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GRANULOMETRIA DE SUELOS

OBJETIVO:

El presente ensayo denominado granulometría nos permite la determinación cuantitativa, la distribución del tamaño de las partículas de un suelo.

Cabe destacar que es válido para aquellos suelos que son mayores al tamiz N° 200 (0.074 mm). Este método también recibe el nombre de análisis mecánico por el hecho de que la clasificación se la hace a través de diferentes tamaños de tamices.

Introducir al estudiante al método para hacer el análisis granulométrico mecánico de un suelo y a la forma de presentar los resultados obtenidos.

Obtener la distribución (curvas semilogarítmica del porcentaje del material más fino contra el tamaño de las partículas), razonable de puntos a lo largo del rango potencial de diámetros presentes en la práctica.

Principio.- El análisis granulométrico de un suelo se basa fundamentalmente en el tamizado del suelo ya sea en forma manual o en forma mecánica a través de un motor; este trabajo se lo realiza en cernidores los cuales tienen diferentes medidas. Además haremos notar que este estudio se lo realiza por vía húmeda.

FUNDAMENTO TEORICO:

En la clasificación de los suelos para uso de ingeniería es universalmente acostumbrado utilizar algún tipo de análisis granulométrico. Una parte importante de los criterios de aceptabilidad de los suelos para carreteras, aeropistas, presas de tierra, diques y otro tipo de terraplenes es el análisis granulométrico. La información obtenida del análisis granulométrico puede en ocasiones utilizarse para predecir movimientos del agua atraves del suelo, aun cuando los ensayos de permeabilidad se utilizan más comúnmente. La susceptibilidad de sufrir la acción de las edades en suelo, una consideración de gran importancia en climas muy fríos, puede predecirse a partir del análisis granulométrico del suelo.

Los suelos muy finos son fácilmente rastreados en suspensión por el agua que circula a través del suelo y los sistemas de subdrenaje usualmente se colman con sedimentos rápidamente a menos que sean protegidos adecuadamente por filtros de material granular debidamente gradado. La gradación adecuada de estos materiales denominados filtros, puede ser establecida a partir de su análisis granulométrico.

El análisis granulométrico es un intento de determinar las proporciones relativas de los diferentes tamaños de grano presentes en una masa de suelos dados. Obviamente para obtener un resultado significativo la muestra debe ser

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estadísticamente representativa de la masa de suelo. Como no es físicamente determinar el tamaño real de cada partícula independiente de suelo, la práctica solamente agrupa los materiales por rangos de tamaño. Para lograr esto se obtiene la cantidad de material que pasa atraves de un tamiz con una malla dada pero que es retenido en un siguiente tamiz cuya malla tiene diámetro ligeramente menores a la anterior y se relaciona esta cantidad retenida con el total de la muestra pasada atraves de los tamices. Es evidente que el material retenido de esta forma en cualquier tamiz consiste de partículas de muchos tamaños todos los cuales son menores al tamaño de la malla atraves de la cuál todo el material paso pero mayores que el tamaño de la malla del tamiz en el cual el suelo fue retenido.

Los tamices son hechos de malla de alambre forjados con aberturas rectangulares que varían en tamaño desde 101,6 mm (4”) en la serie más gruesa hasta el número 400 (0,038 mm) en la serie correspondiente a suelo fino.

Las últimas designaciones oficiales de la ASTM y de la Oficina Nacional de Normas de Los Estados Unidos. Estos tamaños son ligeramente diferentes de aquellos establecidos por las designaciones anteriores (antes de 1970) o de aquellos que puedan encontrarse en series antiguas todavía en uso, es decir típicamente.

Todos los sistemas de clasificación utilizan el tamiz Nº 200 como un punto divisorio; las clasificaciones se basan generalmente en términos de la calidad retenida o la cantidad que pasa a través del tamiz Nº 200. Ocasionalmente es deseable conocer la escala aproximada de partículas de suelos menores que el tamiz 200; cuando se presenta esta necesidad (como en el caso de los laboratorios universitarios para lograr la familiarización del estudiante con el procedimiento), el método del siguiente proyecto “análisis granulométrico - método mecánico”, es comúnmente utilizado.

