molde de compactación debe colocarse sobre una superficie que no vibre durante el proceso de compactación de manera que la energía de compactación no se pierda en producir desplazamientos en la base. La ASTM recomienda hacer descansar el molde sobre un bloque rígido de concreto con una masa de por lo menos 200 lbm (91 kg)

PROCEDIMIENTO - No reutilizar muestras de suelo que hayan sido previamente compactadas en laboratorio. -

Con ayuda de un vernier, medir dos veces la altura y el diámetro interior del molde de compactación a fin de determinar su volumen promedio. Además, pesar y registrar la masa del molde de compactación.

-

Se proporcionará a los alumnos una bandeja que contiene suelo correspondiente al procedimiento que indicará el jefe de práctica.


56


-

Se prepararán 5 muestras con una cantidad de suelo que va ha depender del tipo de procedimiento (A, B ó C) cada una, que tengan contenidos de agua tales que rodeen al contenido de humedad óptima estimado.

-

Usar aproximadamente 3 kg del suelo tamizado para cada espécimen si se emplea el procedimiento A o B y unos 6 kg si se emplea el procedimiento C.

-

Primero debe prepararse un espécimen con un contenido de humedad cercano al óptimo (que será indicado por el jefe de práctica). Esto se logra añadiendo repetidamente cantidades conocidas de agua y mezclando. Con la práctica, usualmente es posible encontrar visualmente una humedad cercana a la óptima, ya que típicamente los suelos que se encuentran con su contenido óptimo de humedad pueden ser amasados hasta formar un terrón que se mantiene unido cuando cesa la presión de la mano, pero que se quiebra limpiamente en dos secciones cuando se le quiere doblar.

-

Seleccionar contenidos de humedad para el resto de los especímenes de modo de proveer al menos dos por encima y dos por debajo del valor de humedad óptima, espaciados entre sí aproximadamente 2%.

-

Cuando se realiza el ensayo en suelos con contenido significativo de limos y arcillas, es recomendable preparar los especímenes con sus respectivos contenidos de humedad el día anterior a la ejecución del ensayo y dejarlos reposando en un recipiente o bolsa sellada a fin de uniformizar la cantidad de agua en la muestra. Para efectos de la práctica de laboratorio y por cuestiones de tiempo, se obviará esta preparación previa, y se asumirá que la humedad es constante en todo el espécimen.

-

Ensamblar y asegurar el molde a la base. El molde debe descansar en una superficie uniforme y rígida como la que proporciona un cubo de concreto de aproximadamente 200 lbm (91 kg).

-

Compactar el espécimen en tres o cinco capas según el tipo de ensayo que se esté empleando. Cada capa debe ser de aproximadamente el mismo espesor. Antes de la compactación, colocar el suelo suelto dentro del molde y acomodarlo hasta lograr un espesor uniforme. -

Aplastar el suelo ligeramente con ayuda del martillo para que la superficie a compactar no esté fofa ni suelta.

-

Realizar la compactación empleando el martillo y el número de golpes correspondientes.



-

Es importante señalar que luego de efectuadas las primeras dos o cuatro capas (en los ensayos estándar y modificado, respectivamente), todo el material que quede sin compactar, adherido a las paredes del molde, debe ser removido antes de añadir el suelo correspondiente a la capa siguiente.

-

Para la última capa, colocar el collar de extensión a fin de facilitar el procedimiento de compactado. La cantidad de suelo utilizado debe ser tal que la última capa se extienda ligeramente hasta el collar, pero sin exceder ¼” (6 mm) por encima del molde. -

Una vez finalizada la compactación, retirar el collar y la base, remover el suelo excedente con ayuda de un cuchillo, determinar y registrar el peso del molde con el suelo compactado aproximándolo al gramo.

-

Remover el material del molde y obtener un espécimen de humedad usando todo el suelo o una porción representativa (para efectos de la práctica, por razones de espacio, se empleará una porción representativa extraída de la zona central del molde).

-

Determinar y registrar el peso de una cápsula de secado

-

Colocar el espécimen húmedo en la cápsula de secado.

-

Determinar el peso de la cápsula de secado con el espécimen húmedo, y registrar este valor.

-

Colocar la cápsula con el material en el horno y dejarlo secar aproximadamente 16 horas, luego de esto, pesar la muestra cada hora para verificar que se haya llegado a un peso constante. Como regla práctica, y para efectos de la práctica de laboratorio, para evitar pesar varias veces, se recomienda secar la muestra durante 24 horas.

-

Transcurrido este tiempo retirar la cápsula del horno y dejar enfriar ligeramente la cápsula (de modo que sea fácilmente manipulable)

-

Determinar el peso de la cápsula con el material secado en horno usando la misma balanza que en los casos anteriores, y registrar este valor.

-

Repetir el procedimiento para cada contenido de humedad.


58


CÁLCULOS -

Para cada espécimen calcular la humedad (en forma similar a lo efectuado en las prácticas de laboratorio anteriores).

-

Con el peso del molde y el peso de molde con suelo, calcular el peso total del suelo.

-

Conocidas las dimensiones del molde y el peso total del suelo, calcular su peso específico húmedo.

-

Conocidos el peso específico húmedo y la humedad de cada espécimen, calcular sus pesos específicos secos respectivos.

MUESTRAS EN LAS QUE SE PUEDE REALIZAR ESTE ENSAYO Este ensayo no requiere mayores exigencias por lo que puede emplearse como mínimo:


RESULTADOS -

Presentar la gráfica de la Curva de Compactación y una tabla indicando los valores obtenidos en el ensayo ( vs. d ).

-

Dibujar en la misma gráfica la curva de saturación empleando el valor de Gs que se indicará durante la práctica.

-

Hallar la máxima densidad seca y el contenido óptimo de humedad.

Nota: El formato a llenar para el ensayo de compactación tipo Proctor, será el siguiente:


59


COMPACTACIÓN TIPO PROCTOR PRÁCTICA N

ALUMNO

GRUPO

MUESTRA:

PROFUNDIDAD:

TIPO Estándar

FECHA / /

PROCEDIMIENTO

Modifica.

A

B

C

PESO

gr

DIAMETRO

cm

ALTURA

cm

VOLUMEN

cm³

DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD SECA Muestra N Peso molde + Sue. Húmedo, gr Peso de Suelo Húmedo, gr Densidad Húmeda, (gr/cm³)

1

2

3

4

5

Densidad Seca, d (gr/cm³) DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD Cápsula N Peso de Cápsula Peso Cápsula + Suelo Húmedo Peso de Cápsula + Suelo Seco Humedad, (%)

3

m c / r g a c e s d a d i s n e D

Humedad %

d máx

=

ópt

=


4.2. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD EN EL CAMPO

INTRODUCCIÓN Los ensayos en el campo son necesarios para determinar si se han cumplido las especificaciones de compactación. La ubicación de los ensayos debe hacerse en un lugar en cual la muestra sea representativa de la capa compactada y del material de relleno. Los ensayos en el campo pueden ser destructivos o no destructivos. Los ensayos destructivos comprenden la excavación y remoción de parte del material de relleno (dejando un hueco para ser rellenado y compactado posteriormente por el constructor), mientras que los ensayos no destructivos determinan indirectamente el peso unitario y el contenido de agua del relleno y tan sólo dejan un pequeño agujero en el terreno. Durante la práctica se desarrollará el ensayo del cono de arena y se realizará una aplicación demostrativa del ensayo nuclear a fin de comparar los resultados obtenidos mediante ambos métodos.

Ensayos Destructivos Los ensayos destructivos, usualmente constan de los mismos pasos: -

Ubicar el lugar del ensayo.

-

Excavar un hueco en el relleno a la profundidad deseada. El tamaño del hueco dependerá del tamaño máximo del material de relleno y debe ser tan grande como lo permitan las limitaciones de los equipos.

-

Pesar el suelo húmedo.

-

Tomar una muestra de humedad.

