Guias Laboratorios de Mecanica de Suelos

   

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA SECCIONAL - MONTERIA

DESCRIPCIÓN BREVE

GUIAS DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS

Este documento contiene una explicación precisa de los procedimientos a desarrollar en el marco de las prácticas de laboratorio, complementarias al curso de Mecánica de suelos y necesarias en los estudios geotécnicos de las distintas obras de ingeniería civil

Ing. Luis Hernandez Teherán Correo: luis.hernandezt@u [email protected] pb.edu.co  

 

INDICE   INDICE

Pg.

Practica No. 1. Determinación del análisis granulométrico de los suelos (método mecánico)……………………………………………………………………………………………………………………… 

3

Practica No. 2. Determinación del análisis granulométrico de los suelos (método del hidrómetro………………………………………………………………………………………………………………………. 

8

Practica No. 3. Determinación de los limites de consistencia o de atterberg de los suelos… 

14

Practica No. 4. Determinación de las relaciones volumétricas de los suelos………………………… 

20

Practica No 5. determinación del peso unitario de suelos cohesivos………………………………….… 

23

Practica No 6. Determinación de la gravedad específica de los sólidos……………………………… ..  .. 

27

Practica No. 7. Ensayo de compactación de suelos: pruebas proctor “método proctor estándar” y “método proctor modificado”………………………………………………………………………… 

32

Practica No.8. Determinación de la densidad del suelo en el campo (control de compactación de campo). “método del cono de arena”……………………………………………………………………………… arena”……………………………………………………………………………… 

38

Prática No. No. 9. Ensayo de permeabilidad cabeza constante………………………………………………….. 

43

Prática No No 9.1. Ensayo de permeabilidad cabeza variable …………………………………………….…… 

48

Prática No. 10. ensayo de consolidación………………………………………………………………………………. 

52

Prática No. 11. Ensayo de corte directo. ....................................... ...................................................... ............................... ......................... .........  

56

Práctica No. 12. Ensayo de compresión inconfinada……………………………………………………………. 

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PRACTICA No. 1 DETERMINACION DEL ANÁLISIS GRANULOMETRICO DE LOS SUELOS (METODO MECANICO). ASTM D422-63; AASHTO T 88-70 GENERALIDADES La variedad en el tamaño de las partículas de suelos, casi es ilimitada; por definición, los granos mayores son los que se pueden mover con la mano, mientras que los más finos son tan pequeños que no se pueden apreciar con un microscopio corriente. Debido a ello es que se realiza el Análisis Granulométrico que tiene por objeto determinar el tamaño de las partículas o granos que constituyen un suelo y fijar, en porcentaje de su peso total, la cantidad de granos de distinto tamaño que el mismo contiene. La manera de hacer esta determinación es por medio de tamices de abertura cuadrada. El procedimiento de ejecución del ensayo es simple y consiste en tomar una muestra de suelo de peso conocido, colocarlo en el juego de tamices ordenados de mayor a menor abertura, pesando los retenidos parciales de suelo en cada tamiz. Esta separación física de la muestra en dos o más fracciones que contiene cada una de las partículas de un solo tamaño, es lo que se conoce como “Fraccionamiento”.  La determinación del peso de cada fracción que contiene partículas de un solo tamaño es llamado “Análisis Mecánico”. Este es uno de los análisis de suelo más antiguo y común, brindando la

información básica por revelar la uniformidad o graduación gr aduación de un material dentro de rangos establecidos, y para la clasificación por textura de un suelo. Sin embargo, debido a que el menor tamaño de tamiz que se utiliza corrientemente es el 0.074 mm (Malla No. 200), el análisis mecánico está restringido a partículas mayores que ese tamaño que corresponde a arenas limpias finas. Por lo tanto si el suelo contiene partículas menores que ese tamaño la muestra de suelo analizada debe ser separada en dos partes, para análisis mecánico y por vía húmeda (hidrometría). Por medio de lavado por el tamiz No. 200 y lo que pase por este tamiz será sometido a un análisis granulométrico por vía húmeda, basado en la sedimentación. sedimentación. El análisis por vía húmeda se efectúa por medio del hidrómetro que mide la densidad de una suspensión del suelo a cierto nivel y se basa en el principio de la ley de Stoke

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OBJETIVOS

  Definir la proporción en que se encuentran los tamaños t amaños de granos dentro una masa de suelo.

  Determinar experimentalmente la distribución cuantitativa del tamaño de las partículas de un suelo.

  Realizar la curva de distribución granulométrica del suelo estudiado   Analizar su graduación con base en los coeficientes de uniformidad (Cu) y Curvatura (Cc). 1. 1.   EQUIPO

  Juego de tamices ( Deben ordenarse en orden o rden decreciente), tapa y fondo.   Tamizador mecánico (opcional)   Balanza de 0.1gr. de sensibilidad sensibilidad   Horno con temperatura constante de 100  – 110º C. (estufa eléctrica)   Taras.   Fuente de agua PROCEDIMIENTO a) Material mayor que el tamiz No. 4 1.El material retenido en el tamiz No. 4, se pasa a través de los tam tamices, ices, 3”, 2 ½”, 2”, 1½”, 1” 1”,, ¾”, ½”, 3/8”, No. 4 y fondo, realizando movimientos horizontales y verticales.  2. Pese las fracciones retenidas en cada tamiz y anótela en el registro correspondiente. b) Material menor que el tamiz No. 4 1. Ponga a secar la muestra en el horno a una temperatura de 105 a 110º C por un período de tiempo de 12 a 24 horas.

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2. Deje enfriar la muestra a temperatura ambiente y pese la cantidad requerida para realizar el ensaye. 3. Disgregue los grumos (terrones), del material con un pisón de madera para evitar el rompimiento de los gramos. 4. Coloque la muestra en una tara, t ara, agréguele agua y déjela remojar hasta que se puedan deshacer completamente los grumos. 5. Se vacía el contenido de la tara sobre el tamiz No. 200, con cuidado y con la ayuda de agua, lave lo mejor posible el suelo para que todos los finos pasen por el tamiz. El material que pasa a través del tamiz No. 200, se analizará por otros métodos en caso sea necesario. 6. El material retenido en el tamiz No. 200 después de lavado, se coloca en una tara, lavando el tamiz con agua. 7. Se seca el contenido de la tara en el horno a una temperatura de 100  – 110º C por 24 horas. 8. Con el material seco en el paso anterior, se coloca el juego de tamices en orden progresivo, No. 4, No. 10, No. 40, No. 200 y al final el fondo, vaciando el material previamente pesado. 9. Se agita el juego de tamices horizontalmente con movimientos de rotación y verticalmente con golpes secos de vez en cuando. El tiempo de agitación depende del la cantidad de finos de la muestra, pero por lo general no debe ser menor de 15 minutos. 10. Inmediatamente realizado el paso anterior pese las fracciones retenidas en cada tamiz, y anótela en el registro correspondiente.

ANÁLISIS Y PRESENTACIÓN DE DATOS En el análisis por tamices se obtienen o btienen los resultados de pesos parciales retenido en cada uno de ellos Después se calcula los porcentajes retenidos parciales, los porcentajes acumulativos, los porcentajes que pasan por cada tamiz. Además es conveniente presentar resultados en forma gráfica que tabular. La presentación gráfica se efectúa por medio de la curva granulométrica, que es la curva de los porcentajes que pasa por cada tamiz, esta curva se gráfica en papel semilogarítmico. En las ordenadas (escala natural del papel) se anotan los porcentajes que pasa y en las abscisas (escala logarítmica del papel) se anotan los diámetros de los tamices en milímetros.

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FIG. 1 TAMAÑO DE LAS ABERTURAS DE LOS TAMICES NORMALIZADOS.

A partir de la curva granulométrica se puede deducir en primera instancia el tipo de suelo principal y los componentes eventuales. eventuales.

Se puede encontrar el diámetro efectivo de los granos (D10); que es el tamaño correspondiente al 10% en la curva granulométrica y se designa como D10. Otros tamaños definidos estadísticamente que son útiles incluyen D60; D30. La uniformidad del suelo se puede definir estadísticamente estadísticamente de varias maneras, un índice antiguo pero útil, es el coeficiente de Uniformidad Cu que se define.  

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Las Gravas bien graduadas tienen Cu >4 Las Arenas bien graduadas tienen Cu >6

6

 

Para clasificación de suelos es útil definir un dato complementario de uniformidad como es el

coeficiente de curvatura (Cc) definido como Los suelos bien graduados; CC entre 1 y 3 GUIA SUGERIDA 1.  1.  Es siempre posible determinar el Cu y Cc para todos los tipos de suelo? Explique Explique   2.  2.  Bajo qué condiciones se podría usar el tamizado húmedo en vez del tamizado seco? seco?   3.  3.  Como puedes rápidamente verificar el resultado del tamizado seco? 4.  4.  Una masa de cenizas volcánicas con granos altamente quebradizos es llevada al laboratorio. Qué precauciones tomaría para determinar su distribución de tamaño de granos? 5.  5.  Es posible llevar a cabo un análisis por tamizado de una muestra de arcilla? Explique REFERENCIAS

  Joseph Bowles, Manual de laboratorio de   Braja M. Das, Fundamentos de Ingeniería geotécnica,   Jean Pìerre Bardet, Experimental Soil Mechanics,   Normas ASTM. (D 421-58 y D 422-63)   Normas AASHTO (T 88-70 y T 87-70)

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PRACTICA No. 2 DETERMINACION DELANÁLISIS GRANULOMETRICO GRANULOMETRICO DE LOS SUELOS (METOD (METODO O DEL HIDRÓMETRO. (ASTM D422-63; AASHT0 T 88-70) GENERALIDADES: El método más usado para hacer la determinación  indirecta de porcentajes de partículas que pasan el tamiz No. 200 (0.075 mm.), hasta 0.001 mm, es el HIDRÓMETRO basado en la sedimentación de un material en suspensión en un líquido, el hidrómetro sirve para la determinación de la variación de la densidad de la suspensión con el transcurso del tiempo y medir la altura de caída del gramo de tamaño más grande correspondiente correspondiente a la densidad media. El análisis del hidrómetro utiliza la relación entre la velocidad de caída entre las esferas de un fluido, el diámetro de la esfera, el peso especifico tanto de la esfera como del fluido, y la viscosidad del fluido, en la forma expresada por la ley de Stokes. El “tamaño” obtenido en este ensayo, es el de la esfera equivalente, que decanta a la misma

velocidad de las partículas de suelo fino.

