Mecánica de Suelos ICI – 7092 Relaciones volumétricas – contenido de humedad, humedad, densidad y gravedad específica Fecha del laboratorio: Agosto laboratorio: Agosto 11, 11, 2014 Fecha del informe: Agosto informe: Agosto 15, 2014
1.
Miem Miembr bros os de dell gru grupo po y dis distr trib ibuc ució ión n de de tar tarea eass Miembros del grupo Arenas Víctor Altamiranda María Alejandra Amín Alfredo Charris Nathalia Cassalins Ruben Herrera Henry
Las tareas fueron distribuidas de la siguiente manera: !"der del !aboratorio: Víctor Arenas #pi$ue y recolección del material: María Alejandra Altamiranda Ruben Cassalins Nathalia Charris Henry Herrera !aboratorio María Alejandra Altamiranda Ruben Cassalins Nathalia Charris Alfredo Amín %laboración del In&orme Víctor Arenas Alfredo Amín Henry Herrera
2. Introdu Introducci cción ón y ob'eti( ob'eti(os os Para el estudio de los suelos, se deben analizar muchas propiedades y caract caracterís erístic ticas as con el fn de conocer conocer el compor comportam tamien iento to de dicho recurso natural como lo es el suelo en particular. Se sabe que este material orgánico constituido por un esqueleto de partículas sólidas liquida y gaseosa. Generalmente estos vacíos son aire, aunque en algu alguno nos s caso casos s pued puede e que que esos esos espa espaci cios os sean sean llen llenad ados os tant tanto o por por comp compue uest stos os gase gaseos osos os como como líqu líquid idos os.. Para ara pode poderr desc descri ribi birr las las cara caract cter erís ísti tica cas s de un suel suelo, o, se vuel vuelve ve neces ecesar ario io desc descri ribi birr las las prop propor orcio cione nes s de las las ase ases s que que lo comp compon onen en,, en t!rm t!rmin inos os de sus sus propiedades ísicas. Para determinar todas estas propiedades se han establecido una serie de relac elacio ione nes s volu volum! m!tr tric icas as y grav gravim im!t !tri rica cas. s. "sta "stas s pued pueden en ser ser determinadas a trav!s de los respectivos ensayos de laboratorio. #e
acuerdo a lo anterior se han establecido los siguientes ob$etivos para esta e%periencia& •
•
Reali!ar la recolecci"n de una muestra de suelo en el lugar corres#ondiente asignado #re$iamente #or el #rofesor %eterminar las relaciones $olum&tricas y gra$im&tricas m's im#ortantes a #artir del contenido de humedad( densidad y gra$edad es#ecífica del suelo
). Marco conceptual )ara la reali!aci"n de estos ensayos debemos tener conocimiento de algunos conce#tos utili!ados a lo largo de los e*#erimentos +l suelo es un recurso natural ,ue es re,uerido y juega un #a#el muy im#ortante en la ingeniera ya ,ue es utili!ado como material de construcci"n siendo la mayoría de las $eces el so#orte de todas nuestras estructuras o cimentaciones +l suelo est' com#uesto #or #artículas solidas -granos minerales o material org'nico descom#uesto. y a su $e! #or lí,uido y gases ,ue $an ocu#ando los $acios ,ue se generan entre unas #artículas y otras )or esto al estudiar el suelo se #ueden tener diferentes com#ortamientos ,uímicos y org'nicos lo cual deben ser anali!ado minuciosamente #ara saber si es a#to o no #ara cual,uier #royecto ,ue ,ueramos lle$ar a cabo( en este caso nosotros estamos anali!ando su contenido de humedad( gra$edad es#ecifica y densidad( es #or esto ,ue nos basaremos en conce#tos relacionados con estos tres ensayos +s im#ortante tener en cuenta ,ue estas #ro#iedades del suelo cambian seg/n la tem#eratura a la cual est' siendo sometido en su 'mbito natural( a la humedad( a las características del entorno en el ,ue se encuentra el de#"sito y los suelos $arían r'#idamente a medida ,ue su #rofundidad aumenta +l suelo en estado natural est' com#rendido de tres fases( fase li,uida( solida y gaseosa( la fase li,uida y gaseosa es lo ,ue conocemos como $olumen de $acío( en la #arte solida es donde encontramos la #resencia de minerales de distintos tama0os como el Cuar!o( Limonita( 1lita entre otros