El proceso de tamizado no provee información sobre la forma de los granos de suelos ellos son angulares o redondos. Solamente da información sobre los granos que pueden pasar, o que orientación adecuada pasa, a través de una malla de abertura rectangular de un cierto tamaño. Obviamente, en muestras de un cierto tamaño no siempre es posible que todas las partículas pasen a través del tamiz respectivo, ya que es posible que no se puedan orientar adecuadamente para pasar a través de su tamiz correspondiente. Las partículas más pequeñas podrían no haber sido totalmente separadas en el proceso de pulverización, e incluso las partículas más finas especialmente la fracción menor que el tamiz 200 en tamaño pueden adherirse a las partículas mayores y no pasar a través del tamiz adecuado.

La información obtenida del análisis granulométrico se presenta en forma de curva. Para poder comparar suelos y visualizar más fácilmente la distribución de los tamaños de granos presentes, y como una masa de suelos típica puede tener partículas que varíen entre tamaños de 2,0 mm y 0,075 mm las más pequeños, por lo cuál sería necesario recurrir a una escala muy grande para poder dar el

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mismo peso y precisión de lectura a todas las medidas, es necesario recurrir a una presentación logarítmica para los tamaños de partículas. Los procedimientos patrones utilizan el porcentaje que pasa (también llamado porcentaje más fino) como la ordenada de la escala natural de la curva de distribución granulométrica.

En la figura 5-4 se muestra curvas típicas de distribución granulométrica para suelos de grano fino. Una de las curvas de dicha figura se obtiene a partir de los datos mostrados. Una distribución granulométrica para un suelo de grano más grueso debería estar desplazado a la izquierda.

Es evidente de que una curva de distribución granulométrica solo pueda aproximar la situación real. Esto se debe a las varias razones consideradas hasta aquí, incluyendo las limitaciones físicas para obtener muestras estadísticamente representativas, la presencia de grumos en el suelo, la limitación práctica impuesta por la utilización de mallas de forma rectangular para medir partículas de suelo de forma irregular y el número limitado de tamices utilizables en el análisis. La exactitud del análisis es más cuestionable aún para suelos de grano fino (más fino que el tamiz Nº 4) que para suelos gruesos, en la práctica común y ampliamente seguida de utilizar suelos secados al horno puede incluir el análisis en otro tanto. El autor es de la opinión de que el secado al horno es uno de los factores menos significativos del ensayo; el tener una muestra representativa y el lograr la reducción de todos los grumos de partículas elementales mediante el lavado son factores mucho más importantes. La curva de distribución granulométrica no se obtienen siguiendo el procedimiento que se presenta a continuación es satisfactoria para predecir el comportamiento de suelos no cohesivos y obtener las cantidades relativas mayores y menores del tamiz Nº 200.

El autor ha encontrado un método más confiable y del cual se puede realizar más fácilmente una reproducción que el análisis por tamizado de un suelo de grano fino con más del 4 o 5 % de material más fino que el tamiz Nº 200, es el de tomar una cantidad secada al horno de ése material, molerla tan fino como sea posible, y luego lavarla a través del tamiz Nº 200, secar al horno el residuo y tamizar a través de una serie constituida por 5 o 6 tamices dentro de un rango de tamaños que garanticen suficientemente puntos para la gráfica. Este método asegura que muy poco polvo se adhiera a las partículas mayores y que los grumos de material fino ablandados por el agua, se desbaraten y permitan que las partículas de arcilla pasen a través del tamiz y luego del secado las partículas aisladas permanezcan separados. El anterior es un método particularmente deseable cuando se utilizan un microscopio para determinar la forma de los granos como una información suplementaria a la curva de distribución granulométrica.

Cuando menos del 10 al 15 % del material pasa a través del tamiz Nº 10, no es deseable o práctico para éstos suelos (gravas o arenas gravosas) el procedimiento del lavado a través del tamiz. El lavado es usualmente innecesario cuando solo 5 o 10 % pasa a través del tamiz Nº 100 para los suelos de grano fino. De todos modos el gran tamaño de muestras (100 a 5000 gramos) necesaria en suelos de grano grueso hace el lavado bastante impráctico.