-

Medir el volumen del material excavado en forma indirecta, determinando el volumen del hueco. Las técnicas empleadas con frecuencia incluyen el cono de arena y el método del balón y a veces vaciar en el hueco algún fluido viscoso de peso unitario conocido.

En el método del cono de arena (que será el desarrollado durante la práctica de laboratorio), se permite el flujo de una arena uniforme (debe tener un coeficiente de uniformidad menor o igual a dos, y un tamaño comprendido entre la malla 10 y la malla 60), seca y limpia, conocida con el nombre de “Arena de Ottawa”, hacia el hueco a través de un sistema de vaciado de un cono estándar. El cono se usa para controlar el ritmo del flujo y la altura, para lograr un peso unitario más reproducible. El volumen del hueco se obtiene por proporción, usando el peso unitario de la arena y Determinación de la Densidad en el Campo Laboratorio de Mecánica de Suelos 2012-1

61


determinando el peso utilizado para llenar el hueco. El método del cono de arena es uno de los más confiables para determinar pesos unitarios in situ. En el método del balón, el volumen del hueco se determina directamente, expandiendo dentro del hueco un balón de goma por medio de un cilindro calibrado que usa aire a presión en el agua. Una lectura “antes y después” en el cilindro calibrado, da una lectura directa del volumen del hueco. Debe tenerse cuidado en este método en no aplicar una presión de expansión muy grande al balón, ya que esto agrandaría el hueco y reduciría el peso unitario calculado. También hay que tener cuidado al manipular el balón pues la presencia de material angular en el hueco puede romperlo. El principal problema asociado con el ensayo destructivo es el lapso necesario para secar al horno el contenido de agua de las muestras, que puede ser de hasta 24 horas. Se dispone de aparatos que permiten determinaciones casi instantáneas usando productos químicos, pero no son del todo confiables. Otros problemas de menor importancia incluyen: -

Rellenado de los huecos de ensayo, lo cual es bastante crítico en el caso de represas.

-

El hecho de tener que ceñirse estrictamente a la mezcla en base a la cual se efectuó el ensayo Proctor previo. Si existe algún cambio en el material de relleno, la curva de compactación (obtenida del Proctor) ya no será válida y por consiguiente se tendrá que repetir el ensayo para poder realizar el control de compactación en el terreno.

Ensayos No Destructivos Los ensayos no destructivos para determinaciones del peso unitario y contenido de agua usando isótopos radiactivos son cada vez más comunes. Los métodos nucleares tienen varias ventajas sobre los ensayos tradicionales, incluyendo: -

Capacidad para mayor cantidad de ensayos, ya que éstos toman menos tiempo y no causan daños importantes en el terreno (huecos de tamaño considerable).

-

Obtención del peso unitario y contenidos de humedad en lecturas directas.

La ejecución de una mayor cantidad de ensayos da un mejor control estadístico del relleno y cubre una mayor área. Las principales desventajas de este método son: -

Alto costo inicial del equipo.

-

Riesgo potencial de radiactividad.

- Necesidad de comprobaciones de calibración cuidadosas y repetidas, por lo general empleando un bloque de alrededor de 40 x 40 x 20 cm con densidad y humedad conocidas, que viene junto con el equipo.

Determinación de la Densidad en el Campo Laboratorio de Mecánica de Suelos 2012-1

62


Generalmente, los equipos nucleares sólo pueden justificarse para grandes proyectos en los que sea necesario un gran número de ensayos. Estos aparatos operan esencialmente por la emisión de radiación al suelo durante uno a tres minutos. El dispositivo captador es activado para detectar la radiación no absorbida por el suelo y el agua. La cantidad medida de rayos gamma se relaciona con el peso unitario y el monto de la pérdida de neutrones es correlacionado con la cuantía de átomos de hidrógeno presentes, que a su vez es correlacionado con el contenido de agua.

4.2.1. M ÉTODO DEL C ONO DE A RENA RESUMEN Un agujero es excavado manualmente en el suelo a ser ensayado y todo el material extraído del hueco es depositado en un recipiente. El hueco se llena con arena de densidad conocida que cae de libremente a través de un cono y de esta manera se determina el volumen. La densidad húmeda in situ se determina dividiendo la masa húmeda del material removido entre el volumen del hueco. La humedad del material se determina mediante los métodos usuales (secado al horno) y con estos datos se calcula la densidad seca del material.

LIMITACIONES -

El empleo de este método está restringido a suelos en condiciones no saturadas y no se recomienda para suelos blandos, friables o en condiciones de humedad tales que el agua se infiltre en el hueco excavado.

-

La precisión de este método puede ser afectada por suelos que se deformen fácilmente o que sufran cambios de volumen por la presencia de personas caminando en la zona cercana al agujero durante el ensayo.

SIGNIFICADO Y USO Este método se emplea para determinar la densidad de suelos compactados colocados durante la construcción de terraplenes, represas, carreteras, etc. Usualmente es utilizado como base de aceptación para suelos compactados a una densidad especificada como un porcentaje de la máxima densidad seca determinada mediante algún otro método de ensayo, como el Proctor estándar y modificado. Adicionalmente, este método de ensayo puede ser empleado para determinar la densidad in situ de depósitos naturales de suelo, agregados, mezclas de suelos, etc.


63




-

Balanzas, con sensibilidad 5 gr o más y capacidad mínima de 20 kg.

-

-

Cono, de dimensiones estándar, se emplea para asegurar un flujo constante y reproducible de arena.

-

Contenedor de arena, con capacidad para un volumen mayor que la cantidad de arena que se va a utilizar. Debe poseer un dispositivo tipo válvula de control para iniciar y finalizar el flujo de arena hacia el cono.

-

Plato base, para realizar la calibración previa de la arena que se va a utilizar.

Arena de Ottawa, debe ser limpia, seca, uniforme en densidad y gradación, durable y de flujo libre. Debe tener un coeficiente de uniformidad inferior a dos y su tamaño debe estar comprendido entre la malla 10 y la 60.

PROCEDIMIENTO Calibración del cono y de la placa base -

Pesar 5 kg. de arena limpia y seca. Vaciar la arena en la botella. Atornillar el cono a la botella.

-

Colocar la placa sobre una superficie plana. Invertir la botella y colocar el cono sobre la placa base. Abrir rápidamente la válvula del cono y esperar a que la arena llene la perforación de la placa base y el cono.

-

Cerrar la válvula e invertir la posición de la botella. Retirar el cono y pesar la arena que queda en la botella.

-

Realizar esta operación tres veces.


64


Calibración de la arena -

Registrar el volumen del molde metálico de calibración.. Colocar la placa base sobre el molde metálico.

-


-

Colocar el cono en la perforación de la placa base. Abrir rápidamente la válvula del cono y esperar a que la arena llene el molde de calibración y el cono.

-

Cerrar la válvula e invertir la posición de la botella. Retirar el cono y pesar la arena que queda en la botella.

-

Realizar esta operación tres veces.

Control de densidad del terreno -


-

Ubicar el lugar en donde se va a realizar la determinación de la densidad y, en un cuadrado de 60 cm de lado, nivelar la superficie lo mejor posible.

-

Colocar la placa base sobre la superficie de suelo nivelado y enrasado. -

Excavar el suelo a través de la perforación de la placa base. La cavidad debe tener aproximadamente, la misma profundidad que el molde utilizado para calibrar la arena (10 a 15 cm. aproximadamente). El material que se va extrayendo de la perforación se deposita en una bolsa. El volumen mínimo de la excavación dependerá del tamaño máximo de la partícula:

Tamaño Máximo (mm)

Volumen Mínimo (cm3)

Profundidad Mínima Equivalente (cm)

12.5

1 420

6.2

25.0

2 120

9.2

50.0

2 830

12.3


65


-

Colocar la botella con el cono invertido en la perforación de la placa base. Abrir rápidamente la válvula del cono y dejar que la arena llene la cavidad del suelo, la perforación en la placa base y el cono.

-

Cerrar la válvula e invertir el recipiente.

