Manual de Laboratorio de Suelos - Joseph E. Bowles

G.Fl..M.

MANUAL ManualDEde LABORATORIO DE SUELOS EN INGENIERIA Laboratorio deCIVIL Suelos

en Ingenieria Civil

1- INQOIIIIIIIA CMl

MANUAL DE LABORATORIO DE SUELOS EN INGENIERIA CIVIL

Joseph E. Bowles Profesor de In¡enlería CITII

Traductor Aquiles Anleta G. Profesor de I"",nieria CIvIl Unlversldad de Loa Ande. IIotIotá, Colombia

Revisor Jorge Tamayo Profesor de I"",nierla CIvIl Unlvenldad Nacional de Colombia

Bogotá

McGRAW-HILL Mblco •

BOGOTÁ • BUENOS AIRES • GUATEMALA • LISBOA • MADRID NUEVA YORK • PANAMÁ • SAN JUAN • SANTIAGO • slo PAULO AUCKLANO • HAMBUAGO • JOHANNESBURGO • LONDRES • MONTREAL NUEVA DELHI • PARls • SAN FRANCISCO • SINGAPUR ST o LOUIS • SIDNEY • TOKIO • TORONTO

MANUAL DE LABORATORIO DE SUELOS EN INGENIERíA CIVIL Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorización escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS © 1981, respecto a la primera edición en español por LIBROS McGRAW-HILL DE MeXICO. S.A. DE C.V. Atlacomulco 499-501, Naucalpan de Juárez, Edo. de México Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial, Reg. Núm. 465

ISBN 968-451-046-2 ISBN 0-07-091990-9 Traducido de la segunda edición en inglés de ENGINEERING PROPERTIES OF SOILS ANO THEIR MEASUREMENTS Copyright © 1978, by McGRAW-HILL BOOK Co., U.S.A. ISBN 0-07-006752-X

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8023456791

¡Ojo!

Impreso en México

Printed in Mexico

Esta obra se terminó en marzo de 1981

en Poligráfica, S.A. Av. del Taller No. 9

México 8, D.F. Se tiraron 2 000 ejemplares

CONTENIDO PREFACIO definiciones de Mecánica de Suelos, procedimientos de laboratorio y preparación de informes EXPERIMENTO No . 1 Determinación del contenido de humedad 11 EXPERIMENTO No. 2 Recolección de muestras en el campo - terreno 13 EXPERIMENTO No. 3 Límites líquido y plástico de un suelo 15 EXPERIMENTO No. 4 Límite de contracción 27 EXPERIMENTO No. 5 Análisis granulométrico -Método mecánico 35 EXPERIMENTO No. 6 Análisis granulométrico - Método del hidrómetro ·17 EXPERIMENTO No. 7 Gravedad específica de los sólidos de un suelo 61 EXPERIMENTO No. 8 Clasificación de los suelos 69 "EXPERIMENTO No. 9 Relaciones humedad - densidad (ensayos de compactación) 79 EXPERIMENTO No . 10 Determinación de la densidad en el campo 89 EXPERIMENTO No. 11 Coeficiente de permeabilidad - Método de la cabeza constante 97 EXPERIMENTO No. 12 Coeficiente de permeabilidad - Método de la cabeza variable 105 EXPERIMENTO No. 13 Ensayo de consolidación 111 EXPERIMENTO No. 14 Ensayo de compresión in confinada 133 EXPERIMENTO No. 15 Ensayo triaxial - sin medición de presión de poros 141 EXPERIMENTO No. 16 Ensayo triaxial- con medición de presión de poros 161 EXPERIMENTO No. 17 Ensayo de corte directo 175 EXPERIMENTO No. 18 Determinación de la densidad relativa 185 EXPERIMENTO No. 19 Ensayo de relación de soporte de California (CBR) 189 EXPERIMENTO No. 20 Construcción de redes de flujo usando analogía eléctrica 199 EXPERIMENTO No. 21 Relaciones volumétricas - gravimétricas 207 EXPERIMENTO No. 22 Peso unitario de suelos cohesivos 211 FORMATOS PARA EXPERIMENTOS 215