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La naturaleza estadística de la distribución de tamaños de partículas en un suelo hace que aun las muestras representativas más cuidadosas produzcan curvas de granulometría no muy reproducidas. Se puede decir que se ha obtenido un análisis “reproducibles” si el porcentaje de finos se encuentra en el orden de más o menos 1.5 % para los suelos granulares. Por ésta razón la escala utilizada para los gráficos mostrados es satisfactoria para uso general.

La serie de tamices consiste generalmente en un grupo de tamices seleccionados de forma que la abertura de malla de cada tamiz sea el doble de la abertura de la malla anterior de abajo hacia arriba. Por conveniencia y debido a razones prácticas tales como la disponibilidad de tamices, y al tamaño de la serie misma, o la necesidad de introducir tamices de control como en los números 4,100,200 u otros tamaños, es necesario algunas veces omitir algunos tamaños de tamiz. Una sujeción estricta a la norma de doblar siempre el tamaño no mejora del todo la distribución granulométrica y lo que realmente se necesita es la utilización para producir la curva, de un número razonable de puntos que permitan una contabilidad estadística. La norma de doblar el diámetro debe ser recordada y utilizada como guía para desarrollar una serie de tamices. Para analizar suelos finos debe ponerse un tamiz Nº 200 al final de la serie; una serie para analizar arena que debe utilizarse como agregado para hormigones, debe siempre terminar en el tamiz Nº 100.

A partir de la curva de distribución granulométrica, se puede obtener diámetros característicos tales como el D10, D85, D60, etc. El se refiere al tamaño del grano, ó diámetro aparente, de la partícula de suelo y el subíndice (10, 85, 60) denota el porcentaje de material más fino. Por ejemplo, D10 = 0,15 mm. Para la curva B de la figura 5-4 significa que el 10% de los granos de la muestra son menores en diámetro que 0,15mm. El diámetro D10 es también llamado el tamaño efectivo de un suelo.

Una indicación de la variación (o rango) del tamaño de los granos presentes en la muestra se obtiene mediante el “Coeficiente de uniformidad” Cu, definido como:

Cu = D60/D10

Un grande en este parámetro Cu indica que los diámetros D60 y D10 difieren en tamaño apreciablemente. No asegura sin embargo, que no existe un vacío de gradación, como el que se presenta cuando faltan por completo o solamente existe una muy pequeña cantidad de diámetro de un determinado tamaño. El “Coeficiente de concavidad Cc” es una medida de la forma de la curva entre el D60 y D10, y se define de la siguiente forma:

Cc = D302 / D10*D60

Valores de Cc muy diferentes de 1.0 indican que faltan una serie de diámetro entre los tamaños correspondientes al D10 y el D60 . Cálculos típicos para el Cu y el Cc

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se muestran en la fig. 5-4, para el suelo B; nótese que los valores calculados a la 0.1 son suficientemente precisos. Estos valores se utilizan en la clasificación del suelo. Los diámetros correspondientes al D15 y al D85 pueden utilizarse para determinar la capacidad del suelo para ser utilizado en diseños de filtros para una presa o para recubrir los agujeros de tubería perforada utilizada como sistema de subdrenaje dentro de un suelo. El método para hacer el análisis granulométrica presentada en esta práctica es esencialmente el mismo utilizado por el cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos, en la mayoría de las firmas consultoras pero difiere del sugerido por la norma ASTM en el cuál se divide el suelo secado al aire en fracción superior e inferior al Tamiz Nº 10 (2.00 mm). La cantidad de material superior en tamaño al tamiz Nº 10 depende del tamaño de la máxima partícula presente en la muestra y varía entre 500 y 5.000 gr.