OBJETIVO:   Familiarizar al estudiante con un método para obtener aproximadamente la distribución granulométrica de los suelos finos.   Representar gráficamente la distribución cuantitativa del tamaño de las partículas finas de un suelo.   Definir la proporción de arcilla y limos presentes dentro una masa de suelo. EQUIPO:   Balanza de sensibilidad 0.1 gr   Probeta de sedimentación de 1000 ml   Hidrómetro (preferiblemente modelo 152H)   Agente dispersante (hexametafosfato de sodio)   Recipiente para realizar la dispersión del suelo   Termómetro   Cronómetro PROCEDIMIENTO: 1.  1.  Tomar exactamente 50 gr de suelo secado al horno y pulverizado y mezclarlo con 125 ml de solución al 4% de NaPO3 (Hexametafosfato de sodio). 2.  2.  Colocar la mezcla en el vaso de una máquina batidora y mezclarlo m ezclarlo por espacio de 1 minuto

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3.  3.  Transferir el contenido del vaso de la batidora a la probeta de sedimentación, teniendo mucho cuidado de no perder material en el proceso. Añadir agua común hasta completar la marca de 1000 ml de la probeta. Prepara la probeta patrón de control con agua común y 125 ml de la solución dispersante al 4% “o la misma que se usó en el paso Nº 1”. Verificar que la temperatura

del agua común sea igual para ambos recipientes, el de sedimentación y el de control. 4.  4.  Tomar un tapón de caucho Nº 12 (usar la palma de la mano si no hay tapón disponible) para tapar la boca de la probeta donde se encuentra en suspensión de suelo y agitarla cuidadosamente por cerca de 1 minuto. Poner sobre la mesa la probeta, remover el tapón y tomar lecturas a intervalos de tiempo de 1, 2, 3, 4, 8, 15, 30, 60 minutos, y 2, 4, 8, 16, 32, 64, 96, horas Los intervalos sugeridos de tiempo para la toma de las mediciones después de 2 horas de comenzado el ensayo son solo aproximados, ya que en realidad cualquier tiempo sería adecuado siempre y cuando sea tomado con suficiente espaciamiento para permitir una dispersión satisfactoria de los puntos en la gráfica. g ráfica. 5.  5.  Colocar el hidrómetro y el termómetro en el recipiente de control (el cual debe encontrarse a una temperatura que no difiera en más de 1ºC de la mostrada por el recipiente con la suspensión de suelo). Tomar una lectura para la corrección por menisco en el hidrómetro dentro de la probeta de control 6.  6.  Registrar la temperatura de la suspensión suelo agua con una precisión de 1ºC para cada medición del hidrómetro. Entre lectura y lectura del hidrómetro se debe guardar éste y el termómetro en la probeta de control (la cual debe estar a la misma temperatura) ANÁLISIS Y PRESENTACIÓN DE DATOS 1.  1.  Aplicar las correcciones de menisco a las lecturas del hidrómetro y obtener la altura de caída de las partículas “L” (tabla 6-5). 2.  2.  Si Gs es desconocido, suponer un valor razonable entre 2.68 y 2.74. Con Gs y la temperatura del ensayo para cualquier lectura del hidrómetro, entrar en la tabla 6-4 para obtener el valor correspondiente de K. Con los valores de K, L y el tiempo transcurrido t, para dichas lecturas, calcular los valores para D utilizando la ecuación

3.  3.  Si Gs no es es igual a 2.65, es posible calcular una constante a  por la expresión:

4.  4.  Utilizando el valor corregido de Rc=R real  – Corrección de cero + Corrección por temperatura en la ecuación Porcentaje más fino=Rc a/Ws x 100 por ciento Calcular el porcentaje de material más fino correspondiente al diámetro de partícula D del paso 1

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5.  5.  Utilizar los datos de tamaño de partículas “D” y porcentaje más fino para dibujar la curva correspondiente a la distribución del tamaño de granos, bien sobre el formato en el que se dibujó la curva de distribución granulométrica del método mecánico o sobre un nuevo formato de suelo usado. GUIA SUGERIDA

  La ley de Stokes se aplicaría a la caída de partículas de una arena gruesa en una probeta de        

sedimentación? El análisis por hidrómetro determina exactamente el tamaño de las partículas de un suelo? Por qué usted corrige la distancia de caída de las partículas durante el análisis por hidrómetro? Qué modificaciones serian requeridas si uno llevara a cabo un análisis por hidrómetro en una probeta de 2000 ml en vez de una probeta de 1000 ml ml Qué forma es asumida para las partículas de suelo cuando se interpretan los resultados de un análisis por sedimentación? Es esta suposición aplicada a las partículas de arcilla?

REFERENCIA

         

Bardet, Jean Pierre. P ierre. Experimental Soil Mechanics Bowles, Joseph. Manual de laboratorios de mecánica de suelos Das, Braja M. Fundamentos de Ingeniería geotécnica, Normas ASTM. (D 421-58 y D 422-63) Normas AASHTO (T 88-70 y T 87-70)

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PRACTICA No. 3 DETERMINACION DE LOS LIMITES DE CONSISTENCIA O DE ATTERBERG DE LOS SUELOS. (ASTM D 4318-93 , AASHTO T 89-90 y T 90-87 GENERALIDADES: Las propiedades de un suelo formado por partículas finamente divididas, como una arcilla no estructurada, dependen en gran parte de la humedad. El agua forma una película alrededor de los granos y su espesor puede ser determinante del comportamiento diferente del material. Cuando el contenido de agua es muy elevado, en realidad se tiene una suspensión muy concentrada, sin resistencia estática al esfuerzo cortante; al perder agua va aumentando esa resistencia hasta alcanzar un estado plástico en que el material es fácilmente moldeable; si el secado continúa, el suelo llega a adquirir las características de un sólido  pudiendo resistir esfuerzos de compresión y tensión considerable. Arbitrariamente Atterberg marcó las fronteras de los cuatro estados en que pueden  presentarse los materiales granulares muy finos mediante la fijación de los siguientes límites: Líquido (L.L),Plástico (L.P.), y de contracción (L.C.) y mediante ellos se puede dar una idea del tipo de suelo en estudio. Puede considerarse que los límites de Atterberg son ensayos de laboratorio normalizados que permiten obtener los límites del rango de humedad dentro del cual el suelo se mantiene en estado plástico. Con ellos, es posible clasificar el suelo en la Clasificación Unificada de Suelos (Unified Soil Classification System, USCS) y también en la Clasificación de la AASHTO de carreteras. Estos límites son válidos para suelos finos y  para la porción de finos de suelos granulares. Para la determinación de estos límites es necesario remoldear la muestra de suelo destruyendo su estructura original, por lo que es absolutamente necesaria una descripción  previa del suelo en sus condiciones naturales. Para realizar los límites de Atterberg se trabaja con todo el material menor que la malla Nº 40 (0,42 mm). Esto quiere decir que no sólo se trabaja con la parte fina del suelo (< malla Nº 200), sino que se incluye igualmente la fracción de arena fina.

Definiciones a) Límite Líquido (wL ó LL) : contenido de humedad del suelo en el límite entre el estado líquido y plástico.  b) Limite Plástico (wp ó LP): es el contenido de humedad del suelo en el límite entre los estados semi-sólido y plástico.

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c) Índice de Plasticidad (IP): es la diferencia entre los límites líquido y plástico, es decir, el rango de humedad dentro del cual el suelo se mantiene plástico:

OBJETIVOS   Introducir al estudiante al procedimiento de la determinación de los límites líquido y plástico de una muestra de suelo.   Determinar experimentalmente los diferentes límites de consistencia de un suelo   Establecer las diferencias de consistencia de un suelo a diferentes contenidos de humedad.

EQUIPO:  

               

Aparato de Casagrande, incluyendo la solera plana y el ranurador trapezoidal. Espátulas flexibles. Cápsula de porcelana. Tamiz No. 40. Atomizador. Balanza con sensibilidad de 0.01gr. Horno con temperatura constante de 100 a 110º C. Recipientes de humedad con su tapa Lamina de vidrio o acrílico

PROCEDIMIENTO: Tam amaño año de la mue muestr stra ad del el ensayo. La muestra de ensayo debe tener un tamaño igual o mayor que 100(g) del material que pasa por el tamiz de 0,425 mm (ASTM Nº 40) obtenido de acuerdo con la norma AASHTO 387-80.  Nota: Cuando se efectúa además la determinación del límite de contracción, aumentar el tamaño de muestra requerida para dicho ensayo.

 Aj ust uste y cont ntrol rol del aparat rato o de lím límii te líq líquid uido o. Ajustar la altura de la caída de la taza, se gira la manivela hasta que la taza se eleve a su mayor altura. Utilizando el calibrador de 10mm (adosado al ranurador), se verifica que la distancia entre el punto de percusión y la base sea de 10mm exactamente. De ser necesario, se aflojan los tornillos de fijación y se mueve el ajuste hasta obtener la altura de caída requerida. Si el ajuste es correcto se escuchará un ligero campanilleo golpear el tope de realizarse la taza; siun la nuevo taza seajuste. levanta por sobre el calibre o no se escuchaalningún sonido debe

Verificar periódicamente los aspectos siguientes:

 

• Que no se produzca juego lateral de la tasa por desgaste del pasador que la sostiene; • Que los tornillos que conectan la taza con el apoyo estén apretados; • Que el desgaste de la taza no sobrepase la tolerancia de masa. • Que el desgaste de la base no exceda de 0,1mm de profundidad. Cuando suceda esto, pulirse nuevamente verificando que al se punto mantiene resilencia. • Quedebe el desgaste de los soportes no llegue de la quedar apoyados en sus tornillos de fijación; • Que el desgaste del ranurador no sobrepase las tolerancias dimensionales. • Previo a cada ensayo se verificará que la taza y la base estén limpias y secas.

 Acond  Aco ndicion iciona amie ient nto o de la mue uest strr a Colocar la muestra en el plato de evaporación, agregar agua destilada y mezclar completamente mediante la espátula. Continuar la operación durante el tiempo y con la cantidad de agua destilada necesaria para asegurar una mezcla homogénea. Curar la muestra durante el tiempo necesario para que las fases líquida y sólida se mezclen homogéneamente.  Nota: en suelos de alta plasticidad plastici dad este plazo no debe ser menor que 24 h. En suelos de baja plasticidad este plazo puede ser mucho menor y en ciertos casos puede eliminarse.

Preparación del material. Se utiliza únicamente la parte del suelo que pasa por la malla Nº 40 (0,42mm). Si la muestra contiene tamaños mayores que 0,42mm, se deben eliminar los tamaños mayores evitando todo exceso de secamiento de la muestra (sea en el horno o en el aire). Se procede a agregar o retirar agua según sea necesario, revolver la muestra hasta obtener una pasta semi-líquida homogénea en términos de humedad. Para los limos y suelos arenosos con poco contenido de arcilla el ensayo se podrá realizar inmediatamente después de agregar agua, siguiendo el procedimiento indicado en el párrafo anterior. Para los limos arcillosos será necesario conservar la  pasta aproximadamente 4 horas en un recipiente cubierto. Para las arcillas arcill as este tiempo deberá aumentarse a 15 o más horas para asegurar una humedad uniforme de la muestra.

D ete terr mi nac nacii ón de dell lím lí mi te líq lí qui uido do.. En la práctica, el límite líquido se determina sabiendo que el suelo remoldeado a w = wL tiene una pequeña resistencia al corte (aproximadamente 0,02 kg/cm 2) de tal modo que la muestra de suelo remoldeado necesita de 25 golpes para cerrar en ½  pulgada dos secciones de una pasta de suelo de dimensiones especificadas más adelante.

1)  Se deberá iniciar el ensayo preparando una pasta de suelo en la cápsula de  porcelana con una humedad ligeramente l igeramente superior al límite líquido, para lo cual recibirán indicaciones del instructor 2)  Desmontar y secar la cápsula de la máquina de Casagrande, asegurándose que ella se encuentre perfectamente limpia y seca antes de iniciar el procedimiento,

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3)  Montar la cápsula en su posición para el ensayo, 4)  Colocar entre 50 y 70g de suelo húmedo en la cápsula, alisando la superficie a una altura de 1cm con la espátula, cuidando de no dejar burbujas de aire en la masa de suelo, 5)  Usando el acanalador separar el suelo en dos mitades según el eje de simetría de la cápsula; para una arcilla, el surco se puede hacer de una vez; los limos pueden exigir 2 o 3 pasadas suaves antes de completarlo, siendo este procedimiento aún más complejo cuando se trata de suelos orgánicos con raicillas, 6)  Girar la manivela de manera uniforme a una velocidad de dos revoluciones/seg; continuar hasta que el surco se cierre en ½” de longitud; anotar el número de golpes, cuando éste sea inferior a 40, 7)  Revolver el suelo en la cápsula de Casagrande con la espátula y repetir las operaciones 5) y 6). 8)  Tomar una muestra de aproximadamente 5 g de suelo en la zona donde se cerró el surco y obtener pesarla de obtenersemi-logarítmico su contenido de humedad, lo que  permitirá un inmediato punto en para el gráfico de humedad v/s número de golpes que se describe más adelante, 9)  Vaciar el suelo de la cápsula de Casagrande a la de porcelana (que todavía contiene la mezcla de suelo inicial), continuar revolviendo el suelo con la espátula (durante el cual el suelo pierde humedad) y en seguida repetir las etapas (2) a (8), 10) Repetir etapas (2) a (9), 3 a 4 veces, hasta llegar a un número de golpes de 15 a 20.

Cálculo de wL. Sobre un papel semi-logarítmico se construye la . Los puntos “curva de flujo” obtenidos tienden a alinearse sobre una recta lo que permite interpolar para la determinación de la ordenada wL para la abscisa N = 25 golpes.