PREFACIO La presente edición ha sido reescrita yen general ·puesta al día de forma que refleje las modificacio!,es '0 innovaciones en procedimientos de ensayo, las sugerencias del usuario de la anterior edición y la transición que han iniciado los Estados Unidos al Sistema Internacional (SI) de unidades_ He añadido dos sencillos experimentos introductorios (nos. 21 y 22) y los he colocado al final en lugar del principio, debido a que algunos de los experimentos Nos. 1 a 20 han sido grabados en cintas de televisión o han sido identificados de alguna forma permanente. Los usuarios pueden emplear, si lo desean, el experimento No. 21 para comenzar los experimentos en el laboratorio o como demostración en la primera o segunda clases de las características volumétricas -gravimétricas de los suelos e introducción al laboratorio de suelos. Esta edición está totalmente presentada en unidades SI/métricas. Las llamo SI/métricas debido a que es normal encontrar en los equipos de laboratorio de suelos tanto unidades SI como unidades métricas de "uso preferencial". Más aún, a pesar del gran . empuje que se le ha dado a la adopción del SI puro, unidades como el centímetro, el gramo y centímetro cúbico se seguirán utilizando como una simple cuestión de necesidad práctica. La forma de presentación constituye un cambio grande con respecto a la primera edición, al incluir los formatos en blanco con el texto. En varios de los experimentos o proyectos he indicado métodos prácticos y/o trabajos preliminares que deberán ser ejecutados antes de la respectiva práctica de laboratorio, así como algunos equipos que podrán construírse muy fácilmente con el fin de mejorar la calidad del proyecto . . Al igual que la primera edición, este texto de laboratorio se ha escrito con la intención de introducir a los fundamentos básicos del ensayo de suelos en laboratorio, eon énfasis en los métodos de recolección de datos, cálculos y presentación de resulta·os. El arreglo general de listado de equipos; fotografías, formatos típicos y presentación de información se ha mantenido igual a la primera edición. Los formatos ilustrativos se han renovado en su totalidad, yen ellos se presenta resultados reales de ensayos de suelos hechos personalmente por mí, o bajo mi supervisión, utilizando equipos métricos; no son simples conversiones de unidades de los ensayos presentados en la primera edicion. Los ensayos que se presentan en este manual siguen muy de cerca los procedimientos estándar de ensayos sugeridos por la Sociedad Americana para el Ensayo de Materiales (ASTM) y la Asociación Americana de Agencias Oficiales de Carreteras y Transporte (AASHTO). Se hacen algunas excepciones como en el caso de la utilización de agua destilada o equipos altamente especializados (difíciles de conseguir en laboratorios para estudiantes) y en la desviación en términos del elemento tiempo, el cual en algunos procedimientos de ensayo estándar puede ser característica esencial. Siempre que se hace una desviación de cualquier estilo se destaca adecuadamente de forma que el usuario esté conciente del hecho cuando el procedimiento no es estandar. Quiero expresar mi especial reconocimiento al profesor E. Schaeffer del Sto Lawrence College, Ontario, Canadá y al profesor Turgut Demirel de la Universidad del Estado de Iowa, quienes hicieron la revisión crítica del manuscrito. Quiero así mismo encausar mi agradecimiento hacia los innumerables estudiantes (pre y posgraduados) cuyas ideas fueron rebuscadas en sus informes de laboratorio y utilizadas para mejorar el trabajo y la metodología del laboratorio.

~

Joseph E. Bowles

DEFINICIONES DE MECANICA DE SUELOS, PROCEDIMIENTOS DE LABORATORIO Y PREPARACION DE INFORMES

Introducción Esta sección del manual de laboratorio proporciona información de naturaleza general. Contiene un breve artícUlo de referencia sobre definiciones básicas de la mecánica de los suelos, así como sobre las relaciones volumétricas y gravimétricas. En esta sección se incluye tam w

bién información sobre los procedimientos generales de laboratorio que el estudiante debe

estar en capacidad de emplear y una guía para la preparación de informes de laboratorio que le será igualmente útil. Se recomienda a los estudiantes leer muy cuidadosamente esta sección y consultarla a menudo a fin de asegurar la adecuada presentación de sus informes y para revisar los métodos de presentación gráfica de la información cuando sea necesario recurrir a la elaboración de curvas en algunas prácticas. Unidades SI/Métricas usadas en este texto En este texto no se emplean las unidades técnicas inglesas de pie-libra-segundo (fps). Comúnmente los equipos de laboratorio de suelos miden la masa en kilogramos (kg), unidad patrón SI, o en gramos (g) unidad menor que no es patrón en el sistema SI. Como generalmente se usa en ingeniería el peso es una unidad de fuerza (aunque muy pocas veces se le define como tal). Si se hacen las siguientes consideraciones: W

