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I
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
AGRADECIMIENTOS
Primeramente a Dios por darme la vida, la fortaleza y paciencia para lograr
este sueño.
A mis padres, fieles incondicionales que siempre me han apoyado. Por
entenderme y tenerme paciencia. Por cuidarme, desearme y darme lo mejor. Por
no dudar de mí.
A mi abuela, por decirme las palabras justas y en el momento preciso para
no abandonar. Porque siempre ha confiado en lo que soy y quiero.
A mi novio, por estar conmigo en las buenas y en las malas, por aguantar mis
rabietas, por consolar mis tristezas y celebrar mis alegrías. Gracias por
esperarme.
A la ilustre Universidad Católica Andrés Bello, formadora de profesionales
y mejores seres humanos, de la cual cada día me siento más orgullosa de
pertenecer.
Al Profesor y mi tutor Ing. Hugo Pérez Ayala, por brindarme la oportunidad
de realizar este trabajo, por ser un guía y amigo, por compartir sus
conocimientos, por entenderme y saberme llevar.
Gracias también a Yeli, Villeguitas, Manrique, Liliana y todo el personal que
día a día laboran allí y me brindaron su ayuda, apoyo y conocimientos.
A mis amigos y compañeros de clases, por los momentos vividos, por
apoyarme y ayudarme cuando más los necesite. Gracias Jesi, Jose, Marco, Aikido,
Geo, Made, Migue, Marian…
A las familias Sánchez, Bautista y Gómez, por recibirme en sus casas y
tratarme como parte de la familia. Especialmente a Cucu. Gracias por todas esas
comidas ricas.
II
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
INDICE GENERAL
Pag.
Agradecimientos I
Introducción 1
Marco Teórico 3
Capítulo I: Análisis Visual
1.1- Introducción teórica 19
1.2.- Procedimiento de ensayo 23
1.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo 26
1.4.- Correlaciones de interés 27
1.5.- Llenado de planilla 28
1.6.- Planilla de ensayo 29
Capitulo II: Contenido de Humedad y Peso Unitario
2.1.- Introducción teórica 30
2.2.- Procedimientos de ensayo 31
2.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo 32
2.4.- Correlaciones de interés 33
2.5.- Llenado de planilla 33
2.6.- Planilla de ensayo 35
Capítulo III: Gravedad Específica
3.1.- Introducción teórica 36
3.2.- Procedimientos de ensayo 36
3.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo 38
3.4.- Correlaciones de interés 39
3.5.- Llenado de planilla 43
III
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
3.6.- Planilla de ensayo 44
Capítulo IV: Granulometría
4.1.- Introducción teórica 45
4.2.- Análisis Granulométrico - Método Mecánico
4.2.1.- Procedimiento de ensayo 52
4.2.2.- Consideraciones generales sobre el ensayo 53
4.2.4.- Llenado de planilla 53
4.2.5.- Planilla de ensayo 55
4.3.- Análisis Granulométrico - Método Hidrómetro
4.3.1.- Procedimiento de ensayo 56
4.3.2.- Consideraciones generales sobre el ensayo 58
4.3.3.- Correlaciones de interés 59
4.3.4.- Llenado de planilla 62
4.3.5.- Planilla de ensayo 65
Capítulo V: Limites de Atterberg
5.1.- Introducción teórica 66
5.2.-Limites Líquido y Plástico
5.2.1.- Procedimientos de ensayos 71
5.2.2.- Consideraciones generales sobre el ensayo 73
5.2.3.- Correlaciones de interés 74
5.2.4.- Llenado de planilla 75
5.2.5.- Planillas de ensayo 77
5.3.- Límite de Contracción
5.3.1.- Procedimientos de ensayos 79
5.3.2.- Consideraciones generales sobre el ensayo 80
5.3.3.- Correlaciones de interés 80
5.3.4.- Llenado de planilla 81
5.3.5.- Planilla de ensayo 83
IV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Capítulo VI: Permeabilidad
6.1.- Introducción teórica 84
6.2.- Procedimientos de ensayo
6.2.1.- Coeficiente de permeabilidad - Carga constante 91
6.2.2.- Coeficiente de permeabilidad - Carga variable 91
6.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo 93
6.4.- Correlaciones de interés 94
6.5.- Llenado de planilla 95
6.6. Planilla de ensayo 98
Capítulo VII: Compactación
7.1.- Introducción teórica 99
7.2.- Procedimientos de ensayo 105
7.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo 106
7.4.- Correlaciones de interés 107
7.5.- Llenado de planilla 108
7.6.- Planillas de ensayo 110
Capítulo VIII: Densidad de Campo
8.1.- Introducción teórica 112
8.2.- Procedimientos de ensayo 116
8.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo 118
8.4.- Correlaciones de interés 118
8.5.- Llenado de planilla 119
8.6.- Planilla de ensayo 121
Capítulo IX: Expansión
9.1.- Introducción teórica 122
9.2.- Procedimientos de ensayo 127
9.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo 129
V
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
9.4.- Correlaciones de interés 129
9.5.- Llenado de planilla 129
9.6.- Planilla de ensayo 131
Capítulo X: Colapso
10.1.- Introducción teórica 132
10.2.- Consideraciones generales sobre el ensayo 134
10.3.- Correlaciones de interés 135
Referencias bibliográficas 136
Anexos
Clasificación unificada de Suelos 137
VI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
INDICE DE CORRELACIONES
Pag.
Propiedades características de la arena y la arcilla 6
Capitulo I: Análisis Visual
Indice cualitativo de la consistencia 27
Diferencias físicas entre arenas y arcillas 27
Variación del contenido de humedad según el tipo de suelo 33
Capitulo II: Contenido de Humedad y Peso Unitario
Variación del contenido de humedad según el tipo de suelo 33
Capítulo III: Gravedad Específica
Gravedad específica de importantes minerales 39
Composiciones típicas de una arena arcillosa 40
Denominación del suelo según la compacidad 40
Compacidades máximas y mínima de suelos granulares 41
Capítulo V: Limites de Atterberg
Comportamiento del suelo al variar su plasticidad 70
Límites de Atterberg de minerales arcillosos 74
Actividad de minerales de arcilla 75
Valores promedio de los límites de consistencia 80
Capítulo VI: Permeabilidad
Valores típicos de permeabilidad para suelos saturados 94
Capítulo VII: Compactación
Comparación entre las compactaciones por el lado seco o húmedo del
óptimo 107
Comparación Proctor a 95% Estandar vs Modificado 108
Capítulo VIII: Densidad de Campo
VII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Criterios para seleccionar volumen de agujero y tamaño de la
muestra 114
Índices Cuantitativos de la consistencia 118
Capítulo IX: Expansión
Relación entre el potencial de expansión del suelo y el índice de
plasticidad 129
Capítulo X: Colapso
Escala de valores según Knight (%CP - Gravedad del problema) 135
VIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
INDICE DE TABLAS
Pag.
Capítulo III: Gravedad Específica
Peso específico del agua. Factor K 42
Capítulo IV: Granulometría
Límites en tamaño de suelos separados 46
Propiedades del agua destilada 59
Factores de corrección por temperatura 60
Factores de corrección "a" para el peso unitario de sólidos 60
Valores de L (Profundidad efectiva) para usar en la fórmula de
Stokes en la determinación de diámetros de partículas con el
hidrómetro ASTM 152H
62
Capítulo VI: Permeabilidad
Factor de corrección para la viscosidad del agua Nt/N20 94
Capítulo IX: Expansión
Suelos expansivos en Venezuela 123
IX
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
INDICE DE FIGURAS
Pag.
Tamaño de las partículas 5
Estructuras de los minerales (1) 8
Estructuras de los minerales (2) 10
Representación de las fases de una muestra de
suelo, pesos y volúmenes
12
Modelo para evaluar el peso unitario sumergido 15
Capítulo IV: Granulometría
Tipo de análisis por tamaño de grano 46
Curva de distribución granulométrica y
denominación de las fracciones de tamaños de
grano
47
Tipos diferentes de curvas granulométricas 50
Capítulo V: Limites de Atterberg
Límites de Atterberg e índices de ellos
asociados 67
Carta de Plasticidad 69
Capítulo VI: Permeabilidad
Naturaleza de la variación de "v" con el
gradiente hidráulico "i" 86
Capítulo VII: Compactación
Curvas típicas de compactación para cinco
suelos diferentes 101
Capítulo X: Colapso
Relación de vacíos natural del suelo 134
X
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
INDICE DE ENSAYOS
Pag.
Análisis Visual 29
Contenido de humedad y Peso unitario 35
Gravedad Específica 44
Granulometría - Método Mecánico 55
Granulometría - Método Hidrómetro 65
Determinación de los Límites de Atterberg (Límite Líquido) 77
Determinación de los Límites de Atterberg (Límite Plástico) 78
Determinación del Límite de Contracción 83
Determinación del coeficiente de Permeabilidad 98
Compactación- Proctor Normal 110
Compactación - Proctor Modificado 111
Determinación de la Densidad de Campo 121
Determinación de la Expansión en suelos arcillosos 131
XI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
XII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
INTRODUCCIÓN
Se plantea este trabajo como una recopilación de datos de ensayos y
experiencias, básico de la caracterización de los suelos para la realización de un
proyecto de cualquier índole, emitiendo resultados y recomendaciones sobre los
mismos, a manera de brindar un criterio al estudiante de ingeniería civil.
El material aquí presentado hace énfasis en los conceptos y las bases de la
Ingeniería de Suelos; no se trata de enseñar destrezas de cómo realizar ensayos
y dar técnicas particulares de pasos a seguir, sino de fomentar una cultura
general del conocimiento; por ello se empleará un mínimo de herramientas
procedimentales y un máximo de herramientas referenciales y correlaciones que
faciliten el entendimiento y comprensión del suelo.
No es un material destinado a técnicos o especialistas en Laboratorio de
Suelos, ya que estos sólo se limitan a la realización de ensayos sin la conciencia
del resultado que arroje; es una guía general para el estudiante de Ingeniería y
hasta para propios Ingenieros que tienen la necesidad y el deber de poder
diferenciar y estar al tanto del resultado de manera acertada y muchas veces sin
aún haberse llevado a cabo.
Cada uno de los ensayos cuenta con una introducción teórica del mismo,
indicando una breve explicación del procedimiento requerido para su ejecución,
agregándole al final de cada tema un ejemplo de cada uno con ciertas
consideraciones que se sugieren tomar en base a experiencias y una serie de
correlaciones que servirán de guía didáctica y complemento para poder
identificar y comparar resultados.
Todo esto sin perder de vista el objetivo fundamental el cual es ofrecer
un texto con el cual se pueda realizar los ensayos a criterio personal de la manera
más práctica sin la particularidad de una Norma procedimental preestablecida.
En conclusión, se presenta un nutrido instructivo para aquel futuro
ingeniero, al cual se le presentará una gama de suelos con características
distintas, y que por tanto tendrá que aplicar estos conocimientos según el campo
que se le presente.
XIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Para la realización del mismo se consultó ampliamente los métodos
normalizados por la A.S.T.M., se hace uso de las recomendaciones dadas por
diferentes autores, y se cuenta con el aporte de las notas personales del
Profesor de la Cátedra de Laboratorio de Suelos I y II Ing. Hugo Pérez Ayala.
XIV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
MARCO TEÓRICO
La Mecánica de Suelos, es un estudio que ha venido creciendo desde principios
del siglo pasado.
Karl Terzagui se le atribuye como el padre de la misma, ya que este es el
iniciador de la mecánica de suelos como ciencia con la publicación que hiciese en
1925 de su libro “Erdbaumechanik”, el cual presenta los principios fundamentales
de la mecánica de suelos en los cuales se basan los conceptos de esta
especialidad.
Se define entonces a la Mecánica de Suelos como la ciencia que analiza y
estudia las propiedades físicas del suelo y su comportamiento al ser sometido a
variados tipos de esfuerzos.
Los objetivos de la Mecánica de Suelos, son:
Efectuar exploraciones del subsuelo.
Desarrollar equipos y técnicas para obtener muestras del subsuelo.
Desarrollar equipos y técnicas para ensayos del suelo en sitio y en el
laboratorio.
Recopilar y clasificar la información del suelo y de sus propiedades físicas
a la luz del conocimiento fundamental de la Mecánica de Suelos en obras de
tierra e ingeniería de fundaciones.
Investigar las propiedades físicas del suelo y determinar los parámetros
que permiten caracterizar estas propiedades físicas.
Evaluar e interpretar los resultados de ensayos en suelos y su aplicación
directa al subsuelo en sitio o como material de préstamo o de construcción.
El suelo es un agregado de partículas, disgregables ante un débil esfuerzo
mecánico, de minerales y sólidos orgánicos asociados a líquidos y gases que ocupan
los espacios entre ellas.
En la naturaleza se distinguen dos tipos de suelos:
a) Granulares, conformados básicamente por minerales y fragmentos de
roca, de partículas fácilmente disgregables, en presencia de agua no se
adhieren al tacto y no son maleable, partículas generalmente
XV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
equidimensionales, visibles al ojo humano o con lupa de bajo aumento, se
conocen comúnmente con el nombre de gravas, arenas y limos.
b) Cohesivos, constituidos básicamente por partículas laminares, adherentes
y moldeables al tacto en estado húmedo, sus partículas sólo son
observables con un microscopio de alta potencia, estos suelos son
llamados comúnmente arcillas.
Ambos suelos presentan en los problemas de ingeniería comportamientos
diferentes.
En la naturaleza el suelo también se presenta como una combinación de
ambos materiales; en otras palabras se puede tener un suelo cohesivo-granular o
uno granular-cohesivo dependiendo del componente dominante.
En ingeniería el comportamiento del suelo es el factor que más interesa,
por ello la importancia de definir, no el material tipo dominante en la masa, sino
aquel que determina su comportamiento.
Los suelos granulares se pueden subdividir en tres grupos: gravas, arenas y limos. Los suelos cohesivos están constituidos por las arcillas+coloides.
El tamaño de las partículas para cada grupo ha sido establecido por
diversas instituciones con el objeto de clasificar e intuir el comportamiento de la
masa ante solicitaciones internas y externas.
Los suelos se suelen clasificar en gruesos y finos, los suelos de grano
grueso abarcan las gravas y arenas con diámetros mínimo mayor a 75 micras; los
de grano fino, limos y arcillas, están constituidos por el material cuyo diámetro
mínimo de partículas es menor a 75 micras.
Como dato de referencia: 75 micras = Diámetro de un cabello = tamiz # 200.
Las fracciones de arcillas y coloides se separan de los limos y materiales
gruesos no cohesivos, no solo por su forma laminar sino por un tamaño de
partículas menor o aproximadamente igual a un diámetro esférico equivalente a 2
micras (tamaño definido por la química como el mayor para un material coloidal).
XVI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
En la realidad se pueden tener partículas de arcilla en el rango de tamaño
limoso o mayores a 2 micras y partículas muy finas de minerales y cristales
equidimensionales no planos inferiores a 2 micras.
Existen muchos sistemas de clasificación, este aparte sólo se referirá
fundamentalmente a dos de ellos: a) Sistema CUS (Clasificación Unificada de
Suelos del “U.S. Army Corps of Engineers, U.S. Bureau of Reclamation”), este
sistema se usa comúnmente en estudios y proyectos orientados a obras civiles
como fundaciones para edificaciones y estabilidad de taludes. b) Sistema
AASHTO (de la “American Association of State Highway and Transportation
Officials”), el cual se usa principalmente en estudios y proyectos viales.
En la siguiente Tabla se presenta el rango de tamaños de las partículas de
un suelo para los distintos sistemas de clasificación.
TAMAÑO DE LAS PARTICULAS
Los Minerales constituyentes de los suelos son:
Suelos Granulares: Las gravas, arenas y limos son fragmentos de roca con
partículas ocasionales de cuarzo, feldespato y otros minerales. Su forma varía
según su proceso de sedimentación de redondeada a semiredondada, semi angular y angular, generalmente los granos son equidimensionales.
Los limos son los fragmentos granulares de menor de tamaño, casi
microscópico, constituidos fundamentalmente por granos muy finos de Cuarzo,
generalmente de partículas equidimensionales pero en ocasiones puede tener
partículas planas constituidas por minerales micáceos no plásticos.
Suelos cohesivos: Las arcillas son partículas planas microscópicas constituidas
por mica, minerales arcillosos y otros minerales, la agrupación de estos minerales
forman masas plásticas que en estado húmedo son moldeables al tacto.
XVII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Las partículas de minerales de arcillas tienen en general un tamaño menor a
4 micras, su forma es aplanada y presentan gran actividad eléctrica entre ellas;
sus partículas solo pueden ser vistas con un microscopio electrónico y los
cristales individuales se agrupan en láminas repitiendo su estructura atómica que
se pueden medir por difracción de rayos x.
Los suelos que presentan minerales o cristales de gran actividad superficial
entre sus partículas se denominan suelos arcillosos cohesivos y plásticos.
La gran importancia que tienen la forma y tamaño de los granos puede
apreciarse mejor en la siguiente Tabla comparativa, que muestra el
comportamiento de la arena y de la arcilla.
PROPIEDAD ARENA ARCILLA
Plasticidad Nula Plástica
Cambios de volumen Prácticamente cero Muy variable; se retrae
y se expande
Permeabilidad Conduce el agua Muy impermeable
Drenaje Se drena rápidamente
por gravedad.
Apropiado para capa de
filtro
No drena por gravedad.
El contenido de
humedad sólo reduce
con la reducción
simultánea del volumen.
Apropiado como capa
impermeable.
Capilaridad La velocidad del
ascenso capilar es alta,
pero el agua solo sube
alturas pequeñas
El ascenso es muy
lento, la altura puede
alcanzar valores
elevados
Compresibilidad En estado suelto, muy
compresible; la
compresión ocurre
rápidamente. En estado
denso la compresión es
muy pequeña
En estado blando,
altamente compresible,
la compresión se
desarrolla muy
lentamente
Resistencia al esfuerzo
cortante
Sólo fricción; las
tensiones neutras
únicamente tienen
importancia en sistema
cerrado
Fricción y cohesión; la
función de los
esfuerzos
hidrodinámicos es muy
significativa
XVIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Comportamiento bajo
vibraciones
Se compacta
fuertemente
Las vibraciones no le
hacen mayor efecto PROPIEDADES CARACTERISTICAS DE LA ARENA Y LA ARCILLA
SEGÚN ÁRPÁD KÉZDI
Los minerales arcillosos son agrupaciones de silicatos alumínicos
compuestos por dos unidades básicas: Tetraedros Silícios y Octaedros Alumínicos o de Magnesio.
Unidad tetraédrica: Constituida por cuatro átomos de Oxigeno (O) que
equidistan de un átomo de Silicio (Si), la unión de varias de estas unidades forma
una lámina Silicia donde tres átomos de Oxígeno en la base del tetraedro son
compartidos por tetraedros cercanos, su representación gráfica corresponde a
un trapecio. En el tetraedro cada átomo de Oxigeno tiene dos valencias negativas
(2-) y el átomo de Sílice cuatro positivas (4+).
Unidad octaédrica: Constituida por seis Hidroxilos (OH) que rodean a un átomo
de Aluminio (Al) o uno de Magnesio (Mg), la unión de varias unidades forma una
lámina de Gibsita si los átomos interiores son de Aluminio y de Brucita si son de
Magnesio. La unidad octaédrica de Aluminio (Al) tiene una valencia negativa (1-)
por cada Hidroxilo (OH) y tres valencias positivas (3+) para el átomo de Aluminio
(Al). La unidad octaédrica de Magnesio (Mg) tiene una valencia negativa (1-) por
cada Hidroxilo (OH) y dos valencias positivas (2+) por el átomo de Magnesio (Mg).
La combinación de láminas tetraédricas y octaédricas en diferentes
arreglos y variaciones en sus componentes químicos dan origen a los distintos
minerales que conforman las arcillas.
La retícula formada por tetraedros que se agrupan formando una lámina Silicia, la retícula de octaedros formando una lámina de Brucita o Gibsita, como
se muestra a continuación:
XIX
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
ESTRUCTURA DE LOS MINERALES (1)
SEGÚN GUÍA PROF. PÉREZ AYALA
Existen tres grupos de arcillas:
Las Caolinitas que agrupan elementos básicos minerales y laminares
formados por una sucesión de unidades conformadas por una lámina tetraédrica
unida a una lámina octaédrica.
Las Montmorillonitas que agrupan unidades formadas por una lámina
octaédrica entre dos láminas tetraédricas.
Las Illitas que agrupan elementos básicos similares a la Montmorillonita
pero la unión entre unidades básicas minerales y laminares es mas fuerte y
permanente.
Para estudiar la respuesta de los suelos finos en problemas de ingeniería de
suelos, es necesario comprender el aspecto físicos y químicos de los minerales
que constituyen las arcillas.
Las partículas de minerales de arcillas tienen en general un tamaño menor a
una micra, su forma es aplanada y presentan gran actividad eléctrica entre ellas;
sus partículas solo pueden ser vistas con un microscopio electrónico y los
cristales individuales se agrupan en láminas repitiendo su estructura atómica que
se puede medir por difracción de rayos-x.
Los suelos que presentan minerales o cristales de gran actividad superficial
entre sus partículas se denominan suelos arcillosos cohesivos y plásticos.
XX
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Los tres grupos principales que constituyen los minerales arcillosos son:
Caolinita, Montmorillonita e Illita.
Caolinita: Las fuerzas de valencia primaria en los átomos superiores de una lámina
Silicia no están satisfechas y puede unirse a una lámina octaédrica de Aluminio
(Gibsita), se sustituyen dos oxígenos de la lámina Silicia por dos Hidroxilos de la
unidad octaédrica, estableciendo una unión de tipo iónico y de valencia primaria
muy fuerte, creando una nueva lámina eléctricamente neutra. Al unirse varias
láminas de este tipo forman cristales de Caolín y su agrupación forma lo que
conocemos como mineral de Caolinita. Las fuerzas que unen estos cristales son de
tipo unión hidrógeno y se desarrolla entre los iones oxigeno (O-2) y los iones
hidróxilo ((OH)-1), esta unión es fuerte. Teóricamente la lámina Silicia y la de
Gibsita pueden extenderse indefinidamente en dirección de los planos, pero en la
realidad las partículas de Caolín tienen un radio en su cara plana de entre 0,5 y 1
micra y su forma es hexagonal. Aunque las láminas son neutras, los bordes
interrumpidos o rotos pueden estar cargados eléctricamente en forma positiva o
negativa y absorber iones disponibles en el medio circundante. Las fuerzas que unen una lámina de Gibsita con una Silicia son del tipo de valencia primaria 10 veces mayores a las de tipo hidrógeno que unen estas agrupaciones y forman las láminas de Caolín para formar la Caolinita. Lo anterior hace que los cristales de la
Caolinita sean estables y el agua no pueda penetrar las láminas individuales de
Caolín para separarlas. A pesar de ser la Caolinita un mineral eléctricamente
neutro la presencia de agua disocia algunos Hidroxilos ((OH)-1) que pierden iones
de Hidrógeno (H+), dejando el cristal con una carga residual negativa que se
equilibra con la atracción de cationes presentes en el agua tales como Sodio (Na+)
y Calcio (Ca+2).
