PREINFORME 7 PRESIÓN DE EXPANSIÓN, EXPANSIÓN LIBRE Y LÍMITE DE CONTRACCIÓN ”
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Presentado por: Angarita Guarín Fabián ID: 258731 Ángel Manrique Julián Camilo ID: 271777 Ardila Orellano Johan Arley ID: 270081 Castillo Vega Jelitza Paola ID: 268654 Gómez López Alan Ricardo ID: I D: 270413 Grandas Castillo David Alonso ID: 268077 Sierra Delgado Elkin Yesid ID: 271036 Silva Osses Juan Eduardo ID: 267306
Presentado al docente: Gerardo Bautista García
Mecánica de Suelos NRC: 37999
Universidad Pontificia Bolivariana Floridablanca, Santander Miércoles, 14 de Septiembre de 2016
INDICE 1. 2. 3. 4. 5. 6.
INTRODUCCIÓN: OBJETIVOS: MARCO TÉORICO: EQUIPOS: PROCEDIMIENTO: BIBLIOGRAFÍA:
INTRODUCCIÓN
Un suelo expansivo y arcillo es considerado de esta manera, cuando tiende a presentar cambios representativos en su volumen por causa de la humedad. Para entender la influencia que tiene la humedad en una arcilla expansiva, es necesario realizar los ensayos de presión de expansión, expansión libre y límite de contracción. De esta manera, se conocerá de una muestra representativa de suelo, su índice de expansión para clasificarlo en las categorías de Lambe, su expansión libre a partir de su límite liquido e índice de plasticidad y la cantidad máxima de agua para que produzca un aumento en el volumen de la masa de suelo llamado límite de contracción. OBJETIVOS 1. Clasificar el suelo de acuerdo a su cambio volumétrico potencial (CVP) utilizando el índice de expansión. 2. Determinar el potencial de expansión de un suelo fino a partir del límite líquido y plástico. 3. Calcular los límites de contracción, la relación de contracción, el cambio volumétrico y la contracción lineal utilizando la norma INV E 127 -13 “Determinación de los factores de contracción de los suelos” . MARCO TÉORICO DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL DE CAMBIO VOLUMÉTRICO DE UN SUELO EMPLEANDO EL APARATO DE LAMBE INV E – 120 -13
Suelo Expansivo1 Un suelo es considerado expansivo aquel que se vuelve susceptible a presentar cambios volumétricos por los cambios de humedad. Un suelo arcilloso con mineral y en condiciones
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BELTRÁN, R. Diseño geotécnico y estructural de una cimentación en arcilla expansiva. Universidad Nacional Autónoma de México. Ciudad Universitaria, 2009. Tesis de Grado. Págs. 4 a 5
ambientales es un fenómeno de suelos expansivos, ya que presentan una reducción de humedad por evaporación o evapotranspiración de la vegetación. Las estructuras no solamente pueden presentar daños por asentamientos sino también por expansiones de los suelos. El fenómeno capilar que se presenta en los suelos es una causa del aumento de los esfuerzos efectivos (intergranulares). Cuando en un suelo, como las arcillas, se pierde el agua por un proceso de evaporación, se genera la tensión capilar que provoca la contracción del suelo. Una vez que el suelo ha disminuido su volumen por secado también podrá aumentar dicho volumen si se restituye el agua a dicho suelo, lo cual reducirá el efecto de la tensión capilar. Las arcillas son eminentemente plásticas 2. La elevada plasticidad de las arcillas es consecuencia, de su morfología laminar, tamaño de partícula extremadamente pequeño (elevada área superficial) y alta capacidad de hinchamiento. Determinación del Cambio Volumétrico Potencial 3 Método desarrollado por Lambe (1960). Las muestras son compactadas con energías específicas y tomando después de dos horas la carga ejercida, se designada índice de expansión. El método CVP no mide en sí mismo el potencial de expansión. Se establece las siguientes categorías: 1. 2. 3. 4.
Valores menores de 2 es No crítico Valores entre 2 y 4 es Marginal Valores entre 4 y 6 es Crítico Valores mayores de 6 es Muy crítico
Índice de Expansión 4 Coeficiente entre el valor de la fuerza y la sección transversal de la probeta [Mpa = 1N/mm2]
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BELTRÁN, R. Diseño geotécnico y estructural de una cimentación en arcilla expansiva. Universidad Nacional Autónoma de México. Ciudad Universitaria, 2009. Tesis de Grado. Págs. 13 3
BELTRÁN, R. Diseño geotécnico y estructural de una cimentación en arcilla expansiva. Universidad Nacional Autónoma de México. Ciudad Universitaria, 2009. Tesis de Grado. Págs. 29 4 DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL DE CAMBIO VOLUMÉTRICO DE UN SUELO EMPLEANDO EL APARATO DE LAMBE INV E – 120 -13, Cálculos, Págs. E 120-6
Cambio Volumétrico Potencial (CVP) 5 Se halla mediante la gráfica índice de expansión [Mpa] vs. Cambio volumétrico potencial (CVP), ubicando el valor del índice de expansión y se traza una horizontal hasta cortar la curva correspondiente a las condiciones de humedad.
