RELACION VOLUMETRICA Y GAVIMETRICA DE LOS SUELOS UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD FACULTAD DE INGENIERIAS IN GENIERIAS TECNOLOGIA EN OBRAS CIVILES CUCUTA 2008 INTRODUCCION Para seleccionar el tipo de suelo adecuado se debe realizar estudio y diseños previos en el lugar y ambiente donde se va a construir. El estudio previo que realizaremos en esta práctica (laboratorio) se denomina RELA!"#E$ %"L&'ER!A$ *A%!'ER!A$ *A%!'ER!A$ +E L"$ $&EL"$ que es el que distingue las tres ,aces constituyentes del suelo- solida liquida y gaseosa relaci/n entre las ,aces del suelo tiene una aplicaci/n en la mecánica de suelos para el cálculo de es,uerzos.
RELACIONES VOLUMETRICAS - GRAVIMETRICAS El problema de la identi,icaci/n i denti,icaci/n de los suelos es de importancia ,undamental0 identi,icar un suelo es en rigor encasillarlo en un sistema previo de clasi,icaci/n para ello se deben estudiar sus propiedades y analizar su comportamiento ya que desde esta practica se analizaran las tres ,aces que comprenden el suelo. Las ,ases l1quida y gaseosa del suelo suelen comprenderse en el volumen de vac1os (%v) mientras que la ,ase s/lida constituye el volumen de s/lidos (%s). $e dice que un suelo es totalmente saturado cuando todos sus vac1os están ocupados por agua. &n suelo en tal circunstancia consta como caso particular de solo dos ,ases la s/lida y la l1quida. Es importante considerar las caracter1sticas mor,ol/gicas de un con2unto de part1culas s/lidas en un medio ,luido. Eso es el suelo.
3 4ase s/lida- 4ragmentos de roca minerales individuales materiales orgánicos. 3 4ase l1quida- Agua sales bases y ácidos disueltos incluso 5ielo. 3 4ase gaseosa- Aire gases vapor de agua. Esquema de una muestra de suelo y el modelo de sus 6 ,ases. Las relaciones entre las di,erentes ,ases constitutivas del suelo (,ases s/lida l1quida y gaseosa) permiten avanzar sobre el análisis de la distribuci/n de las part1culas por tamaños y sobre el grado de plasticidad del con2unto. En los laboratorios de mecánica de suelos puede determinarse ,ácilmente el peso de las muestras 57medas el peso de las muestras secadas al 5orno y la gravedad espec1,ica de las part1culas que con,orman el suelo entre otras. Las relaciones entre las ,ases del suelo tienen una amplia aplicaci/n en la 'ecánica de $uelos para el cálculo de es,uerzos. La relaci/n entre las ,ases la granulometr1a y los l1mites de Atterberg se utilizan para clasi,icar el suelo y estimar su comportamiento. 'odelar el suelo es colocar ,ronteras que no e8isten. El suelo es un modelo discreto y eso entra en la modelaci/n con dos parámetros e y 5 (relaci/n de vac1os y porosidad) y con las ,ases. El agua ad5erida a la super,icie de las part1culas entra en la ,ase s/lida. En la l1quida s/lo el agua libre que podemos sacar a 9:; < cuando despu=s de >? o 9@ 5oras el peso del suelo no ba2a más y permanece constante.
Fases, vol!e"es # $esos En el modelo de ,ases se separan vol7menes % y pesos as1- %olumen total % volumen de vac1os %% (espacio no ocupado por s/lidos) volu men de s/lidos %$ volumen de a ire %A y volumen de agua %. Luego % B %% C%$ D %% B %A C%. En pesos (que es di,erente a masas) el del aire se desprecia por lo que A B :. El peso total del esp=cimen o mu estra es igual a la suma del peso de los s/lidos $ más el peso del agua 0 esto es B $ C .