Montmorilonitas: formada por la unión de unidades tetraédricas y octaédricas
con sustitución isomorfa. La unión de una lámina octaédrica Alumínica o Gibsita en
medio de dos láminas tetraédricas Silícias se le conoce como el mineral Pirofilita;
existe equilibrio eléctrico en su estructura pero si ocurre una sustitución
isomorfa de un ion de Aluminio (Al+3) por uno de Hierro (Fe+2) o Magnesio (Mg+2)
se tendrá una carga residual negativa. Si el medio entre los minerales es agua con
cationes tales como de Sodio (Na+1), Calcio (Ca+2) o Potasio (K+1), estos son
atraídos para satisfacer la carga resultante de la sustitución isomorfa. Estos
cationes no quedan fijos a las láminas sino que se pueden intercambiar fácilmente.
El espesor de las láminas es de aproximadamente 10-4 micras y se colocan una sobre otra ligadas por los cationes intercambiables, esta unión es generalmente
XXI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
débil y el agua puede entrar fácilmente entre las láminas separándolas y disociando la unidad estructural del mineral. Esto es lo que produce la expansión
en la Montmorillonita.
Illita: su unidad estructural es similar a la Montmorillonita pero siempre se presenta una sustitución isomorfa adicional de átomos de Sílice (Si+4) por átomos de Aluminio (Al+3) en la lámina Silícia resultando en una carga residual negativa mas alta que en la Montmorillonita pero una parte sustancial de esta carga negativa se equilibra con cationes de Potasio (K+) no intercambiables, lo que constituye una liga fuerte entre las láminas que constituyen las partículas. Las ligas de Potasio (K+1) en los cristales de la Ilita son más débiles que las de Hidrogeno en los cristales de la Caolinita pero más fuertes que las de cationes intercambiables que forman los cristales de la Montmorillonita. Los
cationes de Potasio (K+1) que se fijan entre las superficies de las láminas Silicuas
se encuentran mas cerca del cation intercambiado que en el caso de la
Montmorillonita que queda en la lámina central, por esto la Ilita no se expande
como ocurre con la Montmorillonita.
A continuación se muestra la estructura de los Minerales de Arcilla:
ESTRUCTURA DE LOS MINERALES (2)
SEGÚN GUÍA PROF. PÉREZ AYALA
Por otro lado se tiene que, el suelo no es un sistema contínuo, los granos se
encuentran rodeados de agua y aire.
En un suelo se pueden distinguir tres fases constituyentes: la sólida, la
líquida y la gaseosa.
XXII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
La fase sólida esta formada por las partículas minerales del suelo; la líquida
por el agua y la gaseosa comprende principalmente el aire aunque pueden estar
presentes otros gases.
Una masa de suelo esta constituida en la mayoría de los casos por
partículas sólidas y vacíos entre estos, vacíos que para los casos prácticos de
Ingeniería, están compuestos por aire, agua o ambos elementos.
Si los vacíos están constituidos solo por aire o por agua se habla de un
suelo de dos fases: sólido + aire o sólido + agua; si los vacíos están llenos de agua
y aire se habla de un suelo de tres fases: sólido + agua + aire. No es usual un
suelo cuyos vacíos estén constituidos por gases y líquidos diferentes al aire y al
agua.
Se pueden distinguir las siguientes masas de suelo según su estado:
Seco constituido por partículas sólidas y vacíos llenos de aire.
Húmedas con los vacíos parcialmente llenos de agua.
Saturadas con los vacíos totalmente llenos de agua.
Sumergidas generalmente con los vacíos llenos de agua como las saturadas, pero
sometida a subpresiones que la inducen a flotar.
Conocido el peso unitario de la masa y el volumen de sus vacíos, a partir de
su estado, bien sea: seco, húmedo, saturado o sumergido, se puede determinar
sus pesos unitarios en los otros estados.
Se tiene un modelo donde se separan los componentes sólidos de sus vacíos,
para una muestra de suelo, y la masa de donde se obtuvo. Estos modelos se
corresponden con los modelos básicos, que en estado natural, una muestra o masa
de suelo puede presentar.
Para los casos prácticos más comunes se definen tres modelos: sólidos +
vacíos colmados por aire, sólidos + vacíos colmados por agua y sólidos + vacíos
colmados por agua y aire.
Se tiene entonces modelos constituidos por dos y tres fases, donde cada
fase representa un componente, ellos son:
Modelo de dos fases correspondiente a un suelo seco.
Modelo de dos fases correspondiente a un suelo saturado.
Modelo de tres fases correspondiente a un suelo húmedo.
XXIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
En la siguiente figura, se representa lo descrito anteriormente.
REPRESENTACIÓN DE LAS FASES DE UNA MUESTRA DE SUELO, PESOS Y
VOLUMENES
Donde se tiene:
Vm = Volumen de la muestra
Vs = Volumen que ocupan las partículas sólidas en la muestra.
Vv = Volumen de vacíos constituido por aire, agua o ambos componentes en la
muestra.
Vw = Volumen de agua que pudiera haber en los vacíos de la muestra.
Va = Volumen de aire que pudiera haber en los vacíos de la muestra.
XXIV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Wm = Peso de las partículas sólidas mas el peso del agua que pudiera haber en los
vacíos de la muestra.
Ws = Peso de las partículas sólidas de la muestra.
Ww = Peso del agua que pudiera haber en los vacíos de la muestra.
Peso unitario de la masa y/o de la muestra de suelo: es el peso por unidad de
volumen del suelo, incluyendo los vacíos.
Va) Vw (Vs
ww) (ws
Vv
Ww) (Ws
Vm
Wm m
Su valor numérico puede ser determinado mediante un ensayo sencillo: se toma
una muestra sin perturbar, se determina su peso y su volumen. El coeficiente
representa el peso unitario.
Peso unitario seco:
Va) (Vs
Ws
Vv
Ws
Vm
Wm d
Peso unitario Húmedo:
Va) Vw (Vs
Ww) (Ws
Vv
Ww) (Ws
Vm
Wm h
Peso unitario Saturado: A mayores profundidades, el aire generalmente disminuye
hasta proporciones insignificantes en el suelo y el sistema llega a tener sólo dos
fases, se dice entonces que el suelo esta saturado.
Vw) Vs(
Ww) (Ws
Vv
Ww) (Ws
Vm
Wm sat
Peso unitario sumergido: Es el peso por unidad de volumen que tiene la muestra
saturada sumergida en agua, para la mayoría de los casos se asume que el suelo
está saturado.
XXV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Para el estudio de la sumergencia se define el Peso unitario del agua o Densidad del agua.
Vw
Ww w
Para la obtención del peso unitario sumergido de una muestra de suelo se
analiza el modelo que se describe a continuación.
Por medio de una muestra cúbica saturada de suelo de volumen unitario se
obtiene su peso en una balanza de la que cuelga, a partir de estos valores se
obtiene el peso unitario saturado de la muestra.
Se sumerge la muestra en agua hasta que el nivel del líquido coincida con
una cara de la muestra cúbica. La presión del agua que actúa en la cara inferior
sumergida de la muestra será igual a la altura de la muestra por la densidad del
agua (w), esta presión multiplicada por el área de la base de la muestra da la
fuerza de subpresión:
Fsp = w x 1 (1 x 1) en dirección hacia arriba.
La fuerza que se contrapone a esta subpresión en el mismo plano es la
presión que ejerce la muestra, igual al peso unitario saturado (sat) de la muestra
por su altura y multiplicada por el área unitaria de la base da la fuerza ejercida por la muestra en el plano inferior sumergido:
Fm = sat x 1 (1 x 1) en dirección hacia abajo.
En el modelo se mantiene la muestra vinculada a la balanza colgada a esta,
la fuerza que se mide en la balanza será equivalente al peso sumergido de la
muestra. Este será equivalente a un esfuerzo aplicado en la cara superior que se
define como ’ por el área unitaria.
Fb = ’ (1 x 1) en dirección hacia arriba.
Del diagrama de cuerpo libre se puede deducir que:
Fv = 0 = Fb + Fsp – Fm = ’ + w - sat
XXVI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
MODELO PARA EVALUAR EL PESO UNITARIO SUMERGIDO
De donde el peso unitario sumergido resultante es:
´= sat - w
El peso unitario sumergido es independiente de la profundidad a la que se
sumerge la muestra.
Se define el Peso Específico de una muestra de suelo como el peso seco de los
fragmentos y minerales sólidos ente el volumen que estos ocupan sin incluir el
volumen de los vacíos.
XXVII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Vm = Vs + Vv
Wm = Ws + Ww
El peso específico, denominado comúnmente como peso específico de los sólidos
es:
Vs
Wss
Las relaciones volumétricas usadas para las tres fases en un elemento
de suelo son: relación de vacíos, porosidad y grado de saturación.
Dichas relaciones son de mucha importancia para el manejo comprensible
de las propiedades mecánicas de los suelos.
Existen los denominados valores índice o relaciones de peso y volumen que
se utilizan para caracterizar una muestra o masa de suelo independiente del tipo
de modelo que esta represente.
Relaciones de vacíos: relaciona el volumen de vacíos con el correspondiente
volumen de sólidos.
Vs
Vv e
La relación puede variar teóricamente de 0 (Vv = 0) a (valor
correspondiente a un espacio vacío). En la práctica no suelen hallarse valores
menores de 0,25 (arenas muy compactas con finos) ni mayores de 15, en el caso
de algunas arcillas altamente compresibles.
Relación de porosidad: relaciona el volumen total con el correspondiente volumen
de sólidos. (Se expresa también en porcentaje de porosidad).
masa la de totalV
Vv n
XXVIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Esta relación puede variar de 0 (en un suelo ideal con sólo fase sólida) a
100 (espacio vacío). Los valores reales suelen oscilar entre 20% y 95%.
En general, la porosidad es tanto mayor cuanto más uniforme es la
gradación, es decir, cuanto menor es el coeficiente de uniformidad. Cuando
intervienen partículas de todos los tamaños en la formación del suelo, las menores
pueden llenar mejor los vacíos entre las partículas grandes.
Relación de saturación: relaciona el volumen de agua con el volumen de vacíos. (Se
expresa también en porcentaje de saturación).
Vv
Vw S
Varía de 0 (suelo seco) a 100% (suelo totalmente saturado).
Para la determinación del grado de saturación, se debe conocer, el
contenido de humedad, el peso unitario (generalmente es suficiente un valor
medio) y la porosidad.
Tanto la porosidad como la relación de vacíos indican el porcentaje relativo
el volumen de poros en una muestra de suelo.
Para el estudio de la compresión o consolidación de un suelo la relación de
vacíos es más útil que la porosidad.
Estas relaciones son básicas para la mayoría de los cálculos de Mecánica de
Suelos y constituyen, una parte esencial de esta ciencia.
Debido a que la forma de las partículas y la uniformidad de la
granulometría influyen notablemente sobre la porosidad, su valor numérico, en
realidad no es suficiente para juzgar la compacidad del suelo. Esta puede ser
determinada comparando la porosidad actual con la del estado más denso y más
suelto del mismo suelo.
Una magnitud muy empleada para caracterizar la compacidad de un suelo
granular natural es la Compacidad Relativa definida por:
100% x e - e
e - e Dr
mínmáx
máx
XXIX
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
= 100% x d - d
d - d x
d
d
mín máx
mínmáx
Donde:
emín = relación de vacíos del suelo en su estado más compacto.
emáx = relación de vacíos del suelo en su estado más suelto.
e = relación de vacíos del suelo in situ. dmáx = peso específico seco del suelo en su estado más compacto.
dmín = peso específico seco del suelo en su estado más suelto.
d = peso específico seco in situ.
La densidad relativa del material (Compacidad relativa) se refiere
exclusivamente a materiales granulares. Esta permite saber en que estado se
encuentra el material en cuanto a su peso unitario, volumen de vacíos, etc.
Los valores de Dr varían de un mínimo de 0 para suelo muy suelto a un
máximo de 1 para suelo muy denso.
XXX
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
CAPÍTULO I ANÁLISIS VISUAL
1.1.- Introducción teórica
La estructura compleja de los suelos hace necesario la introducción de un
sinnúmero de propiedades índice para poder representar sus características con
cierta fidelidad.
El análisis visual de suelos se define como el reconocimiento del tipo de
suelo que se realiza normalmente en terreno sin ayuda de equipo alguno. Se debe
poder diferenciar entre un suelo fino y un suelo granular, entre un limo, una
arcilla, una arena y una grava para entender y relacionar claramente las diversas
características y el comportamiento de estos suelos.
La identificación, permite conocer en forma cualitativa, las propiedades
mecánicas e hidráulicas del suelo.
Para esto se utilizarán el criterio y los símbolos que señala el Sistema de
Clasificación Unificada (SCU), el cual considera el tamaño de las partículas, sus
cantidades, variedad de tamaños y las características de los granos finos.
Para entrar en esta clasificación, primeramente se debe analizar cómo
puede reconocerse a simple vista los distintos tipos de suelos.
Existen siete ensayos de identificación sencillos que sirven para
determinar la fracción predominante de un suelo y para facilitar su clasificación.
1.- Examen visual de los granos de arena y grava: La forma de los granos puede ser angular, lisa, redondeada, etc. Se
examina la dureza, la posible capa adherida a la superficie de los granos, el grado
de meteorización, etc.
Para juzgar la gradación, se extiende una muestra representativa sobre
una superficie plana y se examina la distribución uniforme o no de los diversos
tamaños.
Para distinguir las gravas de las arenas puede usarse el tamaño ½ cm. como
equivalente a la malla Nº 4, y para la estimación del contenido de finos basta
XXXI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
considerar que las partículas del tamaño correspondiente a la malla Nº 200 son
aproximadamente las más pequeñas que pueden distinguirse a simple vista.
2.- Color, olor y tacto: La descomposición de la materia orgánica que contiene un suelo le da un
olor característico, el cual se intensifica con el calor.
Si el suelo es inorgánico, en estado húmedo generalmente tiene un olor
terroso ó característico como las arcillas y en estado seco no posee ningún olor.
Los colores oscuros representan materia orgánica y colores claros materia
inorgánica.
Con respecto al tacto, frotando una pequeña cantidad de suelo entre los
dedos se puede notar la sensación que produce, esto determina su textura que
bien puede ser: harinosa, suave, áspera, granular, talcosa, esponjosa, etc.
La arena presenta una sensación granular al tacto, el limo tiene una textura
áspera o harinosa y la arcilla es suave y grasosa al tacto.
Tratando de deformar o romper el agregado de suelo entre los dedos se
puede determinar su consistencia la cual dependiendo de la resistencia ofrecida
será: duro, resistente, frágil, pegajoso, plástico o blando.
La arcilla se pega a los dedos y se seca lentamente, mientras que el limo se
seca más rápidamente y se puede reducir a polvo entre los dedos, dejando sólo
una mancha.
3.- Ensayo de sacudida o dilatancia: Este ensayo sirve para distinguir entre arena, limo y arcilla.
Una pequeña muestra de suelo húmedo se extiende sobre la palma abierta
de la mano, se sacude horizontalmente golpeando una mano contra la otra varias
veces; luego se aprieta, cerrando la mano ligeramente.
Si durante la sacudida la superficie de la muestra se pone brillante por la
aparición del agua, pero luego, al apretar la mano se endurece y se vuelve
quebradiza, el suelo en cuestión puede ser una arena fina o limo.
XXXII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Si la reacción ocurre muy rápidamente, el suelo no tiene plasticidad, es una
arena fina.
Una reacción lenta indica una arena limosa o un limo arenoso de baja
plasticidad; si no ocurre ninguna reacción, el suelo es una arcilla, o un limo
arcilloso.
4.- Resistencia a compresión o resistencia al quebramiento en estado seco: Se humedece un poco el suelo y se amasa haciéndolo bolitas ( 3 mm.
aprox.). Se seca luego en horno, al fuego, o al sol y se prueba su resistencia al
esfuerzo cortante rompiéndola y quebrándola entre los dedos.
Esta resistencia depende del carácter y cantidad de la fracción coloidal
que contiene o puede ser causada por la presencia de agentes cementadores
cálcicos, lo cual se determina por la intensidad de la reacción del suelo con ácido
clorhídrico.
La resistencia al esfuerzo cortante en estado seco aumenta al aumentar la
plasticidad del suelo. En las arcillas esa resistencia es alta, en un limo orgánico
típico es muy baja al igual que en las arenas finas limosas, estos dos últimos
suelos pueden distinguirse por la sensación táctil si se pulveriza el material, la
arena fina se siente granular mientras que el limo típico da la sensación suave de
harina.
5.- Plasticidad: Los granos gruesos (d > 2 mm) se separan de la muestra, la cual se mezcla
con un poco de agua hasta homogeneizarla, y se amasa sobre una superficie plana
en hebras con un diámetro aproximado de 3 mm, hasta que estás empiecen a
romperse.
Si la hebra es tenaz y puede volver a ser unida hasta formar una bola, la
plasticidad es alta.
Si la muestra nuevamente amasada se vuelve quebradiza, el suelo es de
plasticidad mediana.
XXXIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
La plasticidad es baja, si las hebras sólo pueden formarse con mucho
cuidado y son sumamente quebradizas.
6.- Tratamiento con ácido clorhídrico: Se dejan caer sobre la muestra de suelo algunas gotas de ácido clorhídrico
diluido (20%); si se nota efervescencia, el suelo contiene cal.
De la intensidad y duración de la efervescencia se puede estimar el
contenido aproximado de carbonato de calcio (CaCO3).
De acuerdo a las indicaciones de la Sociedad Suiza de Ensayo de
Materiales, pueden considerarse los datos siguientes para la determinación del
contenido de calcio:
No efervescencia < 1%
Efervescencia débil de poca duración 1 al 2%
Efervescencia fuerte de poca duración 2 al 4%
Efervescencia fuerte de larga duración > 5%
Si la resistencia en estado seco es considerable y la muestra no indica
efervescencia al tratarla con ácido clorhídrico diluido, el suelo es una arcilla con
una cohesión apreciable; contrariamente, si se observa efervescencia, puede ser
que la resistencia en su mayor parte se deba al contenido de cal.
7.- Brillo de la muestra: Una muestra seca, o casi seca, se trata de pulir con la uña o con la punta de
un cuchillo, aplicando una presión fuerte.
Si aparece una superficie brillante el material es arcilla; en el caso de un
limo la superficie siempre permanece mate y opaca.
La siguiente Tabla de Identificación Visual-Manual, que se incluye a
continuación indica los procedimientos y la descripción para identificar los suelos
en el campo, empleándose los símbolos del Sistema de Clasificación Unificada de
los Suelos (SCU), que se interpreta así:
Grava G
Arena S
Limo M
Arcilla C
XXXIV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Arcilla orgánica y
Limo orgánico 0
Turba y Pt
Otros suelos netamente orgánicos.
Las propiedades más importantes se identifican con los siguientes
símbolos:
Suelo Bien gradado W
Suelo Mal gradado P
Baja plasticidad o Compresibilidad L
Alta plasticidad o compresibilidad H
Cada suelo se identifica por un símbolo de dos letras: la primera indica el
tipo y la segunda su característica principal. Los suelos intermedios reciben
doble símbolo.
1.2.- Procedimiento de ensayo
Tomar una muestra representativa del suelo a identificarse, obtenida
mediante un cuarteo.
Procedimiento para suelos de grano grueso:
1.- Se selecciona una muestra representativa del suelo con material más fino que
3” (76 mm.), se extiende para examinarlo.
2.- Para una identificación precisa, las cantidades mínimas requeridas de muestra
deberán estar de acuerdo con el cuadro siguiente:
DIAMETRO NOMINAL MÁXIMO PESO MÍNIMO DE LA MUESTRA
(Kg)
2 - 2 ½” (50 -65 mm) 4
1 - 1 ½” (25 – 38 mm) 2
¼ - ½ (6 – 12 mm) 0.50
Menor de 1/8” (3 mm) 0.10
XXXV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
3.- Se estima el porcentaje de la fracción gruesa, mayor de ¼” o 5 mm.
(correspondiente al tamiz Nº 4), para luego identificar el suelo como sigue:
1) Grava, si el 50% o más es mayor de 5mm.
2) Arena, si menos del 50% es mayor de 5 mm.
4.- Se estima visualmente, el porcentaje de finos y se identifica así:
4.1.- Grava limpia o arena limpia, si el contenido de finos es poco o ninguno (5% o
menos).
1) Bien gradado, si tiene un amplio rango en tamaño de partículas y cantidades
substanciales de la mayoría de partículas de tamaños intermedios.
2) Mal gradado, si consiste predominantemente de un tamaño es
uniformemente gradado y si tiene un amplio rango de tamaños con ausencia
de algunos tamaños intermedios es mal gradado.
4.2.-Grava con finos o arena con finos, si el contenido de finos es apreciable
(mayor de un 12%).
1) Se identifica el suelo con doble símbolo si el contenido de finos está entre
los límites de 5 a 12 % aproximadamente, estimados visualmente.
2) Se describe los finos como limosos o arcillosos de acuerdo con el
procedimiento de identificación indicado para suelos de grano fino.
5.- Se describe la forma del grano de las porciones de arena y grava como:
angular, subangular, redondeada o subredondeada.
Angular: Partículas de bordes afilados y lados relativamente planos con superficie
áspera.
Subangular: Partículas similares a las angulares pero tienen los bordes algo
redondeados.
Redondeada: Partículas con lados curvados parejamente y sin filos.
Subredondeada: Partículas que exhiben lados casi planos pero tienen esquinas y
bordes bien redondeados.
XXXVI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
6.- Se añade notas descriptivas apropiadas relativas a: tamaño máximo,
distribución de tamaño, mineralogía, color, olor, condición de humedad, densidad
natural, estructura, cementación, nombre local o geológico y símbolo del grupo.