Ilustración 1. Índice de expansión [Mpa] vs. Cambio volumétrico potencial (CVP) Fuente: INV E – 120 -13
DETERMINACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS INV E – 132 – 13
Expansión Libre6 La prueba de expansión libre fue propuesta por Holtz y Gibbs (1954), la cual consiste en colocar 10 cm de suelo seco ( pasa la malla No. 40) dentro de agua destilada, observando el volumen que se tiene después de que el material se estabiliza en el fondo. La di ferencia entre el volumen inicial y el final, expresada como porcentaje del volumen inicial, es el valor de la expansión libre Índice De Expansión Libre: Es el aumento de volumen que sufre un suelo sin restricciones externas.
Existen muchos criterios para identificar y predecir el potencial de expansión de un suelo fino a partir de los límites líquidos líquido y plástico. 7
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DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL DE CAMBIO VOLUMÉTRICO DE UN SUELO EMPLEANDO EL APARATO DE LAMBE INV E – 120 -13, Cálculos, Págs. E 120-6 6
BELTRÁN, R. Diseño geotécnico y estructural de una cimentación en arcilla expansiva. U niversidad Nacional Autónoma de México. Ciudad Universitaria, 2009. Tesis de Grado. Págs. 24 7 DETERMINACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS INV E – 132 – 13, Detención Suelos Expansivos, Págs. E 132-1
Ilustración 2. Predicción de la Expansión (Límite Líquido) Fuente INV E – 132 – 13
Ilustración 3. Predicción de la Expansión (índice de Plasticidad) Fuente INV E – 132 – 13
Ilustración 4. Predicción de la Expansión (Otras medidas) Fuente INV E – 132 – 13
Se determina el índice de expansión libre (IEL) mediante la expresión.
= ×100 Ecuación 1. Índice de Expansión 8
VW=Volumen de la muestra leído en la probeta que contiene agua destilada. VK= Volumen de la muestra, leído en la probeta que contiene kerosene.
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DETERMINACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS INV E – 132 – 13, Cálculos, Págs. E 132-4
DETERMINACIÓN DE LOS FACTORES DE CONTRACCION DE LOS SUELOS INV E – 127 - 13
En este método se remodela completamente una muestra de suelo de grano fino con un contenido de agua que dé lugar a una consistencia similar a la del límite líquido. La pasta saturada se coloca en un recipiente de volumen conocido y se seca lentamente. Se determina la masa y el volumen de la pastilla de suelo que se forma finalmente. Estas medidas se emplean para calcular las constantes del suelo. Límite De Contracción 9: Es el contenido máximo de agua, por debajo del cual un secado adicional no causa disminución de volumen de la muestra de suelo, pero por encima del cual un incremento en el contenido de agua si produce un aumento en el volumen de la masa de suelo. Relación De Contracción 10: Es la relación entre un cambio dado de volumen expresado como porcentaje del volumen seco, y el cambio correspondiente en su contenido de agua por encima del límite de contracción expresado como un porcentaje del peso seco al horno. Cambio Volumétrico11: Es la disminución de un volumen de la masa de suelo hasta llegar hasta el límite de contracción. Contracción Lineal 12: Es la disminución de La muestra de suelo en una sola dimensión. Se calcula la masa húmeda del suelo en el momento en que este fue colocado en el recipiente para contracción (M) : M= MW-MT13 Se calcula la masa de la pastilla de suelo seco (M 0) como: M0= MD-MT
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DETERMINACIÓN DE LOS FACTORES DE CONTRACCIÓN DE LOS SUELOS INV E – 127 – 13, Definiciones, Págs. E 127-1 10 DETERMINACIÓN DE LOS FACTORES DE CONTRACCIÓN DE LOS SUELOS INV E – 127 – 13, Definiciones, Págs. E 127-1 11 DETERMINACIÓN DE LOS FACTORES DE CONTRACCIÓN DE LOS SUELOS INV E – 127 – 13, Definiciones, Págs. E 127-2 12 DETERMINACIÓN DE LOS FACTORES DE CONTRACCIÓN DE LOS SUELOS INV E – 127 – 13, Definiciones, Págs. E 127-2 13 DETERMINACIÓN DE LOS FACTORES DE CONTRACCIÓN DE LOS SUELOS INV E – 127 – 13, Cálculos, Págs. E 127-6 14 DETERMINACIÓN DE LOS FACTORES DE CONTRACCIÓN DE LOS SUELOS INV E – 127 – 13, Cálculos, Págs. E 127-6
Se calcula el contenido de agua del suelo en el momento en que este fue colocado en el recipiente (w), con la expresión:
= ×100
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Se calcula el límite de contracción (LC), como un contenido de agua en relación con la masa de un suelo seco, con la expresión.