Este método se usa en caso de que los suelos sean granulares lo que permite fácilmente determinar los porcentajes de grava y arena mediante el uso de un juego de tamices. Estos tamices con aberturas calibradas, varían desde 10.16 cm que equivale a 4' hasta 0.074 mm que equivale al tamiz N° 200 que significa que una pulgada esta dividida en 200 partes iguales, los cuales pertenecen a la serie de tamices de U.S. Bureau of Standard.Para el caso de que le suelo contenga material fino como limo y arcilla, se debe utilizar el segundo método que el por vía húmeda.El análisis granulométrico consiste en pasar el suelo por una serie de tamices, previo conocimiento del peso total de la muestra; la parte del suelo retenido por cada tamiz se calcula en forma individual con relación al peso total y seguidamente se determinan los porcentajes que pasan por cada tamiz.A continuación exponemos una descripción aproximada que nos da el diámetro de las partículas desde los más gruesos hasta los más finos:

Piedra Bolón................ 12 pulgadas.Cantos Rodados.............. 6 a 12 pulgadas.Grava....................... 2 mm a 6 pulgadas.Arena....................... 0.06 mm a 2 mm.Limo........................ 0.002 mm a 0.06 mm.Arcilla..................... menores a 0.002 mm.

El número de malla significa el número de la abertura por pulgada lineal de tamiz. Esta especificación fue realizada por Tyler, y es la única forma de reconocer cualquier tipo de tamiz de número dado.

Debido a la gran variedad de tamaños de granos se ha tratado de dividir en secciones toda la escala de tamaños existiendo para esto varios tipos de proporciones y al más aceptable es la adoptada por la A.S.T.M. (Amereican Societi for Testing and Materials) en esta escala las gravas corresponden a las partículas más gruesas que incluyen a los granos mayores al tamiz N° 4 (4.76 mm), la arena está comprendida entre el tamiz N° 200 (0.074 mm). Los granos finos menores que el tamiz N° 200 se subdividen en limos que son mayores a 0.002 mm y menores a 0.002 mm se encuentran las denominadas arcillas.

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La mejor manera de representar la graduación de los suelos es asiendo uso de las curvas granulométricas, donde diferentes tamaños de granos se dibujan en el eje de las abscisas a escala logarítmica y los porcentajes en peso del material que pasa cada tamiz en el eje de las ordenadas a escala natural.

La unión de varios puntos nos llega a dar la curva granulométrica del suelo estudiado. La forma de la curva empinada nos indica que se trata de un suelo uniforme, mientras que la curva suave y un tanto extendida nos indica que se trata de un suelo bien graduado. Aveces se presenta inflexiones en la curva lo que indica que le material ensayado es de graduación incompleta.

Graduación discontinua. Bien graduada. Uniforme. Suelo uniforme meteorizado.

De la curva granulométrica se puede también determinar los porcentajes de grava, arena, limo y arcilla que resulta de un suelo de ensayo.

MATERIALES:

Balanza sensible de 0.1 gr. y 0.01 gramos de aproximación

Brocha para limpiar los tamices.

Otros accesorios, bandejas, cucharas, etc.

Juego de tamices (2', 1 ', 1', ',', 3/8', N°4, N°10, N°30, N°60, N°100, N°200)

PROCEDIMIENTO:

La muestra utilizada debe ser muy representativa de más o menos de 500 a 600 gr. El peso de la muestra de agregado fino que pasa por el tamiz N°4 necesario depende de la cantidad de suelo fino que contenga.

El análisis que realizamos del suelo fue sin lavado.

Cada grupo debe obtener exactamente 500 gr. (200 gr. a discreción del instructor, pero las muestras mayores son estadísticamente más representativas ) de suelo secado al horno tomado de una bolsa de muestra obtenida en el terreno en desarrollo del experimento Nº 2 o de algún experimento de suelo suministrado por

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el instructor para este experimento en particular. Es necesario asegurarse de que la muestra sea representativa para lo cual es posible utilizar un cuarteador mecánico (si hay uno disponible) teniendo simplemente el cuidado de tomar la muestra de diferentes sitios dentro del recipiente mientras se remueve continuamente su contenido hasta lograr la cantidad necesaria.