N ota ota:: M étod todo o de de un punto. Se puede obtener el valor de wL a través de una sola determinación. Este método es válido para suelos de mismo tipo y formación geológica; se ha observado que tales suelos tienen curvas de flujo de iguales inclinación, en escala semi-log. Se usa la fórmula:

en donde: α = inclinación curva de flujo (escala semi s emi-log) -log)  N = número de golpes w = contenido de humedad correspondiente a N. wL= límite líquido.

Determinación del límite plástico wP El límite plástico es el contenido de humedad para el cual el suelo se fractura al ser amasado en bastoncitos de diámetro 1/8” (3 mm) cuando se amasa una pequeña  porción de suelo entre la palma de la mano y una superficie lisa.

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1)  Utilizar una porción del material que queda del ensayo e nsayo del límite líquido, 2)  En los suelos muy plásticos wP puede ser muy diferente de wL; para evitar excesivas demoras en el ensayo con los suelos muy plásticos, es necesario secar el material al aire durante un cierto tiempo extendiéndolo sobre la placa de vidrio o amasándolo sobre toalla de papel; se le puede igualmente colocar sobre el horno (a temperatura baja), al sol, o bien bajo una ampolleta eléctrica; en cualquier caso es necesario asegurarse que se seque de manera uniforme, 3)  Tomar una bolita de suelo de 1cm 3 y amasarla sobre el vidrio con la palma de la mano hasta formar bastoncitos de 3mm de diámetro, 4)  Reconstruir la bolita de suelo, uniendo el material con fuerte presión de las  puntas de los dedos y amasar nuevamente un bastoncito hasta llegar al límite  plástico, 5)  El límite plástico, wP, corresponde al contenido de humedad para el cual un  bastoncito de 3 mm, así formado, se rompe en trozos de 0,5 0,5 a 1cm de largo, si no se está seguro de haber alcanzado wP, es recomendable amasar una vez más el  bastoncito, 6)  Pesar inmediatamente el bastoncito así formado para determinar su contenido de humedad, 7)  Realizar 2 o 3 ensayos repitiendo etapas (3) a (6) y promediar; diferencias entre 2 determinaciones no deberán exceder a 2% . 

GUIA SUGERIDA   ¿Cuál es la razón por la cual se recomienda no secar al horno el material que  pasa bajo la malla Nº 200 al hacer los límites de Atterberg? a su límite   Un suelo in situ tiene un contenido de humedad que corresponde 2 líquido. ¿podría tener una resistencia al corte superior a 0,02kg/cm ? Explique   ¿Qué factores considera usted que pueden afectar los valores de límites de Atterberg de un mismo depósito de suelo fino?   Bajo que condiciones podría usar agua de mar para humedecer una muestra de arcilla?

  ¿Por qué no deben mezclarse diferentes capas de suelos de una muestra estratificada?

REFERENCIAS   Bardet, Jean Pìerre. Experimental Soil Mechanics   Bowles, Joseph. Manual de laboratorios de mecánica de suelos   Das, Braja M. Fundamentos de Ingeniería geotécnica,    Normas ASTM. (D 4318-95a) 4318-95a)    Normas AASHTO (T 89 y T 90)

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PRACTICA No. 4 DETERMINACION DE LAS RELACIONES VOLUMÉTRICAS DE LOS SUELOS GENERALIDADES: La determinación de las relaciones volumétricas de los suelos es importantísima, para el manejo compresible de las propiedades mecánicas de los suelos y un completo dominio de su significado y sentido físico; es imprescindible para poder expresar en forma asequible los datos y conclusiones de la Mecánica de Suelos. Su determinación es, en principio muy sencilla pero se experimenta considerable dificultad cuando se refiere absoluta exactitud, es necesario un estudio cuidadoso de todos los aspectos y observaciones. Se entiende por Relaciones Volumétricas, las relaciones de volúmenes como: a)  a)  Relación de Vacío “e”. Se llama Relación de Vacíos, Oquedad o Índice de poros a la relación entre el volumen de los vacíos y el de los sólidos de un suelo 

 

 

La cual puede variar de cero hasta infinito, en la práctica no suele hallarse valores menores de 0.25 (arenas muy compactas con finos) ni mayores de 15, en caso de arcillas comprensibles.

b)  b)  b) Porosidad “n”. Es la relación entre su volumen de vacíos y el volumen de su masa. Se expresa como porcentaje o al tanto por uno 

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Esta relación puede variar de 0 (en un suelo ideal con solo fase sólida a 100 (espacio vacío). Los valores reales suelen oscilar entre 20% y 95% c)  c)  c) Grado de Saturación. Es la relación entre su volumen de agua y el volumen vo lumen de sus vacíos. Se expresa en porcentaje o al tanto por uno  

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Varía de cero (Suelo Seco) a 100% (Suelo totalmente saturado). En las fórmulas anteriores: Vv : Volumen de vacío Vw : Volumen de agua Vs : Volumen de los sólidos Vm : Volumen de la muestra 20

 

OBJETIVO: 1.  1.  Introducir al estudiante al concepto de pesos unitarios seco, parcialmente saturado y saturado, relación de vacío, estructura del suelo 2.  2.  Determinar el valor numérico de las relaciones de volúmenes en base a los datos de las pruebas de humedad y gravedad específica. 3.  3.  Identificar cuáles son las relaciones volumétricas y gravimétricas que son constantes en las diferentes fases en las que se encuentre el suelo. EQUIPO:

  Recipiente de volumen conocido   Cantidad de grava arenosa secada al horno   Balanza de sensibilidad 0.1 gr

  Probeta graduada de 500 ml PROCEDIMIENTO: 1.  1.  Cada grupo debe pesar cuidadosamente el recipiente vacío y llenarlo con suelo, enrasar cuidadosamente la superficie y pesar. Si el volumen de suelo cambia debido a vibraciones en el proceso de pesaje, se introducen cambios en el estado ((estructura estructura del suelo) del material. Añadir suelo adicional, volver a pesar y/o repetir tantas veces sea necesario para eliminar las vibraciones que causen cambio en el volumen de material. Registra el peso final del recipiente con suelo. 2.  2.  Llenar el cilindro graduado con agua del grifo a temperatura estabilizada (dejar correr el agua del grifo suficientemente hasta que salga agua fría, aproximadamente a 20ºC). echar agua cuidadosamente en el recipiente reci piente de suelo. Llenar el recipiente hasta la mitad y registrar el volumen de agua utilizado en cada caso (fase parcialmente saturada). 3.  3.  Colocar el recipiente parcialmente lleno sobre la balanza y registrar el peso de suelo más agua más recipiente. Comparar la diferencia en peso con los mililitros de agua añadidos. La diferencia debe ser del orden de 2 a 5 g; si es más que esto se debe verificar el cilindro graduado y/o las operaciones de peso realizadas. 4.  4.  Llenar el recipiente hasta el nivel superior sin permitir que el agua se desborde y se pierda, registrar el volumen de agua utilizado (fase saturada). 5.  5.  Colocar cuidadosamente el recipiente lleno sobre la balanza y registrar el peso de suelo más agua más recipiente. Comparar la diferencia en peso con los mililitros de agua añadidos. La diferencia debe ser del orden de 2 a 5 g; si es más que esto se debe verificar el cilindro graduado y/o las operaciones de peso realizadas. 2.  CALCULOS

  

 peso del  suelo   sec o volumen del  recipiente

 

Calcular el peso unitario seco

Calcular el peso unitario saturado

  

 peso del  suelo  saturado volumen del  recipiente

Para calcular la relación de vacíos Vs (Volumen de los sólidos): Volumen del recipiente – volumen de agua usada fase saturada Vv (Volumen de vacío): volumen de agua usada fase saturada GUIA SUGERIDA

21

1.  1.  Cuales son valores típicos de la gravedad específica de los sólidos? 2.  2.  Cuales son valores típicos de pesos unitarios totales, secos y saturados? 3.  3.  Defina grado de saturación. Es posible para un suelo tener un grado de saturación de 120%? Explique 4.  4.  Mencione que relaciones son independientes del estado de humedad de un suelo (fases) Comente las limitaciones del cálculo de la gravedad específica de los sólidos por este método REFERENCIAS Bardet, Jean Pìerre. Experimental Soil Mechanics Bowles, Joseph. Manual de laboratorios de mecánica de suelos Das, Braja M. Fundamentos de Ingeniería geotécnica

22

 

PRACTICA No.5 DETERMINACIÓN DEL PESO UNITARIO DE SUELOS COHESIVOS ASTM 2937-94, AASHTO: T-180 GENERALIDADES: El peso unitario es una propiedad índice de estado de los suelos que se emplea normalmente en todos los tipos de suelo. Es una de las relaciones gravimétricas de mayor utilidad en la

resolución de problemas en la mecánica de suelos. El peso unitario tiene gran aplicación en geotecnia debido a las correlaciones que existen con otros parámetros de ingeniería tales como el ángulo de fricción interno y la resistencia en el ensayo de penetración estándar. Por otra parte, muchas fórmulas que permiten estimar los asentamientos posibles de estructuras fundadas sobre suelos granulares, están basadas en el peso unitario. Existen sin embargo dificultades para determinar el peso unitario en suelos granulares de grandes tamaños. Ya que la obtención o btención de muestras inalteradas en suelos granulares resulta impracticable, a menos que ellas sean obtenidas por procedimientos tan especiales y costosos como el congelamiento, el peso unitario adquiere importancia porque permitiría reproducir esta condición de estado en el laboratorio. El procedimiento para obtener el peso unitario de suelos cohesivos se basa en el principio de Arquímedes, a través del cual el volumen de una muestra se determina por el volumen de agua que desplaza. Este procedimiento puede utilizarse para obtener el volumen vo lumen desplazado de cualquier suelo cohesivo que no se destruya por estar dentro del agua de 1 a 2 min requeridos para hacer el ensayo. No es aplicable a material poroso o a suelo muy seco, a menos que se encuentre en un alto estado de densidad ya que una absorción apreciable de agua por capilaridad o por cualquier otra forma puede afectar los resultados. OBJETIVOS:  

Introducir al estudiante al concepto co ncepto de pesos unitarios de los suelos cohesivos y su aplicación en la mecánica de suelos.  

Calcular el peso unitario o densidad aparente de una muestra de suelo cohesivo.

 

Comprender los alcances y limitaciones del ensayo realizado

 

Clasificar el tipo de suelo ensayado con base en el valor del peso unitario obtenido.

EQUIPO:  

Equipo extractor de muestras inalteradas de suelos cohesivos (opcional)

 

Equipo para corte y tallado de las muestras 23

 

 

Balanza de sensibilidad 0.1 gr

 

Vernier o nonio calibrador

 

Recipiente de volumen conocido (Beacker)

 

Cilindro de pared delgada (probeta) graduada.

 

Horno para determinación de humedades

PROCEDIMIENTO:

  La superficie que se va a muestrear debe alisarse y limpiarse de partículas sueltas. Se aplica sobre la superficie interior del cilindro del equipo extractor, una delgada capa de aceite para motor. Se coloca el cilindro extractor sobre la superficie del suelo y se realiza el procedimiento para su obtención.

  Sacar la muestra del cilindro de pared delgada, se enrasa y se talla la muestra hasta darle una forma cilíndrica.  cilíndrica. 

  Tomar correspondientes medidas de altura y diámetro de la muestra para la determinación de su volumen.  volumen. 

  Tomar el peso de la muestra tallada y enrasada.  enrasada.  ml.     Tomar un cilindro graduado y llenarlo con agua hasta un volumen de 500 ml. 

  Introducir la muestra en el beacker de volumen conocido (500 ml), llenar rápidamente el frasco volumétrico y registrar el volumen de agua gastado.

  Descontar este volumen al volumen total para obtener el volumen del suelo.   Vaciar rápidamente el recipiente volumétrico, retirar la muestra de suelo y secar superficialmente con toallas de papel y volver a pesar. Si los pesos inicial y final se encuentran dentro una aproximación de 1 a 2 gramos, el ensayo es satisfactorio.