Esquema de una muestra de suelo en tres ,ases o 57medo con la indicaci/n de los s1mbolos usadosEn los costados % volumen y peso. Las letras sub1nice y dell centro son- A aire agua y $ s/lidos
Rela%&o"es 'e vol(!e") *, e, DR, S, CA Po+os&'a' * $e de,ine como la probabilidad de encontrar vac1os en el volumen total. Por eso : 5 9::F (se e8presa en F). En un s/lido per,ecto 5 B :0 en el suelo 5 G : y 5 G 9::F
.
Rela%&" 'e va%.os e Es la relaci/n entre el volumen de vac1os y el de los s/lidos. $u valor puede ser e H 9 y alcanzar valores muy altos. En teor1a : e I J. El t=rmino compacidad se re,iere al grado de acomodo alcanzado por las part1culas del suelo de2ando más o menos vac1os entre ellas. En suelos compactos las part1culas s/lidas que lo constituyen tienen un alto grado de acomodo y la capacidad de de,ormaci/n ba2o cargas será pequeña. En suelos poco compactos el volumen de vac1os y la capacidad de de,ormaci/n serán mayores. &na base de comparaci/n para tener la idea de la compacidad alcanzada por una estructura simple se tiene estudiando la disposici/n de un con2unto de es,eras iguales. En la ,igura >.6 se presentan una secci/n de los estados más suelto y más compacto posible de tal con2unto. Pero estos arreglos son te/ricos y los cálculos matemáticos
Los parámetros adicionales 5 y e (siempre 5 e) se relacionan as1- como %vK%s es la relaci/n de vac1os entonces-
on la práctica para suelos granulares l os valores t1picos son Arena bien gradada e B :?6 :M 5 B 6: ?:F Arena uni,orme e B :;9 :@; 5 B 6? ?F
De"s&'a' +ela/&va DR o Co!$a%&'a' +ela/&va1 Este parámetro nos in,orma si un suelo está cerca o le2os de los valores má8imo y m1nimo de densidad que se pueden alcanzar. Además : N +R N 9 siendo más resistente el suelo cuando el suelo está compacto y +R N 9 y menor cuando está suelto y +R N :.Algunos te8tos e8presan +R en ,unci/n del P& seco Od.. Aqu1 e ma8 es para suelo suelto e min p ara suelo compactado y e para suelo natural
Los suelos co5esivos generalmente tienen mayor proporci/n de vac1os que los granulares0 los valores t1picos de N y e son- e B :;; ;:: N B 6; @6F
G+a'o 'e sa/(+a%&" S $e de,ine como la probabilidad de encontrar agua en los vac1os del suelo por lo que : N $ N 9::F. 41sicamente en la naturaleza $ N :F pero admitiendo tal e8tremo $ B :F N suelo seco y $ B 9::F N suelo saturado.
Co"/e"&'o 'e a&+e CA
Probabilidad de encontrar aire en los vac1os del suelo. : N A N 9::F. En el suelo saturado los vac1os están ocupados por agua A B : y en el suelo seco por aire A B 9::F. #aturalmente $ C A B 9::F.
No/a) En suelos granulares +R 6;F es ,lo2o 6;F N +R N ;F es medio y +R H ;F es denso.
LA CLAVE 3 ES)
Relaciones *ravim=tricas. &na masa de 9 g pesa distinto en la luna que en la tierra. El peso es ,uerza la masa no. La densidad relaciona masa y volumen el peso unitario relaciona peso y volumen y la presi/n ,uerza y área. El valor de la gravedad en la tierra es g B Q@9 mKsg> B 6>> ,tKsg> El peso unitario del agua es >; lbK,t6 B Q@9 #Km6 B 9 grKcm6 (si g B 9) En presi/n 9 lbK,t> B ?M@; #Km> B ?M@; Pa. 9 lbKm> B Q: Pa y 9 ,t de agua >QQ Pa
Co"/e"&'o 'e *(!e'a') 4 Es la relaci/n en F del peso del agua del esp=cimen al peso de los s/lidos. El problema es Scuál es el peso del aguaT Para tal e,ecto debemos señalar que e8isten varias ,ormas de agua en el suelo y unas requieren más temperatura y tiempo de secado que otras para ser eliminadas. En consecuencia el concepto Usuelo secoV tambi=n es arbitrario como lo es el agua que pesemos en el suelo de muestra. $uelo seco es el que se 5a secado en estu,a a temperatura de 9:;< 99:< 5asta peso constante durante >? / 9@ 5oras (con urgencia). El valor te/rico del contenido de 5umedad var1a entre- : N N N N. En la práctica las 5umedades var1an de : (cero) 5asta valores del 9::F e incluso de ;::F / ::F en el valle de '=8ico.