A continuación, hacer pasar la muestra atraves de una serie de tamices que varía desde los diámetros arriba hasta los diámetros abajo. Como el objetivo de la práctica es lograr una curva semilogarítmica del porcentaje del material más fino contra el tamaño de las partículas, será necesario obtener una distribución razonable de puntos a lo largo del rango potencial del diámetro presentes en la muestra.

Se colocó una serie de tamices en un agitador eléctrico automático y tamizar durante 12,5 min. dependiendo de una inspección visual sobre la dificultad probable sobre la dificultad probable dada la cantidad del material. Y también se realizó el tamizado de las partículas más grandes a mano.

Se quitaron la serie de tamices del agitador mecánico para obtener el peso del material que quedo retenido en cada tamiz. Luego sumamos estos pesos para comparar el total con el peso total obtenido. Porque está operación nos permitió detectar cualquier pérdida del suelo durante el proceso del tamizado mecánico y el manual con la cual se obtuvo menos del 2 % de pérdida por la cual resulto satisfactoria la práctica.

INFORME GRAFICO

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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.-

Las conclusiones de la presente practica son las siguientes:Primeramente se concluye que para realizar un buen calculo antes que nada se debe realizar un buen cuarteado para así tener una mejor uniformidad en el material.

Que para que resulte un buen cálculo de la práctica se debe realizar una buena limpieza de los tamices por lo que de lo contrario los cálculos finales que se obtendrán no serán los verdaderos.Los ensayos de granulometría en el campo de la ingeniería son de trascendental importancia porque a través de este estudio podemos empezar a determinar la clase de suelo que tenemos y sus respectivas cantidades de grava, arena, limo arcilla con que cuenta dicho suelo.

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Una vez encontrado el coeficiente nos damos cuenta del tipo de suelo con el que tratamos y podemos indicar que en nuestro caso es un suelo bien graduado también según la curva granulométrica mostrada en el fundamento teórico y las diferentes curvas que se muestran en la gráfica podemos afirmar que es un suelo bien graduado.

Para el cálculo de los diferentes porcentajes incluimos el programa respectivo de manera que se podrá obviar los cálculos numéricos respectivos y solo se adjunta la planilla de cálculos.

Se concluye también que la curva que se tiene que obtener al final nunca va a ser constante aunque se realice la practica con toda la perfección del mundo por lo que este factor es muy influido por el tipo de material con el que se cuente para realizar la práctica.

Se concluye también que siempre donde va a tener a existir una falla con pérdida de material en la práctica será del material que quedara en la base por lo parte de este material que debe pasar a la base se irá perdiendo en el proceso de la práctica por tratarse de un material de granos infinitamente pequeños, obvio esta que las fallas en esta parte serán mínimas si se realiza una buena práctica.

Al realizar los cálculos de los porcentajes de la clasificación de A.S.T.M. encontramos los porcentajes de grava y arena de limo con arcilla: no se pudo encontrar porcentajes por separado del limo y de la arcilla debido a que las normas de clasificación antes nombradas los limo s se encuentran en un rango del N°200 a 0.002 mm y las arcillas menores a 0.002 mm los cuales no son analizados en esta práctica. Esta manera incluimos en una de los porcentajes de grava y arena junto con el limo y arcilla.Para terminar indicaremos que esta práctica de granulometría es una experiencia de laboratorio que nos permite realizar ensayos con mayor certeza de obtener resultados más asemejados con la realidad, es decir que esta práctica es mucho más aplicable a suelos gruesos y bien graduados, al decir bien graduados nos referimos a los materiales de los suelos que nos permitan considerar una gran variedad de partículas las cuales nos permiten apreciar los resultados, mucho más reales que cuando se trabaja con suelos finos.

RECOMENDACIONES.-En lo posible debemos de tener cuenta de que no se derrame el material usado por lo que en esa falla al final lo que tengamos que conseguir en peso ya no se será lo que empezamos en la práctica.

Que se realice el tamizado el mayor tiempo posible para que no quede material que tendría que haber pasado por el tamiz con lo cual se arrastra material que debería haber pasado.

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Que el pesaje del material tamizado debe de ser muy bien pesado porque de lo contrario se producirá un error con lo que al final cuando sumemos los pesos de las muestras no tendremos la misma al empezar.