  Tomar una muestra de suelo, pesarla y llevarla al horno.   Calcular el peso unitario húmedo y seco del suelo CALCULOS Calcular el peso unitario húmedo y seco del suelo como sigue:

 humedo

 sec o

  

W total   

V 

W sec o V 

 

 x9.807 (kN  / m

 

 x9  .807 (kN  / m

3

3

)

) 24

 

GUIA SUGERIDA

  Que precauciones se deben tener para poder medir el peso unitario de suelos con muchas bolsas de aire? Podría o no llenarse estos agujeros con cera?

  Puede usted aplicar la técnica usada en la medición del peso unitario de las arenas? Explique

  Explique si es posible o no usar otro líquido diferente al agua? REFERENCIA

  Bardet, Jean Pìerre. Experimental Soil Mechanics   Bowles, Joseph. Manual de laboratorios de mecánica de suelos   Das, Braja M. Fundamentos de Ingeniería geotécnica

25

 

26

 

PRACTICA No.6 DETERMINACIÓN DE LA GRAVEDAD G RAVEDAD ESPECÍFICA DE LOS SOLIDOS ASTM D-854-92; AASHTO T 100-70 GENERALIDADES: La gravedad específica es la relación entre la densidad de una sustancia y la de otra, tomada como patrón. Generalmente para sólidos y líquidos se emplea el agua destilada y para gases, el aire o el hidrógeno. También llamada peso específico. La gravedad específica de un suelo se utiliza en el cálculo de las relaciones de fase de los suelos, en los cálculos de los ensayos de granulometría por sedimentación, compresibilidad y potencial de expansión. El término partículas sólidas significa partículas minerales que ocurren naturalmente y no son solubles fácilmente en agua. En consecuencia co nsecuencia la gravedad específica de los materiales que contengan materias extrañas (como cemento, cal y similares), materia soluble en agua (como el cloruro de sodio), y los suelos que contengan partículas con una gravedad especifica menor que uno requieren un tratamiento especial o una definición calificada de su gravedad específica. OBJETIVOS   OBJETIVOS Familiarizar al estudiante con el método para obtener la gravedad específica en suelos de tipo fino y granulares como las arenas.  

Determinar el peso promedio por unidad de volumen de partículas sólidas que constituyen un suelo

 

 

Clasificar el tipo de suelo ensayado con co n base en los resultados obtenidos

 

Reconocer las limitaciones del ensayo realizado

EQUIPOS.  

Muestra seca de suelo de 50  5 gr.

 

Picnómetro de 250 ml (idealmente se requiere de 500 ml)

 

Embudo de vidrio de conducto largo

 

Termómetro

 

Dispositivo de succión neumática, capaz de producir el grado de vacío.   Platos de evaporación ( o cacerolas para ser sometidas al horno)  

Horno a temperatura constante de 100 a 110º C.

 

Balanza de sensibilidad 0.1 g

 

Suministro de agua desaireada con temperatura estabilizada 27

 

Campana de vacío

Bomba de succión de ¼ HP. Picnómetro de 250 ml

Figura 6.1. Equipos requeridos para el ensayo de gravedad específica. 3.  3.  PROCEDIMIENTO

  Pesar 50 gr., aproximadamente de suelo previamente secado al horno y enfriado (Ws)   Pasar la muestra cuidadosamente a un frasco volumétrico seco y limpio, previamente calibrado.

  Tomar el Picnómetro y llenarlo hasta 1/3 de su capacidad en volumen (83 ml) con agua destilada, con la precaución de no introducir cantidades notorias de aire y de no perder material.

  Someter el anterior conjunto a extracción de aire mediante las bombas de vacío durante un tiempo.

  La aspiración de aire deberá realizarse hasta cuándo se denote la presencia de

aire dentro del Picnómetro. La succión de aire se caracteriza por la presencia de burbujas dentro del frasco. El tiempo de succión estará determinado por el tipo de suelo, así, para arenas, el tiempo de succión es cuestión de horas mientras que para materiales arcillosos la succión puede tomar más de un día.

  Cuando se cumpla totalmente con la aspiración, se apagará el equipo de succión, se abrirán las válvulas para compensar las presiones y deberá llenarse la botella con agua

destilada hasta 2/3 de su capacidad y se someterá nuevamente a vacío.

  Cuando se haya extraído todo el aire del conjunto anterior enrasar con agua destilada hasta el aforo.

  Deberá secarse exteriormente el picnómetro y acto seguido se pesará el picnómetro + agua + muestra. Este peso se denominará (Wfws)

  Tomar la temperatura del agua dentro del picnómetro.   Retirar la muestra de suelo del picnómetro y depositarla sobre un recipiente para secado en el horno. Deberá colocarse todo el material junto con el agua, sin que se pierda material. Este peso seco se comparará con el Ws previamente obtenido .  28

 

  Pesar el picnómetro + agua hasta el aforo. Este peso se denominará (Wfw).   Limpiar y secar el equipo

Succión de aire en la muestra de suelo

Bomba de succión en

Figura 6.2. Succión de aire en ejecución. CÁLCULOS Calcule la gravedad específica con la formula siguiente

GS 

Donde;



W S  W  fw  W  s  W  fsw  

 

Ws =Peso seco del suelo W  fsw  = Peso del frasco + peso del suelo + peso del agua. W  fw  = Peso del frasco + peso del agua (de la curva de calibración). Gs = Gravedad específica de las partículas sólidas del suelo.

α =es un factor de corrección de temperatura para corregir el peso unitario del agua  

En la siguiente tabla se muestran algunos valores de   T ºC

 

T ºC

 

T ºC

 

16

10.007

22

0.9996

28

0.9982

17

10.006

23

0.9993

29

0.9980

18

10.004

24

0.9991

30

0.9978

19

10.001

25

0.9989

31

0.9976

20

10.000

26

0.9986

32

0.9974

21

0.9997

27

0.9984

33

0.9972

29

 

GUIA SUGERIDA  SUGERIDA  Puede usted aplicar la técnica descrita para medir la gravedad especifica de un material más ligero que el agua? Cuál es el efecto de la temperatura del agua en la determinación de la gravedad especifica de los suelos? Por que se utiliza el vacío en la determinación de la Gravedad específica de los suelos? REFERENCIAS   REFERENCIAS Bardet, Jean Pìerre. Experimental Soil Mechanics Bowles, Joseph. Manual de laboratorios de mecánica de suelos Das, Braja M. Fundamentos de Ingeniería geotécnica

30

 

31

 

PRACTICA No. 7. ENSAYO DE COMPACTACION DE SUELOS: PRUEBAS PROCTOR “METODO PROCTOR ESTANDAR” y “METODO PROCTOR MODIFICADO” 

(ASTM D 698-91, AASHTO T 99-90).

GENERALIDADES Se denomina compactación de suelos al proceso mecánico por el cual se busca mejorar las características de resistencia, compresibilidad y esfuerzo deformación de los mismos. Este proceso implica una reducción más o menos rápida de los vacíos, como consecuencia de la cual en el suelo ocurren cambios de volúmenes de importancia, fundamentalmente fundamentalmente ligados a pérdida de volumen de aire.

La compactación está relacionada con la densidad máxima o peso volumétrico seco máximo del suelo que para producirse es necesario que la masa del suelo tenga una humedad determinada que se conoce

como humedad óptima.

La importancia de la compactación es obtener un suelo de tal manera estructurado que posea y mantenga un comportamiento mecánico adecuado a través de toda la vida útil de la obra.

El propósito de un ensayo de compactación en laboratorio es determinar la curva de compactación  para una determinada energía de compactación. compactación. Esta curva considera en abscisas el contenido de humedad y en ordenadas la densidad seca. A partir de ella, se podrá obtener la humedad óptima que es la que corresponde a la densidad máxima del suelo para ese nivel de energía aplicado. Con estos resultados se podrá determinar la cantidad de agua de amasado a usar cuando se compacta el suelo en terreno para obtener la máxima densidad seca en función de una determinada energía de compactación. Para cumplir este propósito, el ensayo de laboratorio debe considerar un tipo de compactación similar a la desarrollada en terreno con los equipos de compactación a especificar.  

OBJETIVOS

  Familiarizar al estudiante con la teoría de la compactación de los suelos   Determinar la relación óptima de humedad versus peso unitario de un suelo compactado en un molde normalizado para un nivel de energía específico

  Aprender las diferencias entre los ensayos ensa yos Proctor estándar y Proctor modificado.   Que el estudiante se encuentre en capacidad de reconocer como influye sobre la estructura final de un suelo los esfuerzos aplicados sobre su masa.

A) ENSAYO PROCTOR ESTANDAR ASTM D 698 El ensayo Proctor estándar se refiere a la determinación del peso por unidad de volumen de un suelo que ha sido compactado por un procedimiento definido para diferentes contenidos de humedad. Hay que agregarle agua cuando sea necesario, y compactar este suelo bien mezclado en un molde en tres

32

 

capas con 25 golpes por capa de un martillo de compactación con una altura de caída definida. Esto  proporciona una energía nominal nominal de compactación compactación de 593.7kJ/m3.

El ensayo Proctor estándar está limitado a los suelos que pasen totalmente el tamiz No.4 o que como máximo tenga un retenido del 10% en ese tamiz, pero que pase dicho retenido totalmente por el tamiz

de 3/8”.  3/8”. 

EQUIPOS:

 

                 

Un molde de compactación. Constituido por un cilindro metálico m etálico de 4” de diámetro interior por 4 ½ de altura y una extensión de 2 ½ de altura y de 4” de diámetro interior. inter ior.   Un pisón metálico (martillo proctor) de 5.5 lbs. de peso (2.5 Kg) de 5 cm (2”) de diámetro. Una guía metálica de forma tubular de 35 cm de largo l argo aproximadamente Una regla metálica con arista cortante de 25 cm de largo. Una balanza de 29 Kg de capacidad y 1.0 gr. de sensibilidad. Una balanza de 500 gr., de capacidad y de 0.01 gr., de sensibilidad. Un horno que mantenga una temperatura constante entre 100 –  100 –  110º  110º C. Charolas metálicas. Probetas graduadas de 500 cm3. Extractor de muestras. Tara para determinar humedad

1. 

PROCEDIMIENTO:

 

Se obtiene por cuarteo una muestra representativa, previamente secada al sol y que según el método a usarse puede ser de 3, 7, 5 y 12 kilogramos.

  De la muestra ya preparada se esparce agua en cantidad tal que la humedad resulte un  poco menor del 10% y si el material es arenoso es conveniente ponerle una humedad menor.   Se revuelve completamente el material tratando que el agua agregada se distribuya

  uniformemente. Pese el molde cilíndrico y anote su peso. 33

 

  La muestra preparada se coloca en el molde cilíndrico en tres (3) capas, llenándose en cada capa aproximadamente 1/3 de su altura y se compacta cada capa de la forma siguiente: Se coloca el pistón de compactar con su guía, dentro del molde; se eleva el pistón hasta que alcance la parte superior y se suelta permitiendo que tenga una caída libre de 30 cms, se cambia de posición la guía, se levanta y se deja caer nuevamente el pistón. Se repite el  procedimiento cambiando de lugar la guía de manera que con 25 golpes se cubra la

 

superficie. Esta operación de compactación se repite en las tres capas del material. Al terminar la compactación compacta ción de las tres capas, se quita la extensión y con la regla

metálica se enraza la muestra al nivel superior del cilindro   Se limpia exteriormente el cilindro y se pesa con la muestra compactada anotando su

       

 peso. (Peso del material + cilindro). Con ayuda del extractor de muestra se saca el material del molde y de la parte central del espécimen se toman aproximadamente 100 gr., y se pesa en la balanza de 0.1 gr., se sensibiliza anotando su peso. (Peso húmedo). Deposite el material en el horno a una temperatura de 100 a 110º C por un período de 24 horas, transcurrido este período determínese el peso seco del material. El material sacado del cilindro se s e desmenuza y se le agrega agua hasta obtener un contenido de humedad del 4 al 8% mayor al anterior. Repita los pasos del 2 al 9 hasta obtener un número de resultados que permitan trazar una curva cuya cúspide corresponderá a la máxima densidad para una humedad óptima.