-

Extraer la arena de la cavidad. Recuperar la porción de arena que no se haya ensuciado (después de usar varias veces la arena, se tiene que volver a lavar, secar y tamizar, para que su peso volumétrico permanezca más o menos constante).

-

Depositar la arena que quede en la botella en una bolsa. -

Pesar el suelo de la perforación contenido en la bolsa.

-

Pasar el material por el tamiz # 4, 3/8” o ¾” dependiendo del tipo de Proctor que se haya realizado en este material. Tomar 100 gr de material húmedo para determinar el contenido de humedad. Lavar la fracción retenida y determinar su peso seco. Emplear el valor de Gs que se indique en el momento de la

práctica.

RESULTADOS -

Calcular el peso de la arena utilizada para llenar el cono como la diferencia entre los 5 kg iniciales y el promedio de las tres determinaciones de la arena que queda.

-

Calcular la densidad de la arena. El peso necesario para llenar el molde se obtiene como la diferencia entre los 5 kg iniciales y la arena que queda (valor promedio) sumada a la arena que llena el cono.

-

Para la determinación de la densidad en el terreno, el volumen del hueco se determina a partir del peso de arena requerido para llenarlo. Conocido el peso de grava seca, se puede conocer el volumen por ella ocupado, y así determinar el peso y volumen de la fracción de suelo menor que el tamiz # 4, 3/8” o ¾”.

-

En el informe deben indicarse otros materiales diferentes que la arena que permitan encontrar el volumen del agujero.


66


DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD EN EL CAMPO PRÁCTICA N

ALUMNO

ARENA PARA LLENAR EL CONO

GRUPO

CONTROL DE DENSIDAD DE TERRENO Proctor

Cono N Arena Inicial

Procedimiento

gr

Máxima Densidad

1

gr

Humedad Óptima

2

gr

Arena Inicial

3

gr

PUNTO

Promedio

gr

Peso de Material

gr

Arena que Queda

Arena que queda

Arena en el Cono

1

Arena Empleada DENSIDAD DE LA ARENA

Volumen del Hueco

Arena Usada

Peso de Grava Seca

Diámetro del Molde

cm

Volumen de Grava

Altura del Molde

cm

Peso de Suelo

Volumen del Molde

cm³

Volumen de Suelo

ARENA PARA LLENAR EL MOLDE Arena Inicial

Densidad Húmeda,

gr

Densidad Seca,

1

gr

% de Compactación

2

gr

3

gr

Cápsula N

Promedio

gr

Peso de Cápsula

Arena en el Molde

gr

P. Cáp.+Sue. Húmedo

Densidad de la Arena

gr

P. Cáp.+Sue. Seco

Arena que queda

d

DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD

Humedad,

Formato 8

FECHA / /

2

5.1.PERMEABILIDAD CON CARGA VARIABLE

INTRODUCCIÓN El coeficiente de permeabilidad es una constante de proporcionalidad relacionada con la facilidad de movimiento de un fluido a través de un medio poroso. Existen dos métodos generales de laboratorio para determinar directamente el coeficiente de permeabilidad de un suelo. Éstos son los llamados “Métodos de Carga Constante” y “Métodos de Carga Variable”, a su vez, el método de carga constante puede ser de pared rígida o de pared flexible. Todos estos métodos se basan en la Ley de Darcy: v=ki

y el caudal correspondiente del flujo es: q=kiA

donde:

q = cantidad de flujo por unidad de tiempo k = coeficiente de permeabilidad (unidades de velocidad) i = gradiente hidráulico = h/L h = diferencia de cargas hidráulicas a lo largo de la muestra L = longitud de la muestra a través de la cual se mide h A = área de la sección transversal de la masa de suelo en consideración En el caso del método de carga variable con pared rígida, que será el desarrollado durante la práctica de laboratorio, la ecuación aplicable puede deducirse fácilmente:

h1 aL k  ln At h2 donde:

a = área de la sección transversal de la bureta o tubería de entrada, cm 2 A = área seccional de la muestra de suelo, cm 3 h1 = carga hidráulica a través de la muestra al comienzo del experimento ( t = 0)

Permeabilidad con Carga Variable Laboratorio de Mecánica de Suelos 2012-1

68


h 2 = carga hidráulica a través de la muestra al final del ensayo ( t = tensayo) L = longitud de la muestra en cm t = tiempo transcurrido durante el experimento, seg ln = logaritmo neperiano (en base “ e”) Debe notarse que este método para determinar el coeficiente de permeabilidad k ha sido desarrollado principalmente por economía pues el experimento para determinar k en un suelo fino puede puede durar normalmente normalmente varios días. El experimento de carga constante consume una gran cantidad de agua para mantener la carga constante en la mayoría de las configuraciones. configuraciones. Para ensayos de larga duración y donde la cantidad cantidad de flujo a través de la muestra es pequeña, es necesario controlar la evaporación de agua del recipiente o de la tubería de entrada y evitar también la evaporación y/o drenaje en la tubería o recipiente de salida. Con respecto al ensayo de pared flexible se trata de colocar a la muestra de suelo bajo condiciones de confinamiento más o menos reales y medir el flujo de agua a través de ella. Este ensayo no se realizará realizará durante la práctica de laboratorio pues pues al ser aplicable sobre todo en suelos finos, es de larga duración (incluso varios meses).

LIMITACIONES DEL ENSAYO Los valores del coeficiente de permeabilidad obtenidos en laboratorio no son muy confiables por diversas razones como: -

El suelo que se utiliza en el aparato de permeabilidad nunca es igual al que se tiene en el terreno, siempre estará algo alterado.

-

La orientación in situ de los estratos con respecto al flujo de agua es probablemente diferente en el laboratorio.

-

Las condiciones condiciones de frontera (paredes) (paredes) son diferentes diferentes en el laboratorio. Esto se puede corregir parcialmente parcialmente si se realiza realiza un ensayo de pared flexible.

-

La Ley de Darcy no es necesariamente una relación lineal para gradientes hidráulicas grandes.

-

Existe evidencia de que en suelos finos (arcillas) puede existir un gradiente hidráulico umbral por debajo del cual no hay flujo.

FACTORES QUE PERMEABILIDAD

INFLUYEN

EN

EL

COEFICIENTE

DE

El coeficiente de permeabilidad de una masa de suelo homogénea e isotrópica, depende principalmente de los siguientes factores: factores: -

La viscosidad viscosidad del fluido en los poros poros (normalmente agua). A medida que la temperatura aumenta, la viscosidad del agua disminuye y el coeficiente de

Permeabilidad con Carga Variable


permeabilidad aumenta, es decir la velocidad del flujo aumenta. El coeficiente de permeabilidad se ha normalizado a 20ºC, de forma que el coeficiente de permeabilidad a cualquier temperatura T se puede expresar: expresar:  T

k 20  k T

 20

-

La relación de vacíos e del suelo.

-

El tamaño y la forma de los granos de suelo ya que la presencia de partículas angulares y laminares tienden a reducir k más que cuando el suelo está compuesto predominantemente predominantemente por partículas redondeadas redondeadas y esféricas. esféricas.

-

El grado de saturación

ENSAYO DE PERMEABILIDAD PERMEABILIDAD CON CARGA VARIABLE Este ensayo será realizado para una serie de muestras remoldeadas, compactadas con una cierta energía, a fin de obtener diversos juegos de valores de e vs k. Cada grupo remoldeará una muestra usando el martillo del ensayo de compactación tipo Proctor Estándar para las características de compactación que serán señaladas durante la práctica.

EQUIPOS Para este ensayo se emplea lo siguiente:

-

-


-

Balanzas, con sensibilidad de 0.01 gr para especímenes de hasta 200 gr (sin incluir el peso de la cápsula de secado) y con sensibilidad de 0.1 gr para especímenes especímenes de más de 200 gr.