Imagen 1. Fases del suelo Fuente %as -2344. Va: Volumen del aire en los $acios 6: )eso total del suelo V5: Volumen del agua en los $acios 7s 7ra$edad es#ecífica de los s"lidos Vs: Volumen de s"lidos del suelo del suelo V$: Volumen de $acios 8 5: )eso unitario del agua V: $olumen total del suelo 65: )eso del agua 6s: )eso de los s"lidos del suelo
+l $olumen de la muestra y el #eso son medidas re,ueridas #ara #oder hallar las otras relaciones $olum&tricas y gra$im&tricas( el $olumen total es e*#resado como: V =Vs + Vv= Vs + Vw + Va
9ambi&n el #eso total se #uede e*#resar #or medio de una ecuaci"n #ero debemos en esta en #eso del aire lo consideramos des#reciable
W = Ws+ Wa +l #eso es#ecífico es definido como la masa total de la muestra de suelo sobre el $olumen de la muestra W γ = V +l contenido de humedad tambi&n llamada contenido de agua se #uede definir como el #eso del agua entre el #eso de los s"lidos del suelo
w=
Ww Wh− Wd = Ws Wd
6h: )eso de los solido de suelo h/medo 6d: )eso de os s"lidos de suelo seco La densidad es la relaci"n de la masa entre el $olumen del suelo
ρ=
M V
*. +escripción del terreno La muestra ,ue obtu$imos #ara la reali!aci"n de los ensayos la ad,uirimos en el barrio cam#o alegre ubicado en la ciudad de barran,uilla( alrededor de la carrera ;<2 con calle 4= -Fig;.( este barrio es famoso en la ciudad de barran,uilla ya ,ue hubo una gran cantidad de casas ,ue se desli!aron #or la inestabilidad del terreno en la cual fueron construidas( debido a esto el lugar donde reali!amos el a#i,ue era muy solitario dando el as#ecto de una calle abandonada( las casas estaban desalojadas o destruidas( dando como resultado una gran cantidad de escombros +l terreno contaba con un gran contenido de material arcilloso ,ue #or su conte*tura daba la im#resi"n de estar bastante seco y agrietado( este suelo contaba con bastante $egetaci"n debido a ,ue esta un sector abandonado y la $egetaci"n ha ido aumentado en este sector -Fig>. )ara tomar la muestra de arcilla se reali!o un a#i,ue de a#ro*imadamente un metro de #rofundidad y == centímetros de ancho -Fig 4.( las herramientas ,ue utili!amos #ara la facilitaci"n del a#i,ue fue una #ala( un saco( un ca$ador( una cinta m&trica( un #ar de guantes( entre otras +l lugar de e*ca$aci"n fue ins#eccionado #or todos los encargados y seleccionado des#u&s de discutir sobre este -Fig.( a medida ,ue a$an!'bamos en la e*ca$aci"n se nos dificultaba cada $e! m's continuar con nuestro trabajo debido a ,ue esto lo hacíamos manualmente y el es#acio se nos reducía #ara el ingreso de la #ala -Fig=.( a#ro*imadamente a un metro de #rofundidad logramos encontrar un material muy fino con características #arecida a la arcilla( de manera bastante em#írica tomamos una #e,ue0a muestra de este material( la tocamos( la obser$amos #ara $er la ,ue tanto se desmoronaba este material( seguidamente le agregamos un #oco de agua #ara #oder obser$ar si se com#ortaba de manera #l'stica -Fig ?. Al finali!ar esto sacamos la mayor cantidad de material en un saco #ara ser trans#ortado al laboratorio de materiales de construcci"n y geotecnia de la uni$ersidad del Norte Finalmente el lugar en el cual e*ca$amos fue sellado #ara e$itar accidentes a #ersonas e*ternas a nosotros -Fig @.