B) ENSAYO PROCTOR MODIFICADO Para este ensayo se utiliza una mayor energía de compactación. Las características básicas del ensayo son las mismas mismas del ensayo estándar de compactación. El ensayo de compactación modificado aplica una energía nominal de compactación al suelo de 2710kJ/m3 lo que representa cerca de 5 veces la energía de compactación del ensayo estándar produciendo un incremento entre un 5 y un 10% de la densidad y una disminución en la humedad óptima.

EQUIPOS: En este caso se hace uso de los equipos anteriormente mencionados para el ensayo de proctor estándar,  pero con las modificacione modificacioness respectivas para el ensayo ensayo proctor modificado. modificado.

PROCEDIMIENTO: Se obtiene por cuarteo una muestra representativa, previamente secada al sol y que según el método a usarse puede ser de 3, 7, 5 y 12 kilogramos.

  De la muestra ya preparada se esparce agua en cantidad tal que la humedad resulte un  poco menor del 10% y si el material es arenoso es conveniente ponerle una humedad menor.

34

 

  Se revuelve completamente el material tratando que el agua agregada se distribuya uniformemente.

  Pese el molde cilíndrico y anote su peso.   La muestra preparada se coloca en el molde cilíndrico en cinco (5) capas, llenándose en  

       

cada capa aproximadamente 1/3 de su altura y se compacta cada capa de la forma siguiente: Se coloca el pistón de compactar con su guía, dentro del molde; se eleva el pistón hasta que alcance la parte superior y se suelta permitiendo que tenga una caída libre de 45.7 cms., se cambia de posición la guía, se levanta y se deja cae nuevamente el pistón. Se repite el procedimiento cambiando de lugar la guía de manera que con 25 o 56 (según el método) golpes se cubra la superficie. Esta operación de compactación se repite en las cinco capas del material. Al terminar la compactación compacta ción de las tres capas, se quita la extensión y con la regla metálica se enraza la muestra al nivel superior del cilindro. Se limpia exteriormente el cilindro y se pesa con la muestra compactada anotando su  peso.(Peso del material + cilindro) Con ayuda del extractor de muestra se saca el material del molde y de la parte central del espécimen se toman aproximadamente 100 gr., y se pesa en la balanza de 0.1 gr., se sensibiliza anotando su peso. (Peso húmedo). Deposite el material en el horno a una temperatura de 100 a 110º C por un período de 24 horas, transcurrido este período determínese el peso seco del material.

s e desmenuza y se le agrega agua hasta obtener un   El material sacado del cilindro se contenido de humedad del 4 al 8% mayor al anterior.

  Repita los pasos del 2 al 9 hasta obtener un número de resultados que permitan trazar una curva cuya cúspide corresponderá a la máxima densidad para una humedad óptima.

  El cálculo se realiza de la siguiente manera:  









 =

 

 



 



Donde γh γd

= =

Peso volumétrico húmedo. Peso volumétrico seco.

Wm = Peso de la l a muestra compactada. We = Peso del molde cilíndrico Vc = Volumen del cilindro W

=

Contenido de de humedad al al ta tanto p po or uno.

Wme = Peso de muestra compactada + Peso del Cilindro También se puede calcular el peso volumétrico de la curva de Saturación (γ dz), (γ  dz), dónde:

35

 

  γ zav

 

 

=Peso volumétrico volumétrico del suelo suelo con cero aire aire en los vacíos. vacíos.

Gs = Peso específico de los sólidos. γw=

Peso específico del agua

Energía de compactación:

 

                

 

GUIA SUGERIDA   Por qué es importante que el nivel final del suelo compactado este justo sobre el cuerpo del molde?   Como selecciona usted el contenido de agua para las muestras del ensayo de compactación?   Podría usted obtener el mismo contenido de agua óptima y densidad seca máxima para los ensayos de compactación estándar y modificado? Como esperaría usted que fueran diferentes los valores?   Cuáles son las principales diferencias entre el ensayo de compactación estándar y el modificado?   Que es la línea de 100% de saturación? Como es esta con relación con la curva de compactación?   Cuál es la influencia del esfuerzo de compactación sobre la curva de compactación’  compactación’     Por que se compactan los suelos en la ingeniería civil?   REFERENCIA     Bardet, Jean Pìerre. Experimental Soil Mechanics   Bowles, Joseph. Manual de laboratorios de mecánica mecánica de suelos   Das, Braja M. Fundamentos de Ingeniería geotécnica

  Conferencias Introducción a la Mecánica de Suelos. Tomo I. Alvaro Covo Torres   Lambe Peck, Hanson and Thorbourng   Mecánica Ingeniería de de Suelos. Cimentaciones.

36

 

Determinación de Peso Unitario Molde

1

2

3

4

Humedad deseada (%) Volumen Contenido de humedad (%) Peso del suelo más molde (gr) Peso del molde (gr) Peso suelo seco en molde(gr) 3

Peso Unitario Humedad (KN/m ) 3

Peso Unitario suelo seco (KN/m )

Determinación del contenido de humedad Muestra No Lata No Peso lata+suelo húmedo Peso lata+suelo seco Peso del agua Peso de la lata Peso del suelo seco Contenido de humedad, w 

METODO

CONCEPTO

A 3

Vol. del molde (cm ) Peso del martillo (Kg) Altura de Caída del martillo (cm)  Nº de golpes del martillo por capas  Nº de capas de compactación compactación 3

Energía de compactación (Kg-cm/cm )

B

C

D

37

 

PRACTICA No.8. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DEL SUELO EN ELCAMPO (CONTROL DE COMPACTACIÓN DE CAMPO). “METODO DEL CONO DE ARENA”  AASHTO T 191-61, ASTM D 1556-90. GENERALIDADES: Cuando el trabajo de compactación va progresando en el campo, es conveniente saber si el peso volumétrico especificado se está logrando o no. Esto se conoce como control de compactación de campo. Esta verificación se logra con varios procedimientos estándares, nosotros utilizaremos el método más comúnmente usado, “EL METODO DEL CONO DE ARENA”.  Básicamente el método consiste en determinar el peso del suelo húmedo de una pequeña excavación de forma irregular (hueco) hecho sobre la superficie del suelo. Se determina el volumen de dicho hueco y la densidad húmeda del suelo en el sitio (densidad in situ) ó peso volumétrico húmedo del campo. Se calcula simplemente como:  

      

 

El método del cono de arena representa una forma indirecta de obtener el volumen del agujero. La arena utilizada (a menudo arena de Ottawa) es generalmente material que pasa el tamiz No. 20 y esta se encuentra retenida por el tamiz No. 30. Aunque el material menor que el tamiz No. 30 y mayor que el tamiz No. 40 o el material menor que el tamiz No. 30 y mayor que el tamiz No. 50 puede utilizarse también, generalmente es deseable tener una arena uniforme o “de un solo tamaño” para evitar problemas de segregación (un volumen

de arena fina puede pesar más que un volumen de arena gruesa, pero un volumen de la mezcla puede pesar aún mas) de forma que en las mismas condiciones de vaciado puedan lograrse la misma estructura del suelo y duplicación requerida.

     

OBJETIVOS: Familiarizar al estudiante con el método comúnmente utilizado en el campo para determinar la densidad del suelo. Determinar la densidad y peso unitario en una superficie de un suelo compactado por medios mecánicos. Determinar la densidad del suelo en el sitio y la humedad del material a consultar.



 

Relacionar la densidad seca de campo con la densidad seca máxima obtenida en el laboratorio, derivadas de los diferentes métodos de compactación de laboratorio. EQUIPOS:  Densímetro o Cono de arena.  Placa base metálica con un círculo hueco.  Recipiente de plástico ó metal de 4000 cm³ de capacidad aproximadamente. aproximadamente. 38

 

  Frasco con arena de Ottawa  Cincel de acero liso de 5/8” de diámetro y una altura de 25 cm de longitud aproximadamente.

 Cuchara y brocha.  Mazo de dos libras y media de peso.  Bolsas plásticas para recoger el material del campo  Taras para el contenido de humedad.  Balanza con precisión de 0.1 gramo y capacidad de 2.0 kg.  Balanza con precisión de 1.0 gramo y capacidad de 25 kg.  Horno con temperatura constante de 110±5 °C.

Fig. 1. Equipo para densidad in situ a través de cono de arena Fuente Laboratorios de Suelos. Universidad de Sucre.

PROCEDIMIENTO: Trabajo de laboratorio: Antes de salir al campo a realizar el ensayo deberán tomarse del equipo las siguientes medidas:

  Calibrar la arena a utilizar, cribándola por los tamices No. 20 y No. 30 desechando lo que retenga el tamiz No. 20 y lo que pase el tamiz No. 30 y determinar también el peso volumétrico seco suelto de la arena calibrada.   Determinar la masa de arena necesaria para llenar el cono sobre una superficie  horizontal. Esta calibración se realiza en la siguiente manera:  manera: 

Pese el conjunto Cono + Frasco + Arena, este peso se denominará P1. Seguido arme el equipo montando el frasco de arena con su cono sobre la base metálica en una superficie totalmente horizontal y limpia. Abra la válvula de salida y espere a que cese la caída de arena hacia el cono. Una vez cese la caída de material, pese nuevamente, Pesar el conjunto Cono + Frasco + Arena restante. Este peso denomínelo P 2. En caso que se 39

 

desconozca la densidad de la arena a utilizar deberá igualmente realizarse ensayos de densidad suelta.

  Pesar el conjunto Cono + Frasco + Arena de cada uno de los equipos que se llevarán al campo. Este peso se denominará P 3.    Se deberá seleccionar el sitio donde se determinará el ensayo (para este efecto el profesor de la asignatura debe haber explicado al estudiante la variación de los lugares donde se evalúan las densidades dependiendo del tipo de obra).   Coloque la bandeja en el suelo. Este sitio deberá ser allanado para que quede totalmente horizontal y su parte superior coincida con el plano inferior de la base. Ancle la bandeja al suelo penetrando los ganchos o cinceles en el suelo a través de los orificios situados para este uso en las esquinas de la base metálica.

  Inicie la perforación de un hueco en el suelo cuyo perímetro será la circunferencia dentro de la base metálica y hasta una profundidad de 10 a 15 cm. Deberá tener especial cuidado en esta parte del ensayo pues la perforación debe ser lenta, no se debe descuidar y producir salpicaduras de material que coloquen granos o terrones por fuera de la base. Todo el material excavado deberá ser recogido minuciosamente sin haber sido mezclado con materiales ajenos al proceso. Luego se pesará. Este peso se denominará P4.   Coloque el conjunto cono + cilindro + arena de forma que la parte abierta del cono quede hacia abajo. El encaje entre este elemento y la base es perfecto. Abra la válvula que permite la caída de la arena hasta que cese el movimiento de la misma dentro del frasco. Una vez termine la caída de la arena, retire el conjunto cono + cilindro + arena y péselo nuevamente en el laboratorio. Este peso se denominará P5.   Retire el equipo y recoja tanta arena (Ottawa) como sea posible (sin agregarle materiales extraños) y deposítela en un recipiente aparte, ya que esta arena se lavara y se volverá a cribar para usarse en otro ensayo.

  Del material extraído del hueco tome muestras diversas para humedad para luego calcular un promedio.

GUIA SUGERIDA

  Mencione los objetivos y el principio del método del cono de arena   Por qué es importante no perder nada del suelo tomado del hueco excavado durante el método del cono de arena?   Por qué se usa un particular tipo de arena para la prueba del cono de arena? Por qué no se usa cualquier arena?   Puede dar el nombre y explicar otros métodos para determinar la densidad de los suelos en el campo?   Podría un suelo en campo mostrar una compactación relativa mayor al 100%. Explique 40

 

         

REFERENCIAS Bardet, Jean Pìerre. Experimental Soil Mechanics Bowles, Joseph. Manual de laboratorios de mecánica de suelos Das, Braja M. Fundamentos de Ingeniería geotécnica Conferencias Introducción Introducción a la Mecánica de Suelos. Tomo I Álvaro Covo Torres Mecánica de Suelos. Lambe

41

 

DATOS INICIALES Tipo de arena usada: Densidad de la arena:

gr/cm3

DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD ELEMENTO Recipiente No. Peso recipiente Peso suelo húmedo + recipiente Peso suelo seco + recipiente Peso del agua contenida Peso suelo seco Contenido de humedad contenido

UNIDADES gr gr gr gr gr %

ENSAYOS 1

2

CALCULO DE DENSIDADES Peso material extraido

gr

Peso de frasco inicial + arena Peso de frasco + arena final Volumen del hueco Densidad Dens idad humeda humeda

gr

Densidad seca (γseca)

obtenida Densidad seca (γseca)

máxima según ensayo

gr cm   gr/cm gr/cm3  gr/cm3

Porcentaje de compactación

%

42

 

PRACTICA Nº 9. ENSAYO DE PERMEABILIDAD CABEZA CONSTANTE NORMA TÉCNICA DE REFERENCIA:

ASTM D2435-90

Método para el ensayo de las propiedades de consolidación uni-dimensional de los suelos OBJETIVOS  

Conocer las propiedades hidráulicas de tos suelos

 

Medir la permeabilidad en los suelos granulares

 

Obtener el coeficiente de permeabilidad K para el suelo en cuestión.