= [( ) ]×100
Donde
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: Densidad del agua, aproximadamente igual a 1.0 g/cm . 3
Se calcula la relación de contracción, por medio de la siguiente formula.
= −
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Se calcúlala contracción lineal (CL) para un contenido de agua cualquiera (W 1), superior al límite de contracción, con la expresión:
×
CV= (w1 -LC)
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Se calcula la contracción lineal (cl) para un contenido de agua cualquiera (w 1), superior al límite de contracción, con la fórmula:
] = 100[1 √3 +
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DETERMINACIÓN DE LOS FACTORES DE CONTRACCIÓN DE LOS SUELOS INV E – 127 – 13, Cálculos, Págs. E 127-7 16 DETERMINACIÓN DE LOS FACTORES DE CONTRACCIÓN DE LOS SUELOS INV E – 127 – 13, Cálculos, Págs. E 127-7 17 DETERMINACIÓN DE LOS FACTORES DE CONTRACCIÓN DE LOS SUELOS INV E – 127 – 13, Cálculos, Págs. E 127-7 18 DETERMINACIÓN DE LOS FACTORES DE CONTRACCIÓN DE LOS SUELOS INV E – 127 – 13, Cálculos, Págs. E 127-7 19 DETERMINACIÓN DE LOS FACTORES DE CONTRACCIÓN DE LOS SUELOS INV E – 127 – 13, Cálculos, Págs. E 127-7
EQUIPOS: DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL DE CAMBIO VOLUMÉTRICO DE UN SUELO EMPLEANDO EL APARATO DE LAMBE INV E – 120 -1320
1. Aparato de Lambe: Sirve para medir el índice de expansión constituido por un marco metálico, base que deben soportar los esfuerzos sin sufrir alguna deformación, célula (confinamiento y cubierta del agua) y el anillo dinamométrico rígido que produce una deformación muy pequeña. Partes de Célula 1.1. Anillo porta probeta 1.2. Anillo Guía 1.3. Placas porosas 1.4. Pistón de Carga 2. Martillo de Compactación 3. Horno que debe soportar y mantener una temperatura regulable de 60°C 4. Tamiz de 2.0 mm de abertura (Tamiz N. 10) 5. Equipo Auxiliar: Cronómetros, reglas metálicas, cuchara, brochas de pelo suave. DETERMINACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS INV E – 132 – 1321
1. Tamiz: De 0.426 mm de diámetro, es decir, el tamiz No° 40. 2. Horno: Debe ser controlado termostáticamente y debe mantener temperaturas de hasta 110°C ± 5°C 3. Probetas graduadas: Capacidad de 100 ml 4. Varilla de vidrio: Para agitar las suspensiones del suelo. 5. Balanza: Debe tener una capacidad de 500 gr y sensibilidad de 0.01 gr. 6. Agua destilada o desmineralizada. 7. Kerosene22. El queroseno es una mezcla líquida de los productos químicos producida a partir de la destilación de petróleo crudo.