Imagen 2. Vista satelital del de#"sito en el cual obtu$imos la muestra Fuente: 7oogle Ma#s
Imagen ). Calle en la cual hicimos el a#i,ue
Imagen ,. )roceso de e*ca$aci"n
Imagen 7. ellado del agujero Imágenes )/. uente: )ro#ia
Imagen *. 1nicio del a#i,ue
Imagen - Re$isi"n del material fino
Imagen . %imensiones del a#i,ue
,. %$uipo eperimental y procedimiento ,.1 Contenido de umedad
)ara determinar el contenido de humedad fue necesario usar los siguientes e,ui#os: 2 Reci#iente de aluminio ;
Horno
2 ;
>
e reali!aron los siguientes #asos: e seleccion" un reci#iente de aluminio y se coloc" en la balan!a #ara conocer su #eso e seleccion" una muestra re#resentati$a del suelo h/medo y se coloc" en el reci#iente de aluminio y se coloc" nue$amente en la balan!a #ara conocer el #eso de la muestra La muestra ya #esada se #rocedi" a colocarla en el horno a una tem#eratura constante de 2BBD 2= grados Celsius La muestra se fue secada hasta mostrar un #eso constante
,.2 3ra(edad espec"&ica
)ara determinar la gra$edad es#ecífica fue necesario usar los siguientes e,ui#os: 2 )icn"metro ; Martillo >
2 ; > = ? @ 4 3
e reali!aron los siguientes #asos: e selecciono una muestra significati$a del suelo e coloco la muestra de dentro del horno alrededor de 2? a ; horas a una tem#eratura controlada de 2BBD 2= e saco la muestra del horno y se #rocedi" a gol#ear la muestra seca con un martillo hasta ,ue el material ,uede lo m's fino #osible e coloco en un reci#iente todo el material triturado #ara des#u&s #asarla #or el tami! ;BB %e la muestra triturada ,ue #aso el tami! se selecciono 2B4 gramos e coloco el #icn"metro $acio sobre la balan!a #ara registrar su #eso %e igual manera se #eso el mismo #icn"metro #ero esta $e! con una cantidad moderada de agua e coloco la muestra dentro del #icn"metro con agua y se #rocedi" a reali!ar unos le$es mo$imientos rotatorios #ara ,ue la muestra ,uede sin aire e lleno de agua hasta la maraca del #icn"metro y se #rocedi" a #esarlo nue$amente
,.) +ensidad
)ara determinar la densidad fue necesario usar los siguientes e,ui#os: 2 Frasco $olum&trico de =BB ml ;
> )arafina de $elas Reci#iente de aluminio e reali!aron los siguientes #asos: 2 e seleccion" una muestra significati$a del suelo ; e coloc" la muestra en la balan!a #ara registrar su #eso > %entro del reci#iente de aluminio se coloc" la #arafina de $elas y se #uso a una fuente de calor hasta ,ue la #arafina este en estado li,uida e coloc" la muestra de suelo dentro del reci#iente con la #arafina de tal manera ,ue ,uede totalmente cubierta de una ca#a de #arafina con el fin ,ue la muestra este totalmente im#ermeable y no absorba agua = e coloc" la muestra de nue$o en la balan!a #ara determinar su #eso con la ca#a de #arafina ? e coloc" dicha muestra dentro de una #robeta con agua y se obser$" el $olumen des#la!ado #or la muestra
-. 4esultados del eperimento e interpretaciones -.1 %perimento no.1 – +eterminación del contenido de umedad
+l #eso de las #artículas solidas 6s -g.( ser' entonces la diferencia entre el #eso seco de la muestra y el #eso del reci#iente )or otra #arte( el #eso del agua corres#onde a la diferencia entre el #eso de la muestra h/meda y el #eso de la muestra seca Ws =Wseco− Recipiente
Ww =Whúmedo −Wseco