Procedimiento para suelos de grano fino y suelos orgánicos:
1.- Se selecciona una muestra representativa del material a ser identificado. (Se
repiten pasos 1 y 2 del procedimiento para suelos de grano grueso).
2.- Se identifica el suelo como orgánico si tiene un color negro, gris oscuro o
marrón oscuro y un olor orgánico distintivo. Se define en forma más precisa
como:
1) Altamente orgánico, si tiene una textura predominantemente fibrosa o
leñosa que resulta de una composición de hojas parcialmente
descompuestas, ramitas, raíces, tallos, etc.; en este caso no se requiere
identificación adicional.
2) Parcialmente orgánico, si no posee una textura fibrosa y presenta una
característica predominantemente mineral. En este caso se continúa con
el procedimiento de identificación del suelo de grano fino.
3.- De la muestra representativa se elimina las fracciones de grava y se
selecciona del material restante una cantidad suficiente para realizar los
ensayos de dilatancia, plasticidad y resistencia a compresión, que fueron
descritos anteriormente.
3.1.- Resistencia a compresión. Se describe el resultado de la resistencia en seco
del suelo por el comportamiento de sus pelotas al ser trituradas entre los dedos,
de la manera siguiente:
1) Ninguna o muy baja, si la muestra seca se desmorona con la simple presión
de la manipulación.
2) Baja, si se desmenuza a polvo con pequeña presión de los dedos.
3) Media, si se requiere considerable presión de los dedos para pulverizar la
muestra.
4) Alta, si no puede ser triturada a polvo con la presión de los dedos, aunque
pueda ser fracturada.
5) Muy alta, s la muestra no puede ser quebrada entre el dedo pulgar y una
superficie dura.
XXXVII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
3.2.- Dilatancia. La aparición y desaparición de agua en la superficie de la
muestra, con la sacudida y el estrangulamiento se denomina “reacción”. Esta se
describe como reacción rápida si el agua aparece y desaparece rápidamente, lenta
en el caso contrario y ninguna reacción se produce cuando el agua no aparece. La
presencia o ausencia del agua libre puede notarse por la apariencia brillante u
opaca de la superficie del suelo.
3.3.- Plasticidad. Se describe cualitativamente la presión requerida para amasar
los hilos hasta 3 mm. y cerca del límite plástico, se observa también la resistencia
del rollito. Según los resultados se clasifica la plasticidad del material así:
1) Baja, si la presión requerida es pequeña, el hilo tiene poca o ninguna
resistencia y después del agrietamiento los pedazos de tira no pueden
formar una masa coherente y son sumamente quebradizos.
2) Media, si la presión es mediana, el hilo soporta su propio peso si es de
pocos centímetros de longitud, y los pedazos del hilo desmoronado pueden
ser moldeados en una masa que se desmorona con un ligero amasado.
3) Alta, si la presión requerida es considerable, el hilo soportará fácilmente
su propio pero con varios centímetros de longitud, y después del
agrietamiento los pedazos del hilo pueden ser moldeados en una masa la
cual es coherente y tenaz soportando un nuevo amasado.
4.- Se identifica el suelo como limo o arcilla con calificativos apropiados.
5.- Se agrega notas descriptivas apropiadas relativas a: tamaño máximo,
distribución del tamaño, plasticidad de los finos, color, olor, condición de
humedad, consistencia, estructura, cimentación, nombre geológico o local y
símbolo del grupo.
1.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo Se debe realizar un Nº de ensayos para saber las características del
estrato y poder clasificarlo. Esto se debe hacer a varias muestras del
mismo ensayo. El análisis visual representa el ensayo más importante que se hace. A partir
de él se saca los demás ensayos, este determina desde un principio que tipo
de suelo es. También se debe realizar el análisis visual a las rocas.
XXXVIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
1.4.- Correlaciones de interés
CONSISTENCIA EXÁMEN CUALITATIVO
Muy blanda El puño puede ser hundido
Blanda El dedo pulgar puede hundirse fácilmente
Mediana El pulgar puede ser hundido con algún esfuerzo
Compacta El pulgar deja una huella pero se requiere
mucha presión para hundirlo en el suelo
Muy compacta Fácil de rayar con la uña
Dura Casi no se raya con la uña INDICE CUALITATIVO DE LA CONSISTENCIA
SEGÚN ÁRPÁD KÉZDI
PROPIEDAD ARENA ARCILLA
Tamaño > 0,075 < 0,004
Apariencia Granular y rígida Flexible
Forma Angular y redondeada Escamosa
Textura Gruesa Fina
Uniformidad Uniforme Menos uniforme
Fricción interna Alta Pequeña o no
perceptible
Tamaño de los poros Grande Muy pequeños
Volumen de vacíos Relativamente pequeño Muy alto
Relación de vacíos Baja Alta
Superficie
específica Baja Muy alta
Plasticidad No plástica Plástica
Cohesión Nula Marcada
Tensión superficial Baja Muy alta
Capilaridad Despreciable Muy alta
Presión capilar Baja Alta
Contracción al
secado Inapreciable Muy alta
Hinchamiento Ninguno Considerable
XXXIX
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Expansión Prácticamente
inexistente Expansiva
Compresibilidad Pequeña Muy compresible
Compresión ante
carga superficial Inmediata Lenta
Elasticidad Baja Alta
Permeabilidad Alta, drenaje rápido Baja, drenaje lento DIFERENCIAS FÍSICAS ENTRE ARENAS Y ARCILLAS
SEGÚN GUÍA PROF. PÉREZ AYALA
1.5.- Llenado de planilla FECHA: Fecha de realización del ensayo.
LAB. Nº: Número de identificación del Laboratorio.
MUESTRA Nº: Número de identificación de la muestra.
PROFUNDIDAD (m): Profundidad a la que se encontraba la muestra
en campo.
DESCRIPCIÓN DEL SUELO: Características que definen a la
muestra.
XL
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
CAPÍTULO II CONTENIDO DE HUMEDAD Y PESO ESPECÍFICO.
2.1.- Introducción teórica
La importancia del contenido de agua que presenta un suelo representa
junto con la cantidad de aire, una de las características más importantes para
explicar su comportamiento. El contenido de humedad afecta principalmente a los
suelos cohesivos en su resistencia interna, capacidad de soporte,
comprensibilidad, etc.
Depende de las más diversas condiciones externas, viéndose afectado por
la hidrología de las aguas subterráneas, el nivel freático y sus variaciones.
El contenido de humedad (ω) es la relación entre el peso de agua libre más
la absorbida de la muestra (Wω) y el peso de la muestra secada al horno (Wd) a
una temperatura constante de 105 ºC durante 24 horas o hasta que no se
registre variación en el peso. El contenido de humedad suele expresarse en
porcentaje:
ω = 100 x Wd
W
Se debe determinar el contenido de humedad de un suelo, para conocer la
cantidad de agua presente en una cantidad dada de suelo en términos de su peso
seco.
En condiciones promedio, el contenido de humedad natural de los distintos
tipos de suelos es diferente, ya que los suelos compuestos de partículas más finas
están en capacidad de absorber más agua debido a la mayor superficie específica
de sus partículas.
La humedad es muy importante para la evaluación de las condiciones del
estrato respectivo.
La humedad se calcula como la diferencia entre los pesos inicial y seco,
dividida por el peso seco.
La desventaja de este método es que requiere de un tiempo relativamente
largo para lograr obtener los resultados, tiempo que en una obra de tierra, donde
XLI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
se necesita conocer el contenido de humedad para el control de compactación no
se dispone.
2.2.- Procedimiento de ensayo
Contenido de Humedad:
Seleccionar una muestra representativa de suelo húmedo y tomar un peso
mínimo de material de acuerdo con el diámetro de las partículas más grandes de
la muestra según la tabla siguiente:
TAMAÑO MAXIMO DE
PARTICULAS
PESO MINIMO DE LA MUESTRA
Pasa Nº 40 10 g.
Pasa Nº 10 50 g.
Pasa Nº 4 100 g.
Pasa ½” 250 g.
Pasa 1” 500 g.
Pasa 2” 1000 g.
1.- Pesar la cápsula de aluminio o latón apropiada para contenido de humedad,
debe estar limpia, seca y adecuadamente identificada.
2.- Colocar la muestra representativa de suelo húmedo en la cápsula y determinar
el peso del recipiente más el del suelo húmedo.
3.- Introducir el conjunto (cápsula-suelo) en el horno, a una temperatura de 105
5ºC. Esta temperatura no deberá sobrepasarse, pues causaría la pérdida de una
parte del agua de cristalización.
Si la muestra contiene material orgánico u otras sustancias cuya
constitución puede ser alterada a la temperatura de 105 5ºC, se secará a una
temperatura no mayor de 60ºC.
El secado de la muestra seguirá hasta obtener peso constante
(aproximadamente 12 a 18 horas).
4.- Retirar la muestra del horno, dejar enfriar y pesar el conjunto (cápsula +
suelo seco) cuando haya alcanzado la temperatura ambiente.
Usar la misma balanza para todas las mediciones de peso.
5.- Guardar el equipo utilizado en su lugar correspondiente y colocar el material
sobrante en el sitio respectivo a su condición (Muestra Testigo).
XLII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Peso Unitario con Parafina:
1.- Se toma una muestra compactada.
2.- Se limpia la muestra hasta retirar todos los residuos.
3.- Se pesa la muestra sola.
4.- Se parafina la muestra toda, sin dejar poros abiertos.
5.- Se pesa la muestra más parafina.
6.- Se pesa la muestra sumergida en agua.
2.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo
La cantidad del suelo húmedo, se pesa con una precisión no menor a la
milésima parte de este peso.
En el segundo ensayo (el cual se hace para una muestra de arcilla), se debe
emplear la parafina para poder pesar el Peso Unitario Sumergido. La parafina sirve como un material que impermeabiliza la arcilla para
impedir que ésta se disuelva en el agua cuando se quiera tomar el peso
unitario sumergido. Además para que no entre el agua al interior de la
muestra ya que altera los resultados.
La parafina al momento del ensayo no se debe calentar mucho porque luego
de aplicarse tarda más tiempo en secar, y en poder verificar que se hayan
cerrado todos los poros u orificios de la muestra.
Cuando se pesa sumergido, si la muestra no está bien parafinada, la balanza
no se estabiliza.
Al tomar el peso sumergido se debe evitar que la muestra roce las paredes
del envase de agua.
Para calcular el volumen de la muestra de arcilla, se emplea el método de desplazamiento de agua, ya que se trata de una muestra irregular por lo
que no se puede determinar su volumen de suelo a través de las medidas de
la figura.
XLIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
2.4.- Correlaciones de interés
TIPO DE SUELO CONTENIDO DE HUMEDAD
Arena húmeda Pocas veces superior al w = 5%
Arena húmeda (por debajo del nivel
freático y todos sus poros saturados
con agua)
Puede llegar a w = 20%
Arena fina (en estado húmedo) Entre w = 10% y w = 15%
Limo Entre w = 10% y w = 20%
Arcilla Entre w = 20% y w = 30%
Limo orgánico Desde w = 40% a w = 80%
Arcilla orgánica Desde w = 50% a w = 150% VARIACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD SEGÚN EL TIPO DE SUELO
SEGÚN ÁRPÁD KÉZDI
2.5.- Llenado de planilla
DESCRIPCIÓN DEL SUELO: Características que definen a la muestra.
FECHA: Fecha de realización del ensayo.
LAB. Nº: Número de identificación del Laboratorio.
MUESTRA Nº: Número de identificación de la muestra.
PROFUNDIDAD (m): Profundidad a la que se encontraba la muestra en campo.
Nº DE RECIPIENTE: Número del recipiente en que se coloca la muestra.
PESO DEL RECIPIENTE + SUELO HÚMEDO (gr): Peso del recipiente con el
contenido de suelo a ensayar.
PESO DEL RECIPIENTE + SUELO SECO (gr): Peso del recipiente con el suelo
después de secado al horno y dejado enfriar.
PESO DEL RECIPIENTE (gr): Peso del recipiente limpio y seco.
XLIV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
PESO DEL SUELO SECO (gr): Peso del recipiente más suelo seco menos el peso
del recipiente solo.
PESO DEL AGUA (gr): Peso del agua contenida en la muestra, que es igual al
peso del más suelo húmedo menos el peso del recipiente más suelo seco.
CONTENIDO DE HUMEDAD (W%): Porcentaje de humedad que es el peso de
agua dividido ente el peso del suelo seco, expresado en porcentaje.
XLV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
CAPÍTULO III GRAVEDAD ESPECÍFICA
3.1.- Introducción teórica La Gravedad específica de un material es la relación del peso específico de los
sólidos con respecto la densidad del agua. Esta es una característica especial del
material.
w
sGs
La Gravedad Específica es un factor auxiliar que se emplea para
determinar otras propiedades del suelo como son: porosidad, relación de vacíos,
estudios de consolidación de suelo, cálculo del grado de saturación, y otros.
Su valor varía comúnmente entre los valores 2,5 a 2,8.
El requerimiento para su solución en laboratorio es obtener el peso del
agua para igual volumen al ocupado por la sumatoria de volúmenes individuales de
las partículas de una muestra de suelo.
El ensayo con un frasco volumétrico calibrado (picnómetro) consiste en
determinar el peso del agua que equivale al volumen de las partículas de una
muestra de suelo sin aire que se encuentran en suspensión, en el frasco
volumétrico lleno de agua, hasta una marca de calibración preestablecida.
Este ensayo es aplicable específicamente a suelos y agregados finos (o
arenas) como los utilizados en mezclas de concreto y asfalto.
3.2.- Procedimiento de ensayo
- Se empleará una muestra representativa del material que pase por el tamiz
Nº 10.
- Si se usa una muestra húmeda, su peso seco (Wo) al horno a 1055ºC se
determinará después de concluido el ensayo. Si la muestra contiene
material orgánico se secará a 60ºC.
XLVI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
- Si la muestra a usar ha sido secada al horno deberá triturarse luego en el
Mortero hasta que adquiera una finura tal que pueda pasar por el tamiz Nº
40.
- Para suelos no cohesivos se tomarán unos 150 g. de suelo seco al horno y se
remojará en agua destilada unas 12 horas antes del ensayo.
- Para suelos cohesivos se tomarán unos 50 g. de suelo seco al horno, se
remojará en agua destilada por 12 horas y se dispersará utilizando la
batidora eléctrica o bien un aparato agitador mecánico o neumático.
1.- Colocar la muestra preparada en el Picnómetro mediante un embudo de vidrio y
añadir agua destilada llenándolo hasta la mitad.
2.- Remover el aire atrapado en el suelo, mediante uno de los procedimientos
siguientes:
2.a.- Calentando hasta el punto de ebullición durante unos 10 a 20 minutos con
movimiento contínuo del matraz para ayudar a la remoción del aire.
Si se calienta en baño de María puede usarse la glicerina; que tiene un
punto de ebullición mayor de 100ºC o cualquier líquido similar.
2.b.- Aplicando un vacío parcial, a la suspensión del suelo en agua, con una presión
de aire inferior a 100 mm de mercurio. En este caso la suspensión hierve a una
temperatura más baja al disminuir la presión, en forma lenta para evitar que el
suelo pueda hervir violentamente como puede suceder en algunos casos.
3.- Dejar enfriar el matraz y la suspensión a una temperatura dentro del rango de
la curva de calibración del picnómetro, añadir agua destilada hasta que coincida la
marca del aforo con el fondo del menisco.
4.- Limpiar y secar el exterior del matraz y en el interior su cuello, pesar (Wi) y
determinar la temperatura del contenido.
5.- Una vez concluido el ensayo, limpiar y guardar los instrumentos utilizados;
guardar la muestra testigo.
CALIBRACIÓN DEL PICNÓMETRO:
En la determinación de la gravedad específica, en el laboratorio, será
necesario conocer el peso del picnómetro lleno con agua destilada a la
temperatura del ensayo. Por ello es conveniente calibrar el peso del matraz con
agua a diferentes temperaturas, ya que la variación de a temperatura ocasiona
cambios en el volumen del recipiente y modifica la densidad del agua. En la
práctica usual de laboratorio se calibra el picnómetro con agua a una cierta
XLVII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
temperatura; procurándose que la suspensión (agua-suelo) en el momento de la
pesada esté lo más cerca posible a esa temperatura.
CALIBRACIÓN:
1.- Limpiar y secar el picnómetro, determinar su peso vacío (Wp). Llenar con agua
destilada hasta el aforo e hiérvase durante 5 a 10 minutos en baño de María para
eliminar el aire disuelto en el agua.
2.- Retirar el matraz del baño de María y tomar la temperatura a diferentes
profundidades dentro del agua para ver si la temperatura es uniforme, sino se
bate el agua moviendo el matraz y se toma nuevamente la temperatura (T).
3.- Secar cuidadosamente el matraz exteriormente y dentro del cuello sobre el
nivel del agua. Con la ayuda de una pipeta hacer coincidir la parte inferior del
menisco con la marca del aforo y se pesa (WpwT).
4.- A medida que la temperatura baja, háganse lecturas de la temperatura (T) y
del peso (WpwT) como se indicó en los pasos 2 y 3 hasta obtener suficientes
puntos para dibujar la curva de calibración.
En la curvad de calibración se plotearán los valores de temperatura y los
del peso del picnómetro más agua.
3.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo
Se debe garantizar que el suelo pase y llegue al fondo, no deben quedar
partículas ni en el embudo ni en el cuello del picnómetro.
Se somete a vacío, para eliminar el aire atrapado.
Se debe quitar el aire del agua y del suelo, ya sea por el método de
calentamiento o por succión. Para este caso se emplea la succión.
Durante este proceso no se debe llevar la marca de agua hasta el nivel del
picnómetro ya que burbujea mucho, se puede desbordar material y se debe
mantener la cantidad de suelo.
El problema del método de calentamiento (se calienta durante 20 min.) es
que se debe esperar 6 horas para tomar la temperatura, y varía el volumen.
Se debe calibrar todo a la Temperatura de ensayo.
Mientras más grande es la muestra, menor es el error y viceversa.
El material tarda mucho (por sus características), se debe dejar succionar
mínimo por dos horas.
XLVIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Lo que se obtiene es el promedio de la gravedad específica del material que
se está examinando.
La gravedad específica es más grande si se trata de un material pasante
del tamiz # 200.
La muestra se debe dejar reposar 24 horas para que sature bien.
Dependiendo del secado el valor de Gs es mayor o menor; es decir, a menor
secado menor Gs y a mayor secado mayor Gs.
3.4.- Correlaciones de interés
Valores característicos de la gravedad específica para diferentes minerales
comunes en suelos.
MINERAL GRAVEDAD ESPECIFICA Gs
Cuarzo 2.65
Caolinita 2.6
Ilita 2.8
Montmorilonita 2.65 – 2.80
Feldespato K 2.57
Feldespato Na - Ca 2.62 – 2.76
Haloisita (2H2O) 2.0 – 2.55
Clorita 2.6 – 2.9
Biotita 2.8 – 3.2
Moscovita 2.76 – 3.1
3.0 – 3.47
Limonita 3.6 – 4.0
3.27 – 3.7 GRAVEDAD ESPECÍFICA DE IMPORTANTES MINERALES
EXTRAÍDO GUÍA PROF. PÉREZ AYALA
XLIX
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Composiciones típicas de una arena-arcillosa:
MINERAL GRAVEDAD
ESPECIFICO Gs
PORCENTAJE EN
PESO (%)
Feldespato potásico,
cuarzo 2,5….2,7 71
Carbonato, mica 2,7…3,0 22
Amfibolita, piroxeno 3,0 7 COMPOSICIÓN DE LA ARENA DEL DANUBIO
SEGÚN ÁRPÁD KÉZDI
MINERAL GRAVEDAD
ESPECÍFICA Gs
PORCENTAJE EN
PESO (%)
Componentes
escamosos: Clorita,
moscovita, steatita,
biotita
2,7…3,0 12…28
Componentes en forma
de aguja (aciculares):
Amfibolita, epidota 3,0…3,3 5…14
Feldespato, cuarzo 2,5…2,6 58…73
Limonita, apatita,
zirkon 3,0…5,0 25…30
COMPOSICIÓN DE UNA ARCILLA SEGÚN ÁRPÁD KÉZDI
La siguiente Tabla describe cualitativamente los depósitos de suelo
granular de acuerdo con sus compacidades relativas.
COMPACIDAD RELATIVA (%) DENOMINACIÓN
0 – 15 Muy suelta
15 – 35 Suelta
35 – 65 Media
65 – 85 Compacta
85 - 100 Muy compacta DENOMINACIÓN SEGÚN LA COMPACIDAD
SEGÚN LAMBE
L
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Algunos valores típicos de la relación de vacíos, de los % de porosidad y del
peso específico seco se muestran a continuación:
DESCRIPCIÓN
RELACIÓN DE
VACÍOS POROSIDAD (%)
PESO
ESPECÍFICO
SECO (ton/m3)
emáx emín nmáx nmín dmín dmáx
Esferas
uniformes 0.92 0.35 47.6 26.0 - -
Arena de Otawa
normalizada 0.80 0.50 44 33 1.47 1.76
Arena limpia
uniforme 1.0 0.40 50 29 1.33 1.89
Limo orgánico 1.1 0.40 52 29 1.28 1.89
Arena limosa 0.90 0.30 47 23 1.39 2.03
Arena fina a
gruesa 0.95 0.20 49 17 1.36 2.21
Arena micácea 1.2 0.40 55 29 1.22 1.92
Arena limosa y
grava 0.85 0.14 46 12 1.42 2.34
COMPACIDADES MÁXIMA Y MÍNIMA DE SUELOS GRANULARES SEGÚN LAMBE
LI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
TABLA Nº 1 PESO ESPECÍFICO DEL AGUA. FACTOR K
LII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
3.5.- Llenado de planilla
DESCRIPCIÓN DEL SUELO: Características que definen a la muestra.
FECHA: Fecha de realización del ensayo.
LAB. Nº: Número de identificación del Laboratorio.
MUESTRA Nº: Número de identificación de la muestra.
PROFUNDIDAD (m): Profundidad a la que se encontraba la muestra en campo.
PICNOMETRO Nº: Número de identificación del picnómetro.
PESO PICNOMETRO (Wb): Peso del frasco volumétrico vacío.
PESO DEL SUELO SECO (Wo): Peso del suelo seco que es igual al peso del
picnómetro + suelo seco menos el peso del picnómetro.