 

Relacionar el coeficiente de permeabilidad K con la relación de vacíos del suelo

MUESTRA

La muestra procederá de una zona de canteras arenosas u otro material granular distinto, de una playa o del lecho de un río (Generalmente se utiliza muestra alterada. Para efectos de la metodología a implantar se utilizará material granular que pase el tamiz No 20 ( Con este tamizado se busca despojar materiales vegetales y cuerpos extraños, por lo que puede reemplazar este tamiz por otro más específico en caso de ser necesario) El material deberá ser secado al horno con anterioridad de 24 horas. Una vez secado, se tomarán 1500 + 250 gr. El peso aquí obtenido se denominará P 1. Previamente al ensayo se deberá determinar la gravedad específica del material a ensayar. EQUIPOS Existe una gran variedad de equipos para medir permeabilidad en suelos granulares. Desde sencillos permeámetros hasta sofisticados capilarómetros. El método que aquí se describirá utiliza cilindros metálicos con cargas hidráulicas a manera de permeámetros para realizar la prueba. De esta forma se distinguen los siguientes elementos.  

Permeámetro

 

Fuente de agua

 

Buretas ( aproximación de 0.1 mi)

 

Cronómetro

 

Flexómetro

43

 

Almacenamiento de agua

Tablero escalado

Válvulas de paso a los moldes

Válvulas de llenado de capilarómetros

Cilindros para ensayos

Figura 9.1 Permeámetro para ensayos de cabeza constante y variable

PROCEDIMIENTO 5.1 Preparación del cilindro. 5.1.1 Arme primeramente los componentes inferiores del cilindro cili ndro metálico , teniendo en cuenta de colocar las piedras porosas y filtros adecuadamente. El instructor deberá guiar al estudiante en este aparte 5.1.2 Deposite cuidadosamente el material con peso inicial P1 dentro del cilindro metálico no debe perder material en este aparte) y compacte suavemente con el compactador manual en capas. Este proceso es para disminuir ( y a la vez variar de ensayo a ensayo) la relación de vacíos. Una vez haya colmado co lmado el recipiente enrase y coloque los elementos superiores del cilindro. Mida la altura efectiva de llenado, en adelante la denominará L 5.1.3 Pese el material restante. Este peso se denominará P 2. 5.2 Saturación de la muestra: Es necesario extraer todo el aire contenido en los intersticios de la muestra antes de efectuar la prueba. 5.2.1 Coloque una manguera en la boquilla superior del recipiente metálico y lleve el extremo libre a un recipiente con agua (deberá tener especial cuidado que la altura del agua dentro del recipiente sea menor a la carga hidráulica del permeámetro)

44

 

5.5.2 Conecte una manguera en la boquilla inferior del recipiente metálico que contiene la muestra. Deberá asegurarse que la velocidad de suministro en la manguera sea bastante baja para que no produzca levantamiento de los granos (ebullición). Este proceso tomará de 2  – 8 horas aproximadamente según sea la relación de vacíos. Nótese la salida de aire en el extremo libre de la manguera superior una vez se inicia el desalojo del aire atrapado en los poros del

suelo.

5.2.3 La saturación se suspenderá cuando deje de ingresar aire desde la manguera superior al recipiente con agua. Nunca se deberá iniciar la saturación por la boquilla superior. 5.3 Una vez se sature la muestra deberá cambiar la posición de las mangueras y colocar la manguera procedente de la fuente en la boquilla superior y la manguera drenante en la parte inferior. 5.4 Antes de iniciar la prueba, debe establecerse la cabeza hidráulica en el recipiente fuente de agua, para permitir luego el flujo de agua hasta la muestra. Es decir tratar de mantener constante la altura del nivel del agua respecto al fondo del recipiente en la medida que se drena la muestra. Se hace necesario que se garantice a cabalidad el cumplimiento de este aparte. 5.5 Mida la altura h existente entre el nivel superior del agua del tanque superior y la boquilla inferior de descarga en el cilindro. 5.6 La altura del agua en el recipiente debe mantenerse constante a lo largo de un ensayo, para este efecto un estudiante vigilará y maniobrará el flujo de agua desde una red externa. En el control de las válvulas del permeámetro, la llave de acceso a los tubos permanecerá cerrada 5.6 Usando una probeta ( en lo posible de 500 mi para tener más precisión en las lecturas) deberá tomarse el flujo proveniente de la manguera inferior un volumen determinado V recolectado en un tiempo específico T. Este tiempo debe ser medido con el ccronómetro. ronómetro. El objetivo es tomar volúmenes específicos y medir el tiempo de consecución para tales volúmenes. Repita los apartes 5.5 a 5.6 cinco veces para cada suelo en estudio variando la relación de vacíos. 5.7 Desmonte el equipo cuidadosamente. CÁLCULOS 6.1 Longitud de la muestra L (cm)= Altura efectiva de llenado. No debe confundirse con la altura del recipiente, pues a ésta debe restarse el espesor equivalente a las piedras porosas y al papel drenante. 6.2. h (cm)= Altura medida desde el nivel superior del agua en el equipo fuente hasta la parte Inferior de la boquilla inferior en el recipiente metálico. 45

 

Volumen

6.3 Caudal Q (cm3 / seg) = Tiempo



Vi Ti

 

10.6.3

El subíndice i  indica  indica que se establece para cada vez que se realice una medición de volumen 6.5 Área A (cm2) : Equivale a la sección transversal interior del cilindro y que corresponde a la de la muestra, resulta ser normal al plano vertical del cilindro que la contiene.

6.6 Gradiente hidráulico

i  

h  L  

6.7 Determinación del coeficiente de permeabilidad K Terminología según H Darcy  K   

Q = KiA, de donde K corresponde corresponde a Vi

 K  

Ti  H   L



 A

Q iA

, luego reemplazando 6.3 y 6.6 tenemos

VL T  HA

 

El coeficiente de permeabilidad K  será  será el promedio de los cinco intentos realizados en la mi misma sma muestra.

6.8 Relación de vacíos e. La relación de vacíos será obtenida a partir de variaciones en la compactación del material al momento de depositarse en el cilindro. VtGs  VtGs  w e=

  Ws

 

Donde Vt es el volumen del recipiente metálico, y Ws = P1-P2 

w es el peso específico del agua. Gs es el valor correspondiente a la gravedad especifica para la muestra en el ensayo. 6.9 Tabular la relación de vacíos e Vs K para un mismo tipo de suelo 6.10 Graficar e Vs K registrado en el numeral 6.9 con e en el eje de la ordenadas y K en el eje de las abcisas. Estimar conclusiones a partir de tipo de curva descrita por los datos PROCEDIMIENTO 46

 

GUIA SUGERIDA

  Qué es la permeabilidad? Qué unidades se usa para expresarla?   Puede dar alguna relación empírica para medir la permeabilidad de los suelos? Es aplicable a todos los suelos?

  Cuál es el objetivo del ensayo de permeabilidad de cabeza constante?   Es el coeficiente de permeabilidad de las arenas influido por la relación de vacíos? Explique

  Cuál es el valor más pequeño del coeficiente de permeabilidad que puede ser medido en una prueba de permeabilidad de cabeza constante? c onstante?

  Qué otras pruebas pueden aplicarse a los suelos con permeabilidades bajas?   Puede dar usted una expresión que tenga en cuenta los cambios de permeabilidad versus la relación de vacíos? constante?   Explique el principio del tanque de presión constante?

  Porque usted debe usar agua desairada en vez de agua del grifo para el ensayo de permeabilidad?

  Como usted remueve el aire del agua?   Las mediciones de la permeabilidad aumentan o disminuyen con el contenido del aire del agua ensayada?

  El coeficiente de permeabilidad aumenta o disminuye di sminuye con la temperatura? Explique  

 Cuál es el rango típico para la permeabilidad de gravas, arenas, limos y arcillas?   Es necesario remover el aire de la muestra antes de realizar un ensayo de permeabilidad? Explique REFERENCIAS

  Bardet, Jean Pìerre. Experimental Soil Mechanics   Bowles, Joseph. Manual de laboratorios de mecánica de suelos   Das, Braja M. Fundamentos de Ingeniería geotécnica  

 Conferencias Introducción a la Mecánica de Suelos. Tomo I. Alvaro Covo Torres   Mecánica de Suelos. Lambe   Ingeniería de Cimentaciones. Peck, Hanson and Thorbourng

47

 

PRACTICA Nº 9. ENSAYO DE PERMEABILIDAD CABEZA VARIABLE . OBJETIVOS  

Medir la permeabilidad en los suelos finos (arcillas - limos)

 

Obtener el coeficiente de permeabilidad K para el suelo en cuestión.

3. MUESTRA Para efectos de la metodología a implantar se utilizará material de tipo fino (arcilloso). Se tomarán 1500  250 gr. El peso aquí obtenido se denominará P 1. 4. EQUIPOS Se utilizará el mismo equipo utilizado en el ensayo No 10.  

Permeámetro:

 

Fuente de agua   Buretas ( aproximación de 0.1 mi)  

Cronómetro

 

Flexómetro

PROCEDIMIENTO Preparación del cilindro. El cilindro deberá armarse según se describe en los numerales 5.1 del ensayo No 10 Deposite cuidadosamente el material con peso inicial P 1 dentro del cilindro metálico ( no debe perder material en, este aparte y compacte suavemente con el compactado manual en capas. Este proceso es para disminuir ( y a la vez variar de ensayo a ensayo) la relación de vacíos, lina vez haya colmado el recipiente enrase y coloque los elementos superiores del cilindro. Mida la altura efectiva de llenado, en adelante la denominará L

Pese el material restante. Este peso se dé nominara P2. Saturación de la muestra: & necesario extraer todo el aire contenido en los intersticios de la

muestra antes de efectuar la prueba. Coloque una manguera en la boquilla superior del recipiente metálico y lleve el extremo libre a un recipiente con agua

48

 

Conecte una manguera en la boquilla inferior del recipiente metálico que contiene la muestra. Deberá asegurarse que la velocidad de suministro en la manguera se bastante baja. Este proceso puede tomar varios días para este tipo de suelos La saturación se suspenderá cuando deje de ingresar i ngresar aire desde la manguera superior al recipiente con agua. Al igual que en el ensayo No 11 no se deberá iniciar la saturación por la boquilla superior. Una vez se sature la muestra deberá cambiar la posición de las mangueras y colocar la manguera procedente de la fuente en la boquilla superior y la manguera drenante en la parte inferior. A diferencia del ensayo No 11, el nivel del agua será variable a medida que se cumple el ensayo. Deberá permitirse el flujo de agua hacia los tubos de vidrio, para este efecto deberá abrir las válvulas inferiores del permeámetro. Observe en la escala de medición detrás del tubo la altura máxima que alcanza el agua dentro del tubo y regístrela en adelante como h1

Abriendo la válvula de descarga tome en una probeta, un volumen determinado V para par a un tiempo específico T a partir de la boquilla inferior del molde. Este tiempo debe ser medido con el cronómetro. Una vez tome el volumen cierre inmediatamente la válvula de paso de agua hacia el cilindro. Registre la lectura final del nivel del agua en la escale graduad detrás del tubo. En adelante se denominará h2 Los numerales 5.5, 5.6 y 5.7 deben efectuarse simultáneamente. Repita los pasos 5.5 a 5.7 por lo menos en cinco veces para obtener promedios representativos del tipo de suelo. Desmonte el equipo.  equipo.  CÁLCULOS   CÁLCULOS Longitud de la muestra L (cm)= Altura efectiva de llenado. No debe confundirse con la altura del recipiente, pues a ésta debe restarse r estarse el espesor equivalente a las piedras porosas y al papel

drenante. . AH (cm)= Altura medida desde el nivel superior del agua en el equipo fuente hasta la parte inferior de la boquilla inferior en el recipiente metálico.