Wseco(g) Whúmedo(g) Wrecipiente(g) WRec+muestra(g) Ws(g) Ww(g)
',()
w (%)
5abla 1. Fuente #ro#ia
Luego entonces calculamos el contenido de humedad como:
w=
W w W s
× 100 =
96,4 1007,3
**+*, *+***,/ *+**00),/ ',
× 100 =9,57
+l contenido de humedad obtenido fue de 3(=@ E +s un contenido de humedad bajo #ara un suelo de tama0o arcilla( este resultado debe estar asociado a las condiciones del terreno( ,ue como se ha mencionado anteriormente es un terreno muy seco y agrietado -.2 %perimento no. 2 – 3ra(edad espec"&ica de los sólidos del suelo
)ara determinar la gra$edad es#ecífica de los s"lidos del suelo( se hi!o uso de un #icn"metro( se tomaron las medidas del #eso del #icn"metro solo( con agua( con agua y suelo( estos $alores se usan #ara determinar el #eso del agua como sigue:
W w = W T −W Pic +agua +suelo =W s +W Pic+agua −W Pic +agua + suelo
-',*' //(, 0/,+ *0/, 0,+
Picnómetro (g) Wpicnómetro+agua(g) Wpicnómetro+agua+suelo (g) Ws WT Ww
5abla 2. Fuente #ro#ia
Conociendo el #eso del agua( se calcula entonces la gra$edad es#ecífica de los s"lidos usando la siguiente f"rmula: W s G s= W w
Gs
+,'
i se ,uiere tener un incremento de #recisi"n se debe tener en cuenta el efecto de la tem#eratura sobre la densidad del agua( usando un factor de correcci"n dado como la relaci"n entre el #eso unitario del agua a tem#eratura del laboratorio:
α =
γ T γ 20° C
+ntonces la nue$a gra$edad es#ecífica ser':
G s= α
W s W w
Gravedad específca con actor de corrección por temperatura 1 0,'''0--/- Peso unitario temp. lab2+345 0,'')/+ Peso 6nitario temp +034 0 ''-+/
Gs (correc. T) 5abla ). Fuente #ro#ia
+,-
e obtu$o como resultado una gra$edad es#ecífica de ;(?4 asumiendo ,ue la tem#eratura del laboratorio es de a#ro*imadamente ;GC +ste resultado se encuentra dentro del rango de te"rico -;(? D;(3.( #or lo tanto los resultados son satisfactorios
-.) %perimento no.) – +eterminación de la densidad y peso unitario del suelo
)ara este e*#erimento se tomaron los siguientes datos:
), (,) /00 //(
W t( g) W tp(g) V i(ml) V f (ml)
5abla *.Fuente #ro#ia W t: Peso del terrón W tp: Peso del terrón + parafina V i: Volumen inicial (agua) V f : Volumen final (agua+terrón+parafina)
e conoce tambi&n la densidad de la #arafina y a #artir de los datos calculamos el #eso de #arafina: ρ p= 0,86 g / cm
3
W p= W tp−W t =56,7 g− 47,6 g= 9,1 g Luego calculamos el $olumen des#la!ado #or la #arafina como sigue:
V p=
W p ρ p
=
9,1 g 0,86 g / cm
3
=10,58 cm
3
Conociendo este $alor #odemos determinar ahora el $olumen des#la!ado #or el terr"n solamente:
V t =V −V i−V p= 335 ml −300 ml −10,58 ml =24,42 ml %e este modo ya conocemos tanto el $olumen como la masa del terr"n( #or lo cual #odemos calcular su densidad y #eso unitario:
ρt =
W t V t
=
47,6 g 24,42 cm
3
=1,95 g / cm
3
(
)
1 !g∗( 100 ) cm m g m !g γ t = ρt × 9,8 2 =1,95 × × 9,8 2 =1910,34 3 3 3 s cm s m 1000 g∗1 m
γ t =19,10 !" / m
3
3
3
-.* 4elaciones 6olumtricas y 3ra(imtricas
Los $alores obtenidos de contenido de humedad( gra$edad es#ecífica y #eso unitario del suelo se muestran a continuaci"n:
γ s=19,10 !" / m
3
Gs=2,68 w =9,57
A #artir de los $alores obtenidos se determinaran las dem's relaciones $olum&tricas fundamentales( listadas a continuaci"n:
n=
V V V T
$ w=
# 100
V w V v
# 100
-2.