PESO DEL PICNÓMETRO + SUELO + AGUA (W2): El peso del picnómetro con
el material a ensayar y con agua destilada hasta el aforo.
PESO DEL PICNOMETRO + AGUA (W1): Valor obtenido de la curva de
calibración
TEMPERATURA DE ENSAYO (T): Temperatura del contenido del matraz.
GRAVEDAD ESPECÍFICA (Gs TºC): Gravedad específica a la temperatura T.
FACTOR K (T 20ºC): Ver Tabla Nº 1.
GRAVEDAD ESPECÍFICA (Gs 20ºC): Gravedad específica a 20ºC.
LIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
4.3.- Análisis Granulométrico - Método Hidrómetro 4.3.1.- Procedimiento de ensayo
1.- Del material seco pasado por la malla Nº 10, tomar una muestra representativa
de unos 100 g. si el suelo es arenoso o de unos 50 g. si se trata de limo o arcilla.
Si la granulometría está completa hasta el tamiz Nº 200 se tomarán 50 g.
del material seco pasado por la malla Nº 200 para ser analizado por el
hidrómetro. Si la muestra no está seca se determinará su contenido de humedad
(% W) sobre una muestra auxiliar, para conocer su peso seco.
2.- Colocar la muestra en un vaso de precipitado, cubrirlo con agua destilada y
añadir un agente defloculante (unos 200 ml), dejar luego en remojo durante 15
horas mínimo.
3.- Luego del período de inmersión se coloca el contenido del vaso de precipitado
en el vaso de la agitadora eléctrica, evitando cualquier pérdida de material; agitar
durante 5 minutos si el suelo es arenoso, y 15 minutos para suelos arcillosos.
4.- Verter la suspensión en el cilindro de sedimentación, enjuagando bien el vaso
de la mezcladora, completando el volumen a 1 lt. con agua destilada.
5.- Agitar la suspensión moviendo la probeta en posición horizontal o invirtiendo
el cilindro varias veces, durante 1 minuto y tapando la boca del cilindro con la
palma de la mano.
6.- Inmediatamente colocar el cilindro rápida y cuidadosamente sobre una
superficie horizontal, poner en marcha el cronómetro y sumergir el hidrómetro
poco a poco, sin producir turbulencia en el fluido, hasta que comience a flotar.
Tomar lecturas a los 0.5, 1 y 2 minutos después de los cuales se retira el
hidrómetro y con el termómetro se determina la temperatura de la suspensión.
7.- Se vuelven a hacer lecturas a los 5, 10, 15, 20, 25, 30 minutos, 1, 2, 4, y 24
horas, sumergiéndolo en la suspensión unos 20 segundos antes de cada lectura y
registrando la temperatura de ésta después de cada operación. Enjuagar, entre
lectura y lectura, el hidrómetro en un cilindro similar al del ensayo lleno con agua
destilada. Si el material ensayado pasa por el Tamiz Nº 200, la prueba se dará
por concluida, sino continúe con el paso siguiente.
8.- Después de la lectura final del hidrómetro, verter todo el material en el
cilindro de sedimentación sobre el Tamiz Nº 200 y lavar con agua abundante,
hasta que ésta salga clara. La fracción retenida sobre la malla Nº 200 deberá
secarse el horno, en la cápsula existente en el laboratorio para tal fin, a 1055ºC.
Pésese y tamícese en seco.
LIV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
9.- Guardar todos los instrumentos utilizados en su lugar correspondiente,
guardar muestras testigos.
CALIBRACIÓN DEL HIDRÓMETRO:
Estando la lectura del hidrómetro afectada por varios factores es
necesario corregirlas por los conceptos siguientes:
- Menisco Cn
- Temperatura CT
- Defloculante Cd
- Desplazamiento del punto cero Co
Corrección por Menisco Cn:
Se determina sumergiendo el hidrómetro en agua destilada y tomando dos
(2) lecturas en la escala del vástago: una en la parte superior del menisco y otra
al nivel de la superficie horizontal del agua. La diferencia entre las lecturas será
la corrección por menisco de debe sumarse a las lecturas hechas al estar
operado.
Valores frecuentes del Cn son: Hidrómetro 151H: Cn = 0.6
Hidrómetro 152H: Cn = 1.0
Corrección por Temperatura CT:
El cambio de volumen del hidrómetro, por la dilatación del vidrio, en función
de la temperatura de la suspensión, es tomado en cuenta por el factor CT y sus
valores determinados analíticamente aparecen en la Tabla.
Corrección por Defloculante Cd y por desplazamiento del Punto Cero Co
Estas dos correcciones usualmente se hacen juntas.
La densidad de la suspensión aumenta al agregarle un agente dispersante,
por ello hay que hacer la corrección correspondiente (Cd) que depende de la
cantidad de defloculante. El defloculante es un agente de dispersión, algunos
agentes de dispersión usados con frecuencia son: Hexametafosfato de sodio,
silicato de sodio y oxalato de sodio, goma arábica e hidróxido de sodio.
Originalmente la escala de un hidrómetro ha sido graduada para registrar
una lectura cero o lectura inicial, a una temperatura de base que generalmente es
LV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
67ºF (19.4ºC). Si la temperatura es otra, existirá un desplazamiento del punto
cero, y en consecuencia, deberá corregirse.
NOTA: Antes de proceder con la calibración del hidrómetro, lavar éste con
jabón, enjuáguese con agua, luego con alcohol y finalmente con agua destilada. El
bulbo y la parte del vástago con la escala, no deben tocarse con la mano.
4.3.2.- Consideraciones generales sobre el ensayo
El procedimiento que se emplea es la sedimentación, en el cual se utiliza un
material pasante del tamiz # 40, ya que no acepta partículas gruesas.
El desfloculante que se emplea contribuye a que las partículas se
mantengan separadas.
El hidrómetro sirve de manera indirecta para medir velocidad y para saber
que número de partículas permanecen en el sitio y cuales se han
sedimentado.
La solución de agua-suelo se bate durante 10 minutos para garantizar que
las partículas se separen.
LVI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
4.3.3.- Correlaciones de interés
TABLA Nº 1
TEMPERATURA (ºC)
PESO UNITARIO DEL
AGUA (g/cm3)
VISCOSIDAD DEL
AGUA (Poises)
4 1.00000 0.01567
16 0.99897 0.01111
17 0.99880 0.01083
18 0.99962 0.01058
19 0.99844 0.01030
20 0.99823 0.01005
21 0.99802 0.00981
22 0.99780 0.00958
23 0.99757 0.00936
24 0.99733 0.00914
25 0.99708 0.00894
26 0.99682 0.00874
27 0.99655 0.00855
28 0.99627 0.00836
29 0.99598 0.00818
30 0.99568 0.00801 PROPIEDADES DEL AGUA DESTILADA
Poise = s*cm
g
cm
s*dina2
LVII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
TABLA Nº 2
TEMPERATURA
(ºC)
CT
15 -1.10
16 -0.90
17 -0.70
18 -0.50
19 -0.30
20 0.00
21 +0.20
22 +0.40
23 +0.70
24 +1.00
25 +1.30
26 +1.65
27 +2.00
28 +2.50
29 +3.05
30 +3.80 FACTORES DE CORRECIÓN POR TEMPERATURA CT
TABLA Nº 3
PESO UNITARIO DE LOS
SÓLIDOS DEL SUELO (g/CM3)
FACTOR DE CORRECCIÓN
a
2.85 0.96
2.80 0.97
2.75 0.98
2.70 0.99
2.65 1.00
2.60 1.01
2.55 1.02
2.50 1.04
FACTORES DE CORRECIÓN a PARA EL PESO UNITARIO DE SÓLIDOS
LVIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
TABLA Nº 4 LECTURA
ORIGINAL DEL
HIDROMETRO
(CORREGIDA
POR MENISCO
SOLAMENTE)
PROFUNDIDAD
EFECTIVA L
(cm)
LECTURA
ORIGINAL DEL
HIDROMETRO
(CORREGIDA
POR MENISCO
SOLAMENTE)
PROFUNDIDAD
EFECTIVA L
(cm)
LECTURA
ORIGINAL
(CORREGIDA
POR MENISCO
SOLAMENTE)
PROFUNDIDAD
EFECTIVA L
(cm)
0 16.3 21 12.9 42 9.4
1 13.1 22 12.7 43 9.2
2 16.0 23 12.5 44 9.1
3 15.8 24 12.4 45 8.9
4 15.6 25 12.2 46 8.8
5 15.5 26 12.0 47 8.6
6 15.3 27 11.9 48 8.4
7 15.2 28 11.7 49 8.3
8 15.0 29 11.5 50 8.1
9 14.8 30 11.4 51 7.9
10 14.7 31 11.2 52 7.8
11 14.5 32 11.1 53 7.6
12 14.3 33 10.9 54 7.4
13 14.2 34 10.7 55 7.3
14 14.0 35 10.5 56 7.1
15 13.8 36 10.4 57 7.0
16 13.7 37 10.2 58 6.8
17 13.5 38 10.1 59 6.6
18 13.3 39 9.9 60 6.5
19 13.2 40 9.7 61
20 13.0 41 9.6 62 VALORES DE L (PROFUNDIDAD EFECTIVA) PARA USAR EN LA FÓRMULA DE STOKES EN LA DETERMINACIÓN DE DIÁMETROS DE PARTÍCULAS CON EL HIDRÓMETRO ASTM 152H
LIX
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
TABLA Nº 5
PESO UNITARIO DE LOS SÓLIDOS DEL SUELO (g/cm3)
TEMP.
(ºC) 2.50 2.55 2.60 2.65 2.70 2.75 2.80 2.85
16 0.0151 0.0148 0.0146 0.0144 0.0141 0.0139 0.0137 0.0136
17 0.0149 0.0146 0.0144 0.0142 0.0140 0.0138 0.0136 0.0134
18 0.0148 0.0144 0.0142 0.0140 0.0138 0.0136 0.0134 0.0132
19 0.0145 0.0143 0.0140 0.0138 0.0136 0.0134 0.0132 0.0131
20 0.0143 0.0141 0.0139 0.0137 0.0134 0.0133 0.0131 0.0129
21 0.0141 0.0139 0.0137 0.0135 0.0133 0.0131 0.0129 0.0127
22 0.0140 0.0137 0.0135 0.0133 0.0131 0.0129 0.0128 0.0126
23 0.0138 0.0136 0.0134 0.0132 0.0130 0.0128 0.0126 0.0124
24 0.0137 0.0134 0.0132 0.0130 0.0128 0.0126 0.0125 0.0123
25 0.0135 0.0133 0.0131 0.0129 0.0127 0.0125 0.0123 0.0122
26 0.0133 0.0131 0.0129 0.0127 0.0125 0.0124 0.0122 0.0120
27 0.0132 0.0130 0.0128 0.0126 0.0124 0.0122 0.0120 0.0119
28 0.0130 0.0128 0.0126 0.0124 0.0123 0.0121 0.0119 0.0117
29 0.0129 0.0127 0.0125 0.0123 0.0121 0.0120 0.0118 0.0116
30 0.0128 0.0126 0.0124 0.0122 0.0120 0.0118 0.0117 0.0115 VALORES DE K PARA VARIAS COMBINACIONES DE PESOS UNITARIOS Y TEMPERATURAS
4.3.4.- Llenado de planilla
DESCRIPCIÓN DEL SUELO: Características que definen a la muestra.
FECHA: Fecha de realización del ensayo.
LAB. Nº: Número de identificación del Laboratorio.
HIDRÓMETRO Nº: Nº del hidrómetro a utilizar.
TIPO: Tipo de hidrómetro 151H ó 152H
Gs: Peso específico de los sólidos del suelo
a: Factor de corrección para el peso específico de los sólidos (Tabla Nº 3)
LX
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Cm: Corrección por menisco generalmente ± 1 – 1.5
AGENTE DISPERSANTE: Nombre del agente dispersor utilizado (generalmente
Hexametafofato de Sodio).
CANTIDAD (gr): Cantidad utilizada del agente dispersante
Cd: Lectura del hidrómetro (agua + dispersante)
PESO DEL MATERIAL PASANTE TAMIZ Nº 200: Ws
% PASANTE200: Es el % pasante que se determina en al análisis mecánico.
FECHA: Fecha de realización del ensayo.
HORA: Hora de lectura del hidrómetro.
t: Tiempo, en minutos, transcurrido entre una lectura y otra.
T: Temperatura de realización del ensayo (en ºC)
CT: Factores de corrección por temperatura (Tabla Nº 2)
R’: Lectura directa del hidrómetro, igual a Ra
Rc: Lectura corregida del hidrómetro es igual a R’ – Cd + CT
% MÁS FINO PARCIAL: 100Ws
a*Rc
Rm: Lectura corregida por menisco, es igual a R’ + Cm
L: Profundidad efectiva (Tabla Nº 4)
K: Factor tabulado, depende de Gs y de T. (Tabla Nº 5).
t/L (cm/min): Raíz cuadrada de la profundidad efectiva entre el tiempo
LXI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
D: Diámetro de las partículas igual a K * L/t
% MÁS FINO TOTAL = 100
pasante Peso x Parcial Fino Más %10
200
LXII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
CAPÍTULO IV GRANULOMETRÍA
4.1.- Introducción teórica
El análisis granulométrico o análisis mecánico de un suelo consiste en
separar y clasificar por tamaños las partículas que lo componen determinando en
porcentaje, del peso total, la cantidad de granos de distintos tamaños que
contiene dicho suelo.
A partir de la distribución de los granos en un suelo, es posible formarse
una idea aproximada de otras propiedades del mismo.
Según su composición, la granulometría puede determinarse por medio de
tamices, por el método del hidrómetro, o bien, combinando ambos.
El análisis mecánico se concreta a segregar el suelo en una serie de
tamices, que definen el tamaño de la partícula.
El método del hidrómetro se basa en la aplicación de la ley de Stokes a una
esfera que cae libremente en un líquido.
El análisis combinado o total, consiste en la aplicación de los métodos antes
citados, a las porciones gruesas y finas de un mismo material; este es el caso que
comúnmente se presenta en las tierras que se emplean en la construcción de las
presas de tierras.
El tamaño de la partícula d (mm), se define como la abertura del tamiz de
malla cuadrada más cerrada por la cual pasa la partícula; si ésta fuera menor de
0,074 mm será entonces, el diámetro de una esfera de peso específico igual al
suelo que desciende en agua destilada con la misma velocidad que la partícula de
suelo respectiva.
En la siguiente figura se presenta el análisis a seguir según el tamaño de los
granos:
ANÁLISIS POR TAMIZADO ANÁLISIS POR SEDIMENTACIÓN
LXIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Nº 200
DENOMINACIÓN GRAVA ARENA LIMO ARCILLA COLOIDES TAMAÑO DE 76.1 4.76 0.074 0.002 0.0002
PARTÍCULA
(mm)
TIPO DE ANÁLISIS POR TAMAÑO DE GRANOS SEGÚN Ing. CELSO T. UGAS A.
No existe un patrón internacional para correlacionar el tamaño de la
partícula con una denominación; aunque en varios países se emplea un mismo
criterio.
La siguiente Tabla muestra los límites de tamaño de suelos separado
desarrollado por distintas organizaciones.
TAMAÑO DEL GRANO (mm)
NOMBRE DE LA
ORGANIZACIÓN GRAVA ARENA LIMO ARCILLA
Instituto Tecnológico De
Massachussets (MIT) > 2 2 a 0,06 0,06 a 0,002 < 0,002
Departamento de
Agricultura de Estados
Unidos (USDA) > 2 2 a 0,05 0,05 a 0,002 < 0,002
Asociación Americana de
Funcionarios del
Transporte y Carreteras
Estadales (AASHTO)
76,2 a 2 2 a 0,075 0,075 a 0,002 < 0,002
Sistema Unificado de
Clasificación de Suelos
(U.S. ARMY CORPS OF
ENGINEERS; U.S.
BUREAU OF
RECLAMATION;
AMERICAN SOCIETY
FOR TESTING AND
MATERIALS)
76,2 a 4,75 4,75 a 0,075
Finos
(Limos y Arcillas)
< 0,075
LIMITES DE TAMAÑO DE SUELOS SEPARADOS SEGÚN BRAJA M. DAS
El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) ha sido adoptado
por la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM).
LXIV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Para clasificar por tamaños las partículas gruesas, el método más adecuado
en el tamizado.
Un conjunto compuesto de granos gruesos puede ser separado en
fracciones fácilmente, mediante tamices de abertura redonda o de malla
cuadrada.
Mediante el análisis por tamizado sólo pueden examinarse suelos cuyas
partículas son mayores que 0,05 a 0,1 mm, porque, por un aparte, no se producen
mallas más finas y, por otra, los granos más pequeños se aglomeran durante el
secado y no se separan en el curso del tamizado. Sirve, por lo tanto, sólo para
estudios de las fracciones de grava y de arena.
Pesando lo retenido en los tamices, se puede conocer la distribución
granulométrica.
La siguiente figura representa la Curva de Distribución granulométrica y su
denominación de las fracciones de tamaños de grano.
CURVA DE DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA Y DENOMINACIÓN DE LAS
FRACCIONES DE TAMAÑOS DE GRANO. SEGÚN ÁRPÁD KÉZDI
El punto de contacto entre la curva y la recta horizontal correspondiente a
S = 100%, representa el tamaño de las partículas más grandes del conjunto. La
curva sigue luego hacia abajo, tiene un punto de inflexión y se acerca
asintóticamente al eje horizontal S = 0, ya que también partículas infinitamente
pequeñas intervienen teóricamente en el conjunto.
LXV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
En general, un buen esparcimiento de los diámetros del suelo en la curva de distribución de tamaños se obtendrá si se emplea un conjunto de tamices que tengan aberturas aproximadamente la mitad del tamiz anterior grueso.
El tamizado por sí solo es un ensayo incompleto, excepto cuando se trata
de suelos predominantes arenosos. La determinación del contenido de limo y
arcilla en un suelo no puede realizarse por tamizado y por ello se recurre a
ensayos de sedimentación.
El método del hidrómetro (densímetro) es hoy, el de uso más extendido.
El método se basa en el principio de la sedimentación de granos de suelos
en agua. Cuando un espécimen de suelo se dispersa en agua, las partículas se
asientan a diferentes velocidades, dependiendo de sus formas, tamaños y pesos.
La ley fundamental de que se hace uso en el procedimiento del hidrómetro
es debida a Stokes y proporciona una relación entre la velocidad de
sedimentación de las partículas del suelo en un fluido y el tamaño de esas
partículas. Aplicando esa ley se obtiene el diámetro equivalente de la partícula,
que es el diámetro de una esfera (la cual se supone por simplicidad).
La ley de Stokes está dada por la expresión:
=
2
9
2
2
D
-
ws; (cm/seg)
Donde:
s = Peso específico de la esfera. (gr/cc)
w = Peso específico del agua. (gr/cc)
= Viscosidad absoluta del agua. (dinas-seg/cm2)
D = Diámetro de la esfera. (cm)
LXVI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Despejando D, se obtiene:
ws
n18D
; Esta ecuación es válida para un rango de 0,0002 mm – 0,2 mm.
Para propósitos del cálculo de D, puede reescribirse usando L(cm), t(min) y
D(mm).
D ;t
L
)GwGs(980
30
(mm)
Que se puede simplificar en:
t
LkD k = (T,Gs, )
Al momento del ensayo, los hidrómetros son calibrados para medir gramos
de suelo de Gs = 2,65 en 1000 cc de suspensión para no más de 60 gr de suelo.
El hidrómetro lee los gramos de suelo que permanecen en la suspensión directamente si el peso específico de los granos es 2,65 gr/cc y la densidad del agua es 1 gr/cc.
El análisis por hidrómetro es efectivo para separar las fracciones de suelo
hasta un tamaño de aproximadamente 0,5.
Los resultados de los análisis granulométricos, tanto por tamizado e
hidrómetro, se presentan generalmente en gráficas semilogarítmicas como curvas de distribución granulométrica. Los diámetros de las partículas se grafican en
escala logarítmica y el porcentaje correspondiente de finos en escala aritmética.
LXVII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Estas curvas se muestran en la siguiente figura:
TIPOS DIFERENTES DE CURVAS GRANULOMÉTRICAS
SEGÚN GUÍA PROF. PÉREZ AYALA
Tres características principales de esta curva tienen un significado
práctico importante: el tamaño máximo de las partículas, la pendiente de la curva
(si es suave o fuertemente inclinada) y su forma que indica si los distintos
tamaños de granos están representados uniformemente o no en el conjunto.
√ La curva I, representa un tipo de suelo en el que la mayoría de los granos son del
mismo tamaño, es decir, sus vacíos no son llenados de otro material y se le llaman
suelo mal gradada. √ La curva II, representa un suelo en el que los tamaños de las partículas están
distribuidos sobre un amplio rango, es decir, que sus vacíos están llenos por otro
material y así para cada uno de los materiales y se le llama bien gradada.
√ La curva III, representa un suelo con una combinación de dos o más fracciones
uniformemente gradadas. A esta se le llama de granulometría discontinua. La
parte horizontal de esta curva, representa una brecha, lo cual indica que hay un
rango de tamaño que no hay en la gradación.
Frecuentemente la forma de la curva granulométrica permite deducir
conclusiones respecto al origen geológico del suelo, como el llamado Grado de
LXVIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Meteorización, el cual significa que mientras más antigua sea la muestra, habrá
más partículas finas. En la curva, esto lo representa el material que está por
encima del resto.
Además, tres parámetros básicos del suelo se determinan con esas curvas
que se usan para clasificar los suelos granulares. Los tres parámetros del suelo
son:
1.- Diámetro efectivo.
2.- Coeficiente de uniformidad.
3.- Coeficiente de curvatura.
El diámetro en la curva de distribución del tamaño de las partículas
correspondiente al 10% de finos se define como diámetro efectivo, o D10. El
coeficiente de uniformidad está dado por la relación:
10
60
D
D Cu
En donde:
D60: Diámetro correspondiente al 60% de finos en la curva de distribución
granulométrica.
Cu: Coeficiente de uniformidad.
Si el valor de Cu es pequeño, el suelo en su situación natural se encuentra
generalmente suelto y las partículas se mueven fácilmente por el escurrimiento
del agua.
Mientras menor sea la pendiente de la curva granulométrica, mayor es la
gama de partículas que lo integran, menos uniforme es el suelo y por consiguiente
Cu aumenta.
Los poros grandes entre los granos gruesos se llenan completamente con
los granos más pequeños, y así sucesivamente.