F~ma~-(a)

g

y se reemplaza la aceleración de la gravedad, g,·por la aceleración en la ecuación anterior, se tiene que F = W (donde W es la fuerza de cuerpo o peso producido por el efecto del campo gravitacional de la tierra sobre la masa del cuerpo en consideración). La aceleración normal de la gravedad (la cual varía ligeramente con la localización sobre el globo terráqueo) se basa en la elevación del nivel del mar a una latitud de 45°N y es muy cercana a los 9.807 m/s2. La unidad SI de fuerza es el newton (N), equivalente a 100000 dinas. El newton se puede definir como la fuerza que producirá en una masa de 1 kg una tasa de aceleración de 1 m/s2. Un gramo fuerza = 980.7 dinas (también la aceleración de la gravedad en cm/s 2 ), y entonces se tiene que: F = 1 grn (masa)

X

980.7 cm/s 2 (unidades de fuerza = dinas)

Si se divide por 980.7 dinas/grn, es claro que los gramos masa y los gramos fuerza son intercambiables (al igual que los kilogramos) siempre que se trabaje con la constante gravitacional normal. Esto ha causado muchas confusiones en el pasado, pero podrá disminuir como problema en el futuro pues el newton (fuerza) supone una aceleración de 1 mis' (no la aceleración de la gravedad). Para trabajar en problemas relacionados con los suelos se usarán las siguientes unidades (con las abreviaciones mostradas). Es im.portante destacar que las unidades intermedias

utilizadas serán compatibles con los equipos de laboratorio, y que las unidades se registrarán finalmente en sistema SI.

Definiciones de mecánica de suelos

2

CANTIDAD

Longitud Volumen Masa Peso

Peso unitario

Presión

UNIDAD INTERMEDIA NO·PATRON

centímetro (cm) centímetro cúbico (cm 3 , también, ce milímetro (mi)). gramo (g) gramo (g) o kilogramo (kg) g/cm 3 , algunas veces tonelada/m' una tonelada = 1000 kg. kg/cm'

Energía

UNIDAD SI

Milímetro (mm) o metro (m) metro' (m') kilogramo (kg) newton (N) o kilonewton (kN) kilonewton/m' (kN/m') kN = 1000 N N/m' (pascal (Pa), en trabajos de suelos se usa el kilopascal (kPa) newton·metro = Julio (J) momento = N • m (pero no es un Joule).