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DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL DE CAMBIO VOLUMÉTRICO DE UN SUELO EMPLEANDO EL APARATO DE LAMBE INV E – 120 -13, Equipos, Págs. E 120-2 a E 120-3 21
DETERMINACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS INV E – 132 – 13, Equipos, Págs. E 132-3 Chilcott, R. Compendium of Chemical Hazards: Kerosene (Fuel Oil ). Health Protection Agency. Chemical Hazards and Poisons Division (HQ), Chilton, Didcot, Oxfordshire, OX11 0RQ, United Kingdom. 22
DETERMINACIÓN DE LOS FACTORES DE CONTRACCIÓN DE LOS SUELOS INV E – 127 – 1323
1. Vasijas de evaporación – Hechas de porcelana, de un diámetro entre 115 mm y 150 mm, aproximadamente. 2. Espátula – Con un ancho de 19 mm y una longitud de 76 mm 3. Recipiente para contracción – De forma circular, hecho de porcelana o metal monel (mezcla entre níquel y cobre), de base plana, con un diámetro de 44.5 mm y una altura de 12.7 4. Regla de metal – De 150 mm o más de longitud 5. Cazuela (taza) de vidrio – Diámetro de 57 mm y 25 mm de altura, con bordes lisos y nivelados. 6. Placa de vidrio – Debe tener tres patas metálicas salientes, para sumergir la muestra en el mercurio. 7. Probeta – Capacidad de 25 ml y graduada cada 2 ml. 8. Balanza – Con legibilidad de 0.1 gr 9. Horno – Debe ser controlado termostáticamente y debe mantener temperaturas de hasta 110°C ± 5°C 10. Recipiente plano de vidrio – De, aproximadamente, 20x20x4 cm, y será usado para contener el mercurio en caso de algún derrame accidental. 11. Guantes de caucho 12. Mercurio – Suficiente para llenar el recipiente de vidrio, hasta que rebose. 13. Agua destilada PROCEDIMIENTO: DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL DE CAMBIO VOLUMÉTRICO DE UN SUELO EMPLEANDO EL APARATO DE LAMBE INV E – 120 -1324
Se debe tener una muestra seca, cuarteada en dos porciones cada una de 1 kg. Una muestra es tamizada por el N. 10, hallándole su límite plástico y su estado húmedo. Luego se hará lo siguiente: Compactación del suelo 1. Se determina un número de capas y golpes para el suelo (Humedad basada en el límite plástico, húmedo (100% de humedad relativa) y/o Seco (50% de humedad relativa)). 23
DETERMINACIÓN DE LOS FACTORES DE CONTRACCIÓN DE LOS SUELOS INV E – 127 – 13 Equipos, Págs. E 127-
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DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL DE CAMBIO VOLUMÉTRICO DE UN SUELO EMPLEANDO EL APARATO DE LAMBE INV E – 120 -13, Procedimiento, Págs. E 120-3 a E 120-6
2. Se coloca el anillo porta-probeta sobre la base y sobre este el anillo guía. 2.1. Limite plástico: dentro de los anillos se adiciona el suelo y con el martillo se presiona uniformemente. Se dará 5 golpes repartidos. 2.2. Húmedo o Seco: se vierte en el conjunto la cantidad de suelo hasta llegar a 1/3 de la altura del martillo, haciendo presión uniforme se dará los golpes respectivos por capa. Para avanzar a la siguiente se debe escarificar con un objeto punzante para facilitar unión. 3. Finalizando la compactación, se debe garantizar una distancia de 3 a 6 mm por encima de la separación de los dos anillos, para soltar la fijación y girar el anillo guía. 4. Se enraza el suelo con la regla metálica a nivel de la cara superior del anillo portaprobeta. Se gira el anillo y se retira. 5. Eliminar restos de suelo. Montaje del equipo 1. Se coloca la placa poroso, luego el anillo porta-probeta y encima de ese, el anillo guía, todos fijados muy bien. 2. Sobre la placa porosa se coloca el pistón de carga. 3. Fijando las columnas, se coloca el puente superior del marco metálico con el anillo dinamométrico. 4. Se fija la carga ajustando el vástago del anillo sobre el pistón hasta conseguir lecturas de deformaciones equivalentes a 40 N (41 Kgf), y al colocar el vástago debe garantizar las mismas lecturas. Ensayo 1. Añadir agua llenando la célula sobrepasando la cara superior del anillo guía. 2. Con ayuda del cronometro al transcurrir dos horas, se toma lectura del dinamométrico determinando el valor de la fuerza. DETERMINACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS INV E – 132 – 1325
1. Con un suelo mezclado que pasa por el pasa tamiz N. 40 y secado al horno, se toman 2 muestras de 10 gr cada uno. 2. Cada muestra se inserta en una probeta de 199 ml de capacidad. 3. Una probeta se llena con kerosene y la otra con agua destilada, hasta 100 ml cada uno. Nota: Se puede usar tetracloruro de carbono en lugar de keronese. 4. Con una varilla de vidrio se agitan las probetas para remover el aire atrapado. 5. Se deja que se asienten las muestras.
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DETERMINACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS INV E – 132 – 13, Procedimiento, Págs. E 132-4
6. Las probetas se dejan en reposo, como mínimo, de 24 horas, para que las muestras alcancen el equilibrio volumétrico. 7. Por último, se anota el volumen alcanzado de cada muestra de suelo.