-;.
e=
V V ->.
V $
w=
W w W s
# 100
-.
γ seco =
W $ -=.
V T
%"nde:
γ humedo =
W T V T
-?.
n: #orosidad V$: Volumen de $acío
G=
γ $ γ w
=
W $ V $ γ w
-@.
Vt: Volumen total 5: aturaci"n
W w = W t −W s
-4.
V5: Volumen de agua e: relaci"n de $acío Vs: Volumen de solido 5: Humedad γ : )eso es#ecífico
7: 7ra$edad es#ecifica 65: )eso del agua 6s: )eso del solido 6t: )eso total de la muestra
+l $olumen total de suelo corres#onder' al $alor obtenido del terr"n en el e*#erimento no >( y ser' igual al $olumen de los s"lidos m's el $olumen de $acíos: t ;(; ml
V t =V s + V v 24,42 =V s+ V v
-3.
Calculamos el #eso unitario seco como se e*#lica en el
19,10 !" / m γ 3 γ seco = = =17,43 !" / m 1+ w 1 + 0,957
+ntonces usando la ecuaci"n -=. obtenemos el #eso de los s"lidos:
(
3
)(
)(
1m 1000 " 1 !" 3 W s =γ seco ×V t =17,43 3 ∗24,42 cm ∗ ∗ ∗ 3 3 1 !" m 100 cm m 9,8 2 s
)
W s =0,04344 !g = 43,44 g Isando la ecuaci"n -4. determinamos el #eso del agua -65. si conocemos ,ue el #eso total -69. es de @(? g:
W w= W T −W s =47,6 g− 43,44 =4,16 g Isamos la ecuaci"n -@. des#ejando Vs #ara determinar el $olumen de s"lidos( si se conoce ,ue el #eso unitario del agua es 34BB NJm>:
V s=
W s = γ w G
(
43,44 g∗
1 !g 1000 g
9800
" 3
m
)
× 9,8 m / s
2
=1,62 × 10
−5
3
m =16,20 cm
3
∗ 2,68
Reem#la!ando el $alor de Vs en la ecuaci"n -3. #odemos obtener el $olumen de $acíos: 3
3
24,42 =V s + V v % V v =24,42 −V s =24,42 cm −16,20 c m =8,22 cm
V v = 8,22 cm
3
3
Conociendo el $olumen de s"lidos y el $olumen de $acíos es #osible calcular la relaci"n de $acios -e. y la #orosidad -n.( ecuaciones ->. y -2. res#ecti$amente:
e=
n=
V v V s
=
V v V T
8,22 cm
3
16,20 cm
× 100 =
3
=0,51
8,22 cm
3
24,42 cm
3
× 100 =33,66
)or /ltimo es necesario calcular el grado de saturaci"n de la muestra usando la ecuaci"n -;.:
$w=
V w V v
× 100
)ero en esta ecuaci"n desconocemos el $alor de V5( logramos calcular el grado de saturaci"n estableciendo relaciones entre el contenido de humedad y el #eso unitario del agua: w=
W W
γ w =
W s
W w V w
% W w =W s w
% V w =
W w γ w
Reem#la!ando las ecuaciones anteriores en la ecuaci"n del grado de saturaci"n obtenemos:
$w=
$w=
V w V v
× 100=
W w γ w V v
× 100=
w W s γ w V v
0,0957∗0,04344 !g∗9,8 m / s 9800
(
3
× 100
2
1m " 3 ∗8,22 cm 3 m ( 1003 ) cm3
)
× 100=50,57
+n la siguiente tabla se muestran las relaciones obtenidas y su $alor corres#ondiente: S"mbolo n -E. e ! -E. 7s
+escripción #orosidad Relaci"n de $acíos 7rado de saturaci"n 7ra$edad es#ecífica
6alor >>(?? B(=2 =B(=@ ;(?4
γ -KNJm>.
! -E.