-

Cápsulas de secado, hechas de un material resistente a la corrosión y al cambio de peso debido al calentamiento repetitivo, enfriamiento, exposición a materiales de pH variado y a la limpieza. Teóricamente deberían usarse tapas tapas en las cápsulas, cápsulas, pero no es necesario si se pesan de inmediato de modo que el suelo no pierda ni gane humedad al estar expuesto al medio ambiente.

Moldes, de 4”. Constan de un collarín que se adapta al molde para facilitar la compactación de la última capa.



-

Martillo de compactación, que puede ser estándar o modificado según el tipo de ensayo que se vaya a realizar. Existen martillos manuales manuales y martillos de de acción automática.

-

Perméametro de Carga Variable, para realizar el ensayo propiamente dicho, consta de una tubería gradada y de un dispositivo para poder generar un flujo de agua de abajo hacia arriba y de arriba hacia abajo.


A fin de permitir el flujo de agua a través de la muestra, se colocan dos capas (una a cada extremo de la muestra) de arena gruesa uniforme; es importante que esta capa de arena no vaya a obstruir el paso de agua pues de lo contrario el ensayo demorará mucho más de lo previsto y por consiguiente los resultados obtenidos serán erróneos.

-

El ensayo debe realizarse dos veces con cada muestra a fin de poder promediar los tiempos de cada fase.

-

Cuando se obtengan los resultados de k, que serán más de 100, debe eliminarse los valores extremos. extremos. Para realizar esto, hallamos hallamos el promedio promedio ( x 1 ) y la desviación estándar ( 1 ) de los valores de k, luego descartamos los valores que se encuentran fuera del rango x 1 1 . 5 1 . Con los los nuevos nuevos valores de k, hallamos el promedio ( x 2 ) y la desviación estándar ( 2 ) y descartamos descartamos los valores que que se encuentran fuera del rango x 2 1 . 5 2 . Con los nuevos nuevos valores, valores, calculamos calculamos el valor de k (el promedio)

-

Al momento de graficar todas las curvas que se piden en la sección de resultados, es importante que se realice un ajuste a las mismas a fin de obtener resultados más o menos coherentes.

PROCEDIMIENTO -

Todos los grupos trabajarán con el mismo suelo. En cada horario, un grupo, a designar, determinará el valor de Gs y el otro D10 respectivamente, para lo cual deberán separar las muestras de suelo seco necesarias.

-

Pesar el molde de permeabilidad y medir el diámetro y la altura.

-

Añadir el agua necesaria para obtener una humedad de 10%. El molde se llenará empleando el martillo del ensayo de compactación tipo Proctor estándar (5.5 lbs de peso y 12" de altura de caída). A fin de obtener diferentes densidades, se aplicarán diferentes energías de compactación, por lo cual el número de capas y golpes será diferente para cada grupo. Enrasar con cuidado y pesar el molde con la muestra.

-

Tomar una muestra para humedad.



-

Armar el permeámetro colocando las tapas con arena tipo de Ottawa, malla de alambre y sellos de jebe.

-

Colocar la muestra en el permeámetro. Ajustar la entrada de agua. Abrir el flujo de agua de abajo hacia arriba de modo que se sature el suelo y salga el aire. Medir la altura de la columna de agua (desde el extremo superior de la columna hasta el extremo de salida del agua). Cerrar el flujo de agua por la muestra. Dejar que la bureta se llene hasta la marca de 100 cm.

-

Preparar las válvulas para el flujo de arriba hacia abajo de la muestra. Abrir el flujo y simultáneamente empezar a medir el tiempo (cronómetro). Tomar lecturas de tiempo cada 5 cm de descenso del nivel en la bureta, hasta una altura de 25 cm en la bureta. Repetir el ensayo.

-

Medir el área de la bureta usando agua y un recipiente graduado.

-

Medir la temperatura del agua.

CÁLCULOS -

Calcular la densidad a la que fue compactada la muestra y la relación de vacíos de la misma.

-

Calcular el valor de k, como el promedio de los resultados que se obtienen de combinar las diferentes alturas h1 y h 2, es decir, 100 con 95, 90, 85,…,25; 95 con 90, 85, 80,…, 25, etc. A los 120 valores obtenidos descartar los valores extremos, con el procedimiento descrito anteriormente.

MUESTRAS EN LAS QUE SE PUEDE REALIZAR ESTE ENSAYO Este ensayo no requiere mayores exigencias por lo que puede emplearse como mínimo:


RESULTADOS -

Propiedades índice del suelo en estado saturado (la humedad inicial no afecta el resultado).



-

Debe establecerse el tiempo promedio para cada carga hidráulica. Con dichos valores, se calcula el coeficiente de permeabilidad a la temperatura en que se realizó el ensayo, combinando todos los valores entre si. Esto dará como resultado 120 valores distintos de kT . Obtener el valor promedio, y determinar k 20, según el procedimiento explicado explicado anteriormente.

-

Se debe obtener los valores de e y k 20 de todos los grupos, a fin de poder graficar k 20 en las abcisas, contra: e 2, e 2 /(1+e), e 3 /(1+e) y log e en las ordenadas. ordenadas. Las gráficas deberán ser realizadas realizadas en Excel o en algún otro otro programa similar. No se corregirán gráficas efectuadas a mano.

-

Comparar el valor de k obtenido con la expresión:

 100 D102 k  -

Comentar los resultados obtenidos

-

Verificar si se cumplen las siguientes correlaciones y comentar los resultados obtenidos:

 e  k 2  k 1  2   e1 

2

e23 1 e k 2  k 1 3 2 e1 1  e1



Nota: Los formatos a llenar para el ensayo de permeabilidad con carga variable, son los siguientes:



ENSAYO DE PERMEABILIDAD CON CARGA VARIABLE - DATOS PRÁCTICA N

GRUPO FECHA / /

ALUMNO

MUESTRA:

PROFUNDIDAD:

COMPACTACIÓN

DIAGRAMA DE FASES

Tipo de martillo

A

N de capas

W

N de golpes/capa

S

CARACTERÍSTICAS DE LA MUESTRA Diámetro, cm

CORRECCIÓN DE CARGA HIDRÁULICA Corrección, cm

Altura, cm

ENSAYO DE PERMEABILIDAD

Volumen, cm³ Peso del molde, gr

Lectura Carga L(cm) hidrául. h (cm)

Peso del molde + suelo, gr

100

Peso del suelo, gr

95

Densidad, gr/cm³

90

MUESTRA DE HUMEDAD

80

Peso de cápsula+suelo seco

75

Peso de cápsula

70

Humedad,

65

CARACTERÍSTICAS DEL SUELO

55

Relación de vacíos, e

50

D10, mm

45 35

Altura final, cm

30

Volumen medido, cm³

25

Área de la tubería, cm²

20

T /

20

Promedio

COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD PERMEABILIDAD kT, cm/seg

Temperatura, C

t2

40

Altura inicial, cm

TEMPERATURA DEL AGUA

t1

60

Gs

ÁREA DE LA TUBERÍA, a

Tiempo, seg

85

Peso de cápsula+suelo húmedo

Corrección

----

k20, cm/seg

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS ENSAYO DE PERMEABILIDAD CON CARGA VARIABLE - CÁLCULOS

PRÁCTICA N

MUESTRA:

h1 cm

h2 cm

Formato 10

GRUPO FECHA / /

ALUMNO

PROFUNDIDAD:

t seg

kT cm/seg

h1 cm

h2 cm

t seg

kT cm/seg

h1 cm

h2 cm

t seg

kT cm/seg

5.2. CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL

INTRODUCCIÓN Cuando se somete a un suelo a un incremento de presión o carga, ocurre un reajuste de la estructura de un suelo que podría considerarse como una deformación plástica correspondiente a una reducción en la relación de vacíos. Puede producirse también una pequeña cantidad de deformación elástica pero considerando la magnitud de las cargas o presiones de contacto involucradas, y el hecho de que el módulo de elasticidad de los granos de suelo sea del orden de 200 kg/cm 2, la deformación elástica (la cual es recuperable cuando la carga se remueve), es despreciable. Cuando se aplica una carga a un suelo de grano grueso completamente seco, parcial o completamente saturado, o cuando la carga se aplica a un suelo seco, el proceso de deformación plástica con reducción de la relación de vacíos tiene lugar en un período de tiempo tan corto que es posible considerar instantáneo todo el proceso. Esto puede explicarse en suelos secos por el hecho de que el aire encerrado en los poros tiene muy poca viscosidad y es muy fácilmente comprimido; de esa forma los sólidos no presentan ninguna resistencia al flujo hacia fuera del fluido de los poros (aire en este caso) a medida que los vacíos del suelo se reducen. En el caso de un suelo de grano grueso saturado o parcialmente saturado, el coeficiente de permeabilidad k es suficientemente grande para que el agua de los poros pueda también salir casi instantáneamente. Cuando se aplica una carga a un suelo de grano fino saturado parcial o totalmente, el tiempo para lograr la deformación plástica y la reducción en la relación de vacíos es mucho mayor, y este proceso dependerá de varios factores, como por ejemplo: -

el grado de saturación. el coeficiente de permeabilidad del suelo. las propiedades del fluido de los poros. la longitud de la trayectoria que debe recorrer el fluido expulsado de la muestra para encontrar equilibrio.

Se llama consolidación a la reducción paulatina de la relación de vacíos que sufre un 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 la 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. Las pruebas de consolidación se realizan con objeto de obtener información sobre los dos aspectos mencionados. La relación entre reducciones de relación de vacíos y Consolidación Unidimensional


presiones efectivas aplicadas, obtenida durante la prueba, permite estimar los asentamientos totales que pueden esperarse en una obra dada. Por otra parte, la relación deformación contra tiempo, obtenida para un incremento de carga dado durante la prueba, permite, por medio de la teoría de la consolidación unidimensional de Terzaghi, prever la evolución de los asentamientos con el tiempo.

RESUMEN DEL ENSAYO La prueba de consolidación unidimensional estándar consiste en comprimir verticalmente un espécimen de material, confinado en un anillo rígido, de acuerdo con una secuencia de cargas establecida de antemano. Para cada incremento de carga, el espécimen sufre una primera deformación, atribuible al proceso de expulsión de agua o 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 ha terminado el proceso de consolidación primaria. El ensayo de consolidación puede realizarse en el laboratorio, usando anillos fijos o flotantes, el anillo fijo puede utilizarse para medir el coeficiente de permeabilidad de la muestra a la vez que se realiza el ensayo de consolidación. La ventaja del anillo fijo es que reduce la pérdida por fricción a lo largo de las paredes de la muestra entre el suelo y el anillo y la velocidad del ensayo es casi cuatro veces mayor.

LIMITACIONES DEL ENSAYO La extrapolación de los datos de laboratorio a problemas de evolución de asentamientos en el campo, mediante la teoría de la consolidación, no toma en cuenta la consolidación secundaria. El ensayo de laboratorio es unidimensional por el hecho de que con un anillo metálico para confinar la muestra, no se permite flujo o movimiento de agua en el sentido lateral, todo el flujo de agua y el movimiento del suelo ocurre en la dirección vertical. En el terreno, por el contrario, ocurre algo de movimiento lateral . El ensayo de consolidación se avanza aplicando cargas en una progresión geométrica con una relación incremental:

 ' 1  '

donde:

 ' : Incremento de presión.  ' : Presión actuante.

Pueden utilizarse otras relaciones, pero se ha observado que si dicha relación no es suficientemente grande, el suelo tiende a desarrollar una resistencia interna a la carga y la deformación total de la muestra será menor que la obtenida con la relación sugerida.

Consolidación Unidimensional




-

Balanzas, con sensibilidad de 0.01 gr para especímenes de hasta 200 gr

-

Recipientes de secado, hechos de un material resistente a la corrosión y al cambio de peso debido al calentamiento repetitivo, enfriamiento, exposición a materiales de pH variado y a la limpieza.

-

Consolidómetros, equipo para efectuar el ensayo, incluyendo las celdas de consolidación, anillos, pesas de carga y demás accesorios.


Debe evitarse el contacto con el consolidómetro una vez colocada la carga pues la más leve presión puede modificar los resultados.

-

Por limitaciones de tiempo resulta prácticamente imposible que se realice la secuencia de cargas completa para poder dibujar la curva e – log ´, por consiguiente el ensayo se limitará a una secuencia de una o dos cargas por grupo y los resultados que se obtendrán serán las Gráficas de Taylor y Casagrande

PROCEDIMIENTO -

Medir el diámetro y la altura y pesar el anillo.

-

A cada grupo se le entrgará una muestra previamente tallada y colocada dentro del anillo. Anotar el peso del anillo con la muestra. .

-


Armar el consolidómetro, colocando papel de filtro y una piedra porosa saturada en cada extremo. Ajustar bien de modo que no haya pérdidas de agua. Colocar el consolidómetro sobre el aparato de carga.


-

Colocar el dial de deformación y ajustar en 1000 x 10-3 cm. Colocar la carga indicada por el Jefe de Prácticas, sin que haga contacto sobre el suelo. Llenar de agua la celda y hacer contacto. Se requiere conocer la temperatura del agua. - Notar si ocurre expansión. Aplicar la carga y tomar lecturas de deformación a 6, 15 y 30 segundos, 1, 2, 4, 8, 15 y 30 minutos, 1, 2, 4 y 24 horas. -

Repetir el proceso duplicando la carga y luego descargar.

-

Pesar la muestra al finalizar el ensayo, y secar al horno para determinar el peso seco.

-

Medir el diámetro y la altura y pesar el anillo.

-

Utilizando una parte de la muestra seca, determinar el Gs del material.

.

MUESTRAS EN LAS QUE SE PUEDE REALIZAR ESTE ENSAYO Este ensayo requiere que se mantengan intactas las proporciones de sólidos, agua y aire en la muestra, por consiguiente se necesita:

Mit: Muestra inalterada en tubo. Mib: Muestra inalterada en bloque.

RESULTADOS -

Se determinarán las propiedades índice y variación de la humedad. Para el diagrama de fases final, se debe tomar la altura final de la muestra, referida a la última lectura del ensayo de consolidación.

-

Para cada carga se construirá el gráfico de Taylor, a fin de determinar el tiempo correspondiente al 90% de consolidación ( t 90) y la lectura en el dial de deformación asociada a dicho tiempo ( D 90). Para determinar estos valores, se debe de trabajar con el valor de la deformación inicial corregida. A partir de esta información, se calcula D100, la compresión primaria ( D0 corregido - D100), y con el t 90 se calculará C v, k (coeficiente de permeabilidad a 20ºC) y mv.

-

Repetir el procedimiento anterior, con el método de Casagrande (dial vs. log t, t 50, D 50).

-

Ambas gráficas (Taylor y Casagrande) serán dibujadas en Excel o algún otro programa similar (no se aceptarán gráficas dibujadas a mano).



Al final del laboratorio se les entregará un juego de resultados de una secuencia completa de cargas a fin de que puedan realizar la gráfica e – log ´ y a partir de ella los parámetros de consolidación.

Nota: Los formatos a llenar para el ensayo de consolidación unidimensional, son los siguientes:



ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN (DEFORMACIÓN-TIEMPO) PRÁCTICA N

GRUPO FECHA / /

ALUMNO

MUESTRA:

PROFUNDIDAD:

CARGA:kg/cm²

CARGA:kg/cm²

CARGA:kg/cm²

CARGA:kg/cm²

INICIO

INICIO

INICIO

INICIO

Día:

/

/

Hora:

Día:

/

/

Hora:

Tiempo (min.)

Dial 10-3 cm

Día:

/

/

Hora:

Tiempo (min.)

Dial 10-3 cm

Día:

/

/

Hora:

Tiempo (min.)

Dial 10-3 cm

Tiempo (min.)