Los siguientes factores de conversión son muy útiles: 1 pulgada 2.54 cm (dígitos exactos) 1 gramo 980.7 dinas = 980.7 gm-cm/s' 1 newton 1000000 dinas 1 psi 0.07031 kg/cm' 6.89428 kPa: 1 lb/pie' 0.157093 kN/m' 1 pie' H, O 62.4 lb/pie' (pcf) 1 m' H,O 9.807 kN/m' 1 gm/cm' 9.807 kN/m' 1 galón(USA)= 3.785 litros = 0.003785 m' Definiciones fundamentales Refiriéndonos a la Fig. 1·1a, tenemos un volumen de suelo sacado de su sitio natural en el campo, más, suponemos que el suelo fue removido en forma de cubo con 1 cm de arista (volumen = 1 cm'). Esto es realmente difícil de lograr en la práctica, pero para ilustrar las relaciones de volumen/peso que se presentan a continuación, suponemos que es posible remover un bloque de suelo en forma cúbica perfecta. Este cubo está conformado por un esqueleto de suelo con agua y aire en sus intersticios, o poros, entre los puntos de contacto de las partículas de suelo (Fig. 1-1b). Es evidente que, dependiendo de la localización (in· situ) del cubo en el campo y de factores climáticos, la cantidad relativa de agua y aire puede variar en la totalidad de los poros desde tener todos los poros llenos de agua sin aire presente, hasta tener todos los poros llenos de aire y sin agua. Dependiendo de la temperatura instantánea, el agua podría estar presente en forma de hielo o de una mezcla agua-hielo. Con el propósito de observar mejor la composición del cubo de suelo, se drena toda el agua presente en el cubo y se coloca en un recipiente. A continuación se calienta el esqueleto de partículas de suelo hasta que se fundan y fluyan para formar una masa sólida sin esqueleto (sin poros) que ocupe un volumen V, de un recipiente con un volumen total de 1 cm'. Nótese que antes el esqueleto de suelos ocupaba todo el volumen de 1 cm' . El volumen real de los sólidos del suelo, V" es menor que 1 cm' . A continuación se echa el volumen de agua drenada del cubo original, Vw , en el recipiente de 1 cm' de volumen sobre la masa de sólidos fundidos (Fig. 1-1d). Si los poros del esqueleto de suelos hubiesen estado llenos de agua, sería evidente que la suma del volumen de sólidos del suelo y el volumen ocupado por el agua llenaría el recipiente de 1 cm' . Como en este caso ilustrativo los poros no estaban llenos de agua, el volumen sobrante para llenar el recipiente de 1 cm' debe ser igual al volumen de aire V. , presente en el esqueleto de suelo original. Para conveniencia de los desarrollos posteriores.

es necesario

posiciones:

1. el suelo tiene peso 2. el aire no tiene peso (para los volúmenes involucrados).

hacer las siguientes su-

3

3. El agua tiene peso. En general se tomará como 1 g/cm' (9.807 kN /m' ) aunque este valor sólo es correcto a una temperatura de 4°C. A temperatura entre 18°C y 25°C, el peso varía entre 0.9986 y 0.9971 g/cm' (ver Tabla 6-1). Los siguientes símbolos se usarán en las definiciones que siguen:

e G =

G, = Gw =

n = w

S Iv, IV¡ Ww

V. V. Vi Vw

= = = = = = =

=

V. = '"1

= = =

'"Id 1'. '"Iw =

relación de vacíos , ..' gravedad específica dé ,cualquier sustan~ia gravedad específica de los sólidos d'el suelo gravedad específica ~el agua porosidad contenido de humedad grado de saturación peso seco de los sólidos peso total de la masa incluyendo el agua presente peso del agua presente en la masa de suelos volumen del aire presente en la masa de suelos volumen de los sólidos del suelo volumen total de la II\jlSa de suelos = V. + Vw + V. volumen de agua en la masa de suelos de suelos = Vw + volumen de los vacíos en la peso unitario de un material (g/cm' ó kN/m') peso unitario seco de una masa de suelos peso unitario saturado de una masa de suelos peso unitario del agua

masa

V.

Granos de suelo

1 cm

E o

I

t

lb)

VV! I

Esqueleto de granos de suelo con poros parcialmente llenos de agu8

'1

Terreno natural

(e'

Cubo de suelo removido del terreno natural

T

(el S61idos del sueio comprimidos a un volumen. sin poroto ¡"miar a 1 cm"

Figura 1·1 RelacIones volllmétricas y gravlmétricas.

(d}

Refaciones yolu~trical y de peso- P". la lTleNI

origino! dtI .....10

4

Dllfinidones de mednica de suelos

En referencia a la Fig. l·ld, se define la re/ación de vacíos e como e = V,

(1-1 )

V,

La relación de vacíos se expresa usualmente en forma decimal. La porosidad se define cQID.q . .., ,,;;,, ~i.!.. ,!

~

F• •

\ o:' ' .'

(1-2)

La porosidad puede expresarse en forma decimal o porcentual; el uso d ecimal es preferido. Al sustituir la Ec . (1-1) en la Ec. (1-2), se obtiene la siguiente expresión para la relación d e vacíos en términos de la porosidad. ¡' , . . ,: ": n e = -(1-3) ~.