NOTA: En compactaci/n se 5abla de W /ptima la 5umedad de mayor rendimiento con la cual la densidad del terreno alcanza a ser má8ima. dos curvas de compactaci/n para un mismo material dependiendo el valor de la 5umedad /ptima de la energ1a de compactaci/n utilizada para densi,icar el suelo.
Peso ("&/a+&o 'e +e5e+e"%&a 60 El peso P& de re,erencia es g: que es el valor del P& para el agua destilada y a ? <. O: B Q@9 #Km6 N 9:: onKm6 B >? lbK,t6 B 9: grKcc (para g B 9mKseg >). Este es el resultado de multiplicar la densidad del agua por la gravedad dado que densidad es masa sobre volumen y que peso es el producto de la masa por la gravedad.
G+ave'a' Es$e%.5&%a 'e los sl&'os GS La gravedad espec1,ica es la relaci/n del peso unitario de un cuerpo re,erida a la densidad del agua en condiciones de laboratorio y por lo tanto a su peso unitario : T . En geotecnia s/lo interesa la gravedad espec1,ica de la ,ase s/lida del suelo dada por *$ B g s K W g pero re,erida al Peso &nitario de la ,ase l1quida del suelo W g para e,ectos prácticos.
Peso ("&/a+&o 'el s(elo Es el producto de su densidad por la gravedad. El valor depende entre otros del contenido de agua del suelo. Este puede variar del estado seco Od 5asta el saturado O$A as1-
Peso ("&/a+&o 'el a7(a # 'e los sl&'os
En el suelo $ es prácticamente una constante no as1 ni . Además se asume que siendo *$ un invariante no se traba2a nunca con el P& de los s/lidos g s, sino con su equivalente *$ W g, de con,ormidad con el numeral En general los suelos presentan gravedades espec1,icas *$ con valor comprendido entre >; y 69 (a dimensional). omo el más ,recuente es >; (a dimensional) se asume como má8imo valor de *$ te/rico. %eamos además algunos valores del peso unitario seco de los suelos los que resultan de inter=s dado que no están a,ectados por peso del agua contenida sino por el relativo estado de compacidad el que se puede valorar con la porosidad.
Los suelos bien compactados presentan pesos unitarios de >> gKcm6 a >6 gKcm6 en g d para gravas bien gradadas y gravas limosas. En la zona del vie2o aldas las cenizas volcánicas presentan pesos unitarios entre 96: a 9M:grKcmX.
Peso ("&/a+&o s(!e+7&'o 6 Esto supone considerar el suelo saturado y sumergido. Al sumergirse seg7n Arqu1medes el suelo e8perimenta un empu2e 5acia arriba igual al peso del agua desalo2ada.
G+ave'a' es$e%.5&%a 'el es$%&!e" Puedo considerar la muestra total (*) pero el valor no tiene ninguna utilidad la ,ase s/lida (*$) que es de vital importancia por describir el suelo y la ,ase l1quida (*) que se asume es 9 por ser W g el mismo del agua en condiciones de laboratorio. En cualquier caso el valor de re,erencia es O: y O: N O.
