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Mecánica de Suelos II Carrera de Ingeniería Civil Facultad de Ciencias y Tecnología Universidad Mayor de San Simón

Documento elaborado por : Laboratorio de Geotecnia Universidad Mayor de San Simón Cochabamba, febrero de 2004

Ensayo de erosión interna

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ENSAYO DE EROSIÓN INTERNA (ASTM D4647-93) El presente documento es una guía de enseñanza elaborada por el Laboratorio de Geotecnia de la Universidad Mayor de San Simón, basada en el método de ensayo estándar para identificación y clasificación de suelos arcillosos dispersivos por el ensayo de pinhole, ASTM D4647-93.

1. PROPÓSITO Y ALCANCE El ensayo de erosión interna tiene el propósito de identificar y clasificar los suelos arcillosos con propiedades dispersivas. Este método presenta una medición cualitativa directa de la dispersividad y consecuente erosión coloidal de suelos arcillosos causada por flujo de agua a través de un orificio pequeño perforado en la muestra (ASTM 2003).

2. MATERIALES Y EQUIPOS −

Aparato de erosión interna (Fig. 1).

−

Cono trunco con una perforación central de 1.5 mm (Fig. 4a).

−

Aguja de veterinario No. 19 (diámetro 1.0 mm).

−

Tres mallas de alambre con abertura menor a 2 mm, deben ser circulares y tener el diámetro de la muestra de suelo a ensayarse.

−

Arena gruesa limpia, con tamaño de partícula entre 2 a 6 mm.

−

Probetas graduadas.

−

Tanque de agua de carga constante (Fig.1).

−

Agua destilada con un pH entre 5.5 a 7.0.

−

Sistema de medición de carga de agua.

−

Espátulas, calibrador, cronómetro, etc. Tanque de agua de carga constante

Sistema de medición de carga de agua

Aparato de erosión interna

Figura 1. Equipo para la realización del ensayo de erosión interna. Laboratorio de Geotecnia

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3. CLASIFICACIÓN De acuerdo al comportamiento de la muestra durante la ejecución del ensayo, este método clasifica a los suelos en: D1, D2 arcillas dispersivas. ND4, ND3 ligera a moderadamente dispersivas, con erosión lenta. ND2, ND1 arcillas no dispersivas, con muy ligera erosión coloidal o ninguna erosión coloidal.

4. LIMITACIONES DEL ENSAYO El ensayo no se aplica a suelos con menos del 12 % de partículas de 0.005 mm y con un índice de plasticidad menor o igual que 4 El ensayo no identifica algunas arcillas dispersivas con un contenido de sales solubles en el agua presente en sus poros, menor a 0.4 meq/l, siendo sodio más del 80 % de las sales solubles. Cuando el ensayo es realizado en muestras no disturbadas es necesario verificar la sensitividad de estas, pues se ha observado que en suelos altamente sensitivos el ensayo identifica al suelo como dispersivo, no obstante en campo su comportamiento es no dispersivo.

5. PREPARACIÓN Y ARMADO DE LA MUESTRA El procedimiento de preparación de muestra explicado a continuación corresponde a muestras inalteradas, debiendo revisar el procedimiento base ASTM D4647 para el caso de muestras recompactadas. Para la obtención de resultados consistentes con el comportamiento observado en campo, es necesario evitar la pérdida de humedad de la muestra durante el proceso de extracción, transporte, almacenamiento y preparación. 1. Cortar o tallar una muestra de 38 mm de longitud de tal manera que entre exactamente en el cilindro de ensayo (i.e. 3.3 mm de diámetro), como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Tallado de la muestra.

2. Dentro el cilindro del aparato principal, acomodar una capa de arena gruesa de aproximadamente 53 mm de espesor. 3. Cubrir la capa de arena gruesa con dos mallas de alambre circulares. 4. Introducir la muestra de suelo previamente cortada (Fig. 3). Se debe sellar con arcilla la intersección entre el tubo y la muestra para evitar que el flujo de agua ocurra a través de las paredes de la muestra.

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Figura 3. Muestra antes de ser introducida en el cilindro metálico.

5. Insertar el cono truncado o niple en la parte central de la muestra, ver Figura 4.

Cono insertado

(a)

(b)

Figura 4. a) Cono trunco o niple; b) Cono introducido en la muestra.

6. Insertar la aguja de 1.0 mm de diámetro a través del cono trunco hasta traspasar totalmente la muestra y penetrar ligeramente en la capa de arena (Fig 5).

Figura 5. Perforación del orificio interno.

7. Acomodar una malla de alambre circular para proteger la muestra (Fig. 6).

Figura 6. Malla de alambre para la protección de la muestra. Laboratorio de Geotecnia

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8. Llenar el espacio sobrante con arena gruesa, ver Figura 7.

Figura 7. Arena gruesa rellenando el espacio sobrante.

9. Ajustar la tapa del aparato de erosión interna. 10. Conectar el aparato de erosión interna al sistema de generación y medición de carga de agua. Un esquema del resultado final del procedimiento de armado del equipo se presenta en la Figura 8.

Figura 8. Vista en corte del armado del aparato de erosión interna (United States Engineers Army Corp).