Estos suelos, en su situación natural se encuentran generalmente densos,
son buenos para ser compactados en la construcción de diques, carreteras y pistas de aeropuertos, son excelentes para fundaciones.
LXIX
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Otro dato necesario para definir la gradación, es el coeficiente de
curvatura del suelo que se define con la expresión:
1060
230
DD
)(D Cc
x
D30 es el diámetro correspondiente al 30% de finos.
Esta relación tiene un valor entre 1 y 3 en suelos bien gradados, con amplio
margen de tamaños de partículas y cantidades apreciables de cada tamaño
intermedio.
4.2- Análisis Granulométrico - Método Mecánico 4.2.1.- Procedimiento de ensayo
1.- Tomar 500g. de suelo al horno. Es necesario asegurarse que la muestra sea
representativa, para lo cual es posible utilizar el cuarteador mecánico, 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.
Si la muestra debe lavarse no es necesario pulverizar el suelo; sin embargo,
el procedimiento se agiliza si con anterioridad se pulveriza el suelo seco y se hace
pasar a través del tamiz Nº 200, descartando la fracción menor.
2.- Si la muestra contiene apreciable cantidad de gravas, y muy pocos finos, el
lavado se puede omitir y en ese caso seguir al paso 4.
Colocar la muestra sobre el Tamiz Nº 200 y lavar cuidadosamente el material a
través del Tamiz utilizando agua común hasta cuando el agua que pasa a través del
tamiz mantenga su transparencia.
Es necesario ser muy cuidadoso en este proceso para evitar daños en el
tamiz y la pérdida de suelo que eventualmente pueda salpicar fuera del tamiz.
3.- Verter cuidadosamente el residuo, con ayuda de agua, en el desecador y
permitirle sedimentar por un periodo de tiempo suficiente hasta lograr que el
agua en la parte superficial de la suspensión se vuelva transparente. Botar tanto
como se pueda de esta agua transparente, y colocar el recipiente con la
suspensión suelo y agua en el horno para secado.
4.- Al día siguiente regresar al laboratorio y pesar el residuo secado al horno (si
no se ha hecho el lavado omitir esto).
LXX
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
A continuación, bien inmediatamente (si no se ha hecho lavado) o al día
siguiente (si se ha hecho lavado) hacer pasar la muestra a través de una serie de
tamices que varíen desde los diámetros mayores arriba hasta los diámetros
inferiores abajo. Como lo que se quiere es lograr una curva semilogarítmica del
porcentaje de material más fino contra el tamaño de las partículas, será
necesario obtener una distribución razonable de puntos a lo largo del rango
potencial de diámetros presentes en la muestra.
5.- Colocar la serie de tamices en el agitador eléctrico automático y tamizar
aproximadamente 5 a 10 minutos.
6.- Quitar la serie de tamices del agitador mecánico y obtener el peso de
material que quedó retenido en cada tamiz.
7.- Guardar los tamices previamente limpiados, en su sitio respectivo, guardar
muestra testigo.
4.2.2.- Consideraciones generales sobre el ensayo
Se debe secar el material para eliminar el agua.
De ocurrir un error, se puede deber a que durante el secado de la muestra
en el mechero, las altas temperaturas desaten reacciones con los
componentes orgánicos.
Se debe tomar en cuenta que a mayor número de tamices en el ensayo se
obtiene mayor precisión en la curva.
La curva se traza hasta el tamiz # 200, porque a partir de allí son limos y
arcillas, y estos materiales se estudian con el ensayo del hidrómetro.
La curva brinda una descripción somera del material.
4.2.3.- Llenado de planilla
DESCRIPCIÓN DEL SUELO: Características que definen la muestra.
FECHA: Fecha de realización del ensayo.
LAB. Nº: Número de identificación del Laboratorio.
MUESTRA Nº: Número de identificación de la muestra.
PROFUNDIDAD (m): Profundidad a la que se encontraba la muestra en campo.
LXXI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
PESO DEL RECIPIENTE (gr): Peso del recipiente limpio y seco.
PESO DE LA MUESTRA SECA + RECIPIENTE (gr): Peso del material seco
antes del ensayo.
PESO DE LA MUESTRA SIN RECIPIENTE (Wseco): Restarle al peso anterior
el peso del recipiente.
TAMIZ Nº: Número de los tamices usados en orden (de mayor a menor).
DIÁMETRO (mm): Apertura de la malla de cada tamiz.
% RETENIDO: Peso retenido en cada tamiz dividido entre el peso de la muestra
original (seco o seco lavado).
%RETENIDO ACUMULADO: Sumatoria de los % retenidos.
% PASANTE: Para cada caso será igual a 100 - % retenido acumulado.
LXXII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
5.3.- Límite de Contracción 5.3.1.- Procedimiento de ensayo 1.- Tomar una muestra representativa de unos 30 g. de material pasante del
Tamiz Nº 40 y preparada según se describió en el ensayo del límite líquido.
2.- Pesar el molde de contracción (Wn) y determinar su volumen así: Llenar con
mercurio, enrasar con una placa de vidrio lisa y rígida, y medir el volumen de
mercurio contenido en el molde con el cilindro graduado de 25 ml. El volumen
inicial de la probeta húmeda (Vo) se considerará igual al volumen del molde.
3.- Mezclar el suelo con agua destilada o desmineralizada hasta obtener una
trabajabilidad igual o algo superior al límite líquido del suelo.
4.- Para evitar la adhesión del suelo al interior del molde de contracción, recubrir
éste con una delgada capa de vaselina.
5.- Colocar el suelo en el molde en tres posiciones aproximadamente iguales hasta
llenarlo, y después de colocada cada porción se golpea el conjunto sobre una
superficie firme, amortiguada con varias capas de papel, hasta lograr extender el
material y remover las burbujas de aire atrapadas en la masa.
Si hace falta, agregar más suelo y continuar el proceso hasta que se rebose
el molde.
6.- Enrasar la superficie del suelo con la regla de acero, limpiar el molde por
fuera y pesarlo (Wh).
7.- Secar el suelo al aire, a temperatura ambiente, hasta que su color
originalmente oscuro se torne más claro; luego secarlo en el horno a 1055ºC, ó a
60ºC si contiene material orgánico, hasta que adquiera un peso constante
(después de 24 horas aproximadamente). Dejar enfriar a temperatura ambiente
y a continuación pesar el conjunto.
8.- Separar la muestra seca del molde y determinar su volumen en la forma
siguiente: Llenar el envase de vidrio con mercurio y enrasarlo utilizando la placa
con las tres puntas, limpiar el envase de todo mercurio adherido por fuera y
colocarlo en una vasija de porcelana. Poner la muestra sobre la superficie de
mercurio e introducirla en él utilizando la placa con las tres puntas apretando a
ésta contra el borde del envase; se mide luego el volumen de mercurio desalojado
por la muestra en el cilindro graduado de 25 ml (Vf). Es importante que no halla
quedado aire atrapado debajo de la muestra.
EL volumen del mercurio desalojado se considerará igual al de la muestra
seca mediante la relación:
LXXIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Hg
desplazadoW Vf
Hg
9.- Guardar después de haberlos limpiado, los utensilios empleados en este
ensayo. Desechar la muestra ensayada y colocar en su lugar correspondiente la
muestra testigo.
5.3.2.- Consideraciones generales sobre el ensayo
En el momento en que el volumen de la muestra sometida a la pérdida de
humedad no varía se ha alcanzado el límite de contracción (Lc).
Para la realización del ensayo, se prefiere el uso de parafina al de
mercurio, ya que este último es muy contaminante; el consumo de al menos
una gota sería fatal, es causante de la aparición de cáncer.
La relación de contracción da una indicación de cuánto cambio de volumen
puede presentarse por cambios de la humedad de los suelos.
5.3.3.- Correlaciones de interés
LIMITE DE
CONSISTENCIA ARENA
POLVO DE
ROCA LIMO ARCILLA
Límite líquido 15…20 20…30 30…40 40…15
Límite plástico 0 17…20 20…25 25…50
Índice de
plasticidad 0 3…10 10…15 10…100
Límite de
contracción 12…18 12…20 14…25 8…35
Límite de
saturación 13…19 18…28 24…30 28…80
VALORES PROMEDIOS DE LOS LÍMITES DE CONSISTENCIA SEGÚN ÁRPÁD KÉZDI
LXXIV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
5.3.4.- Llenado de planilla DESCRIPCIÓN DEL SUELO: Características que definen a la muestra.
FECHA: Fecha de realización del ensayo.
LAB. Nº: Número de identificación del Laboratorio.
MUESTRA Nº: Número de identificación de la muestra.
PESO DEL RECIPIENTE (Wm): Peso en gr. del recipiente de contracción
utilizado.
Nº DE GOLPES: Número de golpes necesarios para cerrar la ranura.
PESO DEL RECIPIENTE + SUELO HÚMEDO (Wh): Peso en gr. del recipiente
conteniendo a la probeta de suelo húmedo.
PESO DEL RECIPIENTE + SUELO SECO: Peso del recipiente y la probeta de
suelo luego de secado al horno. (SIN PARAFINA)
VOLUMEN DEL SUELO HUMEDO (Vo) cm3: Es igual al volumen del molde.
PESO DEL SUELO SECO (Wo): Peso del recipiente + suelo seco restado del
peso del recipiente.
PESO DEL SUELO HÚMEDO: Peso del recipiente + suelo húmedo restado del
peso del recipiente.
PESO DEL AGUA (Ww): Peso del recipiente + suelo seco restado del peso del
recipiente + suelo húmedo.
PESO DEL SUELO SECO + PARAFINA (gr): Peso del suelo seco (Wo) con
parafina.
PESO DEL SUELO SECO + PARAFINA SUMERGIDO (gr): Peso del suelo seco
(Wo) con parafina en estado sumergido.
LXXV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
VOLUMEN DE LA MUESTRA (ml): Peso del suelo seco + parafina restado del
peso del suelo seco + parafina sumergido.
VOLUMEN DE LA PARAFINA (ml): Relación entre el peso del suelo seco +
parafina restado del peso del suelo seco entre la densidad del agua.
VOLUMEN DEL SUELO SECO (Vf): Volumen de la muestra restado del volumen
de la parafina.
CONTENIDO DE HUMEDAD (W%): Peso del agua (Ww) dividido entre el peso
del suelo seco (Wo), expresado en porcentaje.
LIMITE DE CONTRACCIÓN (Lc): Es igual a - W 100 x Wo
Vf- Vo
RELACION DE CONTRACCIÓN (Rc): Es igual a Wo/Vf
CONTRACCIÓN VOLUMÉTRICA (Cv): Es igual a (W – Lc)Rc
LXXVI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
CAPÍTULO V LIMITES DE ATTERBERG
5.1.- Introducción teórica
La plasticidad es una propiedad índice fundamental, la cual se define en
Mecánica de Suelos como la propiedad de un material por la cual es capaz de soportar deformaciones rápidas, sin rebote elástico, sin variación volumétrica apreciable y sin desmoronarse ni agrietarse. Para definirla de manera simple, no debe bastar con decir que un suelo
plástico puede deformarse y remoldearse sin agrietamiento, pues una arena fina y
húmeda tiene esas características cuando la deformación se produce lentamente
y, sin embargo, no es plástica en todo el sentido de la palabra; sino que existe una
gran diferencia entre el comportamiento de la arcilla y el de la arena; el volumen de la arcilla permanece constante durante la deformación, mientras que el de la arena varía; además, la arena se desmorona en deformación rápida.
La plasticidad de un suelo depende del agua que rodea las partículas de
arcilla y en consecuencia del tipo de mineral arcilloso presente en la masa de
suelo.
Albert Mauritz Atterberg, desarrolló un método para describir la
consistencia de los suelos de grano fino con contenidos de agua variables, el cual
se conoce como Límites de Atterberg.
Se entiende por consistencia el grado de cohesión de las partículas de un
suelo y su resistencia a aquellas fuerzas exteriores que tienden a deformar o
destruir su estructura.
A muy bajo contenido de agua, el suelo se comporta más como un sólido
frágil. Cuando el contenido de agua es muy alto, el suelo y el agua fluyen como un
líquido.
Los límites o fronteras definidos por Atterberg se basan en el concepto de
que un suelo de grano fino solamente puede existir en cuatro estados de
consistencia según su humedad.
LXXVII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Un suelo se encuentra en estado sólido cuando estás seco, pasando al
añadir agua a los estados semisólidos, plástico y finalmente líquido, como se indica
en la siguiente figura.
LÍMITES DE ATTERGBERG E ÍNDICES CON ELLOS ASOCIADOS
SEGÚN GUÍA PROF. PÉREZ AYALA
Los contenidos de humedad y los puntos de transición de unos estados a
otros se denominan límites de contracción o encogimiento, limite plástico y limite líquido. LC, LP, LL ó WLC, WLP, WLL.
El límite líquido se determina midiendo la humedad y el número de golpes
necesarios para cerrar en una determinada longitud una ranura de un
determinado ancho mediante un aparato normalizado.
El límite líquido aumenta a medida que el tamaño de los granos o partículas presentes en la muestra disminuye.
El límite plástico se obtiene midiendo el contenido de humedad del suelo
cuando comienzan a desmoronarse pequeños cilindros de suelo de 3 mm de
diámetro.
LXXVIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
El límite plástico tiende a incrementar en valor numérico a medida que disminuye el tamaño de las partículas presentes en la muestra. En cualquiera de los tres estados, el suelo está saturado.
El límite de contracción es la frontera entre los estados semi-sólidos y
sólidos quedando definido como el contenido de agua mínimo para el cual el suelo
no retrae su volumen aún cuando pierda o se evapore agua.
√ Los límites de consistencia permiten identificar un suelo, proporcionan
información respecto a las propiedades cohesivas de un suelo y la cantidad de
agua capilar que puede retener.
√ Los límites líquido y plástico dependen de la fracción arcillosa de un suelo. Un
suelo con alto contenido arcilloso tiene usualmente límites plásticos y líquidos
altos, mientras que los suelos arenosos, menos cohesivos, dan resultados bajos en
el ensayo.
Como la propiedad plástica de los suelos resulta del agua adsorbida que
rodea a las partículas de arcilla, se puede esperar que el tipo de minerales
arcillosos y sus cantidades proporcionales en un suelo afectaran los límites líquido
y plástico.
Por esto, Skempton, define una relación entre el índice plástico y el % en
peso de partículas de tamaño de arcilla (<2) en la masa de suelo, índice que
permite estimar el potencial de absorción de agua de un suelo arcilloso; este
índice es llamado Actividad (A).
)2 ó arcilla de fracción de (%
IP A
Donde:
IP: Índice Plástico, IP = LL – LP.
A valores pequeños de A, corresponden valores menores del potencial de cambio de volumen del suelo. EL rango aproximado de A varía entre 0,3 y cerca de 5,5 y depende del tipo de minerales de arcilla presentes en el suelo.
La consistencia relativa de un suelo cohesivo en estado natural, se define
como Índice de Liquidez (IL).
LXXIX
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
LP) - (LL
LP) - (W IL
Tomando W como humedad natural en sitio.
En una masa de suelo cohesivo no consolidado la humedad natural puede ser
mayor a la humedad del límite líquido, IL > 1; estos suelos si son remoldeados
pueden adquirir consistencia viscosa y fluir como líquido.
En una masa de suelo altamente preconsolidada la humedad natural es menor a
la humedad del límite líquido, IL < 1, valores negativos o cercanos a cero.
Para definir e identificar suelos finos o fracciones finas de la masa de
suelo, se encuentra un instrumento denominado Carta de Plasticidad, el cual se
aprecia en la siguiente figura:
CARTA DE PLASTICIDAD
SEGÚN BRAJA M. DAS
Donde:
Línea A: IP= 0,73 (LL-20)
Línea U: IP= 0,9 (LL – 8), frontera de los suelos conocidos
LXXX
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Su uso para estimar el límite de contracción o encogimiento.
A manera de obtener los mismos resultados, independientemente del
operador y el laboratorio donde se realice el ensayo; Casagrande elaboró un
método para la determinación del límite líquido estandarizando todas sus etapas,
llamado la Copa de Casagrande.
El comportamiento de los suelos, al variar sus características de
plasticidad puede resumirse en la siguiente Tabla:
CARÁCTERÍSTICAS
LÍMITE LÍQUIDO
CONSTANTE, PERO
ÍNDICE PLÁSTICO
CRECIENTE
ÍNDICE PLÁSTICO
CONSTANTE, PERO
LÍMITE LÍQUIDO
CRECIENTE
Compresibilidad Prácticamente la misma Crece
Permeabilidad Decrece Crece
Razón de variación
volumétrica Decrece ________
Tenacidad Crece Decrece
Resistencia en
estado seco Crece Decrece
SEGÚN JUÁREZ BADILLO- RICO RODRÍGUEZ
Relación de contracción: Es la relación entre una variación dada de volumen,
expresada como un porcentaje del volumen seco, con el cambio en la humedad
correspondiente por arriba del Límite de Contracción.
Vf
Wo Rc
Donde:
Rc: Relación de contracción
Wo: Peso del suelo seco al horno
Vf: Volumen del suelo seco.
Contracción volumétrica: Es la disminución de volumen de un suelo expresada
como el porcentaje de la masa seca cuando el contenido de humedad disminuye de
un porcentaje dado al Limite de Contracción.
LXXXI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Lc)Rc - ( Cv
Donde:
Cv: Contracción volumétrica
Lc: Limite de contracción
: % de humedad dado.
Contracción lineal: Es la disminución de la masa de suelo en una dimensión
expresada como un porcentaje de esta dimensión original cuando la masa de suelo
se reduce desde un valor dado hasta el Límite de Contracción.
3
100 - Cv
100 - 1 Ls
Donde:
Ls: Contracción lineal
La Gravedad Específica puede obtenerse de los datos de este ensayo como:
100
Lc
Rc
1
1 Gs
5.2.- Límites Líquido y Plástico 5.2.1.- Procedimientos de ensayo
Límite Líquido 1.- Pulverizar una cantidad suficiente de suelo secado al aire, para obtener una
muestra representativa del material que pasa a través del tamiz Nº 40 de
alrededor de 250 10 g. Se debe asegurar, mediante el uso del mortero, la
destrucción de todos los grumos presentes.
2.- Verificar que la altura del aparato del límite líquido que se va a utilizar sea de
1 cm.
3.- Colocar los 250 g. de suelo en el recipiente de porcelana, añadir una pequeña
cantidad de agua y mezclar cuidadosamente el suelo hasta obtener un color
uniforme. Cuando el color es uniforme en toda la mezcla y ésta adquiere una
LXXXII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
apariencia cremosa, su estado es adecuado en general. Se debe continuar
añadiendo pequeñas cantidades adicionales de agua y mezclando cada vez hasta
obtener una mezcla homogénea. Cuando se encuentre el suelo en un punto de
consistencia tal que se pueda estimar (o simplemente hacer un ensayo de prueba)
que tomará alrededor de 50 golpes para cerrar en una longitud de 12.7 mm. la
ranura, remover alrededor de 20 g. de esta muestra adecuadamente mezclada del
plato en que se está trabajando para determinación posterior del límite plástico.
A continuación se debe añadir un poco más de agua a manera que la consistencia
resultante permita un número de golpes para la falla en el rango de 30 a 40.
4.- Remover la cazuela de bronce del aparato del límite líquido y colocar dentro
de la cazuela una pequeña de suelo hasta la profundidad adecuada para el trabajo
de la herramienta ranuradora, bien centrada en la cazuela con respecto al
pasador. A continuación se debe emparejar la superficie de la pasta de suelo
cuidadosamente con la espátula, y mediante el uso de la herramienta ranuradora,
cortar una ranura clara, recta, que separe completamente la masa del suelo en
dos partes. La mayor profundidad del suelo en la pasta deberá ser
aproximadamente igual a la altura de la cabeza de la herramienta patrón. El suelo
no debe prácticamente ser alterado por los “hombros” de la herramienta.
Después de hacer la ranura, se debe retornar rápidamente la cazuela a su
sitio del aparato y hacer el conteo de golpes.
5.- Tomar una muestra para medir contenido de humedad y colocarla en el
recipiente para humedad. Colocar la tapa del recipiente para contenido de
humedad y colocarlo a un lado temporalmente. Remover los restos de suelo de la
cazuela y volverlos al recipiente donde se había preparado la muestra. Lavar y
limpiar perfectamente la cazuela.
Añadir una pequeña cantidad de agua al recipiente de porcelana de
preparación de suelo y mezclar cuidadosamente hasta obtener una coloración
homogénea y consistencia para obtener un número de golpes entre 25 y 30
aproximadamente. Repetir los pasos 4 y 5 anteriores.
6.- Repetir la secuencia para dos ensayos adicionales con número de golpes entre
20 y 25 y entre 15 y 20; respectivamente para un total de cuatro
determinaciones en el ensayo.
7.- Pesar las cuatro muestras de humedad obtenidas en los diferentes ensayos, y
realizar a cada una la determinación del contenido de humedad.
8.- Recoger y limpiar el equipo utilizado, guardar muestras testigos.
LXXXIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Límite plástico
1.- Dividir en varios pedazos o porciones pequeñas la muestra de 20 a 30 g. de
suelo que se había separado con anterioridad durante la preparación de la
muestra para límite líquido.
2.- Enrollar el suelo con la mano extendida sobre la placa de vidrio, con presión
suficiente para moldearlo en forma de cilindro o hilo de diámetro uniforme por la
acción de unos 80 a 90 golpes o movimientos de la mano por minuto (un golpe =
movimiento hacia delante y hacia atrás). Cuando el diámetro del hilo o cilindro de
suelo llegue a 3 mm se debe romper en pequeños pedazos, y con ellos moldear
nuevamente unas bolas o masas que a su vez vuelvan a enrollarse. El proceso de
hacer bolas o masas de suelo y enrollarlas debe continuarse alternativamente
hasta cuando el hilo o cilindro de suelo se rompa bajo la presión de enrollamiento
y no permita que se le enrolle adicionalmente.
3.- Esta secuencia debe repetirse el número de veces que se requiera para
producir suficientes pedazos de cilindros que permitan llenar el recipiente de
humedad.
4.- Pesar la cápsula con el suelo y hacer las determinaciones de contenido de
humedad.
5.- Recoger y limpiar el equipo utilizado, guardar las muestras testigos en su lugar
correspondiente.
5.2.2.- Consideraciones generales sobre el ensayo
Para que el pivoteo no tenga un error significativo, el valor de N debe estar
cercano a 25, por encima o por debajo, entre 20 y 30 golpes.