0.00

0.00

0.00

0.00

0.10

0.10

0.10

0.10

0.25

0.25

0.25

0.25

0.50

0.50

0.50

0.50

1

1

1

1

2

2

2

2

4

4

4

4

8

8

8

8

15

15

15

15

30

30

30

30

60

60

60

60

120

120

120

120

240

240

240

240

480

480

480

480

1440

1440

1440

1440

Dial 10-3 cm


CÁLCULO DEL ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN PRÁCTICA N

ALUMNO

MUESTRA:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

FECHA/ /

PROFUNDIDAD:

Altura inicial (L0) :

Carga kg/cm²

GRUPO

Relación de Vacíos Inicial (e0) :

Lectura Inicial 10-3 cm

Lectura 24 h. 10-3 cm

H cm

e

e


VELOCIDAD DE CONSOLIDACIÓN - MÉTODO DE TAYLOR PRÁCTICA N MUESTRA:

PROFUNDIDAD:

Altura inicial (L0) : Carga kg/cm² 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

GRUPO FECHA / /

ALUMNO

Lect. Inicial 10-3 cm

Relación de Vacíos Inicial (e0) : D90 10-3 cm

t90 % min

D100 10-3 cm

Compresió Cv n Primaria cm²/min

k cm/s

mv cm²/kg


VELOCIDAD DE CONSOLIDACIÓN - MÉTODO DE CASAGRANDE PRÁCTICA N MUESTRA:

PROFUNDIDAD:

Altura inicial (L0) : Carga kg/cm² 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

GRUPO FECHA / /

ALUMNO

Lect. Inicial 10-3 cm

Relación de Vacíos Inicial (e0) : D50 10-3 cm

t50 % min

D100 10-3 cm

Compresió Cv n Primaria cm²/min

k cm/s

mv cm²/kg


6.1. COMPRESIÓN SIMPLE

INTRODUCCIÓN El ensayo de compresión simple o compresión no confinada de un suelo es un medio rápido para determinar la resistencia al corte de un suelo. Construyendo el círculo de Mohr resulta evidente que la resistencia al corte o cohesión ( c) de una muestra de suelo puede ser calculada aproximadamente como: c



qu

2

donde qu representa la resistencia a la compresión no confinada del suelo. Este cálculo se basa en el hecho que el esfuerzo principal menor 3 es cero (pues la muestra está sometida únicamente a la presión atmosférica) y que el ángulo de fricción interna del suelo se supone cero (se asume que el suelo es puramente cohesivo y no tiene ningún tipo de resistencia al corte friccionante).

LIMITACIONES Analizando mejor el comportamiento del suelo, se hace evidente que el ensayo de compresión simple generalmente no proporciona un valor bastante confiable de la resistencia al corte del suelo por al menos las siguientes tres razones: -

El efecto de la restricción lateral provista por la masa de suelo sobre la muestra se pierde cuando la muestra es removida del terreno. Existe sin embargo la opinión de que la humedad del suelo le provee un efecto de tensión superficial (o confinamiento) de forma que la muestra está algo “confinada”. Este efecto debería ser más pronunciado si la muestra está saturada o cercana a la saturación. Este efecto dependerá también de la humedad relativa del área del experimento, lo cual hace su evaluación cuantitativa más difícil.

-

La condición interna del suelo (grado de saturación, presión de agua de los poros bajo esfuerzos de deformación y efectos de alteración del grado de saturación) no pueden controlarse.

-

La fricción en los extremos de la muestra producida por las placas de carga origina una restricción lateral sobre los extremos que altera los esfuerzos internos en una cantidad desconocida.

Los errores producidos por los dos primeros factores pueden eliminarse o por lo menos reducirse utilizando los experimentos triaxiales, y el tercer aspecto, si bien no es muy relevante, puede minimizarse empleando platinas especiales de apoyo para reducir los efectos de fricción. Compresión Simple


SIGNIFICADO Y USO El ensayo de compresión simple se usa ampliamente porque constituye un método rápido y económico de obtener aproximadamente la resistencia al corte de un suelo cohesivo. A pesar de que los resultados del ensayo de compresión no confinada pueden tener poca confiabilidad, existen muy pocos métodos de ensayo que permitan resultados mucho mejores, a menos que se refinen considerablemente. Los resultados de resistencia al corte a partir de ensayos de compresión simple son razonablemente confiables si se interpretan adecuadamente y se reconoce que el experimento tiene ciertas deficiencias. El ensayo de compresión simple puede hacerse con control de deformación unitaria o con control de esfuerzo. El experimento de deformación unitaria controlada es casi universalmente empleado. Un experimento de esfuerzo controlado requiere cambios en los incrementos de carga y puede causar una respuesta errática en deformaciones unitarias y/o en la resistencia última. Las muestras de suelos se ensayan hasta que la carga comience a decrecer o hasta que por lo menos se haya desarrollado una deformación unitaria del 20%. Se efectúan los cálculos de esfuerzo y deformación unitaria para obtener el máximo esfuerzo (a menos que ocurra primero el 20% de la deformación unitaria) que se toma como la resistencia a la compresión no confinada qu del suelo. La deformación unitaria se calcula como:  

donde:

 L Lo

L = deformación total (axial) de la muestra, mm L o = longitud original de la muestra, mm

El esfuerzo instantáneo del ensayo sobre la muestra se calcula como:

  donde:

P A´

P = carga sobre la muestra en cualquier instante para el correspondiente valor de L, kg A´ = área de la sección transversal de la muestra para la carga correspondiente P, cm2

En Mecánica de Suelos es común corregir el área sobre la cual actúa la carga P, ya que se debe permitir una cierta tolerancia sobre la forma como el suelo es realmente cargado Compresión Simple


en el terreno. Aplicar esta corrección al área original de la muestra es algo conservador pues la resistencia última calculada de esta forma será menor que la que se podría calcular utilizando el área original. El área original A se corrige considerando que el volumen total de suelo se mantiene constante. El volumen total inicial de la muestra es:

V T  Ao Lo pero después de algún cambio L en la longitud de la muestra,

V T  A´  Lo   L  Igualando estas dos expresiones y simplificando se obtiene:

A´ 

Ao 1  



-


adelante

Compresión Simple

-


-

Pie de rey o Vernier, para obtener las dimensiones de la muestra

-

Equipo de Compresión No Confinada, para ensayar la muestra según las especificaciones indicadas más


PROCEDIMIENTO

-

Pesar y medir el diámetro y altura de la muestra proporcionada. Colocar en la máquina de compresión. Ajustar el dial de deformación.

-

Aplicar deformación a una velocidad de 1000 m/min y tomar lecturas del deformímetro de carga para las siguientes lecturas del dial de deformación (de 0,01 mm/división): 0, 10, 20; cada 20 hasta 100; cada 25 hasta 600 y cada 50 hasta 1600. Al llegar a 1600 se detiene el ensayo, salvo indicación contraria del Jefe de Prácticas.

-

Medir el ángulo de falla.

-

Reamasar la muestra con las mismas características geométricas que el ensayo anterior, usando el molde y el pisón. Repetir el ensayo con la muestra así obtenida

-

Finalmente tomar una muestra de humedad y determinar el Gs del material.

MUESTRAS EN LAS QUE SE PUEDE REALIZAR ESTE ENSAYO Este ensayo requiere que la muestra conserve intactas todas sus propiedades y la proporción entre aire, agua y partículas sólidas, por consiguiente se necesita:

Mib: Muestra inalterada en bloque Mit: Muestra inalterada en tubo.

RESULTADOS -

Debe de calcularse las propiedades índice y la variación de la humedad. Para el diagrama de fases final, se consideran las mismas características geométricas iniciales.

-

Para ambas muestras (inalterada y amasada), calcular los esfuerzos considerando el área corregida por el factor de área.

Compresión Simple


-

Presentar los dos gráficos - conjuntamente, anotando los valores máximos de esfuerzo. Calcular la sensitividad.

-

Dibujar el círculo de Mohr para ambas muestras.