6. PROCEDIMIENTO La duración del ensayo y el criterio de finalización del mismo dependen del comportamiento de la muestra durante la ejecución del ensayo, debiendo registrarse datos de caudal y color del agua luego de fluir a través de la muestra. Las denominaciones para la clasificación del agua en función su color, luego de su paso por el orificio perforado, son: completamente clara, turbiedad levemente visible, ligeramente oscura, moderadamente oscura, oscura o muy oscura. 1. Dejar fluir agua a través del orificio perforado de la muestra con una carga de altura de columna de agua de 50 mm (ver Fig. 9). 2. Medir el tiempo en el que fluyen a través de la muestra 25, 50 o 100 ml y con el dato registrado calcular el caudal. De cada volumen de agua colectado definir el nivel de turbiedad y registrarlo. Repetir el procedimiento de manera continua durante 5 minutos (Fig. 9). Laboratorio de Geotecnia

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Figura 9. Ejecución del ensayo de erosión interna. Se muestra el detalle de la medición de la carga de agua de 50 mm.

3. Si pasados los 5 minutos iniciales el agua efluente es muy oscura y el caudal se encuentra entre 1.0 a 1.4 ml/s se debe dar por concluido el ensayo. Sacar la muestra con mucho cuidado y determinar el diámetro final del orificio (Fig. 10).

Figura 10. Determinación del diámetro final del orificio.

4. Si el diámetro final el orificio es mayor a dos veces el diámetro de la aguja (i.e. mayor a 2 mm), clasificar el suelo como altamente dispersivo, D1. De lo contrario la tasa de flujo y el orificio son inconsistentes y el ensayo debe repetirse. 5. Si pasados los 5 minutos el efluente es oscuro pero el caudal no excede el 1.0 ml/s, continuar el ensayo por 5 minutos más. 6. Al final de los 10 minutos totales, si el efluente sigue oscuro para el ensayo y determinar la dimensión final del orificio. 7. Clasificar la muestra de suelo como dispersiva D2 si el caudal se encuentra entre 1.0 y 1.3 ml/s y el tamaño del orifico excede en 1.5 veces el diámetro inicial. Pero si la tasa de flujo se encuentra entre 0.8 y 1.0 ml/s y el diámetro final del orificio no excede en 1.5 veces el diámetro original del orificio, el suelo debe ser clasificado como moderadamente dispersivo, ND4. 8. El esquema de la Figura 11 presenta el procedimiento a seguir durante la ejecución del ensayo. Laboratorio de Geotecnia

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Carga hidráulica = 50 mm Tiempo = 5 min Efluente: muy oscuro Q = 1.0 a 1.4 ml/s

SI

El orificio es mayor a 2 veces el

SI

D1 Altamente dispersiva

NO NO

Carga hidráulica = 50 mm Tiempo = 5 min Efluente: oscuro Q > 0.8 ml/s

Rehacer

SI

Q = 1.0 a 1.3 ml/s Orificio mayor a 1.5 el diámetro

SI

D2 Dispersiva

NO

NO

ND4 Moderadamente dispersiva Carga hidráulica = 180 mm Tiempo = 5 min Efluente: oscuro Q = 1.4 a 2.7 ml/s

SI

Orificio 1.5 a 2 diámetros

SI

ND3 Moderada a ligeramente dispersiva

NO NO

Carga hidráulica = 380 mm Tiempo = 5 min Efluente: oscuro Q = 1.8 a 3.2 ml/s

Rehacer

SI

ND3 Ligeramente dispersiva

NO

Carga hidráulica = 1020 mm Tiempo = 5 min Efluente: ligeramente oscuro

SI ND2 No dispersiva

NO ND1 No dispersiva Figura 10. Flujograma correspondiente a la ejecución del ensayo de erosión interna.

7. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS Los resultados del ensayo deberán ser presentados en una planilla que contenga además los datos de la muestra (e.g. Identificación, tipo, procedencia, profundidad de extracción, etc.). La planilla presentada en

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la página A-1 del Anexo corresponde a los archivos del Laboratorio de Geotecnia de la Universidad Mayor de San Simón. REFERENCIAS American Society for Testing and Materials (2003). ASTM D4647-93 (Reproved en 1998) Standard test method for identification and classification of dispersive clay soils by the pinhole test. 2003 annual book of ASTM standards. Volume 04.08 Soil and Rock (I): D420 – D4912. ASTM.

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ANEXO A Planilla de Cálculo

ENSAYO DE EROSIÓN INTERNA ASTM D 4647 Proyecto: Clases de laboratorio de Mecánica de Suelos II Solicitante: Carrera de Ingeniería Civil Ubicación: Arocagua Agua destilada aumentada: Muestra: Cont. Humedad, %:

Si

1.80 Diámetro final, mm: Operador: V. Ortíz 29-may-03 Fecha: 1 Pagina: Inicio de flujo en: 1 Prueba

No

C4-U2.5 12%

2 Pruebas

caen con el flujo Muchas

Algunas

Observaciones Ninguna

Completam. Claro del tope

Complet. Claro

Apenas Visible

Levem.Oscuro

Mod. Oscuro

Partículas que

Muestra ligeramente dispersiva

0.15 0.21 0.57 0.44 0.44 0.51 0.49 0.63 0.61 0.63 0.69 0.71 0.78 2.00 1.85 2.00 2.00 2.08 2.08 2.27 2.27 2.33 3.13 3.23 3.17 3.13 3.17 3.17

Oscuro

67 48 44 57 57 49 51 40 41 40 36 35 32 25 27 25 25 24 24 44 44 43 32 31 63 64 63 63

Muy oscuro

10 10 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 50 50 50 50 50 50 100 100 100 100 100 200 200 200 200

Velocidad ml/s

Tiempo seg.

15:10 50 50 50 50 50 50 15:15 50 50 50 50 50 50 50 15:20 180 180 180 180 180 180 180 180 180 15:25 380 380 380 380 380 380 15:30

Turbiedad del costado Flujo

Volumen ml.

Altura de carga H mm

Tiempo

C. DATOS DEL ENSAYO

Clasificación: ND3

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