Investigaciones han demostrado que ordinariamente el secar al aire en
suelo con preparación de la muestra disminuye el límite líquido entre el 2 y
el 6% de su valor real.
Las investigaciones indican también que la mayoría de los suelos secados al
aire recuperan sus límites originales si se le permite, luego de mezclarlos
con agua, un tiempo de curado de 24 a 48 horas, antes de hacer el ensayo.
La norma ASTM para esta prueba estipula el uso de agua destilada para la
preparación de la muestra. Sin embargo, se emplea agua común y esta da
resultados satisfactorios.
Cuando se seca el material al horno éste pierde su plasticidad.
LXXXIV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
A medida que el rango entre el LP y el LL aumenta, aumenta la dificultad
para trabajar una muestra.
5.2.3.- Correlaciones de interés
MINERAL
CATIÓN
DE
CAMBIO
LÍMITE
LÍQUIDO
(%)
LÍMITE
PLÁSTICO
(%)
ÍNDICE DE
PLASTICIDAD
(%)
LÍMITE DE
CONTRACCIÓN
(%)
Montmo-
rilonita Na 710 54 656 9.9
K 660 98 562 9.3
Ca 510 81 429 10.5
Mg 410 60 350 14.7
Fe 290 75 215 10.3
Fea 140 73 67 --
Illita Na 120 53 67 154
K 120 60 60 17.5
Ca 100 45 55 16.8
Mg 95 46 49 14.7
Fe 110 49 61 15.3
Fea 79 46 33 --
Caolinita Na 53 32 21 26.8
K 49 29 20 --
Ca 38 27 11 24.5
Mg 54 31 23 28.7
Fe 59 37 22 29.2
Fea 56 35 21 -- Atapulgita H 270 150 120 7.6 a: Después de cinco ciclos de humedecimiento y secado.
LIMITES DE ATTERBERG DE MINERALES ARCILLOSOS SEGÚN LAMBE
LXXXV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
DENOMINACIÓN DEL
MINERAL
ACTIVIDAD IP/CONTENIDO
DE ARCILLA
Cuarzo 0.0
Calcita 0.18
Moscovita 0.23
Caolinita 0.33
Illita 0.90
Montmorillonita cálcica 1.50
Montmorillonita sódica 7.5 ACTIVIDAD DE MINERALES DE ARCILLA
SEGÚN ÁRPÁD KÉZDI
5.2.4.- Llenado de planilla
DESCRIPCIÓN DEL SUELO: Características que definen la muestra.
MUESTRA Nº: Número de identificación de la muestra.
FECHA: Fecha de realización del ensayo.
LAB. Nº: Número de identificación del Laboratorio.
Nº DE RECIPIENTE: Número de identificación del recipiente donde se coloca la
muestra.
PESO DE RECIPIENTE + SUELO HÚMEDO: Peso del recipiente con el
contenido de suelo a ensayar.
PESO DEL RECIPIENTE + SUELO SECO: Peso del recipiente con el suelo
después de secado al horno y dejado enfriar.
PESO DE RECIPIENTE: Peso del recipiente limpio y seco.
PESO DEL SUELO SECO: Peso del recipiente más suelo seco menos el peso del
recipiente solo.
LXXXVI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
PESO DEL AGUA: Peso del agua contenida en la muestra, que es igual al peso del
recipiente más suelo húmedo menos el peso del recipiente más suelo seco.
Nº DE GOLPES: Número de golpes necesarios para cerrar la ranura.
HUMEDAD DEL SUELO (%): Porcentaje de humedad que es el peso de agua
dividido entre el peso del suelo seco, expresado en porcentaje.
% LIMITES: Límite Líquido = WN (N/25)0.121
LL: Límite Líquido, promedio de los valores obtenidos.
LP: Límite Plástico; promedio de los contenidos de humedad.
IP: Índice Plástico = LL – LP.
LXXXVII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
CAPÍTULO VI PERMEABILIDAD
6.1.- Introducción teórica
Un material se dice que es permeable cuando permite el paso de
los fluidos a través de sus poros. Tratándose de los suelos, se dice
que estos son permeables cuando tienen la propiedad de permitir el
paso del agua a través de sus vacíos, e impermeables aquellos
(generalmente suelos arcillosos) en los cuales la cantidad de
escurrimiento del agua es pequeña y lenta.
La permeabilidad de los suelos en términos generales depende de varios factores: viscosidad del fluido, distribución del tamaño de los poros, distribución del tamaño de los granos, relación de vacíos, rugosidad de los granos y grado de saturación del suelo. Adicionalmente en arcillas su estructura, concentración iónica y espesor de agua adherida a la partícula.
En algunos casos, para facilitar el drenaje, es conveniente tener
un suelo permeable, especialmente en la construcción de las bases y
sub-bases de pavimento. En los suelos permeables, los asentamientos
no son peligrosos, pues su consolidación es rápida debido al escape
fácil del agua a través de sus poros.
Otros problemas que requieren tal conocimiento de la
permeabilidad son: la capacidad de retención de aguas de las presas
de tierra, el descenso del nivel freático por bombeo durante las
excavaciones y la velocidad de asentamiento de las construcciones.
De acuerdo con la ecuación de Bernoulli, la carga total en un
punto en agua en movimiento se da como la suma de las cargas de
presión, velocidad y elevación, o:
LXXXVIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Z g2
v
p h
2
w
Donde:
h: Carga total
p: Presión
v: Velocidad
w: Peso específico del agua
g: aceleración de la gravedad
Si “v” es muy pequeña en suelos: Z p
hw
La pérdida de carga entre dos puntos, A y B, se da por:
ZB
pB - ZA
pA hB -hA h
ww
La pérdida de carga h se expresa en forma adimensional como:
L
h i
Donde:
i: Gradiente hidráulico
L: Longitud de flujo en la que ocurra la pérdida de carga.
En la siguiente figura se muestra la variación de la velocidad v
con el gradiente hidráulico i :
LXXXIX
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
NATURALEZA DE LA VARIACIÓN DE v CON EL GRADIENTE HIDRAULICO i
SEGÚN BRAJA M. DAS
Esta figura se divide en tres zonas:
1.- Zona de flujo laminar (Zona I)
2.- Zona de transición (Zona II)
3.- Zona de flujo turbulento (Zona III)
En suelos el flujo a través de sus vacíos se considera Laminar.
En Rocas, Gravas y arenas muy gruesas puede darse flujo
Turbulento.
En Flujo Laminar “v” es directamente proporcional a “i”.
La resistencia efectiva de un suelo está frecuentemente
controlada en forma indirecta por su permeabilidad.
El grado de permeabilidad de un suelo es medido por su
“coeficiente de permeabilidad”, cuyo valor se determina con la
ecuación de la Ley de Darcy, expresada por:
XC
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
= ki
Donde:
: Velocidad de descarga, que es la cantidad de agua que fluye por
unidad de tiempo a través de una sección transversal total unitaria de
suelo perpendicular a la dirección del flujo.
k: Coeficiente de permeabilidad (cm/s)
i : Gradiente hidráulico.
El coeficiente de permeabilidad aumenta con el grado de saturación.
La velocidad real del agua (velocidad de filtración “vs”), a través
de los espacios vacíos es mayor que . Si el flujo de agua a través del
suelo en unidad de tiempo es igual a “q”, entonces:
q = v A = vs Av, A = Av + As, q = v(Av + As) = vs Av
Donde:
vs: Velocidad de filtración
A: Área del espécimen de suelo
Av: Área de vacíos en la sección transversal del espécimen.
As: Área de sólidos del suelo en la sección transversal del espécimen.
Av
)AsAv(vvs
=
L Av
L )AsAv(v =
Vv
)VsVv(v
Vv: Volumen de vacíos en el espécimen
Vs: Volumen de sólidos del suelo en el espécimen
Dividiendo por Vs resulta:
XCI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
n
v
e
e1vvs
e: Relación de vacíos
n: Porosidad
Las velocidades real y de filtración varían con la posición dentro del
volumen de poros del suelo.
El valor del coeficiente de permeabilidad aumenta con el grado de
saturación.
La determinación experimental del coeficiente de permeabilidad
se basa en la medición de la cantidad de agua que, bajo el efecto de
una altura de presión dada, se filtra a través de una muestra de
longitud y sección conocidos. Según el orden de magnitud del
coeficiente de permeabilidad, el ensayo se realiza con carga
constante o con altura de presión variable.
Los aparatos más comunes que funcionan con una altura de
presión constante, sólo son utilizables para valores grandes de k. Se
trata del Ensayo de Permeabilidad por Carga Constante
Q = A v t = A (ki) t, i = h/L, Q = A (k(h/l)) t
Aht
QLk
Donde:
Q: Cantidad de agua que filtro por el suelo en el tiempo t
L: Longitud de la muestra
A: Sección de la muestra, normal a la dirección de filtración
h: Carga hidráulica
√ Usar en suelos granulares gruesos.
XCII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Para permeabilidades pequeñas el caudal de agua es tan bajo que
es muy difícil medir. La evaporación altera los resultados. En estos
casos el ensayo se realiza generalmente con carga variable. Se trata
del Ensayo de Permeabilidad por Carga Variable.
AL
hkq = - a
dt
dh
Donde:
a: Área de la sección transversal de la bureta
A: Área de la sección transversal de la muestra de suelo
dt Ak
aL
h
dh
Integrando:
2
1e
h
hlog
Ak
aL t ,
2
110
h
h log
At
aL2.303 k , t: tiempo
√ Usar en suelos granulares finos.
Los valores de k determinados por ensayos de laboratorio
difieren frecuentemente de los valores verdaderos del coeficiente de
permeabilidad del subsuelo. Esto se debe a varias razones; la primera
es la heterogeneidad, es decir, la estratificación fina del subsuelo no
puede ser captada por la exploración del subsuelo y la toma de
muestras. La distribución no uniforme de los componentes finos
afecta muy fuertemente la permeabilidad del suelo natural. Pero
estas influencias no pueden ser consideradas en ensayos de
laboratorio. El ensayo mismo está afectado por numerosas fuentes
de error. Efectos físicos y químicos pueden producir desviaciones
apreciables.
Por esta razón el ensayo se debe efectuar siempre con una muestra imperturbada.
XCIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Para arenas muy uniformes (es decir, con un coeficiente pequeño
de uniformidad), existe una relación empírica para la permeabilidad
hidráulica de:
2
10cD (cm/seg) k
Donde:
c: Constante que varía entre 1.0 y 1.5
D10: Diámetro efectivo (mm)
6.2.-Procedimiento de ensayo 6.2.1.- Coeficiente de permeabilidad - Carga constante
Se usa el permeámetro de carga constante cuando el suelo sea
relativamente permeable, tal como gravas, arenas y mezclas de arena
y grava , con coeficiente de permeabilidad entre 10-3 y 102 cm/sg.
1.- Medir el diámetro interior del permeámetro y determinar su
sección transversal (A) que será igual para la muestra de suelo que se
coloque en su interior.
2.- Pesar el permeámetro vacío con las piedras porosas.
3.- Colocar el material seco en el permeámetro de manera tal que se
obtenga la densidad deseada, es decir, colocar un peso de material
igual al producto de la densidad por el volumen del permeámetro. Los
suelos sueltos se colocan a través de un embudo para que fluya
lentamente y la caída sea mínima para evitar segregación de material.
Para los suelos densos, colocar el material igual que antes, pero en
capas compactadas con el número de golpes requeridos para obtener
una densidad uniforme en todo su espesor.
Si el material debe poseer una humedad óptima, como en el caso
de materiales artificialmente compactados, amasar el material a la
XCIV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
humedad deseada y guardarlo por unas 24 horas en la cámara húmeda,
para luego compactar con un número definido de golpes en cada capa
para obtener una relación de vacíos uniformes y una densidad máxima,
determinada en el ensayo de compactación.
4.- Medir la longitud total de la muestra (L) o la longitud entre
piezómetros (L’) si se va a realizar el ensayo por medio de los
piezómetros.
5.- Saturar el suelo como se indica en la operación del permeámetro
de carga constan te.
6.- Proceder a medir el volumen de agua recogida en un cilindro
graduado, durante un tiempo determinado con el cronómetro.
Realizar varias mediciones durante intervalos de tiempo diferentes.
Registrar también la temperatura del agua durante el ensayo.
7.- Al concluir el ensayo, limpiar y recoger los instrumentos utilizados,
desechar el material ensayado y guardar las muestras testigo.
6.2.2.- Coeficiente de permeabilidad - Carga variable
Se utiliza para determinar el coeficiente de permeabilidad de
suelos relativamente impermeables, tales como mezclas de arena, limo
y arcilla; limos con arcillas o arcillas simplemente, con coeficiente de
permeabilidad comprendido entre
10-4 y 10-9 cm/sg.
1.- Medir el diámetro interior del permeámetro para obtener el área
(A).
2.- Pesar el permeámetro y colocar el suelo como se indicó en el
Método de carga constante, en los pasos 2 a 4.
3.- Saturar el suelo por capilaridad, sumergiendo el permeámetro
lentamente en un recipiente lleno con agua destilada desaireada.
Mantener el nivel de la línea de saturación por encima del nivel de
agua del recipiente, para que la saturación se efectúe exclusivamente
XCV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
por capilaridad y la expulsión del aire atrapado en el suelo sea más
efectiva. Finalmente se sumerge toda la muestra hasta cubrirla con
agua. Colocar el permeámetro en posición de prueba y abrir el
abastecimiento de agua para mantener un nivel constante.
4.- Llenar de agua la tubería de entrada hasta una altura conveniente
y medir la carga hidráulica a través de la muestra para obtener ho.
5.- Iniciar el flujo de agua y echar a andar simultáneamente el
cronómetro. Dejar que el agua corra a través de la muestra hasta que
la bureta se encuentre casi vacía. Simultáneamente detener el flujo y
registrar el tiempo transcurrido. Obtener la carga h1. Registrar la
temperatura de ensayo.
Para calcular el área (a) de la bureta (o tubería de entrada), se
debe recoger el agua en un recipiente.
6.- Llenar de nuevo la bureta de agua y repetir el ensayo dos veces
adicionales. Utilizar los mismos valores para ho y h1 y obtener los
tiempos transcurridos correspondientes. Medir la temperatura del
agua para cada ensayo.
7.- Para calcular el área (a) de la bureta, recoger el agua para cada
experimento y acumularla en un cilindro graduado. Después de
realizado el último experimento obtener el Qensayo promedio como:
ensayos de Nº
Q Q
Totalensayo
A partir de este valor y conocido el tiempo se puede obtener de
una manera fácil y bastante aproximada al valor de (a). Este cálculo
no es necesario hacerlo cada vez que se realice el experimento, ya que
se considera el área constante, mientras se trate de la misma tubería.
8.- Limpiar y recoger todos los instrumentos utilizados, desechar la
muestra ensayada y guardar las muestras testigo en su lugar
correspondiente.
XCVI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
6.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo
La temperatura tiene una influencia en la permeabilidad del
material debido a que a mayor temperatura menor será su
viscosidad y menor su permeabilidad.
Para que el ensayo se lleve a cabo rápido es necesario emplear
arena gruesa, ya que de ser arcillosa tarda más en filtrar el
agua, el caudal de agua es muy bajo y difícil de medir.
Uno de los factores de los que dependen las pérdidas es la
pendiente en que sean colocadas las tuberías. Mientras más
cruces de tubos exista será menor la salida de agua y viceversa.
XCVII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
6.4.- Correlaciones de interés
TABLA Nº 1 ºC 0. 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
10 1.3012 1.2976 1.2940 1.2903 1.2867 1.2831 1.2795 1.2759 1.2722 1.2686
11 1.2650 1.2615 1.2580 1.2545 1.2510 1.2476 1.2441 1.2406 1.2371 1.2336
12 1.2301 1.2268 1.2234 1.2201 1.2168 1.2135 1.2101 1.2068 1.2035 1.2001
13 1.1968 1.1936 1.1905 1.1873 1.1841 1.1810 1.1777 1.1746 1.1714 1.1683
14 1.1651 1.1621 1.1590 1.1560 1.1529 1.1499 1.1469 1.1438 1.1408 1.1377
15 1.1347 1.1318 1.1289 1.1260 1.1231 1.1202 1.1172 1.1143 1.1114 1.1085
16 1.1056 1.1028 1.0999 1.0971 1.0943 1.0915 1.0887 1.0859 1.0803 1.0802
17 1.0774 1.0747 1.0720 1.0693 1.0667 1.0640 1.0613 1.0586 1.0506 1.0533
18 1.0507 1.0480 1.0454 1.0429 1.0403 1.0377 1.0351 1.0325 1.0300 1.0274
19 1.0248 1.0223 1.0198 1.0174 1.0149 1.0124 1.0099 1.0074 1.0050 1.0025
20 1.0000 0.9976 0.9952 0.9928 0.9904 0.9881 0.9857 0.9833 0.9809 0.9785
21 0.9761 0.9738 0.9715 0.9692 0.9669 0.9646 0.9623 0.9600 0.9577 0.9554
22 0.9531 0.9509 0.9487 0.9465 0.9443 0.9421 0.9399 0.9377 0.9355 0.9333
23 0.9311 0.9290 0.9268 0.9247 0.9225 0.9204 0.9183 0.9161 0.9140 0.9118
24 0.9097 0.9077 0.9065 0.9036 0.9015 0.8995 0.8975 0.8954 0.8934 0.9813
25 0.8893 0.8873 0.8853 0.8833 0.8813 0.8794 0.8774 0.8754 0.8734 0.8714
26 0.8694 0.8675 0.8656 0.8636 0.8617 0.8598 0.8579 0.8560 0.8540 0.8521
27 0.8502 0.8484 0.8465 0.8447 0.8428 0.8410 0.8392 0.8373 0.8355 0.8336
28 0.8318 0.8300 0.8282 0.8264 0.8246 0.8229 0.8211 0.8193 0.8175 0.8157
29 0.8139 0.8122 0.8105 0.8087 0.8070 0.8053 0.8036 0.8019 0.8001 0.7984
30 0.7967 0.7950 0.7934 0.7917 0.7901 0.7884 0.7867 0.7851 0.7834 0.7818
31 0.7801 0.7785 0.7769 0.7753 0.7737 0.7721 0.7705 0.7689 0.7673 0.7657
32 0.7641 0.7626 0.7610 0.7595 0.7579 0.7564 0.7548 0.7533 0.7517 0.7502
33 0.7486 0.7471 0.7456 0.7440 0.7425 0.7410 0.7395 0.7380 0.7364 0.7349
34 0.7334 0.7320 0.7305 0.7291 0.7276 0.7262 0.7247 0.7233 0.7218 0.7204
35 0.7189 0.7175 0.7161 0.7147 0.7133 0.7120 0.7106 0.7092 0.7078 0.7064
FACTOR DE CORRECCIÓN PARA LA VISCOSIDAD DEL AGUA NT/N20
SEGÚN GUÍA PROF. PÉREZ AYALA
TIPO DE SUELO k (cm/s)
Grava Limpia 100 – 1
Arena Gruesa 1.0 – 0.01
Arena Fina 0.01 – 0.001
Arcilla Limosa 0.001 – 0.00001
Arcilla 0.000001 VALORES TÍPICOS DE PERMEABILIDAD PARA SUELOS SATURADOS
SEGÚN BRAJA M. DAS
XCVIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
6.5.- Llenado de planilla
DESCRIPCIÓN DEL SUELO: Características que definen la muestra.
FECHA: Fecha de realización del ensayo.
LAB. Nº: Número de identificación del Laboratorio.
DIÁMETRO: Diámetro interior del permeámetro igual diámetro de la
muestra.
ALTURA (L): altura de la muestra.
ÁREA (A): x D2/4
Hum. Opt.: Humedad óptima. Dato en el caso específico de que se
requiere que el material posea una humedad óptima.
PESO HUMEDO: Volumen x Dmáx. Húmeda.
VOLUMEN (V): ÁREA x ALTURA
HUMEDA: Densidad máxima húmeda.
SECA: Densidad máxima seca. Dato obtenido de la realización de
un ensayo de compactación.
PERMEÁMETRO CARGA CONSTANTE:
PRUEBA Nº: Número que identifica la muestra a ensayar.
XCIX
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
TIEMPO: Tiempo determinado, medido con el cronómetro.
VOLUMEN: Volumen de agua recogido en un cilindro graduado
durante el tiempo t.
GASTO: Volumen/Tiempo
TEMPERATURA: Temperatura del agua durante el ensayo.
K: Coeficiente de permeabilidad, expresado en base 10 (Notación
científica)
K = Q/A.i.
K (TºC): Promedio de los valores obtenidos en cada ensayo.
K (20ºC): Valor del coeficiente de permeabilidad a 20ºC
K(20ºC) = K(TºC)xNT/*N20.
NT/N20: Corrección para viscosidad del agua (Ver Tabla Nº 1)
PERMEÁMETRO DE CARGA VARIABLE:
ÁREA PIEZÓMETRO: Calcularla según se indica en el ensayo, o
usando la ecuación 1o h - h
Qs d ; siendo Qs, el volumen de agua recogido
en el intervalo de tiempo t.
h1: Carga hidráulica inicial.
h2: Carga hidráulica final.
TIEMPO t(seg): Tiempo transcurrido en pasar de ho a h1.
C
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
TEMPERATURA T (ºC): Temperatura del ensayo.
F: Factor t*A
L*a*3.2
K (cm/s): Expresado en notación científica K = F x log ho/h1
K(TºC): Promedio de los valores obtenidos de K
K(20ºC): KT x NT/N20
CI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
CAPÍTULO VII COMPACTACIÓN
7.1.- Introducción teórica
En la construcción de terraplenes para carreteras, presas de tierras y
muchas otras estructuras de la ingeniería, los suelos sueltos deben ser
compactados para incrementar sus pesos específicos.
La compactación incrementa las características de resistencia de los
suelos, aumentando así la capacidad de carga de las cimentaciones construidas
sobre ellos.
La compactación disminuye también la cantidad de asentamientos
indeseables de las estructuras e incrementar la estabilidad de los taludes de los
terraplenes.
Se entiende por compactación todo proceso que aumente la densidad seca
de un suelo por medios mecánicos, este proceso está acompañado sólo por la
expulsión de aire al aplicarse la carga dinámica.
La compactación de suelos en general es el método más económico de estabilización disponible.
La estabilización de suelos consiste en el mejoramiento de las propiedades
físicas indeseables del suelo para obtener una estructura, resistencia al corte y
relación de vacíos deseable.