CLAVE 2 "tra relaci/n ,undamental surge de considerar el P& 57medo as1-
"bs=rvese que no se escribi/ 6s sino *$ 6W . A5ora sustituimos *$ N por $e y obtenemos estas e8presiones para el P& 57medo seco y saturado-
D&a7+a!as 'e 5ases %o" 9ase ("&/a+&a
γT = f(e) Con VS = 1 en el gráfico, necesariamente
γT = f(ð): Con VT = 1, en el gráfico, necesariamente
alculados los vol7menes se pasa a los pesos utilizando
la e8presi/n de 6 s (sin escribirla) y luego la de W
#"A- En diagramas unitarios e8isten 6 posibilidades- %$ % $ B 9. con la tercera se obtienen resultados en ,unci/n de la relaci/n de vac1os como los del caso a).
E:UIPOS UTILI;ADOS Para realizar la prueba en el laboratorio se utilizo el siguiente equipo •
Frasco de toma de muestras
•
Balana de tri!le "rao
•
#orno
•
$ro"eta
•
%eci!ientes de &idrios de &ol'menes cm* + cm* ("ea-er)
•
•
Ta!as metálicas !ara toma de muestras Cuc.ara !ara el fácil mane/o saturado
DESARROLLO PR
Para llevar acab/ el laboratorio correspondiente al tema de RELA!"#E$ %"L&'ER!A$ *RA%!'ER!A$ Para realizar el ensayo del s(elo $a+%&al!e"/e sa/(+a'o en primer lugar se pesa el recipiente (beaYYer) se tiene en cuenta la cantidad del volumen en cm6 que le cave y el tamaño del mismo se le agrega el material 57medo y se pesa despu=s de 5aberlo agregado0 luego se pesaron tres (6) ,rascos de muestras vacios y luego se pesaron los ,rascos con el material 57medo se procede a meter las muestras al 5orno someti=ndolas a 9M>? 5oras de secado y despu=s de secadas las muestras se vuelven a pesar. Este procedimiento se realiza a cada estrato Para realizar el ensayo del s(elo e sa/(+a'o, se pesa nuevamente un recipiente vacio pero este de mas grande se le agrega el material 57medo se pesa el recipiente con el material 57medo se le adiciona agua 5asta saturar el material nuevamente se pesa el recipiente con el material saturado luego se pesaron tres (6) ,rascos de muestras vacios y luego se pesaron los ,rascos con el material saturado las muestras se pasan al 5orno y se de2an 9M>? 5oras y se pesan nuevamente despu=s de 5aber secado las se pesan nuevamente esto se realiza a cada estrato
CALCULO TIPO Y DATOS CONCLUSIONES En el traba2o practico se aprendi/ que e suelos esta con,ormado por 6 ,aces solida liquida y gaseosa y que realizando el diagrama de ,aces a cada ensayo y estrato se determina la cantidad de agua material y vacios que con,orman el suelo +espu=s de 5aber realizado el laboratorio se identi,ica que son dos procesos para cada ensayo- parte práctica (traba2o de laboratorio) traba2o calculo (operaciones matemáticas).
BIBLIOGRAFIA 'EA#!A +E $&EL"$ omos !!!. Editorial Limusa >::: Z[R Rodr1guez D ER\A*]! omos !!!. Editorial Limusa >::: 4undamentos de la mecánica de suelos Zuarez [adillo Eulalio0 Rico Rodriguez Al,onso ontracci/n Lineal (L) La gran simplicidad de este ensayo compensará su ,alta de precisi/n. Para la determinaci/n de la contracci/n 5aremos uso de un recipiente en ,orma de barra ,abricado de lat/n. Este recipiente prismático mide 9> cm de l argo 9.; cm de anc5o y 9.; cm de altura encontrándose correctamente identi,icado mediante un n7mero en alto relieve. +espu=s de 5aberse engrasado el molde colocaremos en el recipiente una muestra del suelo a ensayar a una 5umedad apro8imada a su l1mite l1quido en camadas sucesivas evitándose las oquedades y vac1os. El recipiente se coloca en un lugar seco por dos o tres d1as para obtener una disminuci/n gradual en el contenido de 5umedad y luego se lleva a secar completamente en el 5orno. En caso de que no se 5iciera de esta manera se correrá el riesgo de que se agrietara la muestra por la contracci/n brusca que resulta.