Volumen

Caudal Q (cm» / seg) = Tiempo



Vi Ti

  49

 

El subíndice i  indica  indica que se establece para cada vez que se realice una medición de volumen Área A (cm2) : Equivale a la sección transversal de la muestra y que resulte ser normal al plano vertical del cilindro que la contiene.    H 

Gradiente hidráulico

i

 L  

Determinación del coeficiente de permeabilidad K Para obtener la expresión que nos determine el coeficiente de permeabilidad K es necesario igualar el caudal entrante Qe = Qs .La demostración se muestra en el anexo de permeabilidad     L h1  K   ln  At  h2

 

El coeficiente de permeabilidad K   será será el promedio de los cinco ensayos realizados para el mismo tipo de suelo.

GUIA SUGERIDA

  Qué es la permeabilidad? Qué unidades se usa para expresarla?   Puede dar alguna relación empírica para medir la permeabilidad de los suelos? Es aplicable a todos los suelos?

  Cuál es el objetivo del ensayo de permeabilidad de cabeza constante?   Es el coeficiente de permeabilidad de las arenas influido por la relación de vacíos? Explique

  Cuál es el valor más pequeño del coeficiente de permeabilidad que puede ser medido en

una prueba de permeabilidad de cabeza constante? c onstante?

  Qué otras pruebas pueden aplicarse a los suelos con permeabilidades bajas?   Puede dar usted una expresión que tenga en cuenta los cambios de permeabilidad versus la relación de vacíos?

  Explique el principio del tanque de presión constante? constante?   Porque usted debe usar agua desairada en vez de agua del grifo para el ensayo de permeabilidad?

  Como usted remueve el aire del agua?

50

 

  Las mediciones de la permeabilidad aumentan o disminuyen con el contenido del aire del agua ensayada? di sminuye con la temperatura? Explique   El coeficiente de permeabilidad aumenta o disminuye

  Cuál es el rango típico para la permeabilidad de gravas, arenas, limos y arcillas?   Es necesario remover el aire de la muestra antes de realizar un ensayo de permeabilidad? Explique REFERENCIAS

  Bardet, Jean Pìerre. Experimental Soil Mechanics   Bowles, Joseph. Manual de laboratorios de mecánica de suelos   Das, Braja M. Fundamentos de Ingeniería geotécnica   Conferencias Introducción a la Mecánica de Suelos. Tomo I. Alvaro Covo Torres   Mecánica de Suelos. Lambe   Ingeniería de Cimentaciones. Peck, Hanson and Thorbourng

51

 

PRACTICA Nº 10. ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN NORMA TÉCNICA DE REFERENCIA:

ASTM D2435-90

Método para el ensayo de las propiedades de consolidación uni-dimensional de los suelos OBJETIVO: La prueba de consolidación es usada para determinar el índice de compresión Cc, el índice de expansión Cs y el esfuerzo de preconsolidación p’, los cuales definen la compresibilidad de los suelos; además el coeficiente de consolidación C v, el cual caracteriza la rata de compresión primaria; y el coeficiente de consolidación secundaria C, el cual define las propiedades de reptación. EQUIPO: El equipo para el ensayo de consolidación incluye:

  Consolidó metro  

Deformímetro de carátula con lectura de 0.01mm de precisión (ó 0.0001”)  

  Equipo de cargas   Cronómetro   Equipo necesario o disponible para moldeo o corte de la muestra

  Horno   Balanza de sensibilidad 0.1 g   Recipientes para el contenido de humedad.

INTRODUCCIÓN Cuando un depósito de suelo se encuentra sometido a un incremento de los esfuerzos totales, por ejemplo, como resultado de la carga aplicada por la construcción de un edificio o un terraplén, se produce en el suelo un exceso de presión intersticial. Puesto que el agua no puede resistir esfuerzos cortantes, el exceso de presión intersticial se disipa mediante el flujo de agua hacia el exterior. La velocidad a la cual se produce este proceso depende principalmente del coeficiente de permeabilidad de la masa de suelo. La disipación del exceso de presión intersticial debida al flujo de agua hacia el exterior se denomina consolidación, proceso que conlleva a un reajuste de la estructura del suelo originando una deformación plástica correspondiente a una reducción en la relación de vacíos, generando con ello una reducción del volumen total de la masa de suelo, lo cual se manifiesta en el asentamiento de la superficie del terreno y por consiguiente en un asentamiento de las estructuras.

52

 

En un suelo granular tal, como una arena, la permeabilidad es relativamente alta y por ello el exceso de presión intersticial puede disiparse al instante. En consecuencia, el asentamiento de la estructura por lo general se termina al final de la construcción. En contraste, los depósitos de arcilla a menudo tienen una permeabilidad muy baja y por ello la disipación del exceso de presión intersticial es un proceso muy lento. En consecuencia, una estructura puede continuar asentándose durante varios años después de terminada la construcción. El proceso de consolidación se aplica a todos los suelos, pero en la práctica sólo tiene interés en el caso de estructuras cimentadas en depósitos de arcilla. En tales t ales casos se necesita predecir:

  El asentamiento total de la estructura   La velocidad a la cual se produce dicho asentamiento Estas predicciones pueden hacerse mediante una teoría apropiada para la consolidación. En general, el proceso de consolidación involucra en tres dimensiones el flujo del agua

intersticial y las deformaciones de la masa de suelo. Sin embargo, las teorías tridimensionales son muy complejas y difíciles de aplicar en la práctica. El caso más simple que puede tratarse matemáticamente es el caso unidimensional. Esta es la teoría que se utiliza con mayor frecuencia en la práctica y es la base de la casi totalidad de los lo s cálculos de asentamientos. PROCEDIMIENTO Moldee cuidadosamente una muestra dentro del anillo de consolidación. co nsolidación. Pesar la muestra y determinar la altura Hi  y el diámetro de la muestra. Nota: Después de moldear la muestra a las dimensiones nominales (y/o utilizar el disco espaciador), registrar su espesor con una precisión de 0.01mm (0.0001”), es decir, 20.00mm (0.8000”) u otra dimensión. 

Colocar cuidadosamente la muestra de suelo en el consolidómetro con una piedra porosa saturada colocada sobre cada cara. Asegurarse de que las piedras porosas entren en el anillo de forma que el ensayo pueda avanzar satisfactoriamente. Colocar el Consolidómetro en el aparato de carga y ajustar el deformímetro de carátula; recordar que debe permitirse una posible compresión de la muestra de 4 a 12 mm. Aplicar una carga de inicialización de 5 (para suelos blandos), a 10 (para suelos firmes) kPa. Verificar nuevamente que las piedras porosas no se apoyen sobre el anillo. Colocar el deformímetro de carátula en 0 (dejar esta carga de inicialización sobre el suelo). En el momento conveniente, aplicar el primer incremento de carga (carga adicional suficiente para desarrollar el primer incremento de carga) y simultáneamente tomar lecturas de deformación a tiempos transcurridos de 0.25, 0.50, 1, 2, 4, 8, 15, 39, 60, 120 min, a continuación por ejemplo 4, 8, 16, horas, etc. 53

 

Después de 24 horas o como se haya establecido, o cuando el H entre dos lecturas sea suficientemente pequeño, cambiar la carga al siguiente sig uiente valor y nuevamente tomar lecturas a intervalos de tiempo controlados como en el paso 3 anterior. Si se utiliza el experimento de laboratorio “rápido” en el tercero y cuarto incremento de carga,

tomar suficiente tiempo en las lectura para establecer una pendiente adecuada para la consolidación secundaria que puede ser utilizada en los otros incrementos.

Continuar cambiando cargas tomando lecturas de deformación contra tiempo discurrido a través de todo el rango de cargas del consolidómetro (o hasta que arbitrariamente se determine). Colocar la muestra (incluyendo todas las partículas que se hayan exprimido fuera del anillo) en

el horno al final del experimento para encontrar el peso de los sólidos W s y lograr el cálculo del volumen final de agua V wf  wf . Comparar W s con el valor calculado en el paso 1 (si se hizo la determinación del contenido de humedad). Dibujar las curvas de lectura de deformación contra log tiempo. Encontrar D0, D100 y D50 y los correspondientes t 5500 para cada incremento de carga y mostrar los valores sobre todas las curvas. Dibujar en papel semilogarítmico cinco ciclos más de un incremento de carga en cada hoja, cuidándose de no sobrecargar excesivamente la gráfica.

Opcional: Dibujar la curva de lectura del deformímetro contra  tiempo para dos incrementos

de carga cualquiera y encontrar D0, D100 y D50 y el correspondiente t 5500. Comparar t 5500 con el obtenido en el paso 7 y hacer los comentarios que considere apropiados en el informe si hay una gran discrepancia.

Utilizando los formatos para las lecturas de deformación contra tiempo, los cálculos para e0 , Hs , completar el formato titulado “hoja de cálculos para e y cv ”. 

Dibujar bien a, b o ambos según lo decida el instructor. Calcular la deformación unitaria para cada incremento de carga como:

  

 H 

 H i  

donde  H  es la deformación acumulada a través de cualquier incremento de carga. Dibujar la deformación unitaria contra log P y obtener la relación de compresión C c’, y calcular el índice de compresión como: 54

 

C c

'

 C    c (1  e0 )

 

Y mostrar ambos valores sobre el gráfico  contra log P Calcular e0, ei  y hacer la gráfica de e contra log P y calcular el índice de compresión Cc. Mostrar este cálculo sobre la gráfica junto con la forma de obtención de los valores para el cálculo (coordenadas de la curva).

Sobre la curva del paso 10, seleccionar una buena escala de ordenadas y dibujar cv  contra log P  utilizando la parte derecha de la hoja del gráfico para definir la escala de cv . No utilizar una escala demasiado grande de forma que se disminuya la importancia de la curva e (o ) contra log P. asegurarse de utilizar una escala que indique razonablemente cv = constante (lo cual es una suposición esencial en la teoría de consolidación). GUIA SUGERIDA

  Cuales propiedades del suelo son medidas durante el ensayo de consolidación?   Para qué tipo de suelos es aplicable el ensayo de consolidación?  

 Cuales es la relación entre deformación volumétrica y relación de vacios?   Defina coeficiente de compresibilidad ( mV)   Que es la presión de pre consolidación y la relación de sobre consolidación?   Defina Línea virgen de consolidación?   Que son arcillas normalmente y sobre so bre consolidadas?   Cuál es la relación entre el coeficientes de consolidación y permeabilidad?   Porque se mide la altura la altura final de la muestra después del ensayo de Consolidación? REFERENCIAS

  Bardet, Jean Pìerre. Experimental Soil Mechanics   Bowles, Joseph. Manual de laboratorios de mecánica de suelos   Das, Braja M. Fundamentos de Ingeniería geotécnica   Conferencias Introducción a la Mecánica de Suelos. Tomo I. Alvaro Covo Torres   Mecánica de Suelos. Lambe   Ingeniería de Cimentaciones. Peck, Hanson and Thorbourng 55

 

PRACTICA Nº 11. ENSAYO DE CORTE DIRECTO NORMA TÉCNICA DE REFERENCIA:

ASTM D3080-90

Método para el ensayo de corte directo de suelos bajo condiciones drenadas y consolidadas

1.  1.  GENERALIDADES GENERALIDADES   El ensayo de corte directo consiste en someter una muestra de suelo a una fuerza vertical Pv (conocida, pues su valor se obtiene mediante suministro de pesas) y a una fuerza horizontal (desconocida, la evaluación de esta fuerza es el objeto del ensayo). La fuerza vertical es controlada mediante un número exacto de pesas hasta conseguir el valor deseado. La fuerza horizontal Ph proviene de utilizar la ley de Hooke para resortes. Esta fuerza horizontal es evaluada para las deformaciones horizontales que sufre el anillo de carga ( F s -K x, donde x es la deformación del resorte y la cual en este ensayo es medida con un deformímetro y K es la constante del resorte) Para el caso de anillos de carga la multiplicación de la lectura en él obtenida por el factor del anillo es muestra de la fuerza horizontal actuante para obtener una deformación respectiva. El ensayo de corte directo fue originalmente muy popular. Sin embargo, a medida que avanza el estado del arte, se ha vuelto cada vez menos popular por las siguientes razones:

  El área de la muestra cambia a medida que el ensayo progresa, sin que esto sea demasiado significativo ya que la mayoría de las muestras “fallan” a deformaciones

muy bajas.