1 - ,, --

-"

El grado de satúroción' se defiDe 'como

s = V". 100 V,

por ciento

(1-4)

Nótese que el rango de 8 varía entre O y 100 por ciento y que, si

s=

0%, el suelo está seco

S

100%, el suelo está saturado

=

El peso unitario de un suelo es

w,

(1-5)

y =~

Esta definición también es aplicable a otras sustancias tales como hierro, cobre , carbón y aceite. Nótese que si el suelo está seco (8 = 0 %), W, = Iv, y se calcula el peso unitario seco como:

Si 8

=

100%, Iv,

=

Iv,

+ Ww y se usa la eco (1-5) se calcula el peso unitario saturodo

r. ·

Si O < 8 < 100 por ciento, W, es aún calculado como W, = Iv, + Ww y entonces la Ec. (1-5) permite calcular el peso unitario húmedo del suelo. En términos generales es necesario mirar el contexto del problema dado para poder establecer cuál peso unitario es necesario describir o determinar, ya que, como lo indica el material anterior, es posible calcular más de un peso unitario para un mismo suelo dado, dependiendo de qué fracción de peso se utilice en el numerador de Ec. (1-5). A partir de consideraciones fundamentales, se puede expresar el volumen de cualquier material como (1-6)

Definiciones de meéanica de suelOl

Así tomando en referencia la Fig. I-Id, el volumen de los sólidos del suelo

V=~ 8

V.

es (1-&)

G,'Y1t1

El volumen en agua Vw es W" = W le V 10=-G

(1-6b)

w'Yw

ya que 4u y 'Yw son ambas aproximadamente iguales a l.0 para el agua en condiciones usuales de campo y de laboratorio (en sistema métrico técnico únicamente). El contenido de humedad w se define en el experimento No . l. Por conveniencia, sin embargo, la ecuación que define al contenido de humedad se repite aquí: w= Wll' W,

por ciento

El método para determinar la gravedad específica de un suelo q, se describe en el experimento No. 7. Si se hacen las suposiciones y sustituciones del caso, es posible derivar una serie de relaciones recíprocas, como las siguientes : Cantidades dadas

Encontrar

Expresi6n derivada

'Y,¡,G.

e

e =--1

G.,w(S = 1000/0)

u, e

11

G. -y,

10G A 1 + 1VG J

e =wG .

y,,,

'Y.. n

Generalmente: S e = wG.

G.'Y", "I ,¡ = 1 + e

G. + e

1'. =~Y",

e 1 +e

n=--

Es posible derivar más relaciones, pero esto se deja al estudiante en calidad de ejercicio. Ejemplo: Dados los siguientes datos: Peso del recipiente + arena húmeda Peso del recipiente + arena seca Peso del recipiente Volumen del recipiente

= 248.6 g = 231.2 g 63.7 g = = 100 cm'

Encontrar: (1) contenido de humedad w, (2) peso unitario seco, (3) peso unitario húmedo y (4) relación de vacíos, si G, = 2.68. SOLUCION

1. w

W

= W~

x 100

248.5 - 231.2 x 100 = 17.3 x 100 = 10 3% 231.2 63.7 167;5 .

DoIInIcIo_ de

8

2.

1'.

W, 167.5 = V, = 100 = 1.675 g/cm 3 = 1.675 x 9.807.= 16.43 kN/m 3

3

• Y. .. =

Ww" V, =

184.8 100 x 9.807 = 18.12 kN/m 3

También Iv, = W, + Ww = W, + W,

_loo de .._

W,

ww, (del paso 1). Ahora se divide por V :

wW,

V, =v, + v,- = 1'WE BR"'DLEY

Perforación No.c----.....-''''-_ _ Muestra

Formato 3

Descripción del Suelo ARCILLII LIMOSA PARDA Profundidad de la Muestra,_---_ _~_ _ _ Realizada por-.:!.:r..:.·E,=,-,.B"'·_ _ _ _ Fecha 5- 4--.6

Determinación del Límite Líquido Lata Peso de suelo húmedo +Iata Peso de suelo seco + lata Peso de lata Peso de suelo seco

2?

28

.t¡.8.€./

SS.SJ

SI.

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8.73

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Z3.8'lo

Peso de agua

7. -9-z.

Contenido de humedad°;'

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Número de golpes, N

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Umite Uquido - 33.

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