La contracci/n lineal se de,ine como el porcenta2e de variaci/n en la longitud de una muestra de suelo al disminuir su contenido de 5umedad desde el l1mite l1quido 5asta el l1mite de contracci/n respecto de su longitud original. $u ,/rmula es la siguienteL B ((Li L,)KLi) ^ 9:: dondeLi - longitud inicial de la barra de suelo 57meda L, - longitud ,inal de la barra de suelo seca La longitud inicial de la barra de suelo 57meda se obtiene ,ácilmente siendo =sta la longitud del recipiente que la contiene. Luego de seca se podrá medir la longitud ,inal de la barra con la ayuda de un calibrador o pies de rey sin e8traer la barra del recipie nte evitándose as1 que se ,racture. $in embargo ocurrirá generalmente que la barra de suelo seca se comba o pandea dadas las contracciones desiguales 5aci=ndose necesario tomar un promedio de las longitudes de ambas caras in,erior y superior de la barra. Para medir estas longitudes curvas nos valemos de un papel el cual se 5ará seguir las de,ormaciones de la barra y que una vez recti,icado se determinará su longitud normalmente con el calibrador. .9: ontracci/n volum=trica (%) La contracci/n volum=trica es un dato que nos indica el porcenta2e en p=rdida de volumen de un material al pasar su contenido de 5umedad de una ,rontera a otra. &na de estas ,ronteras será el l1mite de contracci/n por ser la más signi,icativa y la otra podrá ser elegida siguiendo varios criterios. Para nuestros ,ines usaremos el l1mite l1quido quedando as1 de,inida la contracci/n volum=trica por la siguiente ,/rmula% B ((%LL %L)K%LL) ^ 9:: donde% - contracci/n volum=trica %LL - volumen del suelo en el l1mite l1quido %L - volumen del suelo en el l1mite de contracci/n. '=todo del cono ruso para la determinaci/n del l1mite l1quido El m=todo del cono ruso se basa en la resistencia a la penetraci/n de los suelos al alcanzar el l1mite l1quido . El cono de penetraci/n es el elemento a utilizar para determinar el es,uerzo cortante el cual tiene una l1nea graduada a 9 cm de la punta del cono. Es esta l1nea la que indicará la penetraci/n e8acta en u na muestra de suelo que se encuentre en su l1mite l1quido. El cono mantiene su verticalidad gracias a dos es,eras balanceadoras de acero unidas al cono mediante barras metálicas de 6 mm de diámetro . El cono se 5ace p enetrar en la muestra que
se 5alla contenida en una cápsula de cristal la cual a su vez descansa sobre una base de madera. Las normas indican las dimensiones y los pesos de los distintos componentes del dispositivo. $i la 5umedad que 5emos dado a la muestra de suelo es la correspondiente al l1mite l1quido entonces el cono penetrará en la muestra quedando la l1nea graduada en la super,icie del suelo. El uso del cono ruso se limitará a la veri,icaci/n de si en una muestra de suelo su contenido de 5umedad se encuentra en sobre o por deba2o del l1mite l1quido pero no constituye un dispositivo práctico para la determinaci/n en s1 de este valor ya que se invierte muc5o tiempo obteniendo por apro8imaciones el contenido de 5umedad de la muestra aumentándolo y disminuy=ndolo sucesivamente 5asta lograr que coincida e8actamente con el l1mite l1quido.
PRACTICA 2 CONTENIDO DE =UMEDAD
REPORTE DE PR
3- OB>ETIVO) El alumno determinara el contenido de agua de las muestras (alteradas) obtenidas a diferentes profundidades en la práctica de exploración y muestreo, elaborando una gráfica del contenido de agua contra profundidad.