Con esto se obtienen las siguientes ventajas:
a) Se disminuye la tendencia del suelo a asentamientos bajo cargas ya que se
establece un contacto más firme entre las partículas.
b) Aumenta su resistencia al corte y en consecuencia su capacidad de soporte
por estar más denso y hacerse más estable.
c) Disminuye la permeabilidad ya que la masa del suelo es más densa y su
volumen de vacíos queda considerablemente reducido, en consecuencia se
hace más impermeable.
CII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Generalmente el esfuerzo de compactación imparte al suelo:
1.- Un incremento en la resistencia al corte pues ella es función de la densidad.
2.- Un incremento en el potencial de expansión.
3.- Un incremento en la densidad.
4.- Una disminución de la contracción.
5.- Una disminución en la permeabilidad
6.- Una disminución en la compresibilidad
Los detalles del proceso de compactación y la maquinaria utilizada en cada
operación deben adaptarse a la obra particular de que se trate.
Los rodillos de llantas lisas, los de neumáticos, los de pata de cabra y los
vibratorios son los de tipos principales de maquinaria de compactación.
En suelos cohesivos, pueden obtenerse altas densidades con la mayoría de
los tipos de rodillo. Sin embargo, los rodillos vibratorios son los menos eficaces,
siendo los mejores los de neumáticos con elevadas presiones de inflado (hasta 10
Kg/cm2).
En suelos sin cohesión se emplean tanto los rodillos vibratorios como los de
neumáticos para obtener compactaciones elevadas.
Los factores más importantes que influyen en la compactación son: el
contenido de agua del suelo, antes de iniciarse el proceso de compactación y la
energía específica empleada en dicho proceso.
Por Energía Específica se entiende la energía de compactación suministrada
al suelo por unidad de volumen; es proporcional al peso del equipo de campo que se
emplee.
La energía de compactación se determina de la manera siguiente:
V
NnWhEe
Donde:
Ee: Energía específica
N: Número de golpes por capa
n: Número de capas de suelo
W: Peso del pisón
CIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
h: Altura de caída libre del pisón
V: Volumen del suelo compactado
A mayor E mayor dmáx
A mayor E menor op
Enormal 4.66 ifmodE
La distribución granulométrica, la forma de los granos, la densidad de
sólidos, la cantidad y tipo de minerales arcillosos presentes del suelo también
tiene una gran influencia en el peso específico seco máximo y el contenido de agua
óptimo y en consecuencia afecta la compactación del suelo.
La siguiente gráfica muestra las curvas típicas de compactación para
cinco suelos diferentes y su respectivo comportamiento.
CURVAS TÍPICAS DE COMPACTACIÓN PARA CINCO SUELOS DIFERENTES
(D-698 DE LA ASTM) SEGÚN BRAJA M. DAS
CIV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Una arena no requiere agua para ser compactada.
Existen muchos métodos para reproducir en el laboratorio unas condiciones
dadas de compactación de campo. Todos ellos pensados para estudiar, los
distintos factores que gobiernan la compactación de los suelos.
Los métodos usados para la compactación de los suelos dependen del tipo
de los materiales con los que se trabaje en cada caso.
El primer método, conocido como Prueba Proctor Estándar o A.A.S.H.O.
Este consiste en compactar el suelo en tres capas, dentro de un molde de
dimensiones y forma especificadas, por medio de golpes de un pisón, también
especificado, que se deja caer libremente desde una altura prefijada.
Con el procedimiento de compactación Proctor Normal, se observa, que a
contenidos de humedad crecientes, a partir de valores bajos, se obtienen más
altos pesos específicos secos y, por lo tanto, mejores compactaciones del suelo,
pero esa tendencia no se mantiene indefinidamente, sino que al pasar la humedad
de un cierto valor, los pesos específicos secos obtenidos disminuyen, resultando
así peores compactaciones en la muestra.
Es decir, para un suelo dado y usando este procedimiento, existe una
humedad inicial, llamada la “óptima”, que produce el máximo peso específico seco
que puede lograse con este procedimiento de compactación.
El segundo método, por así decirse es la Prueba Proctor Modificada o
A.A.S.H.O. Modificada, en la cual se aumentó de 3 a 5 capas de compactación, 25
golpes por capas, se aumentó al mismo tiempo el peso del pisón y la altura de
caída del mismo.
Con el procedimiento de Proctor Modificado, en la cual se aumenta la
energía de compactación, se logra un mayor peso específico máximo que el
obtenido en el Normal, por consecuencia la humedad óptima disminuye.
Este procedimiento además tiene el propósito de estudiar más ampliamente el efecto de la energía de compactación sobre la compactación efectivamente lograda en el suelo.
CV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
El establecimiento de una prueba simple de compactación en el laboratorio
cubre, principalmente, dos finalidades. Por un lado disponer de muestras de suelo
compactadas teóricamente con las condiciones de campo, a fin de investigar sus
propiedades mecánicas para conseguir datos firmes de proyecto; por otro lado, es
necesario poder controlar el trabajo de campo, con vistas a tener seguridad de
que el equipo usado está trabajando efectivamente en las condiciones previstas
en el proyecto.
Los cálculos para ambas prueba son los siguientes: El peso específico húmedo de compactación se calcula como:
)m(V
W
Donde:
W: Peso del suelo compactado en el molde
V(m): Volumen del molde (=943.3 cm3)
El contenido de agua del suelo compactado se determina en el laboratorio.
Con un contenido de agua conocido, el peso específico seco d se calcula con la
ecuación:
100
(%)1
d
Donde:
(%): Porcentaje del contenido de humedad
Con los datos de d y su correspondiente , se dibuja la curva de
compactación del material, es decir, peso unitario seco vs. contenido de humedad.
Dicha curva presenta un determinado punto para el cual la densidad es máxima y
la humedad correspondiente es la óptima.
Para un contenido de agua dado, el peso específico seco máximo teórico se
obtiene cuando no existe aire en los espacios vacíos, es decir, cuando el grado de
saturación es igual a 100%.
El peso específico seco máximo a un contenido de agua dado, con cero
vacíos de aire se expresa como:
CVI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
e1
G wszav
Donde:
zav: Peso específico con cero vacíos de aire
w: Peso específico del agua
e : Relación de vacíos
Gs: Gravedad específica del suelo
Para 100% de saturación, e = Gs, por lo que
Gs
1Gs1
Gs wwzav
Donde:
: Contenido de agua
Para obtener la variación de zav con el contenido de agua, se debe seguir el
siguiente procedimiento:
1.- Determinar la Gravedad específica del suelo
2.- Determinar el peso específico del agua (w)
3.- Suponer varios valores de tales como 5%, 10%, 15%, etc.
4.- Usar la ecuación descrita anteriormente para hallar zav para varios valores de
.
Compactación relativa es el término utilizado para comparar el suelo
compactado in situ con la curva de compactación de laboratorio. Esta se define
como:
100xolaboratori del máxima densidad
campo el en compactado suelo del densidad relativa ónCompactaci
CVII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
7.2.- Procedimiento de ensayo
El Proctor Standard tiene las siguientes características: Compactar en un
molde de 944 cm3, 3 capas de material a 25 golpes por capa, con un martillo de
5,5 lb. dejado caer libremente desde una altura de 12 pulg.; mientras que el
Proctor Modificado se compactan 5 capas a 25 golpes, con un martillo de 10 lb. Y
desde una altura de 18 pulg.
1.- Tomar 3 kg de suelo secado al aire, pulverizado suficientemente para que pase
a través del Tamiz Nº 4; a continuación mezclarlo con la cantidad de agua
necesaria para hacer el incremento de humedad basado en porcentaje de peso
seco. El porcentaje inicial de incremento de agua debería tener en cuenta el
contenido de humedad 4 a 5% por debajo del contenido de humedad optima
(CHO), y obtener el CHO bien de la figura 1 o por cualquier otro medio de
estimación.
2.- Si el suelo se ha curado, añadir 1% de humedad por peso, para tener en cuenta
las pérdidas por evaporación. Mezclar esta agua al suelo cuidadosamente.
3.- Pesar el molde de compactación sin incluir la base ni el collar.
4.- Medir el molde de compactación para determinar su volumen (o suponer que es
de 944 cm3).
5.- Escoger las herramientas (martillo), según el método a seguir (estándar o
modificado) y compactar un cilindro de suelo.
6.- Enrasar cuidadosamente la base y la parte superior del cilindro compactado al
suelo con la regla metálica. Llenar cuidadosamente con suelo cualquier agujero
que pudiera haber quedado en la superficie o haberse hecho por remoción de
alguna grava en el proceso de emparejamiento de la superficie.
7.- Pesar el molde lleno de suelo húmedo.
CVIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
8.- Extraer el cilindro de suelo del molde, partirlo en dos; y tomar dos muestras
para contenido de humedad, una cercana a la parte superior del molde y otra a la
parte inferior.
9.- Despedazar la muestra hasta tamaño aproximado del Tamiz Nº 4 y añadir 2%
(basado en el peso original de la muestra de 3 kg) de agua. Mezclar nuevamente
con cuidado y repetir los pasos 5 a 9 hasta que, sobre la base del peso húmedo, se
obtengan 2 valores de peso de material compactado ligeramente menores que un
determinado valor pico.
10.- Volver al laboratorio al día siguiente y pesar las muestras de contenido de
humedad secadas al horno para encontrar el promedio real de contenido de
humedad de cada ensayo.
11.- Limpiar y recoger el equipo utilizado, desechar las muestras ensayadas y
guardar la muestra testigo en su lugar correspondiente.
7.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo
El molde de compactación debe colocarse sobre una superficie que no vibre
durante el proceso de compactación, para que la energía de compactación
no se pierda.
Si el cilindro de suelo no es compactado en tres incrementos
aproximadamente iguales, los puntos de la curva se mostrarán erráticos,
(no caerán en una curva continua a cada lado del óptimo).
En términos generales la estructura del suelo, la densidad y el CHO
dependen del método de proveer la energía de compactación (amasamiento,
impacto, vibración, etc.)
Los rodillos lisos son mejores para arenas y las patas de cabra para
arcillas.
CIX
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
7.4.- Correlaciones de interés
PROPIEDAD COMPARACIÓN Estructura
Disposición de las partículas Del lado seco más aleatoria
Deficiencias de humedad Del lado seco, mayor deficiencia y por
tanto mayor higroscopicidad, mayor
expansión y menor presión intersticial
Estabilidad La estructura del lado seco es más
susceptible de variación
Permeabilidad
Magnitud Del lado seco, más permeable
Estabilidad Del lado seco, la permeabilidad se
reduce mucho más por el flujo de agua
Compresibilidad
Magnitud Del lado húmedo, mayor compresibilidad
con bajas presiones y del lado seco con
altas presiones
Del lado seco, se consolida más
rápidamente
Velocidad
Resistencia en el molde
Sin drenaje Del lado seco, mucho mayor
Con drenaje Del lado, seco, algo mayor
Después de la saturación
Sin drenaje Del lado seco, algo mayor si se evita la
expansión; del lado húmedo puede ser
más elevada si se permite la expansión
Con drenaje Del lado seco, aproximadamente la
misma o ligeramente mayor
Presiones intersticiales en la falla Del lado húmedo, mayor
Módulo esfuerzo-deformación Del lado seco, mucho mayor
Sensibilidad Del lado seco, más probabilidad de
sensibilidad COMPARACIÓN ENTRE LAS COMPACTACIONES POR EL LADO SECO O
HÚMEDO DEL ÓPTIMO SEGÚN LAMBE
CX
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
TIPO ESTÁNDAR 95%
ESTANDAR
95%
MODIFICADO
Suelo 1 – Arena
limosa 125 119 90%
Suelo 2- Arena 110 105 93%
Suelo 3 - Arcilla 88 84 82% COMPARACIÓN PROCTOR A 95% ESTÁNDAR vs MODIFICADO
SEGÚN GUÍA PROF. PÉREZ AYALA
7.5.- Llenado de planilla
DESCRIPCIÓN DEL SUELO: Características que definen la muestra.
MUESTRA Nº: Número de identificación de la muestra.
FECHA: Fecha de realización del ensayo.
LAB. Nº: Número de identificación del Laboratorio.
Nº DE RECIPIENTE: Número de identificación del recipiente donde se coloca la
muestra.
PESO DEL RECIPIENTE (gr): Peso del recipiente limpio y seco.
CANTIDAD DE AGUA AÑADIDA (gr): % en peso de agua que se añade a la
muestra.
PESO DEL RECIPIENTE + MUESTRA COMPACTADA (gr): Peso del recipiente
+ peso de la muestra compactada con golpes.
PESO DE RECIPIENTE + SUELO HÚMEDO: Peso del recipiente con el
contenido de suelo a ensayar.
PESO DEL RECIPIENTE + SUELO SECO: Peso del recipiente con el suelo
después de secado al horno y dejado enfriar.
PESO NETO DE LA MUESTRA COMPACTADA: Peso del recipiente + muestra
compactada restado del peso del recipiente.
CXI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
PESO DEL AGUA: (Peso del recipiente + suelo húmedo – Peso del recipiente) –
Peso neto seco.
PESO NETO SECO: Peso del recipiente + suelo seco restado del peso del
recipiente.
DENSIDAD HUMEDA h (kg/m3): Relación entre el peso neto de la muestra
compactada y volumen del recipiente.
DENSIDAD SECA AL HORNO (kg/m3):
100
%W 1
h
CXII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
CAPÍTULO VIII DENSIDAD DE CAMPO
8.1.- Introducción teórica
Una vez establecidos, para el suelo que se va a utilizar en un sitio
determinado, los criterios de compactación, generalmente con limitaciones de
humedad y densidad, es necesario utilizar algún método para verificar los
resultados.
En todos los proyectos pequeños y casi todos los proyectos grandes, esta
verificación se logra bien por el cono de arena o por el método del balón de
densidad. (El empleado en el Lab. de Suelos es el método del cono de arena).
Básicamente el método del cono de arena consiste en obtener el peso del
suelo húmedo, la humedad natural y el volumen de una pequeña excavación de
forma algo irregular (un hueco) hecho sobre la superficie del suelo.
El peso seco del suelo se obtiene con:
100
(%)1
WW
23
Donde:
: Contenido de humedad
W2: Peso del suelo húmedo excavado del agujero
W3: Peso seco del suelo excavado del agujero
Para determinar el peso de la arena necesaria para llenar el agujero y el
cono (W5), se determina el peso del envase, del cono y de la arena que llena el
recipiente (W1), que a su vez es igual al peso del recipiente, del cono y de la
arena restante en el envase (W4) una vez que el agujero y el cono están llenos.
W5 = W1 = W4
El volumen del agujero excavado se determina ahora como:
)arena(d
WcWV
5
Donde:
Wc: Peso de la arena para llenar únicamente el cono
CXIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
d(arena): Peso específico seco de la arena Ottawa usada
V: Volumen del agujero
Los valores de Wc y d(arena) son determinados a partir de la calibración
hecha en laboratorio.
El peso específico seco d de la compactación hecha en campo se determina
ahora como:
V
Wd
3
Este ensayo se emplea para verificar la densidad lograda del sitio y se
compara con el proctor.
Al comparar, si se está por encima del porcentaje esta bien, pero si se encuentra
por debajo del porcentaje, está mal y se debe volver a compactar.
El material a utilizar es la arena de Ottawa, la cual también se debe
calibrar. Este material debe tener un coeficiente de uniformidad inferior a 2%,
la partícula más grande debe ser de 2 mm. (pasante tamiz # 10). Debe tener
menos de 3% en peso pasante, 250 micras (retenido tamiz # 60).
Luego de la calibración se debe calcular la densidad, esto se puede hacer
en cualquier envase.
La densidad es la masa requerida para llenar el recipiente entre el volumen.
El rango de las densidades debe estar entre 1.8 – 2 Ton/m3.
Las ventajas de usar arena de Ottawa, es que todas las partículas tienen la
misma gravedad específica, no hay variación mineralógica y es la más uniforme. Es
una arena limpia que no tiene cohesión (c = 0).
La calibración debe ser corregida en sitio para cada material ya que sino se hace, las mediciones no son las verdaderas.
El Troxler es un aparato que se utiliza para medir la densidad seca en situ,
y la humedad a la que fue compactado el material.
CXIV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
El ensayo del cono es más preciso que el ensayo del Troxler; porque el
Troxler en un ensayo calibrado en el laboratorio, en cambio el ensayo del cono es
hecho directamente en situ.
En general, los agujeros para ensayos de campo deben ser pequeños,
produciendo esto un error multiplicador grande por lo cual es absolutamente
esencial impedir la pérdida de suelo durante la excavación, ya que la
determinación del volumen hecha en cualquier forma daría un volumen aparente
del agujero demasiado grande.
Como una guía, la ASTM sugiere los siguientes criterios para seleccionar
volumen de agujero y tamaño de la muestra para contenido de humedad, con el fin
de obtener resultados razonables en el ensayo.
TAMAÑO MÁXIMO
EN EL SUELO SEGÚN
TAMIZ
VOL. DEL HUECO
PARA EL ENSAYO
(CM3)
TAMAÑO DE LA
MUESTRA PARA
CONTENIDO DE
HUMEDAD (g)
Nº 4 700 100
12.7 mm 1400 250
25.0 2100 500
50.0 2800 1000 SEGÚN JOSEPH E. BOWLES
El mejor resultado de contenido de humedad es aquél que se obtiene al
secar la totalidad del suelo excavado del agujero en el terreno.
La excavación debe hacerse tan rápido como sea posible para mantener el
contenido de humedad natural del suelo que está guardándose en el recipiente con
cierre hermético. El recipiente debe sellarse tan pronto como se termine de
hacer la excavación.
Es importante evitar cualquier vibración en el área circundante, o en el
recipiente donde se encuentre la arena, ya que esto puede introducir exceso de
arena en el agujero y por consiguiente incrementar el volumen aparente del
agujero.
Otro de los métodos usados ahora con frecuencia para determinar el
peso específico seco compactado de suelo es el Densímetro Nuclear.
CXV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Este opera en agujeros taladrados o desde la superficie del terreno.
El instrumento mide el peso del suelo húmedo por volumen unitario y
también el peso del agua presente en un volumen unitario de suelo.
El peso específico seco del suelo compactado se determina restando el peso del agua del peso específico húmedo del suelo.
El método de la Penetración Estándar (S.P.T.) es, entre todos los
procedimientos exploratorios preliminares, quizá el que rinde mejores resultados
en la práctica y proporciona más útil información en torno al subsuelo y no sólo en
lo referente a descripción.
En suelos puramente friccionantes la prueba permite conocer la capacidad
de los mantos que es la característica fundamental respecto a su comportamiento
mecánico.
En suelos plásticos la prueba permite adquirir una idea, si bien tosca, de la
resistencia a la compresión simple.
Además el método lleva implícito un muestreo, que proporciona muestras
alteradas representativas del suelo en estudio.
La utilidad e importancia mayores de la prueba de penetración estándar
radican en las correlaciones realizadas en el campo y en el laboratorio en diversos
suelos, sobre todo arenas, que permiten relacionar aproximadamente la
compacidad, el ángulo de fricción interna,, en arenas y el valor de la resistencia a
la compresión simple, qu, en arcillas, con el número de golpes necesarios en ese
suelo para que el penetrómetro estándar logre entrar los 30 cm especificados.
CXVI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
8.2.- Procedimiento de ensayo
1.- Llenar de arena de Ottawa los frascos disponibles. Se enumeran y se
registran los pesos de cada uno de ellos.
2.- Elegir un sitio en el terreno (o la construcción), y en un cuadrado de 60 cm de
lado se excava unos 20 cm como mínimo, nivelando lo mejor posible la superficie
descubierta.
3.- Colocar la placa base sobre la superficie del suelo, de tal forma que toda su
área que de en contacto con dicha superficie. La placa base debe quedar
rígidamente fija, con ayuda de clavos que la mantengan firme contra el suelo.
4.- Con la ayuda de un cincel, se comienza a excavar el área de suelo comprendida
en la perforación de la placa base. La perforación se ejecuta de la parte central
hacia la periferia de la perforación de la placa base.
5.- El material que se va extrayendo se coloca en bolsas plásticas o en frasco de
cristal, cuidando de que no pierda humedad por evaporación.
6.- Se debe emparejar las paredes de la excavación, para que estás sean lo más
verticales posibles.
7.- Todo el material extraído se identifica.
8.- Sobre la placa se coloca el conjunto de frasco con la arena y el cono, y
rápidamente se abre la válvula del cono y se deja que la arena llene la cavidad del
suelo y el cono.
9.- Cuando se note que no baja más arena del frasco, se cierra la válvula.
10.- Se retira el conjunto de frasco con arena retenida y el cono.
11.- Toda la arena retenida en la placa y el hoyo debe ser recuperada al máximo y
colocada en bolsas plásticas o de polietileno.
12.- El material extraído se pesa en la balanza de 0,1 g. de apreciación, y se anota
éste en la hoja de registro, como peso del suelo húmedo extraído.
13.- El material extraído se mezcla bien en el envase adecuado para tal fin y luego
se toma una muestra representativa y se determina el contenido de humedad.
14.- La arena retenida en el frasco se pesa en la balanza de 0,1 g. de apreciación y
se anota en la hoja de registro como peso de la arena retenida en el frasco.
15.- Limpiar y guardar los instrumentos utilizados, desechar la muestra ensayada
y guardar una muestra testigo.
CXVII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
CALIBRACIÓN DE LA ARENA DE OTTAWA:
La calibración de la arena consiste en conocer su peso unitario suelto, y el
procedimiento a seguir en dicha calibración es el que a continuación se describe:
1.- Se llena de arena el frasco y luego se acopla el cono.
2.- En una superficie lisa se coloca una lámina de papel, y en el centro del mismo
se pone un molde proctor de 4 pulgadas de diámetro, cuyo peso y volumen serán
conocidos, y sobre éste se coloca la placa base.
3.- Se coloca el frasco con el cono, en forma invertida, sobre la placa base.
4.- Se abre rápidamente la válvula del cono y se espera que se llene de arena el
molde, la perforación de la placa base y el cono, esto sucede cuando se observa en
el frasco que no baja más arena.
5.- Se cierra la válvula del cono y se retira cuidadosamente el conjunto de frasco,
cono y placa base.
6.- Se enrasa la superficie del molde, teniendo cuidado de no producir
vibraciones, luego se limpia bien el molde y la base.
7.- Se pesa el molde con la arena, en una balanza de un (1) gr. de precisión.