Nota: Los formatos a llenar para el ensayo de compresión simple son:

Compresión Simple


ENSAYO DE COMPRESIÓN SIMPLE PRÁCTICA N°

GRUPO FECHA / /

ALUMNO

MUESTRA:

PROFUNDIDAD:

Tipo: Dial de Deformac. *10-3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

L.R.C. Dial de Carga

Deform. Muestra L, cm

Def. Unitaria

FACTOR C.F. = 1 -

Área Corregida A' = A0 /C.F.

Fuerza P kg

Esfuerzo

6.2. CORTE DIRECTO

INTRODUCCIÓN El ensayo de corte directo induce la ocurrencia de una falla a través de un plano de localización predeterminado. Sobre este plano actúan dos fuerzas (o esfuerzos) – un esfuerzo normal debido a una carga vertical Pv aplicada externamente y un esfuerzo cortante debido a la aplicación de una carga horizontal P h. Estos esfuerzos se calculan simplemente como:

 n



Pv A

 

Ph A

donde A es el área nominal de la muestra (o de la caja de corte) y usualmente no se corrige para tener en cuenta el cambio de área causado por el desplazamiento lateral de la muestra. Estos esfuerzos deberían satisfacer la ecuación de Coulomb:

  c   n tan Como en esta ecuación existen dos cantidades desconocidas, c y , se requiere obtener dos valores, como mínimo, de esfuerzo normal y esfuerzo cortante para obtener una solución. Además, utilizando los valores de esfuerzo cortante y esfuerzo normal n obtenidos podemos dibujar el círculo de Mohr para cada ensayo y trazar la envolvente de falla con lo que se obtiene en forma gráfica los valores de c y  Para materiales no cohesivos, debería cumplirse: c = 0

LIMITACIONES Las inexactitudes del ensayo y los efectos de tensión superficial de los materiales húmedos no cohesivos a menudo producen un valor de cohesión (aparente), que debería despreciarse a menos que sea mayor a 10 a 15 kPa (0.1 a 0.15 kg/cm 2). Si el valor de la cohesión es grande siendo el suelo un material no cohesivo, debería investigarse la razón para haber obtenido dicha cohesión.

Corte Directo Laboratorio de Mecánica de Suelos 2012-1

95


El ensayo de corte directo tiene algunas fallas, como por ejemplo: -

El área de la muestra cambia a medida que el ensayo progresa, sin que esto sea demasiado significativo ya que la mayoría de las muestras “fallan” a deformaciones muy bajas.

-

La superficie de falla real no es un plano, como se supuso o se intentó obtener con el tipo de caja de corte que se diseñó ni tampoco se tiene una distribución uniforme del esfuerzo cortante a lo largo de la superficie de falla como también se supuso.

-

El ensayo usa una muestra muy pequeña, con el consiguiente resultado de que los errores de preparación son relativamente importantes.

-

El tamaño de la muestra excluye la posibilidad de hacer mucha investigación de las condiciones de presión de poros durante el ensayo.

- No es posible determinar el módulo de elasticidad ni el de la relación de Poisson. -

El ensayo triaxial es mucho más confiable y completo.

SIGNIFICADO Y USO A pesar de todas las desventajas del ensayo de corte directo, señaladas anteriormente, su ejecución presenta también una serie de ventajas que muchas veces lo hacen más práctico que otro ensayo alternativo, como por ejemplo: -

El ensayo triaxial es mucho más difícil de realizar y de interpretar, especialmente si se toman medidas de presión de poros.

-

El tamaño de las muestras hace que efectuar ensayos consolidados – no drenados y consolidados – drenados no requiera demasiado tiempo, pues el tiempo de drenaje es bastante corto aún para materiales con bajo coeficiente de permeabilidad, debido a que el camino de drenaje es muy pequeño.

-

Se ha introducido el uso de cajas con forma cuadrada de modo que la reducción de área durante el ensayo puede fácilmente tenerse en cuenta si se desea. El uso de cajas cuadradas es relativamente reciente y la mayoría de la máquinas antiguas todavía emplean cajas circulares.

-

Los parámetros del suelo c y obtenidos por el método de corte directo son casi tan confiables como los valores triaxiales.


96


TIPOS DE ENSAYO Los ensayos de corte directo pueden clasificarse en: -

Ensayos no consolidados no drenados: el corte se inicia antes de consolidar la muestra bajo la carga normal Pv. Si el suelo es cohesivo y saturado, se desarrollará exceso de presión de poros.

-

Ensayos consolidados no drenados: se aplica la fuerza normal y se observa el movimiento vertical del deformímetro hasta que pare el asentamiento antes de aplicar la fuerza cortante.

-

Ensayos consolidados drenados: la fuerza normal se aplica y se demora la aplicación del corte hasta que se haya desarrollado todo el asentamiento, se aplica a continuación la fuerza cortante muy lentamente, de modo que se evite el desarrollo de presiones de poros en la muestra.

Para suelos no cohesivos, estos tres ensayos dan el mismo resultado, esté la muestra saturada o no y por supuesto, si la tasa de aplicación del corte no es demasiado rápida. Para suelos cohesivos, los parámetros de suelos están marcadamente influenciados por el método de ensayo y por el grado de saturación y por el hecho de que el material esté normalmente consolidado o sobreconsolidado

EQUIPOS Para este ensayo se emplea lo siguiente:

-


-

Pie de rey o Vernier, para obtener las dimensiones de la caja de corte

-

Equipo de Corte Directo, para ensayar la muestra según las especificaciones indicadas más adelante


97


PROCEDIMIENTO -

Medir las características de la caja de corte (diámetro y altura). Ensamblar la caja de corte y fijarla en posición mediante el pin de seguridad.

-

Compactar la arena en el molde hasta alcanzar la densidad especificada por el Jefe de Prácticas, teniendo cuidado de colocar las piedras porosas dentadas en los extremos de la muestra.

-

Colocar el pistón de carga.

-

Montar la caja en la máquina de corte. Aplicar la carga normal especificada. Ajustar los diales de deformación y el dial de carga.

-

Sacar el pin de seguridad.

-

Aplicar la carga de corte (horizontal) a una velocidad de 1000 m/min y tomar lecturas del dial de carga y deformación vertical, para las siguientes lecturas del dial de deformación horizontal (de 0,01 mm/división): 0, 10, 20; cada 20 hasta 100; cada 25 hasta la falla. Detener el ensayo si la lectura de carga se repite cuatro veces, ó si la deformación en la descarga es el 80% de la deformación asociada a la máxima fuerza de corte.

-

Repetir el procedimiento con otra carga (sólo si lo indica el Jefe de Práctica).

-

Determinar el Gs de la muestra.

MUESTRAS EN LAS QUE SE PUEDE REALIZAR ESTE ENSAYO El ensayo se puede realizar tanto a muestras inalteradas como a muestras remoldeadas:

Mib: Muestra inalterada en bloque. Mit: Muestra inalterada en tubo. Mab: Muestra alterada en bolsa


98


RESULTADOS -

Calcular las propiedades índice de la muestra.

-

Calcular los esfuerzos considerando el área corregida.

-

Presentar el gráficos (deformaciones horizontales)- e indicar el valor del máximo esfuerzo cortante para la carga normal del ensayo.

-

Con los datos de los otros grupos, dibujar la envolvente de Mohr. En este caso cada horario trabajará con los datos que le indique el Jefe de Prácticas.

Nota: Los formatos a llenar para el ensayo de corte directo son:


99


ENSAYO DE CORTE DIRECTO PRÁCTICA N°

GRUPO FECHA / /

ALUMNO

MUESTRA:

PROFUNDIDAD:

Esfuerzo Normal:

Dial de Deformac. *10-3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Dial de Carga

kg/cm² L.R.C.