2- INTRODUCCI?N) Esta propiedad física del suelo es de gran utilidad en la construcción civil y se obtiene de una manera sencilla, pues el comportamiento y la resistencia de los sueles en la c onstrucción están regidos, por la cantidad de agua que contienen. El contenido de humedad de un suelo es la relación del cociente del peso de las partículas sólidas y el peso del agua que guarda, esto se expresa en trminos de porcenta!e. En "apón se han registrado contenidos de humedad de más de mil por ciento, esto indica grandes problemas de suelo debido a que el peso del agua supera quince veces el peso del material sólido. El proceso de la obtención del contenido de humedad de una muestra se hace en laboratorios, el equipo de traba!o consiste en un horno donde la temperatura pueda ser controlable. #na ve$ tomada la muestra del sólido en estado natural se introduce al horno. %hí se calienta el espcimen a una temperatura de más de &'' grados elsius, para producir la evaporación del agua y su escape a travs de ventanillas. e debe ser cuidadoso de no sobrepasar el límite, para no correr el riesgo de que el suelo quede cremado con la alteración del cociente de la determinación del contenido de humedad. El material debe permanecer un periodo de doce horas en el horno, por esta ra$ón se acostumbra a iniciar el calentamiento de la muestra de suelo al final del día, para que así de deshidrate durante toda la noche.
umplidas ya las &* horas de secado de la muestra de tama+o normal se procede a retirar y pesar, para así obtener el peso del suelo seco. El peso del agua será la diferencia entre el peso de la muestra en estado natural y la muestra seca de suelo. a se cuenta con los valores necesarios para la obtención del contenido de humedad, en caso de tener mucha prisa en la obtención de resultados de ensayo, la muestra podría ser retirada del horno al cabo de cinco o seis horas para así pesarla, luego se introduciría de nuevo al horno y se compararía con este peso con el obtenido a las seis horas de secado. i no se obtiene ninguna diferencia, podría utili$arse este valor como el peso seco de dicha muestra de suelo.
@- MATERIALES Y E:UIPO) •
-uestras de suelo
•
orno
•
balan$a de precisión desecador
•
vidrios de relo!
•
espátula de lápi$
•
4.1.-e determinó el peso del recipiente.
4.2.-e seleccionó la muestra representativa (/' gr).
4.3.-e colocó la muestra h0meda en el recipiente y determinando así el peso del recipiente mas la
muestra h0meda, y se anotó en el registro. 4.4.-1espus de anotar en el registro se colocó el recipiente con la muestra en el
horno en un lapso
de *2 hrs con una temperatura de &&'3 45 /3 4.5.-6or ultimo se determinó el peso de la muestra seca
4.6.-7inalmente se calculó el contenido de agua del
0 = 21 = 21 W cs5 css 0s
y se anotó el valor en el registro.
material utili$ando la siguiente expresión.
css c guantes y franela
•
- DESARROLLO)
DONDE W% = contenido de aguan el porcentaje Wcsh= peso el recipiente con la muestra húmeda en gr Wcss = peso del recipiente con la muestra seca en gr. Ww = peso del agua en gr. Ww = Wh-Ws Wh = peso de la muestra húmeda en gr. Wc = peso del recipiente. Ws = peso de la muestra seca en gr.
- C
PROFUNDIDAD
3 5* 64 *
Wc
* 5 16 17
3,44 * 6,51 *,*
Wcsh
13,44 1* 16,51 1*,*
Wcss
35,1 56, 43 3
% DE HUMEDAD
1**,6756 64,766377 6,7414 163,7*437
G+5&%a 33
- CONCLUSIONES) El suelo es un material que tienen características diferentes seg0n la región y las profundidades que se estudian en este caso nuestro nos demuestra que existen ciertas regiones de ellas poco h0medas (nótese en el caso de la profundidad de 8' cm ubicado en la gráfica &.&) lo cual depende directamente del tipo de suelo que habite en ello por lo tanto el porcenta!e de humedad de cada capa de suelos define entonces el tipo de suelo y las actividades que se pueden reali$ar en ello