DETERMINACIÓN DE LOS FACTORES DE CONTRACCIÓN DE LOS SUELOS INV E – 127 – 1326
De un material mezclado que pase por el tamiz N. 40, se extraen 30 gr para realizar el procedimiento descrito a continuación: 1. En una vasija de evaporación se coloca el suelo, se mezcla con agua destilada para llenar todos los vacíos del suelo y obtener una consistencia pastosa, esto se hace para tener fácil manejo y poder ser colocada en el recipiente para contracción. (Se recomienda usar cantidades mínimas de agua para llegar a la consistencia deseada, con el fin de evitar que si es un suelo plástico, este se agriete durante el proceso de secado) 2. Se le agrega vaselina, o alguna grasa pesada al fondo del recipiente para contracción, con tal de que la muestra no se adhiera. Se pesa y se anota la masa del recipiente vacío. 3. Se pone el recipiente de contracción dentro del recipiente pando de vidrio, para evitar algún derrame del mercurio. Se llena el recipiente con mercurio hasta rebosar, se elimina el exceso mediante presión con la laca de vidrio sobre la parte superior del recipiente. Si se llegase a visualizar burbujas de aire atrapadas entre la placa y el mercurio, se debe repetir el proceso de llenado. Se mide el volumen de mercurio contenido en el recipiente, se mide la masa retenida en una probeta o se pesa y se anota su masa para dividirla entre la densidad (13.55 g/cm3). Este será el volumen de la masa del suelo húmedo. 4. En el centro del recipiente de contracción, se agrega una cantidad de suelo húmedo que sea igual o cercana a la tercera parte del volumen del recipiente y se esparce por los bordes, posteriormente se golpea levemente sobre una superficie sueva o sobre varias hojas de papel. Luego se agrega otra cantidad de suelo igual al anterior y se golpea el recipiente hasta ver que ya está compacta y sin aire la muestra. Se sigue agregando iguales capas de suelo hasta que el material rebose el recipiente por los lados. Se retira el exceso de suelo con una regla, se limpia el que quede por los lados o bordes. Se pesa el recipiente de contracción con el suelo húmedo y se anota su masa (Mw). 5. Se pone a secar la masa de aire hasta obtener un color claro. Se lleva al horno a una temperatura de 110ºC más o menos 5ºC, hasta obtener una masa constante. Si durante el secado se agrieta la masa o se parte, toca repetir el procedimiento, 26
DETERMINACIÓN DE LOS FACTORES DE CONTRACCIÓN DE LOS SUELOS INV E – 127 – 13 Procedimiento, Págs. E 127-4 a E 127-6
es decir, crear una nueva pasta, pero con menos contenido de agua. Y si la masa quedó normal (sin alteraciones), se pesa con recipiente y se anota su masa obtenida (Md) 6. El volumen de la masa del suelo seco , se determina de la siguiente forma: 6.1. Se coloca la taza de vidrio dentro del recipiente pando. Se llena la taza con mercurio hasta que rebose, y el exceso de mercurio es retirado presionando firmemente la placa de vidrio con tres saliente metálicas, sobre la parte superior del recipiente, observando de que no hayan burbujas de aire entre la placa y el mercurio. Se retira el mercurio que quede en la parte externa del recipiente. 6.2. El recipiente lleno de mercurio se coloca en la vasija de evaporación de 150 mm (6”). Se pone la muestra de suelo seco (la pastilla) sobre el mercurio. Con
la placa de vidrio se sumerge, presionándola firmemente sobre el recipiente. El mercurio que este por fuera de la taza de vidrio se mide en la probeta graduada se mide en la probeta graduada y se anota como suelo seco (Vo) o, también se pesa el mercurio, se anota su masa y se halla el volumen con la fórmula Vo=M/D y se sabe que la densidad del mercurio es D=13.55 gr/cm3
BIBLIOGRAFÍA: 1. DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL DE CAMBIO VOLUMÉTRICO DE UN SUELO EMPLEANDO EL APARATO DE LAMBE INV E – 120 -13, Págs. E 120-1 a E 120-9 2. DETERMINACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS INV E – 132 – 13, Págs. E 132-1 a E 132-6 3. Chilcott, R. Compendium of Chemical Hazards: Kerosene (Fuel Oil ). Health Protection Agency. Chemical Hazards and Poisons Division (HQ), Chilton, Didcot, Oxfordshire, OX11 0RQ, United Kingdom. 4. DETERMINACIÓN DE LOS FACTORES DE CONTRACCIÓN DE LOS SUELOS INV E – 127 – 1, Págs. E 127-1 a E 127-8. 5. BELTRÁN, R. Diseño geotécnico y estructural de una cimentación en arcilla expansiva. Universidad Nacional Autónoma de México. División de estudios de posgrados. Facultad de Ingeniería. Ciudad Universitaria, 2009. Tesis de Grado