)eso es#ecífico
23(2B
Contenido de humedad
3(=@
5abla ,. Valores finales Fuente #ro#ia
7. +iscusión
+n general se #uede decir ,ue la e*#eriencia fue satisfactoria( debido a ,ue se obtu$ieron $alores bastantes ra!onables y los c'lculos #udieron reali!arse sin ning/n #roblema e obser$a en los resultados ,ue el suelo de estudio tiene un contenido de humedad bajo( del 3(=@E( este $alor est' asociado a las condiciones del terreno del a#i,ue +ste terreno #resenta agrietamientos en su su#erficie y adem's es bastante rígido( estas características físicas est'n dadas debido al largo #eriodo de se,uía #or el cual atra$iesa la regi"n Caribe +l $alor obtenido de B(=2 #ara la relaci"n de $acíos es satisfactorio( ya ,ue se encuentra dentro del rango de $alores #robables( ,ue $a desde B( hasta 2 %el mismo modo el $alor obtenido #ara el grado de saturaci"n( ,ue fue de =B(=@E( nos indica ,ue el agua corres#onde a a#ro*imadamente un =BE del total de los $acíos( #or lo tanto #odemos afirmar ,ue el contenido de aire es bastante alto Lo anterior #uede corroborarse al anali!ar el $alor obtenido #ara la #orosidad( ,ue fue del >>(??E( este nos indica ,ue los $acíos del suelo corres#onden a a#ro*imadamente un >E del $olumen total del suelo( y como se dijo anteriormente el contenido de humedad del suelo es bajo( #or lo tanto de ese >E de $acíos a#ro*imadamente la mitad corres#onde al agua del suelo Con esto nos referimos a ,ue el agua ser' a#ro*imadamente un 2@ E del $olumen total del suelo La gra$edad es#ecífica obtenida fue de ;(?4( este corres#onde a un $alor satisfactorio ya ,ue se encuentra dentro del rango establecido #or la norma -A9M %4=D=4. o $&ase tambi&n el e*#erimento no @ del Manual de laboratorio - fue satisfactorio ya ,ue corres#onde a un $alor tí#ico #ara suelos de ti#o arena limosa densa -Coduto( 2333. Las fuentes de error est'n asociadas a la calibraci"n de los im#lementos del laboratorio( tem#eratura( error en la toma de datos( fallas en el #rocedimiento como #or ejem#lo( en el
e*#erimento #ara determinar la gra$edad es#ecífica una im#ortante fuente de error a tener en cuenta es el aire ,ue ,ueda dentro del #icn"metro ,ue no es liberado( #osible contaminaci"n org'nica de la muestra( entre otros +n conclusi"n( la e*#eriencia #ermiti" determinar algunas #ro#iedades físicas del suelo y a #artir de ellas obtener las diferentes relaciones $olum&tricas y gra$im&tricas +sta e*#eriencia es de $ital im#ortancia #or,ue #ermiti" al estudiante recolectar y someter a #ruebas de laboratorio un ti#o de suelo( #ara conocer algunas características ,ue afectar'n su com#ortamiento +n nuestra $ida como ingenieros ci$iles siem#re ser' fundamental ,ue nuestras estructuras tengan buenos cimientos( y la mejor manera de lograrlo es conociendo el com#ortamiento del suelo en cuesti"n
. 4e&erencias
<6L+( Miguel Manual de laboratorio de suelos en ingeniería ci$il
A#&ndice
1. Miembros del gru#o y distribuci"n de tareas 2. 1ntroducci"n y objeti$os ). Marco conce#tual *. %escri#ci"n del terreno , +,ui#o e*#erimental y #rocedimiento ,.1 Contenido de Humedad ,.2 7ra$edad +s#ecífica ,.) %ensidad -. Resultados del e*#erimento e inter#retaciones -.1 +*#erimento no2 O %eterminaci"n del contenido de humedad -.2 +*#erimento no ; O 7ra$edad es#ecífica de los s"lidos del suelo -.) +*#erimento no> O %eterminaci"n de la densidad y #eso unitario del suelo -.* Relaciones Volum&tricas y 7ra$im&tricas 7. %iscusi"n . Referencias