8.- El peso unitario de la arena en Kg/m3, se calculará mediante la siguiente
fórmula:
V
Wm- Wa) (Wm
Donde:
Wa = Peso de la arena en el molde
Wm = Peso del molde
V = Volumen del molde
CALIBRACIÓN DEL CONO Y PLACA BASE:
La calibración del cono y placa base, consiste en conocer la cantidad de
arena retenida entre dicho cono y placa base, el procedimiento de calibración es
el que sigue:
1.- Se llena el frasco con arena previamente secada al horno, se pesa el conjunto
en una balanza con precisión mínima de 1 g. Luego se acopla el cono al frasco.
2.- En una superficie lisa, se coloca una lámina de papel, y en el centro del mismo
se pone la placa base.
3.- Se invierte el frasco y cono, y se coloca en la placa base.
CXVIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
4.- Se abre rápidamente la válvula hasta que la arena llene la perforación de la
placa base y el cono.
5.- Se cierra la válvula, y se invierte la posición del frasco. Se abre la válvula para
que salga la arena atrapada en ella.
6.- Se desacopla el cono del frasco y se pesa dicho frasco con la arena retenida.
7.- La diferencia de pesos antes y después del ensayo, se reporta como arena
retenida entre cono y placa.
Se repite esta calibración un número mínimo de tres veces y por lo menos
dos deben dar resultados iguales o muy aproximados.
8.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo
Debe tenerse la precaución de observar que en el sitio no hayan partículas
mayores a los 35 a 40 mm, ya que el tamaño del equipo del muestreo sería
inadecuado para el sitio.
Se debe evitar al máximo las vibraciones cercanas al sitio.
Inmediatamente que se toma el muestreo se debe tapar el recipiente para
evitar la pérdida de humedad.
Este ensayo sirve para obras pequeñas, para controlar la densidad seca y
para controlar la densidad seca y para calibrar el Troxler.
8.4.- Correlaciones de interés
CONSISTENCIA Nº DE GOLPES SPT
RESISTENCIA A
COMPRESIÓN
SIMPLE kg/cm2
Muy blanda ….2 0,25
Blanda 2 - 4 0,25…0,5
Mediana 4 - 8 0,5 …1,0
Compacta 8 - 15 1,0…2,0
Muy compacta 15 - 30 2,0…4,0
Dura 30… 4,0… INDICES CUANTITATIVOS DE LA CONSISTENCIA
SEGÚN ÁRPÁD KÉZDI
CXIX
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
8.5.- Llenado de planilla
DESCRIPCIÓN DEL SUELO: Características que definen a la muestra.
FECHA: Fecha de realización del ensayo.
LAB. Nº: Número de identificación del Laboratorio.
PESO DE LA ARENA (gr): Peso de la muestra a emplearse.
Nº DE RECIPIENTE: Número del recipiente en que se coloca la muestra.
PESO DE LA CAPSULA (gr): Peso del recipiente limpio y seco.
PESO DE LA CAPSULA+ SUELO SECO (gr): Peso del recipiente con el suelo
después de secado al horno y dejado enfriar.
PESO DE LA CAPSULA + SUELO HÚMEDO (gr): Peso del recipiente con el
contenido de suelo a ensayar.
PESO DE LA ARENA USADA (gr): Resulta de la resta del peso de la arena y
cono con el peso residuo arena.
PESO DE LA ARENA EN HUECO (gr): Diferencia entre el peso de la arena
usada y el peso de la arena en plato y cono.
VOLUMEN DEL HUECO (cm3): Relación entre peso de arena en hueco y
calibración de la arena.
PESO DEL SUELO HÚMEDO Y ROCA (gr): Diferencia entre el peso del suelo
húmedo, roca y tara con el peso de la tara.
DENSIDAD HÚMEDA, SUELO Y ROCA (kg/cm3): Relación entre Peso del suelo
húmedo y roca con el volumen del hueco todo multiplicado por 1000.
CONTENIDO DE AGUA (gr): Resulta de la resta entre Peso de la cápsula +
suelo húmedo y Peso de la cápsula + suelo seco.
CXX
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
PESO DEL SUELO SECO (gr): Peso del recipiente más suelo seco menos el peso
del recipiente solo.
CONTENIDO DE HUMEDAD (W%): Porcentaje de humedad que es el peso de
agua dividido ente el peso del suelo seco, expresado en porcentaje.
DENSIDAD SECA DEL SUELO Y ROCA (kg/cm3): (Densidad húmeda, suelo y
roca / (1 + %Humedad/100))
CXXI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
CAPÍTULO IX EXPANSIÓN
9.1.- Introducción teórica
Las arcillas son partículas microscópicas constituidas por mica, minerales
arcillosos y otros minerales, la agrupación de estos minerales forman masas
plásticas que en estado húmedo son moldeables al tacto.
Estas características unidas a la existencia de campos eléctricos en su
superficie le confieren el siguiente comportamiento mecánico:
a) Contracción de la arcilla debido al secado.
b) Expansión de la arcilla al humedecerse.
c) Desarrollo de presiones de expansión cuando está confinada y no puede
expandirse.
d) Disminución de su resistencia al corte al expandirse.
Como consecuencia de este comportamiento las arcillas expansivas plantean
problemas de distinta naturaleza en las obras civiles que el hombre construye
sobre suelos.
En Venezuela existen vastas regiones afectadas por el problema de los
suelos expansivos. En general, su ubicación ha venido determinándose en la
medida en que se ha construido obras de importancia.
La agresividad de los suelos expansivos localizados en el territorio nacional
varía en una amplia gama, tal como puede apreciarse en la siguiente Tabla:
CXXII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
SITIO RANGO DE PRESIÓN DE EXPANSIÓN
(Kg/CM2) Altagracia de Orituco,
Edo. Guárico 1.3 - 6
Barcelona y Pto. La cruz,
Edo. Anzoátegui 1 - 2.5
Barquisimeto, Edo. Lara 4 - 12
Cabimas, Edo. Zulia 0.4 - 0.5
Calabozo, Edo. Guárico 4 - 8
Carora, Edo. Lara 6 - 12 Casigua-El Cubo, Edo.
Zulia 3 - 7
Coro, Edo. Falcón 1.3 - 25.5 El Saco-Tucupido, Edo.
Guárico 3.8 - 5.6
Guarenas, Edo. Miranda 0 - 2.5
Maracaibo, Edo. Zulia 1.9 - 17
Maracay, Edo. Aragua 0.6 - 1.1
Mirimire, Edo. Falcón 3.3 - 5.4 Ocumare y Sta. Teresa,
Edo. Miranda 1 - 2
Perecal, Edo. Táchira 6 - 15 Porlamar, Edo. Nueva
Esparta 6 - 10
Pto. Altagracia, Edo. Zulia 0 - 8 San Cristóbal, Edo.
Táchira 6 - 15
San Fernando, Edo. Apure 0.2 - 5
Tariba, Edo. Táchira 0.7 - 2
Valencia, Edo. Carabobo 2 - 6 Valle de la Pascua, Edo.
Guárico 1.7 - 14
Villa de Cura, Edo. Aragua 1.7 - 3.4
Zaraza, Edo. Guárico 0.5 - 8.7 SUELOS EXPANSIVOS EN VENEZUELA
SEGÚN ING. CELSO T. UGAS A.
Una presión de expansión mayor de 1 kg/cm2 ya es muy alta.
CXXIII
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
La expansividad de los minerales de arcilla crece en el siguiente orden:
Caolinita, Illita y Montmorillonita y se encuentra afectada significativamente por
el estado de esfuerzos aplicados al suelo.
La expansividad de la Montmorillonita decrece, dependiendo del tipo de
catión presente en la capa de difusión que rodea a la partícula, en el siguiente
orden: sodio, litio, potasio, calcio, magnesio e hidrófilo.
Por esta razón entre otras, la cal, el yeso y el cemento son usados para su
estabilización, debido a que se produce un reemplazamiento de iones activos de
sodio por iones menos activos del calcio.
El aumento de espesor, expresado como porcentaje del espesor original, se designa como expansión y es la medida del máximo porcentaje de aumento en volumen, que puede esperarse que experimente el material como consecuencia del aumento de su contenido de humedad.
Un cambio de volumen menor que 1,5% se considera bajo; entre 1,5 y 5%,
medio; entre 5 y 25% alto, y superiores a 25% muy alto.
Los factores que influyen en los cambios de volumen del suelo expansivo in
situ, son múltiples y complejos, algunos son:
1.- Cantidad y tipo de mineral de arcilla.
2.- Iones intercambiables presentes en la doble capa de difusión.
3.- Naturaleza físico-química del fluido en los poros.
4.- Contenido de humedad.
5.- Peso unitario.
6.- Permeabilidad.
7.- Historia de esfuerzos del suelo
8.- Estructura.
9.- Profundidad y espesor del estrato expansivo.
10.- Profundidad del nivel freático
11.- Clima y topografía de la región.
12.- Presencia de vegetación y estructuras suprayacentes.
CXXIV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
La medida de la influencia de cada uno de esos factores no ha sido aún
establecida, así como tampoco las complejas interrelaciones que entre ellos
pudiera existir.
Entre las consecuencias de construir en suelos expansivos están, entre
otras, la aparición de fisuras verticales que nacen en la parte superior de las
paredes y, van de arriba hacia abajo. Son más abiertas arriba que abajo, y
generalmente no llegan a la línea de cimientos.
Por ello es muy importante que, antes de comenzar una construcción, se debe hacer un buen estudio de suelos para conocer si existen o no este tipo de materiales.
Hasta el presente se ha ideado múltiples aparatos para medir las
características expansivas de un suelo, no obstante el consolidómetro sigue
siendo el de uso más generalizado.
La expansividad de una arcilla para los propósitos prácticos de la ingeniería
queda determinada por dos parámetros, a saber:
1.- La expansión potencial, (Expansión Libre).
2.- La presión de expansión, (Expansión Controlada).
El Bureau of Reclamation de los E.U.A., es responsable del método (hasta el
momento más convincente de todos los propuestos) para clasificar a las arcillas
desde el punto de vista de la intensidad de su potencial de expansión.
El potencial de expansión, está definido como el máximo hinchamiento
vertical, expresado en porcentaje.
Se toma en cuenta para definir este último el llamado Grado de Expansión
de una muestra de suelo secada al aire y colocada después en un consolidómetro,
anegada en agua y bajo una presión vertical de 0,07 kg/cm2 (1lb/plg2).
En realidad el potencial de expansión se define en términos de varias
características de la arcilla, además del grado de expansión, las más importantes
son el límite de contracción, el Índice de plasticidad, el porcentaje de partículas
menores que una micra y la expansión libre.
CXXV
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
La expansión libre se define por medio de la siguiente ecuación:
100Vo
VoV.L.E
Donde:
E.L.: Expansión libre del suelo, en porcentaje.
V: Volumen de la muestra después de la expansión, en cm3.
Vo: Volumen de la muestra antes de la expansión, igual a 10 cm3.
Un suelo con potencial de expansión alto puede tener una expansión libre mayor que 100%.
La presión de expansión, está definida como la máxima presión vertical que
es capaz de desarrollar una muestra de arcilla al colocarse en condición
sumergida en el consolidómetro dentro de un anillo rígido e impedírsele su
expansión mediante un incremento progresivo de la carga vertical aplicada sobre
la muestra.
Las presiones de expansión que se obtienen en el laboratorio dependen de
las condiciones y los tiempos de humedecimiento y de carga y de la secuencia con
que se permite la expansión y se aplican las cargas.
El tiempo que transcurre en el laboratorio antes de que deje de generarse
presión de expansión y se llegue a la condición de equilibrio, depende de la
naturaleza de los minerales arcillosos y es mayor en las montmorillonitas y mínimo
en las caolinitas.
La presión de expansión que se obtenga al final es la medida de la fuerza
máxima por unidad de área que pueda producir en suelo en las condiciones de
expansión extrema.
Área
10*carga P
Donde P es la presión de expansión.
Las presiones de expansión inferiores a 2 ton/m2 se consideran bajas;
presiones superiores a 200 ton/m2 se encuentran ocasionalmente.
CXXVI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
Los dos tipos de pruebas de expansión proporcionan indicaciones útiles
sobre el comportamiento extremo. Sin embargo, en la mayor parte de los casos, la
expansión está parcialmente reprimida. En consecuencia, las magnitudes de la
expansión y de sus presiones probablemente sean en realidad intermedias entre
la determinada en las dos pruebas.
Los datos obtenidos con estas pruebas pueden usarse para estimar la
magnitud de la sobrecarga o recubrimiento necesario, para evitar que el suelo
que está a cierta profundidad se expanda o para limitar la expansión a una
cantidad aceptable.
También pueden usarse para estimar la elevación final de la superficie
correspondiente a una profundidad de excavación o de relleno.
9.2.- Procedimiento de ensayo
Preparación en las muestras.
Muestras naturales:
Se talla una muestra dentro del anillo del consolidómetro, evitando en lo
posible la pérdida de humedad y su perturbación durante el manipuleo.
Muestras compactadas:
Se colocarán en el consolidómetro con la humedad y la densidad que tendrá
el material al ser compactado in situ.
Cuando se desee simular las condiciones donde el suelo resulta más
agresivo déjese desecar la muestra al medio ambiente antes de su colocación en
el anillo del consolidómetro.
MEDIDA DE LA EXPANSIÓN POTENCIAL (EXPANSIÓN LIBRE):
1.- Colocar la muestra en el consolidómetro y aplicar una carga de 1,0 ton/m2.
2.- Ajustar y anotar la lectura del flexímetro que registrará la deformación de la
muestra.
3.- Inundar la muestra y hacer lecturas periódicas de la expansión vs. tiempo,
hasta que el proceso de expansión concluya.
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Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
4.- Anotar el máximo valor de la expansión experimentada por la muestra, el cual
corresponde a la expansión potencial del suelo.
5.- Desmontar la muestra y pesar.
6.- Secar la muestra al horno y proceder a pesarla nuevamente.
MEDIDA DE LA PRESIÓN DE EXPANSIÓN:
1.- Pesar el anillo y medir mediante un vernier la altura y el diámetro interior del
anillo.
2.- Colocar la muestra dentro del anillo y se pesa.
3.- Colocar la muestra en el consolidómetro y aplicar una pequeña carga de
aproximadamente 50g. sobre el plato del mismo, para garantizar el juste del
sistema de aplicación de carga.
4.- Ajustar y anotar la lectura del flexímetro que mide la deformación de
muestra y proceder a su inundación. Se comienza a medir el tiempo a partir de
este instante.
5.- Aplicar cuidadosamente carga sobre el plato del consolidómetro a fin de
evitar que la muestra expanda, teniendo el cuidado que la carga aplicada no
exceda la presión de expansión que va desarrollando la muestra, ya que ello
inducirá un proceso de consolidación de la misma.
6.- Reportar la máxima carga aplicada sobre la muestra; en estas condiciones
como su presión de expansión.
7.- Desmontar la muestra y pesar.
8.- Secar al horno y pesar nuevamente.
El ensayo debe reportar la siguiente información:
El valor de la presión de expansión y el valor de la expansión potencial de la
muestra.
Diagrama de tiempo vs. expansión potencial.
Para cada ensayo indicar los valores iniciales y finales del contenido de
humedad, grado de saturación y peso unitario, de la muestra.
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Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
9.3.- Consideraciones generales sobre el ensayo
Si las dos pruebas indican un elevado grado de expansión, el suelo debe
considerarse sospechoso.
Si los resultados de ambas pruebas indican un comportamiento muy
expansivo, puede ser justificable tomar precauciones extremas.
Los resultados de todas las pruebas de expansión son, meras
aproximaciones, parcialmente debido a los cambios inevitables en la
humedad y en la estructura de los suelos durante los sondeos, muestreo y
manejo en el laboratorio.
9.4.- Correlaciones de interés
POTENCIAL DE EXPANSIÓN INDICE DE PLASTICIDAD
Bajo 0 – 15
Medio 10 – 35
Alto 20 – 55
Muy alto 35 ó más RELACIÓN ENTRE EL POTENCIAL DE EXPANSIÓN DEL SUELO Y EL ÍNDICE
DE PLASTICIDAD SEGÚN GÚIA PROF. PÉREZ AYALA
9.5.- Llenado de planilla
DESCRIPCIÓN DEL SUELO: Características que definen a la muestra.
FECHA: Fecha de realización del ensayo.
LAB. Nº: Número de identificación del Laboratorio.
MUESTRA Nº: Número de identificación de la muestra.
Nº DE RECIPIENTE: Número del recipiente en que se coloca la muestra.
PESO DEL RECIPIENTE (gr): Peso del recipiente limpio y seco.
PESO DEL RECIPIENTE + SUELO HÚMEDO (gr): Peso del recipiente con el
contenido de suelo a ensayar.
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Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
PESO DEL RECIPIENTE + SUELO SECO: Peso del recipiente con el suelo
después de secado al horno y dejado enfriar.
% HUMEDAD: (Peso recipiente + muestra húmeda – Peso recipiente + muestra
seca)*100/(peso del recipiente + muestra seca – Peso del recipiente).
SECA: (((Peso del anillo + muestra húmeda – Peso del anillo)*1000/(Volumen))/
(1 + %Humedad/100)).
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Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
CAPÍTULO X COLAPSO
10.1.- Introducción teórica
En Venezuela existen algunos suelos que pierden su capacidad de soporte y
su resistencia al corte de manera súbita al saturarse, provocando un
asentamiento también súbito y considerable. Estos suelos se denominan “suelos
colapsibles”.
Los suelos colapsibles son aquellos que sufren una gran disminución de
volumen casi instantáneo al ser aumentado su contenido de humedad, sin
incrementar su carga externa.
Una característica común de estos suelos es la alta relación de vacíos o
baja densidad natural que presentan. Su origen es básicamente sedimentario y
generalmente se ubican en suelos aluvionales y eólicos.
Existen diversas estructuras de suelos colapsibles, donde los granos más
voluminosos están débilmente unidos por partículas finas (limos y arcillas) que
actúan como cementantes, formando una estructura “metaestable” que bajo
inundación o efectos vibratorios, fácilmente colapsa.
El fenómeno del colapso según Casagrande, ocurre debido a los micro-
deslizamientos de los finos cementantes por su disolución al ser saturado el
suelo, creándose la caída de los granos de mayor tamaño.
Existen varios tipos de suelos colapsibles que se pueden resumir en dos
grupos: Orgánicos e inorgánicos.
Los de origen orgánico son aquellos formados por fósiles de organismos
tales como las formaciones de “caracolillos” en las cercanías del Lago de Valencia
e inorgánicos, formados por deposición de ríos o viento, de arenas muy sueltas.
Las distintas clases de suelos colapsibles depende de su formación
geológica, y la manera de arreglo de sus partículas conduce a la existencia de
diferentes tipos de estructuras propensas al colapso.
CXXXI
Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
El principal factor para que ocurra colapso es la presencia de agua, debido
frecuentemente a filtraciones en el suelo, a concentraciones de aguas pluviales en
los sitios de su descarga, rotura de drenajes y ascenso del nivel freático.
Abeljer (1948) ideó un experimento para medir el grado de colapsibilidad
de un suelo. El ensayo es similar al de consolidación con la diferencia que la
muestra de suelo se coloca en el edómetro con su humedad natural y es saturada
posteriormente para que colapse bajo la presión prefijada. La carga se duplica
cada 24 horas y la saturación se efectúa una vez transcurrido ese lapso, después
de aplicado el incremento de presión deseado.
Por otra parte, Knight (1963) se basó en el experimento de ALbeljer pero
con la diferencia que la saturación la efectuó a un valor fijo de presión de 2 Ton.
inglesas/pie2 , además con los resultados obtenidos realizó gráficas de relación de
vacíos contra logaritmo de la presión, distintas a las de Abeljer, quien graficó
relación de vacíos contra tiempo.
Existen diversos métodos para calcular el potencial de colapso de un suelo,
unos son cuantitativos y otros cualitativos; y su aplicación tiene relación con el
tipo de suelo.
Uno de los métodos más completo es el método cuantitativo definido por
Knight.
Este método introduce el término de colapso potencial del suelo y lo define
como “CP”.
eo1
eCP sat
Donde:
CP: Potencial de colapso
esat: Cambio de la relación de vacíos en la saturación
eo: Relación de vacíos natural del suelo (Figura 1)
Otra manera de calcular el colapso potencial es:
Ho
HeCP
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Donde:
He: Cambio de altura de la muestra una vez saturada
Ho: Altura inicial de la muestra
RELACIÓN DE VACÍOS NATURAL DEL SUELO
FIGURA 1
10.2.- Consideraciones generales sobre el ensayo:
A mayor presión sobre la muestra al momento de su saturación, se obtiene
mayor asentamiento debido al colapso.
Las arenas limosas muestran buena capacidad de soporte, con una
determinada cohesión en su estado de humedad natural, debido a la
fricción existente entre sus granos y a la acción de los finos que actúan
como cementantes entre partículas más gruesas.
Este ensayo proporciona un medio práctico para predecir la magnitud de los
asentamientos reales que puedan ocurrir por colapso, en suelos
susceptibles de ser humedecidos hasta su saturación.
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10.3.- Correlaciones de interés
% CP GRAVEDAD DEL PROBLEMA
0 – 1 No representa problema
1 – 5 Problema moderado
5 – 10 Problemático
10 – 20 Problemas graves
> 20 Problemas muy graves ESCALA DE VALORES SEGÚN KNIGHT
Nota: La tabla anterior fue realizada para ensayos con sobrecarga en la
saturación de 2 T/Pie2
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Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil (Parte I)
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Braja M. Das, 2001. “Fundamentos de Ingeniería Geotécnica”. McGraw –
Hill.
2. Juárez Badillo E. y Rico Rodríguez A., 1973. “Mecánica de Suelos”, Tomo
I. Editorial Limusa.
3. Lambe T. W. and Whitman R. V., 1998. “Mecánica de Suelos”. Primera
Edición. Editorial Limusa.
4. Kézdi Árpád., 1975.”Manual de la Mecánica de Suelos”. Tomo I.
Universidad Central de Venezuela. Ediciones de la Biblioteca.
5. Bowles Joseph E., 1981. “Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería
Civil”. Segunda Edición. McGraw-Hill.
6. “Ensayo de Clasificación de Suelos”. , 1973. Comité Conjunto del
Concreto Armado, Comisión de Suelos. Primera Edición.
7. “Mecánica de Suelos. Instructivo para ensaye de suelos”. 1954.
Secretaria de Recursos Hidráulicos. Departamento de Ingeniería
Experimental.