  La superficie de falla real no es un plano, como se supuso o se intentó obtener con el tipo de caja de corte que se diseñó, ni tampoco se tiene una distribución uniforme del esfuerzo cortante a lo largo de la superficie de “falla” como también se supuso.  

  El ensayo usa una muestra muy pequeña, con el consiguiente resultado de que los errores de preparación son relativamente importantes.

  El tamaño de la muestra excluye la posibilidad de hacer mucha investigación de las condiciones de presión de poros durante el ensayo.

  No es posible determinar el módulo de elasticidad ni el de la relación de Poisson.

2.  2.  OBJETIVOS:

  Familiarizar al estudiante con un procedimiento para la determinación rápida de los parámetros de resistencia al corte (c y ) de los suelos cohesivos y no cohesivos. 56

 

  Enseñar al estudiante como afectan la naturaleza friccionante o cohesiva de un suelo las características esfuerzo - deformación.

3.  3.  MUESTRA: La muestra para el ensayo deberá consistir co nsistir en piezas de material inalterado, extraído del sitio de interés. Las muestras pueden moldearse en el laboratorio para darles la forma definitiva de la caja de corte siguiente sin alterar su estado inicial de humedad. Las dimensiones finales para los especímenes ensayados en el equipo de corte de Unisucre deberán poseer las siguientes dimensiones: Ancho: 59 mm Largo: 59 mm Alto : 20 mm

4.  4.  EQUIPOS: El equipo para el ensayo de consolidación incluye:

  Aparato de corte directo (ver figura 1.)  

Deformímetros de carátula con lectura de 0.01mm de precisión (ó 0.0001”).  

  Equipo de cargas.   Cronómetro (dependiendo del tipo de ensayo).   Equipo necesario o disponible para moldeo o corte de la muestra.   Balanza de sensibilidad 0.1 g.   Nivel pequeño.

57

 

Dial de deformación vertical

Caja biaxial de corte Anillo de carga

Montante para cargas

Figura 1. Equipo de corte. Fuente Laboratorios de Suelos. Universidad de Sucre

PROCEDIMIENTO SUELO NO COHESIVO  COHESIVO 

  Pesar un plato grande de arena seca (o mojada con el contenido de humedad conocido con exactitud) con suficiente material para hacer por lo menos tres ensayos a la misma densidad.

  Ensamblar cuidadosamente la caja de corte (retroceder cualquier separación existente entre las partes de la caja y los tornillos de empalme) y fijar la caja en posición. po sición. Obtener la sección transversal A de la muestra.

  Colocar cuidadosamente la arena en la caja de corte hasta cerca de 5 mm del borde de la superficie del anillo y colocar el pistón de carga (incluyendo las piedras porosas) sobre la superficie del suelo. Tomar un nivel pequeño y verificar la nivelación del pistón o bloque de carga. Pesar el recipiente de la arena para determinar el peso exacto del material utilizado en la muestra. Obtener a continuación una referencia del espesor de la muestra de suelo marcando varios puntos en el borde del pistón o bloque de carga alrededor del perímetro con respecto a la altura de la caja de corte.

Dial de deformación horizontal

58

 

  Aplicar la carga normal Pv deseada y colocar el dial para determinar el desplazamiento vertical (con precisión de 0.01mm por división). Recordar incluir el peso del pistón de carga y la mitad superior de la caja de corte como parte del peso Pv. Para ensayos consolidados, registrar en el dial el desplazamiento vertical y comenzar el ensayo, solo cuando el asentamiento ha parado. Para suelos no cohesivos esto puede hacerse a partir de la aplicación de Pv.

  Separar las dos partes de la caja de corte desplazando los tornillos espaciadores que se encuentran en la parte superior de la caja de corte. El espacio desplazado debería ser ligeramente superior (al ojo) que el tamaño más grande de partículas presente en la muestra. A continuación se debe fijar el bloque de carga apretando los tornillos de fijación provistos para tal propósito a los lados de la parte superior de la caja c aja de corte. Inmediatamente después separar los tornillos espaciadores de manera que se libere l ibere la parte inferior de la caja de corte; en este momento la carga normal, la mitad de la carga de la caja de corte, y el bloque del pistón de carga se encuentran actuando sobre la muestra de suelo.

  Ajustar el deformímetro de carátula (0.01mm/división) para medir el desplazamiento en cortante. Para ensayos saturados, saturar la muestra llenando ll enando la caja de corte y permitiendo transcurrir tiempo para que tenga lugar la saturación. Asegurarse de que las piedras porosas que se encuentran en la caja de corte estén saturadas si el suelo al ensayarse contiene alguna humedad.

  Comenzar la carga horizontal (cortante) y tomar lecturas del deformímetro de carga, del deformímetro de desplazamiento cortante, y del deformímetro vertical (cambio de volumen). Si el ensayo es de tipo deformación unitaria controlada, se deben tomar esas lecturas a desplazamientos horizontales de: 5, 10, y cada 10 o 20 2 0 unidades de desplazamiento horizontal. Utilizar una tasa de deformación unitaria del orden de 0.5 a no más de 2 mm/min. No utilizar tasas de deformación unitaria más rápidas, pues existe el peligro de que se presente el pico de carga cortante entre dos lecturas. La tasa de deformación debería ser tal que la muestra “falle” entre 3 y 5 min.  

  Retirar la arena de la caja de corte y repetir los pasos 1 a 8 sobre por lo menos dos muestras adicionales y a una densidad ojalá dentro de los 5 g y no más de 10 g respecto a la cantidad de suelo usada en el primer ensayo. Asegurarse de que la arena

ocupe el mismo volumen utilizando las marcas de referencia del paso Nº 3. En el paso 4 usar un valor diferente de Pv para cada ensayo (se sugiere doblar la carga exterior, por ejemplo, 4, 8, 16 kg más el peso del bloque o pistón de carga para esos tres ensayos ó 5, 10, 20, kg, etc.).

59

 

SUELO NO COHESIVO

( y ojalá, a la   Moldear cuidadosamente tres o cuatro muestras del mismo tamaño (y misma densidad) tomadas de una muestra de bloque grande, o de una muestra de tubo, o de cualquier otro tipo de fuente. Utilizar un anillo cortante de manera que el tamaño pueda ser controlado bastante aproximadamente. Cualquier muestra con un peso apreciablemente diferente de las otras debe descartarse y en su lugar moldear otra. *Qué constituye “apreciable” comparado con el tamaño de la muestra (del orden

de 5 cm2 x 20 a 25 mm de espesor) es asunto de criterio personal]. Nota: Se pueden necesitar seis muestras si el suelo está inalterado y preconsolidado. Mantener las muestras en ambiente de humedad controlada mientras se hace el moldeo, la preparación de la máquina de corte y los demás detalles del ensayo.  



Retroceder la separación y el agarre de los tornillos guía en la parte superior de la caja de corte y ensamblar las dos partes. Asegurarse de que las piedras porosas están saturadas a menos que se vaya a ensayar un suelo seco.

Medir las dimensiones de la caja de corte para calcular el área de la muestra.

  Colocar cuidadosamente la muestra dentro de la caja de corte. La muestra debe ajustar perfectamente en la caja y llenarla hasta cerca de 5 mm de la parte superior de la caja de corte.

  Colocar el bloque o pistón de carga en su sitio sobre el suelo, la carga normal Pv y ajustar el deformímetro de carátula vertical. Para un ensayo consolidado es necesario controlar el deformímetro vertical igual que para el ensayo de consolidación para determinar cuando la consolidación haya terminado.

  Separar cuidadosamente las mitades de la caja de corte dejando una pequeña separación apenas mayor que el tamaño de la partícula más ggrande rande presente en el suelo, retroceder los tornillos de separación y empalmar la cabeza de carga en su sitio utilizando los tornillos fijos para tal propósito. Asegurarse de que la carga normal refleje la fuerza normal más el peso del bloque de carga y la mitad superior de la caja de corte.

Ser extremadamente cuidadoso al separar la caja de corte cuando se ensaya una arcilla blanda por que parte del material puede ser extruído fuera de la caja por la zona de separación, utilizar en estos casos cargas verticales pequeñas y/o hacer si puede requerir el hacer la consolidación antes de la separación de las cajas.

  Acoplar el deformímetro de deformación cortante, fijar en cero tanto el deformímetro horizontal como el vertical. Para ensayos saturados, es necesario llenar la caja de corte con agua y esperar un tiempo razonable para que se produzca la saturación de la muestra. 60

 

  Comenzar la carga horizontal (cortante) y tomar lecturas del deformímetro de carga, desplazamientos de corte y desplazamientos verticales (de cambio de volumen). Si el ensayo se hace a deformación unitaria controlada tomar estas lecturas a desplazamientos horizontales de: 5, 10 y cada 10 ó 20 unidades del deformímetro de desplazamiento horizontal, Utilizar una tasa de deformación unitaria del orden de 0.5 a no más de 2 mm/min. No utilizar tasas de deformación unitaria demasiado altas, ya que es posible que la carga pico de corte esté entre dos lecturas. La tasa de deformación debería ser tal que la muestra “falle” en 5 a 10 min a menos que el ensayo sea CD. La velocidad de deformación para el ensayo CD debería ser tal que el tiempo para que la falla ocurra tf sea: t   f     50t 50

 

Donde t50 es el tiempo necesario para que ocurra el 50% de la consolidación bajo la carga normal Pv. Si t50 no es fácil de obtener, puede utilizarse:

t  f  

 35t 60    25 t 70  12t 90

 

Puede hacerse una gráfica de la lectura de deformación vertical contra el Log del tiempo similar a la del ensayo de consolidación del suelo. Cuando Pv es muy grande podría ser necesario aplicar una carga en incrementos en vez de aplicarla toda de una vez.

  Remover el suelo y tomar una muestra para el contenido de humedad. Repetir los pasos 2 a 6 para dos o más muestras adicionales. Si el suelo está preconsolidado y se utilizan seis muestras para el ensayo, es preciso asegurarse de utilizar un rango de tres cargas normales a cada lado del esfuerzo de preconsolidación. SUGERIDA    GUIA SUGERIDA  Para qué tipo de análisis ingenieril usted necesita los resultados del ensayo corte

directo? Porque la resistencia al corte de las arenas densas es mayor que la de las arenas sueltas ? Es posible dibujar la evolución del círculo de esfuerzos de Mohr durante un ensayo de corte directo? Bajo que suposiciones podemos determinar el esfuerzo normal en la falla sobre la superficie normal de una muestra cortada? Cuál es el efecto de la carga sobre el área de contacto durante un ensayo de corte directo? En que parte de la muestra de suelo están concentradas las deformaciones durante un ensayo de Corte Directo? 61

 

Cuál es el efecto de la densidad sobre el ángulo de fricción interna de la arenas? Cuál es la teoría del estado crítico en el caso del ensayo de corte directo sobre arenas? Cuál es el objetivo del ensayo de corte directo? Que propiedades del suelo son medidas Porque la piedra porosa de una caja de corte directo aserradas o provistas con dientes? Bajo qué circunstancias y para qué tipo de suelos podrían ser usadas una muy baja velocidad de corte? Cuántos y cuáles son los tipos de ensayos de corte directo que son posible de llevar a cabo en los suelos de grano fino? REFERENCIA

  Manual de Laboratorios - Jhosep Bowles   Conferencias Introducción a la Mecánica de Suelos. Tomo I Álvaro Covo Torres   Mecánica de Suelos. Lambe