Desplaza. Horizontal H, cm

H/D0

arc Cos ( H/D0)

Área Corregida A'

Fuerza Horizontal P kg

Esfuerzo

6.3. ENSAYOS TRIAXIALES

NORMAS: ASTM D 2850 y ASTM D 4767 INTRODUCCIÓN Dentro de todos los ensayos de Mecánica de Suelos, merecen un comentario especial los ensayos de corte triaxial, por su importancia en la Ingeniería Civil. La Mecánica de Suelos Experimental le da una gran importancia a la simulación de los estados de esfuerzos y deformaciones que se pueden presentar en un suelo, en el lugar de construcción de cierta obra, como consecuencia de las cargas que ésta transmite al terreno. Consciente de esta necesidad, nuestra Universidad ha adquirido recientemente un moderno equipo de ensayos triaxiales. Este equipo permite determinar con mucha precisión las propiedades físico-mecánicas de los suelos. En los ensayos triaxiales, se simulan las cargas verticales y horizontales a las que estará sometido el suelo, así como el efecto del agua contenida en sus poros. Mediante este ensayo se puede representar el efecto que causará la construcción de un proyecto y simular situaciones como la variación en la velocidad de construcción, cambios en el contenido de agua en el suelo o variación en las condiciones de drenaje impuestas por la instalación de un elemento que modifica la trayectoria del agua en el suelo. Para poder representar las diferentes condiciones de esfuerzos a las que pueden estar sometidos los suelos, se distinguen dos etapas en los ensayos. En la primera, la muestra de suelo es sometida a una presión de confinamiento triaxial ( 3). En una segunda etapa, se aplica una carga vertical, el esfuerzo desviador ( 1 - 3) hasta producir la falla del suelo por corte. La muestra se encuentra siempre protegida por una membrana elástica impermeable, y se tiene la opción de permitir o no el drenaje de agua. Esta última decisión, afecta notablemente la duración de los ensayos, y lo que es mas importante, el comportamiento de los suelos. Si en la primera etapa se permite el drenaje, la prueba es consolidada ( C ), caso contrario, no consolidada ( U ); similarmente, la segunda etapa puede ser drenada ( D) o no drenada ( U ).

DESCRIPCIÓN GENERAL El tipo de ensayo triaxial usado con más frecuencia en trabajos de investigación y en procedimientos de rutina es el ensayo de compresión cilíndrica. En este ensayo los cambios en los esfuerzos suelen realizarse en dos etapas: (i) un incremento de la presión en la celda que resulta en un cambio uniforme en la presión de confinamiento y (ii) un incremento en la carga axial que genera un cambio en “esfuerzo desviador”. Bajo dichas condiciones los cambios en los esfuerzos principales menor e intermedio ( 3 y 2, respectivamente) son iguales al incremento en la presión de la celda y el incremento en el “esfuerzo desviador” es igual a . Ensayos Triaxiales Laboratorio de Mecánica de Suelos 2012-1

101


En este ensayo, el espécimen cilíndrico se sella mediante una membrana de goma resistente al agua y se encierra en una celda en la cual se le someterá a la presión de un líquido que suele ser agua. Una carga axial es aplicada luego, mediante un pistón en la parte superior de la celda y se emplea para controlar el “esfuerzo desviador”. Bajo dichas condiciones, el esfuerzo axial es el esfuerzo principal mayor, , y los esfuerzos principales menor e intermedio  y 2) son iguales a la presión de la celda. Las conexiones en los extremos de la muestra permiten, en unos casos, el drenaje de agua y aire de los poros, y en otros, la medición de la presión de poros en condiciones no drenadas. Generalmente, la aplicación de la presión de confinamiento y del “esfuerzo desviador” constituyen dos etapas separadas del ensayo; de esta manera, los ensayos suelen ser clasificados de acuerdo con las condiciones de drenaje durante cada etapa: -

Ensayo No Drenado (UU): no se permite el drenaje y por lo tanto no existe disipación de la presión de poros durante la aplicación de la presión de confinamiento ni durante la aplicación del “esfuerzo desviador”.

-

Ensayo Consolidado – No Drenado (CU): se permite el drenaje durante la aplicación de la presión de confinamiento, de modo que la muestra se consolida totalmente bajo dicha presión, pero no se permite el drenaje durante la aplicación del “esfuerzo desviador”.

-

Ensayo Drenado (CD): se permite el drenaje durante todo el ensayo, de modo que la muestra se consolida totalmente durante la aplicación de la presión de confinamiento y no existe exceso de presiones de poros durante la aplicación del “esfuerzo desviador”.

Para efectos del presente laboratorio, se realizará una demostración de un ensayo triaxial.

EQUIPOS Entre los equipos empleados en los ensayos triaxiales, podemos mencionar: -

Marco de carga (Digital Tritest 50), de 50 kN de capacidad, con un microprocesador, pantalla de cristal de cuarzo y teclado sensible al tacto, todo lo que permite detener o modificar la velocidad de un ensayo durante el mismo. La velocidad de deformación puede variar entre 0,00001 a 9,99999 mm/min. Adicionalmente el microprocesador permite a través de órdenes recibidas vía un puerto RS232C

102


controlar las funciones del marco de cargas. - Celdas triaxiales, que soportan presiones de 1700 kPa. Las celdas tienen cinco agujeros, en los que se pueden conectar llaves o tapones, según los parámetros que se deseen medir o presiones que se deseen aplicar: drenaje superior e inferior, contra presión, presión de poros, presión de confinamiento o medición del cambio de volumen. -

Compresora, que permite aplicar una presión máxima de 1380 kPa, y contínua de 1000 kPa.

-

Panel de control de presión, con seis dispositivos que permiten aplicar seis presiones independientes de hasta 1000. kPa. .

-

Sistemas de presión constante aceite/agua, para aplicar presiones de confinamiento o contra presiones en un rango de 0 a 1700 kPa, muy versátil y que permiten fácilmente aumentar o disminuir dichas presiones.

-

Dispositivo toma de datos automática ( ADU ), con ocho canales, controlado por un microprocesador 65C02 que permite manejar la información de hasta 255 ensayos independientes simultáneamente, con una velocidad de toma de lecturas de hasta 100 lecturas/seg. Los intervalos entre lecturas pueden variar entre 100 microsegundos a 22 días. Contiene un acondicionador independiente de señales para cada canal, un convertidor A/D de alta resolución, un dispositivo de control de voltaje que permite optimar la resolución de las lecturas, y una memoria de estado sólido de 256 k. Los datos almacenados en esta memoria se protegen mediante una batería de las fallas de electricidad. El equipo permite la programación independiente de cada canal y cuenta con un reloj interno que permite programar intervalos de lecturas en tiempo real, logaritmo de tiempo y raíz cuadrada del tiempo.

PROCESAMIENTO DE RESULTADOS Con la finalidad de poder dirigir completamente la ejecución de los ensayos triaxiales se ha desarrollado un programa para controlar tanto la unidad de adquisición de datos como el marco triaxial, este programa que trabaja en un entorno de MS Windows 95 permiten dar las órdenes para la ejecución de los ensayos y almacenar la información procedente del mismo en un archivo para su posterior procesamiento. Adicionalmente contamos con programas desarrollados en este Laboratorio para el procesamiento de la información obtenida en el ensayo. Los resultados se presentan tanto en forma tabular como gráfica, siendo estos últimos los que mayor utilidad proporcionan al diseñador. Estos gráficos son: -

Deformación unitaria axial - Esfuerzo desviador, Deformación unitaria axial - Presión de poros,

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Trayectoria de esfuerzos (que permite la ubicación del punto de máximo esfuerzo cortante en un círculo de Mohr en cualquier instante del ensayo), Relación de tensiones - Deformación unitaria axial, y, Círculos de Mohr de esfuerzos totales y efectivos para diferentes criterios de falla.

De estos círculos de Mohr, es que se obtienen los parámetros de resistencia al corte de los suelos: cohesión y ángulo de fricción interna.

Deformación unitaria axial – Esfuerzo desviador

Deformación unitaria axial – Presión de poros

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Trayectorias de Esfuerzos

Relación de Tensiones – Deformación unitaria axial

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2 - PUCP - Guía de Laboratorio de Mecánica de Suelos 2013-1 DensPg61-64

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